Dispositivo y método para generar un haz colimado de energía acústica en un pozo de perforación.

Un método para generar un haz de energía acústica en un pozo de perforación,

el método comprende:

generar una primera onda acústica en una primera frecuencia;

generar una segunda onda acústica en una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la primera y la segunda ondas acústicas son generadas por al menos un transductor (130, 1415, 1505) realizado por una herramienta situada en el pozo de perforación; y

la transmisión de la primera y la segunda ondas acústicas en un medio acústicamente no lineal (140, 1420, 1510), en el que la composición del medio no lineal (140, 1420, 1510) produce un haz (1425, 1515) colimado por una mezcla no lineal de la primera y la segunda ondas acústicas, en donde el haz (1425, 1515) colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia,

caracterizado porque el método comprende además la transmisión de haz (1425, 1515) colimado a través de una lente acústica divergente (1630) para compensar un efecto de refracción causado por la curvatura del pozo de perforación.

Dispositivo y método para generar un haz colimado de energía acústica en un pozo de perforación Esta invención se realizó con el apoyo del Gobierno en un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) Contrato Nº DE-AC52-06NA25396 otorgado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El Gobierno puede tener ciertos derechos en esta invención.

Campo La presente invención se refiere en general a la investigación acústica de formaciones de roca alrededor de un pozo de perforación y más particularmente al uso de la combinación de una fuente acústica que incluye un único transductor o una serie de transductores en el pozo de perforación junto a un material no lineal para producir un haz acústico como una herramienta de sondeo de un pozo de perforación para investigar las propiedades de las formaciones de roca y los materiales que rodean el pozo de perforación.

Antecedentes La investigación acústica de las características del subsuelo tiende a ser limitada por el tamaño y la potencia de las fuentes prácticas, y en la práctica, la salida de transductores acústicos del fondo del pozo está limitada por las capacidades de transmisión de potencia del cable alámbrico. Señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta, mientras que las señales de baja frecuencia generalmente requieren fuentes grandes, sujetas a la pared del pozo de perforación, para maximizar la transferencia de energía a la formación y minimizar las señales no deseadas dentro del pozo de perforación. Es difícil generar una señal de haz colimado acústico en el rango de 10 kHz -100 kHz desde el pozo de perforación para sondear la formación de roca que rodea un pozo de perforación, o cualquier otro material en el medio ambiente, tales como la carcasa o cemento, con transductores de baja frecuencia convencionales. Las fuentes acústicas de baja frecuencia convencionales en este rango de frecuencia tienen ancho de banda bajo, menos del 30% de la frecuencia central, y una dispersión del haz muy grande que depende de la frecuencia, de tal manera que como la frecuencia disminuye, aumenta la propagación del haz. La generación de un haz colimado requiere una serie de condiciones que deben cumplir, incluyendo una larga serie de fuente, acoplamientos uniformes de todos los transductores a la formación rocosa alrededor del pozo de perforación y el conocimiento de las velocidades acústicas de la formación rocosa. En el entorno del pozo de perforación, estas condiciones no suelen ser alcanzables debido a las limitaciones físicas subyacentes, la factibilidad de ingeniería o las condiciones de funcionamiento.

Se han propuesto fuentes de haz acústico basados en una mezcla no lineal de ondas acústicas para aplicaciones generales en medios de fluidos, tales como sonar bajo el agua, desde los años 1950. Para aplicaciones del subsuelo, la patente de los Estados Unidos No. 3, 974, 476 de Cowles revela una fuente acústica para reconocimientos del pozo de perforación. La divulgación de Cowles describe un dispositivo de generación de fuente acústica, por ejemplo, un dispositivo que es capaz de generar un haz de frecuencia de 1 kHz mediante la mezcla de dos frecuencias de alrededor de 5 MHz en un entorno de pozo de perforación que infringe los principios básicos de la física. Una herramienta de registro por cable típica tiene un diámetro de 3 5/8 pulgadas (9.2 cm) , mientras que la longitud de onda de una onda de 1 kHz en un fluido típico de 1500 m/s es 1.5 m. Esto representa cerca de 10 veces el diámetro del pozo de perforación. Esta onda acústica de 1 kHz no puede permanecer colimada sin infringir el principio de incertidumbre básica de la física de difracción de onda. Por otra parte, la mezcla de frecuencias de 5 MHz para generar una onda de 1 kHz representa una relación de reducción de frecuencia de 5000: 1, que no ha sido demostrado que sea realizable en la práctica.

El documento 2010/0002540 de Estados Unidos revela una fuente de haz acústico basada en una mezcla no lineal de ondas acústicas utilizando un medio no lineal compuesto de un líquido, una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular embebido en una carcasa sólida, microesferas incrustadas, o una emulsión.

Resumen De acuerdo con algunos aspectos de la presente divulgación, se revela un método para generar un haz de energía acústica en un pozo de perforación. El método incluye generar de una primera onda acústica en una primera frecuencia; generar una segunda onda acústica en una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la primera onda acústica y segunda onda acústica son generadas por al menos un transductor realizado por una herramienta situada dentro del pozo de perforación; transmitir la primera y la segunda ondas acústicas en un medio acústicamente no lineal, en donde la composición del medio no lineal produce un haz colimado por una mezcla no lineal de la primera y la segunda ondas acústicas, en el que el haz colimado tiene una frecuencia sobre la base de una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia; y transmite el haz colimado a través de una lente acústica divergente para compensar un efecto de refracción causado por la curvatura de la pozo de perforación.

De acuerdo con el método, el método puede incluir, además, reflejar y guiar el haz acústico colimado por un espejo acústico móvil. Por otra parte, el medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular,

las microesferas incrustadas, o una emulsión, o una combinación de los mismos. Además, el haz colimado puede tener un rango de frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. Además, la primera onda acústica y / o la segunda onda acústica pueden tener un rango de frecuencias. Todavía adicionalmente, el método puede incluir transmitir el haz colimado en un material alrededor del pozo de perforación, en el que el material puede ser la formación de roca, cemento, o la carcasa, o una combinación de los mismos. Además, la lente acústica divergente puede ser un espejo o puede ser transmisora. El método puede incluir además transmitir el haz colimado a través de una segunda lente acústica dispuesta a lo largo de un trayecto de transmisión que está entre la lente divergente y el medio no lineal. La segunda lente acústica puede ser una lente convergente y el medio no lineal puede tener una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

De acuerdo con algunos aspectos de la presente divulgación, se revela una herramienta de registro transportado por cable o tubo que se puede colocar dentro de un pozo de perforación. La herramienta puede incluir una cubierta; al menos un transductor, llevado por la cubierta, y configurado para producir una primera onda acústica en una primera frecuencia y una segunda onda acústica en una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; un medio no lineal transportado por la cubierta, en donde la composición del medio no lineal está configurada para producir un haz colimado por una mezcla no lineal de la primera y la segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia; y una lente divergente acústica configurada para transmitir el haz colimado y para compensar un efecto de refracción causado por la curvatura del pozo de perforación.

De acuerdo con la herramienta, la herramienta puede incluir además un espejo acústico móvil que puede estar dispuesto para reflejar y guiar el haz acústico colimado. Por otra parte, el medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, las microesferas incrustadas, o una emulsión, o una combinación de los mismos. Además, el haz colimado puede tener un rango de frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. Además, la primera onda acústica y/o la segunda onda acústica pueden tener un rango de frecuencias. Todavía adicionalmente, la herramienta puede estar dispuesta para transmitir el haz colimado en un material alrededor del pozo de perforación, en el que el material puede incluir la formación de roca, cemento, o la carcasa, o una combinación de los mismos. Además, la lente acústica divergente puede ser un espejo o puede ser transmisora. La herramienta puede además estar dispuesta para transmitir el haz colimado a través de una segunda lente acústica dispuesta a lo largo de un trayecto de transmisión que está entre la lente divergente y el medio no lineal. La segunda lente acústica puede ser una lente convergente y el medio no lineal puede tener una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se revela un dispositivo muy compacto, colocado dentro del pozo de... [Seguir leyendo]

1. Un método para generar un haz de energía acústica en un pozo de perforación, el método comprende:

generar una primera onda acústica en una primera frecuencia;

generar una segunda onda acústica en una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la primera y la segunda ondas acústicas son generadas por al menos un transductor (130, 1415, 1505) realizado por una herramienta situada en el pozo de perforación; y la transmisión de la primera y la segunda ondas acústicas en un medio acústicamente no lineal (140, 1420, 1510) , en el que la composición del medio no lineal (140, 1420, 1510) produce un haz (1425, 1515) colimado por una mezcla no lineal de la primera y la segunda ondas acústicas, en donde el haz (1425, 1515) colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia, caracterizado porque el método comprende además la transmisión de haz (1425, 1515) colimado a través de una lente acústica divergente (1630) para compensar un efecto de refracción causado por la curvatura del pozo de perforación.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además reflejar y guiar el haz (1425, 1515) acústico colimado por un espejo acústico móvil (1320) .

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además transmitir el haz (1425, 1 515) colimado en un material alrededor del pozo.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además transmitir el haz (1425, 1515) colimado a través de una segunda lente (1610) acústica dispuesta a lo largo de un trayecto de transmisión que está entre la lente (1630) divergente y el medio (140, 1420, 1510) no lineal.

5. Una línea de alambre o tubo que transporta la herramienta de registro que se puede colocar dentro de un pozo de perforación, comprendiendo la herramienta:

una cubierta;

al menos un transductor, llevado por la cubierta, y configurado para producir una primera onda acústica a una primera frecuencia y una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; y un medio (140, 1420, 1510) no lineal llevado por la cubierta, en el que la composición del medio (140, 1420, 1510) no lineal está configurado para producir un haz (1425, 1515) colimado por una mezcla no lineal de la primera y segunda ondas acústicas, en el que el haz (1425, 1.515) colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia;

caracterizado porque la herramienta comprende además una lente (1630) acústica divergente configurada para transmitir el haz (1425, 1515) colimado y para compensar un efecto de refracción causado por la curvatura del pozo de perforación.

6. La herramienta según la reivindicación 5, que comprende además un espejo (1320) acústico configurado para reflejar y guiar el haz (1425, 1515) acústico colimado en una dirección dada.

7. El método de la reivindicación 1 o la herramienta según la reivindicación 5, en el que el medio (140, 1420, 1510) no lineal se selecciona del grupo que consiste en: una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, las microesferas incrustadas, una emulsión, y una combinación de los mismos.

8. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el haz (1425, 1515) colimado tiene un rango de frecuencia.

9. El método o herramienta según la reivindicación 8, en el que el rango de frecuencia del haz (1425, 1515) colimado está entre 15 kHz y 120 kHz.

10. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la primera onda acústica tiene un rango de frecuencias.

11. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la segunda onda acústica tiene un rango de frecuencias.

12. La herramienta según la reivindicación 5, en el que la lente acústica divergente está configurada para transmitir el haz (1425, 1515) colimado en un material alrededor del pozo de perforación.

13. El método de la reivindicación 3 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el material es la formación de roca, cemento, o la carcasa, o una combinación de los mismos.

14. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la lente acústica divergente es un espejo.

15. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la lente (1630) acústico divergente es transmisora.

16. La herramienta según la reivindicación 5, que comprende además una segunda lente (1610) acústica configurada

dispuesta a lo largo de una vía de transmisión que está entre la lente (1630) divergente y el medio (140, 1420, 1510) no lineal.

17. El método de la reivindicación 4 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la segunda lente (1610) acústica es una lente convergente.

18. El método de la reivindicación 1 o la herramienta de acuerdo con la reivindicación 5, en el que el medio (140, 1420, 15 1510) no lineal tiene una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.