Dispositivo y método para generar un haz de energía acústica desde un orificio de perforación y aplicaciones del mismo.

Un dispositivo, colocado dentro de un orificio de perforación,

configurado para generar y dirigir un haz acústico en una formación rocosa alrededor del orificio de perforación, comprendiendo el dispositivo: una fuente (110) configurada para generar una primera señal (f1) a una primera frecuencia y una segunda señal (f2) a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; un arreglo de transductores (130, 210, 710, 820, 910, 1015, 1205, 1305, 1415, 1505) localizado dentro del orificio de perforación y configurado para recibir la primera señal generada y la segunda señal generada, en donde se configura el primer grupo de transductores del arreglo de transductores para generar una onda acústica a la primera frecuencia y un segundo grupo de transductores del arreglo de transductores para generar una onda acústica a la segunda frecuencia; y un material no lineal (140, 220, 720, 830, 920, 1020, 1210, 1310, 1420, 1510) acoplado a los transductores (130, 210), configurado para generar un haz colimado (730, 810, 930, 1025, 1215, 1315, 1425, 1515) con una frecuencia igual a la diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia mediante un proceso de mezcla no lineal, en donde el material no lineal incluye uno o más de una mezcla de líquidos, un sólido, un material granulado, microesferas incrustadas, o una emulsión, y en donde el haz colimado tiene una frecuencia de 20 kHz a 120 kHz.

Dispositivo y método para generar un haz de energía acústica desde un orificio de perforación y aplicaciones del mismo.

Derechos del gobierno

Esta invención se realizó con el apoyo del Gobierno en virtud del Acuerdo de Investigación y Desarrollo en Colaboración (CRADA) Contrato número DE-AC52-6NA25396 otorgado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El Gobierno puede tener ciertos derechos en esta invención.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a la verificación acústica de formaciones rocosas alrededor de un orificio de perforación y más particularmente a la utilización de la combinación de una fuente acústica que incluye un solo transductor o un arreglo de transductores en la perforación acoplado a un material no lineal para producir un haz acústico como herramienta de ingreso desde un orificio de perforación para verificar las propiedades de las formaciones rocosas y de los materiales que rodean al orificio de perforación.

Antecedentes de la Invención

La verificación acústica de las características del subsuelo tiende a estar limitada por el tamaño y la potencia de las fuentes prácticas, y en la práctica, la salida de los transductores acústicos del fondo del pozo está limitada por las capacidades de transmisión de la energía del cable de la línea alámbrica. Las señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta, mientras que las señales de baja frecuencia generalmente requieren de fuentes grandes, afianzadas a la pared del orificio de perforación, para maximizar la transferencia de la energía a la formación y minimizar las señales indeseables dentro de la perforación. Es difícil generar una señal del haz acústico colimado en el intervalo de 1 kHz - 1 kHz desde el orificio de perforación para sondear la formación rocosa que rodea un orificio de perforación con transductores convencionales de baja frecuencia. Las fuentes acústicas convencionales de baja frecuencia en este intervalo de frecuencia tienen un ancho de banda bajo, menor al 3 % de la frecuencia central, y una dispersión del haz muy grande que depende de la frecuencia, de tal forma que a medida que la frecuencia disminuye, se incrementa la dispersión del haz. Un enfoque nítido requiere que se satisfagan una cantidad de condiciones, incluyendo un arreglo de una fuente larga, el acoplamiento uniforme de todos los transductores a la formación rocosa alrededor del orificio de perforación y el conocimiento de las velocidades acústicas de la formación rocosa. En el medio ambiente del orificio de perforación, estas condiciones frecuentemente no se pueden lograr a causa de las restricciones físicas subyacentes, la factibilidad del diseño o las condiciones operativas.

Las fuentes de los haces acústicos basadas en una mezcla no lineal de las ondas acústicas han sido propuestas para aplicaciones generales en un medio fluido, tal como un sonar submarino, desde los años 195. Para las aplicaciones en el subsuelo, la patente de los Estados Unidos No. 3.974.476 a favor de Cowles describe una fuente acústica para la inspección de los orificios de perforación. La divulgación de Cowles describe un dispositivo para la generación de una fuente acústica que no es físicamente posible en un orificio de perforación del tamaño típico utilizado por la industria del petróleo y del gas. Por ejemplo, la generación de un haz de frecuencia de 1 kHz mezclando dos frecuencias de alrededor de 5 MHz en el medio ambiente del orificio de perforación viola principios físicos básicos. Una herramienta típica de ingreso por cable tiene un diámetro de 3 5/8 pulgadas (9,2 cm), por consiguiente la longitud de onda de una onda de 1 kHz en un fluido típico de 15 m/s será de 1,5 m. Esto representa cerca de 1 veces el diámetro del orificio de perforación. Esta onda acústica de 1 kHz no puede permanecer colimada sin violar el principio de incertidumbre básico de la física de difracción de ondas. Además, la mezcla de frecuencias de 5 MHz para generar una onda de 1 kHz representa una disminución de la relación de frecuencia de 5:1, que no se ha demostrado que se pueda lograr en la práctica. Las dimensiones de la longitud de la herramienta propuesta por Cowles de 4,5 m es demasiado larga e impráctica para que se ajuste a las fibras de ingreso actuales.

La patente de los Estados Unidos No. 5.521.882 describe el uso de una herramienta acústica en un orificio de perforación para medir una característica de una formación terrestre alrededor del orificio de perforación. La herramienta acústica se utiliza para generar la primera y segunda señales de frecuencias diferentes que se mezclan para dar como resultado una tercera señal que tiene una frecuencia igual a la diferencia de la primera y segunda señales.

Resumen de la Invención

De acuerdo con un aspecto de la invención, se divulgan un dispositivo y un método de acuerdo con las reivindicaciones independientes.

Estos y otros objetos, particularidades y características de la presente invención, así como los métodos de operación y las funciones de los elementos de estructura relacionados y la combinación de partes y la economía de la fabricación, se harán más evidentes después de la consideración de la siguiente descripción y de las reivindicaciones anexas con referencia a las figuras que se acompañan, todo lo cual forma forman parte de esta especificación, en donde los números de referencia similares designan las partes correspondientes en las diversas figuras. Se debe entender expresamente, sin embargo, que las figuras son para propósitos de ilustración y descripción solamente y no pretenden definir los límites de la invención. Cuando se utilice en la especificación y en las reivindicaciones, la forma singular de "un", "uno, una", y "el, la" incluyen las formas plurales a menos que el contexto lo exprese claramente de otra manera.

Breve descripción de las figuras

La figura 1 muestra un diagrama generalizado del dispositivo para producir el haz colimado de acuerdo con un aspecto de la invención.

Las figuras 2a, 2b y 2c muestran diferentes modos de generar una diferencia de frecuencia a través de un proceso no lineal de acuerdo con aspectos de la invención.

Las figuras 3a y 3b muestran comparaciones de los resultados experimentales y las predicciones teóricas de la mezcla no lineal en agua en términos de la amplitud del haz colimado y la posición axial (dirección z).

Las figuras 4a y 4b muestran los resultados experimentales de la mezcla no lineal en agua como el medio no lineal en términos de la amplitud del haz colimado a varias frecuencias excitadas y en las posiciones axial (dirección z) y

lateral (dirección x).

Las figuras 5a y 5b muestran un aspecto de la invención en donde el haz colimado es producido por un incremento

repentino de modulación.

Las figuras 6a, 6b y 6c muestra un aspecto de la invención en donde el haz colimado es producido por un Incremento repentino de modulación.

Las figuras 7a, 7b, y 7c muestran un aspecto de la invención en donde el haz colimado es producido por el proceso de mezclado no lineal utilizando un bloque de espuma de CNC.

La figura 8 muestra un aspecto de la invención en donde el haz colimado es producido por el proceso de mezclado no lineal que utiliza un bloque de espuma de CNC transmitido a través de un tubo de aluminio encerrado.

La figura 9 muestra un aspecto de la invención en donde el haz colimado producido por el proceso de mezclado no lineal utiliza el bloque cerámico 31M como el material no lineal.

La figura 1 muestra un aspecto de la Invención en donde el dispositivo es utilizado para caracterizar las formaciones y/o los materiales cercanos al orificio de perforación.

La figura 11 muestra los ejes de rotación correspondientes de la guía del haz acústico de acuerdo con un aspecto de la Invención.

La figura 12 muestra un aspecto de la invención en donde el haz colimado, producido por el proceso de mezclado no lineal que utiliza el bloque cerámico 31M como el material no lineal, penetra una cubierta del tubo metálico.

Las figuras 13a y 13b muestran un aspecto de la invención en donde el haz colimado después del direccionamiento con un espejo acústico sale de la cubierta del tubo metálico.

La figura 14 muestra un aspecto de la invención en donde el dispositivo es utilizado con o sin un sistema de enfoque acústico para observar directamente hacia abajo un orificio de perforación.

Las figuras 15a, 15b y 15c muestran una distribución experimental y los resultados de la formación de Imágenes de un objeto fuera del tubo de acuerdo con un aspecto de la Invención.

1. Un dispositivo, colocado dentro de un orificio de perforación, configurado para generar y dirigir un haz acústico en una formación rocosa alrededor del orificio de perforación, comprendiendo el dispositivo:

una fuente (11) configurada para generar una primera señal (fi) a una primera frecuencia y una segunda señal (f2) a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia;

un arreglo de transductores (13, 21, 71, 82, 91, 115, 125, 135, 1415, 155) localizado dentro del orificio de perforación y configurado para recibir la primera señal generada y la segunda señal generada, en donde se configura el primer grupo de transductores del arreglo de transductores para generar una onda acústica a la primera frecuencia y un segundo grupo de transductores del arreglo de transductores para generar una onda acústica a la segunda frecuencia; y

un material no lineal (14, 22, 72, 83, 92, 12, 121, 131, 142, 151) acoplado a los transductores (13, 21), configurado para generar un haz colimado (73, 81, 93, 125, 1215, 1315, 1425, 1515) con una frecuencia igual a la diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia mediante un proceso de mezcla no lineal, en donde el material no lineal incluye uno o más de una mezcla de líquidos, un sólido, un material granulado, microesferas incrustadas, o una emulsión, y en donde el haz colimado tiene una frecuencia de 2 kHz a 12 kHz.

2. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

una guía del haz acústico (13, 132, 1525) configurada para guiar el haz colimado en una dirección dada.

3. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la guía del haz acústico (13, 132, 1525) incluye un reflector acústico, una lente acústica, o ambos.

4. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

un receptor (15, 155, 144, 153) configurado para recibir el haz colimado después de haber sido reflejado o retrodispersado desde una inhomogeneidad en la formación.

5. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el receptor incluye más de un receptor dispuesto a lo largo de una dirección axial del dispositivo dentro del orificio de perforación.

6. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el receptor incluye más de un receptor dispuesto en un orificio de perforación diferente.

7. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el arreglo de transductores está dispuesto en una configuración lineal, circular, un círculo relleno, o cuadrada.

8. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además:

una carcasa (165, 1325, 152) configurada para alojar el arreglo de transductores, el material no lineal y la guía del haz acústico dentro del orificio de perforación.

9. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

un codificador configurado para codificar el haz colimado con un código variable en el tiempo mediante la introducción de un componente variable en el tiempo que incluye uno o más de una modulación de frecuencia o barrido de frecuencia para una de la primera y la segunda señales.

1. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en donde los componentes que varían con el tiempo incluyen una variación de la amplitud, la frecuencia, y/o la fase.

11. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el reflector acústico está configurado para controlar la dirección de propagación del haz colimado o la lente acústica está configurada para enfocar el haz colimado.

12. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz colimado es analizado por un procesador (16) para crear una imagen, que puede ser una imagen tridimensional, de la formación rocosa alrededor del orificio de perforación.

13. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz colimado tiene una frecuencia entre 2 kHz y 1 kHz.

14. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las frecuencias de la primera y segunda señales están entre 3 kHz y 2 MHz.

15. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la longitud del material no lineal está entre 5 cm y 2 m.

16. Un método para la generación de un haz de energía acústica en una formación rocosa penetrada por un orificio de perforación, comprendiendo el método:

generar una primera onda acústica (fe) a una primera frecuencia;

generar una segunda onda acústica (fe) a una segunda frecuencia diferente a la primera frecuencia, en donde la primera onda acústica y la segunda onda acústica son generadas por un arreglo de transductores (13, 21, 71, 82, 91, 115, 125, 135, 1415, 155) localizado dentro del orificio de perforación, la primera onda acústica siendo generada por un primer grupo de transductores del arreglo de transductores y la segunda onda acústica siendo generada por un segundo grupo de transductores del arreglo de transductores;

transmitir la primera y segunda ondas acústicas en un medio acústicamente no lineal (14, 22, 72, 83, 92, 12, 121, 131, 142, 151) para producir un haz colimado (73, 81, 93, 125, 1215, 1315, 1425, 1515) mediante una mezcla no lineal de la primera y la segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado se propaga a través del medio no lineal en una misma dirección que una dirección inicial de la primera y la segunda ondas acústicas y tiene una frecuencia igual a una diferencia de la primera y la segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado tiene una frecuencia de 2 kHz a 12 kHz, y en donde el medio no lineal incluye uno o más de una mezcla de líquidos, un sólido, un material granulado, microesferas incrustadas o una emulsión; y

dirigir el haz colimado, usando una guía del haz acústico (13, 132, 1525), en una dirección dada lejos del orificio de perforación en la formación rocosa.

17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende además:

recibir el haz colimado en uno o más receptores (15, 155, 144, 153) después de que ha sido reflejado o retrodispersado desde una inhomogeneidad en la formación, los materiales cerca del orificio de perforación, o ambos.

18. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en donde uno o más receptores están localizados en el orificio de perforación.

19. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en donde uno o más receptores están localizados en otro orificio de perforación.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, en donde la guía del haz acústico incluye un reflector acústico, una lente acústica o ambos.

21. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el arreglo de transductores, el medio acústicamente no lineal, la guía del haz acústico, y los receptores están dispuestos dentro de un receptáculo (165, 1325, 152).

22. Un método de acuerdo con la reivindicación 18, que comprende además:

analizar el haz colimado después de que ha sido reflejado o retrodispersado desde una inhomogeneidad en la formación para generar una imagen de la formación rocosa, los materiales cerca del orificio de perforación, o ambos.

23. Un método de acuerdo con la reivindicación 19, que comprende además:

analizar el haz colimado después de que ha sido reflejado o retrodispersado desde una inhomogeneidad en la formación para generar una imagen de la formación rocosa entre los orificios de perforación y para generar información para caracterizar las propiedades lineales y no lineales de la formación rocosa y los contenidos del fluido que rodean el orificio de perforación, o para generar imágenes de zonas invadidas, la unión de cemento, las zonas dañadas, las zonas fracturadas, las capas est rati g ráf i cas, y las fuentes de dispersión.

24. Un método de acuerdo con la reivindicación 2 o 21, que comprende además:

codificar el haz colimado con un código variable con el tiempo mediante la introducción de un componente variable con el tiempo que incluye uno o más de barrido de frecuencia o modulación para una de la primera y la segunda señales acústicas, en donde el análisis comprende utilizar la codificación para medir un tiempo de propagación de la 5 tercera señal.

25. Un método de acuerdo con la reivindicación 24, en donde los componentes variables con el tiempo comprenden una variación en la amplitud, la frecuencia, y/o la fase.

26. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en donde:

el haz colimado es dirigido controlando selectivamente el azimut de la guía acústica del haz (115) mediante 1 rotación alrededor de un eje guía (111) y la inclinación (1115) entre el plano de la guía y el eje de guía (111);

y en donde el método comprende además

recibir el haz colimado en uno o más receptores localizados en el orificio de perforación después de que ha sido reflejado o retrodispersado desde una inhomogeneidad en la formación, los materiales cerca del orificio de perforación, o ambos.