(57)【要約】  とりわけ、掘削孔内の掘削泥水などの流体の音響インピーダンスの現場測定のための、検層ツールへの組み込みに適した、装置の実施形態が開示される。装置は、音響パルスを中空でないプローブ内へ放射する音響放射体を含む。パルスは、対向する面で、部分的に通過され、部分的に反射され、連測的な音響パルスの振幅の減衰は、流体の音響インピーダンスを求めるために使用される。【選択図】図４
2016540234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坑井(bore hole)内の流体の音響インピーダンスの現場(in situ)測定のための検層(well-logging)ツールであって、
外側筐体と、
前記筐体内に収容され、音響パルスを生成するように構成される音響放射体と、
５，０００ｍ／ｓ未満の音速を有する中間部材であって、前記放射体からの前記音響パルスが通過する内面と、前記音響パルスを測定される前記流体内へと少なくとも部分的に通過させる前面とを有する中間部材と、
プローブの内面を通過した前記プローブからの連続的なエコーパルスを受信し、連続的なエコーパルスの振幅を示すエコーパルス信号を生成する音響受信機と、
前記エコーパルス信号を受信し、前記流体の前記音響インピーダンスを求める電子制御器と
を備える、検層ツール。
【請求項２】
逆の方向に向けられた第２のプローブを更に備え、前記電子制御器は、前記流体の前記音響インピーダンスを、前記第１及び第２のプローブにおける連続的なエコーパルスの減衰曲線(decay curves)の傾きを平均化することによって求める、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項３】
前記電子制御器は、前記流体の前記音響インピーダンスから、前記流体の前記音速を求める、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項４】
前記部材は、３０００ｍ／ｓ未満の音速を有する、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項５】
前記部材は、１５００ｍ／ｓ未満の音速を有する、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項６】
前記中間部材は筒状である、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項７】
第２の遅延線を更に備え、前記電子制御器は、前記第２の遅延線を通過する連続的なエコーパルスの減衰曲線を使用して前記流体の前記音響インピーダンスを補正する、請求項１に記載の検層ツール。
【請求項８】
坑井内の流体の音響インピーダンスの現場測定のための検層ツールであって、
外側筐体と、
前記筐体内に収容され、音響パルスを生成し、エコーパルスを受信するように構成される急速減衰音響送受信機と、
前記放射体からの前記音響パルスが通過する内面と、前記音響パルスを測定される前記流体内へと少なくとも部分的に通過させる前面とを有する遅延線と
を備え、
前記遅延線は、ある長さ及び音速を有し、前記急速減衰(rapid-damping)音響送受信機は、音響パルスを放射する際に、前記遅延線内に進入した前記音響パルスが、前記遅延線の前記長さを移動し、前記流体に到達したときに部分的に反射し、前記内面に戻って前記送受信機に検知される、ために十分な程度に(sufficiently)急速に放射を停止する(quiets)、検層ツール。
【請求項９】
前記電子制御器は、前記内面と前記前面との間で反射する音響から前記流体の前記音速を求める、請求項８に記載の検層ツール。
【請求項１０】
逆の方向に向けられた第２の遅延線を更に備え、前記電子制御器は、前記流体の前記音響インピーダンスを、前記第１及び第２の遅延線を介して受信された連続的なエコーパルスの減衰曲線の傾きを平均化することによって求める、請求項８に記載の検層ツール。
【請求項１１】
前記電子制御器は、前記内面と前記前面との間で反射する音響から前記流体の前記音速を求める、請求項１０に記載の検層ツール。
【請求項１２】
前記流体の前記音響インピーダンスを、連続的なエコーパルスの振幅のグラフの傾きから求める電子制御器を更に備える、請求項８に記載の検層ツール。
【請求項１３】
第２の遅延線を更に備え、前記電子制御器は、前記第２の遅延線内の連続的なエコーパルスの振幅のグラフの傾きを使用して前記流体の前記音響インピーダンスを補正する、請求項１２に記載の検層ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、外部媒体の音響インピーダンスの検査に関する。より詳細には、本開示は、掘削孔内の掘削泥水又は他の流体の音響インピーダンスの現場測定ためのツール及び方法に関する。
優先権の主張
本出願は、２０１３年１１月５日出願の米国仮特許出願第６１／９００，０６３号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
音響検査は、裸坑環境及びケーシング坑環境の双方において、掘削孔における下げ孔内環境を調査するための既知の技術である。音響効果は、数十年もの間、セメントボンドの品質を調査するために使用されてきた（例えば、米国特許第４，２５５，７９８号を参照）。異なる種類の音波（例えば、縦波又は横波）の速度を測定することによって行われる方法など、下げ孔内環境を検査するための様々な超音波法が開発されてきた。これらの技術は、裸坑においては、周囲の地質層を検査しその間隙率及び機械的結着性（例えば、「砂化」の傾向）を判断するなどの目的、及び、ケーシング坑においては、ケーシングの結着性及びケーシングの背後のセメントボンドの品質を判断する目的など、様々な目的のために使用される。
【０００３】
掘削孔は、様々な異なる種類の流体で満たされ得る。ケーシング井戸においては、これは塩水又は他のより軽量な流体であり得る。裸坑は、典型的には、より重い流体で満たすことで、崩壊を防止するための略静水圧平衡状態に保たれる。これを達成するために典型的に使用される重みのある流体は、概して「泥水（ｍｕｄ）」と呼ばれるが、実際には、これは注意深く設計された流体であり、しばしば、典型的な井戸の目的である炭化水素よりも、バレル当たりのコストがかさむ。特定の掘削計画の需要に基づき、泥水は３ｋｇ／Ｌ（２５ｌｂｓ／ｇａｌｓ）を超える重さであり得る。
【０００４】
このような流体は注意深く設計されるが、掘削孔における不均一性は、常に危険を招く要因となる。流体は、掘削孔の全域を、完全なサーキットマイルを超える長さを、様々な圧力及び温度の範囲を、異なる速度及び様々な乱流及び層流条件において循環し、掘削作業による岩屑を運搬する。従って、検層を行うために掘削作業が中断されるとき、掘削孔の特定の部分の流体は、理想的状態とは実質的に異なる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検層ツールからの音波は、環境を検査するためにこの媒体を通過する。しばしば、媒体の影響は、流体の音響特性のモデルに基づくコンピュータ処理によって取り除かれる。しかし、いくつかの状況においては、流体のモデル化された特性は、坑井の内部の現実を正確に表していない場合がある。従って、必要とされるのは、掘削泥水の音響インピーダンスの現場測定の手段である。本明細書における実施形態は、この必要性に応えるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
とりわけ、掘削孔内の流体の音響インピーダンスの現場測定のための装置の実施形態が開示される。装置は、有利には、単独で又は他の装置と組み合わせて、検層ツール内に組み込まれ得る。特定の実施形態において、このような装置を組み込んだ検層ツールは、外側筐体と、電子制御器と、音響放射体と、音響受信機と、プローブと、を備える。音響放射体は、筐体内に収容され、音響パルスを生成するように構成される。プローブは略筒状で、内面と前面とを有する。音響パルスは、音響放射体から、内面を通過してプローブへと進入する。音響パルスは、プローブの全長を移動し、部分的に流体内へと前面を通過し、部分的に反射して戻される。反射して戻された一部分の音響パルスは、再びプローブの全長を移動し、次いで、部分的に内側面を通過し、部分的に反射して戻される。音響受信機は、内側面を通過してプローブから戻ってきた音響パルスを受信し、連続的なエコーパルスの振幅を示すエコーパルス信号を生成する。電子制御器は、音響受信機からエコーパルス信号を受信し、流体の音響インピーダンスを求める。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】典型的な検層ツールストリングの図である。
【図２】掘削孔内の流体の音響インピーダンスの現場測定のための第１の実施形態の装置の水平断面図である。
【図３】掘削孔内の流体の音響インピーダンスの現場測定のための第２の実施形態の装置であって、逆方向を向いた２つのプローブを有する装置の図である。
【図４】掘削孔内の流体の音響インピーダンスの現場測定のための第３の実施形態の装置であって、装置の音響特性のリアルタイムの検知及び過渡変動の補正のための較正プローブを有する装置の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の原理の理解を促進する目的で、ここで、図面に示された実施形態への参照がなされ、当該実施形態を説明するために特定の言語が使われる。しかしながら、それらによって特許請求の範囲を限定することは意図されないこと、及び、本開示が関連する技術分野の当業者が通常気付くであろうように、示された装置への変更及び修正、及びそこに示された本開示の原理の更なる応用は、本明細書において熟考されていることは理解されるであろう。
【０００９】
図１は、より大きなツールストリングの一部としての、全体として番号１００で表される典型的な検層ツールを示す。検層の技術分野の当業者にはよく知られているように、ツール１００は、掘削孔に挿入されるように適合され、従って、井戸の下げ孔内環境内への挿入に適合している。掘削孔の物理的な制約により、筐体１１０は、典型的には筒状の形状を有し、最も狭い部分での井戸の軸の曲率半径を考慮し、多くの又はすべての標準的な井戸ケーシング内への容易な進入を可能にする小さな直径を有する。従って、筐体の直径は、有利には、約１５．２４ｃｍ（６インチ）未満であり、理想的には、約５．０８ｃｍ（２インチ）ほどの大きさである。
【００１０】
筐体１１０は、セグメント間の接合部に圧力と流体の封止とを提供し、これによって内部の電子回路及び電力素子を流体の侵入及び下げ孔内環境の圧力から保護する。ツール１００は、ワイヤラインケーブル１６１の端部において井戸内に導入される。典型的には、ワイヤラインケーブル１６１は、井戸内のツールを降下及び上昇させる機械的手段と、検層中にツールから遠隔計測を受信するための電気的及び／又は電子的接続との両方を提供する。典型的には、ワイヤラインケーブル１６１は、略円錐形のケーブルヘッド（又は、単にヘッド）１６２に取り付けられ、そこでツールは、ケーブル１６１の内側ワイヤと接続し、検層中に地表との通信を行う。ケーブルヘッド１６２はまた、典型的には、弱い部分を有し、これはツールが詰まり、強すぎる力が加えられたときに、ケーブルではなくこの部分が破断することを保証するように選択される。このように、ケーブルヘッド１６２は、地表との機械的及び電気的接続の両方を提供する。ケーブルヘッド１６２は、典型的には、上方からの応力の確実な伝達を提供するネジと、外部の圧力に対して筐体１１０の内部を封止するガスケットとの両方を使用して、筐体１１０に機械的に取り付けられる。しかしながら、機械的力を伝達し、圧力に対して封止を行う任意の適切な手段が使用され得ることは理解されよう。検層の技術分野の当業者にはよく知られているように、必要に応じて、筐体１１０は、ネジ又は他の手段によって、図１に示されるツール１７１のような他の検層ツールが取り付けられてツールストリングを形成し、下げ孔内環境の他の側面についての同時的な検層を容易にするようにも構成され得る。このような実施形態において、有利には、筐体１１０は、共有の電源１５０とバス１６０とも含む。バス１６０は、ツール１００の下方のツールを含むツールストリング内のツールからの情報を、ストリングを上に向かって、次いでヘッド１６２及びワイヤライン１６１を介して伝達し、検層中のリアルタイム監視を可能にする。
【００１１】
図２は、掘削泥水又は他の掘削孔流体の音響インピーダンスの現場測定ための装置の第１の実施形態を示し、装置は全体として番号２００で表される。装置２００は、個別のツールとして又はより大きなツールの一要素として、ツールストリングへの抱合に適している。現場の流体は、番号２０１で表される。装置２００は、音響放射体２２０と、一側において中間部材２４０に結合される音響受信機２３０とを備え、中間部材２４０は、本明細書においてプローブ２４０と称される。放射体２２０及び受信機２３０は、典型的には、圧電材料であり、圧電クリスタル、セラミック、重合体又は圧電複合構造からなるが、これらに限定されるわけではない。音響放射体２２０及び受信機２３０は、個別の要素であり得、また、いくつかの実施形態においては、放射及び受信の両方を行う単一の急速減衰要素であり得る。他の実施形態においては、放射体２２０及び受信機２３０は、単一の圧電ウェーハから放射体領域及び受信機領域へと切り出された個別の要素である。（いずれの場合においても、それら又はそれは、典型的には送受信機と称される単一の部材内に収容される。）本明細書においてより詳しく後述するように、電子制御器１４０は、放射体２２０に音響パルス列を生成させ、これらのパルスからの反射の振幅を示す信号を受信機２３０から受信する。
【００１２】
プローブ２４０は、放射体２２０からの音響パルスを、その外側面２４１の遠い側で流体２０１に伝導する。プローブ２４０は、また、その内側面２４１からの反射されたエコーパルスを、受信機２３０に戻すように伝導する。従って、プローブ２４０は、有利には、その前面２４１がツールの筐体１１０の外面と概ね揃うように配置される。特定の実施形態において、ツール１００が導入されたときに、プローブ２４０は、直接的に井戸内の流体２０１と接触する。他の実施形態において、プローブ２４０は、例えばその表面を摩耗又は他の形態の機械的な劣化から保護するために、例えばエポキシ又は他の材料の薄層（不図示）によって流体２０１から物理的に離間される。これらの実施形態において、プローブ２４０がこの層に接触する表面の影響を最小化又は除去するために、薄層は、有利には、プローブ２４０と同一か又は略同一の音響インピーダンスを有する。
【００１３】
図２に図示されるように、特定の実施形態において、プローブ２４０は中空でなく、比較的長尺である。特定の実施形態において、プローブ２４０は、その前面の最大寸法の３倍の全長を有する。いずれにしても、プローブ２４０は、有利には、放射体２２０から放射されるパルス列の前方端が、列の後方端が放射されて受信機２３０の受信の準備が整うまでは、プローブ２４０の全長を移動し帰還することがないことを保証するように選択される全長を有することは理解されよう。従って、プローブ２４０は、遅延線を構成する。遅延線２４０は、有利には、（使用される励起周波数において）比較的低速の音速と、放射体２２０と流体２０１の音響インピーダンスとのどちらとも（及び個別の受信機２３０を有する実施形態においては、受信機２３０とも）異なる音響インピーダンスとを有する。特定の実施形態において、プローブ２４０の全長は、放射されるパルス列の長さの少なくとも５倍であり、本明細書において更に後述されるように、その前面２４１と内側面２４２との間での連続的な内部反射の間に十分な時間的分離を与えるのに十分な長さである。このことは、ツールの物理的な寸法及び測定されるべき流体の音響特性に応じて、遅延線１４０内の音速は５０００ｍ／ｓ未満であり、いくつかの実施形態においては、遅延線内の音速は３０００ｍ／ｓ未満であり、特定の実施形態においては、約２５００ｍ／ｓ未満であることを意味し得る。特定の実施形態において、プローブ２４０は、全体として筒状である。特定の代替的実施形態において、プローブ２４０は、概ね円錐状、円錐台状又は多角形の断面を有するが、互いに対して略平行である前面２４１及び内側面２４２の双方を有する。
【００１４】
動作においては、音響波がプローブの内側面２４２を通過し、放射体２２０からプローブ２４０に進入すると、パルスはその厚みを伝播して前面２４１に衝突する。音響エネルギーの一部は、前面２４１を通過して流体２０１に入り、音響エネルギーの一部は、プローブ２４０と流体２０１との間での音響インピーダンスの違いにより、反射して内部に戻される。反射された音波は、内側面２４２まで戻り、そこでエネルギーの一部は通過し、一部は再び反射して戻される。音響パルスは、プローブ２４０内で反響し、内側面２４２を通過して戻る一連の減衰するエコーパルスを生成し、それらは受信機２３０によって検知される。
【００１５】
各入射において反射されるエネルギーの量は、
（１）Ｅｒ＝Ｅ０（Ｚ２−Ｚ１）２／（Ｚ２＋Ｚ１）２
であり、ここで、Ｅ０＝面に入射するエネルギー、
Ｚ１及びＺ２＝面の両側の材料の音響インピーダンス、である。
【００１６】
各面で通過するエネルギーの比率は連続的なエコーにおいて一定なままであるので、エコー列の振幅のログは直線になり、その傾きは内側面２４２での反射係数と前面２４１での反射係数との積となる。内側面２４２での反射係数は、適用可能な動作温度範囲にわたって選択された特定の遅延線材料特性から導出される。掘削孔流体に関連する特定の音響減衰特性は、鉱油又は蒸溜水などの既知の音響インピーダンスを有する流体に接触したプローブ２４０を用いたパルスエネルギーのエコーのグラフの傾きを測定することで、較正を通じて求め得る。いったん受信機２３０及びプローブ２４０の音響インピーダンスが既知となれば、流体２０１の音響インピーダンスは、パルスエコーエネルギーのグラフの傾きによって測定可能である。
【００１７】
流体２０１は現場において、坑井の中で検査されることは理解されよう。坑井は様々な大きさを有するが、それらのうちの最も小さなものでも数インチの直径を有する。（概ね音響パルスの波長以上の最小自由行程を有する）流体２０１が含まれない状態は、測定の厳密さを向上させる。測定の精度は、流体／ケーシングの表面などの他の面からの、又はプローブ２４０の面の他の部分からのエコーの混同を実質的に防止することによって向上すると考えられている。特に、プローブ２４０は、検査される流体を包囲したり含んだりしない。
【００１８】
図３は、流体２０１の音響インピーダンスの現場測定ための第２の実施形態の装置を示し、装置は全体として番号３００で表される。装置３００は、第１のプローブ２４０と、逆の方向を向いたバッキングプローブ（ｂａｃｋｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ）２６０とに結合された音響放射体２２０を備える。２つのプローブ２４０の各々を介したパルスエコー減衰の傾きは、流体２０１の音響インピーダンスを求めるために平均化される。
【００１９】
図４は、流体２０１の音響インピーダンスの現場測定ための第３の実施形態の装置を示し、装置は全体として番号４００で表される。装置４００は、第１のプローブ２４０と較正プローブ２６０とに結合された音響放射体２２０を備える。較正プローブ２６０の放射体２２０とは逆の側は、パルス列の音響エネルギーの一部を、流体２０１ではなく、較正層２７０へと通過させる。このようにして、例えば熱影響による放射体２２０、受信機２３０及びプローブ２４０の音響特性の過渡変動について、放射体２２０及び受信機２３０の反応は、動作中に較正され得る。というのは、放射体２２０、受信機２３０、較正プローブ２６０及び較正層２７０の音響特性は他の点では一定であるからである。
【００２０】
流体２０１の音響インピーダンスは、下記の等式に従って流体の密度から流体内の音速を求めるために使用され得、又はその逆であることは理解されよう。
（２）Ｚ＝ρｃ
ここで、ρ＝流体の密度、
ｃ＝流体内での音速、である。
【００２１】
従って、例えば、掘削孔の特定の部分における流体の音速は、流体の密度を用いて音響インピーダンスから求めることができる。
【００２２】
Ｐｕｌｌｅｙを発明者として本願と同日に出願された「Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｄｏｗｎｈｏｌｅ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ」と題する米国特許出願は、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００２３】
特定の実施形態が、図面及び上記の説明において詳細に図示及び説明されたが、これらは例示的なものであり、限定的な性質ではないと考えられるべきである。特許請求の範囲の主旨の範囲内にあるすべての変更及び修正は保護されることが求められる。１つ又は複数の特定の実施形態に関して言及された特徴及び属性は、開示される構造及び方法の他の実施形態において使用され得、又は組み込まれ得る。
【図１】
2016540234.tif 000003
【図２】
2016540234.tif 000004
【図３】
2016540234.tif 000005
【図４】
2016540234.tif 000006
【国際調査報告】
2016540234.tif 000007
2016540234.tif 000008