专利名称：从钻孔中生成声能束的设备和方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及围绕钻孔的岩层的声学探查，尤其涉及将包括钻井中与非线性材 料耦合的单个换能器或换能器阵列的声源的组合用于从钻孔中产生作为探测工具的声束， 以便探查钻孔周围的岩层和物质的特性。
背景技术：
地下特征的声学探查往往受实际源的大小和功率限制，并且，实际上，井下声换能 器的输出受钢丝索电缆的输电能力限制。高频信号具有相对较短的穿透距离，而低频信号 一般需要固定在钻孔壁上的较大的源，以便使传送到地层的能量最大化，而使钻井内的不 想要的信号最小化。利用传统低频换能器难以从钻孔中生成在IOkHz到IOOkHz范围内的 准直声束信号来探测钻孔周围的岩层。在这个频率范围内的传统低频声源具有低带宽，小 于30%的中心频率，以及取决于频率的极大波束扩散，使得随着频率降低，波束扩散增大。 要达到锐聚焦需要满足许多条件，包括长的源阵列，所有换能器与围绕钻孔的岩层的均勻 耦合，以及岩层的声速知识。在钻孔环境中，由于底层物理限制、工程可行性或作业条件，这 些条件常常达不到。自二十世纪五十年代以来，已经针对流动介质中的一般应用提出了像水下声 纳那样的基于声波非线性混合的声束源。对于地下应用，颁发给Cowles的美国专利第 3，974，476号公开了用于钻孔勘查的声源。Cowles的公开文本描述了在石油和天然气工业 使用的典型大小的钻孔中物理上不可能的声源生成设备。例如，在钻孔环境中通过混合两 个大约5MHz的频率生成IkHz频率的波束违反了基本物理原则。典型的钢丝索测井工具具 有35/8英寸(9. 2厘米)的直径，因此在1500m/s的典型流体中IkHz波的波长是1. 5m。这 意味着接近钻孔直径的10倍。这种IkHz声波不可能保持准直而不违反波衍射物理学的基 本测不准原理。此外，混合5MHz频率生成IkHz波意味着5000 1的降频比，这尚未在实 践中被证明是可实现的。Cowles提出的4. 5m工具长度的尺寸太长而且不实用，难以装配在 目前的测井绳索中。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围 绕钻孔的岩层中的设备。所述设备包含源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率 的第二信号；换能器，配置成接收生成的第一和第二信号，并产生第一频率和第二频率的声 波；以及与所述换能器耦合的非线性材料，配置成通过非线性混合过程生成频率等于所述 第一频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个。根据本发明的一个方面，公开了在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法。所述方 法包含生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其 中所述第一声波和所述第二声波由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波 发送到声学非线性介质，以便通过非线性混合过程产生准直波束，其中所述准直波束沿着 与所述第一和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性介质传播，并且具有等于所 述第一和第二声波之差的频率，所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微 球、或乳液中的一个或多个；以及沿着背离所述钻井的给定方向将所述准直波束引到所述 岩层中。根据本发明的一个方面，公开了在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法。所述方 法包含生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其 中所述第一声波和所述第二声波由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波 发送到声学非线性介质，以便通过非线性混合过程产生准直波束，其中所述非线性介质包 括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个；沿着给定方向将所述准 直波束引到所述岩层中；以及在所述准直波束从地层中的异构物(inhomogeneity)、钻孔 附近的物质或这两者反射或散射之后，在一个或多个接收器上接收所述准直波束。通过参照形成本说明书的一部分、相同标号在各个图形中表示相应部件的附图考 虑如下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它目的、特征、和特性，以及操作方法、结 构的相关元件的功能、部件的组合、和制造经济性将变得更加明显。但是，不言而喻，这些附 图只用于例示和描述的目的，而无意作为限制本发明的定义。正如用在说明书和权利要求 书中的那样，除非上下文另外明确指明，单数形式“一个”、“一种”、和“该”也包括复数指示 物。
图1示出了根据本发明的一个方面产生准直波束的设备的概括图。图2a，2b和2c示出了根据本发明的一些方面通过非线性过程生成差频的不同模 式。图3a和北示出了用准直波束的振幅和轴向(ζ方向)位置表示的水中的非线性 混合的实验结果和理论预测的比较。图如和仙示出了用各种激活频率上的准直波束的振幅和轴向(ζ方向)和横向 (X方向)位置表示的作为非线性介质的水中的非线性混合的实验结果。图如和恥示出了通过线性调频脉冲串产生准直波束的本发明的一个方面。图6a，6b和6c示出了通过线性调频脉冲串产生准直波束的本发明的一个方面。图7a，7b和7c示出了通过使用CNC泡沫块的非线性混合过程产生准直波束的本 发明的一个方面。图8示出了通过封闭铝管发送通过使用CNC泡沫块的非线性混合过程产生的准直 波束的本发明的一个方面。图9示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生准直波束 的本发明的一个方面。
图10示出了将设备用于表征钻孔附近的地层和/或物质的本发明的一个方面。图11示出了根据本发明一个方面的声束引导器的相应转轴。图12示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生的准直波 束穿过金属管外壳的本发明的一个方面。图13a和1 示出了被声镜转向之后的准直波束从金属管外壳退出的本发明的一 个方面。图14示出了将设备与声学聚焦系统一起使用或不一起使用笔直地向下观看钻孔 的本发明的一个方面。图15a，1 和15c示出了根据本发明的一个方面对管道外物体成像的实验装置和结果。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的一个方面产生准直波束的设备的概括图。在一些实施例 中，将一个或多个源110用于产生第一频率的第一信号和第二频率的第二信号。举非限制 性的例子来说，该信号可以由2信道信号发生器产生。可以使用类似的信号或函数发生器。 来自源的信号被一个或多个信号放大器120接收，并发送给用于产生第一和第二频率的声 波的一个或多个换能器130。压电换能器是适合这种应用的一种类型。如果使用多于一个 换能器，可以按阵列配置对它们进行排列。举非限制性的例子来说，该阵列配置可以是直 线、圆形、填充圆或正方形阵列。阵列内的换能器可以划分成两个组，其中第一组换能器由 第一频率的源驱动，而第二组换能器由该源或由第二频率的不同源驱动。在本发明的一些 方面中，配置成生成第一频率的源和配置成生成第二频率的源同时驱动所有换能器。举非 限制性的例子来说，第一频率是1. 036MHz，而第二频率是0. 953MHz。在一些实施例中，第一 频率和第二频率在300kHz与2MHz之间。使声信号在非线性材料140中传输，以便通过非线性混合过程生成准直声束。该 非线性材料可以是液体、液体混合物、固体、嵌入固体外壳中的粒状材料、嵌入微球、或乳 液。举非限制性的例子来说，这样的非线性材料是纽约Brooklyn的Cotronics公司销售的 310M陶瓷泡沫，它由超过99%纯度的溶融石英陶瓷组成，并提供较低的热膨胀系数和导电 率，较高的抗热冲击性和较高的热反射率。310M具有0. 80g/cm3的密度和1060m/s的声速。 非线性材料的另一个非限制性例子是聚氨酯泡沫板材料。这种类型的泡沫通常用于计算机 数控(下文称为“CNC”)加工。CNC泡沫具有0. 48g/cm3的密度和1200m/s的声速。取决于 钻孔中的作业条件，也可以将其它非线性材料用作具有适当的低声速，较高的非线性耦合、 吸收长度、冲击波长、温度和压力作业范围，以及作业规范所需的其它要求的非线性混合介 质。此外，非线性材料的长度可以非常短，取决于所使用材料的类型，可以在5cm到an的范 围内。这种非线性性能可以通过分析由非线性混合现象引起的P波的特性来表征，在这 种非线性混合现象中，两个不同频率和f2的两个入射波混合以生成在谐波和互调频率 f2-f i，f2+f i，2f i和2f2等上的第三频率成分。在本发明的一个方面中，将非线性共线混合现 象设计成发生在钻井内的非线性材料中。一般说来，只有差频f2_f\的所得第三波是这种应 用感兴趣的。更高的频率只传播较短距离，往往在非线性材料本身中被吸收。在一些实施
7例中，第三波或准直波束具有IOkHz到IOOkHz之间的频率。该准直波束被位于产生准直波束的同一钻孔或另一个钻孔中的一个或多个接收 器150接收。例如，该接收器可以是声换能器、水中听音器或适用于感兴趣频率范围的另一 种类型的接收器。接收的信号可以被带通滤波器160滤波并被前置放大器170放大。可以 将滤波和放大信号显示在像数字示波器180那样的数字化仪上。数字示波器180可以通过 计算机190来控制。计算机190也可以用于控制信号发生器110。图加，2b和2c示出了在非线性材料中生成差频的不同模式。记号f，f\*f2指的 是高频信号。换能器210从源110和功率放大器120接收的信号进入非线性材料220中。 在某个传播长度之后，在非线性材料220中生成差频。图加示出了通过将具有两个不同频 率和f2的两个不同信号应用于同一个换能器210生成差频f2_flt)图2b示出了通过应 用频率f的调幅信号和Δ f的调制生成差频Af0图2c示出了通过将具有第一频率和 第二频率f2的两个不同信号分别应用于第一换能器230和第二换能器240生成差频f2_flt) 高频波束在非线性材料中重叠，产生差频f2-flt)根据上文，举非限制性的例子来说，第一频率是1.036MHz，而第二频率是 0. 953MHz。与非线性材料相互作用生成的准直声束将具有等于第一频率与第二频率之差的 频率。在本例中，准直声束具有明显主频为83kHz的窄频带。在一些实施例中，准直声束可 以具有相对较宽的频率范围，其中第一频率是单个窄带频率，而第二频率扫过一个更宽的 频率范围。第一频率也可以扫过一个宽频率范围以及第二频率。在任何一种情况下，第一 频率、第二频率或这两者可以是编码信号或未编码线性调频信号。将信号编码的一个好处 是信噪比提高了。在一些实施例中，利用时变码来编码准直波束，可以将时变码引入第一信号或第 二信号中，或引入这两者中。时变码可以包括第一信号、第二信号、或第一和第二信号这两 者的振幅变化、频率变化和/或相位变化中的一个或多个。准直波束的接收到的时变码可 以用于测量波束的渡越时间。另外，在一些实施例中，如果基频之一扫过一个频率范围，而 另一个是固定的，则准直波束可以是宽带的。因此，所得第三波束f2_f\将扫过一个宽的频 率范围。图3示出了与基于非线性混合和波传播理论的理论预测有关的实验室测量的结 果。声波因它们传播通过的介质的非线性特性而失真。声波的非线性传播可以通过KhoW1 ov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程来模拟，KZK方程可以通过有限差分近似方案来求 解。K3(方程解释诸如声压的衍射、声压的衰减(即，吸收)、和谐频成分(即，非线性)的 生成的各种非线性特征，并且在给定像初始传输声压、换能器直径和换能器阵列几何、传播 距离、和介质那样的参数的情况下，模拟作为声压的声信号的形状。KI非线性抛物方程考 虑了定向声束的衍射、吸收、和非线性的综合效应。有关沿着正ζ方向传播的轴对称声束的 KZK方程可以用声压P表达如下c)2P .: c'o Γi)2P 十‘Φ) , r} d P t β d2p2(D
c)zdt· ‘ 2 Iv Br3 r dr J 2c| dl's 2/ 0c-*| dt"z其中，t' =t-z/C(l是滞后时间变量，t是时间，Ctl是小信号声速，r= (x2+y2)"2是
距ζ轴(即，距波束的中心)的径向距离，d2/dr2是横向拉普拉斯算子，以及
8P0是流体的环境密度。此外，
权利要求
1.一种放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围绕钻孔的岩层中的设备，所述 设备包含源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率的第二信号； 换能器，配置成接收生成的第一和第二信号，并产生第一频率和第二频率的声波；以及 与所述换能器耦合的非线性材料，配置成通过非线性混合过程生成频率等于所述第一 频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材 料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包含配置成沿着给定方向弓I导所述准直波束的声束引导器。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述声束引导器包括声反射器、声透镜、或这两者ο
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包含接收器，配置成接收从地层中的异构物反射或散射之后的准直波束。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述接收器包括沿着钻孔内的设备的轴向设置的 多于一个接收器。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述接收器包括设置在不同钻孔中的多于一个接 收器。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述换能器包括设置成阵列的多于一个换能器。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述阵列设置成直线、圆形、填充圆或正方形配置。
9.根据权利要求2所述的设备，进一步包含壳体，配置成将换能器、非线性材料和声束引导器安放在钻孔内。
10.根据权利要求1所述的设备，进一步包含编码器，配置成通过向第一和第二信号之一引入包括线性调频或频率扫描中的一个或 多个的时变分量，来利用时变码编码准直波束。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述时变分量包括振幅、频率和/或相位的变化。
12.根据权利要求3所述的设备，其中所述声反射器被配置成控制准直波束的传播方向。
13.根据权利要求3所述的设备，其中所述声透镜被配置成聚焦准直波束。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述准直波束被处理器分析，以便生成围绕钻孔 的岩层的图像。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述图像是三维图像。
16.根据权利要求1所述的设备，其中所述准直波束具有在IkHz到IOOkHz之间的频率。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一和第二信号的频率在300kHz到2MHz之间。
18.根据权利要求1所述的设备，其中所述非线性材料的长度在5cm到an之间。
19.一种在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法，所述方法包含生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波 由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波发送到声学非线性介质，以便通过非线性混合过程产生准直波 束，其中所述准直波束沿着与所述第一和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性 介质传播，并且具有等于所述第一和第二声波的频率之差的频率，所述非线性介质包括液 体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个；以及 沿着背离钻井的给定方向将所述准直波束引到所述岩层中。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包含在所述准直波束从地层中的异构物、钻孔附近的物质或这两者反射或散射后，在一个 或多个接收器处接收所述准直波束。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个接收器位于所述钻孔中。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个接收器位于另一个钻孔中。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述换能器包括设置成阵列的多个换能器。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述准直波束由包括声反射器、声透镜或这两 者的聚焦设备引导。
25.根据权利要求M所述的方法，其中所述换能器、所述声学非线性介质、所述聚焦设 备、和所述接收器设置在外壳内。
26.根据权利要求21所述的方法，进一步包含分析从地层中的异构物反射或散射后的准直波束，以便生成岩层、钻孔附近的物质、或 这两者的图像。
27.根据权利要求沈所述的方法，进一步包含通过向第一和第二声信号之一引入包括线性调频或频率扫描中的一个或多个的时变 分量，来利用时变码编码准直波束，其中所述分析包含使用所述编码来测量第三信号的渡 越时间。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述时变分量包括振幅、频率和/或相位的变化。
29.根据权利要求22所述的方法，进一步包含分析从地层中的异构物反射或散射后的准直波束，以便生成钻孔之间的岩层的图像， 和生成表征钻孔周围的岩层和流体内含物的线性和非线性特性的信息。
30.根据权利要求四所述的方法，进一步包含通过向第一和第二声信号之一引入包括线性调频或频率扫描中的一个或多个的时变 分量，来利用时变码编码准直波束，其中所述分析包含使用所述编码来测量第三信号的渡 越时间。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述时变分量包括振幅、频率和/或相位的变化。
32.根据权利要求22所述的方法，进一步包含分析从岩层中的异构物和钻孔周围的物质反射或散射后的准直波束，以便生成侵入 带、粘结物、损伤带、断裂带、地层分层、和散射源的图像。
33. 一种在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法，所述方法包含 生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波 由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波发送到声学非线性介质中，以便通过非线性混合过程产生准直 波束，其中所述非线性介质包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或 多个；沿着给定方向将所述准直波束引到所述岩层中；以及在所述准直波束从地层中的异构物、钻孔附近的物质或这两者反射或散射后，在一个 或多个接收器处接收所述准直波束。
全文摘要
本发明公开了放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围绕钻孔的岩层中的设备。所述设备包含源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率的第二信号；换能器，配置成接收生成的第一和第二信号，并产生第一频率和第二频率的声波；以及与所述换能器耦合的非线性材料，配置成通过非线性混合过程生成频率等于所述第一频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个。
文档编号G01V1/52GK102124376SQ200980131920
公开日2011年7月13日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年7月2日
发明者C·K·武, C·司科尔特, C·潘缇, D·N·辛哈, D·P·施密特, K·尼赫尔 申请人:洛斯阿拉莫斯国家安全有限责任公司, 雪佛龙美国公司