JPH09133775A - 坑井音響反射検層方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 坑井から遠くに離れた地層に対しての測定を
行なうことを可能とする反射音響検層技術を提供する。 【解決手段】 坑井（１４）周りの地層（１６）の特性
付けを行なう方法が提供され、それは、坑井内の発信器
（１８）で音響信号を発生し、該音響信号は坑井周りの
地層内へ照射して反射構成体から反射されて坑井へ戻
り、且つ発信器から受信器へ直接的に通過した音響信号
の到着後に、坑井内の受信器で反射信号を検知する、各
ステップを有している。この方法を実施する装置が、典
型的に非常に短い間隔で配設された音響発信器（１８）
と受信器（２０）とを具備するツール（１０）を有して
おり、更に、発信器から受信へ直接通過した信号の到着
後に、坑井周りの地層内の反射構成体から反射して来た
音響信号を検知する手段を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、坑井内において発
生され且つ受信された音響信号を使用して坑井周りの地
層内の音響反射波を検知することを含むボアホールロギ
ング即ち坑井検層において使用する方法及び装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】地層の特性付けを行なう音響技術は公知
である。これらの全ての技術では、発信器から興味のあ
る地層を介して受信器へ音響信号を送信させる。該信号
の波長は、使用される特定の技術に依存して、サイズミ
ック（地震）適用例における非常に低い周波数から音波
周波数を介し超音波周波数へ変化する場合がある。殆ど
の坑井検層では、坑井壁において地層を介して発信器か
ら受信器へ実質的に直接的に音波信号が通過する時間の
測定を行なう。受信された信号は、しばしば、フィルタ
処理されて反射に起因する信号を除去する。

【０００３】サイズミックサベイ即ち地震探査では、通
常、地表下側の構成体を検知するために典型的に非常に
低い周波数において反射音響信号を使用する。該信号の
発信器及び／又は検知器は、通常、地表に位置されてい
る。坑井地震技術ではこれらの発信器及び検知器のうち
の一方をボアホール即ち坑井内に配置させる。

【０００４】坑井音響反射探査においては、同一の坑井
内に配置させた音響発信器及び受信器で測定を行なう。
この形態は坑井軸に関して小さな角度を有する音響反射
器からの反射波フィールドを記録するために最も適して
いる。例えば、ほぼ垂直な破口、断層及び岩塩ドーム翼
は、ほぼ垂直な坑井に対する良好な坑井反射ターゲット
である。ほぼ水平な地層境界、流体接触界面（気体／原
油又は原油／水）及び貯留部内部の鉱条は高度に逸脱し
且つ水平な坑井に対する良好なターゲットである。

【０００５】坑井反射探査における所望のイベント（反
射）は、図１に示したように、坑井から地層内の反射体
へ伝搬し且つ坑井へ戻される波Ｒである。然しながら、
発信器Ｔからの音響エネルギのかなりの部分Ｄは、直接
的に受信器アレイへ伝搬する。これらの直接波は、圧縮
及び剪断ヘッドウエーブ（ｈｅａｄｗａｖｅ）、チュー
ブウエーブ（ｔｕｂｅ ｗａｖｅ；例えば、ストンレー
（Ｓｔｏｎｅｌｅｙ）波）、流体及び坑井モード及び坑
井にケーシングが設けられている場合には種々のケーシ
ングモード等を包含している。これらの直接波は、更
に、ツール本体に沿って伝搬する種々のツールモードを
包含する場合がある。

【０００６】音響検層適用場面においては、これらの直
接波の幾つか、例えばヘッドウエーブ及びストンレー波
は、地層の特性を記録するために使用される。然しなが
ら、反射探査適用例においては、それらは必要とされる
ものではない。直接波は、通常、反射波よりもかなり大
きい。坑井反射探査における主要な問題のうちの１つ
は、反射イベントの記録が直接波イベントによってマス
クされることがないことを確保することである。

【０００７】ダウンホール音響測定を使用して坑井周り
の反射画像形成を行なうことが従来提案されている。種
々の文献が反射画像形成用の音波測定を使用した結果を
提供しており、例えば、Ｆｏｒｔｉｎ， Ｊ． Ｐ．、
Ｒｅｈｐｉｎｄｅｒ， Ｎ．、Ｓｔａｒｏｎ， Ｐ．、
１９９１、「ＥＶＡ全波形ツールでの坑井周りの反射画
像形成（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ａｒ
ｏｕｎｄ ａ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＥＶＡ
ｆｕｌｌ−ｗａｖｅｆｏｒｍ ｔｏｏｌ）」：ザ・ログ
・アナリスト（Ｔｈｅ Ｌｏｇ Ａｎａｌｙｓｔ）、２
７１−２７８頁；Ｇｌａｎｇｅａｕｄ， Ｆ．、Ｖａｎ
ｐｅ， Ｊ． Ｍ．、Ｍａｒｉ， Ｊ．Ｌ．、Ｇａｖｉ
ｎ， Ｐ．、１９９２、「音響反射探査及び一定オフセ
ットセクションの両方を使用する高度にそれた坑井周り
の反射画像形成（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎ
ｇ ａｒｏｕｎｄ ａ ｈｉｇｈｌｙ ｄｅｖｉａｔｅ
ｄｗｅｌｌ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｏｕｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｃ
ｏｎｓｔａｎｔ ｏｆｆｓｅｔ ｓｅｃｔｉｏｎ）」；
９６回年次国際会議、探鉱地球物理学者協会（Ｓｏｃｉ
ｅｔｙ ｏｆＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｇｅｏｐｈｙｓ
ｉｃｉｓｔｓ）、エックスパンディドアブストラクト、
９１−９４；Ｈｏｒｎｂｙ， Ｂ．、１９８９、「全波
形音波データを使用した坑井近くの構成体の画像形成
（Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｎｅａｒ−ｂｏｒｅｈｏｌｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ｆｕｌｌ−ｗａｖ
ｅｆｏｒｍ ｓｏｎｉｃ ｄａｔａ）」：ジオフィジッ
クス（Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ）、５４、７４７−７５７
頁；Ｈｏｒｎｂｙ， Ｂ．、Ｍｕｒｐｈｙ， Ｗ．、Ｌ
ｉｕ， Ｈ．、Ｈｓｕ， Ｋ．、１９９２、「貯留部音
波（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｓｏｎｉｃｓ）」：北海ケー
ススタディ：ジオフィジックス、５７、１４６−１６０
頁；Ｎａｖｉｌｌｅ， Ｃ． Ｒｅｈｂｉｎｄｅｒ，
Ｎ．、Ｕｔａｒｄ， Ｍ．、１９８４、「ＥＶＡ音響検
層システムで記録した微小地震動記録上で観察した反射
イベントの研究（Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｅ
ｄ ｅｖｅｎｔｓ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒ
ｏｓｅｉｓｍｏｇｒａｍｓ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｗｉｔ
ｈ ｔｈｅ ＥＶＡ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｌｏｇｇｉｎ
ｇ ｓｙｓｔｅｍ）」：プロフェッショナル・ウエル・
ログ・アナリスト協会、パリチャプター（ＳＡＩＤ）、
第９回年次シンポジウム、ペーパー１０等を参照すると
よい。

【０００８】上述した直接波によって発生される問題を
解消せんとして２つのアプローチが提案されている。第
１のアプローチは、高周波数を使用するものである。チ
ューブウエーブは、典型的に、特に低周波数において直
接波を支配する。チューブウエーブ励起関数、即ちチュ
ーブウエーブの周波数応答は、周波数が減少すると非常
に迅速に増加する。従って、高周波数励起を使用するこ
とによって、チューブウエーブ汚染を減少させ且つ反射
波のマスキングを減少させることが可能である。第２の
アプローチは、大きな発信器−受信器オフセットを使用
することである。オープンホール、即ちケーシングの設
けられていない坑井においては、最も顕著な直接波は最
初に到着する圧縮ヘッドウエーブと、それに続く剪断ヘ
ッドウエーブ及びチューブウエーブである。典型的に、
剪断ヘッドウエーブは１．７又はそれ以上の係数だけ圧
縮ヘッドウエーブよりも速度が遅い。チューブウエーブ
は殆ど常に剪断ヘッドウエーブよりも速度が遅い。従っ
て、圧縮ヘッドウエーブ到着と剪断ヘッドウエーブ到着
との間には時間的なギャップが存在しており、それは、
発信器−受信器オフセットを増加するにしたがい拡大す
る。前述した全ての提案においては、発信器−受信器オ
フセットが１０乃至２５フィート（３乃至７．６ｍ）の
範囲内のオフセットを使用している。これらの従来のも
のにおいては、画像形成のために使用した反射の殆どは
２つのヘッドウエーブの到着の間の期間における大きな
発信器−受信器オフセットで観察されたものである。

【０００９】大きなオフセットで且つ高い周波数で坑井
反射画像形成に対する従来のアプローチは、適用場面を
有するものであるが、このアプローチで画像形成するこ
との可能な坑井からの反射体の距離は厳しく制限されて
いる。最初の制限は、高周波数を使用することに起因す
るものである。地層内の波の減衰は周波数の増加と共に
指数的に増加する。その結果、高周波数を使用すること
は、坑井から離れる方向への音波の浸透深さを直接的に
制限する。２番目の制限は、画像形成において使用する
大きなオフセットのアーリータイム（早期時間）ウイン
ドウの範囲が制限されていることに起因するものであ
る。坑井から離れた画像形成範囲は発信器−受信器オフ
セットによって制限される。これは、殆どの場合におい
て、剪断ヘッドウエーブ（及び／又はチューブウエーブ
又はその他の直接波）前に到着する反射イベントのみが
反射体の画像形成において信頼性を持って使用すること
が可能であるに過ぎないという事実に起因している。よ
り深い反射体から来るその後のイベントは直接波によっ
てマスクされる。簡単なモデル研究によって、剪断ヘッ
ドウォーターが反射をマスクするのに充分に大きなもの
である場合には、坑井から離れて画像形成することの可
能な最大距離は発信器−受信器オフセットの約０．６乃
至０．８倍であることが示される。

【００１０】大きなオフセットのアプローチは、ケーシ
ングを設けた坑井において及び直接ツール到着が存在す
る場合には完全に機能しない場合がある。何故ならば、
ケーシングモード及びツールモードの到着時間が地層圧
縮波と同じ又はそれより速くなる場合があるからであ
る。更に、これらのモードのうちの幾つかは時間ドメイ
ンをカバーする長い振動性の波列で狭い周波数帯域にお
いて非常に効率的に励起される。これらの直接波が強く
励起されると、それらはこの大きなオフセットのアーリ
ータイムウインドウにおける全ての反射を完全にマスク
する場合がある。音響反射技術は坑井内のその他の使用
のために提案されている。米国特許第４，９１６，４０
０号は、穿孔動作においてボアホール即ち坑井の寸法及
び形状を決定するための超音波キャリパを提案してい
る。ドリルカラー内の超音波発信器が坑井壁へ信号を送
り、該信号は反射され且つ該ドリルカラーにおいて検知
され且つ解析されて該坑井の特性を決定する。その他の
反射技術、例えば画像形成技術が、ケーシングを設けた
坑井内側において使用するために提案されており、特
に、ケーシング地震又はケーシングと地層との間の環状
部内の膠着度を評価するために提案されている。このよ
うな技術の例は、例えば、米国特許第４，２４４，７９
８号、米国特許第５，００１，６７６号、米国特許第
５，２７４，６０４号、欧州特許０５４９４１９Ａにお
いて見出すことが可能である。最後に、米国特許第４，
２８９，９５３号は、地層内のグレインサイズ即ち粒界
寸法及び分布を決定するために、オープンの即ちケーシ
ングを設けていない坑井表面におけるグレイン即ち粒界
からの超音波後方散乱を使用することを提案している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、上述した如き問題を緩和さ
せ且つ坑井から離れた地層内深くにおいて測定を行なう
ことを可能とする反射音響検層技術を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の最も広義な側面
によれば、坑井内の発信器で音響信号を発生させて坑井
周りの地層内へ放射させ反射構成体から反射させて該坑
井へ戻させ、且つ該発信器から受信器へ直接的に通過し
た音響信号の到着後に該坑井内の受信器において反射信
号を検知する方法が提供される。

【００１３】本発明に基づく装置の最も広義の側面によ
れば、音響発信器及び受信器を具備すると共に該発信器
から該受信器へ直接通過した信号の到着後に坑井周りの
地層内の反射構成体から反射した音響信号を検知する手
段を具備するツールを有する装置が提供される。

【００１４】本発明が基礎とする原理は、送信器からの
直接信号の後に反射信号が検知器に到着することを確保
することである。このことは、発信器と受信器との間の
オフセットは比較的小さなものであり、従って直接信号
に対する経路は反射信号の経路と比較して短いものであ
ることを確保し、且つ直接信号が検知器に到達する最も
遅い時間の後の反射信号を測定することによって達成さ
れる。

【００１５】本発明の１つの特に好適な使用場面は、坑
井周りの地層の画像形成である。反射信号を解析して坑
井と相対的な地層内の反射構成体の位置を識別すること
が可能であり、且つ該位置は地層の特性付けを行なうた
めに使用することの可能な画像として表現することが可
能である。

【００１６】複数個の発信器及び受信器からなる１個又
はそれ以上のアレイを使用することが好適である。軸方
向アレイは、チューブウエーブに関して増加した反射イ
ベント振幅を提供する。方位角アレイは、坑井に関して
地層内の反射物体の方位角位置を決定することを可能と
する。軸方向アレイの場合、幾つかの配列とすることが
可能である。２つの並置したアレイを与えるために、発
信器要素の全てを互いに隣接して位置させ且つ検知器要
素の全てを互いに隣接して位置させることが可能であ
り、単一の発信器アレイはその両側に一対の検知器アレ
イを有することが可能であり、又はその逆の構成とする
ことも可能であり、又発信器要素と受信器要素とを単一
のアレイ内においてインターレース即ち互いに交互に設
けることも可能である。更に、共通の発信器要素及び受
信器要素からなるアレイを使用することも可能である。

【００１７】発信された音響信号の周波数は、所望の探
査領域及び地層の特性に依存する。周波数は減衰性媒体
における長距離画像形成に対する１００Ｈｚ以下から非
減衰性媒体における短距離高分解能画像形成に対する２
０ｋＨｚ以上の範囲にわたることが可能である。

【００１８】直接チューブウエーブ信号の一部が検知器
を超えて伝搬し且つ坑井内の構成体から反射して検知器
へ戻されて地層からの反射信号と干渉することを防止す
るために、ツールストリング内に位置させて１個又はそ
れ以上の減衰器を使用することが好適である。これらの
減衰器は、好適には、米国特許出願第０８／５２７，７
３６号に記載した形態のものである。尚、米国特許第０
８／５２７，７３６号は、引用によって、本明細書に取
込む。

【００１９】

【発明の実施の形態】図４は本発明の一実施例に基づく
坑井音響反射画像形成システムを示した概略図である。
音波反射画像形成ツール１０は、ケーシングを設けるか
又は設けない構成とすることの可能なボアホール即ち坑
井１４内へ外装した多導体ケーブル１２によって降下さ
れて地層１６の画像形成を行なうための音波測定を行な
う。ツール１０は、発信器アレイ１８とそれと隣接する
受信器アレイ２０とが設けられている。発信器アレイと
受信器アレイとの分離は、以下に説明するように可及的
に小さなものであるように設定される。１個又はそれ以
上のチューブウエーブ減衰器２２が発信器／受信器アレ
イセクションの両端部に設けられており、坑井内の反射
チューブウエーブの干渉効果を減少させる。これらの減
衰器及びそれらの機能については上述した米国特許出願
第０８／５２７，７３６号に記載されている。

【００２０】ツール１０は坑井１４内を上下動すべく適
合されており、且つツール１０が移動すると、発信器ア
レイ１８は周期的に音波信号を発生する。発生された音
波信号は坑井を介して及び／又は地層を介して伝搬し、
地層中の構成体によって反射され、且つ受信器アレイ２
０における受信器は、典型的に、発生された信号から得
られる何等かのエネルギを検知する。坑井内をツール１
０を移動させるメカニズムは、地表における滑車２４へ
延在し、次いで所望によりツール１０を坑井内において
上昇又は下降させる適宜のドラム・ウインチメカニズム
２６へ延在するケーブル１２を有している。一方におい
ては発信器アレイ１８及び受信器アレイ２０と他方にお
いては地表装置との間の電気的接続は、ドラム・ウイン
チメカニズム２６と関連する適宜の多要素スリップリン
グ・ブラシ接触組立体２８を介して行なわれる。ユニッ
ト３０はツール制御・予備処理回路を包含しており、該
回路はケーブル１２及び組立体２８を介して電気信号を
ツール１０へ送り且つツール１０からその他の電気信号
（ソニックログ、即ち音波記録）を受取る。ユニット３
０は、受信器アレイ２０からの信号を坑井１４内の夫々
の深さレベルと関連づけるために、深さ測定ホイール３
４から深さレベル信号を派生する深さレコーダ３２と共
働する。受信器アレイ２０の出力は、オプションとして
ユニット３０において予備処理を行なった後に、信号格
納部３６へ送られ、信号格納部３６は音波受信器出力を
坑井１４内の夫々の深さレベルと関連付けるために深さ
レコーダ３２から又はそれを介しての信号を受取ること
も可能である。格納部３６はデジタルソニックログ測定
値の形態で受信器アレイ２０の出力を格納することが可
能である。格納部３６は例えばディスク又はテープ等の
磁気的格納装置、及び／又は例えば半導体又はそれと等
価なメモリ回路等のその他の格納媒体を有することが可
能である。次いで、該デジタルデータを処理して坑井周
りの地層の画像を与えることが可能である。地震処理に
おいて一般的に使用されているようなデータのキルヒホ
ッフ型のミグレーション（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）を使用
して坑井周りの反射構成体の画像を派生させる。

【００２１】発信器アレイ１８はツール１０に沿って互
いに並置して配列された７個のピエゾ電気単極発信器要
素１８′を有している。各要素１８′は従来のソニック
ロギング即ち音波検層において使用されている単極発信
器と実質的に同一である。然しながら、坑井に沿っての
圧縮波及び剪断波の速度に対する音波測定と異なり、音
波画像形成ツールは坑井から離れた反射体を画像形成す
ることが必要である。波が地層内深くに浸透するために
は、媒体によって発生される損失及び幾何学的な拡大に
起因する距離に伴う振幅降下に打ち勝つために高いパワ
ーの発信器が必要である。坑井ツールの場合に存在する
空間的及び電圧に関する制限があるので、ツール空間が
制限された状態で単一の高いパワーの発信器を実現する
ことは困難である。従って、その解決方法は、放射され
た音響パワーを向上させるために上述したような複数個
の発信器からなるアレイを使用することである。高パワ
ー条件に加えて、発信器波形の品質も非常に重要であ
る。何故ならば、残響性発信器の場合には鮮明な画像を
発生することは不可能だからである。画像形成用の理想
的な発信器は、高いパワーのものであると共に、高い忠
実度のものである可能性があり、そのことはコンパクト
な発信器特徴を必要とする。

【００２２】音響エネルギを効率的に放射させるため
に、トランスデューサ１８′は幾何学的共振近くで動作
すべく構成されており、そのことは不可避的に長い時間
にわたりリンギング即ち鳴動を発生する。このリンギン
グを停止するために減衰メカニズムが導入されており、
それは、取付けた構成体に対して良好なインピーダンス
整合及び減衰特性を与えるために、音響信号発信器に対
するゴム・タングステンバッキング（裏打ち）物質を有
している。このゴム・タングステンバッキングは、更
に、トランスデューサが流体内に浸漬された場合に付加
的な流体モード励起を防止する。このゴム・タングステ
ン複合体は、タングステン粉末を詰め込んだブチルゴム
スケルトン（骨格）を有している。該バッキングのイン
ピーダンス及び減衰特性は、タングステンの含有率、該
粉末の圧密度、加硫度、及び該ゴムの該粉末への接着度
に依存する。

【００２３】アレイ１８における要素１８′のパッケー
ジングは、アレイ発信器の信号モードを著しく変化させ
る場合がある。該アレイ発信器の良好なパッケージング
は、アレイ発信器の長期間の信頼性を確保し且つ各個別
的な要素の音響的重畳を超えての要素間での付加的な振
動又は干渉を防止する。柔らかいテフロンディスクが各
トランスデューサ要素間に挟持されており、要素間での
電気的アークを防止すると共に、２つの隣り合う要素間
での振動を分離させている。ツールに沿って各要素を保
持し且つ案内するためにスチールの中央ロッドが設けら
れている。アレイ１８は端部においてスプリング負荷が
かけられており、ツールが屈曲し且つ要素１８′が熱膨
張することを許容している。アレイ１８は油を充填した
ベロー（不図示）内に収容されており、アレイ１８を坑
井流体から分離すると共に圧力補償を提供している。

【００２４】より長尺の発信器の場合に発生しうる問題
は、照射ビームパターンが所望していない方向へ変化し
たり又は受信器の配置位置を制限したりする場合があ
る。操縦可能なアレイ発信器はこの問題を解消すること
が可能である。発信器アレイによって発生されたコヒー
ラントな波面は、各要素の動作を連続的に遅延させるこ
とによって操縦することが可能である。操縦角度は各発
信器要素に対する遅延の大きさに依存する。例えば、水
中においては、アレイの垂線から３０度離して操縦する
ことは、典型的に、中心間距離が３．５インチ（８．８
９ｃｍ）離隔されている各アレイ要素に対して５０マイ
クロ秒の遅延を必要とする。このことは、同一のパワー
アンプを有し且つ各発信器要素に対して時間遅延装置を
接続させることによるか、又は複数個のパワーアンプを
使用し且つ各々が独立的なタイミング制御を有するもの
とすることによって達成することが可能である。

【００２５】受信器アレイ２０は垂直方向に６インチ
（１５．２４ｃｍ）離隔された８個の受信器ステーショ
ンを有しており、各ステーションはツールの周りに９０
度間隔で円周方向に配設された４個の受信器要素を有し
ており、全部で３２個の受信器要素が設けられている。
各要素において検知された信号は別々に記録され且つ該
アレイによって受信された信号は解析されて坑井からの
反射構成体の方向及び距離を与える。

【００２６】上述した発信器アレイ及び受信器アレイの
配列は現在好適な形態のものである。その他の好適な形
態としては、例えば、図５（ａ）乃至（ｄ）に概略的に
示したものがある。図５（ａ）は中央の発信器アレイＴ
ａとその両側に配設した受信器アレイＲａを示してお
り、図５（ｂ）は、その逆の場合で、送信器アレイＴｂ
が受信器アレイＲｂの両側に設けられている場合を示し
ており、図５（ｃ）は送信器要素Ｔｃと受信器要素Ｒｃ
とが互いにインターレース即ち交互に配置されたアレイ
を示しており且つ図５（ｄ）は共通の送信器及び受信器
要素Ｔｒｄからなるアレイを示している。これらの場合
の各々において、チューブウエーブ減衰器（不図示）を
図４に示したようにアレイの両端部に設けることが可能
である。

【００２７】図２は典型的な坑井反射探査において記録
される種々のイベントを示している。水平軸は送信器−
受信器オフセットであり、垂直軸は時間であって、プロ
ットは直接波の計算した理論的波形のみを示している。
波形上に描かれており５ｆｔ，１０ｆｔ，．．．，３０
ｆｔとして示した曲線は、対応する距離においての坑井
軸に平行な反射体による反射の位置を表わしている。こ
の時間−オフセット空間においては、大きな直接波によ
ってマスクされることのない２つのウインドウが存在し
ている。大きなオフセットのアーリータイムウインドウ
は、圧縮波ヘッドウエーブ到着と剪断ヘッドウエーブ到
着との間の矩形の区域（図２においてＸで示してある）
である。小さなオフセットのレイトタイム（遅い時間）
ウインドウは坑井モードに続くプロットの右下の部分で
ある（図２においてＹで示してある）。本発明は小さな
オフセットウインドウの最も効率的な使用に基づいてい
る。

【００２８】本発明は従来技術と比較して小さな発信器
−受信器オフセット（最も近い発信器と受信器との離
隔）を使用している。反射が直接波の後に受信器に到着
するようにオフセットが選択される。この小さなオフセ
ットのレイトタイムウインドウにおいて、坑井から反射
体への距離に拘らずに、反射が直接波とオーバーラップ
することはない。従って、坑井から離れた画像形成範囲
は著しく改善されている。このウインドウにおいてはチ
ューブウエーブは問題ではないので、減衰を減少させる
ためにより低い周波数（必要に応じて低い）を有する発
信器を使用することが可能であり、このことは更に該範
囲を増加させている。達成可能な最も小さなオフセット
は、ツールの物理的条件によって制限され、且つ使用さ
れる発信器及び受信器の形態に依存して０．５フィート
（１５．２４ｃｍ）程度に小さくすることが可能であ
る。

【００２９】従来技術に関連して上述したように、大き
なオフセットウインドウのアプローチは、坑井から離れ
た反射体の画像形成範囲を厳しく制限する。これは、幾
つかの理由によるものである。最初に、殆どの場合にお
いて、このウインドウは剪断ヘッドウエーブ及びチュー
ブウエーブによって終端され、それらの波は、典型的
に、反射された圧縮波よりもかなり大きなものである。
坑井軸に平行な反射体の場合には、圧縮反射の到着時間
は近似的に次式によって与えられる。

【００３０】

【数１】

【００３１】尚、ｒａｎｇｅは坑井から反射体への距離
であり、ｏｆｆｓｅｔは発信器−受信器オフセットであ
り、且つｖ_p は圧縮波速度である。画像形成用のウイン
ドウの終端を画定する直接剪断波到着時間は次式によっ
て与えられる。

【００３２】

【数２】

【００３３】大きなオフセットアプローチで画像形成す
ることの可能な坑井からの最大距離は式（１）を式
（２）と等置し且つ範囲について解くことによって次式
の如くに得られる。

【００３４】

【数３】

【００３５】例えば、典型的な値のｖ_p ／ｖ_s ＝１．７
３の場合には、最大範囲はｒａｎｇｅ_max ≒０．７ｏｆ
ｆｓｅｔによって与えられる。より一般的な形態におい
ては、ｖ_s は圧縮ヘッドウエーブに続く最初の支配的な
直接波の速度を表わしている。小さなオフセットウイン
ドウを使用する本発明によって採用されているアプロー
チは、何等かの直接波到着に基づく最大範囲制限を有す
るものではない。何故ならば、反射はそれらの後に位置
されているからである。然しながら、最小範囲限界が存
在している。図２に示したように、非常に近接した反射
体からの反射は、直接波のリンギングによってマスクさ
れる場合がある。このリンギングの期間は直接波の帯域
幅に逆比例し、且つそれは、例えば発信器のスペクトル
出力等の採取パラメータに著しく依存する。このリンギ
ング期間を減少させるために干渉する直接波の共振周波
数を回避すべきである。例えば、圧縮速度が１０，００
０ｆｔ／ｓｅｃ（１００μｓｅｃ／ｆｔ）である媒体の
場合には、最小範囲は、１ｋＨｚ帯域幅の場合には約５
ｆｔであり、且つ５００Ｈｚ帯域の場合には１０ｆｔで
ある。

【００３６】大きなオフセットアプローチの範囲制限に
対する第２の理由は、幾何学的拡大及び減衰に基づいて
反射波の振幅が迅速に減少することである。幾何学的拡
大に基づく振幅の減少は、反射イベントによって伝搬さ
れる全体的な距離又はその到着時間に近似的に比例す
る。図２に示したように、大きなオフセットの場合に
は、反射経路は一層長くなり、従って振幅は減少する。
減衰に基づく大きなオフセットにおいての振幅の減少
は、幾何学的拡大よりも一層顕著なものである場合があ
る。反射波振幅の減衰、周波数及び距離に対する依存性
は次式によって与えられる。

【００３７】

【数４】

【００３８】尚、ｆは周波数であり、ｄは反射経路であ
り、Ｑは媒体の減衰特性を表わす数値である。Ｑ値は著
しく変化する場合があり、非常に減衰性の媒体に対する
５から理想的に非減衰性の媒体に対する１００の間で変
化する場合がある。上式は、減衰に起因する振幅減少は
オフセットと共に増加する反射イベントの伝搬経路長と
共に指数的に増加することを示している。この式は、更
に、小さなオフセット及び低周波数を使用することは、
ｖ_p Ｑの積が非常に小さいものとなる場合のある、スロ
ーで且つ低いＱの地層における画像形成に対して特に臨
界的なものであることを表わしている。使用する周波数
は減衰性媒体においての長い範囲の画像形成に対する１
００Ｈｚ（又はそれ以下）から、非減衰性媒体における
短い範囲で高分解能の画像形成に対する２０ｋＨｚ（又
はそれ以上）へわたる場合がある。小さな発信器−受信
器オフセットの別の利点は、オフセットが減少するに従
い反射がより簡単なものとなり（即ち一層容易に解釈す
ることが可能）且つより強いものとなるということであ
る。坑井流体内におけるか又は坑井壁へクランプされた
ポイントソース即ち点発信器は圧縮性及び剪断性の両方
の波照射を媒体内へ発生させる。この照射パターンの特
定の形状は媒体及び坑井流体特性に依存するが、全ての
場合に共通の幾つかの特性が存在している。圧縮照射は
坑井軸に対して垂直な方向（坑井垂線）において最大で
あり、且つそれは、坑井垂線との角度が増加するにした
がい減衰する。相反性から、受信器の受信パターンは発
信器の照射パターンと同一であり、従って反射測定にお
ける結合効果は照射パターンの二乗となる。図２に示し
たように、反射波経路はより小さなオフセットに対して
発信器及び受信器の両方において坑井垂線へより近付
き、反射における振幅利得を与えている。

【００３９】図２において、反射の到着時間は、説明の
便宜上、反射対当たり１つの曲線によってのみ表わして
ある。例えば地下の地層等の弾性媒体においては、各反
射体と関連する４つの反射イベントが存在している。図
３は坑井軸に平行な単一の反射体に基づくこのような典
型的なイベントを示している。入射Ｐ（圧縮）又はＳ
（剪断）、及び反射Ｐ又はＳを表わす４つの反射イベン
トが存在している。Ｐ対Ｐ反射は、部分的には照射パタ
ーンに起因し且つ部分的には反射体上の入射角度に関す
る反射係数の変化に起因して小さなオフセットにおいて
一層強いものとなる。重要な点であるが、小さなオフセ
ットにおいてはＰ対Ｐ以外の反射イベントが消失し、イ
ンターフェースからの反射としてただ１つの強いイベン
トのみが残される。このことは小さなオフセットにおい
ての記録波形を処理し且つ解釈するのに一層簡単なもの
とさせている。

【００４０】小さなオフセット形態の別の利点はケーシ
ングを設けた坑井における適用の場合であってその場合
には、大きなオフセットのアプローチは完全に使用不可
能なものとなる。ケーシングを設けた坑井の場合には、
ケーシングを設けていない坑井の場合に存在する直接到
着に加えて、圧縮ヘッドウエーブと等しいか又はそれ以
上の速度で伝搬する場合のあるケーシングモードが存在
している。これらの波は圧縮ヘッドウエーブと剪断ヘッ
ドウエーブとの間の大きなオフセットの画像形成用ウイ
ンドウを支配し、より小さな振幅の反射をマスクする場
合がある。これらのモードの「リンギング」（即ち、時
間期間）の大きさは、ケーシングを地層へ結合させる膠
着状態（それは、通常予測不可能なものである）に依存
する。ケーシングを設けた坑井の場合であっても、スト
ンレー波及び剪断波の後の小さなオフセットのレイトタ
イム（後の時間）画像形成用ウインドウは画像形成のた
めに使用することが可能である。前述したように、短い
オフセットにおいてのケーシングモードの帯域幅に依存
して最小の範囲（例えば、５乃至１０ｆｔ）が存在して
いる。

【００４１】受信器要素の各々によって受信される信号
は基本的にサイズミック（地震）アレイにおける要素に
よって受信される信号と同一の態様で処理され、且つ同
一の技術を使用して画像が形成される。従って、画像は
坑井軸（深さ軸）に沿い且つ坑井周りの方位角に沿って
形成することが可能である。

【００４２】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 坑井反射画像形成システムを示した概略図。

【図２】 異なる発信器−受信器オフセットに対する直
接波到着を示したグラフ図。

【図３】 単一の反射器からの反射波到着を示したグラ
フ図。

【図４】 本発明に基づく坑井反射画像形成システムを
示した概略図。

【図５】 （ａ）乃至（ｄ）は本発明において使用する
発信器アレイ及び受信器アレイの異なる配列状態を示し
た各概略図。

【符号の説明】

１０ 音波反射画像形成システム １２ ケーブル １４ ボアホール（坑井） １６ 地層 １８ 発信器アレイ ２０ 受信器アレイ ２２ チューブウエーブ減衰器 ３０ ツール制御・予備処理回路（ＣＳＵ） ３２ 深さレコーダ ３６ 信号格納部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｖ 1/28 Ｇ０１Ｖ 1/28 (72)発明者 チュン チャン アメリカ合衆国， コネチカット 06897, ウィルトン， シュガー ブッシュ コ ート 22 (72)発明者 チュアー−ジアン ツ アメリカ合衆国， コネチカット 06811, ダンバリー， イースト ゲート ロー ド 35 (72)発明者 マイケル アール． ケーン アメリカ合衆国， コネチカット 06801, ベセル， メイン ストリート 34

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坑井周りの地層の特性付けを行なう方法
   において、 （ａ）坑井内の発信器位置から音響信号を発信させて地
   層内に少なくとも部分的に放射させ且つ地層内の反射構
   成体から反射させて前記坑井へ戻させ、 （ｂ）前記発信器位置から前記受信器位置へ実質的に直
   接的に通過した音響信号の到着後に発生する反射音響信
   号の到着を受信器位置において検知し、 （ｃ）前記反射信号の検知した到着を使用して前記地層
   の特性付けを行なう、ことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記反射信号の検知
   した到着を使用して前記坑井周りの地層内の前記反射構
   成体の位置を識別することを特徴とする方法。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記反射信号の到着
   を検知する場合に圧縮波を検知することを特徴とする方
   法。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記反射信号を検知
   する場合に、前記反射構成体の方向を決定することを可
   能とするために前記坑井内の複数個の半径方向位置にお
   いて信号を検知することを特徴とする方法。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記発信器位置及び
   受信器位置が実質的に互いに隣接していることを特徴と
   する方法。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記音響信号を発信
   する場合に、前記発信器位置における複数個の発信器か
   らなるアレイから信号を発信することを特徴とする方
   法。
7. 【請求項７】 請求項１において、前記反射信号を検知
   する場合に、前記受信器位置における複数個の検知器か
   らなるアレイにおいて信号を検知することを特徴とする
   方法。
8. 【請求項８】 請求項１において、前記反射信号の到着
   の検知を使用して前記地層の画像を発生させることを特
   徴とする方法。
9. 【請求項９】 請求項１において、前記発信器位置及び
   受信器位置が実質的に前記坑井内の同一の位置であるこ
   とを特徴とする方法。
10. 【請求項１０】 坑井周りの地層の特性付けを行なう装
    置において、 （ａ）ツール本体、 （ｂ）前記ツール本体内に位置された音響発信器、 （ｃ）前記ツール本体内に位置された音響受信器、を有
    しており、音響信号が前記発信器から前記受信器へ伝搬
    する時間が対応する音響信号が前記発信器から前記地層
    内へ通過し、前記地層内の構成体から反射し且つ前記受
    信器へ帰還するための時間よりも短いように小さな距離
    だけ前記受信器が前記送信器から離隔されていることを
    特徴とする装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記発信器が複
    数個の発信器要素からなるアレイを有していることを特
    徴とする装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記受信器が複
    数個の受信器要素からなるアレイを有していることを特
    徴とする装置。
13. 【請求項１３】 請求項１０において、更に、前記ツー
    ル本体へ接続して少なくとも１個のチューブウエーブ減
    衰器が設けられていることを特徴とする装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３において、前記発信器及び
    受信器が一対のチューブウエーブ減衰器の間に配設され
    ていることを特徴とする装置。
15. 【請求項１５】 請求項１１において、前記アレイの要
    素が地層内へ所定の方向に信号を送信するための整相列
    として動作されることを特徴とする装置。
16. 【請求項１６】 請求項１２において、前記アレイの要
    素が所定方向からの信号を受取るための整相列として動
    作されることを特徴とする装置。
17. 【請求項１７】 請求項１２において、前記要素が前記
    ツール本体の軸周りに配設されていることを特徴とする
    装置。
18. 【請求項１８】 坑井周りの地層の画像形成方法におい
    て、 （ａ）坑井内の発信器位置から音響信号を発信させて少
    なくとも部分的に前記地層内へ放射させ且つ前記地層内
    の反射構成体から反射させて前記坑井へ戻させ、 （ｂ）前記発信器位置から受信器位置へ実質的に直接的
    に通過した音響信号の到着後に発生する反射音響信号の
    到着を受信器位置において検知し、 （ｃ）前記坑井に沿って複数個の深さにおいてステップ
    （ａ）及び（ｂ）を繰返し行ない且つ各深さからの反射
    信号の検知した到着を使用して前記坑井周りの地層内の
    反射用構成体の画像を発生させる、ことを特徴とする方
    法。
19. 【請求項１９】 請求項１８において、ステップ（ａ）
    及び（ｂ）を発信器要素及び受信器要素からなるアレイ
    を含むツールを使用して実行することを特徴とする方
    法。
20. 【請求項２０】 請求項１８において、直接信号及び反
    射信号の到着を検知し且つ反射信号のみを使用して前記
    画像を発生させることを特徴とする方法。