Title:
In-situ-Messung von Geschwindigkeit und Abschwächung von Bohrlochflüssigkeit in einem Ultraschall-Abtastwerkzeug
Document Type and Number:
Kind Code:
T5

Abstract:

Ein beispielhaftes Futterrohr- und Zementbewertungswertzeug kann einen Werkzeugkörper und einen drehenden Abschnitt, der an den Werkzeugkörper gekoppelt ist, beinhalten. Ein erster Wandler kann an den drehenden Abschnitt an einem radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt sein. Ein zweiter Wandler kann an den drehenden Abschnitt an einem anderen radialen Versatz von der Längsachse des Werkzeugs gekoppelt sein.





Inventors:
Mandal, Batakrishna, Tex. (Missouri City, US)
Application Number:
DE112016000854T
Publication Date:
11/09/2017
Filing Date:
04/28/2016
Assignee:
Halliburton Energy Services, Inc. (Tex., Houston, US)
International Classes:
E21B47/00; G01V1/40; G01V1/50
Attorney, Agent or Firm:
Fleuchaus & Gallo Partnerschaft mbB, 81369, München, DE
Claims:
1. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug, umfassend:
einen Werkzeugkörper;
einen drehenden Abschnitt, der an den Werkzeugkörper gekoppelt ist;
einen ersten Wandler, der an den drehenden Abschnitt an einem radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist; und
einen zweiten Wandler, der an den drehenden Abschnitt an einem anderen radialen Versatz von der Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist.

2. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 1, wobei der erste Wandler und der zweite Wandler um 180° in Bezug auf den drehenden Abschnitt versetzt sind.

3. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 1, wobei der drehende Abschnitt einen drehenden Kopf umfasst, der an einem distalen Ende des Werkzeugkörpers positioniert ist und durch einen Antriebsmechanismus, der sich innerhalb des Werkzeugkörpers befindet, gedreht wird.

4. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1–3, ferner umfassend ein Informationshandhabungssystem, das kommunikativ mit dem ersten und zweiten Wandler gekoppelt ist und für Folgendes ausgelegt ist:
Empfangen, von dem ersten Wandler, eines ersten Echosignals entsprechend einem ersten akustischen Impuls, der durch den ersten Wandler übertragen wird;
Empfangen, von dem zweiten Wandler, eines zweiten Echosignals entsprechend einem zweiten akustischen Impuls, der durch den zweiten Wandler übertragen wird; und
Bestimmen einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit einer Bohrlochflüssigkeit, in der der Werkzeugkörper positioniert ist, basierend zumindest teilweise auf dem empfangenen ersten Echosignal und dem empfangenen zweiten Echosignal.

5. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 4, wobei das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt ist, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem empfangenen ersten Echosignal und dem empfangenen zweiten Echosignal durch Durchführen der folgenden Schritte zu bestimmen:
Bestimmen einer ersten Ankunftszeit, die mit dem ersten Echosignal assoziiert ist;
Bestimmen einer zweiten Ankunftszeit, die mit dem zweiten Echosignal assoziiert ist; und
Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit.

6. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 5, wobei das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt ist, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen zu bestimmen: wobei ID einem Innendurchmesser eines Futterrohrs, in dem der Werkzeugkörper positioniert ist, entspricht; t1 der ersten Ankunftszeit entspricht; t2 der zweiten Ankunftszeit entspricht; r dem radialen Versatz des ersten Wandlers entspricht; und dr der Differenz zwischen dem radialen Versatz des ersten Wandlers und dem radialen Versatz des zweiten Wandlers entspricht.

7. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 4, wobei das Informationshandhabungssystem ferner dazu ausgelegt ist, eine frequenzbasierte Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal zu bestimmen.

8. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 7, wobei das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt ist, die frequenzbasierte Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal durch Durchführen der folgenden Schritte zu bestimmen:
Umwandeln des ersten und zweiten Echosignals in die Frequenzdomäne;
entsprechendes Vergleichen des umgewandelten ersten und zweiten Echosignals mit den Frequenzspektren des ersten akustischen Impulses und des zweiten akustischen Impulses.

9. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schleifring zwischen dem Werkzeugkörper und dem drehenden Abschnitt des Werkzeugkörpers.

10. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 1, ferner umfassend ein feldprogrammierbares Gate-Array, das teilweise den ersten Wandler und den zweiten Wandler steuert.

11. Verfahren, umfassend:
Übertragen eines ersten akustischen Impulses von einem ersten Wandler, der innerhalb einer Bohrlochflüssigkeit positioniert ist, wobei der erste Wandler an einen drehenden Abschnitt eines Downhole-Werkzeugs an einem radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist;
Empfangen, an dem ersten Wandler, eines ersten Echosignals entsprechend dem ersten akustischen Impuls;
Übertragen eines zweiten akustischen Impulses von einem zweiten Wandler, der innerhalb einer Bohrlochflüssigkeit positioniert ist, wobei der zweite Wandler an den drehenden Abschnitt des Downhole-Werkzeugs an einem anderen radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist;
Empfangen, an dem zweiten Wandler, eines zweiten Echosignals entsprechend dem zweiten akustischen Impuls;
Bestimmen einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Wandler und der zweite Wandler um 180° in Bezug auf den drehenden Abschnitt versetzt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der drehende Abschnitt einen drehenden Kopf umfasst, der an einem distalen Ende des Werkzeugkörpers positioniert ist und durch einen Antriebsmechanismus, der sich innerhalb des Werkzeugkörpers befindet, gedreht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal Folgendes umfasst:
Bestimmen einer ersten Ankunftszeit, die mit dem ersten Echosignal assoziiert ist;
Bestimmen einer zweiten Ankunftszeit, die mit dem zweiten Echosignal assoziiert ist; und
Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit.

15. Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug nach Anspruch 14, wobei das Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit ein Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen umfasst: wobei ID einem Innendurchmesser eines Futterrohrs, in dem der Werkzeugkörper positioniert ist, entspricht; t1 der ersten Ankunftszeit entspricht; t2 der zweiten Ankunftszeit entspricht; r dem radialen Versatz des ersten Wandlers entspricht; und dr der Differenz zwischen dem radialen Versatz des ersten Wandlers und dem radialen Versatz des zweiten Wandlers entspricht.

16. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend ein Bestimmen einer frequenzbasierten Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bestimmen der frequenzbasierten Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal ein Umwandeln des ersten und zweiten Echosignals in die Frequenzdomäne umfasst; und entsprechendes Vergleichen des umgewandelten ersten und zweiten Echosignals mit den Frequenzspektren des ersten akustischen Impulses und des zweiten akustischen Impulses umfasst.

18. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Werkzeug einen Schleifring zwischen dem Werkzeugkörper und dem drehenden Abschnitt des Werkzeugkörpers umfasst.

19. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Werkzeug ein feldprogrammierbares Gate-Array, das teilweise den ersten Wandler und den zweiten Wandler steuert, umfasst.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11–19, ferner umfassend ein Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft eines Futterrohrs, in dem das Werkzeug positioniert ist, oder einer Zementschicht zwischen dem Futterrohr und einem Bohrloch basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Flüssigkeitsgeschwindigkeit.

Description:
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Bohrlochbohr- und – ausbauvorgänge und insbesondere In-situ-Messung von Geschwindigkeit und Abschwächung von Bohrlochflüssigkeit in einem Ultraschall-Abtastwerkzeug.

Bohrlochbohr- und -ausbauvorgänge erfordern manchmal die Verwendung von Futterrohren innerhalb eines Bohrlochs in einer unterirdischen Formation, um sicherzustellen, dass das Bohrloch nicht zusammenfällt, sobald es gebohrt wurde, und dass empfindliche Bereiche der Formation geschützt und isoliert werden. In den meisten Fällen werden die Futterrohre in den Bohrlöchern unter Verwendung einer Zementschicht, die einen Ring zwischen dem Futterrohr und der Formation füllt und an beide von Futterrohr und Formation bindet, gesichert. Die Festigkeit von beiden Zementbindungen ist für die Integrität des Bohrlochs wichtig. Ein Messen der Zementimpedanz kann Informationen zu der Festigkeit der Zementbindungen bereitstellen.

Einige Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeuge übertragen einen akustischen Impuls in die Futterrohr- und Zementschicht und empfangen ein Echo dieses Impulses. Das Echosignal kann Reflektionen und Reverberationen beinhalten, die durch das Futterrohr, die Zementschicht und eine Schnittstelle zwischen den beiden verursacht sind. Diese Reflektionen und Reverberationen können teilweise dazu verwendet werden, Downhole-Eigenschaften, einschließlich der Zementimpedanz, zu berechnen. In einigen Fällen können Bohrlochflüssigkeiten wie etwa Bohrschlamm und andere Formationsflüssigkeiten innerhalb des Futterrohrs vorhanden sein, sodass der akustische Impuls durch die Bohrlochflüssigkeit übertragen werden muss. Die Geschwindigkeits- und Abschwächungseigenschaften der Bohrlochflüssigkeit können den anfänglichen akustischen Impuls und die Reflektionen und Reverberationen ändern oder anderweitig beeinflussen. Typische Berechnungen zum Bestimmen der Zementimpedanz berücksichtigen zum Beispiel diese Beeinträchtigungen, die Genauigkeit der resultierenden Bestimmung ist aber teilweise von der Genauigkeit der Geschwindigkeits- und Abschwächungswerte der Flüssigkeit, die in den Berechnungen verwendet werden, abhängig. In-situ-Messungen können bei schwerem Schlamm, der Sensoren verstopfen oder anderweitig beeinträchtigen kann, schwierig sein und experimentelle Schätzungen sind nicht in der Lage, die dynamischen Downhole-Bedingungen zu berücksichtigen.

FIGUREN

Einige spezifische beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung lassen sich durch Hinzunahme, zum Teil, der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen erschließen.

1 ist ein Schaubild, welches ein beispielhaftes Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

2 ist ein Schaubild eines beispielhaften Abschnitts eines Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeugs mit radial versetzten Wandlern gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

3 zeigt eine Reihe von Graphen, die die durch die versetzten Wandler empfangenen Beispielimpulse und die entsprechenden Abschwächungsbestimmungen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung identifizieren.

4a und 4b sind Blockdiagramme von beispielhaften Zündsystemen für Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeuge mit mehreren, radial versetzten Wandlern gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

5 ist ein Schaubild, welches ein veranschaulichendes Bohrsystem gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

6 ist ein Schaubild, welches ein veranschaulichendes Wireline-Logging-System gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Während Ausführungsformen dieser Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden und durch Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung definiert sind, implizieren derlei Bezugnahmen keine Einschränkung auf die Offenbarung, und es ist auf keine solche Einschränkung zu schließen. Der offenbarte Gegenstand ist zu beträchtlichen Modifikationen, Änderungen und Äquivalenten hinsichtlich Form und Funktion in der Lage, wie für den Fachmann der einschlägigen Technik und denjenigen, für den diese Offenbarung von Vorteil ist, ersichtlich. Die abgebildeten und beschriebenen Ausführungsformen dieser Offenbarung stellen lediglich Beispiele dar und schöpfen nicht den Umfang der Offenbarung aus.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Bohrlochbohr- und – ausbauvorgänge und insbesondere In-situ-Messung von Geschwindigkeit und Abschwächung von Bohrlochflüssigkeit in einem Ultraschall-Abtastwerkzeug.

Zum Zwecke dieser Offenbarung kann ein Informationshandhabungssystem jede Gerätschaft oder Ansammlung von Gerätschaften beinhalten, die dazu geeignet sind, jede Form von Informationen, Erkenntnissen oder Daten für geschäftsbezogene, wissenschaftliche, steuerungsbezogene oder sonstige Zwecke zu berechnen, einzuordnen, zu verarbeiten, zu übertragen, zu empfangen, abzurufen, auszugeben, zu schalten, zu speichern, anzuzeigen, zu manifestieren, zu erkennen, aufzuzeichnen, zu reproduzieren, zu handhaben oder zu nutzen. Zum Beispiel kann ein Informationshandhabungssystem ein Personal Computer, eine Netzwerkspeichervorrichtung oder jede sonstige geeignete Vorrichtung sein und kann in Größe, Form, Leistung, Funktion und Preis variieren. Das Informationshandhabungssystem kann Random Access Memory (RAM), eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen wie etwa eine zentrale Recheneinheit (CPU) oder Hardware- oder Software-Steuerlogik, ROM und/oder andere Arten von nicht flüchtigem Speicher beinhalten. Zusätzliche Komponenten des Informationshandhabungssystems können ein oder mehrere Plattenlaufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse für Kommunikation mit externen Vorrichtungen, sowie Eingabe- und Ausgabevorrichtungen (E/A-Vorrichtungen) wie etwa eine Tastatur, eine Maus oder eine Videoanzeige beinhalten. Das Informationshandhabungssystem kann auch einen oder mehrere Busse beinhalten, die dazu geeignet sind, Kommunikationen zwischen den verschiedenen Hardwarekomponenten zu übertragen. Es kann außerdem eine oder mehrere Schnittstelleneinheiten beinhalten, die geeignet sind, ein oder mehrere Signale an eine Steuerung, einen Aktor oder eine ähnliche Vorrichtung zu übertragen.

Für die Zwecke dieser Offenbarung können computerlesbare Medien jede Gerätschaft oder Ansammlung von Gerätschaften beinhalten, die Daten und/oder Anweisungen für einen Zeitraum bewahren. Computerlesbare Medien können unter anderem zum Beispiel Speichermedien wie etwa eine Speichervorrichtung mit direktem Zugriff (z. B. ein Festplattenlaufwerk oder ein Diskettenlaufwerk), eine Speichervorrichtung mit sequentiellem Zugriff (z. B. Bandlaufwerk), Compact Disk, CD-ROM, DVD, RAM, ROM, elektrisch löschbare programmierbare Nurlesespeicher (EEPROM) und/oder Flash-Speicher beinhalten; sowie Kommunikationsmedien wie Kabel, optische Fasern, Mikrowellen, Funkwellen und sonstige elektromagnetische und/oder optische Träger; und/oder jede Kombination der Vorstehenden.

Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier im Detail beschrieben. Im Interesse der Eindeutigkeit können in dieser Patentschrift nicht zwangsläufig alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben werden. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Ziele der Umsetzung zu erreichen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren werden. Zudem versteht es sich, dass ein derartiger Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein kann, aber dennoch ein Routineunterfangen für einen gewöhnlichen Fachmann wäre, für den die vorliegende Offenbarung von Vorteil ist.

Zum Erleichtern eines besseren Verständnisses der vorliegenden Offenbarung werden die folgenden Beispiele bestimmter Ausführungsformen geliefert. Die folgenden Beispiele sollten in keiner Weise derart gedeutet werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken oder definieren. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können für horizontale, vertikale, abgeknickte oder anderweitig nicht-lineare Bohrlöcher in jeder Art von unterirdischer Formation anwendbar sein. Ausführungsformen können für Injektionsbohrlöcher, sowie Produktionsbohrlöcher, einschließlich Kohlenwasserstoffbohrlöcher, anwendbar sein. Ausführungsformen können unter Verwendung eines Werkzeugs, das zum Testen, zur Entnahme und zur Probenahme entlang von Abschnitten der Formation geeignet ist, implementiert werden. Ausführungsformen können mit Werkzeugen implementiert werden, die zum Beispiel durch einen Strömungskanal im Rohrstrang oder unter Verwendung einer Wireline, einer Slickline, einer Rohrwendel, einem Downhole-Roboter/-Traktor oder dergleichen gefördert werden können.

Die wie hier verwendeten Begriffe „koppeln“ oder „koppelt“ sollen entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung bedeuten. Koppelt demnach eine erste Vorrichtung an eine zweite Vorrichtung, so kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte mechanische oder elektrische Verbindung über weitere Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen. Gleichermaßen soll der wie hier verwendete Begriff „kommunikativ gekoppelt“ entweder eine direkte oder eine indirekte Kommunikationsverbindung bedeuten. Eine solche Verbindung kann eine Drahtverbindung oder drahtlose Verbindung wie zum Beispiel Ethernet oder LAN sein. Derlei Drahtverbindungen und drahtlose Verbindungen sind dem Durchschnittsfachmann wohlbekannt und werden hier demnach nicht ausführlich erläutert. Koppelt demnach eine erste Vorrichtung kommunikativ an eine zweite Vorrichtung, so kann diese Verbindung über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte Verbindung über weitere Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen.

Moderne Bohr- und Fördervorgänge für Erdöl erfordern Informationen betreffs Downhole-Parametern und -Bedingungen. Es gibt mehrere Verfahren zum Erfassen von Downhole-Informationen, einschließlich Logging-While-Drilling („LWD“ – Protokollierung beim Bohren) und Measurement-While-Drilling („MWD“ – Messung beim Bohren) und Wireline. Bei LWD werden Daten typischerweise während des Bohrvorgangs gesammelt, wodurch jedwede Notwendigkeit umgangen wird, die Bohranordnung zum Einführen eines Wireline-Messgeräts zu entfernen. Folgerichtig kann der Bohrer dank LWD akkurate Echtzeit-Änderungen oder -Korrekturen vornehmen, um die Leistung zu optimieren und zugleich Stillstandszeiten zu minimieren. MWD ist der Fachbegriff für das Messen von Bewegung und Position der Bohranordnung betreffs Downhole-Bedingungen bei laufender Bohrung. LWD ist mehr auf das Messen von Formationsparametern ausgerichtet. Wenngleich es Abgrenzungen zwischen MWD und LWD gibt, werden die Begriffe MWD und LWD oftmals synonym verwendet. Zum Zwecke dieser Offenbarung wird der Begriff LWD unter der Voraussetzung verwendet, dass dieser Begriff sowohl die Erfassung von Formationsparametern als auch die Erfassung von Informationen umschließt, welche sich auf die Bewegung und Position der Bohranordnung beziehen.

1 ist ein Schaubild, welches ein beispielhaftes Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug 100 mit radial versetzten Wandlern 106 zur Verwendung in In-situ-Messungen von Geschwindigkeit und Abschwächung von Flüssigkeit gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Das Werkzeug 100 kann innerhalb eines Bohrlochs 150 in einer unterirdischen Formation 152 aufgehängt sein (z. B. per Wireline, Slickline, Rohrwendel, Bohrgestänge/-verrohrung, Downhole-Traktor oder dergleichen). Wie dargestellt, kann das Werkzeug 100 innerhalb eines Futterrohrs 102 positioniert werden, das in dem Bohrloch 150 durch eine Zementschicht 104, die im Wesentlichen den Ring zwischen dem Futterrohr 102 und dem Bohrloch 150 füllt, gesichert ist. Das Futterrohr 102 ist zumindest teilweise mit Flüssigkeit 160 gefüllt, die Bohrflüssigkeit, Wasser und/oder Flüssigkeiten aus der Formation 152 umfassen kann. Das Futterrohr 102 kann ein Metallrohr mit einer vorbestimmten Länge und einem vorbestimmten Durchmesser umfassen, das spezifisch für eine bestimmte Tiefe in der Formation 152 ausgewählt ist. Obwohl in 1 nur ein Futterrohr 102 dargestellt ist, können mehrere Futterrohre verwendet werden, einschließlich in einer teleskopischen Ausrichtung, wobei Futterrohre mit immer kleineren Durchmessern verwendet werden, wenn das Bohrloch 150 weiter in die Formation 152 eindringt. Das Futterrohr 112 kann verhindern, dass das Bohrloch 150 kollabiert, dass empfindliche Formationsschichten Downhole-Flüssigkeiten ausgesetzt werden und dass unerwünschte Formationsflüssigkeiten in das Bohrloch 150 eindringen.

Das Werkzeug 100 umfasst einen verlängerten Werkzeugkörper 120 umfassend einen drehenden Abschnitt 108 mit einem oder mehreren akustischen Wandlern 106, die daran gekoppelt sind. Beispielhafte akustische Wandler umfassen, sind aber nicht beschränkt auf piezoelektrische Kristalle, Geophone, elektromagnetische Elemente usw. Wie dargestellt, umfasst der drehende Abschnitt 108 einen drehenden Kopf, der an einem distalen Ende des verlängerten Werkzeugkörpers 120 positioniert ist. In anderen Ausführungsformen kann der Drehabschnitt 108 an einem oder mehreren Zwischenabschnitten des verlängerten Werkzeugkörpers 120 positioniert sein, was größere Flexibilität in Bezug auf das Werkzeugdesign bereitstellt. Wie dargestellt, ist der Durchmesser des drehenden Abschnitts 108 größer als der Durchmesser des verlängerten Werkzeugkörpers 120, wobei auch andere Konfigurationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung möglich sind.

Der drehende Abschnitt 108 kann durch einen Elektromotor (nicht dargestellt) oder einen anderen geeigneten Antriebsmechanismus, der für die gesteuerte Drehbewegung des drehenden Abschnitts 108 in Bezug auf das Werkzeug 100 sorgt, angetrieben sein. Wie dargestellt, können die drehenden Abschnitte 108 über eine Welle 122, die den drehenden Abschnitt 108 mit einem Antriebsmechanismus innerhalb des verlängerten Werkzeugkörpers 120 verbindet, angetrieben sein. Energie für den Antriebsmechanismus und andere Elemente innerhalb des Werkzeugs 100 können zum Beispiel durch die Hängemittel oder durch eine oder mehrere Energiequellen, z. B. Batterien, Kondensatoren, Generatoren, innerhalb des Werkzeugs 100 bereitgestellt werden.

In Verwendung kann das Werkzeug 100 durch Übertragen eines gerichteten akustischen Impulses 110 von einem oder mehreren Wandlern 106 und 107 zu dem Futterrohr 102 an einer ersten azimutalen Position in Bezug auf das Werkzeug 100 arbeiten. Der gerichtete akustische Impuls 110 kann durch eine Amplitude charakterisiert werden. Der gerichtete akustische Impuls 110 ist in Bezug auf Frequenz nicht beschränkt und kann, muss aber nicht, ein Ultraschallimpuls sein. Dieser Impuls 110 kann das Futterrohr 102, die Zementschicht 104 und die Schnittstelle zwischen dem Futterrohr 102 und der Zementschicht 104 kontaktieren, durch dieses/diese reflektiert werden und/oder dieses/diese zum Reverberieren bringen. Diese Reflektionen und Reverberationen können ein Echosignal 112 umfassen, dass durch den Wandler 106, der den Ultraschallimpuls übertragen hat, empfangen wird. Das Echosignal 112 kann auch durch eine Amplitude charakterisiert sein, wobei der Unterschied zwischen der Amplitude des Echosignals 112 und der Amplitude des gerichteten akustischen Impulses 110 einer Abschwächung des gerichteten akustischen Impulses 110 entspricht.

Nachdem das Echosignal 112 von der ersten azimutalen Position empfangen wird, kann der Kopf 108 zu einer zweiten azimutalen Position innerhalb des Bohrlochs 150 gedreht werden. Es kann dann ein weiterer Impuls von einem oder mehreren der Wandler 106 übertragen werden und ein entsprechendes Echosignal kann an einem oder mehreren der Wandler 106 empfangen werden. Der Kopf 108 kann dann zu einer dritten azimutalen Position innerhalb des Bohrlochs 150 gedreht werden und noch ein weiterer Impuls kann dann von dem Wandler 106 übertragen werden und ein entsprechendes Echosignal kann am Wandler 106 empfangen werden. Die erste, zweite und dritte azimutale Position kann, muss aber nicht, gleiche Drehintervalle in Bezug auf das Werkzeug 100 sein. Zum Beispiel kann der Winkelunterschied zwischen den azimutalen Positionen in Abhängigkeit von den empfangenen Signalen und der Granularität der resultierenden Messungen in Echtzeit modifiziert werden, wobei kleinere Drehintervalle einer höheren Granularität entsprechen.

In bestimmten Ausführungsformen kann dieser Prozess fortgesetzt werden, bis der Kopf 108 eine Drehung abgeschlossen hat, wobei an diesem Punkt das Werkzeug 100 auf einer anderen Tiefe positioniert werden kann. Die Gruppe von azimutalen Messungen, die in einer bestimmten Tiefe vorgenommen werden, kann als ein „Scan“ bezeichnet werden. Die Anzahl von azimutalen Messungen, die zum Abschließen eines Scans genommen werden, können zum Beispiel von der Granularität, die durch die kombinierten Messungen erforderlich ist, sowie von Downhole-Bedingungen abhängig sein. Obwohl nicht dargestellt, kann anstelle eines drehenden Kopfs das gesamte Werkzeug 100 oder ein Abschnitt davon, der den Wandler 106 umfasst, gedreht werden, um einem ähnlichen azimutalen Scan durchzuführen. Wenn zum Beispiel das Werkzeug 100 über ein Bohrrohr in das Bohrloch 150 befördert wird, kann das Bohrrohr gedreht werden, um wiederum das Werkzeug 100 und dadurch den Wandler 106 zu drehen.

In bestimmten Ausführungsformen kann jedes Echosignal, das durch den einen oder die mehreren Wandler 106 empfangen wird, an ein oder mehrere Steuersysteme (nicht dargestellt), die mit dem Werkzeug 100 assoziiert sind, übertragen werden, wo sie zum Beispiel zum Zwecke eines Steuerns oder Änderns der Konfiguration des Werkzeugs 100 oder von Elementen des Werkzeugs 100 oder zum Zwecke eines Bestimmens von physikalischen Eigenschaften (z. B. Impedanz, Dicke, Trägheit, Reflektionsvermögen) des Futterrohrs 102 und der Zementschicht 104 verarbeitet werden können. Wie hierin verwendet, kann ein Steuersystem ein Informationshandhabungssystem oder jede sonstige Vorrichtung umfassen, die zumindest einen Prozessor enthält, der kommunikativ an eine nicht transitorische computerlesbare Speichervorrichtung gekoppelt ist, die eine Reihe von Anweisungen enthält, die bei Ausführung durch den Prozessor dazu führen, dass er bestimmte Handlungen ausführt. Beispielhafte Prozessoren umfassen Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, digitale Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) oder eine beliebige andere digitale oder analoge Schaltung, die dazu ausgelegt ist, Programmanweisungen zu interpretieren und/oder auszuführen und/oder Daten zu verarbeiten. Das eine oder die mehreren Steuersysteme, die mit dem Werkzeug 100 assoziiert sind, können zum Beispiel vollständig innerhalb des Werkzeugs 100 liegen, an der Oberfläche liegen oder eine Kombination der zwei Lagen sein (z. B. ein Teil der Verarbeitung erfolgt downhole und ein weiterer Teil an der Oberfläche).

Die Abschwächungsbedingungen in Bezug auf das Bohrloch 150 können die Signalqualität des Echosignals beeinträchtigen. Zum Beispiel können die Geschwindigkeits- und Abschwächungseigenschaften der Flüssigkeit 160 innerhalb des Futterrohrs 102 die Impulse 110 durch Verzerren oder anderweitiges Reduzieren der Amplitude der Impulse beeinträchtigen, was wiederum die Amplitude des Echosignals 112 beeinträchtigen kann. Wenn der Impuls 110 zu stark abgeschwächt wird, kann das Echosignal 112 eine unzureichende Amplitude zum Bereitstellen einer zuverlässigen Signalqualität haben. Zusätzlich können die Geschwindigkeits- und Abschwächungseigenschaften der Flüssigkeit 160 die Frequenzreaktion der Impulse 110 und des Echosignals 112 ändern, was die physikalischen Eigenschaftswerte, die aus den Signalen 112 berechnet werden, verzerren kann.

Die Auswirkungen der Geschwindigkeits- und Abschwächungseigenschaften der Flüssigkeit 160 auf die Signale können berücksichtigt werden, wenn die Eigenschaften des Futterrohrs 102 und des Zements 104 berechnet oder bestimmt werden, vorausgesetzt, dass Werte für die Geschwindigkeits- und Abschwächungseigenschaften bekannt sind. Typischerweise werden diese Werte entweder basierend auf experimentellen Werten geschätzt oder in-situ unter Verwendung eines entsprechenden Wandlers mit einem bekannten Versatzabstand von einem Referenzblock gemessen, so wie bei der Schlammzelle 170, die in dem Werkzeug 100 vorhanden ist. Geschätzte Geschwindigkeits- und Abschwächungswerte der Flüssigkeit können jedoch auch nicht in der Lage sein, die Echtzeitdynamik in der Flüssigkeit zu berücksichtigen. Zusätzlich, obwohl Schlammzellen genaue Messungen in Bezug auf bestimmte Flüssigkeiten bereitstellen können, haben sie aufgrund der Tendenz, beschichtet zu werden, Schwierigkeiten beim Messen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und -abschwächung von schweren Schlämmen, die beim Tiefseebohren oder anderen gesteuerten Druckbohranwendungen verwendet werden.

Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung können In-situ-Messungen von Flüssigkeitsgeschwindigkeit und -abschwächung bei allen Arten von Flüssigkeiten durch die Verwendung von mehreren Wandlern mit unterschiedlichen, bekannten radialen Versätzen in Bezug auf die Längsachse des Werkzeugs ermöglicht werden. In den dargestellten Ausführungsformen umfasst das Werkzeug einen ersten Wandler 106, der sich in einer ersten Winkelausrichtung in Bezug auf das Werkzeug 100 befindet, und einen zweiten Wandler 107, der sich in einer zweiten Winkelausrichtung in Bezug auf das Werkzeug 100 befindet. Wie unten detailliert dargestellt und erklärt, kann der erste Wandler 106 eine andere radiale Verschiebung als der zweite Wandler 107 in Bezug auf die Längsachse des Werkzeugs 10 haben, sodass sich die Abstände zwischen den Wandlern 106/107 und dem Futterrohr 102 unterscheiden. Die Wandler 106/107 können an eine Außenfläche des drehenden Abschnitts 108 gekoppelt sein, innerhalb von Hohlräumen in dem drehenden Abschnitt 108 positioniert sein oder auf eine andere geeignete Weise an den drehenden Abschnitt 108 und das Werkzeug 100 gekoppelt sein. Zusätzlich versteht es sich, dass die Anzahl und die Ausrichtung der abgebildeten Wandler 106/107 nur veranschaulichend und nicht beschränkend sind.

Im Gegensatz zu dem dedizierten Wandler in der Schlammzelle 170 können die Wandler 106/107 Berechnungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und -abschwächung ermöglichen, während akustische Impulse übertragen werden und Echosignale, die zum Berechnen der Zementimpedanz und anderer Eigenschaften des Futterrohrs 102 und der Zementschicht 104 erforderlich sind, empfangen werden. Zusätzlich zum Ermöglichen von Berechnungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und -abschwächung der Flüssigkeit 160 kann die Verwendung von mehreren Wandlern 106 die Geschwindigkeit erhöhen, mit der 360-Grad-Scans des Futterrohrs 102 und der Zementschicht 104 durchgeführt werden können, sowie eine gleichmäßige Drehung ohne die Verwendung eines Gegengewichts innerhalb des drehenden Kopfs 108 ermöglichen.

2 ist ein Schaubild eines beispielhaften Abschnitts eines Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeugs mit radial versetzten Wandlern gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Der Abschnitt des Werkzeugs umfasst einen drehenden Kopf 200 ähnlich dem oben beschriebenen drehenden Kopf. Wie dargestellt, sind zwei Wandler 202 und 204 an den drehenden Kopf, ähnlich dem drehenden Abschnitt 108 aus 1, gekoppelt, wobei jeder einen anderen radialen Versatz in Bezug auf eine Drehachse 280 des Kopfs 200 hat. Zum Beispiel liegt der Wandler 202 bei einem radial Versatz r, gemessen von der Achse 280 zu der Vorderseite des Wandlers 202. Gleichermaßen liegt der Wandler 204 bei einem radial Versatz r + dr, gemessen von der Achse 280 zu der Vorderseite des Wandlers 204. Die Werte für die radialen Versätze können willkürlich sein, vorausgesetzt, sie unterscheiden sich. Zusätzlich, obwohl die Wandler 202 und 204 gekoppelt an den drehenden Kopf in gegenüberliegenden Winkelausrichtungen in Bezug auf die Achse 280 des Kopfs 200 dargestellt sind, sind andere Konfigurationen möglich, einschließlich Konfigurationen mit zusätzlichen Wandlern an gleichen Winkelversätzen um den Kopf 200, Konfigurationen, bei denen die Wandler 202 und 204 in verschiedenen Winkelausrichtungen als den dargestellten positioniert werden können usw.

In Verwendung können die akustischen Impulse 206 und 208 von den Wandlern 202 und 204 zu einem Futterrohr 250 mit einem Innendurchmesser ID, in dem die Wandler 202 und 204 positioniert sind, übertragen werden. Diese akustischen Impulse können durch eine Flüssigkeit 252 innerhalb des Futterrohrs 250 laufen. Die akustischen Impulse können gleichzeitig übertragen werden, wobei ein gewisser Zeitversatz bevorzugt ist, um Interferenzen oder das Einbringen von unerwünschtem Rauschen zu vermeiden. Wie dargestellt, wird ein erster Impuls 206 von dem Wandler 202 übertragen und das Echosignal wird an dem Wandler 202 bei einer Ankunftszeit t1 empfangen. Diese Zeit kann durch ein Steuersystem an oder getrennt von dem Werkzeug mit einem internen Taktgeber basierend darauf, ob ein Anregungsimpuls an den Wandler 202 gesendet wurde und wann das Echosignal von dem Wandler 202 empfangen wurde, bestimmt werden. Unter Verwendung ähnlicher Schritte kann ein zweiter Impuls 208 von dem Wandler 204 übertragen werden und das Echosignal kann an dem Wandler 204 bei einer Ankunftszeit t2 empfangen werden. Basierend auf den bestimmten Ankunftszeiten t1 und t2 und den sonst bekannten, oben beschriebenen Variablen kann die Flüssigkeitsgeschwindigkeit an dem Steuersystem oder einem sonstigen Informationshandhabungssystem unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet werden:

In Bezug auf die Abschwächung kann die Amplitude des Echosignals mit dem Anregungsimpuls verglichen werden, um die Abschwächung durch die Flüssigkeit 252 zu bestimmen. Dies kann ein Umwandeln der Echosignale und Anregungsimpulse in eine Frequenzdomäne, wie etwa durch eine Fourier-Umwandlung, durch das Steuersystem oder ein anderes Informationshandhabungssystem und ein Vergleichen von deren Frequenzspektren beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Steuersystem die Wandler 202 und 204 dazu bringen, Signale mit verschiedenen Frequenzen zu übertragen. Die Echosignale entsprechend den übertragenen Signalen können durch die Wandler 202 und 204 empfangen werden und durch die Steuereinheit aufgezeichnet werden. Die Steuereinheit oder ein anderes Informationshandhabungssystem kann dann die Echosignale in eine Frequenzdomäne umwandeln, sodass die Frequenzspektren der Echosignale in Bezug auf die Frequenzspektren des übertragenen akustischen Impulses geprüft werden können, um eine frequenzabhängige Abschwächungsreaktion der Flüssigkeit 252 zu bestimmen.

3 zeigt eine Reihe von Graphen, die die durch die versetzten Wandler empfangenen Beispielechosignale und die entsprechenden Abschwächungsbestimmungen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung identifizieren. Insbesondere identifizieren die Graphen Beispielechosignale und entsprechende Abschwächungsbestimmungen, wenn identische akustische Impulse durch beide versetzte Wandler in identischen Flüssigkeitszusammensetzungen übertragen und empfangen werden. Der obere Graph identifiziert zwei Echosignale, die durch Wandler mit verschiedenen Versätzen empfangen werden. So wie ersichtlich haben die Echosignale ähnliche Formen, werden aber zu verschiedenen Zeiten empfangen und haben verschiedene Amplituden, wobei beide Funktionen der verschiedenen radialen Versätze sind. Der mittlere Graph vergleicht die Frequenzspektren der empfangenen Signale. Es ist anzumerken, dass die Frequenzspektren ähnlich sind, was erwartet werden würde, wenn die akustischen Impulse in identischen Flüssigkeitszusammensetzungen übertragen werden. Die unteren Spektren identifizieren die frequenzabhängige geschätzte Abschwächung für die Beispielflüssigkeit basierend auf den empfangenen Echosignalen an den versetzten Wandlern.

Die 4a und 4b sind Blockdiagramme von beispielhaften Zündsystemen 400 und 450 für ein Futterrohr- und Zementbewertungswerkzeug mit mehreren, radial versetzten Wandlern 402 und 404 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie dargestellt, sind die Wandler 402 und 404 innerhalb eines drehenden Kopfs 406 positioniert und kommunikativ über eine Schleifringbaugruppe 408 zwischen dem drehenden Kopf 406 und einem primären Werkzeugkörper 410 an die Zündsysteme 400 und 450 gekoppelt. Die Zündsysteme 400 und 450 können sich zumindest teilweise innerhalb des primären Werkzeugkörpers 410 befinden und können die Übertragung, den Empfang und/oder die Verarbeitung der akustischen Impulse und Echosignale steuern. In dem Zündsystem 400 können die Wandler 402 und 404 an einen Hochgeschwindigkeits-Hochspannungsschalter 412 gekoppelt sein. Der Schalter 412 kann es nur einem Wandler ermöglichen, jeweils zu einem beliebigen Zeitpunkt an den Rest des Zündsystems 400 gekoppelt zu sein, wobei trotzdem schnelles Schalten bereitgestellt ist, sodass die Wandler 402 und 404 in schneller Folge in Reihe verwendet werden können. In dem Zündsystem 450 können die zwei Wandler 402/404 über einen Hochgeschwindigkeits-Hochspannungsschalter 462 verbunden sein, sodass die Wandler 402/404 gleichzeitig gezündet werden können und an einen oder mehrere Empfängerkanäle innerhalb des Zündsystems 450 gekoppelt sein können.

Das Zündsystem 400 kann zumindest einen Prozessor ein eine sonstige Steuervorrichtung 414 umfassen. Beispielhafte Prozessoren und Steuervorrichtungen umfassen Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, digitale Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder eine beliebige andere digitale oder analoge Schaltung, die dazu ausgelegt ist, Programmanweisungen zu interpretieren und/oder auszuführen und/oder Daten zu verarbeiten. Wie dargestellt, umfasst die Vorrichtung 414 ein FPGA, dass an eine Senderschaltung 416, eine Empfängerschaltung 418 und den Schalter 412 gekoppelt ist. Das FPGA 414 kann ein Signal an den Schalter 412 übertragen, um einen bestimmten Wandler auszuwählen, um der Senderschaltung 416 zu signalisieren, einen Spannungsimpuls an den gewählten Wandler auszugeben, und um zu verhindern, dass die Empfängerschaltung 418 den anfänglichen Spannungsimpuls über den Stummschaltblock empfängt. Nachdem der gewählte Wandler den akustischen Impuls als Reaktion auf den Spannungsimpuls erzeugt, kann das FPGA 414 die Stummschaltung der Empfängerschaltung 418 aufheben, sodass sie das Echosignal von dem gewählten Wandler empfangen kann. Dieses empfangene Echosignal kann innerhalb der Empfängerschaltung verstärkt werden und durch einen Analog-Digital-Konverter 420 digitalisiert werden. Das digitalisierte Signal kann an einen Prozessor oder ein sonstiges Informationshandhabungssystem (nicht dargestellt), das kommunikativ mit dem Zündsystem 400/den Wandlern gekoppelt ist, um die oben beschriebenen Berechnungen von Flüssigkeitsgeschwindigkeit und -abschwächung und/oder Berechnungen in Bezug auf Zementimpedanz oder andere Downhole-Eigenschaften durchzuführen, übermittelt werden. Sobald das Echosignal empfangen wird, kann das Verfahren in Bezug auf den anderen Wandler durchgeführt werden. In alternativen Ausführungsformen können anstelle eines einzelnen Zündsystems, das durch den Schalter 412 mit mehreren Wandlern verbunden ist, mehrere Zündsysteme verwendet werden. Zusätzlich sind andere Zündsystemkonfigurationen möglich.

Das Zündsystem 450 umfasst ähnliche Komponenten wie das Zündsystem 400, mit der Ausnahme des Hochspannungsschalters 462 und der Empfängerschaltung. Im Gegensatz zu dem Zündsystem 400 kann das System 450 Eingaben von den Wandlern 402/404 über eine einzelne Eingangsleitung, die mit dem Schalter 462 verbunden ist, empfangen, wobei der Schalter dafür verantwortlich ist, auszuwählen, zu welchem Empfängerkanal die empfangenen Signale von den Wandlern 402/404 geleitet werden sollen. Wie dargestellt, umfassen die Empfängerkanäle eine doppelte Empfängerschaltung 418a/b, wobei beide eine Stummschaltungsschaltung und einen Verstärker, der an die Steuervorrichtung 414 gekoppelt ist, umfassen. In Verwendung können beide Wandler 402/404 akustische Impulse als Reaktion auf ein Signal von der Senderschaltung 416 erzeugen. Der Schalter 462, der durch die Steuervorrichtung 414 gesteuert werden kann, kann die am Wandler 402 empfangenen Echosignale an den Empfängerkanal 418a leiten und kann die am Wandler 404 empfangenen Echosignale an den Empfängerkanal 418b leiten. Andere Konfigurationen und Funktionen sind möglich.

Eines oder mehrere der Vorrichtung, der Systeme und/oder der Verfahren, das/die oben beschrieben sind, können in/mit ein(em) Wireline-Werkzeug/eine(r) Wireline-Sonde für Wireline-Logging-Betrieb oder in/mit ein(em) oder mehrere(n) LWD/MWD-Werkzeuge(n) für Bohrtätigkeiten integriert werden. 5 ist ein Diagramm mit Darstellung eines unterirdischen Bohrsystems 80, das zumindest ein akustisches LWD/MWD-Werkzeug 26 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung integriert. Das Bohrsystem 80 umfasst eine Bohrplattform 2, die an der Oberfläche 82 positioniert ist. Wie dargestellt, umfasst die Oberfläche 82 die Oberseite einer Formation 84, die ein/e oder mehrere Gesteinsstrata oder -schichten 18a–c enthält, und die Bohrplattform 2 kann mit der Oberfläche 82 in Kontakt stehen. In anderen Ausführungsformen, wie etwa bei einem Bohrvorgang auf See, kann die Oberfläche 82 durch ein Wasservolumen von der Bohrplattform 2 getrennt sein.

Das Bohrsystem 80 umfasst einen Bohrturm 4, der durch die Bohrplattform 2 gestützt wird und über einen Kloben 6 zum Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 8 verfügt. Eine Mitnehmerstange 10 kann den Bohrstrang 8 stützen, wenn er durch einen Drehtisch 12 abgesenkt wird. Ein Bohrmeißel 14 kann an den Bohrstrang 8 gekoppelt sein und durch einen Downhole-Motor und/oder Drehung des Bohrstrangs 8 durch den Drehtisch 12 angetrieben werden. Wenn sich der Meißel 14 dreht, erzeugt er ein Bohrloch 16, das durch ein/e oder mehrere Gesteinsstrata oder -schichten 18 verläuft. Eine Pumpe 20 kann Bohrflüssigkeit durch ein Zuführrohr 22 zu der Mitnehmerstange 10, downhole durch das Innere des Bohrstrangs 8, durch Öffnungen in dem Bohrmeißel 14, zurück an die Oberfläche über den Ringraum um den Bohrstrang 8 und in eine Rückhaltegrube 24 zirkulieren. Die Bohrflüssigkeit transportiert Bohrklein aus dem Bohrloch 16 in die Grube 24 und hilft bei der Aufrechterhaltung der Integrität des Bohrlochs 16.

Das Bohrsystem 80 kann eine Bodenlochanordnung (BHA) umfassen, die nahe dem Bohrmeißel 14 an den Bohrstrang 8 gekoppelt ist. Die BHA kann verschiedene Downhole-Messwerkzeuge und -sensoren und LWD- und MWD-Elemente, einschließlich das akustische Werkzeug 26, umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Werkzeug 26 akustische Impulsanregung und Echo-/Reflektionsempfangsfunktionen, die unten im Detail beschrieben werden, umfassen. Wenn der Meißel das Bohrloch 16 durch die Formationen 18 erweitert, kann das Werkzeug 26 Messungen in Bezug auf das Bohrloch 16 und die Formation 84 sammeln. In bestimmten Ausführungsformen können die Ausrichtung und die Position des akustischen Werkzeugs 26 unter Verwendung von zum Beispiel einer azimutalen Ausrichtungsanzeige, die Magnetometer, Inklinometer und/oder Akzelerometer beinhalten kann, nachverfolgt werden, obwohl auch andere Sensorarten wie etwa Gyroskope in einigen Ausführungsformen verwendet werden können.

Die Werkzeuge und Sensoren der BHA, die das Werkzeug 26 beinhalten, können kommunikativ an ein Telemetrieelement 28 gekoppelt sein. Das Telemetrieelement 28 kann Messungen von dem akustischen Werkzeug 26 an einen Oberflächenempfänger 30 übertragen und/oder Befehle von dem Oberflächenempfänger 30 empfangen. Das Telemetrieelement 28 kann ein Spülungsimpuls-Telemetriesystem, ein Akustik-Telemetriesystem, ein drahtgestütztes Kommunikationssystem, ein drahtloses Kommunikationssystem oder jede andere Art von Kommunikationssystem umfassen, das sich einem Durchschnittsfachmann angesichts dieser Offenbarung erschließen würde. In bestimmten Ausführungsformen können einige oder alle der Messungen, die an dem Werkzeug 26 vorgenommen werden, auch innerhalb des Werkzeugs 26 oder des Telemetrieelements 28 zum späteren Abruf an der Oberfläche 82 gespeichert werden.

In bestimmten Ausführungsformen kann das Bohrsystem 80 eine Oberflächensteuereinheit 32 umfassen, die an der Oberfläche 102 positioniert ist. Die Oberflächensteuereinheit 32 kann ein Informationshandhabungssystem umfassen, das kommunikativ an den Oberflächenempfänger 30 gekoppelt ist, und kann über den Oberflächenempfänger 30 Messungen von dem akustischen Werkzeug 26 empfangen und/oder Befehle an das akustische Werkzeug 26 übertragen. Die Oberflächensteuereinheit 32 kann auch Messungen von dem akustischen Werkzeug 26 empfangen, wenn das akustische Werkzeug 26 an die Oberfläche 102 zurückgeholt ist. Wie oben beschrieben, kann die Oberflächensteuereinheit 32 einige oder alle der Messungen von dem akustischen Werkzeug 26 verarbeiten, um bestimmte Parameter von Downhole-Elementen, einschließlich das Bohrloch 16 und die Formation 84, zu bestimmen.

Zu verschiedenen Zeiten während des Bohrvorgangs kann der Bohrstrang 8 aus dem Bohrloch 16 entfernt werden, wie in 6 dargestellt. Sobald der Bohrstrang 8 entfernt wurde, können Mess-/Logging-Aktivitäten unter Verwendung eines Wireline-Werkzeugs 34, z. B. eines Geräts, das durch ein Kabel 15 mit Leitern zum Transportieren von Energie an das Werkzeug und von Telemetrie von dem Werkzeugkörper an die Oberfläche 102 in das Bohrloch 16 gehängt ist, durchgeführt werden. Das Wireline-Werkzeug 34 kann ein akustisches Werkzeug 36 ähnlich dem akustischen Werkzeug 26, das oben beschrieben ist, umfassen. Das Werkzeug 36 kann kommunikativ an das Kabel 15 gekoppelt sein. Eine Logging-Einrichtung 44 (dargestellt in 5 als ein LKW, wobei sie auch jede andere Struktur sein kann) kann Messungen von dem akustischen Werkzeug 36 sammeln und kann Recheneinrichtungen (einschließlich z. B. einer Steuereinheit/eines Informationshandhabungssystems) zum Steuern, Verarbeiten, Speichern und/oder Visualisieren von einigen oder allen der Messungen, die durch das Werkzeug 36 erfasst werden, beinhalten. Die Recheneinrichtungen können über ein Kabel 15 kommunikativ an das akustische Werkzeug 36 gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinheit 32 als die Recheneinrichtungen der Logging-Einrichtung 44 dienen.

Ein beispielhaftes Futterrohr- und Zementbewertungswertzeug kann einen Werkzeugkörper und einen drehenden Abschnitt, der an den Werkzeugkörper gekoppelt ist, beinhalten. Ein erster Wandler kann an den drehenden Abschnitt an einem radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt sein. Ein zweiter Wandler kann an den drehenden Abschnitt an einem anderen radialen Versatz von der Längsachse des Werkzeugs gekoppelt sein.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in dem vorstehenden Absatz beschrieben sind, sind der erste Wandler und der zweite Wandler um 180° in Bezug auf den drehenden Abschnitt versetzt.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zwei Absätzen beschrieben sind, umfasst der drehende Abschnitt einen drehenden Kopf, der an einem distalen Ende des Werkzeugkörpers positioniert ist und durch einen Antriebsmechanismus, der sich innerhalb des Werkzeugkörpers befindet, gedreht wird.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden drei Absätzen beschrieben sind, kann ein Informationshandhabungssystem kommunikativ an den ersten und zweiten Wandler gekoppelt sein und für Folgendes ausgelegt sein: Empfangen, von dem ersten Wandler, eines ersten Echosignals entsprechend einem ersten akustischen Impuls, der durch den ersten Wandler übertragen wird; Empfangen, von dem zweiten Wandler, eines zweiten Echosignals entsprechend einem zweiten akustischen Impuls, der durch den zweiten Wandler übertragen wird; und Bestimmen einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit einer Bohrlochflüssigkeit, in der der Werkzeugkörper positioniert ist, basierend zumindest teilweise auf dem empfangenen ersten Echosignal und dem empfangenen zweiten Echosignal.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden vier Absätzen beschrieben sind, ist das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem empfangenen ersten Echosignal und dem empfangenen zweiten Echosignal durch Durchführen der folgenden Schritte zu bestimmen: Bestimmen einer ersten Ankunftszeit, die mit dem ersten Echosignal assoziiert ist; Bestimmen einer zweiten Ankunftszeit, die mit dem zweiten Echosignal assoziiert ist; und Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden fünf Absätzen beschrieben sind, ist das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt, die Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen zu bestimmen: wobei ID einem Innendurchmesser eines Futterrohrs, in dem der Werkzeugkörper positioniert ist, entspricht; t1 der ersten Ankunftszeit entspricht; t2 der zweiten Ankunftszeit entspricht; r dem radialen Versatz des ersten Wandlers entspricht; und dr der Differenz zwischen dem radialen Versatz des ersten Wandlers und dem radialen Versatz des zweiten Wandlers entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sechs Absätzen beschrieben sind, ist das Informationshandhabungssystem ferner dazu ausgelegt, eine frequenzbasierte Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal zu bestimmen.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sieben Absätzen beschrieben sind, ist das Informationshandhabungssystem dazu ausgelegt, die frequenzbasierte Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal durch Durchführen der folgenden Schritte zu bestimmen: Umwandeln der ersten und zweiten Echosignale in die Frequenzdomäne; entsprechendes Vergleichen des umgewandelten ersten und zweiten Echosignals mit den Frequenzspektren des ersten akustischen Impulses und des zweiten akustischen Impulses.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden acht Absätzen beschrieben sind, kann ein Schleifring zwischen dem Werkzeugkörper und dem drehenden Abschnitt des Werkzeugkörpers vorhanden sein.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden neun Absätzen beschrieben sind, kann ein feldprogrammierbares Gate-Array teilweise den ersten Wandler und den zweiten Wandler steuern.

Ein beispielhaftes Verfahren kann ein Übertragen eines ersten akustischen Impulses von einem ersten Wandler, der innerhalb einer Bohrlochflüssigkeit positioniert ist, beinhalten, wobei der erste Wandler an einen drehenden Abschnitt eines Downhole-Werkzeugs an einem radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist. Ein erstes Echosignal entsprechend dem ersten akustischen Impuls kann an dem ersten Wandler empfangen werden. Ein zweiter akustischer Impuls kann von einem zweiten Wandler, der innerhalb einer Bohrlochflüssigkeit positioniert ist, übertragen werden, wobei der zweite Wandler an den drehenden Abschnitt des Downhole-Werkzeugs an einem anderen radialen Versatz von einer Längsachse des Werkzeugs gekoppelt ist. Ein zweites Echosignal entsprechend dem zweiten akustischen Impuls kann an dem zweiten Wandler empfangen werden. Eine Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit kann basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal bestimmt werden.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in dem vorstehenden Absatz beschrieben sind, sind der erste Wandler und der zweite Wandler um 180° in Bezug auf den drehenden Abschnitt versetzt.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zwei Absätzen beschrieben sind, umfasst der drehende Abschnitt einen drehenden Kopf, der an einem distalen Ende des Werkzeugkörpers positioniert ist und durch einen Antriebsmechanismus, der sich innerhalb des Werkzeugkörpers befindet, gedreht wird.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden drei Absätzen beschrieben sind, umfasst das Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal Folgendes: Bestimmen einer ersten Ankunftszeit, die mit dem ersten Echosignal assoziiert ist; Bestimmen einer zweiten Ankunftszeit, die mit dem zweiten Echosignal assoziiert ist; und Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden vier Absätzen beschrieben sind, umfasst das Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit basierend zumindest teilweise auf der ersten Ankunftszeit und der zweiten Ankunftszeit ein Bestimmen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit unter Verwendung der folgenden Gleichungen: wobei ID einem Innendurchmesser eines Futterrohrs, in dem der Werkzeugkörper positioniert ist, entspricht; t1 der ersten Ankunftszeit entspricht; t2 der zweiten Ankunftszeit entspricht; r dem radialen Versatz des ersten Wandlers entspricht; und dr der Differenz zwischen dem radialen Versatz des ersten Wandlers und dem radialen Versatz des zweiten Wandlers entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden fünf Absätzen beschrieben sind, kann eine frequenzbasierte Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal bestimmt werden.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sechs Absätzen beschrieben sind, umfasst das Bestimmen der frequenzbasierten Abschwächungsreaktion der Bohrlochflüssigkeit basierend zumindest teilweise auf dem ersten Echosignal und dem zweiten Echosignal Folgendes: Umwandeln des ersten und zweiten Echosignals in die Frequenzdomäne; und entsprechendes Vergleichen des umgewandelten ersten und zweiten Echosignals mit den Frequenzspektren des ersten akustischen Impulses und des zweiten akustischen Impulses umfasst.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sieben Absätzen beschrieben sind, umfasst das Werkzeug einen Schleifring zwischen dem Werkzeugkörper und dem drehenden Abschnitt des Werkzeugkörpers.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden acht Absätzen beschrieben sind, umfasst das Werkzeug ein feldprogrammierbares Gate-Array, das teilweise den ersten Wandler und den zweiten Wandler steuert.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden neun Absätzen beschrieben sind, kann zumindest eine Eigenschaft eines Futterrohrs, in dem das Werkzeug positioniert ist, oder einer Zementschicht zwischen dem Futterrohr und einem Bohrloch basierend zumindest teilweise auf der bestimmten Flüssigkeitsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Folglich ist die vorliegende Erfindung gut geeignet, um die erwähnten Ziele und Vorteile sowie diejenigen, die damit zusammenhängen, zu erreichen. Die oben offenbarten bestimmten Ausführungsformen sind lediglich veranschaulichend, da die vorliegende Offenbarung modifiziert und auf verschiedene, jedoch äquivalente Arten umgesetzt werden kann, welche für den Fachmann, für den die in dieser Patentschrift enthaltenen Lehren von Vorteil sind, ersichtlich sind. Ferner sind keine Einschränkungen bezüglich der hierin gezeigten Details zu Aufbau oder Gestaltung beabsichtigt, sofern nicht in den untenstehenden Ansprüchen beschrieben. Demnach versteht sich, dass die bestimmten veranschaulichenden Ausführungsformen, welche oben offenbart wurden, abgeändert oder modifiziert werden können, und alle derartigen Abwandlungen werden in dem Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung berücksichtigt. Zudem haben die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe ihre gewöhnliche, herkömmliche Bedeutung, sofern sie durch den Patentinhaber nicht ausdrücklich und eindeutig anders definiert sind. Die in den Ansprüchen verwendeten unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ sind hier derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines des Elements, das sie einleiten, bedeuten.