DE3346385A1

DE3346385A1 - Verfahren zur akustischen vermessung einer erdformation

Info

Publication number: DE3346385A1
Application number: DE19833346385
Authority: DE
Inventors: Sen-Tsuen Sugarland Tex. Chen; James Allen Houston Tex. Rice; Graham Arthur Houston Tex. Winbow
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1983-01-03
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1984-07-05
Also published as: GB2132763A; MX158219A; GB2132763B; AU560503B2; NO163385C; NO834630L; AU2289183A; FR2538914A1; NO163385B; US4774693A; NL8304080A; FR2538914B1; GB8334266D0; BR8307160A; CA1210849A

Description

Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdforanation

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation und im besonderen ein solches, bei welchem leitungsgebundene Wellen eingesetzt werden.

JBei der akustischen Vermessung einer Erdformation ü> er ein Bohrloch ist es üblich, die Druckwellengeschwindigkeit der Erdformationen, die die Bohrlöcher umgeben, zu messen. Ein herkömmliches Druckwellengeschwindigkeitsmeßsystem umfaßt eine zylindrische Meßsonde, die innerhalb des Bohrloches in einer Bohrlochflüssigkeit aufgehängt ist, eine an die Sonde angeschlossene Quelle zur Erzeugung von Druckwellen in der Bohrlochflüssigkeit sowie einen oder mehrere Detektoren, die an die Sonde angeschlossen sind und sich in einem Abstand von der Druckwellenerzeugerquelle befinden, zur Aufnahme der Druckwellen in der Bohrlochflüssigkeit.

Eine Druckwelle, die von der Quelle in der Bohrlochflüssigkeit erzeugt wird, wird in die das Bohrloch umgebende Erdformation reflektiert. Sie pflanzt sich durch einen Teil der Formation fort und wird zurück in die Bohrlochflüssigkeit reflektiert, an einem Punkt angrenzend an den Detektor, und wird dann von dem Detektor aufgenommen. Das Verhältnis des Abstandes zwischen der Quelle und dem Detektor zu der Zeit zwischen der Erzeugung und der Aufnahme der Druckwelle ergibt die Druckwellengeschwindigkeit der Formation. Es können wichtige Informationen zur Förderung von öl und Gas aus den unterirdischen Formationen von den Druckwellengeschwindigkeiten dieser Formationen abgeleitet werden.

Wenn eine Druckwelle, die von einer Druckwellenquelle innerhalb der Bohrlochflüssigkeit erzeugt wird, die Bohrloch-

wandung erreicht, erzeugt sie eine reflektierte Druckwelle in der umgebenden Erdformation, wie dies oben beschrieben wurde. Zusätzlich erzeugt sie auch eine reflektierte Schubwelle in der umgebenden Erdformation sowie eine leitungsgebundene Welle, die sich in der Bohrlochflüssigkeit fortpflanzt sowie in einem Teil der an das Bohrloch angrenzenden Formation. In harten Formationen, in welchen die Schubwellengeschwindigkeiten der Formationen größer sind als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit, wird eine solche Schubwelle zurück in die Bohrlochflüssigkeit reflektiert, in der Form einer Druckwelle und erreicht den Detektor der Meßsonde. Diese leitungsgebundene Welle wird ebenfalls von einem solchen Detektor aufgenommen. Jede Welle, die eine der drei Wellentypen ist, die von dem Detektor aufgenommen werden, kann eine Ankunft genannt werden: Die Druckwellen in der Bohrlochflüssigkeit, die durch die Reflektion der Druckwellen in der Formation verursacht werden, die Druckwellenankunft, diejenigen, die durch die Reflektion der Schubwellen in der Formation verursacht werden, die Schubwellenankunft, und diejenigen, die durch die leitungsgebundenetL Wellen verursacht werden, die leitungsgebundenen Wellenankünfte. Somit ist das von dem Detektor aufgenommene Signal ein zusammengesetztes Signal, das die Druckwellenankunft, die Schubwellenankunft und die leitungsgebundene Wellenankunft umfaßt. Die Druckwellen laufen schneller als die Schubwellen und die Schubwellen normalerweise schneller als die leitungsgebundenen Wellen. Dementsprechend ist in dem zusammengesetzten Signal, das von dem Detektor aufgenommen wird, die Druckwellenankunft die erste Ankunft, die Schubwellenankunft die zweite Ankunft und die leitungsgebundene Wellenankunft die letzte Ankunft.

Es ist hinlänglich bekannt, daß die Schubwellengeschwindigkeitsmessung auch Informationen liefert, die wichtig sind für die öl- und Gasförderung aus unterirdischen Erdformationen,

Das Verhältnis zwischen der Schubwellengeschwindigkeit und der Druckwellengeschwindigkeit kann die Gesteinslithologie der unterirdischen Erdformationen darlegen. Die Schubwellengeschwindigkeitsaufzeichnung ermöglicht auch die Umsetzung seismischer Schubwellenzeitabschnitte in Tiefensektionen. Die Schubwellenaufzeichnung ist nützlich für die Bestimmung anderer wichtiger Oharakteristika der Erdformationen, wie Schubbelastung, Porosität, FlüssigkeitsSättigung und die Anwesenheit Von Frakturen. Die Schubwellengeschwindigkeitsaufzeichnung kann auch hilfreich sein für die Bestimmung des Belastungszustandes um ein Bohrloch, der äußerst wichtig ist für die Auslegung hydraulischer Sakturbehandlungen.

Asymmetrische Druckwellenquellen sind für die Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit entwickelt worden. Beim Einsatz derartiger Quellen kann die Amplitude der Schubwellenankunft merklich höher liegen als diejenige der. Druckwellenankunft. Durch die Einstellung des Auslöseniveaus der Aufnahme- und Aufzeichnungssysteme zur Diskriminierung gegen die Druckwellenankunft kann die Schubwellenankunft als erstes Signal aufgenommen werden. Es kann somit ermöglicht werden, die Lafzeit der Schubwellen in cter Formation zu bestimmen und dementsprechend die Schubwellengeschwindigkeit. Asymmetrische Quellen werden in der europäischen Patentanmeldung Nr. 31989 (Angona et al) und der US-PS 3,593,255 (White) beschrieben.

Innerhalb weicher Formationen, wie etwa oberflächennaher Formationen, oder dem Golfküsten-Weichschiefer, können die Schubwellengeschwindigkeiten solcher Formationen häufig geringer sein als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit. Nach dem Snell¹sehen Gesetz werden dann,

• · * ■

—"dt- .

wenn die Schubwellengeschwindigkeit der Formation geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit, die Schubwellen, die in die Formation reflektiert werden, von dem Bohrloch weg laufen und werden nicht zurück in die Bohrlochflüssigkeit reflektiert, um den Detektor zu erreichen. Angona et al und White haben nicht beschrieben, wie ßchubwellengeschwindigkeiten unter solchen Umständen aufgezeichnet werden sollen.

Ibl d-e*¹ US-PS 4,207ι961 beschreibt läfcsunezaki eine Vorrichtung zur Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit in einer weichen Formation. Wicklungen sind um eine Spulenanordnung gelegt, die dann in ein magnetisches Feld eines Dauermagneten eingebracht wird. Ein Stromstoß wird durch die Wicklungen geschickt, um die Spulenanordnung zu erregen. Die Bewegung der Spulenanordnung ejiziert ein Wasservolumen in einer Richtung und saugt gleichzeitig ein äquivalentes Wasservolumen von der entgegengesetzten Richtung an. Durch das Wasseraedium stößt die Bewegung der Spule indirekt einen Teil der Bohrlochwandung an und zieht einen anderen Teil auf der gegenüberliegenden Seite der Spulenanordnung an. Eine solche auf die Bohrlochwandung übertragene Erregung erzeugt Schubwellen in weichen Formationen, die an Punkten in der Bohrlochflüssigkeit aufgenommen werden, die einen senkrechten Abstand von der Spulenanordnung besitzen.

Die US-PS 4,207,961 ist von ELtsunezafcL auf OYO Corporation of Tokyo) Japan, übertragen worden. Ein technischer Artikel von 0X0 vom November 1980 mit dem Titel "Development of the Suspension S-wave Logging System" von Ogura, Nakanishi und Morita, beschreibt einen Spulentyp elektromagnetischen Erreger, zur Erzeugung von Schubwellen, der der gleiche zu sein scheint wie die Vorrichtung, die in der US-PS 4,207,961 dargestellt ist. In dem Artikel wird ausgeführt, daß das

Spulentyperregerschubwellenmeßsystem eingesetzt werden kann zur Messung von Schubwellengeschwindigkeiten bis zu Ge-. schwindigkeiten von etwa 1 km pro Sekunde oder 914-,4· m/Sek. Es scheint somit, daß die Vorrichtung, wie sie von KLtsunezaki beschrieben worden ist, nicht in der Lage ist, Schubwellengeschwindigkeiten von mehr als 914-,4· m/Sek. aufzuzeichnen. In der Abhandlung wird weiter ausgeführt, daß die Daten von Experimenten, in welchen ein solches System eingesetzt wurde, zeigen, daß die beobachtete Schubwellenamplitude dramatisch abfällt mit einem Anstieg der Schubwellen geschwindigkeit der Formation und daß bei Schubwellengeschwindigkeiten, so niedrig wie etwa 4-50 m/Sek. die beobachtete Schubwellenamplitude extrem klein wird. Dementsprechend kann es äußerst schwierig sein, eine derartige Anordnung einzusetzen, um Schubwellengeschwindigkeiten zwischen 4-50 m/S und 914-,4- m/Sek. aufzuzeichnen. In dem Artikel "A New Method For Shear-Wave Logging", Geophysics, Band 4-5, Nr. 10 (Oktober 1980), Seiten 14-89 - 1506, beschreibt Kitsunezaki eine Aufzeichnungsvorrichtung, die die gleiche zu sein scheint wie der Gegenstand der US-PS 4-,207,961. Auf Seite 1500 des Artikels führt Kitsunezaki aus, daß der Treibmechanismus eines derartigen AufzeichnurgEgerätes Probleme zeigt bei der Vermessung von Formationen mit höheren Schubwellengeschwindigkeiten.

Es scheint außerdem, daß die Vorrichtung nach Kitsunezaki stationär sein muß, während sie in dar oben beschriebenen Weise eingesezt wird zur Erzeugung von Schubwellen in den Erdbrmationen. Dieses Erfordernis verlangsamt das Aufzeichnungsverfahren. Weiterhin steigt das Risiko, daß die Aufzeichnungseinrichtung sich in dem Bohrloch verklemmt und daß das Gerät verlorengeht.

—1*4— . . .....

In Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine genaue Vermessung der Formationen, unabhängig von der Schubwellengeschwindigkeit innerhalb der Formation, möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsichtlich bevorzugter Äusführungsformen auf die Merkmale der Unter anspräche verwiesen wird. Nach der Erfindung kann die Schubwellengeschwindigkeit der Formation bestimmt werden durch die Aufzeichnung der schnellsten Komponente einer leitungsgebundenen Welle, wobei die Komponente im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt, wie diejenige der Schubwelle in der Formation. Bei diesem Verfahren wird eine leitungsgebundene Welle in der Bohrlochflüssigkeit erzeugt, wobei die schnellste Komponente der leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit wie die Schubwelle in der Formation besitzt. Die Ankunft der schnellsten Komponente wM an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Stelle, an welcher die leitungsgebundene Welle erzeugt wurde, aufgenommen. Die Geschwindigkeit der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Schubwellengeschwindigkeit der Formation, kann bestimmt werden.

Wenn die Schubwellengeschwindigkeit der Formation, die das Bohrloch umgibt, geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit, läuft die Schubwelle, die in der Formation durch Reflektion der Druckwelle in der Bohrlochflüssigkeit erzeugt wird, von dem Bohrloch weg und er-

reicht nie den Detektor in dem Bohrloch. Dementsprechend kann es unter solchen Umständen nicht möglich sein,, die Schubwellengeschwindigkeit unmittelbar aufzuzeichnen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch gelungen, aufzuzeigen, daß dann, wenn eine Multipolquelle, unabhängig davon, ob es sich um eine Dipol-, Quadrupol-, Oktopol- oder eine Multipolquelle höherer Ordnung handelt, eingesetzt wird, zur Erzeugung von Druckwellen in der Bohrlochflüssigkeit, die Druckwellen, wenn sie die Bohrlochwandung erreichen, eine streu-ende, leitungsgebundene Welle erzeugen. Die Geschwindigkeit der leitungsgebundenen Welle hängt in einer komplizierten Weise von den Schallgeschwindigkeiten in der Bohrlochflüssigkeit und der Formation, der Frequenz der Welle sowie der Form und Größe des Bohrloches ab. Wenn die Multipolquelle bei Frequenzen abstrahlt, einschließlich einer kritischen Frequenz (die später noch erläutert wird), so besitzt die schnellste Komponente der so erzeugten leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit wie die Schubwelle. Dementsprechend kann man durch Aufnahme der Ankunft dieser schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle die Schubwellengeschwindigkeit der Formation erhalten. Die Schubwellengeschwindigkeit der Formation kann in dieser Weise aufgezeichnet werden, unabhängig davon, ob die Schubwellengeschwindigkeit der Formation größer oder geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit. Dieses Verfahren kann eingesetzt werden zur Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeiten von harten wie auch von weichen Formationen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und erfindungswesentliche Merkamle ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Die Fig. 1 bis 8 dienen nur der Erläuterung und sind nicht maßstabsgereicht aufge-

____copy

BAD ORIGINAL

zeichnet. Dabei zeigt im einzelnen:

Pig. 1 eine schematische Darstellung eines akustischen Aufzeichnungssystems, das eingesetzt werden kann, um die Schubwellengeschwindigkeit einer Erdforma

tion durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle aufzuzeichnen,

Pig. 2 eine vereinfacht perspektivische Darstellung einer akustischen Dipolaufzeichnungsvorrichtung,

die eingesetzt werden kann, um die Schubwellenge-■ schwindigkeit einer Erdformation aufzuzeichnen, durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle,

Pig. 3 einen Teilschnitt durch eine akustische Dipoleinrichtung entlang der Schnittlinie 3-3 der Pig. 2,

Pig. 4- einen Schnitt durch eine akustische Quadrupol-

meßquelle, die einsetzt wird, um die Schubwellengeschwindigkeit einer Formation aufzuzeichnen, durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle,

Pig. 5 eine vereinfachte perspektivische Darstellung der

akustischen Quadrupol-Aufzeichnungseinrichtung gemäß Pig. 4-, unter Darstellung der Orientierung der Detektoren, relativ zu derjenigen der QuadrupolqusLle sowie der elektrischen Anschlüsse an die

Quelle und die Detektoren,

Pig. 6 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der akustischen Quadrupolquelle, die eingesetzt werden kann zur Aufzeichnung der Schubwellenge-

HTiDV

schwindigkeit einer Formation durch das Aufzeichnen der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine akustische Oktopolquelle, die eingesetzt werden kann zur Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit einer Formation durch das Aufzeichnen der Geschwindigkeit _Λ einer leitungsgebundenen Welle und

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der akustischen Quelle, die eingesetzt werden . kann zur Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit einer Formation durch das Aufzeichnen der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle.

In den meisten weichen Formationen besitzt die leitungsgebundene Welle, die durch eine herkömmliche symmetrische Quell erzeugt wurde, Komponenten, deren Geschwindigkeiten alle niedriger sind als die Schubwellengeschwindigkeit. Dementsprechend sind in den meisten Formationen, in denen die Sohubwellengeschwindigkeiten geringer sind als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit, nur Kultipolquellen einsetzbar, zur Schubwellengeschwindigkeiteaufzeichnung.

Die Fig. 1 bis 8 zeigen akustische Aufzeichnungssysteme unter 'Einsatz verschiedener Multipolquellen, die eingesetzt werden können, um die Schubwellengeschwindigkeiten von Erdformationeο aufzuzeichnen durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle. Die Fig. 1 zeigt eine schema^ tische Darstellung eines akustischen Aufzeichnungssystems, das eingesetzt va?den kann, um die Schubwellengeschwindigkeit· von Erdformationen zu bestimmen. Eine Meßsonde 10 kann in

COPV

einem Bohrloch angehoben und abgesenkt' \e?den. Die Sonde enthält eine akustische Multipolquelle 12 sowie zwei Detektoren 14 und 16. Um die Aufzeichnung zu initiieren, wird die Sonde 10 in einer Flüssigkeit 18 aufgehängt, die sich in einem Bohrloch 20 befindet, das von einer Erdformation 22 umgeben ist. Die Detektoren 14 und 16 sind so an . die Sonde 10 angeschlossen, daß sie einen Längsabstand entlang des Bohrloches 20 voneinander und von der Quelle 12 besitzen. Die Quelle 12 ist an eine Initiier- und AufzeichnungΒΙΟ Steuereinheit 24 angeschlossen. Die von den Detektoren 14 und 16 aufgenommenen Signale werden einem Bandpaßfilter 26,, einem Versfärker 28 sowie einer Zeitintervalleinheit 30 zugeführt.

In einer nachfolgend noch zu beschreibenden Weise wird die Initiier- und Aufzeichnungssteuereinheit verwendet, um die Quelle 12 zu erregen, die eine leitungsgebundene Welle in der Flüssigkeit 18 und der Formation 22 erzeugt. Die leitungsgebundene Wellenakunft wird durch die Detektoren 14 und 16 aufgenommen, durch das Filter 26 gefiltert und über den Verstärker 28 verstärkt. Das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Ankunft durch den Detektor 14 und deren Aufnahme durch den Detektor 16 wird dann von der Zeitintervalleinheit 30 gemessen. Dieses Zeitintervall kann gespeichert oder angezeigt werden, wie dies gewünscht wird.

Die Fig. 2 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer akustischen Dipolaufzeichnungseinrichtung, die verwendet werden kann, um Formationen zu vermessen. Wie die Fig. 2 zeigt, umfaßt die Meßsonde 10 eine Anzahl hohler zylindrischer Abschnitte. Der obere Abschnitt 32 enthält eine (in Fig. 2 nicht dargestellte) akustische Dipolmeßquelle und besitzt zwei einander gegenüberliegende Fenster 42, die erlauben, daß die Druckwellen, die durch die Dipolquelle erzeugt wird, radial hierdurch in die Bohrlochflüssig-

— copy

bad original

keit übertreten können. Die Abschnitte 34 "und 36 enthalten je einen (nicht dargestellten) Detektor. Die beiden Abschnitte befinden sich unterhalb des Abschnittes 32 und weisen Fenster 44 und 46 auf, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn die von der Dipolquelle in dem Abschnitt 32 erzeugten Druckwellen die Bohrlochwand erreichen, erzeugen sie eine streuende leitungsgebundene Dipolwelle in der ^ohrlochflüssigkeit und einem Teil der an das Bohrloch angrenzenden Formation. Ein Großteil der Energie der leitungsgebundenen Welle ist an oder in der Nähe der Grenzfläche der Bohrlochflüssigkeit/Bohrlochwand konzentriert. In der Formation wird die Amplitude der leitungsgebundenen Welle rasch gedämpft, mit steigendem Abstand von dieser Zwischenfläche weg. Die leitungsgebundene Welle läuft entlang des Bohrloches an der Grenzfläche entlang und in der Bohrlochflüssigkeit und erreicht die Detektoren in den Abschnitten 34 und 36 durcA die Fenster 44 bzw. 46. Die vereinfachten perspektivischen Darstellungen von akustischen Multipolmeßeinrichtungen höhere Ordnung erscheinen der Dipolanordnung, wie sie in Fig· 2 dargestellt ist, ähnlich, mit der Ausnahme, daß jeder der Abschnitte 32, 34, 36 vorzugsweise mehr Fenster aufweist, als dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Die Nomenklatur für den Multipol beruht auf aufeinanderfolgenden Potenzen von zwei, d.h. 2ⁿ, wobei η eine ganze Zahl iac und η » 1, 2, 3 usw. bis unendlich. Somit umfassen die Multipole den Dipol (n « 1), den Quadrupol (n * 2) sowie ^uden Oktopol (n * 3)· Die Nomenklatur für Multipole höherer Ordnung beruht auf 2ⁿ, wobei η * 4, 5₅ 6 usw. bis unendlich. 30

Die Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt einer akustischen Dipolmeßeinrichtung entlang der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2. 'Wie sich aus Fig. 3 ergibt, besteht die Dipolschubwellenmeß-

quelle 12 aus einem Paar länglicher piezoelektrisch Platten mit zwei Enden. Das Plattenpaar ist an den flachen Oberflächen miteinander verbunden, so daß eine zusammengesetzte Platte 12 gebildet wird. Jede der beiden Platten ist im wesentlichen senkrecht zu ihrer flachen Oberfläche polarisiert, wobei die Polarisationen der beiden Platten in im wesentlichen entgegengesetzten Richtungen liegen. Die zusammengesetzte Platte ist an der Sonde gehalten, indem ihre beiden Enden zwischen KLemmplatten 54-, die an der Sonde befestigt sind, passend gehalten sind. Die KLemmplatten halten die zusammengesetzte Platte an ihrem Ort während sie vibriert. Der Teil der zusammengesetzten Platte zwischen ihren beiden Enden, die durch die KLemmplatten 54- gehalten sind, wird nachfolgend als "nicht gehaltener Teil" bezeichnet. Die äußeren freien flachen Oberflächen der zusammengesetzten Platte 12 sind mit einer leitenden Schicht 55 überzogen und über diese Schicht durch Drähte 56 mit der Initiier- und Aufzeichnungssteuereinheit 24 verbunden. Die Initiier- und Steuereinheit legt einen elektrischen Impuls an die zusammengesetzte Platte 12. Es ist hinlänglich bekannt, daß dann, wenn ein elektrischer Impuls über die beiden flachen Oberflächen einer Platte gelegt wird, die aus einem Paar entgegengesetzt polarisierter piezolektrischer Platten besteht, dazu führt, daß sich das Element biegt. Wenn die Polarität des Impulses angelegt wird, wie dies in Pig. 3 gezeigt ist, biegt sich der nicht gehaltene Mittelteil der länglichen zusammengesetzten Platte in Richtung der hohlen Pfeile 60 aus, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Während in Fig. 3 die zusammengesetzten Platten 12 so gezeigt sind, daß sie an beiden Enden gehalten sind, leuchtet ein, daß, wenn die Platten nur an einem Ende oder nur an einer Stelle zwiächen den Enden gehalten wären, die Teile von dem KLemmpunkt weg durch elektrische Impulse vibrieren können, in der gleichen Weise, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Dipolwelle in der

Bohrlochflüssigkeit. Derartige Teile sollen nachfolgend als "ungehaltene Teile" bezeichnet werden.

Die .zusammengesetzte Platte, bestehend aus einem Paar entgegengesetzt polarisierter piezoelektrischer Platten ist handelsüblich ohne weiteres verfügbar. Piezoelektrische zusammengesetzte Platten werden geliefert von der !Firma Vernitron Company of Bedford, Ohio, V.St.Α., bekannt als •Bender Bimorphs, und haben sich als zufriedenstellend erwiesen. Der seitliche Zwischenraum, der die Quelle 12 umgibt, und von dem zylindrischen Abschnitt 32 eingeschlossen wird, ist mit öl 64 gefüllt. Die oberen und unteren Teile des- Abschnittes 32 sind mit einem Stützmaterial 66 aufgeSillt, das vorzugsweise gute- Dämpfungseigenschaften besitzt.

Wie die Fig. 3 zeigt, besitzt der Detektor 14 und der Abschnitt 34 einen ähnlichen Aufbau wie die Quelle 12 und der Abschnitt 32. Die äußeren freiliegenden leitenden Schichten des Detektors 14 sind an ein Bandpaßfilter 26 (in Pig. 3 nicht dargestellt) angeschlossen, statt an die Initiierschaltung. Das Bandpaßfilter ist dann mit einem Verstärker verbunden, sowie einer Zeitintervalleinheit, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Detektor 16 und der Abschnitt 36 (in Pig. 3 nicht dargestellt) besitzen den gleichen Aufbau wie der Detektor 14 und der Abschnitt 24 uufl. sind unterhalb des Detektors 14 angeordnet.

Die Pig. 4 zeigt einen Querschnitt einer akustischen Quadrup meßquelle, die eingesetzt werden kann zur Messung der Schubwellengeschwindigkeiten von Formationen durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebunden Welle. Statt des Einsatzes nur einer länglichen zusammengesetzten Platte, wie dies bei der Dipolschubwellenquelle, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, der Fall war, verwendet die Quadrupo

BAD ORIGINAL

33A6385

schubwellenquelle vier solcher länglichen zusammengesetzten Platten 72, 74·, 76 und 78, die räumlich derart orientiert sind, daß die vier Platten im wesentlichen die vier rechtwinkligen Seiten eines länglichen Kubus bilden. Die vier Platten 72, 74-, 76 und 78 sind an beiden Enden mittels zweier KLemmplatten an der Meßsonde gehalten, wobei jede Hemmplatte vier Schlitze aufweist, in welche die Enden der vier zusammengesetzten Platten genau hineinpassen. Der Abschnitt 32 der Quadrupoleinrichtung besitzt vier Fenster 4-2, statt der zwei in Fig. 2 dargestellten. Die vier Platten sind räumlich derart orientiert, daß sie auf die Fenster 4-2 ausgerichtet sind, wie dies in Fig. 4- dargestellt ist. Der Zwischenraum zwischen den vier Platten und den vier Fenstern ist jeweils mit öl 80 gefüllt. Der Raum zwischen den vier Platten und den seitlichen Abschnittsräumen zwischen den ölgefüllten Säumen ist mit einem Stützmaterial 66 mit guten Dämpfungsqualitäten ausgefüllt.

Im wesentlichen das gleiche elektrische Impulssignal wird an jede der vier zusammengesetzten Platten aogelegt. Wenn die Polaritäten der derart angelegten elektrischen Impulse,entsprechend der Darstellung in Mg. 4, sind, biegen sich die nicht gehaltenen Teile der vier Platten und bewegen sich in der Richtung der vier hohlen Pfeile, wie sie in Fig. 4 gezeigt sind. Wenn die elektrischen Impulse an die vier Platten im wesentlichen gleichzeitig angelegt werden, biegen und bewegen sich die vier Platten im wesentlichen gleichzeitig und erzeugen vier Druckwellen in dem öl 80. Die vier Druckwellen pflanzen sich durch die Fenster 42 und die Bohrlochflüssigkeit 18 fort und erreichen die Bohrlochwandung. Wenn die vier Druckwellen die Bohrlochwandung erreicht haben, er-'zeugen sie eine leitungsgebundene Quadrupolwelle in der Bohrlochflüssigkeit. Wie bei der Dipolquelle können die vier Platten in der gleichen Weise eingesetzt werden, um eine leitungsgebundene Quadrupolwelle auch dann zu erzeugen, wenn

jede nur an einem Ende statt an den beiden Enden gehalten ist.

Die Pig. 5 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht der in Fig. 4 gezeigten akustischen Quadrupolmeßeinrichtung, die die Orientierung der Detektoren relativ zu derjenigen der Quadrupolquelle darstellt, wie auch die elektrischen Anschlüsse zur Quelle und den Detektoren. Um die leitungsgebundene Quadrupolwelle aufzunehmen, besitzt der Detektor 14 vorzugsweise ebenfalls einen Quadrupoldetektor-aufbau, ähnlich der Quelle 12. Die vier zusammengesetzten Platten des Detektors 14· besitzen vorzugsweise die gleichen räumlichen Orientierungen, relativ zum Bohrloch, wie diejenigen der Quelle 12. Die äußeren freiliegenden Oberflächen der vier zusammengesetzten Platten des Detektors 14 sind an ein Bandpaßfilter .26 in einer Weise angeschlossen, die ähnlich den Anschlüssen zwischen den jeweiligen Oberflächen der Quelle und der Initiier- und Aufζeichnungssteuereinheit 24 sind. Ein weitere Detektor, der unterhalb des Detektors 14 angeordnet ist, ist dem Detektor 14 ähnlich, jedoch in Fig. 5 zur Vereinfachung nicht gezeigt. Damit die vier Platten eine£ jeden der beiden Detektoren die leitungsgebundene Quadrupolwelle aufzunehmen vermag, tragen die Abschnitte der beiden Detektoren jeweils vier Fenster.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der akustischen Quadrupolmeßquelle, die eingesetzt werden 'kann, um die Schubwellengeschwindigkeit der Formationen auf-. zuzeichnen durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit der leitungsgebundenen Quelle. Die Quelle gemäß Fig. 6 ist hinsichtlich ihres Aufbaues ähnlich der Quelle gemäß Fig. 4, ■ mit der Ausnahme, daß statt der vier zusammengesetzten piezoelektrischen Platten die Quelle gemäß Fig. 6 im wesentlichen identische Sektoren 82, 84, 86 und 88 radial polarisierter

BAD ORIGINAL

piezoelektrischer Hohlzylinder umfaßt. Die vier Sektoren sind räumlich, so angeordnet, daß sie im wesentlichen die gleiche Achse besitzen. Die vier Sektoren befinden sich an der äußeren zylindrischen Oberfläche eines ringförmigen Körpers 90 aus Stützmaterial·. Zwei (in Fig. 6 nicht dargestellte) elastische Ringe paaeen genau über die vier Sektoren und halten sie am Ort während ihrer Vibrationen. Ein Kern oder Dorn 92 durchgreift den Körper 90 und Schrauben an beiden Enden haiten zwei (in Fig. 6 nicht dargestellte) Scheiben, die genau in die Abschnitte 32 hineinpassen.

Es ist hinlänglich bekannt, daß dann, wenn ein elektrischer Impuls an die innere und äußere zylindrische Oberfläche eines jeden Sektors gelegt werden, diese Sektoren radial expandieren oder kontrahieren. Anders als bei der Quelle gemäß Fig. 4-, wo nur ungehaltenen Teile der zusammengesetzten Platten sich bewegen, wird der gesamte Sektor veranlaßt, sich nach innen oder außen radial zu bewegen. Wenn die vier Sektoren radial nach außen polarisiert sind, und wenn im wesentlichen der gleiche elektrische Impuls an die vier Sektoren im wesentliehen gleichzeitig angelegt wird, mit Polaritäten, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, kontrahieren die Sektoren 82 und 86 radial, während gleichzeitig die Sektoren 84 und 88 radial expandieren. Die Expansion und Kontraktion der vier Sektoren tritt im wesentlichen gleichzeitig ein, zur Erzeugung von vier Druckwellen. Um die leitungsgebundene Quadrupolwellenankunft aufzunehmen, werden Detektoren eingesetzt, die einen ähnlichen Aufbau besitzen wie die Quadrupolquelle gemäß Fig. 6 oder die Quadrupolquelle gemäß den Fig. und 5? entsprechend der obigen Beschreibung.

Die Fig. 7 zeigt einen Querschnitt einer akustischen Oktopolmeßquelle, die eingesetzt werden kann, um die Schubwellengeschwindigkeiten der Formationen aufzuzeichnen durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle. Sechs längliche piezoelektrische,zusammengesetzte

COPY

Platten sind räumlich so angeordnet, daß sie im wesentlichen die Parallelogramme eines hexagonalen Prismas bilden. Wie "bei den Dipol- und Quadrupolquellen gemäß den Fig. 3» 4 und 5, umfaßt jede der sechs zusammengesetzten Platten zwei entgegengesetzt polarisierte piezoelektrische Platten, die miteinander verbunden sind, wobei jede der zusammengesetzten Platten durch Klemmplatten an der Meßsonde gehalten ist. Wie beim Initiieren der Dipol- und Quadrupol- _: quellen wird im wesentlichen der gleiche elektrische Impuls an die flache Oberfläche einer jeden der sechs zusammengesetzten Platten im wesentlichen gleichzeitig angelegt mit den Polaritäten, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Der ungehaltene Teil nebeinanderliegender zusammengesetzter Platten biegt sich und vibriert in im wesentlichen entgegengesetzten Phasen. Die Eichtungen der Biegebewegungen der sechs zusammengesetzten Platten sind in Fig. 7 durch die hohlen Pfeile illustriert. Die Biegebewegung einer jeden zusammengesetzten Platte erzeugt eine Druckwelle in der Bohrlochflüssigkeit. Wenn die sechs Druckwellen die Bohrlochwandung erreichen, erzeugen sie eine leitungsgebundene Okto-' polwelle in der Bohrlochflüssigkeit. Wie bei dei Dipol- und Quadrupolquellen können die sechs Platten eingesetzt werden, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Oktopol-Welle, obwohl je* nur an einem Ende gehalten ist. Um die Ankunft der leitungsgebundenen Oktopolwelle in der Bohrlochflüssigkeit aufzunehmen, handelt es sich bei dem eingesetzten Detektor vorzugsweise um einen Oktopoltyp, der "einen ähnlichen Aufbau besitzen kann, wie die in Fig. 7 dargestellte Oktopolquelle. Die äußeren Oberflächen der zusammengesetzten Platten des Detektors 14 sind an ein Bandpaßfilter 26 angeschlossen, statt an die Initiier- und Aufzeichnungssteuereinheit 24. Die drei Abschnitte, die die Oktopolquelle und die Detektoren enthalten, entsprechen den

BAD ORIGINAL

Abschnitten 32, 34-, 36 der Fig. 2 und haben jeweils sechs Fenster statt zwei.

Fig. 8 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer akustischen Oktopolmeßquelle, die eingesetzt werden kann, um die Schubwellengeschwindigkeiten der Formationen aufzuzeichnen, durch die Aufzeichnung der Geschwindigkeit einer leitungsgebundenen Welle. Sechs im wesentlichen ähnliche Sektoren eines radial polarisierten piezoleketrischen Hohlzylinders sind räumlich so angeordnet, daß sie im wesentlichen koaxial ausgerichtet sind. Die sechs Sektoren können in einer ähnlichen Weise an der Sonde gehalten werden, wie dies bei der Quadrupolquelle gemäß Fig. 6 der Fall ist. Im wesentlichen der gleiche elektrische Impuls wird an die zylindrische Oberfläche eines jeden Sektors, im wesentlichen gleichzeitig so angelegt, daß die Impulse jeweils zwei benachbarter Sektoren eine entgegengesetzte Polarität besitzen. Diese Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt. Wenn bei einer derartigen Anordnung ein Sektor durch den elektrischen Impuls veranlaßt wird, radial zu expandieren, so kontrahieren die beiden benachbarten Sektoren radial. Die Expansions- und Kontraktionsrichtungen sind durch Hohlpfeile in Fig. 8 angegeben. Die auf diese Weise durch die Expansion und Kontraktion der sechs Sektoren erzeugten kombinierten Druckwellen erzeugen, wenn sie auf die Bohrlochwandung treffen, eine leitungsgebundene Oktopolwelle in der Bohrlochflüssigkeit. Um die leitungsgebundene Oktopolwellenankunft aufzunehmen, können die eingesetzten Detektoren einen ähnlichen Aufbau besitzen, wie derjenige der akustischen Oktopolquelle, die in den Fig. 7 oder 8 dargestellt ist. Die drei Abschnitte, die die Oktopolquelle und die -detektoren enthalten, entsprechen den Sektoren 32, 34-, 36, der Fig. 2 und haben jeweils sechs Fenster anstatt zwei.

Die Hultipolquellen höherer Ordnung können in einer ähnlichen Weise aufgebaut sein, wie die beiden Ausführungsformen der akustischen OktopolqueLle, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt sind.

Dementsprechend, kann die 16-Polquelle so aufgebaut sein, daß durch die räumliche Anordnung von acht länglichen piezoelektrt· sehen,zusammengesetzten Platten die acht Parallelogramme eines oktagonalen Prismas gebildet werden. Im wesentlichen

im—

der gleiche elektrische puls wird an jede der acht zusammengesetzen Platten mit einer solchen Polarität gelegt, daß benachbarte Platten in im wesentlichen entgegengesetzten Phasen vibrieren. Eine alternative Ausführungsform der 16-Polquelle besitzt einen Aufbau, bei welchem die acht zusammengesetzten . Platten ersetzt werden durch acht im wesentlichen identische Sektoren eines radial polarisierten piezolektrischen Hohlzylinders. Im wesentlichen der gleiche elektrische Impuls wird an jeden Sektor derart angelegt, daß benachbarte Sektoren in im wesentlichen entgegengesetzten Phasen vibrieren.

Andere Multipole höherer Ordnung können in dieser Weise aufgebaut sein. Vorzugsweise sind die Detektoren, die eingesetzt werden, um die Ankunft der leitungsgebundenen Wellen höherer Ordnung aufzunehmen, von einer Ordnung, die der Ordnung der Quelle entspricht.

.

Die Anzahl der zusammengesetzten Platten oder Sektoren in den Ausführungsformen der Oktopol- und der 16-Polquellen, .wie sie oben beschrieben wurde, stimmt nicht mit der Nomenklatur der Oktopol- und 16-Polquellen ein. So umfaßt die Oktopolquelle sechs Platten oder Sektoren und die 16-Polquelle acht Platten oder Sektoren. Die 32-Polquelle umfaßt zehn Platten oder Sektoren. Während die Nomenklatur der Multipolquelle beruht auf 2ⁿ, wobei η eine ganze Zahl ist mit η * 1, 2, 3 , ist die Anzahl der Platten oder Sek-

toren 2n. Dementsprechend umfaßt eine Dipolquelle (n » 1) 2x1 oder 2 Platten oder Sektoren. Eine Quadrupolquelle

Copy

(η » 2) umfaßt 2x2 oder vier Platten oder Sektoren. Eine Oktopol- (n » 3)? eine 16-Pol- (n » 4) und eine 32-Pol- (n - 5) Quelle umfaßt 6, 8 bzw. 10 Platten oder Sektoren. Dementsprechend umfaßt allgemein eine 2ⁿ-Polquelle 2n Platten oder Sektoren, wobei η eine ganze Zahl ist mit η ■ 1, 2, 3 usw. bis unendlich.

Während die Schubwellengeschwindigkeiten der Formationen aufgezeigt werden können, unter Einsatz der oben beschriebenen Multipolquellen und Systeme leuchtet ein, daß die Erfindung auch ausgeführt werden kann, unter Einsatz anderer akustischer Multipol-Systeme oder auch anderer akustischer Systeme.

Bei der Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ihre schnellste Komponente die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die Schubwelle in der Formation, muß der Frequenzbereich, der von der Multipolquelle abgestrahlt wird, eine gewisse kritische Frequenz enthalten. Für eine Dipolquelle wird die kritische Frequenz f angenähert angegeben durch die folgende Formel

f - v/12a Hz

wobei a der Bohrlochradius und ν die Schubwellengeschwindigkeit ist. Für eine Quadrupolquelle wird diekritische Frequenz angenähert durch öle folgende Formel angegeben

f - νAa Hz. 30

Für eine Oktopolquelle wird die kritische Frequenz angenähert durch die folgende Formel angegeben

ft ft * · ft m · ·

Die Schubwellengeschwindigkeit der Formation kann abgeschätzt werden durch ein herkömmliches Verfahren, wie etwa durch die Messung der Druckwellengeschwindigkeit der Formation. Die Schubwellengeschwindigkeit ist angenähert die Hälfte der Druckwellengeschwindigkeit. Die Bandbreiten der leitungsgebundenen Wellen, die durch die Multipolquellen, wie sie oben beschrieben wurden, erzeugt worden sind, sind breit, so daß eine grobe Abschätzung der Schubwellengeschwindigkeiten der Formation angemessen ist » zur Bestimmung, ob die Multipolquelle in der kritischen Frequenz abstrahlt.

Die Quelle des Typs mit dem gespaltenen Zylinder, wie sie in der US-PS 3,593,255 (White) beschrieben wird und die Quelle des Typs mit der kreisförmigen Scheibe, wie sie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 31989 (Angona et al) offenbart wird, können eingesetzt werden als Dipolquelle, zur Erzeugung und Aufzeichnung der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle, die die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die Schubwelle. Die kritische Frequenz, die von einer Dipolquelle abgestrahlt werden muß, ist niedrig für manche Formationstypen, die man bei der öl- und Gasexploration antrifft. Es ist wichtig, daß die Dipolquelle so ausgelegt wird, daß sie für die Abstrahlung einer solch niedrigen Frequenz geeignet ist. Für diesen Zweck können die länglichen zusammengesetzten Platten der Dipolquelle, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, ein besser geeigneter Aufbau sein als der gespaltene Zylinderaufbau, wie er von White und der Kreisscheibenaufbau, wie er von Angona et al beschrieben will, ist.

Die Anfangsfrequenz, die von einer Multipolquelle abgestrahlt werden muß, ist häufig für manche Formationstypen niedrig. Die Frequenzen, die durch eine 2ⁿ~Poltypquelle mit 2n-Sektoren in der oben beschriebenen Weise abgestrahlt werden, variieren umgekehrt mit dem Radius der Sektoren. Es

kann somit angestrebt sein, daß der Radius der Sektoren groß ü, so daß die Quelle in der Lage ist, bei niedrigen !Frequenzen abzustrahlen. Beim Aufbau einer solchen Multipolquelle kann es erstrebenswert sein, daß der Radius der Sektoren nur wenig geringer ist als der Radius der Meßsonde.

Wie bereits weiter oben diskutiert wurde, können die reflektierten Schubwellen nicht direkt aufgezeichnet werden, wenn die Schubwellengeschwindigkeit der Formation geringer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit. Auch wenn die Schubwellengeschwindigkeit gleich oder wenig größer ist als die Schallgeschwindigkeit in der Bohrlochflüssigkeit, kann die Schubwellenankunft nach wie vor eine kleine Amplitude besitzen und schlechte Ergebnisse für die Schubwellenaufzeichnung liefern. Unter solchen Umständen kann das Verfahren gemäß der Erfindung bessere Meßergebnisse liefern als die Verfahren, bei denen die reflektierten Schubwellen direkt aufgezeichnet werden.

Die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle kann direkt aufgezeichnet werden (d.h., die Ankunft kann ohne Datenverarbeitung herausgenommen werden), wenn eine/,solche Ankunft eine merklich höhere Amplitude aufweist als die Druckwellenankunft. Dies wird der EaIl sein, wenn im wesentlichen alle Frequenzen, die von der Multipolquelle abgestrahlt werden, in einem bevorzugten Frequenzbereich liegen. Der bevorzugte Frequenzbereich einer Dipolquelle unterscheidet sich von dem bevorzugten Frequenzbereich einer Quadrupolquelle. Im allgemeinen kann der bevorzugte Frequenzbereich eines Multipols einer bestimmten Ordnung sich von dem eines Multipols einer anderen Ordnung unterscheiden. Der bevorzugte Frequenzbereich eines Multipols verändert sich mit der Schubwellengeschwindigkeit der zu vermessenden Formation. Wenn die angenäherte Schubwellengeschwindigkeit

COPY

einer Formation, wie oben beschrieben, geschätzt'wird, kann der bevorzugte Frequenzbereich des Multipols ausgewählt werden. Die bevorzugten Bereiche der Dipol-., Quadrupol- und Oktopolquellen sind nachfolgend zusammengestellt für ein Bohrloch mit einem Durchmesser von 25,M- cm.

angenäherte bevorzugter bevorzugter bevorzug

Schubwellenge- Frequenzbereich Frequenzbereich Frequenz

schwindigkeit des Dipols d. Quadrupols reich de

- ^ ; ■ r Oktopols

609,6- 914,4 ir/Sek. 0,4-4,5 kHz 1,2-7 kHz 2,0-8,7

914,4-1219,2 " 0,6-4,5 kHz 1,8-7 kHz . 3,0-8,7

1219,2-1524,0 " 0,8-4,5 kHz 2,4-7 kHz 3,7-8,7

1524,0-1828,8 " 1,0-8 kHz 3,0-11 kHz' 3,7-13

1828,8-2133,6 " 2,5-12 kHz 3,0-18 kHz 3,8-20 ϊ Vl

₁₅· 2133,6-2438,4 » 3,5-16 kHz 3,5-23 kHz 3,9-27 Is«*

2438,4-2743,2 " 4 -20 kHz 3,7-27 kHz 4,0-33

Die bevorzugten Frequenzen verändern sich umgekehrt zum Durchmesser des Bohrloches. Für ein Bohrloch mit einem Durch- PQ messer von d Zoll anstelle von 10 Zoll liegen daher die Frequenzbereiche, bei denen, wie sie in der obigen Tabelle zusammengestellt sind, multipliziert mit einem Faktor 10/d.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich ausgeführt 2c werden, daß es sich bei der obigen Beschreibung des Verfahrens und der konstruktiven Ausgestaltung nur um eine Erläuterung handelt und daß Änderungen und Modifikationen der Form, Größe , der Materialien oder anderer Details möglich sind, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

- Leerseite -

Claims

P A T E N ΨΑ-N'WÄ CTE* ·*

HEGEL & DICKEL

ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

HEGEL & PICKEL. JDLIUS-KREIS-STR. 33. D-8000 MÜNCHEN 60

H. DOELLNER (1900-1932)

DR. KARL TH. HEGEL (1927-1982)

DIPL.-ING. KLAUS DlCKEL

IHR ZEICHEN:

UNSER /.EICHl-N: H 3358

JUL1US-KREIS-STR. 33 D-8000 MÜNCHEN 60

TELEFON: 089-885210 TELEX: 5216739 dpatd TELEGRAMM: DOELLNER-PATENT MÜNCHEN

DATUM:

Exxon Production Research Company P. 0. Box 2189

Houston, Texas 77001 V. St. A.

Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation

Patentansprüche:

Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Bohrloch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß man

an einer Stelle in der Flüssigkeit eine leitungsgebundene Welle erzeugt, deren schnellste Komponente im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt, wie die Schubwelle in der Formation, und

die schnellste Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Stelle, an welcher die leitungsgebundene Welle erzeugt wurde, aufnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß man das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der leitungsgebundenen Welle und der Aufnahme der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle mißt.

3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß man die schnellste Komponente an zwei Stellen in der Flüssigkeit in einem Längsabstand voneinander und von der Stelle, an der die leitungsgebundene Welle erzeugt wurde, aufnimmt und das Zeitintervall mißt zwischen der Aufnahme der schnellsten Kompomente der leitungsgebundenen Welle an den beiden Aufnahmestellen.

4·. Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Bohrloch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß man

eine Multipolquelle in der Flüssigkeit in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle in der Flüssigkeit, deren schreLlste Komponente im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt, wie die die Erdformation durchlaufende Schubwelle und

die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Multipolquelle aufnimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Zeitintervall zwischen der Er-

BAD ORIGINAL

zeugung der leitungsgebundenen Welle und der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle mißt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet , daß man die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungagebundenen Welle an zwei Stellen in der Flüssigkeit in einem Längsabstand enltang des Bohrloches voneinander und von der Quelle aufnimmt und das Zeit-Intervall mißt zwischen der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an den beiden Stellen.

7· Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein mit Flüssigkeit gefülltes Bohrloch umgibt, wobei die angenäherte Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

' ■ . ■ man

eine Dipolquelle in der Flüssigkeit in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle in der Flüssigkeit, deren Frequenzen eine kritische Frequenz f einschließt, die definiert ist durch

f - v/12a Hz

wobei a der Bohrlochradius ist, so daß die schnellste Komponente der leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die durch die Formation laufende Schubwelle und

die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Dipol-

BAD

quelle aufnimmt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet , daß die Frequenzen der leitungsgebundenen Welle in einem bevorzugten Frequenzbereich liegen, der der angenäherten Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation gemäß der nachfolgenden Tabelle entspricht:

Angenäherte Schubwellenge- Bevorzugter Frequenzschwindigkeit in der Forma- bereich (kHz) tion in m/Sek.

609,6 - 914,4 10/d (o,4 - 4,5)

914,4 -1219,2 10/d (0,6 - 4,5)

1219,2 -1524,0 10/d (0,8 - 4,5)

1524,0 -1828,8 10/d (1,0 - 8)

1828,8 -2133,6 10/d (2,5 - 12)

2133,6 -2438,4 10/d (3,5 - 16)

2438,4 -2743,2 10/d (4 - 20) 20

wobei d der Bohrlochdurchmesser in Zoll ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß man das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der leitungsgebundenen Welle und der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Ebmponente der leitungsgebundenen Welle mißt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunft der schnellsten Ebmponente der leitungsgebundenen Welle an zwei Stellen in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches voneinander und von der Quelle aufnimmt und das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Ebmponente " der leitungsgebundenen Welle an den beiden Stellen mißt.

GOPY

BAD ORIGINAL

11. Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein mit Flüssigkeit gefülltes Bohrloch umgibt, wobei eine Dipolquelle mit einem Gehäuse und einem länglichen Element, das an einer Stelle des Elementes an dem Gehäuse gehalten ist, in der Flüssigkeit aufgehängt ist und wobei die angenäherte Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation bekannt ist, da durch gekennzeichnet, daß man

einen nicht gehaltenen Teil des Elementes in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu dessen Länge in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle in der . Flüssigkeit, deren Frequenzen eine kritische Frequenz f umfaßt, die durch die folgende Formel definiert ist:

f - v/i2a Hz

wobei a der Bohrlochradius ist, so daß die schiELlste Komponente der leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleich Geschwindigkeit besitzt wie die Schubwelle, die die Formation durchläuft und

die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Dipolquelle aufnimmt.

32. Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein mit Flüssigkeit gefülltes Bohrloch umgibt, wobei die angenäherte Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

eine Quadrupolquelle in der Flüssigkeit in Vibration ver-35

setzt, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle in der Flüssigkeit, deren Frequenzen eine kritische Frequenz umfaßt, die definiert ist durch die nachfolgende Formel:

f ■ v/4a Hz

wobei a der Bohrlochradius ist, so daß die schnellste Komponente der leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die die Formation durchlaufende Schubwelle und

die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von der Quadrupolquelle aufnimmt.

15· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenzen der leitungsgebundenen Welle einen bevorzugten Frequenzbereich umfassen, entsprechend der angenäherten Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation, entsprechend der nachfolgenden Tabelle:

angenäherte Schubwellenge- Bevorzugter Frequenz-

schwindigkeit in der Forma- bereich (kHz) tion (m/Sek.)

609,6 - 914,4 10/d (1,2 - 7)

914,4 - 1219,2 10/d (1,8 - 7)

1219,2 -■ 1524,0 10/d (2,4 - 7)

1524,0 - 1828,8 10/d (3,0 - 11)

1828,8 - 2133,6 10/d (3,0 - 18)

2133,6 - 2438,4 10/d (3,5 - 23)

2438,4 - 2743,2 10/d (3,7 - 27)

COPY

ORIGINAL

wobei d der Bohnochdurchmesser in Zoll ist.

14-. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß man das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der leitungsgebundenen Welle und der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Eömponente der leitungsgebundenen Welle mißt.

15· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an zwei Stellen in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches voneinander und von der Quelle aufnimmt und das Zeitintervall mißt zwischen der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Kompo-

nente der leitungsgebundenen Welle an den beiden Stellen.

16. Verfahren zur akustischen Vermessung einer Erdformation, die ein eine Flüssigkeit enthaltendes Bohrloch umgibt, wobei die angenäherte Schubwellengeschwindigkeit ν der Formation bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

eine Oktopolquelle in der Flüssigkeit in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer leitungsgebundenen Welle in der Flüssigkeit, deren Frequenzen eine kritische Frequenz f umfassen, die durch die nachfolgende Formel definiert ist:

f - 5v/12a Hz

wobei a der Bohrlochradius ist, so daß die schnellste Kbmpone^ der leitungsgebundenen Welle im wesentlichen die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie die die Formation durchlaufende Schubwelle und

die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an mindestens einer Stelle in der Flüssigkeit in einem

Längsabstand entlang des Bohrloches von der Oktopolquelle aufnimmt.

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der leitungsgebundenen Welle in einem bevorzugten Frequenzbereich liegen, entsprechend der angenäherten ßchubwellengeschwindigkeit ν der Formation gemäß der nachfolgenden Tabelle:

angenäherte Schubwellenge- bevorzugter Frequenz-

schwindigkeit in der Forma- bereich (kHz)

tion (m/Sek.)

609,6 - 914,4 10/d(2,0 - 8,7)

914,4 - 1219,2 10/d (3,0 - 8,7)

1219,2 - 1524,0 10/d (3,7 - 8,7)

1524,0 - 1828,8 10/d (3,7 - 13)

1828,8 - 2133,6 10/d (3,8 - 20)

2133,6 - 2438,4 10/d (3,9 - 27)

2438,4 - 2743,2 10/d (4,0 -.33)

wobei d der Bohrlochdurchmesser in Zoll ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn-2c zeichnet, daß man das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der leitungsgebundenen Welle und der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle mißt.

19· Verfahren nach Anspruch .16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an zwei Stellen in der Flüssigkeit in einem Längsabstand entlang des Bohrloches voneinander und von der Quelle aufnimmt und das Zeitintervall mißt zwischen der Aufnahme der Ankunft der schnellsten Komponente der leitungsgebundenen Welle an den beiden Stellen.