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

Un método para generar un haz colimado de energía acústica dentro de una herramienta de registro y dirigido en un pozo de perforación,

el método que 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;

transmitir la primera y la segunda ondas acústicas en un medio (140, 1420, 1510) acústicamente no lineal dentro de la herramienta de registro, en donde el medio (140, 1420, 1510) no lineal 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 el primer rango de frecuencia y la segunda frecuencia, caracterizado porque el medio (140, 1420, 1510) no lineal, se selecciona a partir de materiales que tienen una velocidad de sonido entre 100 m/s y 800 m/s, un parámetro beta no lineal entre 2 y 50, y un factor de calidad Q superior a 30.

Dispositivo y método para generar un haz colimado de energía acústica en un pozo de perforación Derechos del gobierno 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 para 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 colimado de energía acústica en un pozo de perforación. El método puede incluir 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 donde el haz colimado tiene una frecuencia sobre la base de una diferencia entre el primer rango de frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el medio no lineal tiene una baja velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

De acuerdo con el método, el medio no lineal tiene un parámetro beta (ß) de no linealidad entre 2 y 50 y un factor de calidad Q superior a 30. El medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, y/o una emulsión. El haz colimado puede tener un rango de frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. La primera frecuencia y/o la segunda frecuencia pueden incluir un rango de frecuencias. El haz colimado se puede transmitir en un material alrededor del pozo de perforación, en donde el material puede incluir la formación de roca, cemento, y/o material de carcasa. El haz colimado se puede reflejar y guiar por un espejo acústico móvil.

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, configurado para generar y dirigir un haz acústico colimado en 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; y 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 en donde el medio no lineal tiene una velocidad de sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

De acuerdo con la herramienta, el medio no lineal tiene un parámetro beta de no linealidad entre 2 y 50 y un factor de calidad Q superior a 30. El medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, y/o una emulsión. El haz colimado puede tener un rango de frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. La primera frecuencia y/o la segunda frecuencia pueden incluir un rango de frecuencias. El haz colimado se puede transmitir en un material alrededor del pozo de perforación, en donde el material puede incluir la formación de roca, cemento, y/o material de carcasa. El haz colimado se puede reflejar y guiar por un espejo acústico móvil.

De acuerdo con un aspecto de la invención, se revela un dispositivo muy compacto, colocado dentro del pozo de perforación, configurado para generar y dirigir un haz colimado acústico en los materiales y la formación de roca alrededor de un pozo de perforación. El dispositivo incluye un transductor dispuesto dentro de una herramienta de registro en el pozo de perforación y configurado para recibir una primera señal electrónica en una primera frecuencia y una segunda señal electrónica en una segunda frecuencia generada por una o más fuentes electrónicas y producir ondas acústicas primarias en la primera frecuencia y la segunda frecuencia; y un material no-lineal de baja velocidad acústica dispuesto en una trayectoria de transmisión de estas ondas acústicas primarias en la herramienta de registro y configurado para generar un haz colimado acústico secundario con una frecuencia igual a una diferencia de frecuencias entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia por un proceso de mezcla serie paramétrico no lineal. El material no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas embebidas, y/o una emulsión con propiedades... [Seguir leyendo]

1. Un método para generar un haz colimado de energía acústica dentro de una herramienta de registro y dirigido en un pozo de perforación, el método que 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;

transmitir la primera y la segunda ondas acústicas en un medio (140, 1420, 1510) acústicamente no lineal dentro de la herramienta de registro, en donde el medio (140, 1420, 1510) no lineal 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 el primer rango de frecuencia y la segunda frecuencia, caracterizado porque el medio (140, 1420, 1510) no lineal, se selecciona a partir de materiales que tienen una velocidad de sonido entre 100 m/s y 800 m/s, un parámetro beta no lineal entre 2 y 50, y un factor de calidad Q superior a 30.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el medio (140, 1420, 1510) no lineal, se selecciona entre el grupo que consiste en: una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, una emulsión, y combinaciones de los mismos.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el haz (1425, 1515) colimado tiene un rango de frecuencias.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el rango de frecuencia del haz (1425, 1515) colimado es entre 15 kHz y 120 kHz.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la primera frecuencia comprende un rango de frecuencias.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la segunda frecuencia comprende un rango de frecuencias.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además transmitir el haz (1425, 1515) colimado en un material alrededor del pozo de perforación.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el material es la formación de roca, cemento, o la carcasa,

o una combinación de los mismos.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además reflejar y guiar el haz (1425, 1515) colimado acústico por medio de un espejo (1320) acústico móvil.

10. Una herramienta de registro transportado por cable o tubo desplegada dentro de un pozo de perforación, configurado para generar y dirigir un haz (1425, 1515) colimado acústico dentro de la herramienta, la herramienta que comprende:

una cubierta (1435, 1520) ;

al menos un transductor (130, 1415, 1505) , 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; y un medio (140, 1420, 1510) no lineal soportado por la cubierta, en donde el medio (140, 1420, 1510) no lineal está configurado para producir un haz (1425, 1515) colimado, mediante 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 medio (140, 1420, 1510) no lineal se selecciona a partir de materiales que tienen una velocidad de sonido entre 100 m/s y 800 m/s, un parámetro beta no lineal entre 2 y 50, y un factor de calidad Q superior a 30.

11. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el medio (140, 1420, 1510) no lineal se selecciona entre el grupo que consiste de: una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas incrustadas, una emulsión, y una combinación de los mismos.

12. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el haz (1425, 1515) colimado tiene un rango de frecuencias.

13. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el rango de frecuencia del haz (1425, 1515) colimado es entre 15 kHz y 120 kHz.

14. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la primera frecuencia comprende un rango de frecuencias.

15. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la segunda frecuencia comprende un rango de frecuencias.

16. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la herramienta está configurada para transmitir el 10 haz (1425, 1515) colimado en un material alrededor del pozo de perforación.

17. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 16, en donde el material es la formación de roca, cemento, o la carcasa, o una combinación de los mismos.

18. La herramienta de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende además un espejo (1320) acústico, móvil configurado para reflejar y guiar el haz (1425, 1515) colimado acústico.