DE1952177A1 - Akustisches Bohrlochpruefgeraet mit angewinkelten akustischen UEbertragern - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipi.-ing. Walter Meissner Dipi.-ing. Herbert Tischer BERLIN 33, HERBERTSTRASSE 22 1 Q C O 1 »7 «7 MÜNCHEN

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DA - 67 - 1o DRESSER INDUSTRIES, INC., Dallas/Texas - USA

Akustisches Bohrlochprüfgerät mit angewinkelten akustischen Übertragern

Die Erfindung bezieht sich auf Bohrlochprüfgeräte mit verbesserten Richtungscharakteristiken.

Akustische Bohrlochprüfung wird in den geophysikalischen und seismischen Arbeitsgebieten verwendet, um von Erdbohrlöchern durchquerte Formationen zu erforschen. Insbesondere dienen akustische Geschwindigkeitsmessungen zum Erhalten von wertvollen Informationen über die Art und die Porösität des Gesteins in den das Bohrloch umgebenden Formationen. Der am meisten akustisch gemessene Parameter auf dem Gebiet der Bohrlochprüfung war die Geschwindigkeit von Druckwellen. Von hoher Bedeutung ist auch die Geschwindigkeit von Scherwellen und die anderer Arten akustischer Energieübertragung. Zusätzlich ist die akustische Impedanz, die durch die Dämpfung verschiedener Übertragungsarten angezeigt wird, ein Parameter, der bei der Bestimmung verschiedener mechanischer und chemischer Charakteristiken der Formation und der in ihr enthaltenen Flüssigkeiten als von Bedeutung angesehen wird» Eine weitere Charakteristik der Formationen, die besonders zum Erkennen durch Prüftechniken erwünscht ist, bezieht sich auf den Umfang, in dem die Gesteinsmatrix gebrochen ist. Eine noch andere Charakteristik, die für den Geologen von Interesse ist, bezieht sich auf die Häufigkeit großer Leerräume in der Formation, gewöhnlich auf Drusen bezogen, besonders, wenn solche Drusen zur wirksamen Porösität

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der von gewinnbaren Flüssigkeiten durchsetzten Iformation nicht beitragen.

Andere Gesteinscharakteristiken, die durch akustische Messungen festgestellt oder abgeleitet werden könnten, sind eher sophistisch als vorher in der Technik bekannt und beziehen sich auf vertikale Kontraste und Veränderungen in der Gesteinsschicht, z.B. Messungen, die einen hohen Grad von Auflösung erfordern. Beispielsweise besitzen manche Schiefer und Sande zwischengebettete Schichten, die sich in ihrer Permeabilität und Porösität in Zwischenräumen von nicht mehr als wenigen Zentimetern verändern,, Eine Reihe von durchlässigen Sanden von je mir wenigen Zentimetern Dicke kann somit zwischen dünnen undurchlässigen Schieferschichten gebettet sein. Bekannte akustische Prüfgeräte können diese einzelnen Gesteinsschichten nicht auflösen, da die Auflösungsgrenze handelsüblicher Einrichtungen bei etwa 60 cm liegt. Da manchmal wertvolle Schichten, zum Beispiel solche, die öl, Schwefel, Uran, Kupfer, Eisen und vieles andere en thai ten _s auf quantitative V/eise nur dann erkannt und ausgewertet werden können, wenn die akustische Geschwindigkeit bekannt ist, ist ein höherer Auflösungsgrad als der bisher erhältliche notwendig, wenn solche Schichten zu identifizieren sind.

Beim Versuch, Geräte mit höherem Auflösungsgrad herzustellen, wurde die bisherige Technik durch Orientierungsprobleme behindert. Solche akustischen Geräte verlaufen allgemein zylindrisch symmetrisch zur Achse des Bohrlochgerätes und das Gerät hängt frei im Bohrloch oder kann mit einer Zentriervorrichtung ausgerüstet werden. Wegen der großen Veränderung der Bohrlochabmessung muß ein solches Gerät so konstruiert sein, daß die Abstände zwischen Sender und Empfänger und zwischen den entsprechenden Empfängern im Vergleich zum Bohrlochdurchmesser groß sind. Durch solche Umstände wird somit viel Energie im Bohrloch vergeudet. Es war ferner äußerst schwierig, zwischen akusti-

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sehen Wellen zu unterscheiden, die vom Bohrloch reflektiert werden, und denen, die durch das Formationsgestein hindurchgehen. In ähnlicher Weise können akustische Impulse sehr kurzer Dauer oder hoher Irequenzen oder mit in solchen Anlagen "benutzten Wellenfronten von einem praktisch zentral angeordneten zylindrischen Sender auf einen ähnlichen Empfänger ohne den Verlust der hochfrequenten Komponenten nicht übertragen werden, außer, wenn das Gerät genau zentriert ist und das Bohrloch genau rund. Da es wohl "bekannt ist, daß Bohrlöcher häufig elliptisch und gewöhnlich unregelmäßig sind, kann eine hohe Auflösung und eine äußerste Genauigkeit in solchen Bohrlöchern nicht erreicht werden, außer durch Ausschluß der Bohrlochwirkungen.

Beim Versuch, die 3ohrlochwirkung durch Abschirmen akustischer Gerate an fast einer Seite auszuschließen, wurde festgestellt, daß mit Dezentriereinrichtungen ausgerüstete Geräte wegen der hohen, durch das Gerät infolge der "otraßengeräusche" erzeugten akustischen Störungen, die durch das Kratzen des Gerätes an der Bohrlochwandung bedingt sind, völlig unzureichend sind.

Hauptaufgabe der Erfindung ist deshalb, ein verbessertes akustisches Bohrlochprüfgerät anzugeben, das die Gesteinss chich tberührurcgsf lach en auflösen und dünne Gesteinsschichten bestimmen kann. Dieses Gerät soll an seinem Ausgang Veränderungen im Zustand einer Bohrlochwandung wie Durchmesseränderungen und Änderungen der Dicke des Schlammkuchens anzeigen und akustische Druckwellen mit hoher Genauigkeit messen. Das Gerät dient auch zum Messen der Geschwindigkeit akustischer Scherwellen in einem Bohrloch und soll gleichzeitig besondere Informationen an gegenüberliegenden Seiten des Bohrlochs liefern.

.dies »vird gemäß der Erfindung p;·: ouctisch durch ein Prüf F^ rat erreicht, das in solcher V/eise am Bohrlochgerät be-

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festigte akustische Pufferglieder "besitzt, das sie während des Bohrvorgangs gegen die Bohrlochwandung drücken. Das akustische Pufferglied besitzt mehrere in bestimmten Winkeln in einem Flüssigkeitskupplungsmedium angeordnete akustische Übertrager, die gegebene Geschwindigkeitscharakteristiken aufweisen, um eine höchste Verstärkung der akustischen Signale zu ergeben, die von den das Bohrloch umgebenden Formationen zurückkehren. Diese und andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In diesen sind:

Figur 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Bohrlochgerätes nach der Erfindung in seiner Arbeitsstellung in einem Erdbohrloch;

Figur 2 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Bohrlochgerät mit zwei Abtastpuffern ausgerüstet ist, die gegenüberliegende Seiten der Bohrlochwandung berühren;

Figur 3 ein akustisches Pufferteil des Gerätes nach den Figuren 1 und 2;

Figur 4- geqmetrische Betrachtungen für die akustischen Übertrager, die am 7/eg befestigt sind, nach Figurj5;

Figur 3 die verschiedenen Bewegungsbahnen der akustischen Energie zwischen zwei akustischen Übertragern gemäß Figur 3;

Figur 6 ein Blockdiagramm der Schaltung zum Erhalten einer Information der Schlammkuchendicke und Gerätauslaufs gemäß der Erfindung;

Figur 7 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Einrichtungen zu Fehlereliminationsmessungen an äolchen Punkten des Bohrlochs vorgesehen sind, an denen sich der Durchmesser ändert;

Figur 8 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem in der akustischen Abtastbahn Einrichtungen

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zum Eliminieren von Meßfehlern an Punkten im Bohrloch vorgesehen sind, an denen sich der Durchmesser ändert;

Figur 9 sin anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Winkel der Wandler im akustischen Bahnglied mechanisch geändert werden kann, um den besten Winkel einzustellen;

Figur 1o ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der effektive Winkel der Wandler durch Indern der Ebene der Berührungsfläche zwischen dem Wandlergehäuse und der Bohrlochflüssigkeit J verändert werden kann; und

Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bohrlochgerätes nach der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Teil der Erdoberfläche 1o mit dem Bohrloch 11» Das Prüfgerät 12 hängt im Bohrloch an einem Kabel 13, das auf eine an der Erdoberfläche befindliche Trommel 14 aufgewickelt ist. Das Kabel 13 läuft über eine Meßrolle 15» die eine Transmission 16 bewegt, die wiederum das Anzeigegerät 17» beispielsweise einen x-y-Auswerter, antreibt, so daß die an ihm aufgenommene Information vom elektronischen Oberflächengerät 48 auf die Tiefe im Bohrloch bezogen wird.

Das Bohrgerät 12 besitzt ein Pufferglied 3o„ In bekannter Weise wird das Glied 3o mit der Bohrlochwandung oder mit der Schlammkuchenschicht 25 an dieser durch zwei Federglieder 26 und 27 in Berührung gebracht.

Da Zusammensetzung und Dicke des Schlammkuchens 25 mindestens in diesem Umfang unbekannte Größen sind, wünscht man die akustischen Eigenschaften der Formationen ohne Einführen eines Meßfehlers zu messen, der durch die Anwesenheit des Schlammkuchens oder anderer anomaler Veränderungen des

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Bohrlochwandungszustandes bedingt ist. Das Gerät nach Figur 3» das noch beschrieben werden wird, und die zugehörige Elektronik ergeben eine solche Einrichtung zum Messen einer akustischen Eigenschaft, beispielsweise die Geschwindigkeit der Formation, frei von solchen Fehlern, und ferner eine Einrichtung zum Bestimmen, ob der Puffer 3o sich mit dem Formationsgestein in Kontakt befindet oder durch eine Schicht Schlammkuchen oder durch Veränderung des Durchmessers oder der Rauhigkeit des Bohrlochs außer Kontakt gehalten wird,

Figur 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Bohrlochgerätes 12' mit zwei akustischen Puffergliedern 2o und 3o, die praktisch identisch sind und an gegenüberliegenden Seiten des Gerätes 12" angeordnet sind. Beide Glieder 2o und 3o besitzen Federn, die sie entweder mit der Bohrlochwandung und mit der Schlammkuchenschicht 25 in Berührung bringen. Bei dem Gerät nach dieser Ausführung prüft eine Einrichtung gleichzeitig die Formation an den beiden gegenüberliegenden Seiten des ,Bohrlochs.

Figur 3 zeigt den akustischen Puffer 3o im Detail, der durch die Federn 26 und 27 mit der Bohrlochwandung oder dem Schlammkuchen 25 in Kontakt gehalten wird. Der Puffer 3o, der aus einem Stück Stahl für mechanische Beanspruchung herausgearbeitet ist, besitzt einen Hohlraum zum Befestigen eines Sender-Wandlers 331 einen akustischen Isolierabschnitt 34- und zwei Hohlräume zum Befestigen der Empfangswandler 35 ^^ 36· Der akustische Isolierabschnitt, der einen gewundenen Weg hoher akustischen Widerstandes zwischen Sender und Empfänger darstellt, besteht aus einer Reihe von Schlitzen, die mit 7o-Durometer-Gummi gefüllt sind, um die mechanische Stabilität zu erhöhen und die akustische Energie zu verzögern, die in anderer Weise unmittelbar unter den Puffer gehen würde.

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Der Hohlraum für den Sender-Wandler ist groß genug, um auch einen Hochspannungstransformator 37 nit 22o Volt Eingangsspannung an den Leitern 39 der Tiefen-Elektronik (nicht dargestellt) im Gerät 12 aufzunehmen. Der Transformator liefert an seiner· Sekundärwicklung 4 kV-Impulse. An dieser Wicklung liegt der Sender-Wandler 33· Die Spannungsimpulse des besonders für diese Paffereinheit gewikkelten Transformators besitzen eine Anlaufzeit von 5 Mikrosekunden. Diese Zeit entspricht der von dem einzelnen Wandler benötigten Zeit, um eine maximale Dickenänderung zu erzielen, bevor der Impuls abzufallen beginnt. Der Fachmann erkennt, daß die gewünschten Spannungen und Anlaufzeiten durch sorgfältige Betrachtung der Materialien und der Geometrie erreicht werden können und daß auch andere .Anlaufzeiten für andere Wandler benutzt werden können.

Der Wandler 33 selbst besitzt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 38 mm, eine 6 mm dicke Blei—Zirkonat-Keramik-Scheibe, die an der Basis 4·ο, beispielsweise aus Teflon (Polytetrafluoräthylen), befestigt ist.

Die piezoelektrische Keramik scheibe im 7/andler 33 ist in einem spitzen Winkel zur horizontalen Ebene angeordnet, die quer zur Längsachse des Puffers gerichtet ist, der parallel zur Längsachse des Bohrlochs verläuft. Figur 4· zeigt zur Erläuterung des Winkels des Wandlers den Sender-Wandler 33 im Verhältnis zum Schlammküchen 25 an der Bohrlochwandung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der 7/inkel θ gleich 16° und das Flüssigkeitsmedium 41 zwischen der Vorderseite des Wandlers und der Feripherie des Puffers ist ein Dow Corning DS-2oo,1oo CS-Siliconöl. ils können auch andere ,Vinkel und andere Flüssigkeiten verwendet werden. Jie Bestimmung basiert auf den folgenden 3e tr ach tun >eii.

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Es können auch andere als keramische Yfendler in der Durchführung der Erfindung verwendet werden, so lange wie eine ebene strahlende Oberfläche erzielt wird. Durch die Herstellung anderer Arten von Wandlern, beispielsweise kapazitiven, elektromagnetischen, ferromagnetisehen oder magneto striktiven, um einige zu nennen, mit flacher strahlender Oberfläche oder andere Arten mit flacher strahlender Oberfläche, können leicht in das Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgenommen werden.

Der Bereich der Übertragungszeiten in den meisten Formationen bewegt sich von 12o Mikrosekunden/m (in Dolomiten ™ und Karsteniten) bis 7oo Mikrosekunden/m in Flüssigkeiten. In der Praxis enthält ein Bereich von 135 bis 375 Mikrosekunden/m alle wesentlichen Formationen, die von Interesse sind. Der Winkel kann somit so gewählt werden, daß sich eine optimale Verstärkung der akustischen Wellen in Medien am Mittelpunkt dieses Bereichs, d_oh_o 255 Mikrosekunden/m ergibt» Figur 4 zeigt in einfacher Trigonometrie,

^{daß Y} -

worin d der Durchmesser der 7/andlerscheibe ist

Z - d tan Θ; (2)

und daß TF(T) = TF f^f-g] (3),

worin TF die Durehgangszeit in der Formation ist;

TO(Z) = TO (d tan Θ) (4),

worin TO die Durchgangs zeit im flüssigen Medium ist. 7/enn somit TF(T) - TO(Z) (5)

ist, ist θ der optimale Winkel_o Eingesetzt, ergibt dies

!f!

^T0

f !of"!] TO sin θ (7).

Da TO für Öl gewählt, z.B. DC-2oo, beträgt es 1o22 Mikrosekunden/m, für den Fall, daß TF mit 28o Mikrosekunden/M angenommen wird, sind θ ■» « 274 (8)

.*. θ - 15ι9°, ungefähr 16°, was der optimale Kinkel zum Prüfen der Formation mit einer akustischen Geschwindigkeit von 28o Mkroseloinden/m ist. 009817/0482 ~⁹"

Während sich vorstehende Berechnungen auf eine gegebene Formationsgeschwindigkeit und ein gegebenes flüssiges Kupplungsmedium beziehen, erfordern andere Formationsgeschwindigkeiten oder andere flüssige Medien einen anderen Winkel für die optimale Verstärkung der akustischen Energien. Bei Formationen niedriger Geschwindigkeit kommt die Energie vom entfernten Ende des Senders später beim Empfänger an als die Energie von der nahen Kante des Senders. Im Fall einer Formation hoher Geschwindigkeit kommt die Energie von der entfernten Kante des Senders am Empfänger vor der Energie von der nahen Kante an. Beim Beispiel eines Wandlers von 38 mm Durchmesser beträgt der Abstand X in Figur 4 » 4o mm. Eine akustische Wellenfront, die schneller wandert, beispielsweise 4oo Mikrosekunden/m oder langsamer, beispielsweise 15o Mikrosekunden/m als das Mikrosekunden/m-Optimum würde an einem gegenüber einem Empfänger mit einer Energie aus der nahen Kante und der fernen Kante gegenüberliegendem Punkt ungefähr 5,2 Mikrosekunden asynchron betragen,, Da die Senderanlaufzeit 5 Mikrosekunden beträgt, versucht die optimale Ankunftszeit gewöhnlich zum Signal beizutragen, das den Empfänger erreicht. Demnach ergibt ein solches System eine Einrichtung zum Messen der akustischen Geschwindigkeit über einen weiten Bereich.

Figur 5 zeigt, wie der Teil der akustischen Wellenfront, der an der oberen Kante des Wandlers 33 entsteht, dargestellt durch die Linie 5o, weiter als der Teil wandert, der an der nahen Kante entsteht, dargestellt durch die gestrichelte Linie 51. Gemäß der Erfindung wird durch Wahl des Wandlerwinkels und bei einem Wert der akustischen Geschwindigkeit des gewählten flüssigen Mediums die Welle an der nahen Kante gerade noch genug verzögert, um eine optimale Verstärkung der Energie in den Teilen der Welle zu ergeben, die an allen Punkten an der Sendervorderseite entstehen.

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Die Empfangswandler 35 und 36 nach Figur 3 "besitzen je einen Durchmesser von 38 mm und die Scheiben sind an den Basisgliedern 42 und 4$ befestigt, die beispielsweise aus Teflon (PoIytetrafluoräthylen) bestehen.

Jede keramische Scheibe, die als Wandler 35 und 36 dient, ist in einem spitzen Winkel zur horizontalen Ebene befestigt, die quer zur Längsachse des Puffers (der parallel zur Längsachse des Bohrlochs liegt) verläuft. Die Empfangsfläche der Wandler 35 und 38 zeigen nach oben, während die Senderfläche des Wandlers 33 i** einem nach unten gerichteten V/inkel verläuft. Aus den gleichen Gründen werden die Wandler 35 und 36 bei einem Winkel von 16° aufgestellt und in ein Siliconöl Dow-Gorning DG-2oo,1oocs getaucht, um eine optimale Verstärkung der akustischen i/ellen an den Empfangswandlern zu ergeben. Bei dem bevorzug·»· ten Beispiel der Erfindung sind die Mitten der Scheiben in den Wandlern 35 und 36 gleich 152 mm, doch können auch andere Abstände nach der Erfindung verwendet werden.

Während alle drei Wandler in derselben Art des flüssigen Mediums in demselben Winkel zur Horizontalen angeordnet sind (ausgenommen, daß die Sender- und Empfänger-Wandler einander gegenüberliegen), kann in ähnlicher Weise ein anderes flüssiges Medium für die Empfänger benutzt werden und die Empfängerwinkel könnten entsprechend den Geschwindigkeitscharakteristiken der anderen flüssigen Medien abgeändert werden.

Die elektrischen Leitersätze 44 und 4-5 verbinden die Ausgänge der Wandler 35 und 36 mit der Bohrlochelektronik im Hauptgerätgehäuse 12. Das Kabel 13 kann ein übliches 7 LeI-ter-Meßkabel sein, das eine Einrichtung zum Senden akustischer Signale von den Leitern 44 und 45 nach Figur 3 ist.

'Der akustische Impuls des Elektronikteils im Hauptgehäuse 12 zum akustischen Puffer 3o und die zurückführenden

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Signale iron den akustischen Empfängern im Puffer zurück zum Elektronikteil am Gerät 12 werden über besondere Koaxialkabel und koaxiale druckgespeiste Durchgänge im Druckboden (nicht dargestellt) übertragen, der den Elektronikteil vom mechanischen Teil abtrennt.

Der Puffer 30 nach Figur 3 besitzt zwei Knöpfe 46 und 47, die den Hauptboden des Puffers von der './and abhalten, um die Ähnlichkeit eines durch Eontakt mit einem vorstehenden Stein beschädigten Wandler zu verringern und zu helfen, das "Straßengeräusch" im akustischen !eil zu mildern. Obwohl nicht dargestellt, kann ein zweiter akustischer Isolatorteil ähnlich dem Teil 34- zwischen dem Knopf 47 und dem Hohlraum für den Wandler 36, wenn gewünscht, angeordnet sein, um unechte Geräusche, die durch den Knopf 4-7 durch Reiben an der Fläche des Bohrlochs erzeugt werden, zu dämpfen» Obwohl die Knöpfe 46 und 47 verschiedene Formen annehmen könnten, mögen sie beispielsweise Radsätze oder Ringe sein, die sich an der Bohrlochwandung leicht bewegen.

Es wurde hier ein akustisches Pufferteil beschrieben, bei dem ein Impuls an einen piezoelektrischen Sender-Wandler angelegt wird, damit dieser dicker wird und somit das umgebende Medium von sich wegdrückt. Diese Dickenänderung dauert während der Anlaufzeit des Impulses, beispielsweise ^lj> Llikr ο Sekunden, an, nach der der Y/andler durch seine Elastizität wieder auf seine ursprüngliche Dicke zurückgeführt wird. Die Dickenänderung ergibt eine al.ustische Wellenfront, die durch das dazwischentretende Hedium zur Formation wandert. An der Formationsvorderseite wird sie ' teilweise gebrochen und ein Teil der akustischen Energie wandert parallel zur Bohrlochwandung als Druckwelle, die durch die beiden Empfangswandler festgestellt wird.

'.Venn die Empfänger einander ähnlich sind und ähnliche Befestigungen wie in Figur 3 aufweisen, werden der Schlamm-

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kuckeη und. andere Störungen an jedem Empfänger dieselbe Wirkung besitzen und werden somit eliminiert. Bs wird somit eine Zeitmessung durchgeführt, d.h. die Zeitdauer zwischen dem Eintreffen der Wellenfront an beiden Empfängern ist ein Maß der akustischen Geschwindigkeit der Formation, die eine auswertbare Information in bezug auf die das Bohrloch umgebende Formation liefert.

Das Oberflächen-Elektronikgerät 48 nach Figur 1 ergibt eine Einrichtung zum Arbeiten an Spannungen, die die akustischen Signale anzeigen. Beispielsweise kÖHBn das Slektrpnikgerät 48 und die Bohrlochelektronik im Hauptgerätegehäuse 12, falls gewünscht, dem in der amerikanischen Patentschrift 3,o19,413 vom 15. Januar 1959 entsprechen.

Der Ausgang des akustischen Pufferteils des ausgeführten Gerätes kann auch eine Messung der Entfernung zwischen dem Abtastpuffer und dem Bohrloch liefern, beispielsweise, wenn Schlammkuchen auftritt. Dabei zeigt die Oberflächen-Elektronik die Zeit zwischen dem akustischen Sender 33(T) und dem ersten akustischen Empfänger 35(IO an. Die Zeit zwischen dem ersten Empfänger 35(R-i) und dem zweiten Empfänger 36(Rp) wird ebenfalls angezeigt. Entsprechende Veränderungen dieser beiden Messungen zeigen Veränderungen in der Dicke des Schlammkuchens oder ein Pufferabwandern von der Bohrlochwandung an. Solche Zeitmessungen sind üblich und können beispielsweise mit einer Anlage nach der erwähnten Patentschrift durchgeführt werden. Obwohl die Zwischenräume zwischen T und R_x, dieselben sein können wie dip zwischen R_x, und Rp, ist in der Praxis der Abstand von T zu E.. größer. Wenn beispielsweise der Abstand R_x, zu Rp 15o mm und von T zu R_x. - 2oo mm beträgt, wird die Zeit TR_x, von etwa 8/6 der Zeit R_x-R₂ erwartet, wenn beide Zeiten nur das Senden des Tons an der Gesteinsvorderseite des Bohrlochs enthalten* Bei einer Zeit R_x-R₂ ist die Messung unabhängig vom Schlammkuchen und vom Pufferabwandern, wie dies

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allgemein bekannt ist. Die Zeit TB₁ enthält den 7/eg des akustischen Signals vom Sender über einen etwa dazwischenliegenden Schlammkuchen, bevor der Schiammkuchen oder ähnliches die Gesteinsvorderseite erreicht. Demnach steigt die Zeit TE,, beim Außerkontaktkommen des Puffers von der Wand an, während die Zeit R₁Rp dies nicht tut.

Die Bewegungszeitdauer TTR₁ kann als aus den drei Zeiten Tw, Tm und Tf bestehend betrachtet werden. Die Zeit Tw ist beim Fehlen von Schlammkuchen oder Abwandern die Zeit, die die akustische V/ellenfront zum Wandern vom Sender T zur Bohrlochwandung und zum Aufbau einer gebrochenen Wellenfront durch das Gestein zum Empfänger benötigt. Die Zeit Tm ist eine zusätzliche Zeit, die durch das Ansteigen des Abstandes zwischen dem Sender und der Gesteinswand bedingt ist. Tm enthält die Zeit für die Wanderung zwischen dem Sender und dem Gestein und auch für die Wanderung zwischen dem Gestein und dem Empfänger. Die Zeit Tf ist die Zeit vom Gestein in der Nähe des Senders zum Gestein in der liähe des Empfängers. Die Zeit kann ausgedrückt werden in:

Tf -

worin STE₁ und RS₁Rp die entsprechenden Zwischenräume zwischen dem Sender und dem ersten Empfänger bzw. zwischen den beiden ilmpfängern sind.

Der Zwischenraum STH₁ ist somit der "effektive Abstand, der experimentell durch Messen der Zeit TTR₁ in einem Medium bekannter Geschwindigkeit unter Bedingungen festgestellt werden muß, bei denen kein Schlammkuchen oder ein Abwandern besteht. Die Zeit Tw muß in ähnlicher Weise empirisch festgestellt werden» Die Bestimmung von Tw kann durch Messen der Gesamtzeit Ta * Tw + Tfa ohne Schlammkuchen oder Auslaufen in einem ersten Medium bekannter Geschwindigkeit und einer ähnlichen Messung Tb « Tw + Tfb in einem zweiten Medium mit der Geschwindigkeit Vb durchgeführt werden.

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Es folgt dann, daß aus diesen Messungen und den -erwälintien Beziehungen sowohl Tw als auch der Abstand STtL· bestiaiat werden können»

Figur 5 zeigt in einem Blockdiagramm die Schaltung zum konstanten Ableiten der Zeit Tf. Die Anfangswanderzeit TR^Rp wird ständig, wie beschrieben, abgeleitet und wird über eine Verstärkerstufe 1oo angekoppelt, deren Verstär-

ST¹R

kungsgrad gleich 1 ist. Gleichzeitig wird die Zeit

TTR₁, wie oben ausgeführt, gemessen. Ein Subtraktionskreis 1o1 zieht die Menge Tw vom V/ert der Zeit TuHL, ab und erzeugt somit einen Wert gleich Tm + Tf. i)urca Vergleichen von Tm + Tf mit Tf in einer Vergleichsschaltung 1o2 wird Tm erhalten und kann am Aufzeichnungsgerät 17 als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden, was in Figur 1 gezeigt wird. Es ist in Verbindung mit Eigur 1 eine Einrichtung zum Bestimmen und Aufzeichnen des Parameters Tn als Funktion der Bohrlochtiefe beschrieben worden. Tm ist eine unmittelbare Anzeige der Schlammkuchendieke oder des Pufferabwanderns.

Figur 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Bohrlochgerätes 7o» bei dem das Gerät selbst durch ein Federglied 71 gegen die Bohrlochwandung während des Ausbauvorganges gedrückt wird. Das Gerät 7o besitzt zwei akustische Sender-Wandler T₁ und Tp, die in einem Winkel im flüssigen Medium gemäß der Erfindung angeordnet sind, obwohl das flüssige Medium und andere entsprechende Teile in dieser Figur gezeigt werden. Das Gerät 7o ist über das Meßkabel 13 wie in den anderen Ausführungsbeispielen mit der Oberfläche verbunden und besitzt zwei Empfangswandler R11 und R12, die auf die Energie von T₂ ansprechen. Eine solche Aufstellung der Wandler kann aber auch in einem Pufferglied ausgeführt werden. Eine solche Anordnung der -Wandler wurde als besonders gut auswertbar zum Erforschen von Bohrlöchern mit sich änderndem Durchmesser festgestellt.

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009817/0482 ^₀ orig.nal

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel eines Bohrlochgerätes 8o, das am Kabel 13 aufgehängt ist. Das Pufferglied 81 -wird während des Arbeitsablaufs gegen die Bohrlochwandung gedrückt; und besitzt vier akustische Wandler 82, 83, 8* und 85- Äirch Betätigung eines üblichen Schalters 86 ist der Wandler 82 im ersten Beispiel ein Sender und die Wandler 84- und 85 sind Empfänger. Nach dem Schalten wird der Tiandler 85 ein Sender und die Wandler 83 und 82 werden Empfänger. Da die Wandler 83 und 84- somit stets Empfänger sind, brauchen die Wandler 82 und 85 nicht geschaltet zu werden. Der Schalter 86 kann elektronisch betätigt werden, um die Funktionen der Wandler 82 und 85 zu sehalten. Sie können auch durch Hand von der Oberfläche aus betätigt werden. Durch das Schalten der Wandler 82 und 83 wird einerseits ein Unterschied in den Energien festgestellt und andererseits durch die Empfänger 84- und 85 eine Anzeige einer Änderung des Bohrlochdurcnmessers durchgeführt und dies kann in üblicher ,/eise zum Kompensieren der akustischen Messungen verwendet v/erden.

9 zeigt ein .jusführmigsbeispiel eines Puffergliedes 9o für die Verwendung an einem Bohrlochgerät gemäi3 der Erfindung. Im taxed 9o befinden sich ein Sender-Wandler 91 und zwei jütaipfangswandler 92 und 93. Alle drei Wandler liegen in flüssigem Kupplungsmedium nach der Erfindung» Jeder Übertrager befindet sich an einer, sich drehenden Welle; beispielsweise ist die "¹IeIIe 94· mit dem Wandler 91 verbunden. Die '„fellen sind mit der Motor-Getriebe-Einheit 95» 96 und 97 verbunden, die von der Oberfläche über das Kabel 13 gesteuert werden kann. Wenn gewünscht, können alle drei .fellen von einem einzigen Motor angetrieben werden. In ähnlicher Jeise können die Wandler so angeordnet sein, daß nicht alle drehbar sind. Durch einen solchen drehbaren Mechanismus können, wie ELgur 9 zeigt, die Winkel der Übertrager eingestellt werden, damit im Bohrloch die Verstärkung der akustischen Energien optimal arbeitet.

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Figur 1o .zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Puffergliedes 11o zur Verwendung bei einem Bohrlochgerät nach der Erfindung. Zwei akustische Empfänger 111 und 112 und ein akustischer Sender 113 liegen in spitzem Winkel zur Längsachse des Puffergliedes 11o, wie durch die gestrichelte Linie 114 dargestellt ist. Jeder ",Tandler befindet sich in einem flüssigen Kupplungsmedium in Hohlräumen im Pufferglied. Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Flächen 115 > 11-6 und 117 zwischen der Flüssigkeit in jedem Hohlraum und deren Umgebung ebenfalls einen spitzen Winkel zur Längsachse 114-ergeben. Obwohl nicht dargestellt, können die Berührungsflächen 115» 116 und 117 am äußersten Rand ausgebildet sein, doh. ander Fläche 118 des Puffergliedes. Obwohl der Wandlerwinkel mit dem Berührungsflächenwinkel übereinstimmend gewählt werden könnte, würde dies vom bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht umfaßt werden, da dieses versuchen würde, die Differentialeigenschaft der Verzögerung nach der Erfindung zu eliminieren. Wenn die Berührungsflächen bei einem geeigneten Winkel gewählt worden sind, ist der effektive Winkel des Wandlers von seinem Winkel mit der Längsachse verschieden. Ferner könnte der Wandleiwinkel praktisch auf 0° verringert werden, während der spitze Winkel zwischen den Berührungsflächen und der Längsachse beibehalten wird.

Figur 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bohrlochgerätes 12o nach der Erfindung, das durch das Zabel 13 in das Bohrloch gehängt ist. Es besitzt zwei akustische Pufferglieder 121 und 122, die an gegenüberliegende üeiten des Bohrloches gedrückt werden. Das Glied 121 besitzt einen Sender-Wandler 123 in seinem oberen Teil, während das Glied 122 einen Sender-Wandler 124- in seinem oberen Teil enthält. Das Glied 121 besitzt zwei akustische Empfangswandler 125 und 126, die auf die akustische Energie vom Sender 123 ansprechen, während das Glied 122 zwei akustische Empfänger 127 und 128 aufweist,, die auf die

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BAD ORIGINAL

akustische Energie des Senders 124 ansprechen. Die Feststellungsdifferenzen zwischen den Messungen mit den Gliedern 121 und 122 können zum Kompensieren der akustischen Messungen bei Änderungen des Bohrlochdurchmessers verwendet werden. Obwohl nicht dargestellt, sind in beiden Puffern die 7/andler in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Puffers in einem flüssigen Kupplungsmedium angeordnet.

i)ie Konstruktion nach der Erfindung besitzt auch besondere Bedeutung für Messungen akustischer Scherwellen. Der hohe Richtcharakter der akustischen Wandler und die Nähe der Meßanlage an der das Bohrloch umgebenden Formation ergeben eine Bevorzugung des gewünschten Signals der Formation gegenüber dem unerwünschten Signal, das durch das Gerät selbst wandert. Ferner verhindert die beim Sender-,/andler benutzte Diode ein Ansprechen des Senders, so daß der gesendete Impuls sich einer idealen Einzelimpulskonfiguration annähert und somit einen weniger verwirrten Impuls am Empfangswandler ergibt. Ferner ergibt ein kurzer Abstand zwischen Sender und Empfängern ein kürzeres zeitliches Nacheilen zwischen dem ersten Eintreffen der Druckwelle und dem der Scherwelle. Da Scherwellen langsamer als Druckwellen im Gestein sind, erreichen die Druckwellen den Empfänger zuerst und die Scherwelle eilt um eine dem Zwischenraum zwischen Sender und Empfänger proportionale Zeit hinterher. Mit der Anordnung nach der Erfindung, die einen geringen Abstand zwischen Sender und Empfänger ermöglicht, z.B. von 2oo mm, kann das- erste Eintreffen der Druckwelle, z.B. 9o IHkroSekunden nach dem Senderimpuls stattfinden, während das erste Eintreffen der Scherwellen etwa 12o Mikrosekunden hinter dem Senderimpuls erfolgt. Dagegen könnte bei einem Abstand von 1,2 m vom Sender zum ersten Empfänger mit einem üblichen Gerät daß erst© Eintreffen der Druok- und der Scherwelle "bei etwa 4oo bzw. 5oo MikrοSekunden nach dem Sendeimpuls eintreten. Nach einigen Schwingungen im Empfängersignal wird der V/ellen-

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zug stark komplex. Durch eine verringerte zeitliche Nacheilung zwischen dem ersten·Eintreffen von Druck- und Scherwellen kann die Scherwelle "beobachtet werden, ohne daß sie durch die beschriebene Komplexität verwischt wird.

Es wurde festgestellt, daß bei Verwenden des Gerätes nach der Erfindung die Scherwelle durch einen geeignet eingestellten Implitudendiskriminator zuverlässig festgestellt werden kann. Es wird somit hier ein neues und verbessertes Gerät zum Feststellen akustischer Scherwellen beschrieben. Man kann eine bessere Information über Erdbohrlöcher umgebende Informationen und insbesondere eine Information durch akustische Bohrlochtechniken erhalten. -

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Claims (1)

1. Patentanwälte Dipi.-ing. Walter Meissner ^ Dipi.-ing. Herbert Tischer

   BERLIN 33, HERBERT8TRA8SE 22 IQC') 177 MÜNCHEN

   Fernsprecher: 8 87 72 37 -Drahtwort: Invention Berlin f w 0 i. | / /

   Po«t*checkkonto: W. M e I s β η β r, Beriln West 122 82

   Bankkonto: W. Meissner, Berliner Bank Α.- GL Pepka 3β ι nroiiM an ifonwciwAiro ^h 10 (M. t

   Beriln-Haleneee,KurfOretendamm 180 ' BERLIN 33 (GRUNEWALD), den I U. UKf.

   HerbvrtetraB· 22

   Du 67-10 ■ DRESSER IEDUSTRIES, INC. , Dallas/Texas - USiI

   Patentansprüche

   1« Akustisches Bohrlochprüfgerät in einem länglichen Gehäuse, das ein Erdbohrloch durchfährt und mindestens einen akustischen Sender-Wandler in diesem Gehäuse enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in einem spitzen Winkel zur Gehäuselängsachse verläuft und ein gegebenes flüssiges Medium zwischen seiner Sendervorderseite und dem Rand des Gehäuses und mindestens einen akustischen · Empfangswandler "besitzt.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß «taa mindestens ein Smpfangswandler im Gehäuse in spitzem Winkel zur Gehäuselängsachse angeordnet ist, der ein gegebenes flüssiges Iledium zwischen seiner Vorderseite und dem Hand des Gehäuses aufweist.

   3ο Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige'Lledium, das sich auf den öenderwandler bezieht, von derselben j.rt wie das flüssige Lledium an mindestens einem Empfänger ist.

   4-, Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender-,'/andler und mindestens ein Empfangswandler in demselben spitzen V/inkel angeordnet sind.

   ^Lj„ Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kinkel etwa 16° beträgt.

   009817/0482

   BAD ORIGINAL

   6. Gerät nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium die Charakteristik einer akustischen Geschwindigkeit von etwa 1oo Mikrosekunden/m "beträgt«

   7o Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung zum Einstellen des spitzen v7inkels des Sender-Wandlers, während sich das Gerät im Bohrloch befindet.

   8. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Einrichtung zum Einstellen des spitzen Winkels an mindestens einem der Empfangsübertrager, während das Gerät sich im Bohrloch befindet.

   9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche zwischen dem flüssigen Medium und der Längsachse des Gehäuses einen gegebenen spitzen Winkel aufweist.

   1ο. Gerät nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Smpfangswandler im Gehäuse mit einem gegebenen flüssigen Medium zwischen seiner Bmpfangsvorderseite und dem Hand des Gehäuses angeordnet ist und die Berührungsfläche zwischen dem flüssigen Medium und der Längsachse des Gehäuses an einem · gegebenen spitzen ,/inkel gehalten wird,

   11 ο Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Hessen der Geschwindigkeit Vf der akustischen Wellen 3f in der Formation neben dem Bohrloch bei einer akustischen Geschwindigkeit V des flüssigen Mediums der spitze V/inkel θ so gewählt wird, daß etwa

   sin θ « -rß- ist.
   ^vf

   12o Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangswandler im Gehäuse in spitzem V/inkel Q zur Länccs-

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   achse des Gehäuses angeordnet ist, sich zwischen seiner Smpfangsvorderseite und dem Gehäuserand ein flüssiges Medium mit einer akustischen Geschwindigkeit Y_Q befindet

   und der Winkel jZT so gewählt ist, daß etwa

   sin 0 β ==— ist. ^vf

   13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel θ praktisch gleich dem Winkel 0 ist.

   tlte

   sssnor itischer

   009817/0482

   Le e rs e i te