BR112018070720B1 - APPARATUS FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST FROM A WELL BORE AND METHOD FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST - Google Patents

APPARATUS FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST FROM A WELL BORE AND METHOD FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST Download PDF

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Abstract

Aparelhos, sistemas e métodos para investigar um volume de subsuperfície de interesse em um furo de poço. O aparelho compreende um invólucro configurado para transporte ao longo do furo de poço; uma fonte acústica no invólucro configurada para gerar sinais acústicos; um conjunto de lentes disposta no invólucro e ao lado da fonte acústica, sendo o conjunto de lentes formado por uma pluralidade de elementos de lente; em que cada elemento de lente compreende uma pluralidade de células dispostas em uma matriz de células curvilíneas, cada célula formada como uma coluna orientada transversal a uma direção de deslocamento dos sinais acústicos. A pluralidade de células pode ser organizada de acordo com uma geometria de mapeamento conformal, incluindo uma transformação de mapeamento conformal canônico Bipolar de linhas de contorno constantes [u, v] em [x, y] coordenadas cartesianas. Uma parte das células é reduzida em tamanho por um fator de escala. O fator de escala correspondente a cada célula da porção varia não-monotonicamente ao longo das linhas de periodicidade.Apparatus, systems and methods for investigating a subsurface volume of interest in a borehole. The apparatus comprises a housing configured for transport along the borehole; an acoustic source in the enclosure configured to generate acoustic signals; a lens assembly disposed in the housing and beside the acoustic source, the lens assembly being formed by a plurality of lens elements; wherein each lens element comprises a plurality of cells arranged in a matrix of curvilinear cells, each cell formed as a column oriented transverse to a direction of travel of the acoustic signals. The plurality of cells can be arranged according to a conformal mapping geometry, including a Bipolar canonical conformal mapping transformation of constant contour lines [u, v] in [x, y] Cartesian coordinates. A portion of the cells is reduced in size by a scale factor. The scale factor corresponding to each cell of the portion varies non-monotonically along the periodicity lines.

Description

CAMPO DA DIVULGAÇÃODISCLOSURE FIELD

[0001] Esta divulgação refere-se a sensores acústicos e métodos de produção e utilização de tais sensores acústicos em várias ferramentas, incluindo ferramentas de perfilagem acústica.[0001] This disclosure relates to acoustic sensors and methods of producing and using such acoustic sensors in various tools, including acoustic profiling tools.

FUNDAMENTOS DA DIVULGAÇÃOFUNDAMENTALS OF DISCLOSURE

[0002] As ferramentas de perfilagem acústica de fundo de poço, usadas para investigar recursos de subsuperfície, podem incluir um ou mais transmissores ou fontes acústicas e vários receptores acústicos. Essas ferramentas também podem incluir um transceptor que pode funcionar como um transmissor e um receptor. Em ambos os casos, os transmissores emitem energia acústica no ambiente subsuperficial que circunda o poço. Os sinais acústicos são refletidos por interfaces associadas ao poço, estruturas do poço e / ou a formação. Os sinais acústicos refletidos são detectados pelos receptores na ferramenta de perfilagem e processados para fornecer estimativas de uma ou mais propriedades do poço, estruturas do poço e / ou da formação. A presente divulgação fornece sensores acústicos que utilizam uma lente metamaterial para manipular essas ondas acústicas.[0002] The downhole acoustic profiling tools, used to investigate subsurface resources, may include one or more transmitters or acoustic sources and several acoustic receivers. These tools may also include a transceiver that can function as both a transmitter and a receiver. In both cases, the transmitters emit acoustic energy into the subsurface environment surrounding the wellbore. Acoustic signals are reflected by interfaces associated with the wellbore, wellbore structures and/or the formation. The reflected acoustic signals are detected by receivers in the logging tool and processed to provide estimates of one or more wellbore properties, wellbore structures and/or formation. The present disclosure provides acoustic sensors that use a metamaterial lens to manipulate these acoustic waves.

SUMÁRIO DA DIVULGAÇÃODISCLOSURE SUMMARY

[0003] Aspectos da presente divulgação incluem aparelhos, sistemas e métodos para investigar um volume de subsuperfície de interesse a partir de um furo de poço. O aparelho pode incluir um invólucro configurado para transporte ao longo do furo; uma fonte acústica no invólucro configurada para gerar sinais acústicos; um conjunto de lentes colocado no invólucro e junto à fonte acústica. O conjunto de lentes é formado por uma pluralidade de elementos de lente, onde cada elemento de lente compreende uma pluralidade de células dispostas em uma matriz de células curvilíneas. Cada célula é formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento de sinais acústicos, e cada célula tendo um cubo, uma pluralidade de raios irradiando do cubo, e uma pluralidade de dedos circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo, onde o cubo, os raios e os dedos são orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais.[0003] Aspects of the present disclosure include apparatus, systems and methods for investigating a subsurface volume of interest from a borehole. The apparatus may include a housing configured for transport along the bore; an acoustic source in the enclosure configured to generate acoustic signals; a set of lenses placed in the casing and next to the acoustic source. The lens assembly is formed of a plurality of lens elements, where each lens element comprises a plurality of cells arranged in a matrix of curvilinear cells. Each cell is formed as a column oriented transversely to a direction of travel of acoustic signals, and each cell having a cube, a plurality of spokes radiating from the cube, and a plurality of fingers circumferentially distributed around the cube, where the cube, the rays and fingers are oriented to cause the acoustic waves to travel at a different speed in each of the three orthogonal directions.

[0004] Em modalidades gerais, o aparelho acima pode ser implementado como uma ferramenta acústica. A ferramenta acústica pode incluir um transdutor configurado para gerar e detectar uma onda acústica em cooperação com o conjunto de lentes. O conjunto de lentes pode estar separado da fonte acústica. A pluralidade de células pode ser disposta de acordo com uma geometria de mapeamento conformal. A geometria de mapeamento conformada pode compreender uma transformação de mapeamento conformal canônico Bipolar de linhas de contorno [u, v] constantes em coordenadas cartesianas [x, y]. Uma porção da pluralidade de células pode ser cada uma reduzida em tamanho por um fator de escala a partir de uma maior dimensão de célula aplicável a pelo menos uma célula da pluralidade para se encaixar no mapeamento conformal. O fator de escala correspondente a cada célula da porção pode variar não monotonicamente ao longo das linhas de periodicidade do mapeamento conformal. As coordenadas cartesianas [x, y] retangulares podem ser relacionadas às linhas de contorno [u, v] pelas relações: [0004] In general terms, the above apparatus can be implemented as an acoustic tool. The acoustic tool may include a transducer configured to generate and detect an acoustic wave in cooperation with the lens assembly. The lens assembly can be separated from the acoustic source. The plurality of cells can be arranged according to a conformal mapping geometry. The conformal mapping geometry may comprise a Bipolar canonical conformal mapping transformation of contour lines [u, v] constants in Cartesian coordinates [x, y]. A portion of the plurality of cells may each be reduced in size by a scale factor from the largest cell dimension applicable to at least one cell of the plurality to fit the conformal mapping. The scale factor corresponding to each cell of the portion can vary non-monotonically along the periodicity lines of the conformal mapping. Rectangular Cartesian coordinates [x, y] can be related to contour lines [u, v] by the relations:

[0005] Em aspectos, a presente divulgação fornece um aparelho para investigar um volume de subsuperfície. O aparelho pode incluir um invólucro configurado para ser transportado ao longo de um poço, um transdutor acústico disposto no invólucro e gerando sinais acústicos, um conjunto eletrônico disposto no invólucro e controlando o transdutor acústico, e um conjunto de lentes. O conjunto de lentes pode ser colocado no invólucro e ao lado do transdutor acústico. O conjunto de lentes pode ser formado por uma pluralidade de elementos de lente. Cada elemento de lente pode compreender uma pluralidade de células dispostas em uma matriz de células curvilíneas. Cada célula pode ser formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento dos sinais acústicos. Cada célula pode ter um cubo, uma pluralidade de raios que irradiam a partir do cubo e uma pluralidade de dedos circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo. O cubo, os raios e os dedos podem ser orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais.[0005] In aspects, the present disclosure provides an apparatus for investigating a subsurface volume. The apparatus may include a housing configured to be carried down a shaft, an acoustic transducer disposed in the housing and generating acoustic signals, an electronic assembly disposed in the housing and controlling the acoustic transducer, and a set of lenses. The lens assembly can be placed in the housing and next to the acoustic transducer. The lens assembly may be formed from a plurality of lens elements. Each lens element may comprise a plurality of cells arranged in an array of curvilinear cells. Each cell can be formed as a column oriented transversely to a direction of displacement of the acoustic signals. Each cell may have a cube, a plurality of spokes radiating from the cube, and a plurality of fingers circumferentially distributed around the cube. The cube, spokes and fingers can be oriented to make the acoustic waves travel at a different speed in each of the three orthogonal directions.

[0006] Em aspectos, a presente divulgação fornece um método para investigar um volume de subsuperfície. O método pode incluir posicionar uma ferramenta acústica em um poço. O aparelho pode incluir um invólucro configurado para ser transportado ao longo de um poço, um transdutor acústico disposto no invólucro e gerando sinais acústicos, um conjunto eletrônico disposto no invólucro e controlando o transdutor acústico, e um conjunto de lentes. O conjunto de lentes pode ser colocado no invólucro e ao lado do transdutor acústico. O conjunto de lentes pode ser formado por uma pluralidade de células. Cada célula pode ser formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento dos sinais acústicos. Cada célula pode ter um cubo, uma pluralidade de raios que irradiam a partir do cubo e uma pluralidade de dedos circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo. O cubo, os raios e os dedos podem ser orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais. O método pode incluir o direcionamento das ondas acústicas através de um meio aberrante adjacente que bloqueie, pelo menos parcialmente, a direção de deslocamento das ondas acústicas e o volume de interesse.[0006] In aspects, the present disclosure provides a method for investigating a subsurface volume. The method may include placing an acoustic tool in a pit. The apparatus may include a housing configured to be carried down a shaft, an acoustic transducer disposed in the housing and generating acoustic signals, an electronic assembly disposed in the housing and controlling the acoustic transducer, and a set of lenses. The lens assembly can be placed in the housing and next to the acoustic transducer. The lens assembly may be formed from a plurality of cells. Each cell can be formed as a column oriented transversely to a direction of displacement of the acoustic signals. Each cell may have a cube, a plurality of spokes radiating from the cube, and a plurality of fingers circumferentially distributed around the cube. The cube, spokes and fingers can be oriented to make the acoustic waves travel at a different speed in each of the three orthogonal directions. The method may include directing the acoustic waves through an adjacent aberrant medium that blocks, at least partially, the direction of travel of the acoustic waves and the volume of interest.

[0007] Os exemplos das características da divulgação foram resumidos de forma bastante ampla para que a descrição detalhada a seguir possa ser melhor compreendida e para que as contribuições que representam para a técnica possam ser apreciadas.[0007] The examples of the disclosure features have been summarized fairly broadly so that the following detailed description can be better understood and so that the contributions they represent to the art can be appreciated.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0008] Para uma compreensão detalhada da presente divulgação, deve ser feita referência à seguinte descrição detalhada das modalidades, tomada em conjunto com as figuras anexas, nas quais elementos semelhantes receberam números semelhantes, em que: A FIG. 1A ilustra esquematicamente um sistema de perfilagem acústica de fundo de poço tendo uma ferramenta de fundo de poço configurada para adquirir informação utilizando um sensor; A FIG. 1B é uma representação gráfica de um corte transversal de estruturas de poço no lugar em relação ao furo de poço para operações de acordo com as modalidades da presente divulgação; A FIG. 1C é uma representação gráfica de um corte de ferramenta nas hiperlentes acústicas bipolares dentro das estruturas do poço de acordo com modalidades da presente divulgação; A FIG. 1D ilustra uma transformação de mapeamento conformal geométrica no corte transversal das hiperlentes retangulares originais utilizando uma transformação de coordenadas de mapeamento conformal bipolar de acordo com modalidades da presente divulgação; A FIG. 1E mostra um diagrama esquemático de um elemento de lente de acordo com modalidades da presente divulgação; A FIG. 1F mostra uma projeção das localizações das células e os fatores de escala correspondentes mij; A FIG. 2 é um diagrama esquemático de uma ferramenta acústica de acordo com a presente divulgação que emite um sinal acústico emitido que é distorcido menos por um meio aberrante; As FIGS. 3A-3D mostram células de metamaterial exemplares para manipular uma onda acústica de acordo com a presente divulgação; As FIGS. 4A-4D ilustram ferramentas de fundo de poço e componentes de ferramenta de acordo com modalidades da presente divulgação; As FIGS. 5A e 5B ilustram um modelo que simula o desempenho de modalidades de aparelhos de acordo com a presente divulgação; A FIG. 6 mostra uma representação gráfica de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de pressão atravessando o revestimento; A FIG. 7 mostra uma representação gráfica de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de intensidade atravessando o revestimento; As FIGS. 8A e 8B mostram projeções de contorno que ilustram a intensidade acústica de ondas acústicas emitidas por um transdutor em um revestimento, fixadas em um furo de poço, que são preenchidas por um fluido de furo de poço sem e com um conjunto de lentes da presente divulgação; As FIGS. 9A e 9B mostram uma ilustração da comparação na distribuição de energia ressonante com as hiperlentes e sem hiperlentes, respectivamente; A FIG. 10 mostra uma representação gráfica de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de pressão atravessando o revestimento; As FIGS. 11A e 11B mostram projeções de contorno que ilustram uma distribuição de intensidade acústica para um sinal recebido de uma reflexão de anomalia na interface de ligação de cimento de revestimento com as hiperlentes e sem hiperlentes, respectivamente.[0008] For a detailed understanding of the present disclosure, reference should be made to the following detailed description of embodiments, taken in conjunction with the attached figures, in which like elements have been given like numbers, in which: FIG. 1A schematically illustrates a downhole acoustic profiling system having a downhole tool configured to acquire information using a sensor; FIG. 1B is a cross-sectional graphical representation of well structures in place relative to the wellbore for operations in accordance with embodiments of the present disclosure; FIG. 1C is a graphical representation of a tool cut into the bipolar acoustic hyperlens within the well structures in accordance with embodiments of the present disclosure; FIG. 1D illustrates a geometric conformal mapping transformation in cross-section of the original rectangular hyperlenses using a bipolar conformal mapping coordinate transformation in accordance with embodiments of the present disclosure; FIG. 1E shows a schematic diagram of a lens element in accordance with embodiments of the present disclosure; FIG. 1F shows a projection of the cell locations and the corresponding scale factors mij; FIG. 2 is a schematic diagram of an acoustic tool according to the present disclosure that emits an emitted acoustic signal that is less distorted by an aberrant medium; FIGS. 3A-3D show exemplary metamaterial cells for manipulating an acoustic wave in accordance with the present disclosure; FIGS. 4A-4D illustrate downhole tools and tool components in accordance with embodiments of the present disclosure; FIGS. 5A and 5B illustrate a model simulating the performance of embodiments of apparatus in accordance with the present disclosure; FIG. 6 shows a graphical representation of illustrative theoretical projections of pressure transmission across the liner; FIG. 7 shows a graphical representation of theoretical projections illustrating intensity transmission across the coating; FIGS. 8A and 8B show contour projections illustrating the acoustic intensity of acoustic waves emitted by a transducer in a casing, fixed in a borehole, which are filled by a borehole fluid without and with a lens assembly of the present disclosure ; FIGS. 9A and 9B show an illustration of the comparison in resonant energy distribution with hyperlens and without hyperlens, respectively; FIG. 10 shows a graphical representation of illustrative theoretical projections of pressure transmission across the liner; FIGS. 11A and 11B show contour projections illustrating an acoustic intensity distribution for a signal received from an anomaly reflection at the casing cement bonding interface with the hyperlens and without hyperlens, respectively.

DESCRIÇÃO DETALHADADETAILED DESCRIPTION

[0009] Aspectos da presente divulgação incluem uma hiperlente ultrassônica que pode ser empregada em implementações de sensores de imagem de colunas múltiplas atravessando o revestimento. Em aspectos, a presente divulgação refere-se a dispositivos acústicos e métodos relacionados para investigar um volume de interesse quando um caminho de transmissão de sinal para esse volume de interesse é parcial ou completamente obstruído por um meio aberrante. Em aspectos, a presente descrição também se refere a dispositivos acústicos e métodos relacionados para investigar um volume de interesse quando um caminho de transmissão de sinal daquele volume de interesse é parcial ou completamente obstruído por um meio aberrante.[0009] Aspects of the present disclosure include an ultrasonic hyperlens that can be employed in deployments of multi-column image sensors traversing the coating. In aspects, the present disclosure relates to acoustic devices and related methods for investigating a volume of interest when a signal transmission path to that volume of interest is partially or completely obstructed by an aberrant medium. In aspects, the present disclosure also relates to acoustic devices and related methods for investigating a volume of interest when a signal transmission path of that volume of interest is partially or completely obstructed by an aberrant medium.

[0010] Há vários desafios que os operadores enfrentam durante a fase de tamponamento e abandono ('P & A') de uma vida útil de poço. Como um exemplo, quando um poço é abandonado ou tamponado, estruturas permanentes devem ser colocadas como barreiras para garantir o isolamento de todas as zonas com um potencial de fluxo relativo entre si e a superfície ou o fundo do mar. O método atual para alcançar tal isolamento é colocar o cimento no poço para formar plugues em locais apropriados para criar os selos necessários para o isolamento zonal. Os plugues de barreira são fixados cortando e puxando a tubulação e o revestimento para expor a rocha capeadora à operação de cimentação de forma que os plugues de cimento possam formar uma vedação permanente. A localização para colocação destes plugues de cimento, consequentemente, é bastante importante.[0010] There are several challenges that operators face during the plugging and abandonment ('P&A') phase of a well life. As an example, when a well is abandoned or plugged, permanent structures must be placed as barriers to ensure isolation of all zones with a potential for flow relative to each other and the surface or seafloor. The current method of achieving such isolation is to pour cement into the well to form plugs in the appropriate locations to create the seals needed for zonal isolation. Barrier plugs are attached by cutting and pulling the piping and casing to expose the capping rock to the grouting operation so that the cement plugs can form a permanent seal. The location for placement of these cement plugs is consequently quite important.

[0011] Comumente, a tarefa demorada de remover o revestimento e o cimento é realizada devido à falta de uma capacidade de obter dados e conhecimento sobre a qualidade do cimento por trás do revestimento, a partir da avaliação através da tubulação e do revestimento. Na ausência de tal entendimento sobre a condição do cimento, a prudência exige que o revestimento seja removido do poço para permitir a colocação de barreiras na rocha capeadora em locais adequados para o isolamento zonal. Esta operação para remover o revestimento e o cimento é tipicamente uma despesa significativa.[0011] Commonly, the time-consuming task of removing the casing and cement is undertaken due to the lack of an ability to obtain data and knowledge about the quality of the cement behind the casing, from the assessment through the piping and casing. In the absence of such an understanding of the condition of the cement, prudence dictates that the casing be removed from the borehole to allow the placement of capping rock barriers in suitable locations for zonal isolation. This operation to remove the casing and cement is typically a significant expense.

[0012] Assim, a escassez de tecnologias eficazes que podem determinar a qualidade do cimento através de tubos e revestimentos é problemática. O cimento faz parte da construção do poço para fornecer suporte estrutural ao revestimento. Uma estrutura sólida de cimento com boa integridade também cria isolamento zonal de hidrocarbonetos da superfície ou do fundo do mar, bem como do lençol freático subterrâneo. A este respeito, uma boa ligação cimento-tubo garante o abandono seguro de um poço. Com a capacidade de obter um registro de alta confiabilidade da qualidade do cimento através de tubos e revestimentos, as operações que requerem o corte e a remoção de revestimento e cimento podem ser significativamente reduzidas.[0012] Thus, the scarcity of effective technologies that can determine the quality of cement through tubes and casings is problematic. Cement is part of the well construction to provide structural support for the casing. A solid cement structure with good integrity also creates zonal isolation from surface or seabed hydrocarbons, as well as the underground water table. In this regard, a good cement-pipe connection guarantees the safe abandonment of a well. With the ability to obtain a highly reliable record of cement quality through tubes and casings, operations that require cutting and removing casing and cement can be significantly reduced.

[0013] Para estas e outras aplicações de imagem acústica de fundo de poço, uma lente acústica que permite a transmissão e o recebimento de ultrassom através de meios aberrantes, como, por exemplo, múltiplos tubos de aço e espaços anulares de fluido, é altamente desejável. Aspectos da presente divulgação incluem uma lente derivada de uma matriz de células artificiais que confere à lente propriedades dinâmicas incomuns, tais como índices de refração negativos e razões de Poisson negativas, bem como módulos e densidade anisotrópica. Certas combinações de densidade e módulo anisotrópico podem criar uma dispersão de frequência hiperbólica capaz de sustentar a propagação de vetores de ondas de frequência muito altas (espaciais).[0013] For these and other downhole acoustic imaging applications, an acoustic lens that allows the transmission and reception of ultrasound through aberrant media, such as, for example, multiple steel tubes and fluid annular spaces, is highly desirable. Aspects of the present disclosure include a lens derived from an artificial cell matrix that imparts unusual dynamic properties to the lens, such as negative refractive indices and negative Poisson ratios, as well as anisotropic modulus and density. Certain combinations of density and anisotropic modulus can create hyperbolic frequency dispersion capable of sustaining the propagation of very high frequency (spatial) wave vectors.

[0014] O Pedido de Patente US No. 15 / 040.677, submetido pelo mesmo inventor, divulga uma hiperlente acústica retangular. Tal como demonstrado no pedido anterior, esta hiperlente mostra uma transmissão atravessando o revestimento significativa, mas para múltiplos meios aberrantes tubulares o feixe de intensidade acústica transmitida tem mais de 40 mm de largura na interface de revestimento para cimento. Para a criação de imagens de ligação de cimento atravessando o revestimento de colunas múltiplas, um feixe de intensidade de menos de metade dessa largura melhoraria muito os resultados. Em algumas implementações, uma largura de feixe inferior a 15 mm é preferível. Além disso, a implantação de uma hiperlente acústica plana dentro de uma ferramenta projetada para tubulação de 3 ”ID - ou seja, conformando o corte transversal retangular original da hiperlente plana para formar dentro um diâmetro de sensor de aproximadamente 2” para um envelope de ferramenta de arame enquanto continua mantendo as propriedades dinâmicas incomuns associadas a uma dispersão de frequência hiperbólica que cria a transmissão através de meios aberrantes - é problemática.[0014] US Patent Application No. 15/040,677, submitted by the same inventor, discloses a rectangular acoustic hyperlens. As demonstrated in the previous application, this hyperlens shows significant transmission across the casing, but for multiple tubular aberrant media the beam of transmitted acoustic intensity is over 40 mm wide at the casing-to-cement interface. For imaging cement bond traversing multi-column casing, a beam intensity of less than half this width would greatly improve results. In some implementations, a beamwidth of less than 15 mm is preferable. In addition, implanting a flat acoustic hyperlens inside a tool designed for 3” ID tubing - i.e., conforming the original rectangular cross section of the flat hyperlens to form an inside approximately 2” sensor diameter for a tool envelope wire while still retaining the unusual dynamic properties associated with hyperbolic frequency dispersion that creates transmission through aberrant media - is problematic.

[0015] Aspectos da presente divulgação incluem técnicas para satisfazer as especificações dimensionais de uma ferramenta de fundo de poço para a lente enquanto se mantém as propriedades de hiperlente utilizando uma transformação de mapeamento conformal geométrico no corte transversal das hiperlentes "planas" originais. Um exemplo aqui descrito é o de usar uma transformação de coordenadas de mapeamento conformal bipolar para criar linhas de fluxo da periodicidade da rede que convergem para um pequeno foco de um conjunto de linhas quase colimadas na saída da lente.[0015] Aspects of the present disclosure include techniques for meeting the dimensional specifications of a downhole tool for the lens while maintaining the hyperlens properties using a geometric conformal mapping transformation on the cross section of the original "flat" hyperlens. An example described here is using a bipolar conformal mapping coordinate transformation to create lattice periodicity flux lines that converge to a small focus from a set of nearly collimated lines at the lens output.

[0016] As modalidades gerais do aparelho aqui descritas incluem um conjunto de lentes incluindo uma pluralidade de elementos de lente, em que cada elemento de lente compreende uma pluralidade de células dispostas em uma matriz de células curvilíneas. Na matriz de células curvilíneas, a pluralidade de células é disposta em uma geometria de mapeamento conformal. A geometria de mapeamento conformada compreende uma transformação de mapeamento conformal canônico Bipolar de linhas de contorno constantes [u, v] em coordenadas cartesianas [x, y].[0016] The general embodiments of the apparatus described herein include a lens assembly including a plurality of lens elements, wherein each lens element comprises a plurality of cells arranged in an array of curvilinear cells. In the array of curvilinear cells, the plurality of cells are arranged in a conformal mapping geometry. The conformal mapping geometry comprises a Bipolar canonical conformal mapping transformation of constant contour lines [u, v] into Cartesian coordinates [x, y].

[0017] Cada célula pode ser formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento de sinais acústicos, cada célula tendo um cubo, uma pluralidade de raios irradiando do cubo, e uma pluralidade de dedos circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo, onde o cubo, os raios e os dedos são orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais.[0017] Each cell may be formed as a column oriented transversely to a direction of displacement of acoustic signals, each cell having a cube, a plurality of spokes radiating from the cube, and a plurality of fingers circumferentially distributed around the cube, where the cube, spokes and fingers are oriented to make the acoustic waves travel at a different speed in each of the three orthogonal directions.

[0018] As modalidades podem incluir o uso de pelo menos um sensor acústico para produzir informação acústica que responde a uma onda acústica da formação da terra. O sensor pode incluir pelo menos uma hiperlente juntamente com pelo menos um transmissor acústico e / ou pelo menos um receptor acústico, que pode ser implementado como transdutor. Em algumas implementações, o mesmo transdutor pode servir como transmissor e receptor. A informação é indicativa de um parâmetro de interesse. O termo “informação” como usado aqui inclui qualquer forma de informação (analógica, digital, EM, impressa, etc.), e pode incluir um ou mais de: dados brutos, dados processados e sinais.[0018] Embodiments may include using at least one acoustic sensor to produce acoustic information that responds to an acoustic wave from the earth formation. The sensor can include at least one hyperlens together with at least one acoustic transmitter and/or at least one acoustic receiver, which can be implemented as a transducer. In some implementations, the same transducer can serve as transmitter and receiver. The information is indicative of a parameter of interest. The term "information" as used herein includes any form of information (analog, digital, EM, print, etc.), and may include one or more of: raw data, processed data and signals.

[0019] Os métodos podem incluir a estimativa de um parâmetro de interesse a partir da informação, a avaliação da formação usando o parâmetro de interesse e a realização de outras operações de furo de poço na dependência da avaliação ou do parâmetro de interesse. Em modalidades particulares, um estado de operações de perfuração, características do furo do poço, revestimento, cimento ou formação, ou uma ligação entre cimento e revestimento, pode ser estimado utilizando o parâmetro de interesse e depois utilizado na execução de uma operação como descrito acima.[0019] The methods may include estimating a parameter of interest from the information, evaluating the formation using the parameter of interest, and performing other wellbore operations depending on the evaluation or parameter of interest. In particular embodiments, a state of drilling operations, characteristics of the borehole, casing, cement or formation, or a bond between cement and casing, can be estimated using the parameter of interest and then used in performing an operation as described above. .

[0020] A FIG. 1A ilustra esquematicamente um sistema de perfilagem acústica de fundo de poço 100 tendo uma ferramenta de fundo de poço 10 configurada para adquirir informação utilizando um sensor 20, compreendendo pelo menos um transmissor acústico e pelo menos um receptor acústico, enquanto em um furo de poço 50 em uma formação da terra 80 e estimar um parâmetro de interesse. O parâmetro de interesse pode referir-se às propriedades do invólucro 40 ou cimento 45 dentro do furo de poço 50, ou caracterização da ligação entre eles.[0020] FIG. 1A schematically illustrates a downhole acoustic profiling system 100 having a downhole tool 10 configured to acquire information using a sensor 20, comprising at least one acoustic transmitter and at least one acoustic receiver, while in a borehole 50 on a land formation 80 and estimate a parameter of interest. The parameter of interest may refer to the properties of the casing 40 or cement 45 within the borehole 50, or characterization of the connection between them.

[0021] O sensor 20 pode incluir um ou mais transmissores e / ou receptores acústicos. O sistema 100 pode incluir uma torre convencional 60 erguida em um convés de perfuração 70. Um dispositivo de transporte (transportador 15) que pode ser rígido ou não rígido, pode ser configurado para transportar a ferramenta de fundo de poço 10 no poço 50 que intersecta a formação da terra 80. O fluido de perfuração ("lama") 90 pode estar presente no furo de poço 50. O transportador 15 pode ser uma coluna de perfuração, uma bobina, uma corda de piano, uma e-line, um arame, etc. A ferramenta de fundo de poço 10 pode ser acoplada ou combinada com ferramentas adicionais, incluindo, por exemplo, algum ou todo o sistema de processamento de informação (inserção). Assim, dependendo da configuração, a ferramenta 10 pode ser usada durante a perfuração e / ou após o poço 50 ter sido formado. Enquanto um sistema de terra é mostrado, os ensinamentos da presente divulgação também podem ser utilizados em aplicações marítimas ou submarinas. O transportador 15 pode incluir condutores embutidos para energia e / ou dados para fornecer sinal e / ou comunicação de energia entre o equipamento de superfície e de poço (por exemplo, um cabo de sete condutores). O transportador 15 pode incluir um conjunto de fundo de poço, o qual pode incluir um motor de perfuração para rodar uma broca.[0021] The sensor 20 may include one or more transmitters and/or acoustic receivers. The system 100 may include a conventional turret 60 erected on a drilling deck 70. A transport device (conveyor 15), which may be rigid or non-rigid, may be configured to transport the downhole tool 10 in the well 50 that intersects earth formation 80. Drilling fluid ("mud") 90 may be present in the wellbore 50. Carrier 15 may be a drillstring, a coil, a piano wire, an e-line, a wire , etc. The downhole tool 10 may be coupled or combined with additional tools including, for example, some or all of the information processing (insertion) system. Thus, depending on the configuration, the tool 10 can be used during drilling and/or after the well 50 has been formed. While a land system is shown, the teachings of the present disclosure can also be used in marine or subsea applications. Conveyor 15 may include embedded power and/or data conductors to provide signal and/or power communication between surface and downhole equipment (e.g., a seven-conductor cable). Conveyor 15 may include a downhole assembly, which may include a drill motor for rotating a bit.

[0022] Um sistema de controle de superfície 65 recebe sinais do sensor de fundo de poço 20 e de outros sensores utilizados no sistema 100 e processa esses sinais de acordo com as instruções programadas fornecidas ao sistema de controle de superfície 65. O sistema de controle de superfície 65 pode exibir os parâmetros desejados e outras informações em um mostrador / monitor que é utilizado por um operador. O sistema de controle de superfície 65 pode comunicar ainda com um sistema de controle de fundo de poço 30 em uma localização adequada na ferramenta de fundo de poço 10. O sistema de controle de superfície 65 pode processar dados relacionados com as operações e dados do sensor 20, e pode controlar uma ou mais operações de fundo do poço realizadas pelo sistema 100.[0022] A surface control system 65 receives signals from the downhole sensor 20 and other sensors used in the system 100 and processes these signals according to programmed instructions provided to the surface control system 65. The control system surface 65 can display the desired parameters and other information on a display/monitor that is used by an operator. The surface control system 65 can further communicate with a downhole control system 30 at a suitable location on the downhole tool 10. The surface control system 65 can process data related to operations and sensor data 20, and may control one or more downhole operations performed by system 100.

[0023] Em uma modalidade, os componentes eletrônicos associados ao sensor 20 podem ser configurados para registar e / ou processar a informação obtida. Certas modalidades da presente divulgação podem ser implementadas com um ambiente de hardware 21 que inclui um processador de informação 17, um meio de armazenamento de informação 13, um dispositivo de entrada 11, memória de processador 9 e pode incluir um meio de armazenamento de informação periférico 19. O ambiente de hardware pode estar no poço, na sonda ou em um local remoto. Além disso, os vários componentes do ambiente de hardware podem ser distribuídos entre esses locais. O dispositivo de entrada 11 pode ser qualquer leitor de dados ou dispositivo de entrada do usuário, tal como leitor de cartão de dados, teclado, porta USB, etc. O meio de armazenamento de informação 13 armazena informação fornecida pelo (s) sensor (es). O meio de armazenamento de dados 13 pode incluir qualquer meio não transitório legível por computador para armazenamento de informações de computador padrão, como uma unidade USB, cartão de memória, disco rígido, RAM removível, EPROMs, EAROMs, memórias flash e discos ópticos ou outros sistemas de armazenamento de memória comumente utilizados conhecidos por alguém versado na técnica, incluindo armazenamento baseado em rede ou Internet. O meio de armazenamento de informação 13 armazena um programa que, quando executado, faz com que o processador de informação 17 execute os métodos divulgados. O meio de armazenamento de informação 13 também pode armazenar a informação de formação fornecida pelo usuário. As informações também podem ser armazenadas em um meio de armazenamento de informações periférico 19, que pode ser qualquer dispositivo de armazenamento de informações de computador padrão, como uma unidade USB, cartão de memória, disco rígido, RAM removível ou outro sistema de armazenamento de memória comumente usado por alguém versado na arte, incluindo armazenamento baseado na Internet. O processador de informação 17 pode ser qualquer forma de hardware de processamento de computador ou matemático, incluindo hardware baseado na Internet. Quando o programa é carregado a partir do meio de armazenamento de informação 13 na memória do processador 9 (por exemplo, RAM de computador), o programa, quando executado, faz com que o processador de informação 17 recupere informação do sensor a partir do meio de armazenamento de informação 13 ou do meio de armazenamento periférico 19 e processe a informação para estimar um parâmetro de interesse. O processador de informação 17 pode estar localizado na superfície ou no fundo do poço.[0023] In one embodiment, the electronics associated with the sensor 20 can be configured to record and/or process the information obtained. Certain embodiments of the present disclosure may be implemented with a hardware environment 21 that includes an information processor 17, an information storage medium 13, an input device 11, processor memory 9, and may include a peripheral information storage medium. 19. The hardware environment can be in the well, on the rig or at a remote location. Additionally, the various components of the hardware environment can be distributed across these locations. Input device 11 can be any data reader or user input device such as data card reader, keyboard, USB port, etc. The information storage means 13 stores information provided by the sensor(s). Data storage medium 13 may include any non-transient computer-readable medium for storing standard computer information, such as a USB drive, memory card, hard disk, removable RAM, EPROMs, EAROMs, flash memories and optical discs or the like. commonly used memory storage systems known to one skilled in the art, including network or internet based storage. Information storage means 13 stores a program that, when executed, causes information processor 17 to perform the disclosed methods. Information storage means 13 may also store training information provided by the user. The information may also be stored on a peripheral information storage medium 19, which may be any standard computer information storage device such as a USB drive, memory card, hard drive, removable RAM or other memory storage system. commonly used by someone skilled in the art, including Internet-based storage. Information processor 17 can be any form of computer or math processing hardware, including Internet-based hardware. When the program is loaded from the information storage medium 13 into the memory of the processor 9 (e.g., computer RAM), the program, when executed, causes the information processor 17 to retrieve sensor information from the medium. of information storage 13 or peripheral storage medium 19 and process the information to estimate a parameter of interest. The information processor 17 can be located at the surface or at the bottom of the well.

[0024] O termo “informação” como usado neste documento inclui qualquer forma de informação (analógica, digital, EM, impressa, etc.). Como utilizado neste documento, um processador é qualquer dispositivo de processamento de informação que transmite, recebe, manipula, converte, calcula, modula, transpõe, transporta, armazena ou de outro modo utiliza informação. Em vários aspectos não limitativos da divulgação, um dispositivo de processamento de informação inclui um computador que executa instruções programadas para executar vários métodos. Estas instruções podem fornecer operação, controle, coleta e análise de dados e outras funções do equipamento além das funções descritas nesta divulgação. O processador pode executar instruções armazenadas na memória do computador acessível ao processador ou pode empregar lógica implementada como matrizes de porta programáveis em campo ('FPGAs'), circuitos integrados específicos de aplicativos ('ASICs'), outro hardware lógico combinatório ou sequencial e assim por diante.[0024] The term “information” as used in this document includes any form of information (analogue, digital, EM, printed, etc.). As used herein, a processor is any information processing device that transmits, receives, manipulates, converts, computes, modulates, transposes, transports, stores or otherwise uses information. In various non-limiting aspects of the disclosure, an information processing device includes a computer that executes programmed instructions to perform various methods. These instructions may provide for operation, control, data collection and analysis, and other functions of the equipment in addition to the functions described in this disclosure. The processor may execute instructions stored in computer memory accessible to the processor, or it may employ logic implemented as field-programmable gate arrays ('FPGAs'), application-specific integrated circuits ('ASICs'), other combinatorial or sequential logic hardware, and so on. on.

[0025] Em uma modalidade, os componentes eletrônicos associados aos transdutores, descritos em maior detalhe abaixo, podem ser configurados para efetuar medições em uma pluralidade de orientações azimutais à medida que a ferramenta se desloca ao longo do eixo longitudinal do furo de poço ("axialmente") utilizando o sensor 40. Estas medições podem ser substancialmente contínuas, as quais podem ser definidas como repetidas em incrementos muito pequenos de profundidade e azimute, de forma que a informação resultante tenha alcance e resolução suficientes para fornecer uma imagem dos parâmetros do furo de poço (por exemplo, propriedades acústicas do fluido e formação no furo de poço) ou parâmetros relativos ao revestimento, cimento ou ligação entre eles (coletivamente, “parâmetros do fundo do poço”).[0025] In one embodiment, the electronics associated with the transducers, described in greater detail below, can be configured to take measurements in a plurality of azimuthal orientations as the tool moves along the longitudinal axis of the wellbore (" axially") using sensor 40. These measurements can be substantially continuous, which can be defined as repeated in very small increments of depth and azimuth, so that the resulting information has sufficient range and resolution to provide a picture of the hole parameters (for example, acoustic properties of the fluid and formation in the borehole) or parameters relating to the casing, cement or bond between them (collectively, “downhole parameters”).

[0026] Em outras modalidades, a eletrônica pode estar localizada em outro lugar (por exemplo, na superfície, ou remotamente). Para realizar os tratamentos durante uma única manobra, a ferramenta pode usar uma transmissão de alta largura de banda para transmitir as informações adquiridas pelo sensor 40 à superfície para análise. Por exemplo, uma linha de comunicação para transmitir a informação adquirida pode ser uma fibra ótica, um condutor de metal, ou qualquer outro meio condutor de sinal adequado. Deve ser apreciado que o uso de uma linha de comunicação de “alta largura de banda” pode permitir que o pessoal de superfície monitore e controle as operações em “quase tempo real”.[0026] In other embodiments, the electronics may be located elsewhere (eg, on the surface, or remotely). To perform the treatments during a single maneuver, the tool can use a high bandwidth transmission to transmit the information acquired by the sensor 40 to the surface for analysis. For example, a communication line for transmitting the acquired information can be an optical fiber, a metal conductor, or any other suitable signal conducting medium. It should be appreciated that the use of a "high bandwidth" communication line can allow surface personnel to monitor and control operations in "near real time".

[0027] Um sistema de controle de superfície ou sistema de controle de fundo de poço pode ser configurado para controlar a ferramenta descrita acima e quaisquer sensores incorporados e para estimar um parâmetro de interesse de acordo com os métodos aqui descritos. Modelos matemáticos, tabelas de consulta ou outros modelos que representam as relações entre os sinais e os valores das propriedades de formação podem ser usados para caracterizar operações na formação ou na própria formação, otimizar um ou mais parâmetros operacionais de uma produção ou desenvolvimento etc. O sistema pode realizar essas ações por meio de notificações, conselhos e/ou controle inteligente.[0027] A surface control system or downhole control system can be configured to control the tool described above and any incorporated sensors and to estimate a parameter of interest according to the methods described herein. Mathematical models, look-up tables or other models that represent the relationships between the signals and the values of the formation properties can be used to characterize operations in the formation or in the formation itself, optimize one or more operational parameters of a production or development, etc. The system may perform these actions through notifications, advice and/or smart control.

[0028] A FIG. 1B é uma representação gráfica de um corte transversal de estruturas de poço no lugar em relação ao furo de poço para operações de acordo com as modalidades da presente divulgação. O corte de poço típico inclui a tubulação de produção 101, um espaço anular cheio com o fluido do fundo do poço 102, o revestimento 103 e o cimento 104 em um furo de poço que intersecta a formação 105 (por exemplo, pedra capeadora). A tubulação de produção 101 pode ser uma tubulação de aço central com um diâmetro interno tão pequeno como cerca de três polegadas, com uma espessura de parede de cerca de 0,25 polegadas, até dez polegadas com uma espessura de parede de 0,50 polegadas. O fluido do fundo do poço 102 pode ser um espaço anular de cerca de 1 a 2 polegadas de misturas de lama e óleo e salmoura. O revestimento 103 pode ser, por exemplo, um revestimento de aço de 0,5 polegadas de espessura. A camada de cimento 104 pode ter aproximadamente dois centímetros de espessura.[0028] FIG. 1B is a cross-sectional graphical representation of well structures in place relative to the wellbore for operations in accordance with embodiments of the present disclosure. The typical well cut includes production piping 101, an annular space filled with downhole fluid 102, casing 103, and cement 104 in a wellbore that intersects formation 105 (eg, capstone). Production pipe 101 can be a central steel pipe having an inside diameter as little as about three inches, with a wall thickness of about 0.25 inches, up to ten inches with a wall thickness of 0.50 inches. . The downhole fluid 102 may be an annular space of about 1 to 2 inches of mud and oil mixtures and brine. The skin 103 can be, for example, a 0.5 inch thick steel skin. The cement layer 104 can be approximately two centimeters thick.

[0029] A FIG. 1C é uma representação gráfica de um corte de ferramenta nas hiperlentes acústicas bipolares dentro das estruturas do poço de acordo com modalidades da presente divulgação. A manga de sensor 106 encontra-se excentricamente dentro da tubulação de produção 101 e do revestimento 103 por sua vez. Um elemento de lente 107 compreende uma pluralidade de células 108 dispostas em uma matriz de células curvilíneas. O elemento de lente compreende parte de um conjunto de lentes dirigido azimutalmente.[0029] FIG. 1C is a graphical representation of a tool cut into the bipolar acoustic hyperlens within the well structures in accordance with embodiments of the present disclosure. Sensor sleeve 106 lies eccentrically within production pipeline 101 and liner 103 in turn. A lens element 107 comprises a plurality of cells 108 arranged in an array of curvilinear cells. The lens element comprises part of an azimuthally directed lens assembly.

[0030] A geometria de hiperlente é construída a partir de um conjunto de contornos de coordenadas constantes bipolares com coordenadas [x, y] localizadas no primeiro e quarto quadrantes do quadro cartesiano, conforme ilustrado na inserção. A rede celular é formada com periodicidade curvilínea em ambas as direções ao longo dos contornos [u, v], com o escalonamento da geometria da célula anisotrópica, a fim de ajustar e alinhar os eixos da célula com os vetores contorno tangente e normal. As linhas de fluxo inerentes da periodicidade da rede convergem então para focar um conjunto quase colimado de linhas, cuja localização e tamanho são determinados pela seleção do parâmetro matemático R e os valores limites [u, v] que definem o perfil da lente. Para uma aproximação maior, essas linhas de foco geométricas se traduzem no campo de propagação de ondas acústicas e aumentam a transmissão da intensidade atravessando o revestimento e a concentração no tamanho do ponto. O desenho fundamental das células artificiais metamateriais que compreende as hipermídias metamateriais é discutido em mais detalhes abaixo.[0030] The hyperlens geometry is constructed from a set of bipolar constant coordinate contours with coordinates [x, y] located in the first and fourth quadrants of the Cartesian frame, as illustrated in the inset. The cell network is formed with curvilinear periodicity in both directions along the contours [u, v], with the scaling of the anisotropic cell geometry in order to adjust and align the cell axes with the tangent and normal contour vectors. The inherent flux lines of the lattice periodicity then converge to focus a nearly collimated set of lines, whose location and size are determined by the selection of the mathematical parameter R and the threshold values [u, v] that define the lens profile. To a closer approximation, these geometric focus lines translate into the propagation field of acoustic waves and increase the intensity transmission through the coating and the concentration in the spot size. The fundamental design of metamaterial artificial cells comprising metamaterial hypermedia is discussed in more detail below.

[0031] A FIG. 1D ilustra uma transformação de mapeamento conformal geométrica no corte transversal das hiperlentes retangulares originais utilizando uma transformação de coordenadas de mapeamento conformal bipolar de acordo com modalidades da presente divulgação.[0031] FIG. 1D illustrates a geometric conformal mapping transformation in the cross section of the original rectangular hyperlenses using a bipolar conformal mapping coordinate transformation in accordance with embodiments of the present disclosure.

[0032] As coordenadas cartesianas retangulares podem ser relacionadas às coordenadas mapeadas pelas relações: onde [v, v] são as coordenadas do domínio conformal bipolar, conforme ilustrado na projeção das coordenadas constantes [x, y] da FIG. 1C. Ver P. Moon e D.E. Spencer, Manual de Teoria de Campo, Nova York: Springer-Verlag, 1971.[0032] The rectangular Cartesian coordinates can be related to the coordinates mapped by the relations: where [v, v] are the coordinates of the bipolar conformal domain, as illustrated in the constant [x, y] coordinate projection of FIG. 1C. See P. Moon and DE Spencer, Handbook of Field Theory, New York: Springer-Verlag, 1971.

[0033] A FIG. 1E mostra um diagrama esquemático de um elemento de lente de acordo com modalidades da presente divulgação. O elemento de lente 120 inclui uma pluralidade de células 122. Enquanto as células 122 são representadas como a mesma forma das células da FIG. 2B, abaixo, o elemento de lente 120 pode incluir qualquer configuração celular de acordo com a presente divulgação. As células 122 estão dispostas de ponta a ponta. Uma onda acústica 104 entra no elemento de lente 120, principalmente através de uma borda 126. A onda acústica 134 viaja através do elemento de lente 120 em uma direção que é perpendicular aos contornos u. As células 122 do elemento de lente 120 manipulam a onda acústica 134 de tal modo que uma onda manipulada 138 sai de uma borda 130 do elemento de lente 120. Em uma modalidade não limitativa, um substrato 121 pode ser utilizado como um suporte a partir do qual cada uma das células 122 se projeta. Por exemplo, as células 122 podem ser cultivadas a partir do substrato 121, de tal modo que as células 122 e o substrato 121 são integrais. Por exemplo, o substrato 121 pode ser uma pastilha. As células 122 e as características estruturalmente independentes que compõem cada célula 122 podem projetar-se a partir do substrato 121 de uma forma cantiléver.[0033] FIG. 1E shows a schematic diagram of a lens element in accordance with embodiments of the present disclosure. Lens element 120 includes a plurality of cells 122. While cells 122 are depicted as the same shape as cells in FIG. 2B, below, lens element 120 can include any cellular configuration in accordance with the present disclosure. Cells 122 are arranged end to end. An acoustic wave 104 enters the lens element 120 primarily through an edge 126. The acoustic wave 134 travels through the lens element 120 in a direction that is perpendicular to the contours u. Cells 122 of lens element 120 manipulate acoustic wave 134 such that an engineered wave 138 exits an edge 130 of lens element 120. In a non-limiting embodiment, a substrate 121 can be used as a support from the which each of the cells 122 projects. For example, cells 122 can be grown from substrate 121 such that cells 122 and substrate 121 are integral. For example, substrate 121 can be a wafer. Cells 122 and the structurally independent features that make up each cell 122 can project from substrate 121 in a cantilevered fashion.

[0034] A geometria de rede hiperlente de um elemento de lente é configurada de acordo com a transformação de mapeamento conformal canônico Bipolar de linhas de contorno [u, v] constantes em coordenadas cartesianas [x, y]. A configuração pode ser realizada através da construção da rede - isto é, adicionando iterativamente elementos de design ao mapeamento - conforme descrito no fluxo de trabalho imediatamente abaixo. A formação da rede começa com uma “célula de semente” que é geralmente anisotrópica na escala e define o bloco de construção da célula de referência para a matriz da lente. A célula de sementes tem uma largura Xcélula e altura Ycélula. Para iniciar a população de matriz, a célula de semente é posicionada no local (1) como identificado na FIG. 1E, no contorno u = umin definido pela curvatura máxima desejada para a geometria da lente. A curvatura máxima pode ser determinada iterativamente a partir das restrições relacionadas ao diâmetro da ferramenta, ao projeto do transdutor e aos objetivos de transmissão do invólucro. A célula-semente é movida ao longo da coordenada curvilínea constante u = u1 = umin para uma posição v = v1 correspondendo a uma coordenada y 5% a mais do que meia unidade de espaçamento de célula de semente (Xcélula) da linha de simetria (v = 0). Esta localização (1) agora corrige a primeira linha de rede constante v de periodicidade.[0034] The hyperlens network geometry of a lens element is configured according to the Bipolar canonical conformal mapping transformation of constant contour lines [u, v] in Cartesian coordinates [x, y]. Configuration can be accomplished by building the network - that is, iteratively adding design elements to the mapping - as described in the workflow immediately below. Network formation begins with a “seed cell” that is generally anisotropic in scale and defines the reference cell building block for the lens array. The seed cell has a width of Xcell and height of Ycell. To start the matrix population, the seed cell is positioned at location (1) as identified in FIG. 1E, in the contour u = umin defined by the maximum desired curvature for the lens geometry. Maximum curvature can be iteratively determined from constraints related to tool diameter, transducer design, and housing transmission objectives. The seed cell is moved along the constant curvilinear coordinate u = u1 = umin to a position v = v1 corresponding to a y coordinate 5% more than half a seed cell spacing unit (Xcell) from the line of symmetry ( v = 0). This location (1) now fixes the first row of periodicity constant v lattice.

[0035] A próxima célula é fixa para ter um fator de anisotropia geométrica S21, o mesmo que a Célula de Semente (S21= S11) e com um fator de escala m21, onde o fator de escala mij é definido como mij = Ycélulaij / YcélulaSemente. A localização da célula é selecionada pela pesquisa ao longo da primeira linha de periodicidade da rede v = v1 na direção do máx. u = umáx. até que a primeira distância seja encontrada no local da célula de sementes [uminv1] que permitirá que a célula se encaixe com S21= S11. O fator de escala necessário para a célula se encaixar nos contornos curvilíneos é calculado e armazenado como m21 e a linha de coordenada curvilínea é armazenada como u = u2. O processo é repetido para as células restantes ao longo da linha de periodicidade da rede v = v1 até a localização (8) e cada fator de escala calculado até m81 e armazenado. Estas localizações de células v = v1 agora fixam todas as linhas de rede constante u.[0035] The next cell is fixed to have a geometric anisotropy factor S21, the same as the Seed Cell (S21= S11) and with a scale factor m21, where the scale factor mij is defined as mij = Ycellij / YcellSeed. The cell location is selected by searching along the first lattice periodicity line v = v1 in the direction of max. u = umax. until the first distance is found at the seed cell location [uminv1] that will allow the cell to fit with S21= S11. The scale factor required for the cell to fit the curvilinear contours is calculated and stored as m21 and the curvilinear coordinate line is stored as u = u2. The process is repeated for the remaining cells along the lattice periodicity line v = v1 up to location (8) and each scale factor calculated up to m81 and stored. These cell locations v = v1 now fix all lattice lines constant u.

[0036] Em seguida, a célula-semente é movida ao longo da coordenada curvilínea constante u = u1 = umin para uma posição correspondente a uma unidade completa de célula de semente Xcélula espaçamento do v = v1. O processo é repetido para os locais de célula restantes ao longo do u = u1 contorno curvilíneo até o limite v = vmáximo com fatores anisotrópicos iguais Sij = S11e fatores de escala mij = m11. Estas localizações de células u = u1 agora consertam toda as linhas de periodicidade de rede constante v e, subsequentemente, todas as restantes localizações de células da matriz e as orientações celulares associadas.[0036] Next, the seed cell is moved along the constant curvilinear coordinate u = u1 = umin to a position corresponding to a complete unit of seed cell Xcell spacing of v = v1. The process is repeated for the remaining cell locations along the u = u1 curvilinear contour up to the limit v = vmax with equal anisotropic factors Sij = S11 and scale factors mij = m11. These u = u1 cell locations now fix all lines of constant lattice periodicity v and, subsequently, all remaining matrix cell locations and associated cell orientations.

[0037] Os demais fatores de anisotropia geométrica da célula Sij são todos iguais à célula de semente S11 e fatores de escala mij são calculados sob a restrição de que cada célula deve caber dentro do conjunto de linhas de coordenadas curvilíneas constantes u = (u1, u 2, u3... u8), v = (v1v2, ... v5). A estrutura da lente é simétrica em relação ao contorno v = 0, portanto, os locais calculados das células são simplesmente espelhados e as orientações são invertidas para obter toda a rede da lente.[0037] The other geometric anisotropy factors of cell Sij are all equal to seed cell S11 and mij scale factors are calculated under the constraint that each cell must fit within the set of constant curvilinear coordinate lines u = (u1, u 2, u3... u8), v = (v1v2, ... v5). The lens structure is symmetric about the contour v = 0, so the calculated cell locations are simply mirrored and the orientations are reversed to get the entire lens lattice.

[0038] A FIG. 1F mostra uma projeção das localizações das células e os fatores de escala correspondentes mij. É evidente que a variação nos fatores de escala não é monótona ao longo das linhas de periodicidade de rede [u, v], mas oscilam de maneira não uniforme.[0038] FIG. 1F shows a projection of the cell locations and the corresponding scale factors mij. It is evident that the variation in the scale factors is not monotonous along the lattice periodicity lines [u, v], but they oscillate non-uniformly.

[0039] A FIG. 2 ilustra uma fonte 200 para gerar um sinal 202, o qual pode ser sonoro ou ultrassônico. Um meio 204 aberrante pode obstruir parcialmente ou completamente o trajeto do sinal 202 para um volume de interesse 206. Por obstruir, entende-se que o meio 204 tem uma ou mais propriedades ou características que podem bloquear, distorcer, refratar, refletir ou de outro modo afetar indesejavelmente o sinal 202.[0039] FIG. 2 illustrates a source 200 for generating a signal 202, which may be sonic or ultrasonic. An aberrant medium 204 may partially or completely obstruct the path of signal 202 to a volume of interest 206. By obstructing, it is meant that medium 204 has one or more properties or characteristics that may block, distort, refract, reflect, or otherwise way undesirably affect signal 202.

[0040] Modalidades da presente invenção posicionam uma lente 210 formada por um metamaterial acústico entre a fonte 200 e o meio aberrante 204. A lente 210 é modelada e configurada para manipular o sinal 202 de uma maneira que minimiza os efeitos indesejáveis no sinal 202 devido ao meio aberrante 204. Especificamente, a lente 210 pode ter propriedades anisotrópicas e pode transmitir ondas acústicas longitudinais a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais. O metamaterial que constitui a lente 210 pode também deformar-se com módulos de volume diferente em cada uma das mesmas três direções ortogonais. Como resultado, a lente 210 pode ser caracterizada por um tensor de densidade anisotrópica (diagonalizada) e um tensor do módulo de volume anisotrópico tendo termos que são altamente dependentes da frequência. Em certos casos, essas características podem gerar uma manipulação não natural da energia acústica incidente que aumenta os componentes do vetor de ondas evanescentes, ou que estão desaparecendo rapidamente, da energia incidente. Essa manipulação de energia acústica pode levar à formação de vetores de onda complementares ou quase complementares que transmitem a energia acústica através de um meio aberrante adjacente com perda ou distorção mínima em relação à energia incidente.[0040] Embodiments of the present invention position a lens 210 formed of an acoustic metamaterial between the source 200 and the aberrant medium 204. The lens 210 is shaped and configured to manipulate the signal 202 in a manner that minimizes undesirable effects on the signal 202 due to to the aberrant medium 204. Specifically, lens 210 can have anisotropic properties and can transmit longitudinal acoustic waves at a different velocity in each of three orthogonal directions. The metamaterial constituting lens 210 can also deform with moduli of different volume in each of the same three orthogonal directions. As a result, lens 210 can be characterized by an anisotropic (diagonalized) density tensor and an anisotropic volume modulus tensor having terms that are highly frequency dependent. In certain cases, these characteristics can generate an unnatural manipulation of the incident acoustic energy that increases the evanescent wave vector components, or rapidly disappearing, of the incident energy. This manipulation of acoustic energy can lead to the formation of complementary or quasi-complementary wave vectors that transmit the acoustic energy through an adjacent aberrant medium with minimal loss or distortion relative to the incident energy.

[0041] As características de tais metamateriais derivam do mecanismo dinâmico básico de ressonâncias, ocorrendo em agregado, para afetar a criação de propriedades materiais além dos limites da natureza. No caso particular dos metamateriais acústicos, essas características começam diretamente a partir do comportamento da resposta em frequência dos dois parâmetros básicos do material: densidade de massa efetiva e módulo de volume efetivo. Ambos os parâmetros do material podem assumir atributos negativos e até mesmo um comportamento anisotrópico na presença de tipos particulares de zonas de transição de ressonância, especificamente na proximidade de antirressonâncias. Estas propriedades anisotrópicas e negativas podem dar origem a uma ampla gama de características espectrais dentro de certas bandas de frequência, incluindo refração negativa e hiperlente, o que pode abrir possibilidades para foco de feixe e amplificação em lentes planas. Ações como foco e amplificação serão geralmente chamadas de manipulação de ondas acústicas.[0041] The characteristics of such metamaterials derive from the basic dynamic mechanism of resonances, occurring in aggregate, to affect the creation of material properties beyond the limits of nature. In the particular case of acoustic metamaterials, these characteristics start directly from the behavior of the frequency response of the two basic parameters of the material: effective mass density and effective volume modulus. Both material parameters can assume negative attributes and even anisotropic behavior in the presence of particular types of resonance transition zones, specifically in the vicinity of anti-resonances. These anisotropic and negative properties can give rise to a wide range of spectral characteristics within certain frequency bands, including negative refraction and hyperlensing, which can open up possibilities for beam focusing and amplification in flat lenses. Actions such as focus and amplification will generally be called acoustic wave manipulation.

[0042] As propriedades de índice negativo resultantes da ressonância de célula unitária dentro da banda de frequência podem ocorrer numa largura de banda espectral muito estreita, cuja gama é um efeito das características de ressonância da célula unitária e as propriedades do fluido de matriz e / ou de fundo. Para afetar essas propriedades negativas em uma gama de frequência mais ampla, uma multiplicidade de ressonâncias compatíveis na célula elementar deve se acoplar construtivamente. Isto pode ser conseguido através dos designs de células unitárias de metamateriais da presente divulgação.[0042] Negative index properties resulting from unit cell resonance within the frequency band can occur over a very narrow spectral bandwidth, the range of which is an effect of the unit cell resonance characteristics and the properties of the matrix fluid and/or or background. To affect these negative properties over a wider frequency range, a multiplicity of compatible resonances in the elementary cell must constructively couple. This can be accomplished through the metamaterial unit cell designs of the present disclosure.

[0043] Existem vários fatores que determinam se um desenho de célula unitária particular pode afetar as características de dispersão de uma onda de propagação até ao ponto de exibir um comportamento de propriedades de índice anisotrópico e negativo necessário para fazer a hiperlente. Um fator particularmente relevante é a criação de um agregado de ressonâncias nos espectros do coeficiente de transmissão que se acoplam para formar uma ampla banda de manipulação de ondas na gama de frequência de interesse. Se a banda de frequência formada a partir do agregado dará origem a respostas de índice anisotrópico e negativo é uma função de outras propriedades dos acoplamentos de ressonância. A extensão em que um design de célula unitária exibe uma incompatibilidade de impedância acústica significativa, perda de absorção e / ou magnitude significativa do módulo de volume são influências dominantes, uma vez que qualquer uma delas pode negar o efeito de hiperlente na banda de frequência. As células de acordo com a presente divulgação podem ser referidas como componentes elementares nas superlentes ou hiperlentes, dependendo das suas características.[0043] There are several factors that determine whether a particular unit cell design can affect the dispersion characteristics of a propagating wave to the point of exhibiting anisotropic and negative index properties behavior necessary to make the hyperlensing. A particularly relevant factor is the creation of an aggregate of resonances in the transmission coefficient spectra that couple to form a broad wave manipulation band in the frequency range of interest. Whether the frequency band formed from the array will give rise to anisotropic and negative index responses is a function of other properties of resonance couplings. The extent to which a unit cell design exhibits a significant acoustic impedance mismatch, absorption loss, and/or significant volume modulus magnitude are dominant influences, as any of these can negate the hyperlensing effect in the frequency band. Cells according to the present disclosure can be referred to as elementary components in superlenses or hyperlenses, depending on their characteristics.

[0044] As FIGS. 3A-3D mostram células de metamaterial exemplares para manipular uma onda acústica de acordo com a presente divulgação. Começando com a FIG. 3A, em geral, cada célula 310 é uma placa e um membro tipo disco. A célula 310 tem duas superfícies planas opostas que são paralelas. Como ilustrado, a superfície planar visível 313 é paralela ao papel. A distância entre as duas superfícies, ou espessura, pode estar no intervalo de 1 milímetro a 100 milímetros. O diâmetro de um círculo que envolve a célula 310 pode estar no intervalo de 1 milímetro a 5 milímetros. Estas dimensões são geralmente selecionadas para permitir que fenômenos tais como ressonâncias tenham uma influência mensurável no comportamento da célula 310 e afetem a manipulação de ondas nas gamas de frequência particulares de interesse. As células, tal como a célula 310, da presente divulgação podem ser formadas por metais ou não metais. Os metais adequados incluem, mas não se limitam a, aço, platina, tungstênio, ouro e opções exóticas tais como o irídio, sendo a propriedade material importante para manipulação de ondas acústicas a densidade de massa do metal.[0044] FIGS. 3A-3D show exemplary metamaterial cells for manipulating an acoustic wave in accordance with the present disclosure. Starting with FIG. 3A, in general, each cell 310 is a plate and disc-like member. Cell 310 has two opposing flat surfaces that are parallel. As illustrated, the visible planar surface 313 is parallel to the paper. The distance between the two surfaces, or thickness, can be in the range of 1 millimeter to 100 millimeters. The diameter of a circle surrounding the cell 310 can be in the range of 1 millimeter to 5 millimeters. These dimensions are generally selected to allow phenomena such as resonances to have a measurable influence on the behavior of cell 310 and affect wave manipulation in the particular frequency ranges of interest. Cells, such as cell 310, of the present disclosure can be formed of metals or non-metals. Suitable metals include, but are not limited to, steel, platinum, tungsten, gold and exotic options such as iridium, the material property important for manipulating acoustic waves being the mass density of the metal.

[0045] Uma modalidade não limitativa de uma célula 310 pode incluir um cubo 312, uma pluralidade de raios 314 irradiando a partir do cubo 312, e uma pluralidade de folhas 316 dispostas concentricamente. O cubo 312 atua como uma estrutura de suporte central para os raios 314. Na concretização mostrada, o cubo 312 é formado por quatro segmentos separados, sendo um segmento ilustrativo marcado com o numeral 318. O cubo 312 pode ser circular ou ter qualquer outro formato geométrico adequado. Além disso, enquanto são mostrados quatro segmentos 318, o cubo 312 pode ser formado como um corpo integral único ou ter dois ou mais segmentos 318. Cada segmento 318 está fisicamente ligado a um ou mais raios 314.[0045] A non-limiting embodiment of a cell 310 may include a hub 312, a plurality of spokes 314 radiating from the hub 312, and a plurality of sheets 316 concentrically disposed. Cube 312 acts as a central support structure for spokes 314. In the embodiment shown, cube 312 is formed of four separate segments, one illustrative segment being marked with the numeral 318. Cube 312 may be circular or any other shape suitable geometric. Furthermore, while four segments 318 are shown, the cube 312 can be formed as a single integral body or have two or more segments 318. Each segment 318 is physically connected to one or more spokes 314.

[0046] Os raios 314 fornecem a estrutura para suportar as folhas 316. Um raio ilustrativo é rotulado com o numeral 320. O raio 320 pode ser formado como uma barra alongada tendo um ou mais gargalos 322. Um gargalo 322 é uma seção do raio 320 que tem uma área de corte transversal que é menor do que as áreas de corte transversal imediatamente adjacentes. Assim, o raio 320 é mais flexível nos gargalos 322 e pode dobrar, torcer ou deformar-se mais facilmente nos gargalos 322 do que em outros locais ao longo do raio 320. Em um arranjo, os pescoços 322 são formados imediatamente adjacentes a e radialmente para dentro de cada junção 324 entre o raio 320 e a folha 316. Além disso, um gargalo 322 pode estar imediatamente radialmente para fora de uma junção 326 entre o raio 320 e o cubo 312.[0046] The spokes 314 provide the framework for supporting the sheets 316. An illustrative spoke is labeled with the numeral 320. The spoke 320 may be formed as an elongated bar having one or more necks 322. A neck 322 is a section of the spoke 320 that has a cross-sectional area that is smaller than immediately adjacent cross-sectional areas. Thus, the spoke 320 is more flexible at the necks 322 and can more easily bend, twist, or deform at the necks 322 than at other locations along the spoke 320. In one arrangement, the necks 322 are formed immediately adjacent to and radially to within each junction 324 between spoke 320 and sheet 316. In addition, a neck 322 may be immediately radially outward from a junction 326 between spoke 320 and hub 312.

[0047] Cada uma das folhas 316 pode incluir uma matriz circunferencialmente distribuída de dedos 328 dispostos na forma de um círculo. Cada dedo 328 é em balanço a partir da junção 324. Enquanto dois dedos 328 são mostrados em cada junção 324 com uma orientação transversal ao raio 320, podem ser utilizados mais ou menos dedos 328 e orientações diferentes. O dedo 328 pode ser um elemento curvo que inclui uma ou mais seções alargadas 330. Uma seção aumentada 330 tem mais massa do que uma seção imediatamente adjacente do dedo 328. A massa aumentada é formada fornecendo à seção alargada 330 uma largura maior do que outras secções do dedo 328. Assim, pode haver uma distribuição de massa assimétrica ao longo do comprimento do dedo 328. Para intercalar os dedos 328, as posições radiais do dedo 328 são escalonadas para cada raio sucessivo 314. Assim, um dedo 328 de um raio 314 pode encaixar radialmente entre dois dedos 328 de um raio adjacente 314. Enquanto são mostradas seis folhas 316, podem ser usadas mais ou menos folhas 316.[0047] Each of the sheets 316 may include a circumferentially distributed array of fingers 328 arranged in the shape of a circle. Each finger 328 is cantilevered from joint 324. While two fingers 328 are shown at each joint 324 with an orientation transverse to radius 320, more or less fingers 328 and different orientations may be used. Finger 328 may be a curved element that includes one or more flared sections 330. One flared section 330 has more mass than an immediately adjacent section of finger 328. The flared mass is formed giving flared section 330 a greater width than others. sections of finger 328. Thus, there may be an asymmetrical mass distribution along the length of finger 328. To interleave fingers 328, the radial positions of finger 328 are staggered for each successive ray 314. Thus, a finger 328 of a finger 328 314 can fit radially between two fingers 328 of an adjacent spoke 314. While six sheets 316 are shown, more or less sheets 316 can be used.

[0048] A célula 310 da FIG. 3A tem quatro segmentos 311a-d. Cada segmento 311a-d tem dois raios 314 irradiando de um segmento de hub 318. Cada raio 314 tem três conjuntos de dedos 328. Cada conjunto tem dois dedos 328a, b. Os dedos 328 são distribuídos circunferencialmente para formar seis folhas 316. Deve notar-se que os quatro segmentos 311a-d são estruturalmente independentes uns dos outros. Embora os elementos que compõem cada um dos segmentos 311a-d tenham sido descritos separadamente, deve se entender que cada segmento 311a- d pode ser fabricado como um corpo unitário em oposição a ser montado a partir de componentes discretos. Também deve ser notado que, enquanto quatro segmentos são representados, a célula 310 pode usar um número menor ou maior de segmentos.[0048] Cell 310 of FIG. 3A has four segments 311a-d. Each segment 311a-d has two spokes 314 radiating from a hub segment 318. Each spoke 314 has three sets of fingers 328. Each set has two fingers 328a, b. Fingers 328 are distributed circumferentially to form six sheets 316. It should be noted that the four segments 311a-d are structurally independent of one another. Although the elements that make up each of the segments 311a-d have been described separately, it should be understood that each segment 311a-d may be manufactured as a unitary body as opposed to being assembled from discrete components. It should also be noted that while four segments are represented, cell 310 can use a smaller or larger number of segments.

[0049] As ressonâncias e antirressonâncias dentro da célula 310 são afetadas pela interação das várias características estruturais através da matriz ou meio fluido de fundo descrito acima. Assim, o número, tamanho, forma e orientação de características tais como os raios 314, folhas 316, dedos 328 e seções alargadas 330 influenciam onde e em que medida ressonâncias e antirressonâncias ocorrem e como elas complementam ou negam umas às outras afetando a manipulação e controle da onda acústica incidente.[0049] The resonances and antiresonances within the cell 310 are affected by the interaction of the various structural features through the matrix or background fluid medium described above. Thus, the number, size, shape and orientation of features such as spokes 314, leaves 316, fingers 328 and flared sections 330 influence where and to what extent resonances and anti-resonances occur and how they complement or negate each other affecting manipulation and incident acoustic wave control.

[0050] Referindo-se à FIG. 3B, é mostrada uma outra modalidade de uma célula 340 para manipular uma onda acústica. A forma geral e dimensões da célula 340 são semelhantes às da célula 310 (FIG. 3). A célula 340 pode incluir um cubo 342, uma pluralidade de raios 344 que irradiam a partir do cubo 342, e uma pluralidade de folhas 346 dispostas concentricamente. A célula 340 é semelhante à célula 10 da FIG. 3A em muitos aspectos. As variações da célula 340 são discutidas abaixo.[0050] Referring to FIG. 3B, another embodiment of a cell 340 for manipulating an acoustic wave is shown. The general shape and dimensions of cell 340 are similar to those of cell 310 (FIG. 3). Cell 340 may include a hub 342, a plurality of spokes 344 radiating from hub 342, and a plurality of sheets 346 concentrically disposed. Cell 340 is similar to cell 10 of FIG. 3A in many ways. Variations of cell 340 are discussed below.

[0051] Como antes, os raios 344 fornecem a estrutura para suportar as folhas 346. Um raio ilustrativo é rotulado com o numeral 350. Nesta modalidade, o raio 350 pode ser formado como uma barra alongada que não inclui quaisquer áreas transversais reduzidas. De igual modo, as folhas 46 podem incluir uma matriz circunferencialmente distribuída de dedos 352, com cada dedo 352 sendo balançado a partir de uma junção 354. Neste arranjo, os dedos 352 são membros retos que incluem uma ou mais seções alargadas 356.[0051] As before, the spokes 344 provide the framework for supporting the sheets 346. An illustrative spoke is labeled with the numeral 350. In this embodiment, the spoke 350 may be formed as an elongated bar that does not include any reduced cross-sectional areas. Likewise, the sheets 46 may include a circumferentially distributed array of fingers 352, with each finger 352 being swung from a joint 354. In this arrangement, the fingers 352 are straight members that include one or more flared sections 356.

[0052] Na FIG. 3B, as folhas 346 estão dispostas como uma pluralidade de polígonos concêntricos. Na disposição ilustrada, cada uma das folhas 346 tem uma forma octogonal. No entanto, outras formas poligonais podem ser usadas. Tal como antes, os dedos 352 são intercalados por escalonamento das posições radiais dos dedos 352 para cada raio sucessivo 344. A célula 40 da FIG. 3B tem quatro segmentos configurados da mesma maneira que a célula 310 da FIG. 3A. No entanto, qualquer número de segmentos pode ser usado.[0052] In FIG. 3B, sheets 346 are arranged as a plurality of concentric polygons. In the illustrated arrangement, each of the sheets 346 is octagonal in shape. However, other polygonal shapes can be used. As before, fingers 352 are interleaved by staggering the radial positions of fingers 352 for each successive ray 344. Cell 40 of FIG. 3B has four segments configured in the same manner as cell 310 of FIG. 3A. However, any number of threads can be used.

[0053] Referindo-se à FIG. 3C, é mostrada uma outra modalidade de uma célula 370 para manipular uma onda acústica. De uma maneira previamente discutida, os dedos 372 de cada folha 374 são balançados a partir de um raio 376. Nesta modalidade, os dedos 372 têm projeções 378 que estão orientadas transversalmente aos dedos 372. Cada uma das projeções 378 pode ser um separador ou elementos semelhantes a barras que podem mover-se independentemente uns em relação aos outros. Por mover-se, se quer dizer flexão, torção, vibração etc. Enquanto as projeções 378 são mostradas projetando-se radialmente para dentro de um cubo 380, deve ser apreciado que os dedos 372 podem ser dispostos para que as projeções 378 se projetem radialmente para fora, ou ambos.[0053] Referring to FIG. 3C, another embodiment of a cell 370 for manipulating an acoustic wave is shown. In a manner previously discussed, the fingers 372 of each sheet 374 are swung from a radius 376. In this embodiment, the fingers 372 have projections 378 that are oriented transversely to the fingers 372. Each of the projections 378 can be a spacer or elements similar to bars that can move independently in relation to each other. By moving is meant bending, twisting, vibrating, etc. While projections 378 are shown projecting radially outward from a hub 380, it should be appreciated that fingers 372 can be arranged so that projections 378 project radially outward, or both.

[0054] A forma, tamanho, número e orientação das projeções 378 no interior de cada folha 374 e entre as folhas 374 podem variar de modo a influenciar o comportamento ressonante da célula 370. Assim, por exemplo, as projeções 378 podem ter tamanhos diferentes ao longo de um dedo 372 e cada um dos dedos 372 pode ter um número diferente de projeções 378.[0054] The shape, size, number and orientation of the projections 378 inside each sheet 374 and between the sheets 374 can vary so as to influence the resonant behavior of the cell 370. Thus, for example, the projections 378 can have different sizes along a finger 372 and each of the fingers 372 may have a different number of projections 378.

[0055] Além disso, as células de acordo com a presente descrição não precisam ser simétricas ou quase isotrópicas como mostrado nas FIGS. 3A-3C.[0055] Furthermore, cells according to the present disclosure need not be symmetrical or nearly isotropic as shown in FIGS. 3A-3C.

[0056] Certas modalidades da presente divulgação podem incorporar anisotropia no fator de forma para influenciar o efeito de largura de banda e hiperlente de larguras de banda ressonantes com um índice negativo formado por uma célula. Em uma metodologia, a anisotropia pode ser aplicada invocando transformações de modelagem geométrica que mantêm a invariância da equação de onda de Helmholtz; por exemplo, uma transformação de modelagem Joukowsky. Por exemplo, a transformação pode ser descrita pela relação: com as coordenadas da célula original: Z =x+iy e as coordenadas de células transformadas (modeladas): Uma modelagem Joukowsky pode transformar o limite de células octogonais da FIG. 3B que podem ser circunscritos por um círculo de raio R em uma geometria de célula modelada que pode ser circunscrita pela elipse com fator de modelagem S = a / b, onde a e b são as dimensões elípticas colineares com os eixos x e y, respectivamente. Todas as coordenadas restantes na geometria original da célula interfolha se transformam de acordo com o mesmo fator modelador S. Portanto, a transformação de Joukowsky para uma célula interfolha octogonal é: [0056] Certain embodiments of the present disclosure can incorporate anisotropy in the form factor to influence the bandwidth and hyperlensing effect of resonant bandwidths with a negative index formed by a cell. In one methodology, anisotropy can be applied by invoking geometric modeling transformations that maintain the invariance of the Helmholtz wave equation; for example, a Joukowsky modeling transformation. For example, the transformation can be described by the relationship: with the coordinates of the original cell: Z =x+iy and the coordinates of transformed (modeled) cells: A Joukowsky modeling can transform the octagonal cell boundary of FIG. 3B that can be circumscribed by a circle of radius R in a modeled cell geometry that can be circumscribed by the ellipse with modeling factor S = a / b, where a and b are the elliptical dimensions collinear with the x and y axes, respectively. All remaining coordinates in the original geometry of the interleaf cell transform according to the same shaping factor S. Therefore, the Joukowsky transformation for an octagonal interleaf cell is:

[0057] Estas equações podem ser usadas para transformar as coordenadas geométrica 2D [x, y] do corte transversal da célula quase isotrópica ilustrada anteriormente na FIG. 3B com uma transformação anisotrópica de Joukowsky com fator de forma S = 2 anisotropia na forma celular. A célula anisotrópica resultante 390 é mostrada na FIG. 3D. A anisotropia S = 2 é meramente um valor ilustrativo. Uma característica da modelagem anisotrópica é que a espessura de pelo menos dois dedos varia não linearmente ao longo do plano no qual a célula se encontra. Por exemplo, a espessura dos dedos, 392, 394 e 396 são diferentes e a diferença é matematicamente não linear. A comparação da espessura pode ser feita selecionando a mesma característica (por exemplo, uma seção ampliada) e medindo uma distância ao longo da mesma localização ao longo do mesmo eixo. Por exemplo, as bordas 393, 395 e 397 podem ser usadas como uma medida da espessura das seções transformadas dos dedos. Uma forma anisotrópica pode também ser aplicada às células das FIGS. 3A ou 3C, ou outras configurações de células de acordo com a presente divulgação.[0057] These equations can be used to transform the 2D geometric coordinates [x, y] of the cross-section of the quasi-isotropic cell previously illustrated in FIG. 3B with an anisotropic Joukowsky transformation with shape factor S = 2 anisotropy in cell shape. The resulting anisotropic cell 390 is shown in FIG. 3D. The anisotropy S = 2 is merely an illustrative value. A feature of anisotropic modeling is that the thickness of at least two fingers varies non-linearly along the plane in which the cell lies. For example, finger thicknesses, 392, 394 and 396 are different and the difference is mathematically non-linear. Thickness comparison can be done by selecting the same feature (for example, a zoomed-in section) and measuring a distance along the same location along the same axis. For example, the edges 393, 395 and 397 can be used as a measure of the thickness of the transformed finger sections. Anisotropic shape can also be applied to the cells of FIGS. 3A or 3C, or other cell configurations in accordance with the present disclosure.

[0058] As FIGS. 4A-4D ilustram ferramentas de fundo de poço e componentes de ferramenta de acordo com modalidades da presente divulgação. Referindo-se à FIG. 4A, é mostrada uma modalidade de uma ferramenta acústica 420 de acordo com a presente divulgação. Uma vista em perspectiva é mostrada na FIG. 4B. A ferramenta 420 pode ser transportada por um dispositivo de transporte adequado (não mostrado) ao longo de uma perfuração 424 perfurada em uma formação de barro 426. O dispositivo de transporte pode ser um transportador não rígido, tal como um arame, e-line, corda de piano ou bobina, um transportador rígido tal como um tubo de perfuração, uma ferramenta de queda ou um dispositivo autônomo. Em uma modalidade não limitativa, a ferramenta 420 inclui um invólucro 428 que possui uma cavidade de fonte acústica 430 que recebe um conjunto de fonte acústica 432 e uma cavidade de eletrônica 434 que recebe um conjunto de componentes eletrônicos 436. Uma manga de cavidade 438 veda e envolve o conjunto de fonte acústica 432 na cavidade de fonte acústica 430. A janela 438 pode ser construída e formada para ter uma impedância acústica semelhante com o fluido enchendo a cavidade da lente 442; por exemplo, fabricando a janela a partir de material de Teflon e usando água pura como o fluido da cavidade da lente. Uma cobertura 440 veda e envolve o conjunto de componentes elétricos 436 dentro da cavidade elétrica 434. A cavidade de fonte acústica 430 pode ter uma seção de lente 442 e uma seção de fonte 444. A cavidade de compensação de pressão 446 e 448 equaliza a pressão entre o exterior do invólucro 428 e as secções 442 e 444, respectivamente. O fluido de compensação de pressão na seção de fonte 444 terá, em geral, propriedades de impedância acústica diferentes das do fluido na seção de lente 442. As propriedades do fluido na seção de lentes 442 são variáveis ditadas pelas propriedades acústicas da célula e a gama de frequência desejada.[0058] FIGS. 4A-4D illustrate downhole tools and tool components in accordance with embodiments of the present disclosure. Referring to FIG. 4A, an embodiment of an acoustic tool 420 in accordance with the present disclosure is shown. A perspective view is shown in FIG. 4B. The tool 420 may be conveyed by a suitable conveyor (not shown) along a hole 424 drilled into a clay formation 426. The conveyor may be a non-rigid conveyor such as wire, e-line, piano wire or coil, a rigid carrier such as a drill pipe, a drop tool, or a self-contained device. In a non-limiting embodiment, the tool 420 includes a housing 428 that has an acoustic source cavity 430 that receives an acoustic source assembly 432 and an electronics cavity 434 that receives an electronics assembly 436. A cavity sleeve 438 seals and surrounds acoustic source assembly 432 in acoustic source cavity 430. Window 438 may be constructed and formed to have a similar acoustic impedance with fluid filling lens cavity 442; for example, fabricating the window from Teflon material and using pure water as the lens cavity fluid. A shroud 440 seals and surrounds the electrical component assembly 436 within the electrical cavity 434. The acoustic source cavity 430 may have a lens section 442 and a source section 444. The pressure compensating cavity 446 and 448 equalizes the pressure between the outside of the housing 428 and the sections 442 and 444, respectively. The pressure compensation fluid in source section 444 will generally have different acoustic impedance properties than the fluid in lens section 442. The properties of the fluid in lens section 442 are variables dictated by the acoustic properties of the cell and the gamma of desired frequency.

[0059] O conjunto de fonte acústica 432 gera e emite energia acústica que pode passar através de um meio aberrante com distorção reduzida. Em algumas situações, o meio aberrante pode ser o metal que constitui um poço tubular, tal como um invólucro 450. Em uma modalidade, o conjunto de fonte acústica 420 inclui um transdutor 452 e uma lente 454. O transdutor 452 pode ser qualquer dispositivo configurado para gerar e receber sinais sônicos ou ultrassônicos. Uma fonte não limitativa ilustrativa pode incluir elementos piezelétricos.[0059] The acoustic source assembly 432 generates and emits acoustic energy that can pass through an aberrant medium with reduced distortion. In some situations, the aberrant medium may be the metal constituting a tubular well, such as a housing 450. In one embodiment, the acoustic source assembly 420 includes a transducer 452 and a lens 454. The transducer 452 may be any device configured to generate and receive sonic or ultrasonic signals. An illustrative non-limiting source may include piezoelectric elements.

[0060] A lente 454, que é melhor ilustrada nas FIGS. 4C e 4D, inclui uma pluralidade de células 460 dispostas em uma matriz conforme descrito acima em relação à FIG. 1E. Cada célula 460 pode ter a forma de uma coluna que se estende ortogonal / transversalmente a uma direção de propagação de sinal, que é mostrada com a seta 462. A modalidade ilustrada inclui dois elementos de lente 470, 472, cada um dos quais tem uma base 476 a partir da qual as células 460 se projetam de uma maneira de tipo balançando. As seções 470, 472 estão dispostas para espelhar umas às outras. Além disso, as células 460 estão alinhadas de tal modo que duas células viradas uma para a outra 460 formam efetivamente uma estrutura semelhante a uma coluna entre as duas bases 476. As células viradas uma para a outra 460 podem ser separadas por um intervalo, entram em contato uma com a outra ou podem ser fixas uma na outra. Em modalidades, uma extremidade da célula 460 pode ser fixa ou ambas as extremidades podem ser fixas. As células 460 podem ter qualquer forma de seção transversal e estruturas que foram aqui discutidas. Deve ser entendido que o conjunto de lentes 454 não está limitado a qualquer distribuição particular de células 460 ou que tal distribuição seja simétrica ou esteja em conformidade com uma forma geométrica particular, exceto quando explicitamente indicado acima. Também deve ser entendido que o conjunto de lentes 454 pode incluir apenas um elemento (por exemplo, seção) 470, a partir do qual as células 460 se projetam. Além disso, o conjunto de lentes 454 pode incluir uma disposição em que duas bases 448 são atravessadas por uma célula 460, em oposição a duas células viradas para o lado.[0060] The lens 454, which is best illustrated in FIGS. 4C and 4D, includes a plurality of cells 460 arranged in a matrix as described above with respect to FIG. 1 AND. Each cell 460 may be in the form of a column extending orthogonally/transversely to a signal propagation direction, which is shown with arrow 462. The illustrated embodiment includes two lens elements 470, 472, each of which has a base 476 from which cells 460 project in a swinging-type manner. Sections 470, 472 are arranged to mirror each other. Furthermore, the cells 460 are aligned such that two facing cells 460 effectively form a column-like structure between the two bases 476. The facing cells 460 can be separated by a gap, enter in contact with each other or may be fixed to each other. In embodiments, one end of cell 460 can be fixed or both ends can be fixed. Cells 460 can have any cross-sectional shape and structures that have been discussed herein. It should be understood that lens array 454 is not limited to any particular distribution of cells 460 or that such distribution is symmetrical or conforms to a particular geometric shape, except as explicitly indicated above. It should also be understood that lens assembly 454 may include only one element (eg, section) 470 from which cells 460 project. Additionally, lens assembly 454 can include an arrangement where two bases 448 are traversed by one cell 460, as opposed to two sideways facing cells.

[0061] O conjunto de componentes eletrônicos 436 pode incluir eletrônicos, microprocessadores, módulos de memória, algoritmos, fontes de alimentação e circuitos adequados para acionar e detectar o transdutor acústico 452. O conjunto eletrônico 436 também pode incluir um hardware de comunicação bidirecional de modo a transmitir e / ou receber sinais de dados.[0061] The set of electronic components 436 may include electronics, microprocessors, memory modules, algorithms, power supplies and circuits suitable for driving and detecting the acoustic transducer 452. The electronic set 436 may also include hardware for bidirectional communication so transmitting and/or receiving data signals.

[0062] Referindo-se às FIGS. 4A-4D, um modo ilustrativo de operação da ferramenta acústica 420 envolve a avaliação de um corpo de cimento 480 (FIG. 8), ou seja, um volume de interesse, que envolve um revestimento de poço 450. O revestimento de poço pode ser formado de um metal, tal como o aço. A avaliação pode incluir a estimativa de uma qualidade do contato ou ligação entre o cimento e o revestimento de poço 450. Durante o uso, o conjunto eletrônico 436 ativa o transdutor acústico 452. Em resposta, o transdutor acústico 452 emite ondas acústicas através da lente 454 ao longo da seta 462. As ondas acústicas podem ser sonoras ou ultrassônicas e podem ter uma banda de frequência estreita ou larga. Deve notar-se que as ondas entram nas células 420 ao longo de uma superfície voltada para a superfície do transdutor acústico e saem das células 420 ao longo de uma superfície voltada para o lado oposto ao transdutor acústico 452. Depois disso, as ondas acústicas passam através do revestimento de poço 450 e para dentro do corpo de cimento 480. Como discutido anteriormente, a lente 454 manipula as ondas acústicas de uma maneira que permite que estas ondas passem através do metal do revestimento de poço 450 com distorção reduzida. Uma onda refletida 430 retorna da formação e entra na lente 454. Depois de ser manipulado pela lente 454, a onda 420 entra no transdutor 452 e é processada.[0062] Referring to FIGS. 4A-4D, an illustrative mode of operation of acoustic tool 420 involves evaluating a cement body 480 (FIG. 8), i.e., a volume of interest, surrounding a well casing 450. The well casing may be formed from a metal, such as steel. The evaluation may include estimating a quality of contact or bond between the cement and the well casing 450. During use, the electronics assembly 436 activates the acoustic transducer 452. In response, the acoustic transducer 452 emits acoustic waves through the lens. 454 along arrow 462. Acoustic waves can be sonic or ultrasonic and can have a narrow or wide frequency band. It should be noted that the waves enter the cells 420 along a surface facing the surface of the acoustic transducer and exit the cells 420 along a surface facing away from the acoustic transducer 452. Thereafter, the acoustic waves pass through borehole casing 450 and into cement body 480. As discussed earlier, lens 454 manipulates acoustic waves in a manner that allows these waves to pass through the metal of borehole casing 450 with reduced distortion. A reflected wave 430 returns from the formation and enters lens 454. After being manipulated by lens 454, wave 420 enters transducer 452 and is processed.

[0063] A lente 454 pode reduzir a distorção em sinais acústicos que já viajaram através do meio aberrante 204, bem como para sinais acústicos que viajam para o meio de aberração 204. Isto é, a lente 454 pode manipular um sinal acústico emitido no meio aberrante 204 e também manipular um sinal refletido da zona de interesse 206 que tenha viajado através do meio aberrante 204. Assim, o transdutor 452 pode atuar como um emissor de sinal e um detector de sinal.[0063] The lens 454 can reduce distortion in acoustic signals that have already traveled through the aberrant medium 204, as well as for acoustic signals that travel into the aberrant medium 204. That is, the lens 454 can manipulate an acoustic signal emitted in the medium aberrant medium 204 and also manipulate a reflected signal from the zone of interest 206 that has traveled through the aberrant medium 204. Thus, transducer 452 can act as both a signal emitter and a signal detector.

[0064] Geralmente, é desejável avaliar um parâmetro ou característica, tal como uma ligação de cimento, ao longo de uma circunferência completa a uma profundidade especificada no poço. Assim, modalidades da presente divulgação podem montar a ferramenta 420 em uma plataforma que é rodada por um dispositivo rotativo adequado, tal como um motor elétrico ou hidráulico. Em algumas modalidades, o dispositivo de transporte no qual a ferramenta 420 está montada, por exemplo, uma coluna de perfuração, pode ser girado. Ainda em outras modalidades, uma matriz estacionária de duas ou mais ferramentas 420 pode ser circunferencialmente distribuída ao longo de um plano de modo a obter uma cobertura circunferencial completa.[0064] Generally, it is desirable to evaluate a parameter or feature, such as a cement bond, over a full circumference at a specified depth in the borehole. Thus, embodiments of the present disclosure can mount the tool 420 on a platform that is rotated by a suitable rotary device, such as an electric or hydraulic motor. In some embodiments, the transport device on which the tool 420 is mounted, for example, a drill string, can be rotated. In yet other embodiments, a stationary array of two or more tools 420 can be circumferentially distributed along a plane to achieve complete circumferential coverage.

[0065] As FIGS. 5A e 5B ilustram um modelo que simula o desempenho de modalidades de aparelhos de acordo com a presente divulgação. Um modelo de elemento finito 500 foi desenvolvido tendo a hiperlente bipolar 502 completamente imersa em um fundo de água dentro de uma luva de teflon 510 (2 mm de espessura). O fluido do poço dentro do tubo de produção e o revestimento é uma lama típica 506. O fluido fora do revestimento é um domínio de cimento semi-infinito 512. A fonte acústica é uma fonte de pressão idealizada (rígida) 501 que emite a partir de um limite cilíndrico de R27,5 mm com um intervalo 550 de 1 mm entre a fonte e a hiperlente 502. A manga de Teflon 510 está localizada excêntrica dentro da tubulação de produção 504 para formar um intervalo de 1 mm entre a manga de Teflon e a ID da tubulação. A tubulação 504 é concêntrica ao revestimento 508.[0065] FIGS. 5A and 5B illustrate a model simulating the performance of embodiments of apparatus in accordance with the present disclosure. A finite element model 500 was developed by having the bipolar hyperlens 502 completely immersed in a water bottom inside a teflon sleeve 510 (2 mm thick). The wellbore fluid within the production tube and casing is a typical mud 506. The fluid outside the casing is a semi-infinite cement domain 512. The acoustic source is an idealized (rigid) pressure source 501 that emits from of a cylindrical boundary of R27.5mm with a gap 550 of 1mm between the source and the hyperlens 502. The Teflon sleeve 510 is located eccentrically within the production tubing 504 to form a 1mm gap between the Teflon sleeve 504 and the pipe ID. Pipe 504 is concentric with casing 508.

[0066] A FIG. 6 mostra uma representação gráfica 600 de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de pressão atravessando o revestimento. A representação gráfica 600 foi derivada de resultados de simulação para o cenário de coluna dupla com a fonte idealizada (rígida) usando análise de elementos finitos. A curva 602 ilustra a pressão de uma transmissão acústica em uma gama de frequências para um sinal através da seção de coluna dupla com uma caixa metálica de meia polegada. Este sinal é transmitido diretamente para o revestimento de meia polegada. A curva 604 ilustra a pressão de uma transmissão acústica ao longo de uma gama de frequências para um sinal através da seção de coluna dupla com revestimento metálico de meia polegada. No entanto, o sinal da curva 604 é primeiro manipulado por uma lente, como descrito acima, que tem uma célula com geometrias, como discutido acima, antes de entrar na seção de coluna dupla. Os picos 606 podem ocorrer como mostrado em frequências particulares. Deve ser notado que a simulação que possui as hipermídias metamateriais aumenta a transmissão da pressão acústica atravessando o revestimento com uma amplificação da pressão da fonte ideal em mais de quatro vezes na ligação revestimento-cimento, na ressonância de projeto de hiperlente de 259 kHz.[0066] FIG. 6 shows a graphical representation 600 of illustrative theoretical projections of pressure transmission across the liner. The graphical representation 600 was derived from simulation results for the dual column scenario with the idealized (rigid) source using finite element analysis. Curve 602 illustrates the pressure of an acoustic transmission over a range of frequencies for a signal through the double column section with a half-inch metal enclosure. This signal is transmitted directly to the half-inch casing. Curve 604 illustrates the pressure of an acoustic transmission over a range of frequencies for a signal through the half-inch metal clad dual column section. However, the 604 curve signal is first handled by a lens, as described above, which has a cell with geometries, as discussed above, before entering the double-column section. Peaks 606 can occur as shown at particular frequencies. It should be noted that the simulation that has the metamaterial hypermedia increases the transmission of acoustic pressure through the cladding with an ideal source pressure amplification of more than four times in the cladding-cement bond, at the hyperlens design resonance of 259 kHz.

[0067] A FIG. 7 mostra uma representação gráfica 700 de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de intensidade atravessando o revestimento. A representação gráfica 700 foi derivada de resultados de simulação para o cenário de coluna dupla com a fonte idealizada (rígida) usando análise de elementos finitos. A curva 702 ilustra a pressão de uma transmissão acústica ao longo de uma gama de frequências para um sinal através da seção de coluna dupla com revestimento metálico de meia polegada. Este sinal é transmitido diretamente para a seção de coluna dupla com revestimento de meia polegada. A linha 704 ilustra a intensidade de uma transmissão acústica ao longo de uma gama de frequências para um sinal através da seção de coluna dupla com revestimento metálico de meia polegada. No entanto, este sinal é primeiro manipulado por uma lente, como descrito acima, que tem uma célula com geometrias, como discutido acima, antes de entrar na seção de coluna dupla. Deve-se notar que a linha 704 demonstra uma intensidade de sinal aumentada em uma gama de frequência relativamente ampla. Um pico 706 pode ocorrer como mostrado em uma frequência particular. Deve notar-se que a simulação do sinal alterado pelo conjunto de lentes da presente divulgação apresenta uma transmissão de intensidade acústica atravessando o revestimento reforçada em comparação com o caso de controle sem as hiperlentes em cerca de +30 dB no design de ressonância de hiperlentes de 259 kHz. Deve ser apreciado que o aumento da intensidade do sinal é obtido sem aumentar a amplitude do sinal de tensão aplicado ao transdutor.[0067] FIG. 7 shows a graphical representation 700 of illustrative theoretical projections of intensity transmission across the coating. The graphical representation 700 was derived from simulation results for the dual column scenario with the idealized (rigid) source using finite element analysis. Curve 702 illustrates the pressure of an acoustic transmission over a range of frequencies for a signal through the one-half-inch metal clad dual-column section. This signal is transmitted directly to the half inch coated dual speaker section. Line 704 illustrates the strength of an acoustic transmission over a range of frequencies for a signal through the one-half-inch metal clad dual column section. However, this signal is first handled by a lens, as described above, which has a cell with geometries, as discussed above, before entering the double-column section. It should be noted that line 704 demonstrates increased signal strength over a relatively wide frequency range. A peak 706 may occur as shown at a particular frequency. It should be noted that the simulation of the signal altered by the set of lenses of the present disclosure shows an enhanced acoustic intensity transmission through the coating compared to the control case without the hyperlens by about +30 dB in the resonance design of hyperlens of 259 kHz. It should be appreciated that the increase in signal strength is achieved without increasing the amplitude of the voltage signal applied to the transducer.

[0068] As FIGS. 8A e 8B mostram projeções de contorno 800 e 850, respectivamente, ilustrando a intensidade acústica de ondas acústicas emitidas por um transdutor 452 em um revestimento 834, fixado em um furo de poço, que é preenchido por um fluido de furo de poço 837. As projeções de contorno 800 e 850 são derivadas de resultados de simulação para o cenário de coluna dupla com a fonte idealizada (rígida) usando a modelagem multifísica. Os gráficos 800, 850 representam uma vista final ou vista de cima; ou seja, ao longo de um eixo longitudinal de um furo de poço 836. Além disso, para simplificar, a modelagem da ferramenta é feita usando uma meia seção simétrica. As áreas azuis escuras 860 mostram regiões de baixa intensidade acústica e as regiões vermelhas escuras 861 mostram áreas de alta intensidade acústica. Na FIG. 8A, o transdutor 452 emite um sinal diretamente no revestimento 834. A intensidade acústica na região 838 ao longo da direção radial do transdutor tem uma intensidade acústica difusa de baixa magnitude, que geralmente é considerada indesejável para a imagem acústica. Na FIG. 8B, o transdutor 452 emite um sinal através de uma lente 454. Como pode ser visto, a lente 454 cria uma zona de intensidade acústica 840 relativamente focada ao longo de uma direção radial do transdutor 452, que é geralmente considerada desejável para imagem acústica. A modelagem numérica sugere que a intensidade acústica na região 840 pode ser uma ordem de magnitude maior que a intensidade acústica na região 838. Pode-se observar a transmissão da intensidade quase colimada através da tubulação e no domínio de cimento. A largura do feixe de transmissão (-6 dB) é de aproximadamente 15 mm de largura na interface de ligação de cimento com o revestimento de aço.[0068] FIGS. 8A and 8B show contour projections 800 and 850, respectively, illustrating the acoustic intensity of acoustic waves emitted by a transducer 452 in a casing 834 attached to a borehole that is filled by a borehole fluid 837. contour projections 800 and 850 are derived from simulation results for the double column scenario with the idealized (rigid) source using multiphysics modeling. Graphs 800, 850 represent an end view or top view; that is, along a longitudinal axis of a borehole 836. Also, for simplicity, tool modeling is done using a symmetrical half section. Dark blue areas 860 show regions of low acoustic intensity and dark red regions 861 show areas of high acoustic intensity. In FIG. 8A, the transducer 452 emits a signal directly onto the coating 834. The acoustic intensity in the region 838 along the radial direction of the transducer has a low magnitude diffused acoustic intensity, which is generally considered undesirable for acoustic imaging. In FIG. 8B, transducer 452 emits a signal through a lens 454. As can be seen, lens 454 creates a relatively focused acoustic intensity zone 840 along a radial direction of transducer 452, which is generally considered desirable for acoustic imaging. Numerical modeling suggests that the acoustic intensity in the 840 region may be an order of magnitude greater than the acoustic intensity in the 838 region. One can observe near-collimated intensity transmission through the pipe and into the cement domain. The transmit beam width (-6 dB) is approximately 15 mm wide at the cement bonding interface with the steel casing.

[0069] As FIGS. 9A e 9B mostram projeções de contorno 900 e 950, respectivamente, ilustrando o respectivo grau de reverberação não produtiva. As representações gráficas 900 e 950 são derivadas de resultados de simulação para o cenário de coluna dupla com a fonte idealizada (rígida) usando modelagem multifísica. Uma característica importante do campo de transmissão atravessando o revestimento de coluna dupla com as hiperlentes bipolares, como aqui divulgado, é a ausência de reverberações significativas de tubulação e / ou de revestimento, como indicado na projeção de contorno de linha das FIGS. 8A e 8B. A intensidade de energia dentro da tubulação, revestimento e fluido de fundo de poço associado com a transmissão amplificada com as hiperlentes (FIG. 8A) é de uma magnitude semelhante à distribuição quiescente não ressonante vista na resposta sem as hiperlentes (FIG. 8B). Uma ilustração da comparação na distribuição de energia ressonante com as hiperlentes e sem hiperlentes mostrada nas FIGS. 9A e 9B. A resposta ressonante intrínseca da seção de coluna dupla a 252 kHz sem as hiperlentes (FIG. 9B) tem uma grande reverberação na tubulação e também no revestimento em uma extensão ligeiramente menor (colunas reverberantes 952). Olhando para a FIG. 9A, em comparação, a resposta ressonante da seção de coluna dupla com as hiperlentes reduziu significativamente a reverberação na tubulação (colunas quiescentes 902) e efetivamente a reverberação zero no revestimento. Espera-se que este fenômeno quiescente associado às hiperlentes crie um piso de baixo ruído compatível com aplicações de imagem de tipo pulso-eco que requerem um ambiente quiescente para detecção de sinais de reflexão de eco de ligação de cimento muito pequenos.[0069] FIGS. 9A and 9B show contour projections 900 and 950, respectively, illustrating the respective degree of non-productive reverberation. Graphic representations 900 and 950 are derived from simulation results for the dual column scenario with the idealized (rigid) source using multiphysics modeling. An important feature of the transmission field traversing the double-column casing with the bipolar hyperlens, as disclosed herein, is the absence of significant piping and/or casing reverberations, as indicated in the line contour projection of FIGS. 8A and 8B. The energy intensity within the piping, casing and downhole fluid associated with the amplified transmission with the hyperlensing (FIG. 8A) is of a similar magnitude to the non-resonant quiescent distribution seen in the response without the hyperlensing (FIG. 8B). An illustration of the comparison in resonant energy distribution with hyperlens and without hyperlens shown in FIGS. 9A and 9B. The intrinsic resonant response of the dual column section at 252 kHz without the hyperlens (FIG. 9B) has a large reverberation in the pipe and also in the casing to a slightly lesser extent (reverberant columns 952). Looking at FIG. 9A, in comparison, the resonant response of the double column section with the hyperlens significantly reduced reverberation in the pipe (902 quiescent columns) and effectively zero reverberation in the casing. This quiescent phenomenon associated with hyperlensing is expected to create a low noise floor compatible with pulse-echo type imaging applications that require a quiescent environment for detection of very small cement bond echo reflection signals.

[0070] A FIG. 10 mostra uma representação gráfica 1000 de projeções teóricas ilustrativas de transmissão de pressão atravessando o revestimento para ondas refletidas. A representação gráfica 1000 foi derivada de uma simulação semelhante à análise de elementos finitos da FIG. 6, mas incluindo uma pequena interface de anomalia de pressão circunferencial entre o revestimento de aço e o domínio de cimento. As FIGS. 11A e 11B mostram projeções de contorno 1100 e 1150, respectivamente, ilustrando uma distribuição de intensidade acústica para um sinal recebido 1102 a partir de uma reflexão de anomalia na interface de ligação revestimento-cimento 464. A projeção 1100 mostra resultados com o conjunto de lentes. A projeção 1150 mostra os resultados sem o conjunto de lentes. Como antes, é mostrado um transdutor 452 em um revestimento 434. Um emissor de pressão colocado na anomalia simula uma reflexão de ligação de cimento que tem um comprimento de arco de 15 mm.[0070] FIG. 10 shows a graphical representation 1000 of illustrative theoretical projections of pressure transmission across the cladding for reflected waves. The graphical representation 1000 was derived from a simulation similar to the finite element analysis of FIG. 6, but including a small circumferential pressure anomaly interface between the steel casing and the cement domain. FIGS. 11A and 11B show contour projections 1100 and 1150, respectively, illustrating an acoustic intensity distribution for a received signal 1102 from an anomaly reflection at the cladding-cement bonding interface 464. The projection 1100 shows results with the lens assembly . The 1150 projection shows the results without the lens assembly. As before, a transducer 452 is shown in a casing 434. A pressure emitter placed in the anomaly simulates a cement bond reflection having an arc length of 15 mm.

[0071] Implícito nesta análise está a suposição de que o coeficiente de reflexão para a anomalia interfacial é 1. Uma função de transferência de pseudo-pulso-eco é construída primeiro pela normalização da magnitude de pressão do emissor de interface para igualar a transmissão de pressão para as simulações atravessando o revestimento mostradas acima. A magnitude de pressão média que é transmitida de volta ao limite da fonte original devido à reflexão é normalizada em relação à amplitude da fonte ideal original, para fornecer uma função de transferência de eco de pulso simulada (em duas etapas). As curvas 1002 e 1004 ilustram o espectro de resposta de frequência para a função de transferência de eco de pulso simulada. A função de transferência de eco de pulso para a coluna dupla sem o conjunto de lentes (curva 1002) indica que a alta transmissão na ressonância de coluna dupla intrínseca de 252 kHz não retribui proporcionalmente para a reflexão de volta ao limite da fonte, com uma fração líquida de 6,6% da pressão da fonte original recebida. Em contraste, a segunda ressonância de hiperlentes a 261 kHz para a curva 1004 exibe excelente reciprocidade para o emissor de reflexão, com uma fração líquida de 45,7% da pressão da fonte original recebida.[0071] Implicit in this analysis is the assumption that the reflection coefficient for the interfacial anomaly is 1. A pseudo-pulse-echo transfer function is constructed by first normalizing the interface emitter pressure magnitude to equal the transmission of pressure for the simulations traversing the casing shown above. The average pressure magnitude that is transmitted back to the original source boundary due to reflection is normalized with respect to the amplitude of the original ideal source to provide a simulated (two-step) pulse echo transfer function. Curves 1002 and 1004 illustrate the frequency response spectrum for the simulated pulse echo transfer function. The pulse echo transfer function for the dual column without the lens assembly (curve 1002) indicates that the high transmission at the 252 kHz intrinsic dual column resonance does not proportionally reward the reflection back to the source boundary, with a net fraction of 6.6% of the original source pressure received. In contrast, the second hyperlensing resonance at 261 kHz for curve 1004 exhibits excellent reciprocity to the reflection emitter, with a net fraction of 45.7% of the original source pressure received.

[0072] Embora a presente divulgação seja discutida no contexto de um poço produtor de hidrocarbonetos, deve se entender que a presente divulgação pode ser utilizada em qualquer ambiente de furo de poço (por exemplo, um poço geotérmico ou de água). Além disso, as modalidades podem ser utilizadas em ferramentas acústicas usadas na superfície ou em corpos ou água.[0072] Although the present disclosure is discussed in the context of a hydrocarbon producing well, it is to be understood that the present disclosure may be used in any wellbore environment (eg, a geothermal or water well). In addition, modalities can be used in acoustic tools used on the surface or in bodies of water.

[0073] "Matriz curvilínea", como usado aqui, significa que as células da matriz estão dispostas ao longo de linhas curvas em uma superfície à qual as células estão conectadas, em oposição a uma grade retangular de células.[0073] "Curvilinear array", as used here, means that the cells of the array are arranged along curved lines on a surface to which the cells are connected, as opposed to a rectangular grid of cells.

[0074] "Geometria de mapeamento de conformação", como usado aqui, refere-se a uma geometria de colocação de células em interseções de linhas de contorno de um sistema de coordenadas não cartesianas mapeadas em uma superfície. Aqui a superfície pode ser uma base plana a partir da qual cada célula se projeta de um modo cantiléver.[0074] "Conformation mapping geometry", as used herein, refers to a geometry of placing cells at intersections of contour lines of a non-Cartesian coordinate system mapped onto a surface. Here the surface can be a flat base from which each cell projects in a cantilevered fashion.

[0075] "Bipolar", como usado aqui, refere-se a um sistema de coordenadas ortogonais de duas dimensões. "Bipolar canônico" refere- se a um sistema de coordenadas bipolares baseado em círculos apolíneos nos quais as curvas de constante u e v são círculos que se cruzam em ângulos retos, onde as coordenadas têm dois focos F1 e F2, que podem ser mapeados em (-R, 0) e (R, 0), respectivamente, no eixo x de um sistema de coordenadas cartesianas.[0075] "Bipolar", as used herein, refers to a two-dimensional orthogonal coordinate system. "Canonical bipolar" refers to a bipolar coordinate system based on Apollonian circles in which the constant curves u and v are circles intersecting at right angles, where the coordinates have two foci F1 and F2, which can be mapped to (- R, 0) and (R, 0), respectively, on the x-axis of a Cartesian coordinate system.

[0076] A presente divulgação é passível de modalidades de diferentes formas. São mostradas nas figuras e neste documento são descritas em detalhe, modalidades específicas da presente divulgação com a compreensão de que a presente divulgação deve ser considerada uma exemplificação dos princípios da divulgação, e não se destina a limitar a divulgação ao que é ilustrado e descrito neste documento. Embora a divulgação anterior seja dirigida às modalidades específicas da divulgação, várias modificações serão evidentes para os versados na técnica. Pretende-se que todas as variações sejam abrangidas pela divulgação anterior.[0076] The present disclosure is subject to modalities in different ways. Shown in the figures and described in detail herein are specific embodiments of the present disclosure with the understanding that the present disclosure is to be considered an exemplary of the principles of the disclosure, and is not intended to limit the disclosure to what is illustrated and described in this document. While the foregoing disclosure is directed to specific embodiments of the disclosure, various modifications will be apparent to those skilled in the art. All variations are intended to be covered by the foregoing disclosure.

Claims (10)

1. Aparelho para investigar um volume de subsuperfície de interesse a partir de um furo de poço, caracterizado pelo fato de que compreende: um invólucro (428) configurado para transporte ao longo do furo de poço; uma fonte acústica (432) no invólucro (428) configurada para gerar sinais acústicos; um conjunto de lentes (454) disposto no invólucro (428) e junto da fonte acústica (432), sendo o conjunto de lentes (454) formado por uma pluralidade de elementos de lente (470, 472); em que cada elemento de lente (470, 472) compreende uma pluralidade de células (310, 340, 460), dispostas em uma matriz de células curvilíneas, cada célula (310, 340, 460) formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento de sinais acústicos, cada célula (310, 340, 460) tendo um cubo (312, 342), uma pluralidade de raios (314, 344) irradiando do cubo (312, 342), em que cada raio (314, 344) inclui uma pluralidade de dedos (328, 352) circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo (312, 342), onde o cubo (312, 342), os raios (314, 344) e os dedos (328, 352) são orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais.1. Apparatus for investigating a subsurface volume of interest from a borehole, characterized in that it comprises: a casing (428) configured for transport along the borehole; an acoustic source (432) in the housing (428) configured to generate acoustic signals; a lens assembly (454) disposed in the housing (428) and adjacent to the acoustic source (432), the lens assembly (454) being formed by a plurality of lens elements (470, 472); wherein each lens element (470, 472) comprises a plurality of cells (310, 340, 460) arranged in an array of curvilinear cells, each cell (310, 340, 460) formed as a column oriented transversely to one direction of acoustic signal displacement, each cell (310, 340, 460) having a hub (312, 342), a plurality of spokes (314, 344) radiating from the hub (312, 342), each spoke (314, 344 ) includes a plurality of fingers (328, 352) circumferentially distributed around the hub (312, 342), where the hub (312, 342), spokes (314, 344) and fingers (328, 352) are oriented to cause the acoustic waves to travel at a different speed in each of the three orthogonal directions. 2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de células (310, 340, 460) está disposta de acordo com uma geometria de mapeamento conformal.Apparatus according to claim 1, characterized in that the plurality of cells (310, 340, 460) are arranged according to a conformal mapping geometry. 3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a geometria de mapeamento conformal compreende uma transformação de mapeamento conformal canônico Bipolar de linhas de contorno constantes [u, v] em coordenadas cartesianas [x, y].3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the conformal mapping geometry comprises a Bipolar canonical conformal mapping transformation of constant contour lines [u, v] in Cartesian coordinates [x, y]. 4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o cubo (312, 342), a pluralidade de raios (314, 344) e a pluralidade de dedos (328, 352) são divididos para formar uma pluralidade de segmentos de células (318) estruturalmente independentes; a pluralidade de dedos (328, 352) está radialmente escalonada para se aninhar entre si; e o cubo (312, 342), a pluralidade de raios (314, 344) e a pluralidade de dedos (328, 352) situam-se todos ao longo do mesmo plano.4. Apparatus according to claim 1, characterized in that: the hub (312, 342), the plurality of spokes (314, 344) and the plurality of fingers (328, 352) are divided to form a plurality of structurally independent cell segments (318); the plurality of fingers (328, 352) are radially staggered to nest together; and the hub (312, 342), the plurality of spokes (314, 344) and the plurality of fingers (328, 352) all lie along the same plane. 5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um metamaterial criado pela pluralidade de células (310, 340, 460) deforma com um módulo de volume diferente em cada uma das três direções ortogonais.5. Apparatus according to claim 1, characterized in that a metamaterial created by the plurality of cells (310, 340, 460) deforms with a different volume module in each of the three orthogonal directions. 6. Método para investigar um volume de interesse em subsuperfície, caracterizado pelo fato de que compreende: posicionar uma ferramenta acústica (420) em um poço, em que a ferramenta acústica (420) inclui: um invólucro (428) configurado para transporte ao longo do furo de poço; uma fonte acústica (432) no invólucro (428) configurada para gerar sinais acústicos; um conjunto de lentes (454) disposto no invólucro (428) e junto da fonte acústica (432), sendo o conjunto de lentes (454) formado por uma pluralidade de elementos de lente (470, 472); em que cada elemento de lente (470, 472) compreende uma pluralidade de células (310, 340, 460), dispostas em uma matriz de células curvilíneas, cada célula (310, 340, 460) formada como uma coluna orientada transversalmente a uma direção de deslocamento de sinais acústicos, cada célula (310, 340, 460) tendo um cubo (312, 342), uma pluralidade de raios (314, 344) irradiando do cubo (312, 342), em que cada raio (314, 344) inclui uma pluralidade de dedos (328, 352) circunferencialmente distribuídos ao redor do cubo (312, 342), em que o cubo (312, 342), os raios (314, 344) e os dedos (328, 352) são orientados para fazer com que as ondas acústicas se desloquem a uma velocidade diferente em cada uma das três direções ortogonais; e direcionar as ondas acústicas através de um meio aberrante (204) adjacente que bloqueie, pelo menos parcialmente, a direção de deslocamento das ondas acústicas ao volume de interesse.6. Method for investigating a subsurface volume of interest, characterized in that it comprises: positioning an acoustic tool (420) in a well, wherein the acoustic tool (420) includes: a casing (428) configured for transport along from the well hole; an acoustic source (432) in the housing (428) configured to generate acoustic signals; a lens assembly (454) disposed in the housing (428) and adjacent to the acoustic source (432), the lens assembly (454) being formed by a plurality of lens elements (470, 472); wherein each lens element (470, 472) comprises a plurality of cells (310, 340, 460) arranged in an array of curvilinear cells, each cell (310, 340, 460) formed as a column oriented transversely to one direction of acoustic signal displacement, each cell (310, 340, 460) having a hub (312, 342), a plurality of spokes (314, 344) radiating from the hub (312, 342), each spoke (314, 344 ) includes a plurality of fingers (328, 352) circumferentially distributed around the hub (312, 342), wherein the hub (312, 342), spokes (314, 344) and fingers (328, 352) are oriented to make the acoustic waves travel at a different speed in each of the three orthogonal directions; and directing the acoustic waves through an adjacent aberrant medium (204) that blocks, at least partially, the direction of travel of the acoustic waves to the volume of interest. 7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o meio aberrante (204) é uma tubulação de metal.7. Method according to claim 6, characterized in that the aberrant medium (204) is a metal pipe. 8. Método, de acordo com a reivindicação 6 caracterizado pelo fato de que compreende ainda estimar a qualidade de uma ligação de cimento entre o cimento e a tubulação de metal.8. Method according to claim 6, characterized in that it further comprises estimating the quality of a cement bond between the cement and the metal pipe. 9. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda, o uso do transdutor acústico (452) para detectar um sinal refletido do volume de interesse que tenha viajado através do meio aberrante (204) e do conjunto de lentes (454).9. Method according to claim 6, characterized in that it further comprises the use of the acoustic transducer (452) to detect a reflected signal from the volume of interest that has traveled through the aberrant medium (204) and the set of lenses (454). 10. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda: receber um sinal acústico sensível às ondas acústicas compreendendo informação relativa ao volume de interesse; e usar as informações para estimar um parâmetro de interesse.10. Method, according to claim 6, characterized in that it further comprises: receiving an acoustic signal sensitive to acoustic waves comprising information regarding the volume of interest; and use the information to estimate a parameter of interest.
BR112018070720-1A 2016-04-15 2017-04-06 APPARATUS FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST FROM A WELL BORE AND METHOD FOR INVESTIGATING A SUBSURFACE VOLUME OF INTEREST BR112018070720B1 (en)

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