(57)【要約】  屈折した超音波がツールスタンドオフを計算するために使用される。超音波送信機は、屈折波に対して臨界入射角で掘削孔の壁に向かって（の中に）波を送る。屈折波は掘削孔の壁に沿って横切り、臨界角で掘削孔中にエネルギを連続的に放射する。屈折波は受信機により検出され、送信機から受信機までの屈折した音波の移動時間が測定され、そしてスタンドオフの計算に使用される。多くの方向で（例えばツールを回転させて）測定を繰り返すことにより、１またはそれ以上のキャピラー測定が行える。キャピラー測定は、掘削孔の２次元形状を表すために組み合わせても良い。異なった方向と深さにおける測定は、掘削孔の３次元形状を表す。送信機・受信機ペアのアレイは、方向を変える必要を無くすために使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削孔の壁に沿って屈折する音波を形成する少なくとも１つの送信機と、
屈折した波を受ける少なくとも１つの受信機と、
送信機から受信機までの音波の移動時間を測定し、移動時間に基づいて壁からのスタンドオフを計算する処理回路と、
計算されたスタンドオフを蓄積するメモリと、を含む装置。
【請求項２】
処理回路が、更に、異なった方向からのスタンドオフの計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表すデータを作成する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
処理回路が、更に、異なった掘削孔深さからのスタンドオフの計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表すデータを作成する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
更に、装置の対向する側面に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアを含み、第１および第２の送信機・受信機ペアを用いて、所定の方向と深さにおいて、第１および第２のスタンドオフ測定がそれぞれ計算され、この測定が装置の直径と組み合わされてキャピラー値を作成する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
更に、装置の対向する側面に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアのアレイを含み、掘削孔の形状測定が、所定の方向と深さにおいて計算される請求項１に記載の装置。
【請求項６】
送信機と受信機は、更に層速度を測定する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
音波が超音波である請求項１に記載の装置。
【請求項８】
送信機が、屈折波に対して臨界入射角で、掘削孔の壁に波を送る請求項７に記載の装置。
【請求項９】
更に、掘削孔の流体速度を測定するセンサを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
更に、掘削孔の層速度を測定するセンサを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
掘削孔の壁に沿って屈折する音波を送る工程と、
屈折波を受ける工程と、
送信から受信までの音波の移動時間を測定する工程と、
移動時間に基づいて壁からのスタンドオフを計算する工程と、
計算されたスタンドオフを蓄積する工程とを含む方法。
【請求項１２】
更に、異なった方向からのスタンドオフ計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表すデータを作成する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
更に、異なった掘削孔の深さからのスタンドオフ計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表すデータを作成する工程を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
更に、装置の対向する側面に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアを含み、更に、第１および第２の送信機・受信機ペアを用いて、所定の方向と深さにおいて、第１および第２のスタンドオフ測定をそれぞれ計算する工程と、この測定と装置の直径とを組み合わせてキャピラー値を作成する工程とを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
更に、装置に配置された送信機・受信機ペアのアレイを含み、更に、深さの範囲に渡る所定の方向において、掘削孔の形状測定を計算する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
更に、送信機と受信機を用いて、層速度を計算する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
音波が超音波である請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
屈折波に対して臨界入射角で、掘削孔の壁に波を送る工程を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
更に、掘削孔の流体速度を測定する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
更に、層速度を測定する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
地下層を評価するための層データを作成するデバイスであって、
掘削孔の壁に沿って屈折する音波を送るためにデバイスに接続された少なくとも１つの送信機と、
掘削孔の壁から屈折した波を受けるためにデバイスに接続された少なくとも１つの受信機と、
少なくとも１つの受信機に通信接続されたプロセッサであって、少なくとの１つの送信機から少なくとも１つの受信機までの、測定された音波の移動時間から、層データ値を形成し、掘削孔の壁からデバイスまでのスタンドオフ値を計算する手段を含むプロセッサと、を含むデバイス。
【請求項２２】
音波が超音波である請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２３】
更に、デバイスの対向する側面に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアを含み、第１および第２のスタンドオフ測定は、第１および第２の送信機・受信機ペアを用いて、所定の方向と深さにおいて計算され、この測定が装置の直径と組み合わされてキャピラー値を作成する請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２４】
更に、デバイスに設けられた第１および第２の送信機・受信機ペアのアレイを含み、掘削孔の測定が、深さの範囲に渡り所定の方向に計算された請求項２１に記載のデバイス。
【請求項２５】
送信機が、屈折波に対して臨界入射角で、掘削孔の壁に波を送る請求項２４に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には地下層の評価に関し、特に、スタンドオフ（standoff）および掘削孔形状（borehole geometry）の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
油田のような地下層に掘られた掘削孔は、しばしば不規則な形状をしている。特に、掘削孔の壁は完全に平らではない。不規則性の大きさは、所定の掘削孔の長さに沿って変化し、特に、弱い、高圧力の、または砕けた岩を掘削孔が横切る場所で大きい。掘削孔の形状（a.k.a.、配置）は掘削孔の機械的安定性を表し、いくつかの検層（logging）測定の信頼性に影響する。それゆえに掘削孔形状を知ることは有用である。
【０００３】
掘削孔の形状を評価するための、キャリパー測定（caliper measurement）の使用は良く知られている。ワイヤラインツール（wireline tool）では、キャリパー測定は、機械アームまたは超音波パルス／エコーのいずれかを用いた、局所的な直径の測定である。掘削検層（logging-while-drilling）ツールでは、超音波パルス／エコーが使用される。キャリパー測定は、掘削孔形状、即ち、２次元または３次元の表示を示すために組み合わせても良い。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、掘削孔中の地下層の評価のための装置に関する。装置は、掘削孔の壁で屈折する音波を形成する少なくとも１つの送信機を含む。更に、装置は、屈折した波を受信する少なくとも１つの受信機を含む。装置は、送信機から受信機への音波の移動時間を測定し、移動時間に基づいて壁からのスタンドオフを計算する処理回路を含む。最後に、装置は、計算されたスタンドオフを蓄積するメモリを含む。
【０００５】
本発明の具体例では、装置は、異なった方向からのスタンドオフの計算を組み合わせて掘削孔の形状を表すデータを形成する処理回路を含む。更に、処理回路は異なった掘削孔の深さからのスタンドオフの計算を組み合わせて掘削孔の形状を表すデータを形成する処理回路を含む。
【０００６】
本発明の形態では、装置は更に、装置の反対側の配置される第１および第２の送信機・受信機ペアを含み、第１および第２のスタンドオフ測定が、第１および第２の送信機・受信機ペアのそれぞれで計算される。更に、第１および第２のスタンドオフ測定は、所定の方向および深さで計算され、キャリパー値を形成するために測定は装置の直径と組み合わされる。装置は更に装置の上に配置された送信機・受信機ペアのアレイを含み、掘削孔の形状測定が、所定の範囲の深さで、所定の方向で計算される。
【０００７】
本発明の具体例では、装置は送信機と受信機とを含み、層速度（formation velocity）を測定しても良い。音波は超音波であっても良い。更に、装置は送信機を含み、屈折した波に対して臨界入射角で掘削孔の壁に波を送っても良い。更に、装置は、掘削孔の流体速度を測定するセンサを含んでも良い。装置は、層速度を測定するセンサを含んでも良い。
【０００８】
本発明の他の具体例は、掘削孔中で地下層を評価する方法に関する。この方法は、掘削孔の壁に沿って屈折する音波を送信する工程と、屈折した波を受信する工程とを含む。更に、この方法は、送信から受信までの音波の移動時間を測定する工程と、移動時間に基づいてスタンドオフを計算する工程と、計算したスタンドオフを蓄積する工程とを含む。
【０００９】
本発明の形態では、装置は異なった角度からのスタンドオフの計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表示するデータを形成する工程を含む。装置は異なった掘削孔の深さからのスタンドオフの計算を組み合わせて、掘削孔の形状を表示するデータを形成する工程を含む。更に、装置は、装置の反対側に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアのアレイを含んでも良い。更なる工程は、所定の方向と深さにおいて、第１および第２の送信機・受信機ペアをそれぞれ用いた、第１および第２のスタンドオフの測定工程と、測定を装置直径と組み合わせて、キャリパー値を作成する工程とを含むこともできる。装置は更に、深さの範囲に渡って所定の方向で掘削孔の形状測定を計算する工程を含む、装置の上に配置された送信機・受信機ペアのアレイを含むこともできる。装置は、送信機と受信機を用いて、層速度を測定する工程を含んでも良い。更に、音波は超音波であっても良い。装置は、屈折した波に対して臨界入射角で、掘削孔の壁に波を送信する工程を含んでも良い。更に、装置は、掘削孔の流体速度を測定する工程、および／または層速度を測定する工程を含んでも良い。
【００１０】
本発明の他の具体例は、地下層を評価するための層データを作成するデバイスに関する。デバイスは、掘削孔の壁に沿って屈折する音波を送信するために、デバイスに接続された少なくとも１つの送信機を含んでも良い。更に、デバイスは、掘削孔の壁から屈折した波を受信するために、デバイスに接続された少なくとも１つの受信機を含んでも良い。更に、デバイスは、少なくとも１つの受信機に通信接続されたプロセッサを含み、少なくとも１つの送信機から少なくとも１つの受信機までの測定した音波の移動時間から層データ値を作成し、掘削孔の壁からデバイスまでのスタンドオフ値を計算する手段を含んでも良い。
【００１１】
本発明の形態では、装置は、デバイスの反対側に配置された第１および第２の送信機・受信機ペアを含み、第１および第２の送信機・受信機ペアを用いて、所定の方向および深さで、第１および第２のスタンドオフ測定がそれぞれ計算され、測定がデバイス直径と組み合わされてキャピラー値が作成されても良い。音波は超音波であっても良い。更に、装置は、デバイスの上に配置された送信機・受信機ペアのアレイを含み、掘削孔の形状測定が、深さの範囲に渡って所定の方向で計算されても良い。更に、送信機は、屈折波について臨界入射角で、掘削孔の壁に波を送っても良い。
【００１２】
この技術は、屈折波を形成するより、屈折波中にエネルギを接続する方が容易である遅い層中で、超音波パルス・エコー技術に対する優位点を有する。パルス・エコー技術は、反射波の移動時間を測定することにより、即ち掘削孔の壁で、層により反射した波を測定することで行われる。しかしながら、比較的柔らかい層中では、送信されたエネルギは殆ど反射されない。屈折波に対して臨界入射角で掘削孔に（の中に）波を送り、その角度の屈折波を受信することで、比較的柔らかい層中であっても、ツールのスタンドオフの計算を可能にする十分なエネルギが受信できる。
【００１３】
本発明の更なる特徴や優位点は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明からより明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、本発明の具体例を非限定的に示す方法により、複数の図面を参照して、以下の詳細な説明において更に述べられる。この図面において、図面の複数の図において、同一参照符号は同一の部分を表す。
【００１５】
【図１】本発明の形態にかかる超音波層評価機を含むＬＷＤパッケージを用いたＢＨＡを示す。
【図２】図１の層評価機の概略図を示す。
【図３】図２の層評価機により形成された極座標を示す。
【図４ａ】断面４−４で示された、図１のＢＨＡの他の具体例を示す。
【図４ｂ】断面４−４で示された、図１のＢＨＡの他の具体例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
ここに示された特定のものは例示として示され、本発明の具体例の例示的検討を目的とし、本発明の原理および概念的形態の最も有用で迅速に理解されると信じられるものを提供するように表される。この点で、本発明の本質的な理解のために必要であるより詳細に、本発明の構造的細部を示すような試みは行わず、図面を伴う説明は、当業者が本発明の多くの形態をどのように実際に具体化するかを明らかにする。更に、多くの図面において同一参照符号および名称は、同一要素を示す。
【００１７】
本発明は、掘削孔中の地下層を評価するための装置に関する。装置は、掘削孔の壁に沿って屈折する音波を作成する少なくとも１つの送信機を含む。更に、装置は、屈折した波を受けるための少なくとも１つの受信機を含む。装置は、送信機から受信機への音波の移動時間を測定し、移動時間に基づいてスタンドオフを計算する処理回路を含む。最後に、装置は、計算されたスタンドオフを蓄積するメモリを含む。
【００１８】
図１は、掘削検層（ＬＷＤ）操作に使用するために取り付けられるボトムホールアセンブリ（Bottom Hole Assembly:ＢＨＡ）を示す。ＢＨＡは、掘削孔（１４）の中でドリルストリングの下部を形成するドリルカラー（１２）の長手方向に取り付けられたドリルビット（１０）を含む。少なくとも１つのスタビライザ（１６）が、ドリルビット（１０）に近いドリルカラー（１２）の上に配置される。少なくとも１つの切削検層パッケージ（１８）は、ドリルカラー（１２）の上にも配置される。
【００１９】
ＬＷＤパッケージ（１８）は、トルクやビット上の重さ（weight-on-bit）のようなドリル操作に関連する特性を測定するために、および層抵抗率や密度のような層評価に関連する特性を測定するために、多くのセンサ（図示せず）を含んでも良い。ＬＷＤパッケージは、泥流体のドリルにより駆動されるタービンやバッテリのような電源を含んでも良い。更に、ＬＷＤパッケージは、データ処理回路、メモリ、およびデータやコマンドを交換するために表面においてデバイスと通信するためのトランシーバを含む。ＬＷＤパッケージはまた、少なくとも１つの超音波送信機（２２）と、少なくとも１つの超音波受信機（２４）とを含むマイクロソニック層評価機（２０）を有し、ツールスタンドオフ、即ちツールと掘削孔の壁との間の距離を評価する。
【００２０】
マイクロソニック層評価機（２０）は、掘削孔の壁からのツールのスタンドオフ（距離）を測定するために、掘削孔の壁に沿って屈折した超音波を使用する。計算は、公知のツール形状、測定された泥速度および岩速度を利用する。泥速度および岩速度は、参照されることにより個々に包含される「層速度イメージデータセットを作成するための方法およびツール」というタイトルの米国特許６，６７８，６１６号に記載されたようなマイクロソニックツールにより測定される。送信機から受信機への波の伝搬時間は、クロック回路を用いて測定され、公知の光線経路（raypath）を用いてスタンドオフに反転される。掘削孔環境の上の対向する位置から得られた、計算されたスタンドオフ値は、局所キャピラー値（掘削孔の直径）を計算するために使用される。繰り返された、多くの方向（例えば、ＬＷＤツールが回転することによる）や深さにおける、局所的な掘削孔の直径のキャピラー値は、掘削孔の形（形状）を生じるために組み合わされる。例えば、１つの送信機・受信機ペアは、ツールを回転させることにより、掘削孔の軸に直交する平面でキャピラー値を作成し、ツールを回転させ、掘削孔を通ってツールを移動させることにより得られる。掘削孔の形状データは、３次元の掘削孔形状イメージを作成するために使用される。
【００２１】
図１および図２を参照して、処理回路（２００）の制御の下、超音波送信機（２２）は、屈折波に対して臨界入射角で、掘削孔の壁（２６）に向かって（の中に）波を送る。屈折した波は、掘削孔の壁に沿って移動し、臨界角で掘削孔の中にエネルギーを連続放射する。音響送信機（２２）および受信機（２４）の双方は、スタンドオフＳを有し、距離Ｄだけ離れている。流体速度Ｖｆおよび岩速度Ｖｒは、それぞれ、多くの公知の技術の幾つかによる測定から決定される。これらの２つの速度は、以下のように臨界角θを規定する。
【００２２】
2010522890.tif 000003
（式１）
【００２３】
送信機から受信機までの全移動時間（Ｔ）は、２つの流体経路と１つの岩経路の和により与えられ、これらは処理回路（２００）により測定される。
【００２４】
2010522890.tif 000004
（式２）
【００２５】
ｃｏｓ（θ）＝Ｓ／ｘであるため、式２は、変形されて以下のようにスタンドオフＳを示す。
【００２６】
2010522890.tif 000005
（式３）
【００２７】
処理回路（２００）で計算されたスタンドオフ測定は、メモリ（２０２）に記憶される。
【００２８】
発信機と受信機が掘削孔の壁から等距離でなければ、ツールの角度の訂正が行われる。これらの訂正は、米国特許６，６７８，６１６号に記載されている。
【００２９】
図３は、本発明を用いて測定された、圧縮された頁岩（shale）中の掘削孔の断面形状を示す極座標である。曲線（３００）は、最初の掘削孔半径、即ちドリルビット半径を示す。曲線（３０２）は、０−１８０度方向に沿って加えられた応力を有する（１つの断面位置での）掘削孔形状を示す。より高い応力では、掘削孔の半径は、応力が加えられる方向に沿って短くなる（圧縮される）。半径は、応力に対して垂直な方向に長くなる。３次元掘削孔形状イメージが、連続したそのような１つの位置の断面測定により形成される。
【００３０】
図４ａと図４ｂを参照すると、複数の評価機（２０）が、キャピラー値と掘削孔形状を形成するために使用される。複数の評価機が使用された場合、それらはワイヤラインツールボディの周囲に等間隔に配置される。例えば、２つのパッケージは図４ａに示すように反対側で、４つのパッケージは図４ｂに示すように４分円の位置に配置される。ツールの対向する側面に配置された評価機（２０）のペアは、回転するツールの動き無しに、キャピラー値の計算を可能とする。例えば四分円に配置された、評価機のアレイは、回転無しにツールが掘削孔を通って移動した場合に、掘削孔形状の計算を可能とする。当業者は、それらの具体例が回転運動を伴って使用できること、ツールが回転しない場合により多くのセンサが結果を高めることを理解するであろう。米国特許６，６７８，６１６号に記載された、岩速度を測定するためのセンサは、ツールスタンドオフ測定に使用するために適用できることも留意すべきである。
【００３１】
上記具体例を用いて本発明を説明したが、ここに記載された発明の概念から離れることなく、記載した具体例の変形や変化が行えることを、当業者は理解するであろう。更に、好適な具体例が多くの記載された構造と関連して述べられたが、当業者は、いろいろな特定の構造を用いてこのシステムが具体化できることを理解するであろう。このように、本発明は、添付された請求項の範囲や精神を除いて、限定されるものと見るべきでない。
【図１】
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【図２】
2010522890.tif 000007
【図３】
2010522890.tif 000008
【図４ａ】
2010522890.tif 000009
【図４ｂ】
2010522890.tif 000010
【国際調査報告】
2010522890.tif 000011
2010522890.tif 000012