Método y sistema para generar un haz de energía acústica desde un barreno y aplicaciones del mismo.

Un método para generar un haz de energía acústica en formaciones rocosas penetradas por un barreno,

comprendiendo el método:

generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1);

generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia, donde laprimera señal acústica y la segunda señal acústica son generadas por una disposición (230, 905, 920) detransductores (220) localizada dentro del barreno (130, 910, 1020), donde la primera señal acústica y la segundaseñal acústica son colineales y producen, por mezcla colineal un haz acústico colimado (150) en la formaciónrocosa;

recibir en uno o más receptores (915), a través de la formación rocosa, una señal recibida que resulta de lainteracción del haz acústico colimado con una inhomogeneidad de la formación rocosa a medida que el haz acústicocolimado se propaga a través de la formación rocosa; y

analizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

Método y sistema para generar un haz de energía acústica desde un barreno y aplicaciones del mismo

Derechos del Gobierno

Está invención está hecha con soporte del Gobierno y el contrato de Investigación Cooperativa y Acuerdo para el Desarrollo (CRADA) número 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 relaciona en general con la auscultación acústica de formaciones de roca alrededor de un barreno y más particularmente con el uso de la combinación de una fuente acústica que incluye un transductor sencillo o un arreglo de transductores en la perforación del pozo y en la formación cercana a la perforación del pozo acústicamente no lineal como fuente de un haz acústico.

Antecedentes

La auscultación acústica de la subsuperficie tiende a ser limitada por el tamaño y potencia de las fuentes prácticas, y en la práctica, el rendimiento de transductores acústicos en el fondo de la perforación está limitado por las capacidades de transmisión de energía del cable de la línea de alambre. Las señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta mientras que las señales de frecuencia baja generalmente requieren fuentes grandes, fijadas a la pared del barreno, para maximizar la transferencia de energía a la formación y minimizar señales no deseadas dentro de la perforación del pozo. Se han hecho intentos para producir tales señales de baja frecuencia, pero cada una tiene sus propias deficiencias. Por ejemplo, la Patente de los Estados Unidos No. 5, 521, 882 de D´Angelo et al., divulga una herramienta acústica diseñada para registrar ondas no lineales que se propagan a lo largo del barreno y que se refractan hacia atrás en el pozo, con una penetración limitada sobre la formación rocosa circundante. La Patente de los Estados Unidos No. 7, 301, 852 de Leggett, III et al., divulga el uso de un ensamblaje del fondo del pozo que tiene una disposición de transductores localizada en extremos opuestos del dispositivo para producir las señales que convergen en un ángulo, tal como lo informan Johnson et al (1987) . Las señales de la mezcla no lineal en un ángulo son extremadamente débiles y difusas y no penetrarían profundamente en la formación rocosa circundante. A la luz de estos intentos anteriores, hay necesidad de una fuente de señal acústica que pueda producir energía de baja frecuencia desde el barreno en un ambiente subsuperficie. La US 5521882 divulga aparatos y métodos para determinar una indicación de una propiedad no lineal de una formación atravesada por un barreno, utilizando una herramienta acústica en el barreno. La GB2404983 divulga una herramienta de acceso acústico para desplegar en un barreno para generar señales acústicas de frecuencia baja direccionales para sondeo de pozos. La US 6009043 divulga un método para determinar la continuidad de formaciones en la tierra entre barrenos analizando la energía sísmica impartida a las formaciones.

Resumen

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un método para generar un haz de energía acústica en una formación rocosa penetrada por un barreno. El método comprende la generación de una primera señal acústica en una primera frecuencia; la generación de una segunda señal acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica se generan mediante una disposición de transductores localizados dentro del barreno; transmisión de la primera y segunda señales acústicas a una porción acústicamente no lineal de la formación rocosa por fuera del barreno; combinar la primera y segunda señales acústicas mediante un proceso de mezclado de tres ondas para generar una tercera señal colimada en la formación rocosa, donde la tercera señal colimada se propaga a través de la formación rocosa en una misma dirección que la dirección inicial de la primera y segunda señales acústicas y tiene una segunda frecuencia igual a una diferencia de la primera y segunda señales acústicas y una amplitud que depende de una propiedad no lineal de la formación rocosa; recepción de la tercera señal en uno o más receptores después de que ha sido reflejada o dispersada como consecuencia de una falta de homogeneidad en la formación; y analizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un sistema para determinar información acerca de una formación rocosa penetrada por un barreno. El sistema comprende uno o más transductores configurados para generar una primera señal acústica a una primera frecuencia y generar una segunda señal acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; uno o más receptores en comunicación con el uno o más transductores, configurados los receptores para detectar a través de la formación rocosa una tercera señal que es el resultado de la interacción de la primera y segunda señales acústicas en la región de la formación rocosa por fuera del barreno, en donde la tercera señal es detectada después de pasar a través de una porción de la formación rocosa y un procesador programable con instrucciones de máquina ejecutables para analizar la señal recibida con el fin de determinar información acerca de la formación rocosa.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se provee un sistema para caracterizar una propiedad no lineal de una formación rocosa penetrada por un primer barreno. El sistema comprende uno o más transductores configurados para generar una primera señal acústica a una primera frecuencia y generar una segunda señal acústica a una

segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la disposición está dispuesta en el primer barreno; uno o más receptores, dispuestos en un segundo barreno, y en comunicación con el uno o más transductores, configurados los receptores para detectar a través de la formación rocosa una tercera señal que es el resultado de la interacción de la primera y segunda señales acústicas en la región de la formación rocosa por fuera del primer barreno, en donde la tercera señal detectada se detecta después de viajar a través de una porción de la formación rocosa y reflejarse desde una no homogeneidad. Y un procesador programable con instrucciones de máquina ejecutables para analizar la señal recibida para determinar información acerca de la formación rocosa en la región de interacción no lineal entre el primero y segundo barrenos.

Estos y otros objetivos, rasgos y características de la presente invención, así como los métodos de operación y funciones de los elementos relacionados de la estructura y la combinación de partes y economías de manufactura, serán evidentes al considerar la siguiente descripción y las reivindicaciones anexas con referencia a los dibujos acompañantes, todos los cuales forman una parte de esta especificación, en donde los numerales de referencia similares designan partes correspondientes en las diversas figuras. Debe entenderse expresamente, sin embargo, que los dibujos tienen el propósito de ilustración y descripción solamente y que no se entienden como una definición de los límites de la invención. Tal como se utiliza en la especificación y en las reivindicaciones, la forma singular de “un”, “una” y “el/la” incluyen los referentes plurales a menos que el contexto claramente dicte otra cosa.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 en general muestra como ocurre el fenómeno de mezcla de tres ondas para ondas P en la presencia de un barreno, en el cual dos ondas incidentes en dos frecuencias diferentes, f1 y f2 se emiten en la formación, y, como resultado de las propiedades no lineales de las formación, llevan a la generación de una tercera onda con una frecuencia baja de f_ = f2 – f1.

La figura 2 muestra un diseño de prueba experimental dispuesto de acuerdo con un aspecto de la invención.

Las figura 3a, 3b y 3c muestran algunos resultados de la disposición del diseño de prueba experimental de la figura 2, ilustrando la señal de haz de 5kHZ clara coherente generada por la mezcla de dos haces primarios con frecuencias de 38 y 43 kHZ.

La figura 4 muestra la geometría de la fuente localizada en el barreno y la región de mezcla localizada por fuera del barreno... [Seguir leyendo]

1. Un método para generar un haz de energía acústica en formaciones rocosas penetradas por un barreno, comprendiendo el método:

generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1) ;

generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia, donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica son generadas por una disposición (230, 905, 920) de transductores (220) localizada dentro del barreno (130, 910, 1020) , donde la primera señal acústica y la segunda señal acústica son colineales y producen, por mezcla colineal un haz acústico colimado (150) en la formación rocosa;

recibir en uno o más receptores (915) , a través de la formación rocosa, una señal recibida que resulta de la interacción del haz acústico colimado con una inhomogeneidad de la formación rocosa a medida que el haz acústico colimado se propaga a través de la formación rocosa; y

analizar la señal recibida para determinar la información acerca de la formación rocosa.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, donde el uno o más receptores están localizados en otro barreno (1060) .

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la señal recibida es recibida por uno o más receptores por transmisión, reflexión y retrodispersión.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el uno o más receptores están localizados en el mismo barreno (910) .

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente hacer rotar la disposición (905, 920) de transductores alrededor de un eje del barreno con el fin de controlar un azimut de la primera (110) y la segunda (120) señales acústicas.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

controlar una inclinación del haz acústico colimado (150) en un plano que pasa a través del eje del barreno (130, 910, 1020) .

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el control comprende introducir un control de una fase relativa entre al menos dos de los transductores en la disposición.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde el control comprende el uso de uno o más actuadores para cambiar la inclinación de la disposición.

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

controlar el azimut y una inclinación del haz acústico colimado (150) con respecto al barreno.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, 7, 8 o 9, donde el análisis comprende adicionalmente procesar la señal recibida para generar una imagen de la formación rocosa.

11. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:

codificar el haz acústico colimado (150) con un código variable con el tiempo introduciendo un componente variable con el tiempo que incluye uno o más barridos de chirrido o frecuencia a una de la primera (110) y la segunda (120) señales acústicas,

donde el análisis comprende utilizar la codificación para medir un tiempo de vuelo de la señal recibida.

12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en donde los componentes variables con el tiempo comprenden una variación en amplitud, frecuencia y/o fase.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, que comprende adicionalmente:

utilizar la retroalimentación desde el uno o más receptores (915) para orientar la primera (110) y segunda (120) señales acústicas combinadas para maximizar una fuerza de señal de la señal recibida.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende adicionalmente generar una medición de las propiedades no lineales de la formación rocosa próxima al barreno (130, 910, 1020) , de acuerdo con (X1) / (X2) que es igual al producto de º ( (señal medida (X1, Yi) ) (señal medida X2, Yi) ) ) y un factor de ponderación para Yi para todo los i, donde X1 es una primera localización generadora dentro de un primer barreno, X2 es una segunda localización generadora dentro del primer barreno, y Yi es una localización receptora ia dentro de un segundo barreno para determinar las fuerzas relativas de una formación no lineal alrededor del primer barreno.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz acústico colimado (150) tiene una directividad bien definida tanto en la dirección de un azimut como de inclinación.

16. Un sistema para determinar la información alrededor de una formación rocosa penetrada por un barreno (130, 910, 1020) comprendiendo el sistema:

uno o más transductores (220) configurados para generar una primera señal acústica (110) a una primera frecuencia (f1) y generar una segunda señal acústica (120) a una segunda frecuencia (f2) diferente de la primera frecuencia y dispuesta para producir, por una mezcla colineal entre la primera señal acústica y la segunda señal acústica, un haz acústico colimado (150) en la formación rocosa;

uno o más receptores (915) configurados para detectar a través de la formación rocosa una señal recibida que

proviene de la interacción del haz acústico colimado (150) con una inhomogeneidad en la formación rocosa a medida que el haz acústico colimado se propaga a través de la formación rocosa; y

un procesador (1245) programable con instrucciones ejecutables por máquina para analizar la señal recibida para determinar información acerca de la formación rocosa.

17. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16, para caracterizar una propiedad no lineal de dicha formación 15 rocosa, en donde:

el uno o más receptores (915) están dispuestos en un segundo barreno (1060) ; y

el procesador (1245) determina información acerca de la formación rocosa entre el barreno (1020) y el segundo barreno (1060) .

18. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, donde el uno o más transductores (220) están configurados 20 en una disposición (230, 905, 920) .

19. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, en donde el procesador (1245) es programable adicionalmente con instrucciones ejecutables por máquina para producir una imagen de la formación rocosa.