DK174285B1 - Fremgangsmåde til bestemmelse af akustiske svingningers forplantningshastighed i en borestang - Google Patents

Description

i DK 174285 B1

Opfindelsen omhandler en fremgangsmåde til bestemmelse af akustiske svingningers forplantningshastighed i en borestang .

Det er kendt at aktivere en lydkilde ved jordoverfladen og at anbringe detektorer i visse bestemte dybdepositio-

C

ner i borehuller hængende i bærekabler. Fra U.S.A.-patentskrift nr. 4,718,048 er det kendt at anbringe en detektor nær ved toppen af borestangen til at registrere et referencesignal og at anbringe feltdetektorer på bestemte steder i omegnen af borehullet. Det af borekronen frem-10 bragte signal vandrer op gennem borestangen til referencedetektoren og forplantes også fra borekronen op til feltdetektorerne og ned til reflekterende underjordiske grænseflader og tilbage til feltdetektorerne. Ved at korrelere det af referencedetektoren detekterede signal med 15 det af feltdetektorerne detekterede signal kan man bestemme forplantningstiderne for den energi, der vandrer fra borekronen til feltdetektorerne, hvis man vel at mærke kender borestangens akustiske hastighed. Almindeligvis kender man den akustiske hastighed for de metaller, af hvilke borestangen består, så at den akustiske hastighed kan beregnes ret nøjagtigt uden aktuel måling af hastigheden i borehullet. Imidlertid kan borerørets aktuelle a-kustiske hastighed variere lidt som følge af temperaturforskelle og trykforskelle nede i borehullet og som følge * af dimensionsforskelle og metalbestandforskelle for bore røret. Derfor er det ønskeligt at kunne måle den aktuelle hastighed af det akustiske signal i borestangen.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en fremgangsmåde af ΟΛ den omhandlede art, der er ejendommelig ved de i krav l's kendetegnende del angivne arbejdstrin. Der frembringes et akustisk signal ved et første sted langs borestangen, hvilket signal detekteres ved et andet sted. Det detekterede signal autokorreleres, og optrædelsestidspunkterne 35 for flervejsrefleksionerne i det registrerede autokorre- 2 DK 174285 B1 lationssignal anvendes til bestemmelse af den akustiske hastighed. Det akustiske signal frembringes af borekronen ved bunden af borehullet, og signalet detekteres af en detektor, der er anbragt nær ved toppen af borehullet.

5 I en første udførelsesform for opfindelsen autokorreleres det detekterede signal, tidsforskellen mellem den auto-korrelerede spidsværdi og en spidsværdi resulterende fra en flervejsrefleksion måles, og borestangshastigheden be-10 stemmes ud fra forholdet mellem den dobbelte længde af borerøret mellem det modtagne punkt og startpunktet for flervejsrefleksionen og forplantningstiden for refleksionen. I en anden udførelsesform for opfindelsen gentages arbejdstrinene med frembringelse af og modtagelse af sig-15 nalerne et antal gange med borekronen anbragt i kendte tiltagende dybder, og hastigheden bestemmes ud fra de registrerede autokorrelationssignaler svarende til forholdet mellem den dobbelte ændring af afstanden fra modtagelsespunktet til punktet for flervejsrefleksionen og æn-20 dringen i optrædelsestidspunktet for flervejsspidsværdi en.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor: 25

Figur 1 viser et apparat til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen,

Figur 2 viser autokorrelerede spor for referencedetektor-30 signalet, og

Figur 3 viser den multiple refleksionsvej.

Figur 1 viser et hul 10, der skal bores i jorden ved 35 hjælp af en roterbar borerig 12. Boreriggen 12 omfatter et konventionelt krantårn 14 med en sokkel 16, hejseværk 18, krog 20, drejeled 22, kelly 24, drejebor 26 og en bo- 3 DK 174285 B1 restang 28 bestående af et borerør 30 fastgjort til den nederste ende af kellyen 24 og til den øverste ende af en række boreringe 32, som bærer en borekrone 34. Borevæske strømmer fra en slambrønd 36 gennem en slampumpe 38 og en 5 tilgangsledning 41 til drejeleddet 22. Boreslammet strømmer ned gennem kellyen, borestangen og boreringene og gennem (ikke viste) dyser i borekronens nederste overflade. Boreslammet strømmer tilbage gennem et ringformet rum 42 mellem borestangens yderflade og borehullets inderfla-10 de til jordoverfladen, hvor det strømmer tilbage til slambrønden 36 gennem en returledning 43.

En referencedetektor 7 er monteret på det øverste parti af borestangen 28. I en særlig foretrukken udførelsesform 15 er referencedetektoren 7 monteret på drejeleddet 22. Normalt er der monteret et antal feltdetektorer, såsom geo-foner 8 og 9 på passende steder på jordoverfladen 2. Detektoren 7 og geofoneme 8 og 9 er indbyrdes forbundne ved hjælp af ledere 53-55 eller ved fjernmåling til en 20 forstærker 50, der er forbundet med et registreringsapparat 52. I en foretrukken udførelsesform kan detektoren 7 være et accelerometer.

Borekronens 34 stødpåvirkninger på klippematerialet på 25 bunden af borehullet 10 frembringer elastiske bølger, der forplantes lodret opad gennem borestangen og radialt udad i jordlagene. Borestangvejen har en ringe dæmpning for a-kustisk energi på grund af stålmaterialet, og derfor er det af detektoren 7 modtagne signal repræsentativt for de 30 af borekronen 34 i jordlagene udsendte vibrationer. Signaler udsendt i jorden vil vandre opad til feltdetektorerne og vil også reflekteres fra underjordiske grænseflader, såsom en grænseflade 60 under borekronen, og tilbage til feltdetektorerne. Normalt bestemmes transmlssi-35 onstlden for signalet fra borekronen til feltdetektorerne ved at krydskorrelere det af detektoren 7 detekterede signal med de af feltdetektorerne detekterede signaler.

4 DK 174285 B1

For at kunne bestemme signaltransmissionstiden til feltdetektorerne skal den akustiske transmissionstid fra borekronen til referencedetektoren bestemmes. Normalt fremstilles borerør i standardlængder, så at afstanden mellem 5 borekronen og referencedetektoren kan bestemmes ved at tælle antallet af de til borestangen tilføjede borerørs-sektioner. Derefter kan transmissionstiden beregnes, når man kender den akustiske hastighed. Opfindelsen opfatter en fremgangsmåde til en sådan hastighedsbestemmelse.

10

Figur 2 viser et antal spor i form af autokorrelerede signaler registreret af referencedetektoren med borekronen beliggende i dybder voksende fra 1300 m til 1600 m.

Som bekendt optræder den maksimale spidsværdi for en au-15 tokorrelationsfunktion ved t = O.

Figur 2 viser ekstra spidsværdier mellem ca. 0,48 og 0,6 s og mellem 0,94 og 1,2 s, og en mindre fremtrædende spidsværdi mellem ca. 1,4 og 1,7 s. Disse ekstra spidsværdier 20 resulterer fra gentagne refleksioner af borekronesigna- let. Når et akustisk signal vandrer gennem borestangen, vil en del af signalet blive reflekteret fra steder, hvor borestangens diameter ændres. Når signalet når toppen af borestangen, reflekteres signalet nedad igen gennem bore-25 stangen som følge af den bratte diskontinuitet ved grænsefladen mellem borerøret og drejeleddet. Stedet for den maksimale refleksion af den nedad vandrende energi vil normalt være det punkt, hvor boreringene er fastgjort til borerøret. Når signalet når frem til grænsefladen 30 mellem borerøret og boreringene, reflekteres en del af signalet opad igen i borerøret. Dette første refleksions-signal optræder på de registrerede autokorrelationssignaler på figur 2 som et multiplum af første orden. En del af signalet bliver reflekteret en anden og en tredje 35 gang fra toppen af borestangen og fra grænsefladen mellem borerøret og boreringen og optræder som multipla af anden orden og tredje orden på den autokorrelerede registre- 5 DK 174285 B1 ring.

Figur 3 viser transmissionsvejen for de gentagne refleksioner. En del af den akustiske energi, der passerer 5 grænsefladen mellem borerøret og boreringen, reflekteres også fra bunden af borestangen tilbage til overfladen, og et antal andre diskontinuitetspunkter i borestangen kan reflektere en del af energien, men stedet for den maksimale energirefleksion er normalt grænsefladen mellem bo-10 rerøret og boreringen.

Tidsforløbet mellem tidspunktet t = 0 for autokorrelationsfunktionen og multiplumspidsværdien af første orden repræsenterer det akustiske signals tovejs forplantnings-15 tid mellem de øverste og nederste refleksionssteder, som typisk er toppen af borestangen og grænsefladen mellem borerøret og boreringen, så at den akustiske hastighed kan bestemmes ud fra forholdet: 2d 20 hastighed = —, t hvor d er afstanden fra toppen af borestangen til grænsefladen mellem borestangen og boreringen, og t er optræ-delsestidspunktet på autokorrelationssporet. Multipla-25 spidsværdierne af anden og tredje orden kan naturligvis anvendes på tilsvarende måde, idet 4d for multiplum af anden orden er hastigheden « —, t 30 6d for multiplum af tredje orden er hastigheden * —.

t 35 DK 174285 B1 6 I en anden udførelsesform for opfindelsen kan ændringen i optrædendet af de multiple spidsværdier ved ændring af dybden for borekronen anvendes til at foretage beregningerne. Når dybden af borehullet vokser, vokser også afstanden til toppen af borestangen fra den nederste reflekterende grænseflade tillige med tidsforsinkelsen for 5 returneringen af de gentagne refleksioner. Følgende forhold kan anvendes til bestemmelse af hastigheden: 2ed for multiplum af første orden er hastigheden = -, et 10 4ed for multiplum af anden orden er hastigheden = -, et 6ed for multiplum af tredje orden er hastigheden = -, S** 15 hvor ad er ændringen af borestangens længde og 6t er ændringen af optrædelsestidspunktet for den gentagne refleksion. ud fra eksemplet på figur 2 kan hastigheden beregnes ud fra multiplet af første orden som værende ca.: 20 2(1600-1300) m - = 5000 m/s.

0,6 - 0,48 s

Den her som første udførelsesform for opfindelsen beskrevne fremgangsmåde tilvejebringer den gennemsnitlige 25 akustiske hastighed for hele længden af borestangen mellem punktet for den nederste signalfleksion (normalt grænsefladen mellem borerøret og boreringen) og detektorens anbringelsessted. Typisk kan hastigheden i øvrige partier af borestangen (typisk boreringene og borekronen) antages at have samme hastighed som det parti af

Ov borestangen, gennem hvilket den multiple refleksionsbølge er vandret, uden at indføre en væsentlig fejl.

35 7 DK 174285 B1

Den som den anden udførelsesform for opfindelsen beskrevne fremgangsmåde tilvejebringer den akustiske hastighed 1 en given zone af borestangen. Foretages der målinger ved i det væsentlige hele borehullets længde, kan gennem-5 snitshastigheden for i det væsentlige hele borestangens længde måles ved hjælp af fremgangsmåden ifølge den anden udførelsesform for opfindelsen, der også er særlig velegnet til at måle intervalhastigheden.

10 Da resultaterne ved brug af de to udførelsesformer for opfindelsen skal være i det væsentlige de samme, kan de to udførelsesformer begge anvendes til at kontrollere mulige målefejl.

15 20 25 30 35

Claims (16)

1. Fremgangsmåde til bestemmelse af akustiske svingnin-5 gers forplantningshastighed i en borestang, kendetegnet ved, at den omfatter: frembringelse af et akustisk signal ved den nederste ende af borestangen, 10 detektering af det akustiske signal ved den øverste ende af borestangen, autokorrelering af det detekterede signal til frembrin-15 gelse af et autokorrelationssignal, og anvendelse af optrædelsestidspunktet for et flervejsrefleksionssignal i autokorrelationssignalet til bestemmelse af de akustiske svingningers forplantningshastighed i 20 borestangen.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det akustiske signal frembringes ved rotation af en ved den nederste ende af borestangen anbragt borekro- 25 ne.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det akustiske signal detekteres på et drejeled, der er anbragt ved toppen af borestangen. 30

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at borestangen omfatter et borerør og mindst én borering, der er forbundet med den nederste ende af borerøret, samt at refleksionssignalet resulterer fra re- 35 fleksion i det væsentlige ved toppen af borestangen og ved grænsefladen mellem borerøret og boreringen. 9 DK 174285 B1

5. Fremgangsmåde til bestemmelse af akustiske svingningers forplantningshastighed i en borestang, kendetegnet ved, at den omfatter følgende arbejdstrin: 5 frembringelse af et akustisk signal ved den nederste ende af borestangen, detektering af det akustiske signal ved den øverste ende af borestangen, autokorrelering af det detekterede signal til frembringelse af et autokorrelationssignal, måling af tidsforskellen mellem autokorrelationens maksi-15 male spidsværdi og en flervejsspidsværdi af autokorrelationssignalet, hvilken flervejsspidsværdi resulterer fra refleksioner fra et øverste punkt og et nederste punkt af borestangen, og 20 anvendelse af et forhold mellem længden af borestangen mellem det øverste og det nederste refleksionspunkt og den målte tidsforskel til beregning af hastigheden.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet 25 ved, at det akustiske signal frembringes ved rotation af en borekrone, der er anbragt ved nederste ende af borestangen.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet 30 ved, at borestangen omfatter et borerør og mindst én borering, der er forbundet med den nederste ende af borerøret, samt at flervejsrefleksionssignalet resulterer fra refleksioner ved i det væsentlige toppen af borestangen og grænsefladen mellem borerøret og boreringen. 35

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at flervejsrefleksionssignalet af første orden an- DK 174285 B1 10 vendes til bestemmelse af hastigheden ud fra forholdet 2d hastighed = —, t 5 hvor d er afstanden mellem to refleksionspunkter langs borestangen og t er tidsforsinkelsen mellem autokorrelationens maksimale spidsværdi i autokorrelationssignalet og et flervejsrefleksionssignal af første orden.

8 DK 174285 B1

9. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at et flervejsrefleksionssignal af anden orden anvendes til bestemmelse af hastigheden ud fra forholdet 4d hastighed = —, 15 t hvor d er afstanden mellem to refleksionspunkter langs borestangen og t er tidsforsinkelsen mellem autokorrelationens maksimale spidsværdi i autokorrelationssignalet og et flervejsrefleksionssignal af anden orden. 20

10. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at et flervejsrefleksionssignalet af tredje orden anvendes til bestemmelse af hastigheden ud fra forholdet 6d 25 hastighed = —, t hvor d er afstanden mellem to refleksionspunkter langs borestangen og t er tidsforsinkelsen mellem autokorrelationens maksimale spidsværdi i autokorrelationssignalet 30 og et flervejsrefleksionssignal af tredje orden. 35 11 DK 174285 B1

11. Fremgangsmåde til bestemmelse af akustiske svingningers intervalforplantningshastighed i en borestang i et borehul, kendetegnet ved, at den omfatter følgende arbejdstrin: 5 (a) frembringelse af et akustisk signal ved den nederste ende af borestangen, (b) detektering af det akustiske signal ved den øverste 10 ende af borestangen, (c) gentagelse af trin (a) og (b) ved frembringelse af signalet i et antal dybder, idet borestangens længdedifferens ved disse dybder er kendt, 15 (d) autokorrelering af de detekterede akustiske signaler til frembringelse af autokorrelationssignaler, (e) bestemmelse af hastigheden ud fra et forhold mellem 20 borestangens længdeændring og ændringen af optrædelses- tidspunktet for en flervejsspidsværdi i autokorrelations-signalerne.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 11, kendetegnet 25 ved, at det akustiske signal frembringes ved rotation af en borekrone, der er anbragt ved den nederste ende af borestangen.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 12, kendetegnet 30 ved, at borestangen omfatter et borerør og mindst én borering, der er forbundet med den nederste ende af borerøret, og at flervejsrefleksionssignalerne resulterer fra refleksioner ved i det væsentlige toppen af borestangen og grænsefladen mellem borerøret og boreringen. 35

14. Fremgangsmåde ifølge krav 13, kendetegnet ved, at et flervejsrefleksionssignal af første orden an- DK 174285 B1 12 vendes til at bestemme intervalhastigheden ud fra forholdet 2ad hastighed = -, 5 hvor ad er længdeændringen af borestangen og at er ændringen af optrædelsestidspunktet for flervejsrefleksionssignalet af første orden.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 13, kendetegnet ved, at der anvendes et flervejsrefleksionssignal af anden orden til bestemmelse af intervalhastigheden ud fra forholdet 4ad 15 hastighed = -, at hvor ad er borestangens længdeændring og at er ændringen af optrædelsestidspunktet for flervejsrefleksionssignalet af anden orden. 20

16. Fremgangsmåde ifølge krav 13, kendetegnet ved, at der anvendes et flervejsrefleksionssignal af tredje orden til bestemmelse af intervalhastigheden ud fra forholdet 25 6ad hastighed « -, at hvor ad er borestangens længdeændring og at er ændringen af optrædelsestidspunktet for flervejsrefleksionssignalet 30 af tredje orden. 35