專利名稱：從井眼產(chǎn)生聲能波束的設(shè)備和方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及井眼周圍巖層的聲波探詢，更確切地說，涉及使用包括連接到非線性材料的井眼中單個換能器或換能器陣列的聲源的組合以產(chǎn)生聲束，作為來自井眼的探測工具，來探詢井眼周圍的巖層和物質(zhì)的性質(zhì)。
背景技術(shù)：
地下特征的聲波探詢趨于受限于實際聲源的尺寸和功率，實踐中，井下聲波換能器的輸出受限于測井電纜的功率傳輸能力。高頻信號具有相對短的穿透距離，而低頻信號一般需要大聲源，卡在井壁上，為使傳遞到地層的能量最大以及使井眼內(nèi)的無用信號最小。利用常規(guī)的低頻換能器，難以從井眼產(chǎn)生IOkHz-IOOkHz范圍內(nèi)平行聲束信號以探測井眼周圍的巖層或者環(huán)境中任何其他物質(zhì)，比如套管或水泥。在這個頻率范圍內(nèi)的常規(guī)低頻聲源的帶寬低，小于中心頻率的30%，取決于頻率的波束擴(kuò)展非常大，所以隨著頻率降低，波束擴(kuò)展增大。平行波束的生成要求滿足許多條件，包括長聲源陣列、全部換能器一致地耦合到井眼周圍的巖層以及知曉巖層聲波速度。在井眼環(huán)境中，因為基本物理約束、工程可行性或操作條件，這些條件往往不能實現(xiàn)。從1950年代起，對于流體介質(zhì)中一般的應(yīng)用，比如水下聲納，已經(jīng)提出了基于聲波非線性混合的聲束源。對于地下應(yīng)用，授予Cowles的3，974，476號美國專利公開了用于井眼觀測的聲源。Cowles的公開介紹了聲源發(fā)生設(shè)備，例如在井眼環(huán)境中通過混合兩個5MHz左右頻率能夠產(chǎn)生IkHz頻率波束的設(shè)備違反了基本物理原理。典型的測井工具的直徑為3又5/8英寸(9. 2cm),而在1500m/s的典型流體中IkHz波的波長為I. 5m。這表示接近井眼直徑的10倍。這種IkHz聲波無法保持平行而不違反基本的波衍射物理的不確定原理。不僅如此，混合5MHz頻率以產(chǎn)生IkHz波表示5000:1的頻率下降比例，這在實踐中尚未證明可實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的某些方面，公開了在井眼中產(chǎn)生聲能平行波束的方法。所述方法能夠包括產(chǎn)生第一頻率的第一聲波；產(chǎn)生不同于所述第一頻率的第二頻率的第二聲波，其中所述第一聲波和所述第二聲波由位于所述井眼內(nèi)的工具承載的至少一個換能器產(chǎn)生；把所述第一聲波和所述第二聲波傳送到聲學(xué)非線性介質(zhì)中，其中所述非線性介質(zhì)的成分通過非線性混合所述第一聲波和所述第二聲波而產(chǎn)生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一頻率范圍與所述第二頻率之間差的頻率，以及所述非線性介質(zhì)具有l(wèi)OOm/s與800m/s之間的低聲速。根據(jù)所述方法，所述非線性介質(zhì)能夠具有2與50之間的非線性參數(shù)(β )并且能夠具有大于30的品質(zhì)因數(shù)Q。所述非線性介質(zhì)能夠包括各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質(zhì)、嵌入的微球體和/或乳狀液。所述平行波束能夠具有15kHz與120kHz之間的頻率范圍。所述第一頻率和/或所述第二頻率能夠包括一系列的頻率。所述平行波束能夠被傳送到所述井眼周圍的物質(zhì)中，其中所述物質(zhì)能夠包括巖層、水泥和/或套管物質(zhì)。所述平行波束能夠由可移動聲反射鏡反射和引導(dǎo)。根據(jù)本公開的某些方面，公開了井眼內(nèi)可定位的測井電纜或管道運送的測井工具，被配置為在井眼中產(chǎn)生和指引平行聲束。所述測井工具能夠包括外殼；至少一個換能器，由所述外殼承載并且被配置為產(chǎn)生第一頻率的第一聲波以及不同于所述第一頻率的第二頻率的第二聲波；以及由所述外殼承載的非線性介質(zhì)，其中所述非線性介質(zhì)的成分被配置為通過非線性混合所述第一聲波和所述第二聲波而產(chǎn)生平行波束，其中所述平行波束具 有基于所述第一頻率與所述第二頻率之間差的頻率，以及所述非線性介質(zhì)具有100m/s與800m/s之間的聲速。根據(jù)所述測井工具，所述非線性介質(zhì)能夠具有2與50之間的非線性參數(shù)β并且能夠具有大于30的品質(zhì)因數(shù)Q。所述非線性介質(zhì)能夠包括各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質(zhì)、嵌入的微球體和/或乳狀液。所述平行波束能夠具有15kHz與120kHz之間的頻率范圍。所述第一頻率和/或所述第二頻率能夠包括一系列的頻率。所述平行波束能夠被傳送到所述井眼周圍的物質(zhì)中，其中所述物質(zhì)能夠包括巖層、水泥和/或套管物質(zhì)。所述平行波束能夠由可移動聲反射鏡反射和引導(dǎo)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種非常緊湊的設(shè)備，位于井眼內(nèi)，被配置為在井眼中產(chǎn)生和指弓I平行聲束進(jìn)入井眼周圍的物質(zhì)和巖層。所述設(shè)備包括換能器，被布置在所述井眼中的測井工具內(nèi)并且被配置為接收由一個或多個電子源產(chǎn)生的第一頻率的第一電子信號和第二頻率的第二電子信號以及產(chǎn)生所述第一頻率和所述第二頻率的原生聲波；以及低聲速非線性材料，被布置在所述測井工具中這些原生聲波的傳輸路徑上并且被配置為由非線性參數(shù)陣列混合過程以等于所述第一頻率與所述第二頻率之間的頻率的差的頻率產(chǎn)生次生平行聲束。所述非線性材料能夠包括各種液體、固體、顆粒狀物質(zhì)、嵌入的微球體和/或乳狀液的混合物，具有適當(dāng)?shù)男再|(zhì)聲速低、聲衰減低和對激波形成的阻抗高。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括聲反射鏡，被配置為反射所述平行聲束以及在給定方向上操縱所述聲束進(jìn)入所述井眼周圍的所述位置和地層。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括被布置為沿著所述聲束傳播路徑的第一聲透鏡或透鏡組，被配置為改變所述聲束的波束幾何結(jié)構(gòu)，以控制所述波束平行和/或被布置為對由于所述井眼與所述井眼周圍的所述物質(zhì)之間的界面的幾何結(jié)構(gòu)和聲學(xué)性質(zhì)差異造成所述波束輻射模式的改變進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡诙曂哥R或透鏡組。另外，所述第一聲透鏡組能夠為會聚透鏡，以改進(jìn)所述波束平行，而所述第二聲透鏡組能夠為發(fā)散透鏡，其中所述發(fā)散透鏡能夠被布置為補(bǔ)償圓柱形井眼-地層界面對所述波束傳播的影響。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括接收器或接收器陣列，被布置在所述井眼中并且被配置為在所述聲束作為所述地層的特征的結(jié)果已經(jīng)改變后接收所述聲束，其中所述聲束已經(jīng)通過被所述井眼周圍的物質(zhì)和地層反射、折射和/或反向散射而改變了。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括外殼，被配置為容納所述換能器和所述非線性材料。所述外殼能夠進(jìn)一步包括所述聲反射鏡與一個或多個透鏡組的任何組合。所述換能器和非線性材料能夠被同軸地安裝在所述測井工具內(nèi)。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括編碼器，被配置為以時變代碼對所述聲束編碼，方式為對所述第一信號和所述第二信號之一引入時變分量，所述時變分量包括一個或多個線性調(diào)頻信號或頻率掃描。所述設(shè)備能夠進(jìn)一步包括電子脈沖發(fā)生器，被配置為向所述換能器送入第一頻率和第二頻率的兩個電脈沖，在非線性混合介質(zhì)中產(chǎn)生兩個聲束脈沖，以便產(chǎn)生次生短持續(xù)時間聲脈沖，它從所述設(shè)備作為平行波束傳播。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種方法，在位于井眼中測井工具內(nèi)非常小的空間體積中以低頻和寬帶寬產(chǎn)生平行聲束并指引所述波束進(jìn)入所述井眼周圍的物質(zhì)和巖層。所述方法包括由位于所述測井工具內(nèi)的換能器產(chǎn)生第一頻率帶寬的第一聲波和第二頻率帶寬的第二聲波，以及把所述第一和所述第二原生聲波傳送到具有低聲速的非線性介質(zhì)中，所述非線性介質(zhì)被布置在所述測井工具內(nèi)沿著所述原生聲波的傳輸路徑并且被配置為由非線性混合過程產(chǎn)生次生平行聲束，其中所述次生平行聲束以與所述第一聲波和所述第二聲波的初始方向相同的方向通過所述非線性介質(zhì)傳播并且具有與所述第一和所述第二原生聲波的頻率之間的頻率的差相等的頻率帶寬。所述方法能夠進(jìn)一步包括由沿著所述聲束傳輸路徑布置的第一聲透鏡改變所述波束的幾何結(jié)構(gòu)以改進(jìn)所述測井工具內(nèi)所述聲束的平行和/或由第二聲透鏡補(bǔ)償可歸因于所述井眼的特征的所述波束幾何結(jié)構(gòu)的改變并且保持大地內(nèi)近似平行波束。不僅如此，所述方法能夠進(jìn)一步包括由聲反射鏡在給定方向反射和引導(dǎo)所述聲束。另外，所述方法能夠進(jìn)一步包括在所述聲束作為所述地層的特征的結(jié)果已經(jīng)改變后由接收器接收所述井眼中的所述聲束。所述方法能夠進(jìn)一步包括由固定的高頻信號和線性調(diào)頻信號激勵所述換能器；產(chǎn)生一個或多個高頻聲束；接收所述一個或多個高頻聲束；產(chǎn)生固定頻率猝發(fā)音和與所述固定頻率猝發(fā)音持續(xù)時間相同的線性調(diào)頻信號，其中所述固定頻率猝發(fā)音等于所述高頻信號與所述非線性材料中所述非線性混合過程所述線性調(diào)頻頻率信號之間的差頻。所述固定的高頻信號可以在250kHz與I. 5MHz之間，而所述線性調(diào)頻頻率信號可以線性調(diào)頻，使得所述固定的與線性調(diào)頻的頻率之間的差在3%至20%之間。所述方法能夠進(jìn)一步包括由所述換能器產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴(kuò)展的第一脈沖以及具有第二中心頻率和第二帶寬擴(kuò)展的第二脈沖；把所述第一脈沖和所述第二脈沖傳送進(jìn)所述非線性材料；以及通過所述非線性混合過程由所述非線性材料以中心頻率等于所述第一中心頻率且所述第二中心頻率之間頻率差以及帶寬擴(kuò)展等于所述第一帶寬擴(kuò)展與所述第二帶寬擴(kuò)展之和來產(chǎn)生聲束脈沖。根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種系統(tǒng)，用于對井眼周圍地層和其他物質(zhì)的性質(zhì)成像。所述系統(tǒng)包括在井眼中運送的測井工具內(nèi)緊湊的低頻聲源總成和波束調(diào)整設(shè)備，它指引平行聲束離開所述測井工具進(jìn)入所述周圍井眼并且由該處到所述地層或者套管和水泥，使得某些所述輻射能通過反射、折射和散射的結(jié)合返回所述井眼；接收器的陣列；以及控制所述波束方向并優(yōu)化其性質(zhì)、記錄所述接收的信號及變換所記錄的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生井眼周圍所述地層和其他物質(zhì)的的圖像必需的軟件和硬件，這些圖像經(jīng)過解釋可以產(chǎn)生所述井眼周圍體積的有關(guān)信息。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括為了所討論的應(yīng)用的成像需求在持續(xù)時間和頻率成分方面優(yōu)化的被傳送信號的生成，以及為了根據(jù)所需要的應(yīng)用尤其是勘測的半徑深度優(yōu)化系統(tǒng)性能的所述波束產(chǎn)生和調(diào)整總成及所述接收器陣列的尺寸規(guī)格和配置的選擇。根據(jù)本發(fā)明的一方面，類似于2D反射地面地震，段落21和22中的所述系統(tǒng)記錄要以成像算法處理的數(shù)據(jù)，以對每一個方位角方向都產(chǎn)生沿著所述井眼軸周圍的所述地層和其他物質(zhì)的性質(zhì)的2D圖像。所述系統(tǒng)能夠進(jìn)一步對360度方位角方向提供所述2D圖像的掃描。所述組的掃描的方位角2D圖像能夠隨后以高級成像算法疊加和/或處理以提供沿著所述井眼軸周圍的所述地層和其他物質(zhì)的性質(zhì)的全3D圖像。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括優(yōu)化所述處理算法和所述最終圖像的顯示，使得它們包·含的有關(guān)所述井眼周圍所述性質(zhì)的所述信息容易對所述數(shù)據(jù)的用戶一目了然。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，公開了井眼中可定位的測井電纜或管道運送的測井工具。所述測井工具包括(a)構(gòu)造和布置為放置在井眼中的超聲波換能器，所述換能器被配置為由持續(xù)時間在20-200微秒之間的兩個同時但是不一致的瞬態(tài)電信號激勵，第一個信號在250kHz與I. 5MHz之間的第一頻率而第二個信號在300kHz與I. 5MHz之間的第二頻率，分別產(chǎn)生所述第一頻率和所述第二頻率的第一和第二聲波；(b)聲學(xué)非線性材料，具有3與12英寸之間的長度，被布置為沿著所述換能器的傳輸路徑，所述換能器允許由所述換能器產(chǎn)生的所述兩個聲波非線性混合以所述第一頻率與所述第二頻率之間的若干瞬時頻率中的差對應(yīng)的頻率產(chǎn)生與原始激勵信號持續(xù)時間相同的瞬態(tài)聲束，所述聲束具有15與120kHz之間的頻率。所述測井工具能夠被配置為將所述電信號編碼，方式為引入時變分量，該時變分量包括對所述信號之一或雙方的一個或多個線性調(diào)頻或頻率掃描。不僅如此，所述測井工具還能夠被配置為所述聲束具有15與120kHz之間的所述頻率。另外，所述測井工具能夠被配置為所述測井工具被布置為保持取決于所述非線性材料中混合長度的所述聲束的平行的級別，以及產(chǎn)生所述聲束使得所述聲束離開所述非線性材料并且繼續(xù)通過所述測井工具沉浸其中的介質(zhì)傳播。參考附圖(其全部形成本說明書的一部分，其中相同附圖標(biāo)記指明多幅圖中對應(yīng)的部分)考慮了以下說明和附帶的權(quán)利要求書后，本發(fā)明的這些和其他目的、特點和特征，以及相關(guān)構(gòu)造元素的操作方法和功能以及部件的組合和制造節(jié)約措施將變得更顯然。不過，應(yīng)當(dāng)明確地理解，這些附圖僅僅是為了展示和說明，而不試圖作為限制本發(fā)明的定義。正如在說明書和權(quán)利要求書中的使用，單數(shù)形式的“某”和“所述”包括了復(fù)數(shù)對象除非語境清楚地另外規(guī)定。


圖I顯示了根據(jù)本公開的一方面產(chǎn)生平行波束的實例設(shè)備的一般化圖示；圖2a、2b和2c顯示了根據(jù)本公開的若干方面通過非線性過程產(chǎn)生差頻的不同模式；圖3a和3b顯示了根據(jù)平行波束的振幅和軸向(z方向)位置，水中的非線性混合的試驗結(jié)果與理論預(yù)測的對比；圖4a和4b顯示了根據(jù)多個激勵頻率的平行波束振幅以及軸向(z方向)和橫向(x方向)位置，在作為非線性介質(zhì)的水中的非線性混合的試驗結(jié)果；圖5a和5b顯示了本公開的一方面，由線性調(diào)頻脈沖產(chǎn)生平行波束；圖6a、6b和6c顯示了本公開的一方面，由線性調(diào)頻脈沖產(chǎn)生平行波束；圖7a、7b和7c顯示了本公開的一方面，由使用CNC海綿塊的非線性混合過程產(chǎn)生平行波束；圖8顯示了本公開的一方面，使用經(jīng)由封閉鋁管傳送的CNC海綿塊，由非線性混合 過程產(chǎn)生平行波束；圖9顯示了本公開的一方面，使用310M陶瓷塊作為非線性材料，由非線性混合過程產(chǎn)生平行波束；圖10顯示了本公開的一方面，該設(shè)備用于描述井眼附加地層和/或物質(zhì)的特征；圖11顯示了根據(jù)本公開的一方面，聲束波導(dǎo)的對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸；圖12顯示了本公開的一方面，使用310M陶瓷塊作為非線性材料，由非線性混合過程產(chǎn)生平行波束穿透金屬套管；圖13a和13b顯示了本公開的一方面，平行波束以聲反射鏡操縱后離開該金屬套管；圖14顯示了本公開的一方面，該設(shè)備與或不與聲波聚焦系統(tǒng)一起使用，向下直視井眼；圖15a、15b和15c顯示了根據(jù)本公開的一方面，管外物體成像的實例試驗裝置和
結(jié)果;圖16顯示了根據(jù)本公開的一方面，具有換能器和低聲速(646m/s)非線性混合流體比如氟化液FC-43的腔室，能夠以20-120kHz帶寬產(chǎn)生平行聲束的非常緊湊聲源設(shè)備的尺寸規(guī)格。圖17顯示了由圖16中非常緊湊設(shè)備產(chǎn)生的聲束的平行輻射特征對從常規(guī)換能器產(chǎn)生的聲波的漫射輻射特征的對比；圖18顯示了由圖16中緊湊設(shè)備產(chǎn)生的波束聲脈沖的脈沖波列、從50到150kHz的頻譜和輻射特征；圖19a和19b顯示了軸向安裝的聲源、聲透鏡和反射鏡局部總成的示意圖，顯示了由反射鏡和透鏡局部總成對波束操縱和聚焦，以保持設(shè)備內(nèi)部以及井眼周圍物質(zhì)和地層中聲束的平行；圖20顯示了加入了聲源、聲反射鏡和透鏡以及接收器陣列的原型設(shè)備的示意圖；圖21a和21b顯示了系統(tǒng)實例，其中對圖20中裝置的操作進(jìn)行了若干實驗室試驗。圖22顯示了在波束朝向圖21中裝置的不變方位角和傾角方向時，對于固定的聲源位置，由陣列中接收器的每一個檢測的信號；圖23顯示了多方位角面板顯示，覆蓋了圖21中裝置的35到145度方位角；
圖24顯示了所產(chǎn)生的圖像，方式為在110度方位角的范圍內(nèi)以5度的增量繪制來自同一接收器的信號。
具體實施例方式圖I顯示了根據(jù)本公開的一方面產(chǎn)生平行波束的設(shè)備的一般化圖示。在某些實施例中，一個或多個源110用于產(chǎn)生第一頻率的第一信號和第二頻率的第二信號。利用非限制性實例，這些信號能夠利用2通道信號發(fā)生器產(chǎn)生。類似的信號或函數(shù)發(fā)生器也可以使用。來自源的信號由一個或多個信號放大器120接收，并且被傳送到一個或多個換能器130，它們被用于產(chǎn)生第一或第二頻率的聲波。第一頻率和第二頻率可以是寬帶，具有的頻率范圍包括中心頻率，在該中心頻率周圍有某種頻率擴(kuò)展。壓電換能器是適于這種應(yīng)用的一種類型。如果使用不止一個換能器，它們能夠以陣列結(jié)構(gòu)排列。利用非限制性實例，該陣列結(jié)構(gòu)可以是直線形、環(huán)形、圓形或正方形陣列。陣列內(nèi)的換能器被分成兩組，其中第一組換能器由某源以第一頻率驅(qū)動，而第二組換能器由該源或由不同源以第二頻率驅(qū)動。在本發(fā)明的某些方面，被配置為產(chǎn)生第一頻率的源和被配置為產(chǎn)生第二頻率的源同時驅(qū)動全部換能器。利用非限制性實例，第一頻率是I. 036MHz而第二頻率是O. 953MHz。 聲波信號經(jīng)由非線性材料140傳送以利用非線性混合過程產(chǎn)生平行聲束。非線性材料可以是液體、液體混合物、固體、固體套管中嵌入的顆粒狀材料、嵌入的微球體或乳狀液。利用非限制性實例，這樣的非線性材料是由紐約市布魯克林區(qū)的Cotronics公司出售的310M陶瓷泡沫，它由99%以上的純?nèi)廴诠枋沾山M成，并且熱膨脹和傳導(dǎo)性低、熱沖擊阻抗高且熱反射比高。310M具有O. 80g/cm3的密度和1060m/s的聲速。非線性材料另一個非限制性實例是聚氨酯泡沫板材料。這種類型的泡沫典型情況下被用于計算機(jī)數(shù)控(后文稱為“CNC”)加工。CNC泡沫具有O. 48g/cm3的密度和1200m/s的聲速。非線性材料140可以進(jìn)一步是非線性高、聲速低、聲衰減低和對激波形成阻抗高的材料，使得能夠從非常緊湊的源產(chǎn)生高度平行波束。取決于井眼中的操作條件，具有適當(dāng)?shù)牡吐曀?、高非線性耦合、吸收長度、沖擊波長度、溫度和壓力運行的其他非線性材料并列并且被選擇以使混合體積的尺寸最小以及滿足由可操作性規(guī)范所要求的其他需求。平行波束源的尺寸規(guī)格和性能尤其依賴于非線性材料的某些性質(zhì)，并且可以定義對它們的某些限制。非線性參數(shù)β可以在2與50之間。例如，大多數(shù)液體的β范圍在2與10之間。從其他固體材料能夠獲得更高的β。在某些方面，非流體非線性材料的β可以為200或更高。非線性液體的聲速在環(huán)境條件下可以在450m/s與1700m/s之間。在某些方面，非線性材料的聲速可以在100m/s與800m/s之間。Q即品質(zhì)因數(shù)值往往不是液體的限制因素并且其范圍能夠從道爾硅油的280到普通液體的幾萬。在某些實施例中，Q可以為至少30。通過分析從非線性混合現(xiàn)象中產(chǎn)生的P波的性質(zhì)，可以描述這種非線性行為的特征，在該現(xiàn)象中和f2兩種不同頻率的兩種入射波混合以產(chǎn)生具有諧頻和互調(diào)頻率f2-f\、ffUfi和2f2等的若干第三頻率成分。在本發(fā)明的一方面，非線性共軸混合現(xiàn)象被設(shè)計為出現(xiàn)在井眼內(nèi)部的非線性材料中。一般來說，這種應(yīng)用僅僅關(guān)注具有差頻f2_fI的最終第三種波。更高的頻率僅僅傳播了短距離并趨向于在非線性材料自身中被吸收。反射、折射和散射的聲能由位于或者產(chǎn)生平行波束的同一井眼或者另一個井眼的一個或多個接收器150接收。例如，一個或多個接收器可以包括一個或多個聲換能器、一個或多個水聽器或適于所關(guān)注頻率范圍的另一種類型的接收器。接收的信號能夠由帶通濾波器160濾波并由預(yù)放大器170放大。濾波和放大的信號可以顯示在數(shù)字轉(zhuǎn)換器上，比如數(shù)字示波器180。數(shù)字示波器180能夠由計算機(jī)190控制。計算機(jī)190也能夠用于控制信號發(fā)生器110。圖2a、2b和2c顯示 了在非線性材料中產(chǎn)生差頻的不同模式。符號f、f\和f2指高頻信號。由換能器210從源110和功率放大器120接收的信號進(jìn)入非線性材料220。在一定的傳播長度后，在非線性材料220中產(chǎn)生了差頻。圖2a顯示了差頻f2-f\的產(chǎn)生，方式為向同一換能器210施加具有不同頻率4和&的兩個不同信號。圖2b顯示了差頻Af的產(chǎn)生，方式為施加頻率f和Af調(diào)制的調(diào)幅信號。圖2c顯示了差頻f2_f\的產(chǎn)生，方式為施加兩個不同的信號，對第一換能器230施加具有第一頻率的信號而對第二換能器240施加具有第二頻率f2的信號。高頻波束在非線性材料中重疊并產(chǎn)生差頻f2-flt)根據(jù)以上論述，并且利用非限制性實例，第一頻率是I. 036MHz而第二頻率是
O.953MHz。與非線性材料相互作用產(chǎn)生的平行聲束具有的頻率將等于第一頻率與第二頻率之間的差。在這個實例中，平行聲束具有83kHz明顯主頻的窄頻帶。在某些實施例中，平行聲束可以具有相對寬的頻率范圍，其中第一頻率是單一的窄帶頻率而第二頻率是橫跨更寬范圍頻率的掃頻。第一頻率也可以是像第二頻率一樣的橫跨寬范圍頻率的掃頻。無論哪種情況，第一頻率、第二頻率或者雙方都能夠是編碼的信號或未編碼的線性調(diào)頻信號。對信號編碼的一個益處是信噪比的改進(jìn)。在某些實施例中，平行波束以時變代碼編碼，它能夠被引入到或者第一或者第二信號中，或者兼而有之。時變代碼可以包括振幅變化、頻率變化和/或第一、第二或第一和第二信號的雙方的相位變化的一種或多種。收到的平行波束的時變代碼能夠用于測量該波束的飛行時間。此外，在某些實施例中，如果原生頻率之一經(jīng)由頻率范圍掃頻而另一個是固定的，平行波束就能夠是寬帶。從而產(chǎn)生的第三波束f2-f\將是橫跨寬頻率范圍的掃頻。圖3顯示了關(guān)于基于非線性混合和波傳播理論的理論預(yù)測的實驗室測量的結(jié)果。聲波傳播時所通過介質(zhì)的非線性特征扭曲了它們。聲波的非線性傳播能夠經(jīng)由Khokhov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程模擬,它能夠由有限差分近似模式求解。如果給定了諸如初始傳輸聲壓、換能器直徑和換能器陣列幾何形狀、傳播距離以及介質(zhì)這些參數(shù)，KZK方程解釋了多個非線性特征，比如聲壓的衍射、聲壓的衰減(即吸收)以及諧頻分量的產(chǎn)生(即非線性)，并且把聲波信號的形態(tài)模擬為聲壓。KZK非線性拋物線方程考慮了定向聲束中的衍射、吸收和非線性的組合效應(yīng)。對以正z方向傳播的軸對稱聲束，KZK方程可以按照聲壓P表示如下
權(quán)利要求
1.一種在測井工具內(nèi)產(chǎn)生聲能平行波束并將其指引進(jìn)井眼中的方法，所述方法包括 產(chǎn)生第一頻率的第一聲波； 產(chǎn)生不同于所述第一頻率的第二頻率的第二聲波，其中，所述第一聲波和所述第二聲波由位于所述井眼內(nèi)的工具承載的至少一個換能器產(chǎn)生； 把所述第一聲波和所述第二聲波傳送到所述測井工具內(nèi)的聲學(xué)非線性介質(zhì)中，其中，所述非線性介質(zhì)的成分通過非線性混合所述第一聲波和所述第二聲波而產(chǎn)生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一頻率與所述第二頻率之間差的頻率，以及所述非線性介質(zhì)具有100m/s與800m/s之間的聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述非線性介質(zhì)具有2與50之間的非線性參數(shù)β。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述非線性介質(zhì)具有大于30的品質(zhì)因數(shù)Q。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述非線性介質(zhì)選自包括以下各項的組各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質(zhì)、嵌入的微球體、乳狀液及上述的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述平行波束具有頻率范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中，所述平行波束的頻率范圍在15kHz與120kHz之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述第一頻率包括一系列的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中，所述第二頻率包括一系列的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，進(jìn)一步包括把所述平行波束傳送到所述井眼周圍的物質(zhì)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，所述物質(zhì)是巖層、水泥或套管或者上述的組合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，進(jìn)一步包括由可移動聲反射鏡反射和引導(dǎo)平行聲束。
12.—種部署在井眼內(nèi)的測井電纜或管道運送的測井工具，被配置為在所述測井工具內(nèi)產(chǎn)生和指引平行聲束，所述測井工具包括 夕卜殼; 至少一個換能器，由所述外殼承載并且被配置為產(chǎn)生第一頻率的第一聲波以及不同于所述第一頻率的第二頻率的第二聲波；以及 由所述外殼承載的非線性介質(zhì)，其中，所述非線性介質(zhì)的成分被配置為通過非線性混合所述第一聲波和所述第二聲波而產(chǎn)生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一頻率與所述第二頻率之間差的頻率，以及所述非線性介質(zhì)具有100m/S與800m/s之間的聲速。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述非線性介質(zhì)具有2與50之間的非線性參數(shù)β。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述非線性介質(zhì)具有大于30的品質(zhì)因數(shù)Q。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述非線性介質(zhì)選自包括以下各項的組各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質(zhì)、嵌入的微球體、乳狀液及上述的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述平行波束具有頻率范圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述平行波束的頻率范圍在15kHz與120kHz 之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述第一頻率包括一系列的頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述第二頻率包括一系列的頻率。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，其中，所述測井工具被配置為把所述平行波束傳送到所述井眼周圍的物質(zhì)中。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的測井工具，其中，所述物質(zhì)是巖層、水泥或套管或者上述的組口 ο
22.根據(jù)權(quán)利要求12的測井工具，進(jìn)一步包括可移動聲反射鏡，被配置為反射和引導(dǎo)平行聲束。
全文摘要
在本發(fā)明的某些方面，公開了在井眼中產(chǎn)生聲能波束的方法。所述方法能夠包括產(chǎn)生第一頻率的第一聲波；產(chǎn)生不同于所述第一頻率的第二頻率的第二聲波，其中所述第一聲波和所述第二聲波由位于所述井眼內(nèi)的工具承載的至少一個換能器產(chǎn)生；把所述第一聲波和所述第二聲波傳送到聲學(xué)非線性介質(zhì)中，其中所述非線性介質(zhì)的成分通過非線性混合所述第一聲波和所述第二聲波而產(chǎn)生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一頻率范圍與所述第二頻率之間差的頻率，以及所述非線性介質(zhì)具有100m/s與800m/s之間的聲速。
文檔編號G01V1/46GK102918425SQ201180027274
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者C·K·武, D·N·辛哈, C·潘緹, K·T·尼赫伊, D·P·施密特, C·司科爾特 申請人:雪佛龍美國公司, 洛斯阿拉莫斯國家安全有限責(zé)任公司