Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Prüfen von Gesteinsformationen während des Bohrens eines Bohrlochs in der Ölindustrie.

Dieses Verfahren erstreckt das Potential der normalerweise im Labor zum Messen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen an einem Bohrkern verwendeten Technik auf Messungen an Gesteinssplittern, welche während des Bohrens die Oberfläche erreichen.

Um Probleme betreffend das Bohren einer Ölquelle (Bohrlochstabilität, Sanderzeugung oder Bodensenkung, usw.) erfolgreich zu behandeln, ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Gesteinsformationen während des Bohrens mechanisch zu prüfen.

Bis jetzt, wie in dem US-Patent Nr. 3,995,501 berichtet, war dies durch Ausführen geomechanischer Tests im Labor an aus dem Bohrloch entnommenen Bohrkernproben möglich; unglücklicherweise hängen die Ergebnisse dieser Tests von den Zeiten und Kosten der Kernuntersuchungsvorgänge ab, sowie nur von den Abständen des Gesteins, aus dem die Kerne entfernt werden.

Unter den Messungen, die an den von den Kernen entnommenen Gesteinsproben ausgeführt werden, gibt es die Messung der Geschwindigkeit von Druck- und Schub-Ultraschallwellen unter Verwendung der Impulsgeschwindigkeitstechnik (gemäß dem Standard ASTM D2845-90), welche die Berechnung der Elastizitätsmodule ermöglicht, die im Umfang der linearen Elastizitätstheorie direkt mit der mechanischen Festigkeit der Gesteinsformationen, aus denen die Kerne gewonnen werden, zusammenhängen.

Um diese Werte für die gesamte Länge des Bohrlochs zu haben, werden üblicherweise, wenn das Bohren einmal beendet worden ist, die Schalllote aufgezeichnet, wobei dieser Begriff die Bestimmung der Laufzeiten der akustischen Wellen mittels einer in das Bohrloch selbst abgelassenen Sonde betrifft; auf diese Weise ist es jedoch nicht möglich, in Echtzeit in die Bohrstrategien einzugreifen. 4 zeigt den Vergleich zwischen den Schalllot- und den Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen an Gesteinssplittern, nachfolgend als „Späne" bezeichnet (Vp-PUC: gepulster Ultraschall an Spänen). Die Daten wurden durch die Anmelderin im Juli 1994 an einer Ölquelle aufgezeichnet.

Um die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, hat die Anmelderin herausgefunden, dass es möglich ist, die obigen Ziele durch eine Analyse der während des Bohrens erzeugten und an der Oberfläche eingesammelten Späne und anschließendem Einsetzen der Ergebnisse in ein komplettes Datensammelprogramm auf dem Gebiet, wie beispielsweise geologisch-petrographische Analysen der Arbeitsstätte und Eindruckmessungen, zu erzielen.

Insbesondere zeichnet sich das Verfahren der vorliegenden Erfindung darin aus, dass es Informationen über die Natur der Gesteinsschichten, die gebohrt werden, in Echtzeit vorsieht, wodurch einschneidende Eingriffe während des Bohrens ermöglicht werden.

Außerdem ist die Kenntnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- und Schub-Ultraschallwellen von besonderer Bedeutung bei der Kalibrierung und dem Vergleich mit Daten aus Seismikprofil- und Schalllot-Aufzeichnungen, hauptsächlich für Forschungszwecke.

Die vorliegende Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum mechanischen Prüfen von Gesteinsproben während des Bohrens eines Bohrlochs in der Ölindustrie, mit den Schritten wie in Anspruch 1 definiert.

Insbesondere verwendet das Verfahren einen Impulsgenerator, der zum Erzeugen eines elektrischen Signals notwendig ist, welches den Sender-Messwertaufnehmer in Abhängigkeit von der Art des verwendeten Messaufnehmers eine Druck- oder Schub-Ultraschallwelle erzeugen lässt.

Besondere Sorgfalt wurde beim Auswählen der Verbindungsfluide zwischen den Messwertaufnehmern und den Spänen aufgewendet; diese Fluide sind durch Viskositätswerte zwischen 200 und 800 Poises, gemessen mit einem Scher-Geschwindigkeitsgradienten von 3,1 s^–1 (Standard des American Petroleum Institute 13 B-1) gekennzeichnet.

Die durch die Probe gelaufene Ultraschallwelle wird durch den Empfänger-Messwertaufnehmer in ein elektrisches Signal umgesetzt; das empfangene elektrische Signal wird dann mittels eines digitalen Oszilloskops sichtbar gemacht, welches unter Berücksichtigung der Verzögerung der Messwertaufnehmer und der Schaltung die Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallstörung durch die Späne ermöglicht.

Wenn die Dicke der Späne gemessen wird, ist es somit möglich, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- oder Schub-Ultraschallwellen zu bestimmen.

Der Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung liegt in der Erstreckung des Potentials der im Labor für Fortpflanzungsmessungen von Ultraschallwellen an einem Kern (zum Beispiel zylindrische Proben von 2,5 cm Durchmesser und doppelter Höhe) verwendeten Impulsgeschwindigkeitstechnik auf Messungen an Gesteinssplittern mit Maßen von sogar weniger als 1 cm, die während des Bohrens an die Oberfläche gelangen.

Diese Erstreckung des Verfahrens ist aufgrund der Verwendung von besonderen piezoelektrischen Messwertaufnehmern, der Auswahl der Form von zu bestimmenden Emissionsimpulsen in Bezug auf die Eigenschaften der piezoelektrischen Kristalle selbst, der Auswahl der Fortpflanzungsfrequenzen und der Identifikation der für die mechanische Verbindung zwischen dem Span und den Messwertaufnehmern notwendigen Fluide zum Optimieren der Übertragung der Ultraschallwelle möglich gemacht.

Abschließend integriert und verbessert das vorliegende Verfahren überraschenderweise die bekannten Anwendungen und stellt eine Einrichtung bereit, welche für Vor-Ort-Messungen am Bohrturm industriell verwendet werden kann.

Nur beispielhaft und ohne irgendwelche Einschränkungen der Erfindung wird darauf hingewiesen, dass die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete experimentelle Ausrüstung besteht aus:

• – einem Impulsgenerator mit einer Impulsbreite von 0,1 &mgr;s bis 20 &mgr;s und vorzugsweise von 0,1 &mgr;s bis 2 &mgr;s;
• – einem Paar von piezoelektrischen Messwertaufnehmern, die stark gedämpfte Druck-Ultraschallwellen mit einer Bandbreite von 100% erzeugen können, oder alternativ einem Paar von piezoelektrischen Messwertaufnehmern, die stark gedämpfte Schub-Ultraschallwellen mit einer Bandbreite von 100% erzeugen können;
• – einem digitalen Oszilloskop mit einer minimalen Auflösung von 10^–2 &mgr;s.

Falls die Dämpfung der Materialien so hoch ist, dass sie keine Erfassung der Signale durch das Oszilloskop alleine erlaubt, kann ein Verstärker mit einer variierenden Verstärkung benutzt werden.

Die ausgewählten Messwertaufnehmer, welche durch eine sehr hohe Dämpfung und eine extreme Selektivität in der Polarisierung gekennzeichnet sind, ermöglichen auch Messungen an Spänen mit extrem verringerten Abmessungen ohne Kanteneffekte, Mehrfachreflexionen, und insbesondere sind, sofern die Schubwellen betroffen sind, Effekte aufgrund einer Modenumwandlung praktisch nicht vorhanden, da die hohe Selektivität der Messwertaufnehmer gewährleistet, dass die durch die Schubwellen erzeugte Druckkomponente aufgrund von während der Fortpflanzung auftretenden Diskontinuitäten nicht mit der Schubstörung selbst überlappt.

Abschließend können die Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wie folgt zusammengefasst werden:

• – Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Druck- und Schub-Ultraschallwellen durch Späne und Berechnung sowohl der relativen Laufzeit als auch der Elastizitätsmodule;
• – Gerät, welches industriell für Vor-Ort-Messungen am Bohrturm verwendet werden kann;
• – Einfachheit und Schnelligkeit beim Ausführen der Tests mit bis zu 10–12 Bestimmungen an Spänen je Stunde durch einen einzelnen Operator, einschließlich der Vorbereitungszeiten der Proben, der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit und der Datenverarbeitung;
• – gute Reproduzierbarkeit der Messung und Fehlen von Maßstabseinflüssen auf homogene Proben von unterschiedlichen Abmessungen;
• – Abmessungen der Späne von sogar weniger als dem Durchmesser der Messwertaufnehmer, was folglich nicht die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschränkt;
• – die Parallelität der Oberflächen der Späne in Kontakt mit den Messwertaufnehmern muss nur sichergestellt werden, um eine korrekte Messung der Länge der Proben zu garantieren;
• – das Verfahren hat sich auch für Proben, die durch einen mittleren Porenradius von mehr als 50 &mgr;m gekennzeichnet sind, als anwendbar erwiesen;
• – ein vollständig neuer Aspekt ist auch die Bestimmung von beiden Fortpflanzungsgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen (Druck und Schub) an Spänen, da sie die mechanische Prüfung des Materials im Bereich der linearen Elastizitätstheorie und deshalb die Berechnung der Elastizitätsmodule (Young, räumlich, Schermodul, Poisson) und insbesondere die Anwendung der halbempirischen Modelle (wie beispielsweise Coates & Denoo oder Deree & Miller) zum Bestimmen der mechanischen Gesteinsfestigkeit erlaubt.

Aufgrund der extremen Kompaktheit, der geringen Kosten und der Transportfähigkeit der zum Ausführen der Tests notwendigen experimentellen Ausrüstung sowie der Möglichkeit der Verwendung von Spänen mit extrem verringerten Abmessungen kann dieses Verfahren erfolgreich direkt vor Ort am Bohrturm verwendet werden und eine Quelle von Informationen „beim Bohren" vorsehen.

Das folgende experimentelle Beispiel ist wieder beispielhaft und beschränkt die vorliegende Erfindung in keiner Weise.

1 ist ein graphischer Vergleich der Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung für jede von drei unterschiedlichen Größen von Gesteinssplittern von sechs unterschiedlichen Gesteinsarten erhalten wurden,

2 ist das gleiche wie der graphische Vergleich von 1, außer dass die Druckwellen-Geschwindigkeiten von nur vier der Gesteinsarten in einem größeren Wellengeschwindigkeitsmaßstab gezeigt sind;

3 ist ein graphischer Vergleich der Schubwellen-Geschwindigkeitsmessungen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung für drei unterschiedliche Größen von Gesteinssplittern von sechs unterschiedlichen Gesteinsarten erhalten wurden;

4 ist ein graphischer Vergleich der Druckwellen-Geschwindigkeitsmessungen für Gesteinssplitter, die an unterschiedlichen Bohrtiefen unter Verwendung sowohl der Impulsgeschwindigkeits-Technik als auch der Schalllot-Technik erhalten wurden.

Um die Zuverlässigkeit des Verfahrens und die Abhängigkeit der Messung von den Abmessungen der Testproben zu überprüfen, wurden Kerne von sechs unterschiedlichen Gesteinsarten ausgewählt, an denen die Geschwindigkeit von Druck- und Schubwellen unter Verwendung des „Impulsgeschwindigkeits-" Verfahrens gemessen wurden (um als Referenzwert betrachtet zu werden).

Drei Späne von unterschiedlichen Abmessungen wurden durch Zertrümmern aus jedem Kern erzeugt.

Jeder Span wurde unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe mit zwei flachen parallelen Seiten geglättet und die Dicke wurde gemessen (Toleranz 0,01 mm).

Die verwendete Ausrüstung bestand aus dem mit einem Impulsgenerator verbundenen Sender-Messwertaufnehmer, einer dünnen Schicht eines Verbindungsfluids (mit einer Viskosität von 420 Poises, gemessen mit einem Schergeschwindigkeitsgradienten von 3,1 s^–1), dem zuvor präparierten Span, einer weiteren Schicht des Fluids und dem mit dem Oszilloskop verbundenen Empfäner-Messwertaufnehmer.

Der durch den Generator erzeugte elektrische Impuls regt den Sender-Messwertaufnehmer an, der eine Ultraschallwelle (in Abhängigkeit von dem verwendeten Messwertaufnehmer Druck oder Schub) durch den Span sendet.

Der Empfänger-Messwertaufnehmer wandelt die akustische Welle in ein elektrisches Signal um, welches dann auf dem Oszilloskop sichtbar gemacht wird.

Es ist deshalb möglich, unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung der Messwertaufnehmer und der Schaltung die Laufzeit der Ultraschallwelle durch den Span zu bestimmen.

Da die Dicke des Spans gemessen wird, wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druck- oder Schub-Ultraschallwellen bestimmt.

Die im Labor an von Kernen erzeugten Spänen durchgeführten Vorversuche zeigten eine gute Reproduzierbarkeit der Messung und das Fehlen von Maßstabseffekten für homogene Proben.

Insbesondere zeigt Tabelle 1 die Ergebnisse betreffend die Geschwindigkeitsmessungen an Druckwellen (Vp) und Schubwellen (Vs), die an den sechs unterschiedlichen ausgewählten Gesteinsarten durchgeführt wurden, wobei für jede von ihnen angegeben sind: der an einem Kern mit dem „Impulsgeschwindigkeits-" Verfahren gemessene Referenzwert (Ref.) und drei mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung an Spänen von unterschiedlichen Abmessungen (G > 10 mm, M ~ 50 mm, P < 3 mm) durchgeführte Messungen, um die Maßstabseffekte zu zeigen, und in 1, 2 und 3 sind diese Werte graphisch dargestellt.

Es wird darauf hingewiesen, dass im Fall von Dolomit die durch die Geschwindigkeitswerte dargestellten Unterschiede auf dem Vorhandensein von Bruchstellen basieren, die nur in dem Kern, nicht aber in den Spänen vorhanden sind.