DE3323507A1

DE3323507A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung akustischer dipol-schubwellen

Info

Publication number: DE3323507A1
Application number: DE3323507A
Authority: DE
Inventors: Sen-Tsuen 77479 Sugar Land Tex. Chen; Graham Arthur 77036 Houston Tex. Winbow
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1982-07-06
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1984-01-12
Also published as: NO160235B; DK313283D0; NO160235C; GR79341B; CA1201523A; NZ204634A; OA07486A; GB2167184B; JPS5923274A; FR2532058A1; GB8525178D0; NO832452L; NL8302414A; GB2167184A; PT76963B; JPH0477275B2; PT76963A; MY100705A; IT8348631A0; DK313283A

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung einer Bohrlochumgebung im■alifesmeinen und im besonderen auf die Vermessung mittels akustischer Schubwellen.

£ Bei der Vermessung von Bohrlochumgebungen mittels akustischer Wellen ist es üblich, die Druckwellengeschwindigkeit von Erdformationen, die ein Bohrloch umgeben, zu messen. Ein herkömmliches Druckwellengeschwindigkeitsauf Zeichnungssystem umfaßt eine zylindrische Meßsonde, die in einem Bohrlochfluid aufhängbar ist, eine Erregerquelle, die an die Sonde angeschlossen ist, zur Erzeugung von Druckwellen in dem Bohrlochfluid und einen oder mehrere Detektoren, die an die .Sonde angeschlossen sind und einen'Abstand von der Druckwellenerz eugerquelle besitzen, zur Aufnahme der Druckwellen innerhalb des Bohrlochfluids. Eine Druckwelle in dem Bohrlochfluid, die von der-Quelle erzeugt worden ist, wird in die "das Bohrloch umgebenden Erdformationen übertragen. Sie pflanzt sich durch einen Teil der Formation fort und wird in das Bohrloch reflektiert an einem Punkt angrenzend an ■ den Detektor, worauf sie von dem Detektor aufgenommen wird. Das Verhältnis des Abstandes zwischen der Quelle uni dem Detektor zu der Zeit zwischen der Erzeugung und der Aufnahme der Druckwelle ergibt die Druckwellengeschwindigkeit

der Formation. Der Abstand zwischen der Quelle und dem Detektor liegt normalerweise fest und ist bekannt, so daß die Messung der Zeit zwischen der Druckwellenerzeugung und der Aufnahme ausreicht, zur Bestimmung der Druckwellengeschwindigkeit der Formation. Zur größeren Genauigkeit ist dieser Abstand normalerweise viel größer als die Dimensionen der Quelle oder des Detektors. Informationen, die wichtig sind

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für die Förderung von öl und Gas aus unterirdischen Erdformationen, können von diesen Druckwellengeschwindigkeiten der Formationen abgeleitet werden.

Wenn eine Druckwelle, die durch eine Druckwellenquelle in dem Bohrloch erzeugt worden ist, die Bohrlochwandung erreicht, erzeugt sie eine reflektierte Druckwelle in der umgebenden Erdformation, wie dies oben beschrieben worden ist. Zusätzlich erzeugt sie auch eine reflektierte Schubwelle in der umgebenden Erdformation, sowie leitungsgebundene Wellen, die das Bohrlochfluid und einen Teil der an das Bohrloch angrenzenden Formation durchlaufen. Ein Teil der Schubwelle wird in das Bohrlochfluid reflektiert, in der Form einer Druckwelle und erreicht den Detektor der Meßsonde.' Die leitungsgebundenen Wellen werden ebenfalls von dem Detektor aufgenommen. Jede Welle der drei Wellentypen, die von dem Detektor aufgenommen werden, können als Ankunft bezeichnet werden: Die Druckwellen in dem Bohrlochfluid, die durch die Eeflektion der,Druckwellen in der Formation können als Druckwellenankunft, diejenigen, die durch die Eeflektion von Schubwellen in der Formation gebildet werden, "als Schubwellenankunft und diejenigen, die durch die leitungsgebundenen Wellen verursacht werden, als Leitungswellenankunft. Somit ist das Signal, das von dem Detektor aufgenommen wird, ein zusammengesetztes Signal, das die Druckwellenankunft, die Schubwellenankunft und die leitungsgebundene Wellenankunft umfaßt. Bei Erdformationen wandern Druckwellen schneller als Schubwellen und Schubwellen wandern in der Formation normalerweise schneller als leitungsgebundene Wellen. Dementsprechend ist innerhalb des zusammengesetzten Signals, das von dem Detektor aufgenommen wird, die Druckwellenankunft die erste Ankunft, die Schubwellenankunft die zweite Ankunft und die leitungsgebundene Wellenankunft die letzte Ankunft. Bei der Messung der Druckwellengeschwindigkeit der Formation gibt das Zeitintervall zwischen der Erzeugung der Druckwellen und der Aufnahme der ersten Ankunft durch den

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Detektor die ungefähre Laufgeschwindigkeit der reflektierten Druckwelle in der Formation. Dementsprechend beeinflussen die später ankommenden Druckwellen und leitungsgebundenen Wellen nicht die Messung der Druckwellengeschwindigkeit der Formation.

Zusätzlich zu der Fortbewegung über einen vertikalen Abstand in der Formation, angenähert gleich dem Abstand zwischen der Quelle und dem Detektor wandert die Druckwelle auch über einen kleinen Abstand innerhalb des Fluids. Die extra Zeit die erforderlich ist, um diesen kurzen Abstand zu wandern, fuhrt zu einem Fehler bei der Geschwindigkeitsaufzeichnung. Um derartige Fehler zu vermindern, setzen herkömmliche Aufzeichnungseinrichtungen mindestens zwei in einem senkrechten Abstand voneinander entlang des Bohrloches angeordnete Detektoren ein. Das Zeitintervall zwischen der Aufnahme durch die beiden Detektoren wird gemessen statt des Zeitintervalles zwischen der Übertragung und der Aufnahme. Das Yerhältnis zwischen dem Abstand zwischen den beiden Detektoren und dem entsprechenden Zeitintervall ergibt die Druckwellengeschwindigkeit. Da die Druckwelle den inetwa gleichen kurzen Abstand in dem Bohrlochfluid durchläuft, bevor sie die beiden Detektoren erreicht, ergibt das Zeitintervall zwischen der Aufnahme durch die beiden Detektoren eine genauere Messung der tatsächlichen Laufzeit in der Formation. Dementsprechend führt der Einsatz zweier Detektoren und die Messung der Zeit zwischen der Aufnahme durch die beiden Detektoren zu einer genaueren Druckwellengeschwindigkeit. Andere kleinere Einflüsse, wie die Änderungen der Bohrlochgröße und die Neigung der Sonde, können durch herkömmliche Einrichtungen vermindert werden. Ein solches Gerät ist beschrieben Log !Interpretation, Band 1 - 3?rinciples, Schlumberger Limited, New York, ΪΓ.X. 10017, Ausgabe 1972, auf den Seiten 37 bis 38*

Es ist hinlänglich bekannt, daß die Schubwellengeschwindigkeitsaufzeichnung auch Informationen zur Verfügung stellen

kann, die wichtig sind für die Förderung von öl und Gas aus unterirdischen Erdformationen. Das Verhältnis zwischen der Schubwellengeschwindigkeit und der Druckwellengeschwindigkeit kann die Gesteinslithologie unterirdischer Erdformationen aufzeigen. Die Schubwellengeschwindigkeitsvermessung ermöglicht es auch seismische Schubwellenzeitabschnitte in Tiefenabschnitte umzusetzen. Die Schubwellenaufzeichnung ist auch nützlich bei der Bestimmung anderer wichtiger Charakteristika von Erdformationen, wie etwa der Porosität, der Flüssigkeitssättigung und der Anwesenheit von Rissen.

Die herkömmliche Druckwellenaufzeichnungsquelle und die Druckwellen, die hiervon in dem Bohrlochfluid erzeugt werden, sind symmetrisch um die Meßsondenachse. Wenn derartige Druckwellen in die umgebende Erdformation reflektiert werden, sind die relativen Amplituden der reflektierten Schub- und Druckwellen derart, daß es schwierig ist, die spätere Schubwellenankunft von der früheren Druckwellenankunft zu unterscheiden, wie auch von den Nahhallreflektionen innerhalb des Bohrloches, die verursacht werden durch die Heflektion der Druckwelle in der Formation. Dementsprechend ist es schwierig, eine herkömmliche symmetrische Druckwellenquelle zur Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit einzusetzen. Ebrrelationstechniken sind herangezogen worden, um die Schubwellenankunft von dem aufgezeichneten vollen akustischen Wellenzmg zu extrahieren. Derartige Techniken erfordern jedoch normalerweise den Einsatz von der elektronischen Datenverarbeitung mit eines Rechners, so daß die Schubwellengeschwindigkeiten nicht unmittelbar aufgezeichnet werden können. Es kann auch schwierig sein, die Schubwellenankunft zu extrahieren, wenn sie zeitlich nahe an der Druckwellenankunft liegt.

Asymmetrische Druckwellenquellen sind für die Aufzeichnung der Schubwellengeschwindigkeit entwickelt worden. Beim Ein-.satz derartiger Quellen kann die Amplitude der Schubwellenankunft merklich höher sein als diejenige der Druckwellenankunft. Durch die Einstellung des Auslöseniveaus des Aufnahme-und Aufzeichnungssystems zur Unterscheidung gegen die Druckwellenankunft wird die Schubwellenankunft als erste Ankunft aufgenommen. Somit ist es möglich, die Laufzeit der Schubwellen in der Formation und damit die Schubwellengeschwindigkeifc zu bestimmen. Asymmetrische Quellen werden in der europäischen Patentanmeldung Fr. 31989 (Angona et al), der US-PS 3,593,255 (White) und der US-PS 4,207,961 (Mtsunezaki) beschrieben.

Angona et al beschreiben eine Biegetyp-Quelle, die zwei kreisförmige piezoelektrische Platten umfaßt, die miteinander verbunden sind und von einer Aufzeichnungssonde an ihrem Umfang gehalten werden. Wenn eine Spannung an die beiden piezoelektrischen Platten angelegt wird, vibriert der mittlere Be- reich der kreisförmigen Platten und erzeugt eine positive Druckwelle in einer Richtung und gleichzeitig eine negative Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung. Die beiden Druckwellen interferieren miteinander und erzeugen eine Schubwelle in der das Bohrloch umgebenden Erde. Eine solche Schubwelle besitzt Frequenzen, die umgekehrt proportional zum Durchmesser der kreisförmigen Platten sind. Dieser Durchmesser kann den Durchmesser der Meßsonde nicht überschreiten, die wiederum durch den Durchmesser des Bohrloches begrenzt ist. Aufgrund dieser Einschränkungen besitzen die Schubwellen,die durch die Biegbyp-Quelle erzeugt werden, wie sie von Angona et al beschrieben sind, einen begrenzten Frequenzbereich, und die Quelle kann ungeeignet sein zur Erzeugung von Schubwellen mit niedriger Frequenz.

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White beschreibt eine asymmetrische Quelle mit zwei piezoelektrischen Elementen, die jeweils die Form eines halben Hohlzylinders besitzen. Die beiden Segmente sind so angeordnet, daß sie einen aufgespaltenen Zylinder bilden, Die beiden Segmente besitzen eine entgegengesetzte Polarität, und eine elektrische Spannung wird an jedes Segment angelegt, so daß sich ein Segment radial ausdehnt und gleichzeitig das andere Segment radial kontrahiert, wodurch eine positive Druckwelle in einer Richtung und gleichzeitig eine negative Druckwelle in der entgegengestzten Richtung gebildet wird. Die beiden Druckwellen interferieren miteinander und erzeugen eine Schubwelle in der umgebenden Erdformation. Die Frequenzen der so erzeugten Schubwelle sind umgekehrt proportional zum Radius des gespaltenen Zylinders.

Da ein solcher Radius nicht den Radius der Meßsonde überschreiten kann, die wiederum durch den Radius des Bohrloches begrenzt ist, eignet sich das White'sehe Gerät nicht für die Erzeugung von Medrigfrequenz-Signalen zum Zwecke der Schubwellenvermessung.

Nach KLtsunezaki werden auf eine? Spulenanordnung befindliche Wicklungen in das Magnetfeld eines Dauermagneten gebracht und Strom wird durch die WicklvLagen geschickt, um die Spulenanordnung anzuregen. Die Bewegung der Spulenanordnung ejiziert ein WasservJLumen in eine Richtung und saugt gleichzeitig das äquivalente Wasservolumen in der entgegengestzten Richtung an, so daß ein? positive Druckwelle in einer Richtung und gleichzeitig eine negative Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung gebildet wird. Die Anordnung nach ELtsunezaki kann jedoch nicht bei hohen Frequenzen betrieben werden, oder mit einer hinreichenden Energie^, die für härtere Formationen geeignet ist. Außerdem kann sie nicht bei großer Tiefe oder unter großem Druck eingesetzt werden.

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Bei einer anderen Art einer Schubwellen-Vermessungsquelle wird die Quelle $ statt sie durch, das Medium des Bohrlochfluids an die Bohrlochwandung zu koppeln, entweder unmittelbar an die Bohrlochwandung gekoppelt oder über eine mechanische Einrichtung, wie etwa Haltepfropfen. Derartige Schubwellen-Meßquellen werden in der US-PS 3,354,983 (Erickson et al) und der US-ES 3,94-9,352 (Vogel) beschrieben.

Ih Kenntnis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile eine Vorrichtung und ein Verfahren zur akustischen Schubwellen-Vermessung zu schaffen, bei welchem keine Beschränkung hinsichtlich der einzusetzenden Frequenzen gegeben ist, während gleichzeitig eine hehe Wirksamkeit gewährleistet ist. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale, wobei hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen auf die Merkmale der Unteransprüche verwiesen wird.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt ein Gehäuse, das in einem Bohrloch, das ein Fluid enthält, angehoben und abgesenkt werden kann, sowie ein längliches Element mit zwei Enden, von denen mindestens eines an dem Gehäuse gehalten ist. Die Vorrichtung der Erfindung umfaßt außerdem eine Vibriereinrichtung für den nicht gehaltenen Bereich des Elementes, in einer Richtung, im wesentlichen senkrecht zu dessen Länge, zur Erzeugung einer positiven Druckwelle in einer Sichtung innerhalb des Fluids und gleichzeitig einer negativen Druckwelle in der entgegengesetzten Eichtung. Die beiden Druckwellen interferieren miteinander zur Erzeugung einer Dipol-Schubwelle in der das Bohrloch umgebenden Erde. Die Dipol-Schubwellenankunft wird durch eine Aufnahmeeinrichtung an einer und vorzugsweise an zwei Stellen innerhalb des Fluids in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von dem Element aufgenommen, Ven dem Zeitintervall zwischen der Aufnahme der

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Schubwellenankunft an den beiden Stellen kann die Schubwellengeschwindigkeit der das Bohrloch umgebenden Erde bestimmt werden.

Durch eine Vergrößerung der Länge des Elementes nimmt die Frequenz der eeeugten Dipol-Schubwelle ab. Wenn man eine Miedrigfrequenz-Dipolquelle zur Bestimmung der Schubwellenge schwihdigkeit weicher Erdformationen einsetzt, so verbessert das Dipol-Schubwellensignal das Geräusch der Druckwelle.

Zwei im wesentlichen identische Platten, die nebeneinander in einem ein Fluid enthaltenden Bohrloch mit ihren flachen Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, werden im wesentlichen in der gleichen Weise in Vibration versetzt, wobei jedoch die vibrierenden Bereiche der Platten im wesentlichen gleichzeitig aufeinander zu und voneinander weg geführt werden. Derartige Vibrationen erzeugen eine Stoneley-Welle in dem Fluid, die an zwei Stellen in einem Längsabstand voneinander und von den beiden Platten aufgenommen werden. Von dem Zeitintervall zwischen den Aufnahmen an den beiden Stellen wird die Stoneley-Wellengeschwindigkeit bestimmt. Die Schubwellengeschwindigkeit kann von der Stoneley-Wellengeschwindigkeit abgeleitet werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus der naelafolgftnden. 3<*ßrfci:c-ilriuag verschiedener Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines akustischen Vermessungssystems zur Erläuterung der Erfindung,

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Fig. 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Dipol-Schubwellenvermessungseinrichtung, zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Teilschnitt durch ein Dipol-Schubwellengerät entlang der Schnittlinie 3-3 der Fig. 2 und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine Dipol-Schubwellen-· Vermessungseinrichtung zur Erläuterung einer

bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Dig. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines akustischen Vermessungssystems zur Erläuterung der Erfindung. Eine Meßsonde 10 kann in einem Bohrloch angehoben und abgesenkt werden. Die Sonde enthält eine Dipol-Schubwellenquelle 12 sowie zwei Detektoren 14 und 16. Um die Vermessung einzuleiten, wird die Sonde 10 in einem Fluid 18 aufgehängt, das sich innerhalb des Bohrloches 20 befindet, welches von einer Erdformation umgeben ist. Die Detektoren 14 und 16 sind derart an die Sonde 10 angeschlossen, daß sie in einem Längsabstand entlang des Bohrloches 20 voneinander und von der Quelle 12 angeordnet sind. Die Quelle 12 ist an eine Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit 24 angeschlossen. Obwohl die Auslöse- und Auf- Zeichnungssteuereinheit in Fig. 1 als von der Meßsonde getrennte Einheit dargestellt ist, kann der Teil, der die Dipol-Schubwellenquelle versorgt, aus Zweckmäßigkeitsgründen für den Betrieb in der Meßsonde untergebracht sein. Die von den Detektoren 14 und 16 aufgenommenen Signale werden einem Bandpaßfilter 26, einem Verstärker 28 sowie einer Zeitintervalleinheit 30 zugeführt.

In einer nachfolgend noch zu beschreibenden Weise wird die Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit eingesetzt, um die Quelle 1g zu erregen, die eine Dipol-Schubwelle in der Formation 22 erzeugt. Die Dipol-Schubwellenankunft wird von den

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Detektoren 14 und 16 aufgenommen. Die Sonde 10 umfaßt außerdem einen Vorverstärker (in Pig. 1 nicht dargestellt), der die Dipol-Schubwellenankunft, die von den Detektorea 14 und 16 aufgenommen wird, verstärkt. Die verstärkten Signale werden dann durch das Filter 26 gefiltert und erneut durch den Verstärker 28 verstärkt. Das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Ankunft durch den Detektor 14 und dessen Aufnahme durch den Detektor 16 wird dann durch die Zeitintervalleinheit 30 gemessen. Ein derartiges Zeitintervall kann gespeichert oder angezeigt werden, wie dies erwünscht ist.

Die Pig. 2 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Dipol-SchubwellenmeßeinricHung, entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Wie der Pig. 2 entnehmbar ist, umfaßt die Meßsonde 10 eine Anzahl von Hohlzylinderabsennit;en. Der obere Abschnitt 32 enthält die Dipol-Schubwellenmeßquelle 12 gemäß Pig. 1 und weist zwei einander gegenüberliegende Penster 42 auf, die es ermöglichen, daß die von der Quelle 12 erzeugten Druckwellen leicht hierdurch in das Bohrlochfluid fortschreiten können. Die Abschnitte 34 und 36 enthalten die Detektoren 14 und 16 der Pig. 1 und befinden sich unterhalb der Quelle 12 und besitzen ebenfalls Penster 44 und 46, entsprechend der Darstellung in Pig. 2.

Die kombinierten Druckwellen, die durch die Quelle 12 erzeugt worden sind, durchschreiten die Penster 42 und das Bohrlochfluid 18, um die Wandung des Bohrloches 20 zu erreichen. Ein Teil dieser kombinierten Druckwellen wird in die Erdformation 22 in der Porm einer Dipol-Schubwelle hineingeworfen. Eachdem eine solche Dipol-Schubwelle um eine Strecke die Formation durchläuft, werden Teile hiervon reflektiert zurück in das Bohrloch und in das Bohrlochfluid 18, um die Detektoren 14 und 16 durch die Penster 44 bzw. 46 zu erreichen. Das Zeitintervall zwischen der Aufnahme durch die Detektoren 14 und 16 wird dann in der beschriebenen Weise gemessen.

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Die I¹Xg. 3 ist ein Teilschnitt durch, eine Dipol-Schubwellenmeßeinrichtung entlang der Schnittlinie 3-3 der lig. 2. Vie

bein Pig. 3 dargestellt, steht die Dipol-Schubwellenmeßeinrichtung 12 aus einem Paar länglicher piezoelektrischer Platten, die zwei Enden aufweisen und mit ihren flachen Oberflächen miteinander verbunden sind, zur Bildung einer zusammengesetzten Platte 12. Jede der beiden Platten ist im wesentlichen senkrecht zu ihrer flachen Oberfläche polarisiert, wobei die Polarisation der beiden Platten im wesentliehen in entgegengesetzter Eichtung verläuft. Ein Ende der zusammengesetzten Platte 12 paßt genau zwischen zwei ELemmplatten 54, die diese zusammengesetzte Platte an ihrem Platz festhalten, während sie vibriert. Die Außenseite der freien flachen Oberfläche der zusammengesetzten Platte 12 ist jweils durch einen Draht 56 an die Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit 24 über einen Polaritätsschalter angeschlossen. Die Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit legt einen elektrischen Impuls über die zusammengesetzte Platte 12. Es ist hinlänglich bekannt, daß dann, wenn ein elektrischer Impuls über zwei flache Oberflächen eines Elementes gelegt werden, daß aus einem Paar entgegengesetzt polarisierten piezoelektrischen Platten besteht, das Element zu einer Biegung veranlaßt wird. Wenn die Polarität des Impulses, der gemäß der Darstellung in Pig. 3 angelegt wird, biegt sich der nicht gehaltene Bereich der länglichen zusammengesetzten Platte 12 in der Eichtung des Pfeiles 60, entsprechend der Darstellung in Pig. 3-

Venn der nicht gehaltene Teil der zusammengesetzten Platte 12 sich in Eichtung des Pfeiles 60 biegt, erzeugt er eine positive Druckwelle in der gleichen Eichtung und gleichzeitig eine negative Druckwelle in der entgegengesetzten Eichtung. Ein Teil der kombinierten Druckwellen, der sich

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aus der Interferenz der beiden Druckwellen ergibt, wird in die Erdformation 22 als Dipol-Schubwelle geleitet. Die beiden Druckwellen interferieren, so daß die Druckwelle, die in die Erdformation geleitet wurde und dann von den Detektoren 14 und 16 aufgenommen wurde, eine wesentlich kleinere Amplitude besitzt als die reflektierte Dipol-Schubwelle · Dementsprechend wird durch Einstellung des Auslöseniveaus der Zeitintervalleinheit 30 die Dipol-Schubwelle als erste Ankunft aufgenommen.

Wegen eines besseren Wirkungsgrades laufen die flachen Oberflächen der Quelle 12 vorzugsweise parallel zur Bohrlochachse, obwohl auch andere Orientierungen akzeptabel sind. Während die Polarisationen der zusammengesetzten Platte in fig. 5 gezeigt sind und vorzugweise senkrecht zu den flachen Oberflächen ausgerichtet sind, leuchtet ein, daß für die Signale zum Vibrieren der Platten 12 die Polarisationen nur so zu sein brauchen, daß sie Komponenten besitzen entlang der Richtung des elektrischen Feldes des Impulses,der an die zusammengesetzte Platte angelegtvird. Nachdem das elektrische Impulssignal angelegt ist, fährt der nichtgehaltene Teil der Platte 12 fort zu vibrieren. Die extremen Positionen der Platte 12 während ihrer Vibration sind in Fig. 3 in strichpunktierten Linien dargestellt.

Die zusammengesetzte Platte mit einem Paar entgegengesetzt polarisierten piezoelektrischen Platten ist ohne weiteres handelsüblich verfügbar. Die piezoelektrischen zusammengesetzten Platten, die von der Firma Vernitron Company of Bedford, Ohio, Y. St. Α., geliefert werden und als Bender Bimorphs bekannt sind, haben sich als zufriedenstellen erwiesen. Die handelsüblich verfügbaren piezoelektrischen zusammengesetzten Platten, die für den Zwecfc der Erfindung einsetzbar sind, werden in der Form zweier piezoelektrischer

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Platten verlauft, die über eine leitende Schickt mit einander in Verbindung stehen, die sich zwischen den beiden piezoelektrischen Platten befindet. Die Außenseite der flachen Oberflächen der zusammengesetzten Platten sind normalerweise ebenfalls durch leitende Schichten überzogen. Solche leitenden Schichten sind in Fig. 3 als Schichten 62 dargestellt. Derartige leitende Schichten ermöglichen es, daß der elektrische Impuls, der an die zusammengesetzte Platte angelegt ist, ein gleichförmigeres elektrisches Feld in einer solchen Platte

Ί0 erzeugt, wodurch der Wirkungsgrad des Vermessungsgerätes verbessert wird. Wenn ein Paar von piezoelektrischen Platten in der zusammengesetzten Platte 12 in im wesentlichen der gleichen Richtung polarisiert ist, sollte der elektrische Impuls,um ein Biegen der zusammengesetzten Platte zu bewirken, zwischen der leitenden Mittelschicht und den beiden freiliegenden äußeren leitenden Schichten angelegt werden. Der Saum, der die Quelle 12 umgibt und von dem zylindrischen Abschnitt 32 umschlossen wird, ist mit öl 64 gefüllt. Der obere Teil des Abschnittes 32 ist mit einem Stützmaterial 66 ausgefüllt, das vorzugsweise gute Dämpfungsqualitäten besitzt, um die Nachhallreflektionen der Quelle 12 zu dämpfen, so daß die von der Quelle erzeugten Druckwellen eine kurze Dauer besitzen. Eine Membran 68 schließt das öl 64- von dem Bodenteil des Abschnittes 32 ab, der mit Luft gefüllt sein kann.

Wie die Fig. 3 zeigt, besitzt der Detektor 14 einen ähnlichen Aufbau wie die Quelle 12. Der Abschnitt 34 und die Art und Weise wie dieser an den Detektor 14 angeschlossen ist, sind ähnlich wie der Abschnitt 32 und dessen Anschluß an die Quelle

12. Der einzige Unterschied liegt darin, daß statt der Verbindung der äußeren leitenden Schicht des Detektors 14 an die Auslöseeinheit diese Schichten an ein Bandpaßfilter 26 angeschlossen sind. Das Bandpaßfilter steht dann mit einem Verstärker und einer Zeitintervalleinheit in Verbindung, entsprechend der Darstellung in Fig. 1.

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Vorzugsweise verlaufen die flachen Oberflächen des Detektors 14 im wesentlichen parallel zu den flachen Oberflächen der Quelle 12, und die Polarisationsrichtungen des Detektors 14 sind im wesentlichen parallel zu den Polarisationsrichtungen der Quelle 12. Bei einer derartigen Orientierung besitzen die Schubwellenankünfte, die von dem Detektor 14 aufgenommen werden, eine optimale Amplitude. Es leuchtet ein, daß auch andere Orientierungen eingesetzt werden können, solange die flachen Oberflächen des Detektors 14 nicht senkrecht auf der flachen Oberfläche der Quelle 12 stehen. Bei solchen Orientierungen nimmt der Detektor 14 die Schubwellenankunft auf. Für einen besseren Wirkungsgrad laufen die flachen Oberflächen der Quelle 12 und des Detektors 14 vorzugsweise parallel zur Bohrlochachse, obwohl auch andere Orientierungen einsetzbar sind. Für eine bessere Sensitivität der Aufnahme sollte das nicht gehaltene Ende des Detektors 14 in Richtung auf die Quelle 12 zeigen und das nicht befestigte Ende der Quelle 12 in Richtung auf den Detektor 14. Der Detektor 16 und der Abschnitt 36 (in Jig. 3 nicht gezeigt) besitzen den gleichen Aufbau wie der Detektor 14 und der Abschnitt 34, wobei sie sich unterhalb des Detektors 14 befinden.

Während es sich bei den Detektoren 14 und 16, entsprechend der Darstellung, um Dipol-Typ-Detektoren handelt, leuchtet ein, daß auch andere Detektoren zum Einsatz kommen können. Beispielsweise kann ein Geophon eingesetzt werden, dessen Achsen in einem Winkel zu den flachen Oberflächen der Quelle 12 stehen. Der Winkel kann vorzugsweise 90° sein.

Die-Pig. 4 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine Dipol-Schubwellenmeßquelle zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wie die Pig. 4 darstellt, enthält ein zylindrischer Abschnitt 80 eine Dipol-Schubwellen-Meßquelle 82, die ein Paar länglicher piezoelektrischer

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Platten 84 und 86 umfaßt, die jeweils zwei Enden besitzen. Die "beiden Paare 84 und 86 sind jeweils an den hohlen zylindrischen Abschnitt 80 angeschlossen, indem sie passend an beiden Enden ztaschen KLemmplatten 88 gehalten sind. Die beidei Paare piezoelektrischer Platten 84 und 86 besitzen jeweils einen ähnlichen Aufbau, entsprechend demjenigen des Paares piezoelektrischer Platten 12 der Fig. 3« Dementsprechend sind die freiliegenden flachen Oberflächen der beiden Paare jeweils mit einer leitenden Schikt überzogen, so daß die äußeren flachen Oberflächen der beiden Paare 84a, 84b und 86a, 86b, entsprechend der Darstellung in JPig. 4, überzogen sind. Die Auslöse- und Aufzeichnungssteuereinheit 24 legt einen elektrischen Impuls über die beiden Paare 84 und 86 mit Hilfe der Drähte 90, die an die leitenden Schichten der beiden Paare angeschlossen sind. Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform,bewirkt ein solches Signal, daß die beiden Paare jeweils eine positive Druckwelle in einer Sichtung und eine negative Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung erzeugen, die miteinander interferieren, zur Erzeugung einer Dipol-Schubwelle in der Erdformation. Wenn das elektrische Signal, das über die beiden· Paare 84 und 86 gelegt wird, so ist, daß die Oberfläche 84a bei einem höheren elektrischen Potential liegt als die Oberfläche 84b und daß die Oberfläche 86a bei einem höheren elektrischen Potential liegt als die Oberfläche 86b, so addieren sich die Dipol-Schubwellen, die durch die beiden Paare erzeugt werden, zur Erzeugung einer stärkeren Dipol-Schubwelle in der Formation 22. Der Kaum zwischen den beiden Plattenpaaren und dem Raum oberhalb und unterhalb der beiden Plattenpaare . und der umschlossen ist von dem zylindrischen Abschnitt 80 ist mit Stützmaterial 92 mit guten Dämpfungsqualitäten gefüllt, so daß die durch die Vibration der beiden Plattenpaare erzeugten Druckwellen eine kurze Dauer besitzen. Die von den beiden Plattenpaaren erzeugten Druckwellen werden durch öl 94 und Fenster 96 auf das Bohrlochfluid 18 über-

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tragen. Die Schubwellenankunft wird von Detektoren in der gleichen Weise aufgenommen, wie dies im Zusammenhang mit der Ausführungsform weiter oben erläutert wurde. Da die beiden Enden eines jeden der beiden Paare länglicher piezoelektrischer Platten 84 und 86 an den Abschnitt 80 angeklemmt sind, vermag nur der mittlere Bereich der beiden Plattenpaare zu vibrieren. Die extremen Positionen der beiden Plattenpaare im Laufe der Vibration sind durch strichpunktierte Linien in Pig. 4 angegeben.

Wie weiter oben diskutiert wurde, kann die Dipol-Schubwellenquelle gemäß der Erfindung eingesetzt werden zur Vermessung von Schubwellengeschwindigkeiten in direkter Weise, wenn die Schubwellenankunft merklich größer hinsichtlich ihrer Amplitude ist als die Druckwellenankunft. Dies ist jedoch mir dann der Pail, wenn die Frequenzen der erzeugten Dipol-Schubwelle in der Formation, die das Bohrloch umgibt, in einem bestimmten Frequenzbereich liegt. Pur jede Erdformation gibt es einen bevorzugten Frequenzbereich für die Vermessung ihrer Schubwellengeschwindigkeit, so daß die Schubwellenankunft merklich stärker ist als die Druckwellenankunft. Ein derart bevorzugter Frequenzbereich variiert mit der Schubwellengeschwindigkeit der zu vermessenden Formation. Wenn dementsprechend der angenäherte Bereich der Schubwellengeschwindigkeit der Formation bekannt ist, kann ein bevorzugter Frequenzbereich ausgewählt werden. Für ein Bokrloch mit einem Durchmesser von 25,4 cm sind die bevorzugten Frequenzbereiche in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Angenäherter Bereich der Schubwellengeschwindigkeiten

1524 - 1829 m/Sek. 1829 - 2134 m/Sek. 2134 - 2438 m/Sek. 2438 - 273^ m/Sek.

Bevorzugter Frequenzbereich

1,5 - 7,5 kHz 3,0-12 kHz 4,0 - 16 kHz 4,5 - 20 kHz

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Wenn, eine Dipol-Schubwellenquelle eine Dipol-Schubwelle mit starken Komponenten bei den Frequenzen zwischen 4,5 "und 7₅5 kHz erzeugt, dann arbeitet eine solche Quelle in dem bevorzugten Frequenzbereich für den gesamten Bereich der Schubwallengeschwindigkeiten von 1524 m/Sek. bis 2734- m/Sek. Der angenäherte Bereich der Schubwellengeschwindigkeiten für eine Formation kann mittels herkömmlicher Verfahren abgeschätzt werden, wie etwa die Messung der Druckwellengeschwindigkeiten für die Formation. Die Schubwellengeschwindigkeit ist angenähert die Hälfte der Druckwellengeschwindigkeit. Von den gemessenen Druckwellengeschwindigkeiten kann der angenäherte Bereich der Schubwellengeschwindigkeiten bestimmt werden.

Die bevorzugten Frequenzen variieren umgekehrt proportional mit dem Durchmesser des Bohrloches. Dementsprechend liegt für ein Bohrloch mit einem Durchmesser von d Zoll statt 10 Zoll der bevorzugte Frequenzbereich bei einem Wert, der sich aus der obigen Tabelle ergibt, multipliziert durch einen Faktor 10/d.
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Die Frequenzen der Dipol-Schubwellen, die in den Erdformationen durch die Dipol-Schubwellenquellen 12 und 82 erzeugt werden hängen von der Länge der länglichen piezoelektrischen Platten und der Dicke der Plattenpaare in Richtung der Vibration ab. Bei dem Frequenzspektrum einer solchen Dipol-Schubwelle wird die Frequenz f der Spitzenamplitude angegeben durchi

f - K(t/1²)
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wobei K eine Eonstante ist.

t ist die Dicke des Paares der piezoelektrischen Platten in Eichtung der Vibration und

1 ist die Länge des Plattenpaares.

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Für eine Dipol-Schubwellenquelle mit einem Paar länglicher piezoelektrischer Platten von 127 mm Länge, 4,76 mm Breite und 0,508 mm Dicke liegt die Spitzenfrequenz der Spitzenamplitude bei etwa 2 kHz. Eine solche Frequen der Spitzenamplitude kann erhöht oder vermindert werden, indem man die Dicke und die Länge des Paares der piezoelektrischen Platten entsprechend der obigen Gleichung verändert. Eine solche Frequenz kann erhöht werden durch die Verstärkung der Dicke oder die Verminderung der Länge des Paares piezoelektrischer Platten und kann vermindert werden durch eine Verminderung der Dicke oder Erhöhung der Länge eines solchen Plattenpaares. Wenn somit die Länge eines solchen Plattenpaares in dem obigen Beispiel vermindert wird von 127 mm auf 101,6 mm, erhöht sich die Frequenz von 2 kHz auf etwa 3»75 kHz. Da die Frequenz der Spitzenamplitude umgekehrt proportional ist zum Quadrat der Länge, ist eine solche Frequenz sehr empfindsam gegenüber Variationen der Länge des Paares piezoelektrischer Platten. Eine Dipol-Schubwellenquelle mit einer Länge zur Erzeugung von Dipol-Schubwellen mit der gewünschten Frequenz der Spitzenamplitude kann ausgewählt werden, wenn der angenäherte Bereich der Schubwellengeschwindigkeiten bekannt ist.

Venn der bevorzugte Frequenzbereich der Erdformation bekannt ist, können piezoelektrische Platten mit den geeigneten Dimensionen, die die Dipol-Schubwellen mit Frequenzen in einem solchen Bereich erzeugen, ausgewählt werden. Wenn somit die Länge und die Dicke in Eichtung der Vibration der Platten derart sind, daß die Frequenz der Spitzenamplitude innerhalb eines derartigen bevorzugten Frequenzbereiches liegt, dann besitzen die Schubwellenankünfte, die durch solche Platten erzeugt worden sind, Amplituden, die merklich höher sind als solche der Druckwellenankünfte, die ebenfalls durch solche Platten erzeugt worden sind. Da die Frequenz der Spitzenamplitu-de besonders empfindlich gegenüber der Länge der piezoelektrischen Platten ist, kann eine solche Frequenz

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leicht ausgewählt werden durch die Auswahl der piezoelektrischen Platten mit der entsprechenden Länge. Eine derartige Länge ist nicht begrenzt durch die Durchmesser der Meßsonde und des Bohrloches. Dipol-Schubwellen mit niedriger Frequenz können erzeugt werden durch den Einsatz von Platten mit einer hinreichenden Länge. Dipol-Schubwellen mit einer solch niedrigen "Frequenz können wichtig sein für die Vermessung von Formationen mit niedrigen Schub Wellengeschwindigkeiten. Somit ermöglicht der längliche Aufbau gemäß der Erfindung die Erzeugung von Dipol-Schubrellen niedriger Frequenz in einer wirtschaftlichen Weise.

Wie weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde, interferieren die positiven und negativen Druckwellen, die durch die Quelle 12 erzeugt worden sind, eine Dipol-Schubwelle in der Formation 22. Die beiden erzeugten Druckwellen sind in der Praxis normalerweise nicht genau in entgegengesetzter Phase. Dementsprechend erzeugt ihre Interferenz auch eine Druckwelle in der Formation 22 und Oberflächenwellen, wie Stoneley-Wellen, die die stärksten an der Grenzfläche zwischen dem Fluid und dem Bohrloch sind. Die Druckwellen- und Stoneley-WeIlenankünfte werden auch von den Detektoren 14 und 16 als Geräusch aufgenommen. Ein solches Geräusch kann in der folgenden Weise vermindert werden. Eine erste Meßaufzeichnung wird von der Schubwellenankunft in der oben beschriebenen Weise hergestellt. Eine solche Aufzeichnung enthält die Druckwellen- und Stoneley-Wellenankünfte als Geräusch. Die Polarität der elektrischen Signale, die der Quelle 12 zugeführt werden, wird dann mittels des Polaritsteschalters 58 umgekehrt, und eine zvä-te Meßauf Zeichnung wird von der Schubwellenankunft hergestellt. Da die Umkehr der Polarität der elektrischen Signale das nicht gehaltene Ende des Plattenpaares in entgegengesetzter !Richtung zur Sichtung 60 biegt, wird eine positive Druckwelle in der Bewegungsrichtung und eine negative Druckwelle in entgegengesetzter Richtung er-

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zeugt. Die "beiden so erzeugten Druckwellen interferieren und erzeugen eine Dipol-Schubwelle in der Formation 22, deren Polarität entgegengesetzt zu derjenigen ist, die während der ersten Aufzeichnung erzeugt wurde. Die Druckwelle und die Stoneley-Welle, die während der zweiten Aufzeichnung erzeugt wurden, sind in ihrer Polarität jedoch nicht umgekehrt. Dementsprechend führt die Subtraktion der beiden Meßaufzeichnungen zu einer Minderung des Geräusches, das durch die Druckwellen und die Stoneley-Wellen erzeugt wurde. Wenn die beiden Meßaufzeichnungen addiert statt subtrahiert werden, würde die Dipol-Schubwellenankunft im wesentlichen verschwinden, aber die Druckwelle, die Stoneley-Welle und andere Ankünfte verbleiben. Bei den bevorzugten Frequenzbereichen für die Dipol-Schubwellenvermessung dominieren die Stoneley-Wellenankünfte über die Summe der Aufzeichnungen. Dementsprechend erscheint die Stoneley-Welle als erste Ankunft in der Summe der beiden Aufzeichnungen. Es ist hinlänglich bekannt, daß die Schubwellengeschwindigkeit einer Formation abgeleitet werden kann von ihrer Stoneley-Wellengeschwindigkeit. Dies kann erzielt werden in Ableitung von der allgemeinen Diskussion in Biot, M.A. 1952 "Propagation of Elastic Waves in a Cylindrical Bore Containing a Fluid", Journal of Applied Physics, Band 23, Seiten 997-1005. Somit bietet die Stoneley-Wellengeschwindigkeit eine alternsbive Methode zur Messung der Schubwellengeschwindigkeit der Formation 22.

Das Geräusch, das durch die Druck- und Stoneley-Wellen erzeugt wird, laßt sich auch vermindern, indem man zwischen zwei Meßaufzeichnungen die Schubwellenquelle 12 um 180° dreht, so daß die flachen Oberflächen der Quelle im wesentlichen in die entgegengesetzte Sichtung zeigen, zu derjenigen, der sie vor der Drehung zugewandt waren. Die Drehung kehrt die Polarität der Dipol-Schubwellen um, jedoch nicht die erzeugten Druck- und Stoneley-Wellen. Dementsprechend führt

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die Subtraktion der beiden Meßaufζ eichrmng en zu einer Verminderung des Geräusches, das verursacht wird durch die Druck- und Stoneley-Wellen. In de^Summe der beiden Meßaufzeichnungen erscheint wiederum die Stoneley-Welle als erste Ankunft.

Wenn die beiden Paare piezo elektrische!^ Platten eingesetzt werden , entsprechend der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, wird eine Addition und Subtraktion der Meßaufzeichnungen nicht erforderlich, und die Stoneley-Wellengeschwindigkeit kann unmittelbar direkt vermessen werden. Durch die Betätigung des Polaritätsschalters 110 werden die elektrischen Impulse durch die Auslöse- und Steuereinheit 24 zu den Paaren piezoelektrischer Platten 84 und 86 in ihrer Polarität umgekehrt. Wenn somit ein solcher Impuls die Oberfläche 86a auf ein höheres elektrisches Potential bringt, als die Oberfläche 86b, nachdem der Schalter 110 betätigt i^rst, bewirkt der an das Plattenpaar 84 gelegte Impuls, daß die Oberfläche 84b auf einem höheren elektrischen Potential als die Oberfläche 84a liegt. Bei dieser>änordnung bewirken die elektrischen Impulse, die durch die Auslöse- und AufZeichnungssteuereinheit 24 zugeführt wird, daß die Oberflächen 84a und 86b sich im wesentlichen gleichzeitig nach außen auf die Fenster 96 zu bewegen und entsprechend von den Fenstern weg kontrahieren. Die Dipol-Ebmponente der akustischen Wellen, die durch die beiden Paare 84 und 86 erzeugt wurde, hebt sich im wesentlichen auf,und die einzigen merklichen Ankünfte, die aufgenommen werden, sind die Stoneley-Wellenankünfte. Dementsprechend kann die Stoneley-Wellengeschwindigkeit unmittelbar direkt vermessen werden.

Zur Vermessung der Stoneley-Wellengeschwindigkeiten besitzt die bevorzugte Ausführungsform gemäß Fig. 4 ein besseres Signal zu Geräuschverhältnis als herkömmliche Einrichtungen, die hohlzylindrische Druckwellenquellen verwenden. Derartige herkömmliche Quellen werden normalerweise bei etwa 15 bis

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20 kHz betrieben. Bei solchen Frequenzen sind die Druckwellen, Schubwellen und leitungsgebundenen Wellen nicht unmaßgeblich, verglichen mit den durch dieselbe herkömmliche Quelle erzeugten Stoneley-Wellen. Die Betriebsfrequenzen derartiger herkömmlicher Quellen sind umgekehrt proportional zum Durchmesser der Quelle. Solche Frequenzen können nicht merklich erniedrigt werden durch einen Anstieg des Quellendurchmessers, da dieser den Sondendurchmesser nicht überschreiten kann. Der längliche Aufbau der bevorzugten Ausführungsform ermöglicht einen Betrieb bei Frequenzen, die wesentlich, geringer als 15 kHz sind. Bei niedrigeren Frequenzen, wie etwa bei 4 bis 7 kHz,sind die Druckwellen und andere erzeugte Wellen unmaßgeblich, verglichen mit den Stoneley-Wellen.

Die in Fig. 4 dargestellte Schubwellenvermessungseinrichtung kann auch eingesetzt werden, um zu bestimmten, ob die Erdformation, die ein Bohrloch umgibt, anisotrop ist. Bestimmte Formationen sind aus dünnen horizontalen Schichten unterschiedlicher Materialien aufgebaut, so daß die Schubwelle in vertikaler Eichtung eine andere Geschwindigkeit hat als die Schubwellenfortpflanzung in einer horizontalen Eichtung. Als Querwelle kann die Schubwelle in einer Polarisationsebene vibrieren. Eine horizontal fortschreitende Schubwelle kann eine vertikale oder horizontale Polarisationsebene aufweisen, oder eine solche, die irgendwo hierzwischen liegt. Die Geschwindigkeit einer horizontal fortschreitenden Schubwelle mit einer horizontalen Polarisationsebene kann von der Stoneley-Wellengeschyindigkeit abgeleitet werden, die in einem allgemein vertikalen Bohrloch gemessen wird. Zur Diskussion, wie dies geschehen kann, wird verwiesen auf White, J.E. und Sengbu3h, E.L. "Velocity Measurements in Near-Surface Formations", Geophysics, Bd. 13, Saiten 64 - 69, 195J. Die Schubwellengeschwindigkeit einer Formation, die direkt in der oben beschriebenen Weise gemessen wurden, ist^lie Geschwindigkeit der allgemein vertikal fortschreitenden Schub-

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welle, Wenn sich diese Geschwindigkeit von derjenigen unterscheidet, wie sie von der Stoneley-Wellengeschwindigkeit der Formation abgeleitet wird, ist die Formation anisotrop.

Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich ausger führt werden, daß es sich bei dem Verfahren und dem Aufbau gemäß der Erfindung lediglich um eine beispielhafte Erläuterung handelt und daß verschiedene Änderungen hinsichtlich der Form, der Größe, des Materials oder andere ΊΟ Details möglich ist, ohne daß dabei der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE·- - -""- HEGEL &'DICKEL ZfGELASSlSN BKIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT 3323-5Ö7 HEGEL & DICKEL. JULIUS-KREIS-STR. 33. D-8000.MÜNCHEN 60 H. DOELLNER (1900-1932) DR. KARL TH. HEGEL (1927-1982) DIPL.-ING. KLAUS DICKEL IHR ZEICHEN:

1."NSER/EICHEN: H

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

TELEFON: 089-88 5210 TELEX: 52 16739 dpatd TELECiRAMMr DOELLNF.R-PATENT MÜNCHEN

DATUM

Exxon Production Research Company P.O. Box 2189
Houston, Texas 77001 V.St.A.

Vorrichtung und Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen

Patentansprüche:

' Λ.) Vorrichtung zur Messung akustischer Dipol-Schub-wellen in einer Erdformation (22), die ein mit einem Fluid (18) gefülltes Bohrloch (20) umgibt, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (10), das innerhalb des Bohrloches (20) anhebbar und absenkbar ist,

eine Schubwellenquelle (12), die länglich ausgebildet und mit mindestens einem Ende an dem Gehäuse (10) angeordnet ist, sowie

eine Einrichtung zum Vibrieren des nicht befestigten Teils der Schubwellenquelle in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu ihrer Längsachse, zur Erzeugung einer positiven Druckwelle in dem Fluid in eine Richtung und gleichzeitig einer negativen Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung, unter Bildung einer Dipol-Schubwelle der Erdformation, die das Bohrloch umgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vibration des unbefestigten Teils der Schubwellenquelle im wesentlichen senkrecht zur Bohrlochachse ausgebildet ist.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb des Gehäuses (10) Detektoren (14·, 16) angeordnet sind, mittels welchen an mindestens einer vorbestimmten Stelle in dem Fluid in einem Längsabstand von der Schubwellenquelle (12) die reflektierte Eömpressionswelle in dem Fluid bestimmbar ist, die durch die Reflektion der Dipol-Schubwelle gebildet ist.

4·. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß außerdem eine Einrichtung (30) zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Erzeugung zweier Druckwellen und der Aufnahme der reflektierten Druckwelle vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mittels den Detektoren (14-, 16) an zwei vorbestimmten Stellen, die einen Längsabstand untereinander und von der Schubwellenquelle besitzen, die Ankunft der reflektierten Schubwellen aufnehmbar sind, während die

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Vorrichtung außerdem eine Einrichtung (30) umfaßt, zur Messung des Zeitintervalls zwischen der Aufnahme der reflektierten Druckwellen an den beiden vorbestimmten Stellen.

6« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Enden der Schubwellenquelle (12) an dem Gehäuse gehalten sind.

7- Vorrichtung zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen in einem Bohrloch (20), das ein Fluid (18) enthält, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (10), das in dem Fluid innerhalb des Bohrloches aufhängbar ist,
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eine Einrichtung (24-) zur Erzeugung elektrischer Impulse,

eine Einrichtung mit mindestens einem Paar länglicher piezoelektrischer Platten (12), deren flache Oberflächen miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Ende eines jeden Plattenpaares an dem Gehäuse gehalten ist und die Polarisationen der Platten Komponenten in Richtung des elektrischen Feldes eines jeden elektrischen Signals aufweisen, das über die Platten gelegt wird, während das Plattenpaar so an den elektrischen Impulsgeber angeschlossen ist, daß ein elektrischer Impuls, der von der Einrichtung über das Plattenpaar gelegt wird, bewirkt, daß.der nicht befestigte Teil des Plattenpaares im wesentlichen senkrecht zu seiner Länge vibriert, zur Erzeugung einer positiven Druckwelle innerhalb des Fluids in einer Richtung und gleichzeitig einer negativen Druckwelle in der entgegengesetzten Sichtung, zur Bildung einer Dipol-Schubwelle in der Erdformation (22), die das Bohrloch (20) umgibt, sowie

Detektoren (14, 16), zur Aufnahme an mindestens einer vorbestimmten Stelle innerhalb des Fluids* die einen Längsabstand

entlang des Bohrloches von der Quelle (22) besitzt, der reflektierten Druckwelle in dem Fluid, die durch die Reflektion der Dipol-Schubwelle gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7»äadurch gekennzeichnet , daß die Aufnahmeeinrichtung mindestens ein Paar länglicher piezoelektrischer Platten (14) umfaßt, die an ihren flachen Oberflächen aneinander angeschlossen sind, wobei das längliche Plattenpaar der Aufnähme einrichtung zwei Enden besitzt, von denen eines an dem Gehäuse gehalten ist, so daß die flachen Oberflächen der Platten der Aufnahmeeinrichtung in einem spitzen Winkel zu den flachen Oberflächen der Platten der Erzeuger einrichtung angeordnet sind, wobei die Polarisationen der Platten der Aufnahmeeinrichtung im wesentlichen senkrecht zu ihren flachen Oberflächen ausgebildet sind, so daß die reflektierte Druckwelle in dem Fluid, die durch die Reflektion der Dipol-Schubwelle erzeugt wurde, das Plattenpaar der Aufnahmeeinrichtung in Vibration versetzt, zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Signals über das Plattenpaar.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Einrichtung zur Messung des Zeitintervalls zwischen dem anlegenden elektrischen Signal an die Erzeugereinrichtung durch die Impulsgebereinrichtung und der Erzeugung des entsprechenden

elektrischen Signals durch die Aufnahmeeinrichtung vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufnahmeeinrichtung zwei Paare von länglichen piezoelektrischen Platten (14, 16) umfaßt, wobei die beiden Paare einen Längsabstand entlang des Bohrloches voneinander und von den Platten (12) der Erzeugereinrichtung aufweisen, während die Vorrichtung

P ■ -ßr

außerdem eine Einrichtung (30) umfaßt, zur Messung des ZeitIntervalls zwischen der Erzeugung der beiden entsprechenden Signale an den beiden Plattenpaaren der Aufnahm eeinrichtung.
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11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationen der Platten im wesentlichen senkrecht zu ihren flachen Oberflächen ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Vibration des Plattenpaares im wesentlichen senkrecht zur Bohrlochachse ausge- . richtet ist.

13· Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden des Plattenpaares an dem Gehäuse gehalten sind.

14. Vorrichtung zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen in Erdformationen (22), die ein Bohrloch (20), das ein Fluid (18) enthält, umgeben, gekennzeichnet durch

eine Meßsonde (10), die eine Längsachse aufweist und innerhalb eines in dem Bohrloch befindlichen "Fluids aufhängbar ist, wobei die Längsachse im wesentlichen parallel zu derjenigen des Bohrloches verläuft,

eine Einrichtung (24), zur Anlegung eines elektrischen Impulses,

eine Einrichtung mit mindestens einem Paar länglicher piezoelektrischer Platten (12), die mit ihren flachen Oberflächen miteinander verbunden sind, wobei die Polarisationsrichtung der Platten im wesentlichen senkrecht zu ihren

flachen Oberflächen ausgerichtet ist, während das Paar länglicher Platten zumindest mit einem Ende an der Sonde gehalten ist und das Plattenpaar so an die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Impulse angelegt ist, daß ein hiervon ausgehender elektrischer Impuls den nicht gehaltenen Teil des Plattenpaares im wesentlichen senkrecht zur Sondenachse in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer positiven Druckwelle innerhalb des Fluids in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Sondenachse und gleichzeitig einer negativen Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung, unter Bildung einer Dipol-Schubwelle in den Erdformationen, sowie

eine Einrichtung mit zwei Paaren länglicher piezoelektrischer Platten (14-, 16), wobei jeweils die Paare mit ihren flachen Oberflächen aneinanderliegend angeordnet sind, und jedes Paar im wesentlichen senkrecht zu den flachen Oberflächen polarisiert ist, während die beiden Paare so an die Sonde angeschlossen sind, daß (1) sie einen Längsabstand voneinander und von der Erzeugereinrichtung besitzen, so daß die reflektierte Druckwelle innerhalb des Fluids, die durch Reflektion der Dipol-Schubwelle erzeugt wurde, die beiden Paare zu unterschiedlichen Zeiten erreicht und daß (II) die flachen Oberflächen der beiden Paare der Aufnahmeeinrichtung einen spitzen Winkel mit den flachen Oberflächen des Paares der Erzeugereinrichtung bilden, so daß die reflektierte Druckwelle bewirkt, daß die beiden Paare der Aufnahmeeinrichtung jeweils in Vibration versetzt werden und ein elektrisches Signal erzeugen, das der reflektierten Druckwelle entspricht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Einrichtung (30) vorgesehen ist, zur Messung des Zeitintervalls zwischen den Zeiten, an welchen die beiden elektrischen Signale, die

der gleichen reflektierten Druckwelle entsprechen, durch die beiden Paare der Aufnahmeeinrichtung erzeugt warden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14-, dadurch g e kennzeichnet, daß die Erzeugereinrichtung zwei im wesentlichen identische Paare länglicher piezoelektrischer Platten (84·, 86) umfaßt, wobei jedes Paar gebildet ist durch die Verbindung der beiden Platten an ihren flachen Obaflächen und jede Platte eines jeden Paares eine Polarisationsrichtung besitzt, die im wesentlichen senkrecht zu ihrer flachen Oberfläche verläuft, wobei die beiden Paare derart mit dem Gehäuse verbunden sind, daß sie angrenzend zueinander mit ihren flachen Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, während die beiden Paare so an den Impulsgeber angeschlossen sind, daß dieser im wesentlichen die gleichen Impulse an die beiden Paare anlegt, wodurch die beiden Paare zwei Dipol-Schubwellen in den Erdformationen erzeugen, die dazu beitragen, daß eine stärkere Dipol-Schubwelle in den Erdformationen erzeugt wird.

17· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen der gleiche Impuls im wesentlichen gleichzeitig von der Impulsgebereinrichtung an die beiden Paare (84·, 86) angelegt wird, womit die beiden Paare zwei Dipol-Schubwellen in den Erdformationen erzeugen, die im wesentlichen in Phase miteinander sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14·, dadurch g e kennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Platten im wesentlichen entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, wobei die Impulse von der elektrischen Impulsgebereinrichtung quer über die freiliegenden flachen Außenflächen der Paare angelegt wird. 55

19. Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen innerhalb einer Erdformation, die ein Bohrloch, umgibt, bei welchem man ein längliches Element mit zwei Enden, von welchen mindestens eines an einem Gehäuse gehalten ist, das in das mit einem Fluid gefüllte Bohrloch absenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

den nicht befestigten Teil des länglichen Elementes in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer positiven Druckwelle in dem Fluid in einer Eichtung und gleichzeitig einer negativen Druckwelle in der entgegengesetzten Richtung, wobei die beiden Druckwellen miteinander interferieren, zur Erzeugung einer Dipol-Schubwelle in der das Bohrloch uagebenden Formation und

an mindestens einer Stelle, die einen Längsabstand entlang des Bohrloches von dem Element die reflektierte Druckwelle in dem Fluid aufnimmt, die durch die Eeflektion der Dipol-Schubwelle gebildet wurde.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß man den angenäherten Bereich der Schubwellengeschwindigkeit der Erdformation, die das Fluid umgibt, bestimmt, wobei die Frequenzen der Dipol-Schubwelle in dem bevorzugten Frequenzbereich liegt, der dem angenäherten Bereich der Schubwellengeschwindigkeiten der das Fluid umgebenden Erdformation,gemäß der nachfolgenden Tabelle, entspricht :

ingenäherter Bereich der Bevorzugter Frequenzbe-Schubwellengeschwindigkeiten reich der Dipol-Schubwelle

- 1 829 m/Sek. (Wa)(1,5-7,5)

1 829 - 2 134- m/Sek. (Wa) (3 - 12) kHz 2 134- - 2 438 m/Sek. (Wa) (4 - 16) kHz

2 438 - 2 734· m/Sek. (Wd)(A-, 5-20) kHz

X %

wobei d den Bohrlochdurchmesser in Zoll darstellt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß man ein längliches Element einer solchen Länge 1 und die Dicke der Vibrationsrichtung t derart auswählt, daß die Frequenz der Amplitudenspitze f der Dipol-Schubwelle in dem bevorzugten Frequenzbereich liegt, unter Einsatz der nachfolgenden Beziehung: f . K (t/l²)

wobei K eine Konstante ist.

22. Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen unter Verminderung des Geräusches, das durch die Druckwellen und die Stoneley-Wellen verursacht wird, in einer Erdformation,

die ein mit einem Fluid gefülltes Bohrloch umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß man

an einer ersten Stelle innerhalb des Fluids ein Element entlang einer ausgewählten Linie in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer ersten Dipol-Schubwelle in der Formation,

an einer zweiten Stelle innerhalb des Fluids in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von dem Element, die Eompressionswelle aufnimmt, die durch die Reflektion der ersten

Dipol-Schubwelle gebildet wurde und diese Druckwelle aufzeichnet, zur Bildung einer ersten Meßaufzeichnung,

das Element an einer ersten 3BlIe entlang der ausgewählten Linie in im wesentlichen der gleichen Weise in Vibration ver-

setzt, wie während der Erzeugung der ersten Dipol-Schubwelle, wobei jedoch die ursprüngliche Bewegung des Elementes in im wesentlichen der entgegengesetzten Richtung erfolgt, so daß während der Erzeugung der ersten Meßaufzeichnung eine zweite Dipol-Schubwelle in der Formation erzeugt wird,

an der zweiten Stelle die Druckwelle aufnimmt, die durch die

Reflektion der zweiten Dipol-Schubwelle erzeugt wurde und die Druckwelle aufzeichnet, zur Bildung einer zweiten Meßaufzeichnung und

die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Meßaufzeichnung nimmt, zur G-eräuschverminderung der Druckwelle und der Stoneley-Welle.

23. Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen innerhalb einer Erdformation, die ein Bohrloch,das ein

Fluid enthält, umgibt, unter Verminderung des Geräusches, das durch die Druckwellen und die Stoneley-Wellen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
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an einer ersten Stelle innerhalb des Fluids eine Platte entlang einer vorbestimmten Linie im wesentlichen senkrecht zur flachen Oberfläche der Platte in Vibration versetzt, zur Erzeugung einer ersten Dipol-Schubwelle in der Formation, 20

an einer zweiten Stelle in dem Fluid in einem Längsabstand entlang des Bohrloches von dem Element die Druckwelle aufnimmt, die gebildet wird durch die Eeflektion der ersten Dipol-Schubwelle, und diese Druckwelle zur Bildung einer ersten Meßaüfzeichnung aufzeichnet,

die Platte um im wesentlichen 180 dreht, so daß iÜE flachen Oberflächen in im wesentlichen die entgegengesetzten Eichtungen einnehmen, die sie vor der Drehung besaßen,

die Platte an der ersten Stelle entlang der vorbestimmten Linie in Vibration versetzt in im wesentlichen der gleichen Weise wie bei der Erzeugung der ersten Dipol-Schubwelle, zur Erzeugung einer zweiten Dipol-Schubwelle in der Formation,

an der ersten Stelle die Druckwelle aufnimmt, die durch die Eeflektion der zweiten Dipol-Schubwelle gebildet wurde, und diese Druckwelle aufzeichnet, zur Bildung einer zweiten Meßaufzeichnung und

die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Meßaufzeichnung einsetzt, zur Verminderung des Geräusches der Druckwelle und der Stoneley-Welle.

24·. Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen in einer Erdformation, die ein Bohrloch umgibt, das ein Fluid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man

an einer ersten Stelle in dem Fluid zwei im wesentlichen identische Platten, die nebeneinander liegen und mit ihren flachen Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, in im wesentlichen der gleichen Weise in Vibration versetzt, wobei jedoch die vibrierenden Teile der beiden Platten im wesentlichen gleichzeitig sich aufeinander zu und voneinander weg bewegen, zur Erzeugung einer Stoneley-Welle in dem Fluid,

die Stoneley-Welle an einer zweiten und einer dritten Stelle im Längsabstand entlang desBohrloches voneinander und von der ersten Stelle aufnimmt,

das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Stoneley-Welle an der zweiten und der dritten Stelle und den Abstand zwischen der zweiten und der dritten Stelle ist, zur Bestimmung der Stoneley-Wellengeschwindigkeit, und

die SohubwellengescMndigkeit der Formation aus der Stoneley-Wellengeschwindigkeit bestimmt.

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25· Verfahren nach Anspruch 24-, dadurch gekennzeichnet , daß man zwei längliche Platten verwendet, wobei die Platten jeweils zwei Enden besitzen, deren eines an dem Gehäuse befestigt ist, so daß lediglich die nicht befestigten Teil der beiden Platten vibrieren.

26. Verfahren zur Messung akustischer Dipol-Schubwellen in einer Formation, die von einem Bohrloch durchdrungen wird, das ein Fluid enthält, unter Feststellung, ob es sich um eine anisotropische Erdformation handelt, dadurch gekennzeichnet , daß man

an einer ersten Stelle in dem Fluid zwei im wesentlichen identische Platten, die sich nebeinander befinden, und mit ihren flachen Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, im wesentlichen in der gleichen Weise in Vibration versetzt, so daß sich die beiden Dipol-Schubwellen, die durch die Vibration der beiden Platten in der Formation gebildet werden, addieren,

die Summe der beiden Dipol-Schubwellenankünfte an einer zweiten und einer dritten Stelle in einem Längsabstand entlang des Bohrloches voneinander und von der ersten Stelle aufnimmt ,

das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Summe der beiden Dipol-Schubwellenankünfte an der zweiten und der dritten Stelle miß; und den Abstand zwischen der zweiten und der dritten Stelle ermittelt, zur Bestimmung der Geschwindigkeit der vertikal fortschreitenden Schubwelle,

an der ersten Stelle die beiden Platten in einer wesentlichen gleichen Weise in Vibration versetzt, oecLoch· derart, daß die vibrierenden Teile der Platten im wesentlichen gleichzeitig aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden, zur Erzeugung einer Stoneley-Welle in dem Fluid,

die Stonely-Velle an der zweiten und der dritten Stelle aufnimmt,

das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der Stoneley-.Welle an der zweiten und der dritten Stelle mißt, zur Bestimmung der Stoneley-Wellengeschwindigkeit,

von der Stoneley-Wellengeschwindigkeit die Geschwindigkeit der horizontal fortschreitenden Schubwelle in einer horizontalen Polarisationsebene bestimmt und

die Geschwindigkeit der horizontal fortschreitenden Schubwelle mit einer horizontalen Polarisationsebene mit der Geschwindigkeit der vertikal fortschreitenden Schubwelle, zur Bestimmung einer Anisotropie der !Formation.