Title:
Verfahren zum Beurteilen von Zementbindung
Kind Code:
T5
Abstract:

Bereitgestellt werden Verfahren zum Beurteilen von Zementbindung in einem Bohrloch. Ein Beispielverfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz beinhaltet das Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst. Eine oder mehrere Reflexionen der akustischen Signale können von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs empfangen werden, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst. Wenigstens einer von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil kann auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids modifiziert werden. Eine Impedanz der Zementschicht kann durch Analysieren des wenigstens einen von dem modifizierten anfänglichen Reflexionsteil und dem modifizierten Resonanzteil bestimmt werden.



Inventors:
Mandal, Batakrishna, Tex. (Missouri City, US)
Jagannathan, Srinivasan, Tex. (Houston, US)
Application Number:
DE112016000974T
Filing Date:
04/28/2016
Assignee:
Halliburton Energy Services, Inc. (Tex., Houston, US)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
Fleuchaus & Gallo Partnerschaft mbB Patent- und Rechtsanwälte, 81369, München, DE
Claims:
1. Verfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz, umfassend:
Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst;
Empfangen von einer oder mehreren Reflexionen der akustischen Signale durch wenigstens einen Abschnitt des Bohrlochs, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst;
Modifizieren von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil wenigstens teilweise auf Grundlage einer Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids; und
Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht durch Analysieren des wenigstens einen von dem modifizierten anfänglichen Reflexionsteil und dem modifizierten Resonanzteil.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Bestimmen der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids das Bestimmen eines frequenzabhängigen Dämpfungsmodells für das Bohrlochfluid umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des frequenzabhängigen Dämpfungsmodells das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: Loss in dB = 20·log10(e–αx) wobei α einem Dämpfungskoeffizienten entspricht und x einer Strecke entspricht, die das eine oder die mehreren akustischen Signale durch das Bohrlochfluid zurückgelegt haben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Bestimmen des frequenzabhängigen Dämpfungsmodells ferner das Verwenden der folgenden linearen Gleichung umfasst: α = α0 + (α1·f)wobei f einer Frequenz des akustischen Signals entspricht, α1 einer Flanke des Dämpfungsmodells entspricht und α0 einem Interzept des Dämpfungsmodells entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modifizieren Multiplizieren jeder Frequenzkomponente von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil mit umfasst, wobei αf einem Bohrlochfluiddämpfungskoeffizienten entspricht, f einer Frequenz der Frequenzkomponente entspricht und d einer Abstandsentfernung zwischen dem Messwandler und einem Bohrlochfutterrohr entspricht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren akustischen Signale von einem akustischen Vermessungswerkzeug erzeugt werden, das einen Messwandler umfasst, der in dem Bohrlochfluid angeordnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das akustische Vermessungswerkzeug einen Drehabschnitt umfasst, an den der Messwandler gekoppelt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Transformieren von wenigstens einem der anfänglichen Reflexionsteile in einen Frequenzbereich durch Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht das Bestimmen einer Eins-Norm des Resonanzteils, normiert durch eine Spitzenamplitude im anfänglichen Reflexionsteil oder eine Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils, umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht das Bestimmen eines Verhältnisses von Eins-Normen unter Verwendung der folgenden Gleichung umfasst: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des Resonanzteils entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Bestimmen eines Verhältnisses eines Eins-Normen-Modells, um eine Beziehung zwischen dem Verhältnis von Eins-Normen und Zementimpedanz zu beschreiben.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: log10r = pZc + qwobei r dem Verhältnis von Eins-Normen entspricht, p einer Flanke des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen entspricht, q einem Interzept des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen entspricht und Zc der Zementimpedanz entspricht; und wobei p und q durch Anpassung mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen das Simulieren von einer oder mehreren akustischen Reflexionen für wenigstens zwei Zementimpedanzen umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen der Zementimpedanz das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: wobei rmeas dem Verhältnis von Eins-Normen für jede Reflexion des einen oder der mehreren akustischen Signale entspricht.

16. Verfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz, umfassend:
Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst;
Empfangen von einer oder mehreren Reflexionen der akustischen Signale durch wenigstens einen Abschnitt des Bohrlochs, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst;
Modifizieren von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil wenigstens teilweise auf Grundlage einer Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids;
Berechnen eines Verhältnisses von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils;
Simulieren von einer oder mehreren akustischen Reflexionen für eine oder mehrere Zementimpedanzen wenigstens teilweise auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids, wobei jede der einen oder mehreren simulierten akustischen Reflexionen einen simulierten anfänglichen Reflexionsteil und einen simulierten Resonanzteil aufweist;
Berechnen eines simulierten Verhältnisses von Eins-Normen des simulierten anfänglichen Reflexionsteils und des simulierten Resonanzteils; und
Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht wenigstens teilweise auf Grundlage eines Vergleichs des Verhältnisses von Eins-Normen mit dem simulierten Verhältnis von Eins-Normen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Berechnen eines Verhältnisses von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des Resonanzteils entspricht.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Berechnen eines Verhältnisses von Eins-Normen das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des simulierten anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des simulierten Resonanzteils entspricht.

19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das eine oder die mehreren akustischen Signale von einem akustischen Vermessungswerkzeug erzeugt werden, das einen Messwandler umfasst, der in dem Bohrlochfluid angeordnet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das akustische Vermessungswerkzeug einen Drehabschnitt umfasst, an den der Messwandler gekoppelt ist.

Description:

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Beurteilung von Zementbindung in einem Bohrloch. Bohrlochbohr- und -komplettierungsvorgänge verlangen in der Regel die Verwendung von Futterrohren in einem Bohrloch in einer unterirdischen Formation, um sicherzustellen, dass das Bohrloch nach dem Bohren nicht einstürzt und dass empfindliche Bereiche der Formation geschützt und isoliert werden. In den meisten Fällen sind Futterrohre mithilfe einer Zementschicht im Bohrloch befestigt, die einen Ringraum zwischen dem Futterrohr und der Formation füllt und sich an beide bindet. Die Festigkeit beider Zementbindungen ist wichtig für die Integrität des Bohrlochs. Das Messen der Zementimpedanz kann Informationen zur Festigkeit der Zementbindungen bereitstellen.

Einige Futterrohr- und Zementbeurteilungswerkzeuge übertragen einen akustischen Impuls in das Futterrohr und die Zementschicht und empfangen ein Echosignal dieses Impulses. Das Echosignal kann Reflexionen und Nachhall beinhalten, die von dem Futterrohr, der Zementschicht und einer Grenzfläche zwischen den beiden verursacht werden. Diese Reflexionen und dieser Nachhall können teilweise zum Berechnen von Untertageeigenschaften einschließlich der Zementimpedanz verwendet werden. In einigen Fällen können Bohrlochfluide wie etwa Bohrschlamm, Komplettierungsfluide und andere Formationsfluide im Futterrohr vorliegen, so dass der akustische Impuls durch das Bohrlochfluid übertragen werden muss. Traditionelle Verfahren zum Beurteilen von Zementbindungen ignorieren die Auswirkungen der Ausbreitung durch das Bohrlochfluid. In einigen Fällen kann die Dämpfung von Bohrlochfluiden wie etwa Schlämmen auf Ölbasis und anderen Formationsfluiden, zu Schwankungen und Verzerrungen der Impedanzbeurteilung führen.

FIGUREN

Einige spezifische Ausführungsbeispiele der Offenbarung lassen sich zum Teil durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen nachvollziehen.

1 ist eine Darstellung, die ein beispielhaftes akustisches Vermessungswerkzeug gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

2 ist eine Darstellung, die Reflexion und Resonanz eines akustischen Signals in einem Bohrloch darstellt, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

3 ist eine Darstellung eines empfangenen akustischen Signals gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

4 ist ein Kurvendiagramm, das für verschiedene Bohrfluide Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt.

5 ist ein Kurvendiagramm, das Daten darstellt, die ein Verhältnis von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils eines empfangenen akustischen Signals zur Zementimpedanz in Beziehung setzen, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

6 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Algorithmus zur Zementimpedanzschätzung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

7 ist eine Darstellung, die ein veranschaulichendes Bohrsystem gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

8 ist eine Darstellung, die ein veranschaulichendes Wireline-Vermessungssystem gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Obwohl Ausführungsformen dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Offenbarung dargestellt, beschrieben und definiert werden, impliziert eine solche Bezugnahme keine Beschränkung der Offenbarung, und es ist keine solche Beschränkung daraus abzuleiten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlicher Modifikation, Abänderung und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, die für einschlägige Fachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegen werden. Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen dieser Offenbarung sind nur Beispiele und stellen den Umfang der Offenbarung nicht erschöpfend dar.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Bewertung von Zementbindung in einem Bohrloch.

Zu Zwecken dieser Offenbarung kann ein Informationshandhabungssystem beliebige Instrumente oder Instrumentensammlungen beinha+lten, die betriebsfähig sind, um beliebige Formen von Informationen, Erkenntnissen oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, steuerungsbezogene oder andere Zwecke zu berechnen, zu klassifizieren, zu verarbeiten, zu übertragen, zu empfangen, abzurufen, zu erzeugen, zu schalten zu speichern, anzuzeigen, zu manifestieren, zu erkennen, aufzuzeichnen, zu reproduzieren, zu handhaben oder zu nutzen. Beispielsweise kann ein Informationshandhabungssystem ein Personalcomputer, eine Netzspeichervorrichtung oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung sein und kann hinsichtlich Größe, Form, Leistung, Funktionen und Preis variieren. Das Informationshandhabungssystem kann Schreib-/Lesespeicher (RAM), eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen wie etwa eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) oder Hardware- oder Software-Steuerungslogik, ROM und/oder andere Arten von nicht flüchtigem Speicher beinhalten.

Weitere Komponenten des Informationshandhabungssystems können ein oder mehrere Plattenlaufwerke, einen oder mehrere Netzwerkanschlüsse zur Kommunikation mit externen Vorrichtungen sowie verschiedene Eingabe- und Ausgabe(E/A)-Vorrichtungen wie etwa eine Tastatur, eine Maus und eine Videoanzeige beinhalten. Das Informationshandhabungssystem kann auch einen oder mehrere Datenbusse beinhalten, die betriebsfähig sind, um Kommunikation zwischen den verschiedenen Hardwarekomponenten zu übertragen. Es kann auch eine oder mehrere Schnittstelleneinrichtungen beinhalten, die ein oder mehrere Signale an einen Controller, Aktor oder eine ähnliche Vorrichtung übertragen können.

Zu Zwecken dieser Offenbarung können computerlesbare Medien beliebige Instrumente oder Instrumentensammlungen beinhalten, die Daten und/oder Anweisungen für einen Zeitraum halten können. Computerlesbare Medien können beispielsweise, ohne Beschränkung, Speichermedien wie etwa eine Direktzugriffspeichervorrichtung (z. B. eine Festplatte oder ein Diskettenlaufwerk), eine Speichervorrichtung mit sequenziellem Zugriff (z. B. ein Bandlaufwerk), eine Compact Disk, CD-ROM, DVD, RAM, ROM, elektrisch löschbaren programmierbaren Lesespeicher (EEPROM) und/oder Flash-Speicher; sowie Kommunikationsmedien wie etwa Drähte, Glasfasern, Mikrowellen, Funkwellen und andere elektromagnetische und/oder optische Träger; und/oder eine beliebige Kombination der Vorstehenden beinhalten.

Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier ausführlich beschrieben. Im Interesse der Klarheit werden möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in dieser Beschreibung beschrieben. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung derartiger tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden, um die spezifischen Implementierungsziele zu erreichen, die je nach Implementierung unterschiedlich sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass derartige Entwicklungsbestrebungen zwar komplex und zeitaufwändig sein können, jedoch trotzdem für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen.

Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, werden die folgenden Beispiele bestimmter Ausführungsformen beschrieben. Die folgenden Beispiele sollten keinesfalls als den Umfang der Offenbarung beschränkend oder definierend verstanden werden. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auf horizontale, vertikale, abweichende oder in anderer Weise nichtlineare Bohrlöcher in einer beliebigen Art unterirdischer Formation anwendbar sein. Ausführungsformen können ebenso auf Einspritzbohrlöcher wie auf Förderungsbohrlöcher einschließlich Kohlenwasserstoffbohrlöchern anwendbar sein. Ausführungsformen können mithilfe eines Werkzeugs implementiert werden, das zum Testen, Gewinnen und Abtasten an Abschnitten der Formation angepasst wurde. Ausführungsformen können mit Werkzeugen implementiert werden, die beispielsweise durch einen Strömungsdurchlass in einem Rohrstrang oder mithilfe einer Wireline, Slickline, Wickelrohren, einem Untertageroboter/-schlepper oder dergleichen befördert werden können.

Die Begriffe „koppeln“ oder „koppelt“ im hier verwendeten Sinne sollen entweder eine direkte oder indirekte Verbindung bezeichnen. Wenn eine erste Vorrichtung an eine zweite Vorrichtung gekoppelt ist, kann diese Verbindung somit über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte mechanische oder elektrische Verbindung durch andere Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen. Ebenso soll der Begriff „kommunizierend gekoppelt“ im hier verwendeten Sinne entweder eine direkte oder eine indirekte Kommunikationsverbindung bezeichnen. Eine solche Verbindung kann eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung wie beispielsweise Ethernet oder LAN sein. Diese kabelgebundenen oder kabellosen Verbindungen sind einschlägigen Durchschnittsfachleuten bekannt und werden daher hier nicht ausführlich erörtert. Wenn eine erste Vorrichtung kommunizierend an eine zweite Vorrichtung gekoppelt ist, kann diese Verbindung somit über eine direkte Verbindung oder über eine indirekte kommunizierende Verbindung durch andere Vorrichtungen und Verbindungen erfolgen.

Moderne Erdölbohr- und -produktionsvorgänge verlangen Informationen zu Parametern und Bedingungen untertage. Es existieren mehrere Verfahren zum Sammeln von Untertageinformationen, darunter Vermessung während des Bohrens („LWD“), Messung während des Bohrens („MWD“) und Wireline. Bei LWD werden Daten in der Regel während des Bohrproezsses erfasst, wodurch es nicht erforderlich ist, die Bohrbaugruppe zu entfernen, um ein Wireline-Vermessungswerkzeug einzuführen. LWD erlaubt es somit dem Bohrpersonal, präzise Echtzeitmodifikationen oder -korrekturen vorzunehmen, um die Leistung zu erhöhen und zugleich die Stillstandzeit zu minimieren. MWD ist der Begriff für das Messen der Bedingungen untertage hinsichtlich der Bewegung und Position der Bohrbaugruppe, während das Bohren im Gange ist. LWD konzentriert sich mehr auf die Messung von Formationsparametern. Obwohl Unterschiede zwischen MWD und LWD vorliegen können, werden die Begriffe MWD und LWD häufig austauschbar verwendet. Zu Zwecken dieser Offenbarung wird der Begriff LWD verwendet, wobei es sich versteht, dass dieser Begriff sowohl das Sammeln von Formationsparametern als auch das Sammeln von Informationen zur Bewegung und Position der Bohrbaugruppe einschließt.

Die vorliegende Offenbarung stellt Verfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz bereit, umfassend: Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst; Empfangen von einer oder mehreren Reflexionen der akustischen Signale von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst; Modifizieren von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil wenigstens teilweise auf Grundlage einer Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids; und Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht durch Analysieren von wenigstens einem von dem modifizierten anfänglichen Reflexionsteil und dem modifizierten Resonanzteil.

In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz bereit, umfassend: Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid und eine Zementschicht umfasst; Empfangen einer oder mehrerer Reflexionen der akustischen Signale von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst; Modifizieren von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil wenigstens teilweise auf Grundlage einer Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids; Berechnen eines Verhältnisses von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils; Simulieren von einer oder mehreren simulierten akustischen Reflexionen für eine oder mehrere Zementimpedanzen wenigstens teilweise auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids, wobei die simulierten akustischen Reflexionen einen simulierten anfänglichen Reflexionsteil und einen simulierten Resonanzteil aufweisen; Berechnen eines simulierten Verhältnisses von Eins-Normen des simulierten anfänglichen Reflexionsteils und des simulierten Resonanzteils; und Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht wenigstens teilweise auf Grundlage eines Vergleichs des Verhältnisses von Eins-Normen mit dem simulierten Verhältnis von Eins-Normen.

1 ist eine Darstellung, die ein beispielhaftes akustisches Vermessungswerkzeug 100 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Werkzeug 100 kann in einem Bohrloch 150 in einer unterirdischen Formation 152 aufgehängt sein (z. B. über Wireline, Slickline, Wickelrohr, Bohrgestänge/-verrohrung, einen Untertageschlepper oder dergleichen). Wie dargestellt, kann das Werkzeug 100 in einem Futterrohr 102 angeordnet sein, das in dem Bohrloch 150 befestigt ist, das eine Zementschicht 104 umfasst, die den Ringraum zwischen dem Futterrohr 102 und dem Bohrloch 150 im Wesentlichen füllt. In bestimmten Ausführungsformen kann das Werkzeug 11 in einem Bohrlochfluid im Bohrloch 150 angeordnet sein. Das Futterrohr 102 kann ein Metallrohrelement von vorgegebener Länge und vorgegebenem Durchmesser umfassen, das speziell für eine bestimmte Tiefe in der Formation 152 ausgewählt wurde. Obwohl nur ein Futterrohr 102 in 1 gezeigt ist, können mehrere Futterrohre verwendet werden, einschließlich einer teleskopischen Ausrichtung, bei der Futterrohre mit zunehmend kleinerem Durchmesser verwendet werden, während sich das Bohrloch 150 weiter in die Formation 152 erstreckt. Das Futterrohr 102 kann verhindern, dass das Bohrloch 150 einstürzt, verhindern, dass empfindliche Formationsstrata Untertagefluiden ausgesetzt werden, und verhindern, dass unerwünschte Formationsfluide in das Bohrloch 150 eindringen. Diese Ausführungsform wird als ein „verrohrtes“ Loch bezeichnet. Das Werkzeug kann auch in einem „offenen“ Loch angeordnet sein, das das Bohrloch 150 ohne das Futterrohr 102 oder die Zementschicht 104 umfassen kann.

Das Werkzeug 100 umfasst einen länglichen Werkzeugkörper 120, der einen Drehabschnitt 108 mit einem oder mehreren daran gekoppelten akustischen Messwandlern 106 umfasst. Zu beispielhaften Messwandlern gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, piezoelektrische Kristalle, Geophone, elektromagnetische Elemente usw. Wie dargestellt, umfasst der Drehabschnitt 108 einen Drehkopf, der an einem distalen Ende des länglichen Werkzeugkörpers 120 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann der Drehabschnitt 108 an einem oder mehreren Zwischenabschnitten des länglichen Werkzeugkörpers 120 angeordnet sein, was mehr Flexibilität hinsichtlich der Werkzeugauslegung bereitstellen kann. Wie dargestellt, ist der Durchmesser des Drehabschnitts 108 größer als der Durchmesser des länglichen Werkzeugkörpers 120 angeordnet, doch sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung auch andere Ausgestaltungen möglich.

Der Drehabschnitt 108 kann von einem Elektromotor (nicht dargestellt) oder einem anderen geeigneten Antriebsmechanismus angetrieben werden, der eine gesteuerte Drehbewegung des Drehabschnitts 108 in Bezug auf das Werkzeug 100 ermöglicht. Wie dargestellt, kann der Drehabschnitt 108 durch eine Welle 122 angetrieben werden, die den Drehabschnitt 108 mit einem Antriebsmechanismus im länglichen Werkzeugkörpers 120 verbindet. Die Leistung für den Antriebsmechanismus und andere Elemente im Werkzeug 100 kann beispielsweise durch das Mittel der Federung oder durch eine oder mehrere Leistungsquellen, z. B. Batterien, Kondensatoren, Generatoren, in dem Werkzeug 100 bereitgestellt werden.

Im Gebrauch kann der Messwandler 106 an einer ersten Azimutposition einen gerichteten Impuls 110 auf das Futterrohr 102 übertragen. Der gerichtete akustische Impuls 110 ist hinsichtlich der Frequenz nicht eingeschränkt und kann, muss aber kein Ultraschallimpuls sein. Dieser Impuls 110 kann mit wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs 150 in Kontakt gelangen, davon reflektiert werden und/oder von diesem zurückgeworfen werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Messwandler 106 ein oder mehrere akustische Signale im Bohrloch 150 erzeugen und eine oder mehrere Reflexionen der akustischen Signale von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs 150 empfangen. In einigen Ausführungsformen kann der Abschnitt des Bohrlochs 150 das Futterrohr 102, die Zementschicht 104 und/oder die Grenzfläche zwischen dem Futterrohr 102 und der Zementschicht 104 umfassen. Diese Reflexionen und dieser Nachhall können ein Echosignal 112 umfassen, das von dem Messwandler 106 empfangen wird. Jede der einen oder mehreren Reflexionen kann einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfassen.

Wenn das Echosignal 112 von der ersten Azimutposition empfangen wird, kann der Drehabschnitt 108 in eine zweite Azimutposition im Bohrloch 150 gedreht werden. Dann kann ein weiterer Impuls von dem Messwandler 106 übertragen werden, und ein entsprechendes Echosignal kann am Messwandler 106 empfangen werden. Der Drehabschnitt 108 kann dann in eine dritte Azimutposition im Bohrloch 150 gedreht werden, und noch ein weiterer Impuls kann von dem Messwandler 106 übertragen werden, und ein entsprechendes Echosignal kann am Messwandler 106 empfangen werden. Die erste, zweite und dritte Azimutposition können, müssen aber nicht in gleichen Drehintervallen in Bezug auf das Werkzeug 100 liegen. Beispielsweise kann die Winkeldifferenz zwischen den Azimutpositions in Echtzeit abhängig von empfangenen Signalen und der Granularität der resultierenden Messungen modifiziert werden, wobei kleinere Drehintervalle einer höheren Granularität entsprechen. In bestimmten Ausführungsformen kann dieser Prozess andauern, bis der Drehabschnitt 108 eine Drehung abgeschlossen hat, und an diesem Punkt kann das Werkzeug 100 in einer anderen Tiefe angeordnet werden. Die Gruppe von Azimutmessungen, die in einer bestimmten Tiefe vorgenommen wird, kann als eine „Abtastung“ bezeichnet werden. Die Anzahl von Azimutmessungen, die zum Vervollständigen einer Abtastung vorgenommen wird, kann beispielsweise von der Granularität abhängen, die von den kombinierten Messungen verlangt wird, sowie von den Untertagebedingungen. Obwohl nicht dargestellt, kann anstelle eines Drehabschnitts auch das gesamte Werkzeug 100 oder ein Abschnitt davon, der den Messwandler 106 aufweist, gedreht werden, um eine ähnliche Azimutabtastung zu erreichen. Wenn das Werkzeug 100 beispielsweise über Bohrgestänge in das Bohrloch 150 befördert wird, kann das Bohrgestänge gedreht werden, um wiederum das Werkzeug 100 und damit den Messwandler 106 zu drehen.

In bestimmten Ausführungsformen kann jedes Echosignal 112, das der Messwandler 106 empfängt, an einen oder mehrere Steuersysteme (nicht dargestellt) übertragen werden, die dem Werkzeug 100 zugeordnet sind, und dort verarbeitet werden, um beispielsweise physikalische Eigenschaften (z. B. Impedanz, Dicke, Langsamkeit, Reflexionsvermögen) des Futterrohrs 102 und der Zementschicht 104 zu bestimmen. Im hier verwendeten Sinne kann ein Steuersystem ein Informationshandhabungssystem oder eine beliebige andere Vorrichtung umfassen, die wenigstens einen Prozessor enthält, der kommunizierend an eine nicht flüchtige computerlesbare Speichervorrichtung gekoppelt ist, die einen Satz Anweisungen enthält, der bei Ausführung durch den Prozessor den Prozessor veranlasst, bestimmte Handlungen auszuführen. Zu beispielhaften Prozessoren gehören Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Digitalsignalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder beliebige andere digitale oder analoge Schaltungen, die dazu konfiguriert sind, Programmanweisungen und/oder Prozessdaten zu interpretieren und/oder auszuführen. Das eine oder die mehreren Steuerungssysteme, die dem Werkzeug 100 zugeordnet sind, können beispielsweise vollständig in dem Werkzeug 100 vorliegen, an der Oberfläche angeordnet sein, oder eine Kombination der beiden (indem z. B. ein Teil der Verarbeitung untertage und einer an der Oberfläche stattfindet).

2 ist eine Darstellung, die Reflexion und Resonanz eines akustischen Signals in einem Bohrloch darstellt, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Ein Dreischichtenmodell für Reflexion und Resonanz von akustischen Signalen im Bohrloch 200 beinhaltet einen akustischen Sendeempfänger 201, ein Bohrlochfluid 202, ein Futterrohr 203 und eine Zementschicht 204. Ein akustischer Sendeempfänger 201 kann Teil einer Wireline-Vorrichtung oder eines anderen Untertagewerkzeugs sein. Das Bohrlochfluid 202 dient als Übertragungsmedium für die abgehenden einen oder mehreren akustischen Signale 205, die von dem akustischen Empfänger 201 in einem Bohrloch erzeugt werden. Ebenfalls gezeigt werden die eine oder mehreren Reflexionen der akustischen Signale 206 und das eine oder die mehreren akustischen Signale, die in dem Futterrohr 207 zurückgeworfen werden. Der Resonanzteil des akustischen Signals 207 ist der Teil des abgehenden akustischen Signals 205, der nicht an der Bohrlochfluid-Futterrohr-Grenzfläche 208 reflektiert wird und in das Futterrohr 203 eindringt. Der Resonanzteil des akustischen Signals 207 wird zwischen der Bohrlochfluid-Futterrohr-Grenzfläche 208 und der Futterrohr-Zement-Grenzfläche 209 hin und her reflektiert. Bei jeder Reflexion wird etwas Energie durch jede Grenzfläche in die Zementschicht 204 oder das Bohrlochfluid 202 übertragen. Nach dem Erzeugen des abgehenden akustischen Signals 205 empfängt der akustische Sendeempfänger 201 das reflektierte akustische Signal 206. Ebenfalls gezeigt ist ein Beispiel einer reflektierten akustischen Signalwellenform 210 des reflektierten akustischen Signals 206 und der einzelnen Wellenformen 211216, die summiert die reflektierte akustische Signalwellenform 210 bereitstellen. Die anfängliche Reflexionswellenform 211 (von der Bohrlochfluid-Futterrohr-Grenzfläche 208) kombiniert sich mit den Resonanzwellenformen 212216.

3 ist eine Darstellung eines empfangenen akustischen Signals gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das empfangene akustische Signal kann eine oder mehrere Reflexionen von einem oder mehreren akustischen Signale umfassen, die jeweils einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil beinhalten können. Gezeigt werden der Teil, der der anfänglichen Reflexion an der Bohrlochfluid-Futterrohr-Grenzfläche 300 entspricht, und der Teil, der dem Resonanzteil 301 entspricht. Die Amplituden der einen oder mehreren Reflexionen von akustischen Signalen sind von den Eigenschaften der verschiedenen Schichten in dem Modell 200 sowie ihrer Geometrie abhängig.

In bestimmten Ausführungsformen kann das Dreischichtenmodell aus 2 als ein ebenes 1-D-Modell modelliert werden, wobei eine ebene Welle an der Grenzfläche der Bohrlochfluidschicht als normal angenommen wird. In einigen Ausführungsformen nimmt das Modell an, dass jede Schicht von links nach rechts gehende ebene Wellen mit komplexen Koeffizienten für jede Welle und Eigenschaften für jede Schicht (z. B. Kompression, Geschwindigkeit, Massendichte, Dicke und Dämpfungsantwort) umfasst.

In bestimmten Ausführungsformen kann eine Dämpfungsantwort für eine oder mehrere Schichten im Bohrloch bestimmt werden, wie etwa die Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids, des Futterrohrs oder der Zementschicht. In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids das Bestimmen eines frequenzabhängigen Dämpfungsmodells für das Bohrlochfluid beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Dämpfung als ein Energieverlust in Abhängigkeit von einer von der Welle zurückgelegten Strecke und der Frequenz von Betriebsvorgängen modelliert werden. Das frequenzabhängige Dämpfungsmodell kann ein lineares Modell sein, das durch zwei Koeffizienten parametrisiert wird, eine Flanke und ein Interzept. In bestimmten Ausführungsformen beispielsweise kann ein Dämpfungsmodell durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden: Verlust in dB = 20·log10(e–αx)(1)wobei α der Dämpfungskoeffizient ist und x die von der Welle durch das Medium zurückgelegte Strecke ist (z. B. die von dem einen oder den mehreren akustischen Signalen durch das Bohrlochfluid zurückgelegte Strecke). In bestimmten Ausführungsformen kann der Dämpfungskoeffizient als eine lineare Funktion der Frequenz modelliert werden, wie durch Gleichung (2) beschrieben: α = α0 + (α1·f)(2)wobei f eine Frequenz der Welle (z. B. des einen oder der mehreren akustischen Signale) ist, α1 die Flanke des Dämpfungsmodells ist und α0 das Interzept des Dämpfungsmodells ist.

4 ist ein Kurvendiagramm der Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Bohrlochfluide und zeigt, dass sie mit einer linearen Anpassung übereinstimmen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Dämpfung bei zwei oder mehr Frequenzen gemessen werden, und ein lineares Modell kann an die Daten angepasst werden, um die Dämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz zu bestimmen. In einigen Ausführungsformen kann die Dämpfung mithilfe einer Schlammzelle in einem Untertagewerkzeug gemessen werden.

In bestimmten Ausführungsformen kann die Dämpfungsantwort mit einem beliebigen geeigneten Zementimpedanzschätzungsmodell angewandt werden. In bestimmten Ausführungsformen wird die eingegebene akustische Signalwelle für das Modell wenigstens teilweise auf Grundlage des anfänglichen Reflexionsteils der Reflexionen des einen oder der mehreren akustischen Signale (300 in 3) bestimmt. Ohne Berücksichtigung der Dämpfung kann der anfängliche Reflexionsteil etwa 75 Prozent bis etwa 99 Prozent der von dem Sendeempfänger erzeugten Energie umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann der anfängliche Reflexionsteil etwa 93 Prozent der von dem Sendeempfänger erzeugten Energie umfassen.

In bestimmten Ausführungsformen kann wenigstens einer von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil von der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids modifiziert werden. Die Impedanz der Zementschicht kann dann durch Analysieren des wenigstens einen von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem modifizierten Resonanzteil bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen beispielsweise kann der anfängliche Reflexionsteil von einer oder mehreren Reflexionen des einen oder der mehreren akustischen Signale durch Extrahieren und Rückwärtspropagieren mit der geeigneten Dämpfung des Bohrlochfluids modifiziert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann dieses Modifizieren das Multiplizieren jeder Frequenzkomponente von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil mit umfassen, wobei αf derBohrlochfluiddämpfungskoeffizient ist, f die Frequenz der Frequenzkomponente ist und d die Abstandsentfernung zwischen der Fläche des Messwandlers und dem Bohrlochfutterrohr ist.

In einigen Ausführungsformen kann die Energie im Resonanzteil in geeigneter Weise mit der Energie oder Amplitude des anfänglichen Reflexionsteils normiert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Resonanzteil Zementimpedanz anzeigen. In einigen Ausführungsformen kann das Bestimmen einer Zementimpedanz das Berechnen der Energie des Resonanzteilsignals für unterschiedliche Zementimpedanzen und das Erzeugen einer Nachschlagtabelle (NST) umfassen. In einigen Ausführungsformen wird das Signal im Resonanzteil beispielsweise nach dem Erfassen der Daten durch Segmentieren und Berechnen seiner Energie normiert und analysiert. In bestimmten Ausführungsformen kann die geeignete Zementimpedanz mithilfe der berechneten NST bestimmt werden.

Im hier verwendeten Sinne ist eine Eins-Norm die Summe der Absolutwerte der Komponentensignale. In bestimmten Ausführungsformen kann das Bestimmen der Impedanz der Zementschicht das Bestimmen der Eins-Norm des Resonanzteils des einen oder der mehreren akustischen Signalreflexionen unter geeigneter Normierung durch entweder die Spitzenamplitude des anfänglichen Reflexionsteils oder die Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann dieses Verhältnis ein Verhältnis von Eins-Normen sein. Ein Verhältnis von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils kann durch Gleichung (3) dargestellt werden: wobei (norm1)A die Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils der Reflexionen des einen oder der mehreren akustischen Signale (300 von 3) ist und (norm1)B die Eins-Norm des Resonanzteils der Reflexionen des einen oder der mehreren akustischen Signale (301 von 3) ist. 5 ist ein Kurvendiagramm typischer Werte des Verhältnisses von Gleichung (3) und der entsprechenden Zementimpedanz in MRayls für einen Schlamm auf Basis von 15 ppg Synthetiköl.

In bestimmten Ausführungsformen kann eine NST für das Verhältnis von Eins-Normen für eine endliche Anzahl von Zementimpedanzwerten gefüllt werden. Die NST für das Verhältnis von Eins-Normen kann durch Simulieren von einer oder mehreren akustischen Reflexionen für eine oder mehrere Zementimpedanzen gefüllt werden. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere simulierte akustische Reflexionen für wenigstens zwei Zementimpedanzen simuliert werden. In einigen Ausführungsformen können die eine oder mehreren simulierten akustischen Reflexionen wenigstens teilweise auf der Dämpfungsantwort des Fluids beruhen und können einen simulierten anfänglichen Reflexionsteil und einen simulierten Resonanzteil beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann ein simuliertes Verhältnis von Eins-Normen auf Grundlage des simulierten anfänglichen Reflexionsteils und des simulierten Resonanzteils der einen oder mehreren simulierten akustischen Reflexionen berechnet werden. Das simulierte Verhältnis von Eins-Normen kann durch Gleichung (3) dargestellt werden, wobei (norm1)A die Eins-Norm des simulierte anfänglichen Reflexionsteils ist und (norm1)B die Eins-Norm des simulierten Resonanzteils ist. Die NST kann zum Schalten der Zementimpedanz verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen beispielsweise kann die Impedanz der Zementschicht durch Vergleichen des Verhältnisses von Eins-Normen, das für die gemessenen Daten bestimmt wurde, mit dem simulierten Verhältnis von Eins-Normen in der NST bestimmt werden.

In bestimmten Ausführungsformen kann ein Modell des Verhältnisses von Eins-Normen bestimmt werden, um die Beziehung zwischen dem Verhältnis von Eins-Normen und der Zementimpedanz zu beschreiben. Eine Log-Transformation des Eins-Norm-Verhältnisses von Gleichung (3) kann in Bezug auf die Zementimpedanz linear sein. Das Simulieren von wenigstens zwei Zementimpedanzen kann ein Modell für die Beziehung zwischen log10r und Zementimpedanz bereitstellen, wie in Gleichung (4) gezeigt: log10r = pZc + q(4)wobei r das simulierte Verhältnis von Eins-Normen ist, das von Gleichung (3) beschrieben wird, p die Flanke des Modells für das Verhältnis von Eins-Normen ist, q das Interzept des Modells für das Verhältnis von Eins-Normen ist und Zc die Zementimpedanz ist. In einigen Ausführungsformen können p und q durch Anpassen von Gleichung (4) an Daten mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden.

Die Umkehrbeziehung für die Impedanzschätzung kann durch Gleichung (5) dargestellt werden: wobei rmeas das Verhältnis von Gleichung (3) für jedes empfangene akustische Signal ist.

6 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Algorithmus zur Zementimpedanzschätzung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bei Schritt 400 wird eine gemessene Wellenform eines empfangenen akustischen Signals im Bohrloch zur Verarbeitung überwacht. Bei Schritt 405 wird das empfangene akustische Signal gemittelt. Bei Schritt 410 wird der anfängliche Reflexionsteil des empfangenen akustischen Signals aus dem Rest der Wellenform extrahiert. Bei Schritt 420 wird wenigstens einer der anfänglichen Reflexionsteile mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) in sein Frequenzbereichsäquivalent transformiert. Bei Schritt 430 wird die Dämpfungskorrektur angewandt. In einigen Ausführungsformen wird die Dämpfungskorrektur 430 durch Multiplizieren jeder Frequenzkomponente mit angewandt. Bei Schritt 440 wird unter Verwendung des in Bezug auf die Dämpfungsantwort 430 korrigierten anfänglichen Reflexionsteils und anderer Modelleingaben wie etwa Materialeigenschaften (z. B. Dichte, Schallgeschwindigkeit) 441, Modellgeometrie (z. B. Dicke von Schichten) 442, des Dämpfungskoeffizienten 443 und wenigstens zwei simulierter Zementimpedanzen 444 ein Frequenzbereichsmodell erzeugt. In einigen Ausführungsformen ist das Modell ein 1-D-Modell mit ebenen Wellen. In Schritt 450 wird die Modellausgabe durch die inverse schnelle Fourier-Transformation (IFFT) zurück in den Zeitbereich transformiert. In Schritt 460 werden der anfängliche Reflexionsteil und der Resonanzteil aus der Zeitbereichsmodellausgabe extrahiert. In Schritt 470 wird der gemeinsame Logarithmus des Eins-Norm-Verhältnisses (z. B. Gleichung (3)) auf Grundlage der extrahierten Teile berechnet. In Schritt 480 werden p und q von Gleichung (5) durch Anpassung eines linearen Modells von Gleichung (4) an simulierte Daten, die von dem Modell bereitgestellt wurden, durch die Methode der kleinsten Quadrate bestimmt. In Schritt 490 wird die Zementimpedanz mit den Werten für p und q aus Schritt 480 für jedes empfangene akustische Signal gemäß Gleichung (5) berechnet. In Schritt 495 wird das Eins-Norm-Verhältnis (z. B. Gleichung (3)) für jedes empfangene akustische Signal berechnet. In Schritt 500 wird die Wellenform jedes empfangenen akustischen Signals in den anfänglichen Reflexionsteil und den Resonanzteil extrahiert.

Ein oder mehrere der oben beschriebenen Geräte, Systeme und/oder Verfahren können in/mit einem Wireline-Werkzeug/einer Wireline-Sonde für Wireline-Vermessungsvorgänge oder in/mit einem oder mehreren LWD/MWD-Werkzeugen für Bohrvorgänge integriert sein. 7 ist eine Darstellung, die ein unterirdisches Bohrsystem 80 zeigt, das wenigstens ein akustisches LWD/MWD-Werkzeug 26 beinhaltet, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Bohrsystem 80 umfasst eine Bohrplattform 2, die an der Oberfläche 82 angeordnet ist. Wie dargestellt, umfasst die Oberfläche 82 die Oberseite einer Formation 84, die ein oder mehrere Felsstrata oder -schichten 18a–c beinhaltet, und die Bohrplattform 2 kann mit der Oberfläche 82 in Kontakt stehen. In anderen Ausführungsformen, etwa bei einem Offshore-Bohrvorgang, kann die Oberfläche 82 durch eine Wassermenge von der Bohrplattform 2 getrennt sein.

Das Bohrsystem 80 umfasst einen Bohrturm 4, der von der Bohrplattform 2 getragen wird und einen Kranblock 6 zum Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 8 aufweist. Eine Mitnehmerstange 10 kann den Bohrstrang 8 tragen, während er durch einen Drehtisch 12 hindurch abgesenkt wird. Ein Bohrmeißel 14 kann an den Bohrstrang 8 gekoppelt sein und von einem Untertagemotor und/oder Drehung des Bohrstrangs 8 durch den Drehtisch 12 angetrieben werden. Während sich der Meißel 14 dreht, erzeugt er ein Bohrloch 16, das durch eine oder mehrere Felsstrata oder -schichten 18a–c verläuft. Eine Pumpe 20 kann wahlweise Bohrfluid durch ein Speiserohr 22 an die Mitnehmerstange 10, durch das Innere des Rohrstrangs 8 in das Bohrloch, durch Öffnungen im Bohrmeißel 14, durch den Ringraum um den Bohrstrang 8 zurück zur Oberfläche und in eine Auffanggrube 24 zirkulieren. Das Bohrfluid transportiert Bohrklein aus dem Bohrloch 16 in die Grube 24 und hilft dabei, das Bohrloch 16 intakt zu halten.

Das Bohrsystem 80 kann eine Bohrgarnitur (BG) umfassen, die in der Nähe des Bohrmeißels an den Bohrstrang 8 gekoppelt ist. Die BG kann verschiedene Untertagemesswerkzeuge und Sensoren sowie LWD- und MWD-Elemente einschließlich des akustischen Werkzeugs 26 umfassen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Werkzeug 26 akustische Impulserregungs- und Echo-/Reflexionsempfangsfunktionen umfassen, die im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Während sich der Meißel durch die Formationen 18a–c in das Bohrloch 16 erstreckt, kann das Werkzeug 26 Messungen zum Bohrloch 16 und zur Formation 84 sammeln. In bestimmten Ausführungsformen können die Ausrichtung und die Position des akustischen Werkzeugs 26 beispielsweise mit einer Azimutausrichtungsanzeige verfolgt werden, die Magnetometer, Neigungsmesser und/oder Beschleunigungsmesser beinhalten kann, obwohl auch andere Sensortypen wie etwa Gyroskope in einigen Ausführungsformen verwendet werden können.

In bestimmten Ausführungsformen können Signale, die das akustische Werkzeug 26 empfängt, an einen oder mehrere Prozessoren oder Informationshandhabungssysteme (nicht dargestellt) übertragen werden, die dem Werkzeug 26 zugeordnet sind, und dort verarbeitet werden, um beispielsweise physikalische Eigenschaften des Bohrlochs 16 zu bestimmen. Der eine oder die mehrere Prozessoren, die dem Werkzeug 26 zugeordnet sind, können beispielsweise vollständig in dem Werkzeug 26 vorliegen, an der Oberfläche angeordnet sein, oder eine Kombination der beiden (indem z. B. ein Teil der Verarbeitung untertage und einer an der Oberfläche stattfindet).

Die Werkzeuge und Sensoren der BG einschließlich des Werkzeugs 26 können kommunikationsfähig an ein Telemetrieelement 28 gekoppelt sein. Das Telemetrieelement 28 kann Messungen vom akustischen Werkzeug 26 an einen Oberflächenempfänger 30 übertragen und/oder Befehle vom Oberflächenempfänger 30 empfangen. Das Telemetrieelement 28 kann ein Schlammimpulstelemetriesystem und akustisches Telemetriesystem, ein drahtgebundenes Kommunikationssystem, ein drahtloses Kommunikationssystem oder eine beliebige andere Art von Kommunikationssystem umfassen, die von einem ein einschlägigen Durchschnittsfachmann in Anbetracht dieser Offenbarung geschätzt würde. In bestimmten Ausführungsformen können einige oder alle am Werkzeug 26 vorgenommenen Messungen auch in dem Werkzeug 26 oder dem Telemetrieelement 28 gespeichert werden, um später an der Oberfläche 82 abgerufen zu werden.

In bestimmten Ausführungsformen kann das Bohrsystem 80 eine Oberflächensteuereinheit 32 umfassen, die an der Oberfläche 82 angeordnet ist. Die Oberflächensteuereinheit 32 kann ein Informationshandhabungssystem umfassen, das kommunikationsfähig an den Oberflächenempfänger 30 gekoppelt ist, und kann über den Oberflächenempfänger 30 Messungen vom akustischen Werkzeug 26 empfangen und/oder Befehle an das akustische Werkzeug 26 übertragen. Die Oberflächensteuereinheit 32 kann auch Messungen vom akustischen Werkzeug 26 abrufen, wenn das akustische Werkzeug 26 an die Oberfläche 82 zurückgeholt wird. Wie oben beschrieben, kann das Oberflächensteuereinheit 32 einige oder alle Messungen vom akustischen Werkzeug 26 verarbeiten, um bestimmte Parameter von Untertageelementen, darunter Bohrloch 16 und Formation 84, zu bestimmen.

Der Bohrstrang 8 kann an verschiedenen Zeitpunkten während des Bohrprozesses aus dem Bohrloch 16 entfernt werden, wie in 8 gezeigt. Sobald der Bohrstrang 8 entfernt wurde, können Messungs-/Vermessungsvorgänge mithilfe eines Wireline-Werkzeugs 34 durchgeführt werden, d. h. einem Instrument, das mit einem Kabel 15 mit Leitern zum Transportieren von Strom zu dem Werkzeug und Telemetrie vom Werkzeugkörper zur Oberfläche 82 in das Bohrloch 16 gehängt ist. Das Wireline-Werkzeug 34 kann ein akustisches Werkzeug 36 ähnlich dem oben beschriebenen akustischen Werkzeug 26 umfassen. Das akustische Werkzeug 36 kann kommunizierend an das Kabel 15 gekoppelt sein. Eine Vermessungsanlage 44 (in 8 als ein Wagen gezeigt, obwohl es sich um eine beliebige Struktur handeln kann) kann Messungen von dem akustischen Werkzeug 36 erfassen und kann Rechenanlagen (z. B. mit einer Steuereinheit/einem Informationshandhabungssystem) zum Steuern, Verarbeiten, Speichern und/oder Visualisieren von einigen oder allen Messungen beinhalten, die von dem Werkzeug 36 gesammelt werden. Die Rechenanlagen können über das Kabel 15 kommunizierend an das akustische Vermessungswerkzeug 36 gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuereinheit 32 als die Rechenanlagen der Vermessungsanlage 44 dienen.

Ein Beispielverfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz beinhaltet das Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst. Eine oder mehrere Reflexionen der akustischen Signale können von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs empfangen werden, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst. Wenigstens einer von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil kann auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids modifiziert werden. Eine Impedanz der Zementschicht kann durch Analysieren des wenigstens einen von dem modifizierten anfänglichen Reflexionsteil und dem modifizierten Resonanzteil bestimmt werden.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in dem vorstehenden Abschnitt beschrieben wurden, kann das Verfahren ferner das Bestimmen einer Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids umfassen.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zwei Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids das Bestimmen eines frequenzabhängigen Dämpfungsmodells für das Bohrlochfluid.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden drei Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen des frequenzabhängigen Dämpfungsmodells das Verwenden der folgenden Gleichung: Loss in dB = 20·log10(e–αx)wobei α einem Dämpfungskoeffizienten entspricht und x einer Strecke entspricht, die das eine oder die mehreren akustischen Signale durch das Bohrlochfluid zurückgelegt haben.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden vier Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen des frequenzabhängigen Dämpfungsmodells ferner das Verwenden der folgenden linearen Gleichung: α = α0 + (α1·f)wobei f einer Frequenz des akustischen Signals entspricht, α1 einer Flanke des Dämpfungsmodells entspricht und α0 einem Interzept des Dämpfungsmodells entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden fünf Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Modifizieren Multiplizieren jeder Frequenzkomponente von wenigstens einem von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil mit wobei αf einem Bohrlochfluiddämpfungskoeffizienten entspricht, f einer Frequenz der Frequenzkomponente entspricht und d einer Abstandsentfernung zwischen dem Messwandler und einem Bohrlochfutterrohr entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sechs Abschnitten beschrieben wurden, werden das eine oder die mehreren akustischen Signale durch ein akustisches Vermessungswerkzeug erzeugt, das einen Messwandler umfasst, der in dem Bohrlochfluid angeordnet wird.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden sieben Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das akustische Vermessungswerkzeug einen Drehabschnitt, an den der Messwandler gekoppelt ist.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden acht Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Verfahren ferner transformieren von wenigstens einem der anfänglichen Reflexionsteile in einen Frequenzbereich durch Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden neun Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht das Bestimmen einer Eins-Norm des Resonanzteils, normiert durch eine Spitzenamplitude im anfänglichen Reflexionsteil oder eine Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zehn Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen einer Impedanz der Zementschicht das Bestimmen eines Verhältnisses von Eins-Normen unter Verwendung der folgenden Gleichung: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des Resonanzteils entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden elf Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Verfahren ferner Bestimmen eines Verhältnisses eines Eins-Normen-Modells, um eine Beziehung zwischen dem Verhältnis von Eins-Normen und Zementimpedanz zu beschreiben.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zwölf Abschnitten beschrieben wurden, wobei das Bestimmen des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen das Verwenden der folgenden Gleichung umfasst: log10r = pZc + qwobei r dem Verhältnis von Eins-Normen entspricht, p einer Flanke des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen entspricht, q einem Interzept des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen entspricht und Zc der Zementimpedanz entspricht; und wobei p und q durch Anpassung mittels der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt werden.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden dreizehn Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen des Modells des Verhältnisses von Eins-Normen das Simulieren von einer oder mehreren akustischen Reflexionen für wenigstens zwei Zementimpedanzen.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden vierzehn Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Bestimmen der Zementimpedanz das Verwenden der folgenden Gleichung: wobei rmeas dem Verhältnis von Eins-Normen für jede Reflexion des einen oder der mehreren akustischen Signale entspricht.

Ein Beispielverfahren zum Bestimmen von Zementimpedanz kann das Erzeugen von einem oder mehreren akustischen Signalen in einem Bohrloch beinhalten, das ein Bohrlochfluid, ein Futterrohr und eine Zementschicht umfasst. Eine oder mehrere Reflexionen der akustischen Signale können von wenigstens einem Abschnitt des Bohrlochs empfangen werden, wobei jede der einen oder mehreren Reflexionen einen anfänglichen Reflexionsteil und einen Resonanzteil umfasst. Wenigstens einer von dem anfänglichen Reflexionsteil und dem Resonanzteil kann auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids modifiziert werden. Ein Verhältnis von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils kann berechnet werden. Eine oder mehrere simulierte akustische Reflexionen für eine oder mehrere Zementimpedanzen können wenigstens teilweise auf Grundlage der Dämpfungsantwort des Bohrlochfluids simuliert werden, wobei jede der einen oder mehreren simulierten akustischen Reflexionen einen simulierten anfänglichen Reflexionsteil und einen simulierten Resonanzteil aufweist. Ein simuliertes Verhältnis von Eins-Normen des simulierten anfänglichen Reflexionsteils und des simulierten Resonanzteils kann berechnet werden. Eine Impedanz der Zementschicht kann wenigstens teilweise auf Grundlage eines Vergleichs des Verhältnisses von Eins-Normen mit dem simulierten Verhältnis von Eins-Normen bestimmt werden.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in dem vorstehenden Abschnitt beschrieben wurden, umfasst das Berechnen eines Verhältnisses von Eins-Normen des anfänglichen Reflexionsteils und des Resonanzteils das Verwenden der folgenden Gleichung: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des Resonanzteils entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden zwei Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das Berechnen des simulierten Verhältnisses von Eins-Normen das Verwenden der folgenden Gleichung: wobei (norm1)A einer Eins-Norm des simulierten anfänglichen Reflexionsteils entspricht und (norm1)B einer Eins-Norm des simulierten Resonanzteils entspricht.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden drei Abschnitten beschrieben wurden, werden das eine oder die mehreren akustischen Signale durch ein akustisches Vermessungswerkzeug erzeugt, das einen Messwandler umfasst, der in dem Bohrlochfluid angeordnet wird.

In einer oder mehreren Ausführungsformen, die in den vorstehenden vier Abschnitten beschrieben wurden, umfasst das akustische Vermessungswerkzeug einen Drehabschnitt, an den der Messwandler gekoppelt ist.

Daher eignet sich die vorliegende Offenbarung gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die vorliegende Offenbarung kann in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für einschlägige Fachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet werden. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, sowie nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind.