CN102124376B - 从钻孔中生成声能束的设备和方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围绕钻孔的岩层中的设备。所述设备包含：源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率的第二信号；换能器，配置成接收生成的第一和第二信号，并产生第一频率和第二频率的声波；以及与所述换能器耦合的非线性材料，配置成通过非线性混合过程生成频率等于所述第一频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个。

Description

从钻孔中生成声能束的设备和方法及其应用

政府权利

本发明是在政府的支持下，按照美国能源部签署的合作研究与开发协议(CRADA)(合同号：DE-AC52-06NA25396)做出的。政府可能拥有本发明的某些权利。

技术领域

本发明总地涉及围绕钻孔的岩层的声学探查，尤其涉及将包括钻井中与非线性材料耦合的单个换能器或换能器阵列的声源的组合用于从钻孔中产生作为探测工具的声束，以便探查钻孔周围的岩层和物质的特性。

背景技术

地下特征的声学探查往往受实际源的大小和功率限制，并且，实际上，井下声换能器的输出受钢丝索电缆的输电能力限制。高频信号具有相对较短的穿透距离，而低频信号一般需要固定在钻孔壁上的较大的源，以便使传送到地层的能量最大化，而使钻井内的不想要的信号最小化。利用传统低频换能器难以从钻孔中生成在10kHz到100kHz范围内的准直声束信号来探测钻孔周围的岩层。在这个频率范围内的传统低频声源具有低带宽，小于30％的中心频率，以及取决于频率的极大波束扩散，使得随着频率降低，波束扩散增大。要达到锐聚焦需要满足许多条件，包括长的源阵列，所有换能器与围绕钻孔的岩层的均匀耦合，以及岩层的声速知识。在钻孔环境中，由于底层物理限制、工程可行性或作业条件，这些条件常常达不到。

自二十世纪五十年代以来，已经针对流动介质中的一般应用提出了像水下声纳那样的基于声波非线性混合的声束源。对于地下应用，颁发给Cowles的美国专利第3,974,476号公开了用于钻孔勘查的声源。Cowles的公开文本描述了在石油和天然气工业使用的典型大小的钻孔中物理上不可能的声源生成设备。例如，在钻孔环境中通过混合两个大约5MHz的频率生成1kHz频率的波束违反了基本物理原则。典型的钢丝索测井工具具有35/8英寸(9.2厘米)的直径，因此在1500m/s的典型流体中1kHz波的波长是1.5m。这意味着接近钻孔直径的10倍。这种1kHz声波不可能保持准直而不违反波衍射物理学的基本测不准原理。此外，混合5MHz频率生成1kHz波意味着5000∶1的降频比，这尚未在实践中被证明是可实现的。Cowles提出的4.5m工具长度的尺寸太长而且不实用，难以装配在目前的测井绳索中。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围绕钻孔的岩层中的设备。所述设备包含：源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率的第二信号；换能器，配置成接收生成的第一和第二信号，并产生第一频率和第二频率的声波；以及与所述换能器耦合的非线性材料，配置成通过非线性混合过程生成频率等于所述第一频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个。

根据本发明的一个方面，公开了在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法。所述方法包含：生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波发送到声学非线性介质，以便通过非线性混合过程产生准直波束，其中所述准直波束沿着与所述第一和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性介质传播，并且具有等于所述第一和第二声波之差的频率，所述非线性材料包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个；以及沿着背离所述钻井的给定方向将所述准直波束引到所述岩层中。

根据本发明的一个方面，公开了在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法。所述方法包含：生成第一频率的第一声波；生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波由位于所述钻孔内的换能器生成；将所述第一和第二声波发送到声学非线性介质，以便通过非线性混合过程产生准直波束，其中所述非线性介质包括液体混合物、固体、粒状材料、嵌入微球、或乳液中的一个或多个；沿着给定方向将所述准直波束引到所述岩层中；以及在所述准直波束从地层中的异构物(inhomogeneity)、钻孔附近的物质或这两者反射或散射之后，在一个或多个接收器上接收所述准直波束。

通过参照形成本说明书的一部分、相同标号在各个图形中表示相应部件的附图考虑如下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它目的、特征、和特性，以及操作方法、结构的相关元件的功能、部件的组合、和制造经济性将变得更加明显。但是，不言而喻，这些附图只用于例示和描述的目的，而无意作为限制本发明的定义。正如用在说明书和权利要求书中的那样，除非上下文另外明确指明，单数形式“一个”、“一种”、和“该”也包括复数指示物。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个方面产生准直波束的设备的概括图。

图2a，2b和2c示出了根据本发明的一些方面通过非线性过程生成差频的不同模式。

图3a和3b示出了用准直波束的振幅和轴向(z方向)位置表示的水中的非线性混合的实验结果和理论预测的比较。

图4a和4b示出了用各种激活频率上的准直波束的振幅和轴向(z方向)和横向(x方向)位置表示的作为非线性介质的水中的非线性混合的实验结果。

图5a和5b示出了通过线性调频脉冲串产生准直波束的本发明的一个方面。

图6a，6b和6c示出了通过线性调频脉冲串产生准直波束的本发明的一个方面。

图7a，7b和7c示出了通过使用CNC泡沫块的非线性混合过程产生准直波束的本发明的一个方面。

图8示出了通过封闭铝管发送通过使用CNC泡沫块的非线性混合过程产生的准直波束的本发明的一个方面。

图9示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生准直波束的本发明的一个方面。

图10示出了将设备用于表征钻孔附近的地层和/或物质的本发明的一个方面。

图11示出了根据本发明一个方面的声束引导器的相应转轴。

图12示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生的准直波束穿过金属管外壳的本发明的一个方面。

图13a和13b示出了被声镜转向之后的准直波束从金属管外壳退出的本发明的一个方面。

图14示出了将设备与声学聚焦系统一起使用或不一起使用笔直地向下观看钻孔的本发明的一个方面。

图15a，15b和15c示出了根据本发明的一个方面对管道外物体成像的实验装置和结果。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个方面产生准直波束的设备的概括图。在一些实施例中，将一个或多个源110用于产生第一频率的第一信号和第二频率的第二信号。举非限制性的例子来说，该信号可以由2信道信号发生器产生。可以使用类似的信号或函数发生器。来自源的信号被一个或多个信号放大器120接收，并发送给用于产生第一和第二频率的声波的一个或多个换能器130。压电换能器是适合这种应用的一种类型。如果使用多于一个换能器，可以按阵列配置对它们进行排列。举非限制性的例子来说，该阵列配置可以是直线、圆形、填充圆或正方形阵列。阵列内的换能器可以划分成两个组，其中第一组换能器由第一频率的源驱动，而第二组换能器由该源或由第二频率的不同源驱动。在本发明的一些方面中，配置成生成第一频率的源和配置成生成第二频率的源同时驱动所有换能器。举非限制性的例子来说，第一频率是1.036MHz，而第二频率是0.953MHz。在一些实施例中，第一频率和第二频率在300kHz与2MHz之间。

使声信号在非线性材料140中传输，以便通过非线性混合过程生成准直声束。该非线性材料可以是液体、液体混合物、固体、嵌入固体外壳中的粒状材料、嵌入微球、或乳液。举非限制性的例子来说，这样的非线性材料是纽约Brooklyn的Cotronics公司销售的310M陶瓷泡沫，它由超过99％纯度的溶融石英陶瓷组成，并提供较低的热膨胀系数和导电率，较高的抗热冲击性和较高的热反射率。310M具有0.80g/cm³的密度和1060m/s的声速。非线性材料的另一个非限制性例子是聚氨酯泡沫板材料。这种类型的泡沫通常用于计算机数控(下文称为“CNC”)加工。CNC泡沫具有0.48g/cm³的密度和1200m/s的声速。取决于钻孔中的作业条件，也可以将其它非线性材料用作具有适当的低声速，较高的非线性耦合、吸收长度、冲击波长、温度和压力作业范围，以及作业规范所需的其它要求的非线性混合介质。此外，非线性材料的长度可以非常短，取决于所使用材料的类型，可以在5cm到2m的范围内。

这种非线性性能可以通过分析由非线性混合现象引起的P波的特性来表征，在这种非线性混合现象中，两个不同频率f₁和f₂的两个入射波混合以生成在谐波和互调频率f₂-f₁，f₂+f₁，2f₁和2f₂等上的第三频率成分。在本发明的一个方面中，将非线性共线混合现象设计成发生在钻井内的非线性材料中。一般说来，只有差频f₂-f₁的所得第三波是这种应用感兴趣的。更高的频率只传播较短距离，往往在非线性材料本身中被吸收。在一些实施例中，第三波或准直波束具有10kHz到100kHz之间的频率。

该准直波束被位于产生准直波束的同一钻孔或另一个钻孔中的一个或多个接收器150接收。例如，该接收器可以是声换能器、水中听音器或适用于感兴趣频率范围的另一种类型的接收器。接收的信号可以被带通滤波器160滤波并被前置放大器170放大。可以将滤波和放大信号显示在像数字示波器180那样的数字化仪上。数字示波器180可以通过计算机190来控制。计算机190也可以用于控制信号发生器110。

图2a，2b和2c示出了在非线性材料中生成差频的不同模式。记号f，f₁和f₂指的是高频信号。换能器210从源110和功率放大器120接收的信号进入非线性材料220中。在某个传播长度之后，在非线性材料220中生成差频。图2a示出了通过将具有两个不同频率f₁和f₂的两个不同信号应用于同一个换能器210生成差频f₂-f₁。图2b示出了通过应用频率f的调幅信号和Δf的调制生成差频Δf。图2c示出了通过将具有第一频率f₁和第二频率f₂的两个不同信号分别应用于第一换能器230和第二换能器240生成差频f₂-f₁。高频波束在非线性材料中重叠，产生差频f₂-f₁。

根据上文，举非限制性的例子来说，第一频率是1.036MHz，而第二频率是0.953MHz。与非线性材料相互作用生成的准直声束将具有等于第一频率与第二频率之差的频率。在本例中，准直声束具有明显主频为83kHz的窄频带。在一些实施例中，准直声束可以具有相对较宽的频率范围，其中第一频率是单个窄带频率，而第二频率扫过一个更宽的频率范围。第一频率也可以扫过一个宽频率范围以及第二频率。在任何一种情况下，第一频率、第二频率或这两者可以是编码信号或未编码线性调频信号。将信号编码的一个好处是信噪比提高了。

在一些实施例中，利用时变码来编码准直波束，可以将时变码引入第一信号或第二信号中，或引入这两者中。时变码可以包括第一信号、第二信号、或第一和第二信号这两者的振幅变化、频率变化和/或相位变化中的一个或多个。准直波束的接收到的时变码可以用于测量波束的渡越时间。另外，在一些实施例中，如果基频之一扫过一个频率范围，而另一个是固定的，则准直波束可以是宽带的。因此，所得第三波束f₂-f₁将扫过一个宽的频率范围。

图3示出了与基于非线性混合和波传播理论的理论预测有关的实验室测量的结果。声波因它们传播通过的介质的非线性特性而失真。声波的非线性传播可以通过Khokhov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程来模拟，KZK方程可以通过有限差分近似方案来求解。KZK方程解释诸如声压的衍射、声压的衰减(即，吸收)、和谐频成分(即，非线性)的生成的各种非线性特征，并且在给定像初始传输声压、换能器直径和换能器阵列几何、传播距离、和介质那样的参数的情况下，模拟作为声压的声信号的形状。KZK非线性抛物方程考虑了定向声束的衍射、吸收、和非线性的综合效应。有关沿着正z方向传播的轴对称声束的KZK方程可以用声压p表达如下：

$\frac{{\∂}^{2}p}{\∂z\∂t^{\′}}=\frac{c_o}{2}(\frac{{\∂}^{2}p}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂p}{\∂r})+\frac{D}{2c_o^3}\frac{{\∂}^{\′}p}{\∂t^{\′3}}+\frac{\mathrm{\β}}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_o^3}\frac{{\∂}^2{p}^2}{\∂t^{\′2}}---\left(1\right)$

其中，t′＝t-z/c₀是滞后时间变量，t是时间，c₀是小信号声速，r＝(x²+y²)^1/2是距z轴(即，距波束的中心)的径向距离，是横向拉普拉斯算子，以及ρ₀是流体的环境密度。

此外，

是热粘滞介质的声音扩散率，其中，ζ是体粘度，η是剪切粘度，κ是热导率，以及c_v和c_p分别是定容比热和定压比热。非线性度的系数通过β＝1+B/2A来定义，其中B/A是介质非线性度的参数。方程(1)右侧第一项计及了衍射(聚焦)效应，第二项计及了吸收，以及第三项计及了衰减介质的非线性度。有关KZK模型的形式和使用的进一步细节可以在此处通过引用并入全文的如下文献中找到：Y.-S.Lee，″Numerical solution of the KZKequation for pulsed finite amplitude sound beams in thermoviscousfluids，″Ph.D.Dissertation，The University of Texas at Austin(1993)。

关于实验室测量，在0.953MHz和1.036MHz上激发换能器，导致频率等于差值1.036MHz-0.953MHz＝83kHz的准直波束。该准直波束是通过将水用作非线性材料的非线性混合过程产生的。图3a示出了在水听器接收器的一定范围的x和z位置生成的波束的振幅。图3b示出了与理论非常一致的观察到的轴向强度分布的曲线图。

图4a示出了通过在多种不同频率上激发换能器，因此产生具有不同频率的准直波束而获得的结果。该结果被显示成用电压度量的振幅与沿着用毫米度量的z轴方向的位置之间的关系的曲线图。在这种实验室测试中，准直波束是在10kHz，37kHz，65kHz，83kHz和100kHz的频率上产生的。从图中可以看出，准直波束沿着z轴方向具有相似的波束分布。图4b示出了在距发射器110mm的距离上的波束截面。在该图中，沿着用毫米度量的x轴方向画出用电压表示的波束振幅。该结果表明，与同一频率的波在x方向更加分散不同，多种频率上的准直波束在x方向呈现出相似的高度集中的波束截面。

如上所述，准直波束可以具有相对较窄的频率范围，其中一个或多个换能器被产生特定频率的源激发，或者，准直波束可以具有相对较宽的频率范围。产生具有相对较宽频率范围的准直波束的例子显示在图5a和5b中。举非限制性的例子来说，图5a示出了具有从900kHz到1MHz的频率范围的有限持续时间的线性调频信号和频率为1MHz的脉冲串。图5b示出了画成用电压表示的振幅与以微秒为单位的时间之间的关系的所得脉冲串。

图6a示出了在沿着z方向相对于图6b中所示的波束的发射器的所选距离上的一系列横向扫描。所选距离是10cm，20cm，30cm，40cm，50cm和60cm。由电压确定的振幅与x轴距离之间的关系的曲线图表明，波束扩散较小，相对恒定，并且与沿着z方向相对于换能器的距离无关。准直波束的频谱在图6c中示出。该图表明，这种特定安排的可用频率范围从20kHz到120kHz。可用频率范围的低端可以低至5kHz，并且只受钻孔的尺寸限制。其它频带也可以用于准直波束，包括通常在kHz范围内的声测井频率、和通常在数百kHz到MHz范围内的钻孔远程观察型频带。这种安排的一个好处是，与非线性调频源相比，在钻孔中使用宽带宽线性调频信号往往导致信噪比提高。线性调频信号可以进一步改善在成像应用中有益的延时估计。

图7a示出了通过将CNC泡沫块用作非线性材料的混合过程产生的准直波束。换能器阵列710被配置成在1.000MHz和1.087MHz的频率上产生声波。换能器阵列710与CNC泡沫720耦合，在CNC泡沫720中两个声信号混合成频率为87kHz的准直波束730。CNC泡沫块具有传播准直波束的80mm孔径。图7b示出了时域中在90mm横向距离(x轴)和20mm轴向距离(z轴)上的准直波束振幅。图7c示出了频域中在87kHz上具有强峰的准直波束。

图8与图7a相似，但示出了由设置在外壳840内的换能器阵列820和CNC泡沫块830生成的准直波束810。如图所示，外壳840是总长度为323mm，内径为140mm和外径为153mm的铝管。

图9与图7a相似，示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生的准直波束。换能器阵列910被配置成在1.353MHz和1.440MHz的频率上产生声信号。换能器阵列910与310M陶瓷块920耦合，在310M陶瓷块920中两个声信号混合成频率为87kHz的准直波束930。310M陶瓷块920具有传播准直波束的110mm孔径。从图中可以看出，准直波束具有延伸到离陶瓷块的孔径大约几厘米的近场区中的旁瓣；但是，这些旁瓣不延伸到波束的远场区中。

图10示出了将设备用于表征钻孔附近的地层和/或物质的本发明的一个方面。一个或多个源1005产生第一和第二频率的信号。将这些信号发送给被配置成增大信号功率的一个或多个信号放大器1010。将经过放大器1010修正的信号发送给被配置成在第一和第二频率上生成声波的一个或多个换能器1015。将声波发送给非线性材料1020，后者通过混合过程混合声波以产生准直声束1025。

准直声束1025可以被声束引导器1030转到特定方向。声束引导器1030可以是声反射器或声透镜。声反射器可以是声阻抗与传播波束的周围介质不同的材料。这种声反射器的一个非限制性例子是金属板。声透镜被配置成将准直声束聚焦在特定焦点和方向上，它可以具有凹入形状。菲涅尔型镜安排也可以用于声束引导器。如图11更详细所示，可以使用一个或多个与引导器耦合的致动器1035将声束引导器旋转成特定取向。在一些实施例中，可以不使用声束引导器1030，准直波束将沿着钻孔轴传播。

准直波束1040可以被反射离开引导器1030，转到朝着钻孔附近的感兴趣物体1045的特定方向。地层的异构物，例如物体1045或沿着波束定位的相邻岩床将产生声束反射或散射。反射和散射波1050被同一钻孔(对于单井成像的情况)或另一个钻孔(对于交叉井成像的情况)中的一个或多个接收器1055接收。可以将接收器1055与引导器1030耦合，以便将接收器配置成随引导器1030移动而接收反射波1050。可以将接收器1055接收的信号发送给处理电子线路1060以便加以分析。处理电子线路1060可以包括带有用于表征岩层，包括产生地层的2D或3D图像的适当软件的计算机。将井下仪器安放在外壳1065内，以便实施标准测井操作。

在本发明的一些方面中，包括换能器1015、非线性材料1020和接收器1055的整个设备可以沿钻孔的长度上下移动，以便对钻孔附近的特定地层成像。此外，带有或不带接收器1055的整个设备可以绕钻孔轴旋转，以便在围绕钻孔的任何方位都可以对地层成像。

图11示出了声束引导器1105的相应转轴。准直波束的方向通过有选择地控制引导器绕引导器轴1110旋转的方位、和倾斜1115，即引导器的前端平面与引导器轴之间的夹角来转向。通过使用致动器(未示出)，可以在方位和倾斜上有效地控制引导器的平面。因此，致动器可以用于转动或改变准直波束的方向。

图12示出了通过将310M陶瓷块用作非线性材料的非线性混合过程产生的穿过金属管外壳的准直波束。换能器阵列1205被配置成产生频率为例如1.000MHz和1.087MHz的声信号。换能器阵列1205与310M陶瓷块1210耦合，在310M陶瓷块1210中两个声信号混合成穿过金属管外壳1220的频率为87kHz的准直波束1215。换能器阵列1205可以绕钻孔的纵轴旋转，以对围绕钻孔的地层成像。来自地层的反射或散射波束可以被该钻孔或另一个钻孔中的一个或多个接收器(未示出)接收。该接收器可以与换能器阵列1205耦合，以便以相似的方式旋转，使反射或散射波束被接收器接收。从图中可以看出，该波束从金属管外壳1220退出之后保持准直。

图13a和13b示出了被声镜转向并从金属管外壳退出之后的准直波束。图13a和13b与图12相似，不同之处在于非线性材料(在这种情况下是水)沿着管道产生非线性波束，并且该波束在声镜板的帮助下与初始传播方向垂直地转出管道。换能器阵列1305被配置成产生频率为例如0.953MHz和1.036MHz的声信号。换能器阵列1305与非线性材料(水)1310耦合，在非线性材料1310中两个声信号混合成频率为83kHz、从声镜1320反射并穿过金属管外壳1325的准直波束1315。从图中可以看出，该波束从金属管外壳1325退出之后保持准直，并且通过以改变准直波束的入射角的方式旋转声镜可以被容易地转向。图13b示出了旋转镜1320时引起的波束转向。

图14示出了将设备与声学聚焦系统一起使用的本发明的一个方面。一个或多个源1405产生第一和第二频率的信号。将这些信号发送给配置成增大信号功率的一个或多个信号放大器1410。将经过放大器1410修正的信号发送给被配置成在第一和第二频率上生成声波的一个或多个换能器1415。这些声信号传播到非线性材料1420，非线性材料1420通过混合过程混合这些信号以产生准直声波1425。

在一些实施例中，准直声束1425入射在声学聚焦系统1430上。准直波束往往具有随着波束穿过外壳(即，管道)而增大的特定波束扩散。这种波束扩散意味着在距波束原点的某个距离上，波束将与外壳的壁发生往往产生非期望效果的相互作用。声学聚焦系统1430通过聚焦波束，并因此缩小波束扩散来减小波束与壳壁的这种相互作用。这种聚焦无需将波束轮廓缩小成一点，而仅仅产生不会因外壳壁的反射而失真或衰减的界限分明的波束，以便波束轮廓不会以太大角度扩散。声学聚焦系统1430的一个非限制性例子是由有机玻璃或当适当成形时减小波束扩散的其它材料制成的菲涅尔透镜。声学聚焦系统1430可以包括多种材料，包括填充有声速与外壳中的非线性材料不同的液体的腔，其中取决于液体声速，可以将所述腔做成凸的或凹的适当形状。一般说来，在声阻抗方面与外壳中的非线性材料合理匹配的任何材料都可以用作声学聚焦系统1430。

在一些实施例中，当材料1420中的非线性混合产生的波束1425足够界限分明并且不以太大角度扩散时，不使用声学聚焦系统1430。在这种情况下，波束1425从材料1420退出而不被进一步修正。

壳体或外壳1435被配置成安放和支承换能器1415、非线性材料1420、声学聚焦系统1430和一个或多个接收器1440。聚焦声束被引导成沿着壳体1435的轴向，并且从感兴趣物体1445被反射或散射。该物体1445可以包括岩层中的异构物，诸如侵入带、外壳粘结物、损伤带、断裂带、地层分层(尤其在较大的表观倾角，即，对于相对小倾角地层中的大角度井)。接收器1440被配置成接收反射或散射信号1455，并且通过处理电子线路1450对信号进行处理。

图15a，15b和15c示出了根据本发明的一个方面对管道外物体成像的实验装置和结果。图15a示出了在设计上与图10相似的实验装置，其中源换能器1505被配置成生成声信号，并且与被配置成通过非线性混合过程产生准直声束1515的非线性材料1510耦合。源换能器1505可以由源发生器和功率放大器(两者都未示出)驱动。像管道那样的外壳1520被配置成安放换能器1505、非线性材料1510，以及声束引导器1525和一个或多个接收器1530。准直声束1515被声束引导器1525引到外壳1520外面。举非限制性的例子来说，在这种安排中，声束引导器1525是声反射器。反射的准直波束1530入射到外壳1520外面的物体1535上。物体1535可以包括岩层中的异构物，诸如侵入带、外壳粘结物、损伤带、断裂带、地层分层(尤其在较大的表观倾角，即，对于相对小倾角地层中的大角度井)。准直波束1540从物体1535反射或散射之后，被一个或多个接收器1550(位于相同钻孔中或位于另一个钻孔中)接收。

在图15a的实验装置中，将物体绕轴1545旋转360°，并且进行如接收器1550所记录的声强的测量。在这种装置中，物体1535是形状有点不规则、放置在距管壁大约61cm的位置上的固体铝块。管道和铝块这两者都浸泡在水中。图15b示出了测量的反射强度的极坐标曲线图，而图15c示出了测量的反射时间的极坐标曲线图。在图15b和15c两者中，为了与测量的数据比较，示出了铝块的截面。如图15b所示，当铝块的表面位于使接收器上的反射信号最大的位置时，存在大信号。因此，每个峰代表铝块的表面。图15c示出了渡越时间。随着铝块旋转，这些表面向前及向后，使声束必须传播的总距离发生变化。不言而喻，在钻孔配置中，通过设备的旋转将获得强度图像。因此，反射信号的振幅代表来自围绕钻孔周边的异构物的反射。

对接收波形的记录加以处理，以便生成地层的反射或透射特征的图像。波束的传播方向和渡越时间可以固定生成散射波的位置，将该设备与使用传统非定向单极和偶极源的常规声波成像技术区分开。使用与传统源相当的波束的相关效果是，计算地层声学特性的图像可能不需要详细规定岩层的速度场。波束的传播方向和渡越时间测量简化和提高了识别声波被反射或散射的位置的能力。尤其，波束从工具退出的取向的知识将记录的散射波的源定位成沿着波束方向，而时间延迟将散射源的位置定位成沿着波束路径。因此，利用束源的钻孔成像与为了计算3D图像而需要精确详细速度模型的传统(非束)源相比，表现出最终时间图像的简化和不确定性的降低。而且，由于波束被聚焦，并且在相对于钻孔的方位和倾斜方面是可转向的，所以该成像往往具有比利用传统(非束)源所获得更高的分辨率。该方法实现了包括侵入带、外壳粘结物、损伤带、断裂带、尤其处于较大表观倾角(岩床平面和与工具轴垂直的平面之间的夹角)的地层分层的特征的详细成像。本发明的宽带差分束频率在1kHz到100kHz的范围内。也被一些传统声波测井工具使用的这个频率范围的低端实现最多达100英尺的穿透深度。重要的是要注意到，由于波束为宽带并且可以编码，所以检测信号的信噪比在经过处理和解码之后显著提高。由于穿透深度更大和由编码所致的信噪比更高的宽带波束特征，该方法也实现了钻孔周围的岩层及其流体内含物的非线性特性的详细成像和/或表征。

上面详细描述的各种配置只是为了例示的目的。可以针对其它应用对配置做出修改而不偏离本发明。例如，在随钻测井(LWD)和管道输送配置中，当使用允许工具穿过钻柱底部的技术时，紧凑的声束生成设备将使人们能够有效预测钻头，使得在钻头到达之前，对地层的过压带或流变学方面的显著变化加以检测。波束的转向也使得能够间接测量钻头前面的反射体的倾角和方位角。另一种应用是检测钻头前面的断层几何形状。

尽管为了例示的目的，根据当前认为有用的多种实施例对本发明作了详细描述，但应该明白，这样的细节仅仅为了该目的，本发明不局限于所公开的实施例，而是相反，打算涵盖在所附权利要求书的精神和范围之内的所有修改和等同安排。例如，尽管本文提到计算机，但该计算机可以包括通用计算机、专用计算机、包括机器可执行指令并编程成执行这些方法的ASIC、计算机阵列或网络、或其它适用计算设备。如图10和14所示，接收器收集的数据将受到一些处理，并存储在工具中的存储器中，或发送到井上作进一步处理和存储。作为进一步的例子，还应该明白，本发明设想，可以尽可能地将任何实施例的一个或多个特征与任何其它实施例的一个或多个特征组合。

Claims (38)

1.一种放置在钻井内、配置成生成声束并将声束引到围绕钻孔的岩层中的设备，所述设备包含：

源，配置成生成第一频率的第一信号和第二频率的第二信号；

换能器，配置成接收生成的第一信号和第二信号，并产生第一频率的第一声波和第二频率的第二声波；

与所述换能器耦合的非线性材料，其中该非线性材料通过所述第一声波和第二声波的非线性混合过程生成频率等于所述第一频率与所述第二频率之差的准直波束，其中所述准直波束沿着与所述第一声波和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性材料传播，其中所述准直波束具有在20kHz到120kHz的频率范围内的频率；以及

声束引导器，配置成沿着背离钻孔的特定方向，将所述准直波束引到钻孔周围的所述岩层中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述声束引导器包括声反射器、声透镜、或这两者。

3.根据权利要求1所述的设备，进一步包含：

接收器，配置成接收从岩层中的异构物反射或散射之后的准直波束。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述接收器包括沿着钻孔内的设备的轴向设置的多于一个接收器。

5.根据权利要求3所述的设备，其中所述接收器包括设置在不同钻孔中的多于一个接收器。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述换能器包括设置成阵列的多于一个换能器。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述阵列设置成直线、圆形、或正方形配置。

8.根据权利要求1所述的设备，进一步包含：

壳体，配置成将换能器、非线性材料和声束引导器安放在钻孔内。

9.根据权利要求1所述的设备，进一步包含：

编码器，配置成通过向第一和第二声波之一引入包括线性调频或频率扫描或这二者的时变分量，来利用时变码编码准直波束。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述时变分量包括振幅、频率和相位中的一者或多者的变化。

11.根据权利要求2所述的设备，其中所述声反射器被配置成控制准直波束的传播方向。

12.根据权利要求2所述的设备，其中所述声透镜被配置成聚焦准直波束。

13.根据权利要求1所述的设备，其中所述准直波束被处理器分析，以便生成围绕钻孔的岩层的图像。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述图像是三维图像。

15.根据权利要求1所述的设备，其中所述准直波束具有在20kHz到100kHz之间的频率。

16.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一和第二信号的频率在300kHz到2MHz之间。

17.根据权利要求1所述的设备，其中所述非线性材料的长度在5cm到2m之间。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述非线性材料包括液体混合物或固体或其任何组合。

19.根据权利要求1所述的设备，其中所述非线性材料包括嵌入微球或乳液或其任何组合。

20.一种在钻孔穿过的岩层中生成声能束的方法，所述方法包含：

生成第一频率的第一声波；

生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波由位于所述钻孔内的换能器生成；

将所述第一和第二声波发送到声学非线性介质，其中该非线性介质通过所述第一声波和第二声波的非线性混合过程产生准直波束，其中所述准直波束沿着与所述第一声波和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性介质传播，并且具有等于所述第一声波和第二声波的频率之差的频率；以及

沿着背离钻孔的特定方向，通过声束引导器将所述准直波束引到钻孔周围的所述岩层中，其中，所述准直波束具有在20kHz到120kHz的频率范围内的频率。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包含：

在所述准直波束从钻孔周围的岩层中的异构物反射或散射后，在一个或多个接收器处接收所述准直波束。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个接收器位于所述钻孔中。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个接收器位于另一个钻孔中。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述换能器包括设置成阵列的多个换能器。

25.根据权利要求21所述的方法，其中所述声束引导器包括声反射器、声透镜或这两者。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述换能器、所述声学非线性介质、所述声束引导器、和所述接收器设置在外壳内。

27.根据权利要求22所述的方法，进一步包含：

分析从钻孔周围的岩层中的异构物反射或散射后的准直波束，以便生成该岩层的图像。

28.根据权利要求27所述的方法，进一步包含：

通过向第一声波和第二声波之一引入包括线性调频或频率扫描或这二者的时变分量，来利用时变码编码准直波束，其中所述分析包含使用所述编码来测量准直波束的渡越时间。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述时变分量包括振幅、频率和相位中的一者或多者的变化。

30.根据权利要求23所述的方法，进一步包含：

分析从所述钻孔与所述另一个钻孔之间的岩层中的异构物反射或散射后的准直波束，以便生成所述钻孔与所述另一个钻孔之间的岩层的图像，和生成表征所述钻孔与所述另一个钻孔之间的岩层和流体内含物的线性和非线性特性的信息。

31.根据权利要求30所述的方法，进一步包含：

通过向第一声波和第二声波之一引入包括线性调频或频率扫描或这二者的时变分量，来利用时变码编码准直波束，其中所述分析包含使用所述编码来测量准直波束的渡越时间。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述时变分量包括振幅、频率和相位中的一者或多者的变化。

33.根据权利要求23所述的方法，进一步包含：

分析从钻孔周围的岩层中的异构物反射或散射后的准直波束，以便生成侵入带、粘结物、损伤带、断裂带、地层分层、或其它散射源的图像。

34.根据权利要求20所述的方法，其中所述非线性介质包括液体混合物或固体或其任何组合。

35.根据权利要求20所述的方法，其中所述非线性介质包括嵌入微球或乳液或其任何组合。

36.一种在钻孔中生成声能束的方法，所述方法包含：

生成第一频率的第一声波；

生成不同于所述第一频率的第二频率的第二声波，其中所述第一声波和所述第二声波由所述钻孔内的换能器的阵列生成；

将所述第一声波和第二声波发送到声学非线性介质中，以便通过所述第一声波和第二声波的非线性混合过程产生准直波束，其中所述准直波束沿着与所述第一声波和第二声波的初始方向相同的方向通过所述非线性介质传播，并且具有等于所述第一声波和第二声波的频率之差的频率，其中所述准直波束具有在从20kHz到120kHz的频率范围内的频率；

沿着两个方向，通过声束引导器将所述准直波束引到所述钻孔周围的岩层中，其中所述两个方向包括绕钻孔的纵轴的方位方向和相对于钻孔的纵轴的倾斜；以及

在所述准直波束从钻孔周围的岩层中的异构物反射或散射后，在布置在钻孔中的一个或多个接收器处接收所述准直波束。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述非线性介质包括液体混合物或固体或其任何组合。

38.根据权利要求36所述的方法，其中所述非线性介质包括嵌入微球或乳液或其任何组合。