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Hintergrund
der Erfindung
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Genaue
Bohrlochabmessungsdaten sind wichtig für die Bohrlochvermessung und
Bohrlochfertigstellung. Messungen, die von vielen Bohrlochmesswerkzeugen
vorgenommen werden, sind unabhängig
davon, ob dies Drahtleitungswerkzeuge, Werkzeuge zur Protokollierung
während
des Bohrens (LWD, logging-while-drilling) oder Werkzeuge zur Messung
während
des Bohrens (MWD, measurement-while-drilling) sind, empfindlich
gegenüber Bohrlochgrößen oder
Werkzeugabständen.
Daher können
genaue Bohrlochabmessungsinformationen erforderlich sein, um mit
diesen Werkzeugen erhaltene Messwerte zu korrigieren. Ferner werden
Informationen hinsichtlich der Bohrlochabmessung verwendet, um Bohrlochfertigstellungsanforderungen
wie etwa die zum Füllen
des Ringraums des Bohrlochs erforderliche Zementmenge zu bestimmen.
Außerdem
können
Bohrlochabmessungsdaten verwendet werden, um eine mögliche Bohrlochauswaschung oder
eine bevorstehende Bohrlochinstabilität zu überwachen, damit der Bohrführer Abhilfsmaßnahmen
treffen kann, um eine Beschädigung
oder einen Verlust des Bohrlochs oder der Bohrausrüstung zu verhindern.
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Bohrlochabmessungen
wie etwa der Durchmesser können
mit verschiedenen Verfahren, die an sich bekannt sind und Ultraschall-Impulsecho-Techniken, wie sie
in den US-Patenten Nrn. 4.661.933 und 4.665.511 offenbart sind,
umfassen, bestimmt werden. Solche Ultraschallmessungen stützen sich auf
die Kenntnis der Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses in dem
bestimmten Medium, z. B. Bohrfluiden.
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Ferner
offenbart EP-A 0 657 622 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Untersuchen der Bohrfluid-Schallgeschwindigkeit mittels eines einzigen Schallwandlers,
während
US-A-4 692 908 ein akustisches Verfahren und eine Vorrichtung zum
Untersuchen einer von einem Bohrloch durchdrungenen Erdformation
offenbart, wobei mehrere Schallwandler an einem Werkzeug angebracht
und so positioniert sind, dass der Abstand zwischen einzelnen Leitwertmesselektroden
in einer ebenfalls an dem Werkzeugsegment angeordneten Gruppe und
der Bohrlochwand gemessen werden kann.
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Dennoch
besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Vorrichtungen für die Messung
der Ultraschallgeschwindigkeit in Bohrlochumgebungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Bestimmen
der Geschwindigkeit der Ultraschallausbreitung in einem Bohrfluid
in einer Bohrlochumgebung, das das Anordnen eines ersten Ultraschallwandlers
in der Nähe
eines zweiten Ultraschallwandlers in der Weise, dass die vordere
Fläche des
ersten Ultraschallwandlers von der vorderen Fläche des zweiten Ultraschallwandlers
um eine vorgegebene radiale Versatzstrecke versetzt ist, umfasst. Ein
Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Aussenden eines Ultraschallimpulses in
das Bohrfluid in einem Bohrloch unter Verwendung eines ersten Ultraschallwandlers
(37), das Erfassen des Ultraschallimpulses, nachdem sich
der Ultraschallimpuls durch das Bohrfluid über eine Strecke (d) bewegt
hat, das Bestimmen einer Bewegungsdauer (t), die der Ultraschallimpuls
benötigt, um
sich über
die Strecke (d) zu bewegen; und das Bestimmen der Geschwindigkeit
der Ultraschallausbreitung anhand der Strecke (d) und der Bewegungsdauer
(t).
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In
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung
zum Bestimmen der Geschwindigkeit der Ultraschallausbreitung in
einem Bohrfluid in einer Bohrlochumgebung. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
umfasst einen in einem Werkzeug angeordneten ersten Ultraschallwandler (37)
und eine Schaltungsanordnung (82), die den Zeitverlauf
eines von dem ersten Ultraschallwandler (37) gesendeten
Ultraschallimpulses steuert und die Zeit misst, die zwischen dem
Aussenden des Ultraschalls und dem Erfassen des Ultraschalls, nachdem sich
der Ultraschallimpuls über
eine Strecke (d) bewegt hat, verstreicht. Die Vorrichtung umfasst
ferner einen zweiten Ultraschallwandler (39). Der erste
Ultraschallwandler und der zweite Ultraschallwandler (37 und 39)
sind zueinander benachbart, wobei eine vordere Fläche (37f)
des ersten Ultraschallwandlers (37) von einer vorderen
Fläche
(39f) des zweiten Ultraschallwandlers (39) um
eine vorgegebene Versatzstrecke (ΔDf) versetzt ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
ein in einem Bohrloch angeordnetes Bohrlochmesswerkzeug.
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Die 2A und 2B zeigen
ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
gemäß dem Stand
der Technik.
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3 zeigt
eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
eine Aufzeichnung einer Ultraschallmessung unter Verwendung der
in 3 gezeigten Vorrichtung.
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5 zeigt
eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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6 zeigt
eine Aufzeichnung einer Ultraschallmessung unter Verwendung der
in 5 gezeigten Vorrichtung.
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7 zeigt
ein Bohrloch mit einer Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit
eines Ultraschallimpulses gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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8 zeigt
die Seitenansicht des Bohrlochs mit einer Vorrichtung zum Messen
der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses gemäß der in 7 gezeigten
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Werkzeugs mit einer Vorrichtung zum
Messen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses gemäß der in 3 gezeigten
Ausführungsform
der Erfindung.
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10 zeigt
eine schematische Darstellung einer Steuerschaltungsanordnung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Genaue Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen
zum Bestimmen der Ultraschallgeschwindigkeit in Bohrschlämmen unter Bohrlochbedingungen.
Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung messen die Zeit ("Bewegungsdauer"), die der Ultraschallimpuls
benötigt,
um eine bekannte Strecke (d) in dem Schlamm unter Bohrlochbedingungen
zurückzulegen.
Sobald die Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses bekannt ist,
kann sie verwendet werden, um Bohrlochparameter, z. B. Bohrlochdurchmesser,
zu berechnen. Alternativ können
die Bohrlochparameter gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung bestimmt werden, indem zwei Ultraschallwandler verwendet
werden, die in verschiedenen Abständen von der Zieloberfläche angeordnet
sind.
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Verfahren
und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind bei der Bohrlochvermessung nützlich.
Ausführungsformen
der Erfindung können
in einem Drahtleitungswerkzeug, einem MWD-Werkzeug oder einem LWD-Werkzeug
verwendet werden. 1 zeigt ein Bohrlochmesswerkzeug
(1), das in ein Bohrloch (3) eingeführt ist.
Das Bohrlochmesswerkzeug (1) kann verschiedene Vorrichtungen
wie etwa einen Ultraschallwandler (5) zum Messen der Bohrloch- oder Formationseigenschaften
enthalten. Beispielsweise kann der Ultraschallwandler (5)
dazu verwendet werden, den Bohrlochradius zu bestimmen, indem der
Abstand zwischen dem Ultraschallwandler (5) und der Innenfläche des
Bohrlochs gemessen wird. Der Abstand kann aus der Bewegungsdauer
des Ultraschallimpulses und der Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses
in dem Schlamm ermittelt werden.
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Die
Bewegungsdauer eines Ultraschallimpulses wird typischerweise gemessen,
indem er auf eine reflektierende Oberfläche abgefeuert wird und die
Zeit, die er benötigt,
um sich zur reflektierenden Oberfläche und zurück zum Wandler zu bewegen, aufgezeichnet
wird. 2A zeigt eine schematische Darstellung
von Ultraschallwellen (in durchgezogenen Linien gezeigt), die sich
zu einer reflektierenden Oberfläche
(21) und zurück
(in gestrichelten Linien gezeigt) unter Verwendung eines herkömmlichen Aufbaus
bewegen. Die Ultraschallwelle kann durch einen Ultraschallwandler
(22), der typischerweise eine piezoelektrische Keramik
oder ein magnetostriktives Material umfasst, das elektrische Energie
in Schwingung umsetzt und umgekehrt, erzeugt werden. Der Ultraschallwandler
(22) kann sowohl als Sender als auch als Empfänger dienen.
Der Wandler ist vorzugsweise so beschaffen, dass er einen Impuls in
parallel gerichteter Weise in eine Richtung, die im Wesentlichen
zur reflektierenden Oberfläche
weist, mit geringer Streuung oder ohne Streuung emittiert. Die hier
besprochenen Wandler können
beispielsweise Wandler sein wie etwa jene, die in dem US-Patent 6.466.513
(Acoustic sensor assembly, Pabon u. a.) beschrieben sind.
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2B zeigt eine typische Aufzeichnung von
Ultraschall-Schwingungsgrößen als
Funktion der Zeit, wie sie von dem Wandler (22) erfasst
werden. In dieser Aufzeichnung sind zwei Spitzen unterscheidbar.
Die erste Spitze (23) entsteht aus dem Vorderflächenecho,
das der Schwingung des Keramikelements entspricht, wenn der Ultraschallimpuls
die Vorderfläche
des Wandlers (22) verlässt.
Die zweite Spitze (24) resultiert aus dem Echo, das zu
dem Wandler (22) zurückkehrt.
Somit repräsentiert
die Zeitspanne zwischen der Erfassung der ersten Spitze und der
Erfassung der zweiten Spitze die Bewegungsdauer des Ultraschallimpulses
von dem Wandler (22) zu der reflektierenden Oberfläche (21)
und zurück.
Diese Zeit ist gleich dem Zweifachen der Zeit, die der Ultraschallimpuls
benötigt,
um sich vom Wandler (22) zu der reflektierenden Oberfläche (21) zu
bewegen. Die verstrichene Zeit kann mittels einer analogen oder
digitalen Zeitmessvorrichtung, die geeignet ist, beispielsweise
mit der die Ultraschallwandler steuernden Schaltungsordnung in Verbindung
zu treten, gemessen werden.
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Sobald
die Bewegungsdauer bestimmt ist, ist es möglich, den Abstand zwischen
dem Wandler (22) und der reflektierenden Oberfläche (21)
zu bestimmen, wenn die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses in
dem Medium bekannt ist. Wie oben angemerkt worden ist, wird die
Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses in einem Bohrfluid in
dem Bohrloch typischerweise an der Erdoberfläche gemessen. Die so bestimmte
Geschwindigkeit wird dann hinsichtlich der Auswirkungen der Temperatur,
des Drucks und anderer Faktoren, die in Bohrlochumgebungen erwartet
werden, korrigiert. Jedoch erzeugt dieser Lösungsweg, bedingt durch Fehler
in der Vorhersage der Bohrlochbedingungen (z. B. der Temperatur
und des Drucks) oder bedingt durch andere unerwartete Faktoren (z.
B. kann das Bohrfluid mit Formationsfluiden und/oder Erdabfällen vermischt
sein), nicht immer eine genaue Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses
in Bohrlochumgebungen. Um eine zuverlässige Geschwindigkeit eines
Ultraschallimpulses zu erhalten, sollte diese vor Ort in situ gemessen
werden.
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Eine
oder mehrere Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum
Bestimmen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses in Bohrlochumgebungen. 3 zeigt
eine Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung. Die Vorrichtung ist in einem durch eine Formation (38)
gebohrten Bohrloch angeordnet und umfasst eine Werkzeugeinfassung
und -chassis (27), in der ein Schlammkanal (29)
definiert ist. Der Bereich zwischen der Vorrichtung und der Formation
ist als Ringraum (36) bekannt. Der Schlammkanal (29) ist
typischerweise etwa 5 cm im Durchmesser und schafft einen Pfad,
durch den Bohrschlamm in das Bohrloch gepumpt werden kann. Der Schlamm
kehrt dann zusammen mit Bohrabfällen
und anderen Verschmutzungen über
den Ringraum (36) an die Oberfläche zurück.
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Die
Vorrichtung dieser Ausführungsform
umfasst einen ersten Ultraschall wandler (37) und einen zweiten
Ultraschallwandler (39), die beiderseits des Schlammkanals
(29) angeordnet und einander zugewandt sind. Die Wandler
sind durch eine dünne Grenzfläche bzw.
Grenzschicht (40), die ein Metall und etwa 5 mm dick sein
kann, von dem Schlammkanal getrennt. Die dünne Grenzschicht schützt die Wandler
vor den Inhalten des Schlammkanals und erlaubt dennoch das Senden
und Empfangen von Ultraschallimpulsen durch sie hindurch. Die Vorrichtung (27)
umfasst ferner eine Schaltungsanordnung zum Steuern der Ultraschallwandler
und zum Aufzeichnen des empfangenen Signals, wie in Verbindung mit 10 gezeigt
und beschrieben wird. Der erste Ultraschallwandler (37)
wird als Sender verwendet, während
der zweite Ultraschallwandler (39) als Empfänger verwendet
wird. Diese spezielle Konfiguration wird als "Tandem-(pitch-catch)-Konfiguration" bezeichnet. Diese Ausführungsform
kann in irgendein Bohrlochmesswerkzeug integriert sein, um in Bohrlochumgebungen
die Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses im Schlamm zu bestimmen.
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Ein
Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
mittels der Vorrichtung (27) umfasst die folgenden Schritte.
Zuerst wird von dem ersten Ultraschallwandler (37) ein
Ultraschallimpuls in den Schlammkanal (29) gesendet. Dann
wird die Zeit, die der Ultraschallimpuls benötigt, um sich von dem ersten
Ultraschallwandler (37) durch den Schlamm in dem Kanal
zum zweiten Ultraschallwandler (39) zu bewegen, gemessen.
Schließlich
wird die Bewegungsdauer verwendet, um basierend auf dem Durchmesser
des Schlammkanals (Dmc) die Geschwindigkeit
des Ultraschallimpulses zu bestimmen.
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4 zeigt
eine typische Aufzeichnung aus einer Messung mittels einer Vorrichtung
in der in 3 gezeigten Tandemkonfiguration.
Der Linienzug (41) ist eine Aufzeichnung von dem ersten
Ultraschallwandler (37). Dieser Linienzug weist eine Spitze
(43) auf, die den Zeitpunkt angibt, zu dem der Ultraschallimpuls
die vordere Fläche
des ersten Ultraschallwandlers (37) verlässt. Der
Linienzug (42) ist eine Aufzeichnung von dem zweiten Ultraschallwandler
(39), der eine Spitze (44) aufweist, die aus der
Erfassung des Ultraschallimpulses durch den zweiten Ultraschallwandler
(39) resultiert. Die Zeitspanne (t) zwischen der Spitze
(43) und der Spitze (44) repräsentiert die für das Bewegen
des Ultraschallimpulses von dem ersten Ultraschallwandler (37)
zu dem zweiten Ultraschallwandler (39) erforderliche Zeit.
Da der Abstand zwischen den zwei Wandlern bekannt ist, kann die
Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses in dem Schlammkanal aus
der Zeitspanne zwischen der Erfassung der ersten Spitze (43)
und der Erfassung der zweiten Spitze (44) berechnet werden.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die einen einzigen Ultraschallwandler (37) besitzt,
der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallimpulsen
dient. Diese spezielle Konfiguration wird als "Impuls-Echo-Konfiguration" bezeichnet. In dieser
Ausführungsform
wird ein Ultraschallimpuls zuerst im Wesentlichen senkrecht zum
Schlammkanal (29) gesendet. Der Ultraschallimpuls prallt
von der Schlamm-Metall-Grenzfläche
an der Grenzschicht (40) ab, wobei der reflektierte Ultraschallimpuls
(das Echo) von dem Ultraschallwandler (37) erfasst wird.
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6 zeigt
eine typische Aufzeichnung mittels der in 5 gezeigten
Impuls-Echo-Vorrichtung. In 6 spiegelt
die erste Spitze (61) den Zeitpunkt wider, zu dem der Ultraschallimpuls
die vordere Fläche
des Ultraschallwandlers (37) verlässt, während die zweite Spitze (62)
den Zeitpunkt angibt, zu dem der Ultraschallimpuls (das Echo) den
Wandler (37) erreicht, nachdem er durch die Metallgrenzschicht (40)
an der gegenüberliegenden
Seite des Schlammkanals reflektiert worden ist. Die Zeitspanne (t)
zwischen der ersten und der zweiten Spitze ist die Zeit, die der
Ultraschallimpuls benötigt,
um den Durchmesser des Schlammkanals (Dmc)
zweimal zu durchlaufen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallimpulses
in dem Schlammkanal (29) wird berechnet, indem der Schlammkanaldurchmesser
(Dmc) durch die halbe Bewegungsdauer (t/2)
dividiert wird.
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Die
Tandemausführungsform
von 3 und die Impuls-Echo-Ausführungsform
von 5 besitzen relative Vorteile und Nachteile, weshalb
für eine gewünschte Anwendung
eine geeignete Konfiguration gewählt
werden kann. Im Fall der Impuls-Echo-Konfiguration muss die von
dem Sender (37) emittierte Schallwelle durch drei Grenzflächen gehen,
bevor sie durch denselben Sensor erfasst wird. Die erste Grenzfläche ist
Metall-Schlamm, die zweite Grenzfläche ist Schlamm-Metall an der
gegenüberliegenden
Wand des Schlammkanals, und die letzte Grenzfläche ist die zurückführende Schlamm-Metall-Grenzfläche an dem
Wandler (37). Der Schallwellenweg wird durch Durchlass-
und Reflektionsgesetze bestimmt. In Anbetracht der Differenz der
Schallimpedanz zwischen dem Schlamm und dem Metall wird der größte Teil
der Energie zu dem Wandler an der ersten Grenzfläche zurückreflektiert. Der geringe
Teil durchgelassener Energie (Durchgangskoeffizient T ~ 0,09) muss
sich dann durch den Schlammkanal bewegen, wobei er durch den Schlamm
gedämpft
wird und in die zweite Grenzschicht reflektiert wird. Hier wird
ein größerer Teil
des Signals wiedergewonnen (Reflexionskoeffizient R ~ 0,8). Dann
muss sich das reflektierte Signal zurück zur ursprünglichen
Grenzfläche
bewegen, wobei es dieselbe Dämpfung
wie bei der ersten Querstrecke erfährt. Schließlich muss die Welle die Schlamm/Stahl-Grenzfläche durchqueren
und den Wandler erreichen, obwohl der Übertragungskoeffizient diesmal
günstiger
ist und somit nahezu kein Verlust entsteht.
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Die
Tandemkonfiguration besitzt die Vorteile, dass die Dämpfung des
Schlammkanalmediums nur einmal erfahren wird und dass zwei statt
drei Grenzflächen
vorhanden sind, die der Impuls durchqueren muss. Somit ist es einfacher,
den interessierenden Impuls zu erfassen. Die Impuls-Echo-Konfiguration besitzt
jedoch den Vorteil eines einfacheren Aufbaus.
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Die
in den 3 und 5 gezeigten Vorrichtungen sind
nützlich
zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses im Schlamm,
bevor dieser mit Erdabfällen
oder Formationsfluiden verschmutzt ist. Bei beiden Konfigurationen
wird der bekannte Durchmesser des Schlammkanals (Dmc)
verwendet, um die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses zu berechnen.
Einem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass diese Konfigurationen ohne
weiteres angepasst werden können,
um die Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses in dem Ringraum
anstatt in dem Schlammkanal zu messen. Beispielsweise können der
erste und der zweite Ultraschallwandler (37 und 39)
an dem Werkzeug an gegenüberliegenden
Wänden
einer äußeren Rinne
anstatt an solchen des inneren Schlammkanals angeordnet sein.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine einen ersten und einen zweiten
Ultraschallwandler (37 und 39) umfassende Vorrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt. 8 zeigt dieselbe Vorrichtung
in einem Querschnitt. Die Vorrichtung ist als Teil eines Werkzeugs (58)
gezeigt, das in einem in einer Formation (57) gebildeten
Bohrloch so angeordnet ist, dass zwischen dem Werkzeug (58)
und der Bohrlochwand (55) ein Ringraum vorhanden ist. Die
Vorrichtung dieser Ausführungsform
verwendet zur Geschwindigkeitsberechnung einen vorgegebenen Abstandsversatz (ΔDf) zwischen der vorderen Fläche (37f)
des ersten Wandlers (37) und der vorderen Fläche (39f)
des zweiten Wandlers (39). Eine Vorrichtung in dieser Konfiguration
kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
in dem Ringraum auch dann zu bestimmen, wenn der Abstand vom Werkzeug
zur Bohrlochwand (55) nicht bekannt ist.
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Um
die Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses mittels der in den 7 und 8 gezeigten Vorrichtung
zu bestimmen, wird von jedem der Wandler (37 und 39)
entweder gleichzeitig oder nacheinander ein Ultraschallimpuls gesendet.
Die Zeit, die jeder Ultraschallimpuls benötigt, um sich zu einer reflektierenden
Grenzfläche
wie etwa der Bohrlochwand (55) und zurück zu dem jeweiligen Wandler zu
bewegen, wird gemessen. Die Differenz der Bewegungsdauern (T2 – T1) spiegelt die Zeit wider, die der Ultraschallimpuls,
der von dem weiter von der reflektierenden Grenzfläche entfernten
Wandler (37) gesendet wird, benötigt, um die vorgegebene Versatzstrecke
(ΔDf) zweimal zurückzulegen. Die Geschwindigkeit
des Ultraschallimpulses kann berechnet werden, indem 2 ΔDf durch die Differenz der Bewegungsdauern
(T2 – T1) dividiert wird.
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Für die Geschwindigkeitsmessung
dieser Ausführungsform
sollten mehrere Annahmen gemacht werden: 1) das Werkzeug ist parallel
zur Werkzeugachse; 2) das Werkzeug hat sich zwischen zwei Zündungen
in Bezug auf die Bohrlochwand nicht bewegt; 3) die Vorrichtung reflektiert
annähernd
von derselben isotropischen Schall-Bohrlochwand, und es tritt kein
Faltigkeitseffekt ein; und 4) der Durchmesser des Bohrlochs verändert sich
nicht so stark, dass eine Fehlinterpretation der Differenz verursacht wird.
Vorzugsweise ist zwischen den Mitten der Wandler ein Abstand von
etwa 5 cm oder mehr vorgesehen, um das Nebensprechen zu minimieren. Obwohl
die Formation (57) in den 7 und 8 zur
Erläuterungszwecken
so gezeigt ist, dass sie im Sinne der obigen Annahmen aus verschiedenen Schichten
gebildet ist, sollte klar sein, dass die Figuren nicht maßstabsgerecht
sind und dass die Trennung zwischen den Wandlern in Wirklichkeit
viel kleiner als die Dicke einer typischen Formationsschicht ist.
Somit wird an jedem Punkt im Bohrloch angenommen, dass beide Wandler
derselben Schicht der Formation zugewandt sind.
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Alternativ
kann entweder von dem ersten Ultraschallwandler (37) oder
von dem zweiten Ultraschallwandler (39) ein einzelner Ultraschallimpuls emittiert
werden, wobei der reflektierte Impuls (das Echo) von beiden Wandlern
(37) und (39) erfasst wird. Die Differenz zwischen
den Zeiten, die der reflektierte Impuls (das Echo) benötigt, um
sich zurück zu
dem ersten Ultraschallwandler (37) und zu dem zweiten Ultraschallwandler
(39) zu bewegen, entspricht der Zeit, die der Ultraschallimpuls
benötigt, um
eine Strecke zurückzulegen,
die gleich dem vorgegebenen Versatz (ΔDf)
ist. In diesem Fall kann die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses
bestimmt werden, indem ΔDf durch die Differenz der Bewegungsdauern
(T2 – T1) dividiert wird.
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Die
Vorrichtung dieser Ausführungsform
ist nützlich
zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses im Schlamm
in dem Ringraum. Der Schlamm in dem Ringraum ist häufig mit
Erdabfällen
und/oder Formationsfluiden vermischt. Mit der Fähigkeit zum Bestimmen einer
genauen Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses im Schlamm in
dem Ringraum kann auf die Eigenschaften (z. B. Temperaturen, Drücke, Kompressibilität oder Formationsfluidverschmutzung)
des Schlamms in dem Ringraum geschlossen werden.
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Die
in den 7 und 8 gezeigte Vorrichtung kann
verwendet werden, um einen Bohrlochdurchmesser zu bestimmen. Sobald
die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses bestimmt ist, kann der
Bohrlochdurchmesser aus den Bewegungsdauern des Ultraschallimpulses
durch den Ringraum abgeleitet werden. Da der Durchmesser des Bohrlochmesswerkzeugs
bekannt ist, kann der Durchmesser des Bohrlochs bestimmt werden,
indem der Letztere zu den Abständen
zwischen den Außenwänden des Werkzeugs
und der Innenwand des Bohrlochs addiert wird.
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Der
Bohrlochdurchmesser kann durch Verwendung der Vorrichtung dieser
Ausführungsform der
Erfindung auf eine alternative Weise bestimmt werden. Wie in der
Querschnittsansicht von 8 gezeigt ist, kann der Werkzeugkörper (58)
so gestaltet sein, dass er zwei Abschnitt mit verschiedenen Durchmessen
(D1 und D2) aufweist.
Der erste Ultraschallwandler (37) und der zweite Ultraschallwandler (39)
sind jeweils in einem verschiedenen Abschnitt an dem Werkzeug angeordnet,
derart, dass die vordere Fläche
(37f) des ersten Ultraschallwandlers (37) und
die vordere Fläche
(39f) des zweiten Ultraschallwandlers (39) mit
einem vorgegebenen Versatz ΔDf angeordnet sind, der gleich der halben
Differenz der Durchmesser der zwei Abschnitte des Werkzeugs, ½(D2 – D1), ist. Aus 8 ist ersichtlich,
dass: Dbh =
D2 + (Vmud)(T1)/2 (1)und Dbh =
D1 + (D2 – D1)/2 + (Vmud)(T2)/2, (2)wobei
D1 der Durchmesser des ersten Abschnitts
an dem Werkzeug ist, wo sich der Ultraschallwandler (37)
befindet, D2 der Durchmesser des zweiten
Abschnitts des Werkzeugs ist, wo sich der Ultraschallwandler (39)
befindet, Vmud die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses
(im Schlamm (mud)) ist, Dbh der Bohrlochdurchmesser
ist, und T1 und T2 die
Zweiwege-Bewegungsdauern, gemessen durch den ersten Ultraschallwandler
(37) bzw. den zweiten Ultraschallwandler (39),
sind. Die Gleichungen (1) und (2) können so umgeordnet werden,
dass sie die folgenden Beziehungen ergeben: Vmud = (D2 – D1)/(T2 – T1) (3)und Dbh =
D2 + ½T1[(D2 – D1)/(T2 – T1)]. (4)
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Die
Gleichung (3) kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit eines
Ultraschallimpulses aus der Differenz der Bewegungsdauern (T2 – T1) und der Differenz der Durchmesser der
zwei Abschnitte des Werkzeugs (D2 – D1) abzuleiten. Andererseits kann die Gleichung
(4) verwendet werden, um den Durchmesser des Bohrlochs (53),
ohne die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses zu kennen, abzuleiten.
Einem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass es auch möglich ist,
anstelle der Bewegungsdauerdifferenz (T2 – T1) eine Phasendifferenz (Δϕ) zwischen den zwei
Echos zu verwenden, um die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses
(Vmud) oder den Abstand zur Zieloberfläche (d)
zu berechnen.
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Die
Verfahren und die Vorrichtungen der Erfindung zum Bestimmen der
Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses sowie zum Messen beispielsweise
des Radius eines Bohrlochs können
in einer Vielzahl von Bohrlochwerkzeugen, beispielsweise in einem
in 1 gezeigten Werkzeug für Protokollieren während des
Bohrens, enthalten sein.
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Beispielsweise
zeigt 9 einen Querschnitt einer Tandem-Ultraschallvorrichtung,
die als Teil eines LWD-Werkzeugs aufgenommen ist. Zwei Ultraschallwandler
(37 und 39) sind in der Werkzeugchassis (74)
eines LWD-Werkzeugs
aufgenommen und beiderseits des Schlammkanals (29) angeordnet.
Die Ultraschallwandler (37 und 39) sind mit einer Bohrloch-Schaltungsanordnung
(nicht gezeigt) verbunden, die die Ultraschallimpulse steuert und
das empfangene Signal als Funktion der Zeit aufzeichnet.
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10 zeigt
eine Schaltungsanordnung (82) zum Steuern der Ultraschallwandler.
Wie in 10 gezeigt ist, kommuniziert
die Schaltungsanordnung (82) über eine Erfassungs- und Busschnittstelle
(83) mit einem internen Werkzeugkommunikationsbus (81).
Die Schnittstelle (83) verbindet eine Sender- Zündsteuerung (85),
die ihre Energie von einer Spannungsumsetzung und Energieversorgung
(84) erhält.
Die Sender-Zündsteuerung
(85) steuert den Zeitverlauf der Ultraschallimpulsemission
von dem Ultraschallsender (86). Der Ultraschallimpuls wird von
einem Ultraschallempfänger
(87) erfasst. Das empfangene Signal wird durch ein Bandpassfilter (88)
geleitet und durch einen Verstärker
(89) verstärkt.
Zum Schluss wird das Signal durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) (90)
digitalisiert und das digitalisierte Signal über die Schnittstelle (83)
zu dem internen Werkzeugkommunikationsbus (81) weitergeleitet.
Das digitalisierte Signal wird in dem Speicher des Werkzeugs für ein späteres Abrufen
gespeichert, durch einen Bohrloch-Signalprozessor verarbeitet und/oder
sofort an einen Oberflächen-Prozessor übermittelt,
um die gewünschten
Ergebnisse (z. B. die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses, den Bohrlochdurchmesser
usw.) zu berechnen.
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Die
vorliegende Erfindung besitzt mehrere Vorteile. Beispielsweise beseitigt
sie die Ungenauigkeit der Schätzung
der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses in einer Bohrlochumgebung
anhand einer Messung an der Oberfläche. Ausführungsformen der Erfindung
stellen Mittel zum Messen der Geschwindigkeit eines Ultraschallimpulses
in dem Schlammkanal oder in dem Ringraum in der Bohrlochumgebung
bereit. Eine genaue Bestimmung der Ultraschallgeschwindigkeit ermöglicht das
Schließen auf
Schlammeigenschaften (z. B. Temperatur, Druck oder Kompressibilität) in der
Bohrlochumgebung.
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Ausführungsformen
der Erfindung können beispielsweise
mit einer beliebigen Schallwelle, nicht nur bei Ultraschallfrequenz,
verwendet werden. Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch
die beigefügten
Ansprüche
begrenzt sein.