CN102918425B - 从井眼产生声能波束的设备和方法及其应用 - Google Patents

Abstract

在本发明的某些方面，公开了在井眼中产生声能波束的方法。所述方法能够包括产生第一频率的第一声波；产生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井眼内的工具承载的至少一个换能器产生；把所述第一声波和所述第二声波传送到声学非线性介质中，其中所述非线性介质的成分通过非线性混合所述第一声波和所述第二声波而产生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一频率范围与所述第二频率之间差的频率，以及所述非线性介质具有100m/s与800m/s之间的声速。

Description

从井眼产生声能波束的设备和方法及其应用

相关申请的交叉引用

本申请是2008年7月2日提交的待批准美国专利申请序列号12/166,842的部分延续，其全部内容在此引用作为参考。

政府权利

本发明得到美国能源署奖励合作研发协议（CRADA）的合同号DE-AC52-06NA35396下的政府支持。美国政府可以享有本发明的某些权利。

技术领域

一般来说，本发明涉及井眼周围岩层的声波探询，更确切地说，涉及使用包括连接到非线性材料的井眼中单个换能器或换能器阵列的声源的组合以产生声束，作为来自井眼的探测工具，来探询井眼周围的岩层和物质的性质。

背景技术

地下特征的声波探询趋于受限于实际声源的尺寸和功率，实践中，井下声波换能器的输出受限于测井电缆的功率传输能力。高频信号具有相对短的穿透距离，而低频信号一般需要大声源，卡在井壁上，为使传递到地层的能量最大以及使井眼内的无用信号最小。利用常规的低频换能器，难以从井眼产生10kHz-100kHz范围内平行声束信号以探测井眼周围的岩层或者环境中任何其他物质，比如套管或水泥。在这个频率范围内的常规低频声源的带宽低，小于中心频率的30%，取决于频率的波束扩展非常大，所以随着频率降低，波束扩展增大。平行波束的生成要求满足许多条件，包括长声源阵列、全部换能器一致地耦合到井眼周围的岩层以及知晓岩层声波速度。在井眼环境中，因为基本物理约束、工程可行性或操作条件，这些条件往往不能实现。

从1950年代起，对于流体介质中一般的应用，比如水下声纳，已经提出了基于声波非线性混合的声束源。对于地下应用，授予Cowles的3,974,476号美国专利公开了用于井眼观测的声源。Cowles的公开介绍了声源发生设备，例如在井眼环境中通过混合两个5MHz左右频率能够产生1kHz频率波束的设备违反了基本物理原理。典型的测井工具的直径为3又5/8英寸（9.2cm），而在1500m/s的典型流体中1kHz波的波长为1.5m。这表示接近井眼直径的10倍。这种1kHz声波无法保持平行而不违反基本的波衍射物理的不确定原理。不仅如此，混合5MHz频率以产生1kHz波表示5000:1的频率下降比例，这在实践中尚未证明可实现。

发明内容

根据本公开的某些方面，公开了在井眼中产生声能平行波束的方法。所述方法能够包括产生第一频率的第一声波；产生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井眼内的工具承载的至少一个换能器产生；把所述第一声波和所述第二声波传送到声学非线性介质中，其中所述非线性介质的成分通过非线性混合所述第一声波和所述第二声波而产生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一频率范围与所述第二频率之间差的频率，以及所述非线性介质具有100m/s与800m/s之间的低声速。

根据所述方法，所述非线性介质能够具有2与50之间的非线性参数(β)并且能够具有大于30的品质因数Q。所述非线性介质能够包括各种液体的混合物、固体、颗粒状物质、嵌入的微球体和/或乳状液。所述平行波束能够具有15kHz与120kHz之间的频率范围。所述第一频率和/或所述第二频率能够包括一系列的频率。所述平行波束能够被传送到所述井眼周围的物质中，其中所述物质能够包括岩层、水泥和/或套管物质。所述平行波束能够由可移动声反射镜反射和引导。

根据本公开的某些方面，公开了井眼内可定位的测井电缆或管道运送的测井工具，被配置为在井眼中产生和指引平行声束。所述测井工具能够包括：外壳；至少一个换能器，由所述外壳承载并且被配置为产生第一频率的第一声波以及不同于所述第一频率的第二频率的第二声波；以及由所述外壳承载的非线性介质，其中所述非线性介质的成分被配置为通过非线性混合所述第一声波和所述第二声波而产生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一频率与所述第二频率之间差的频率，以及所述非线性介质具有100m/s与800m/s之间的声速。

根据所述测井工具，所述非线性介质能够具有2与50之间的非线性参数β并且能够具有大于30的品质因数Q。所述非线性介质能够包括各种液体的混合物、固体、颗粒状物质、嵌入的微球体和/或乳状液。所述平行波束能够具有15kHz与120kHz之间的频率范围。所述第一频率和/或所述第二频率能够包括一系列的频率。所述平行波束能够被传送到所述井眼周围的物质中，其中所述物质能够包括岩层、水泥和/或套管物质。所述平行波束能够由可移动声反射镜反射和引导。

根据本发明的一方面，公开了一种非常紧凑的设备，位于井眼内，被配置为在井眼中产生和指引平行声束进入井眼周围的物质和岩层。所述设备包括换能器，被布置在所述井眼中的测井工具内并且被配置为接收由一个或多个电子源产生的第一频率的第一电子信号和第二频率的第二电子信号以及产生所述第一频率和所述第二频率的原生声波；以及低声速非线性材料，被布置在所述测井工具中这些原生声波的传输路径上并且被配置为由非线性参数阵列混合过程以等于所述第一频率与所述第二频率之间的频率的差的频率产生次生平行声束。所述非线性材料能够包括各种液体、固体、颗粒状物质、嵌入的微球体和/或乳状液的混合物，具有适当的性质：声速低、声衰减低和对激波形成的阻抗高。

所述设备能够进一步包括声反射镜，被配置为反射所述平行声束以及在给定方向上操纵所述声束进入所述井眼周围的所述位置和地层。

所述设备能够进一步包括被布置为沿着所述声束传播路径的第一声透镜或透镜组，被配置为改变所述声束的波束几何结构，以控制所述波束平行和/或被布置为对由于所述井眼与所述井眼周围的所述物质之间的界面的几何结构和声学性质差异造成所述波束辐射模式的改变进行补偿的第二声透镜或透镜组。另外，所述第一声透镜组能够为会聚透镜，以改进所述波束平行，而所述第二声透镜组能够为发散透镜，其中所述发散透镜能够被布置为补偿圆柱形井眼-地层界面对所述波束传播的影响。

所述设备能够进一步包括接收器或接收器阵列，被布置在所述井眼中并且被配置为在所述声束作为所述地层的特征的结果已经改变后接收所述声束，其中所述声束已经通过被所述井眼周围的物质和地层反射、折射和/或反向散射而改变了。

所述设备能够进一步包括外壳，被配置为容纳所述换能器和所述非线性材料。所述外壳能够进一步包括所述声反射镜与一个或多个透镜组的任何组合。所述换能器和非线性材料能够被同轴地安装在所述测井工具内。

所述设备能够进一步包括编码器，被配置为以时变代码对所述声束编码，方式为对所述第一信号和所述第二信号之一引入时变分量，所述时变分量包括一个或多个线性调频信号或频率扫描。

所述设备能够进一步包括电子脉冲发生器，被配置为向所述换能器送入第一频率和第二频率的两个电脉冲，在非线性混合介质中产生两个声束脉冲，以便产生次生短持续时间声脉冲，它从所述设备作为平行波束传播。

根据本发明的一方面，公开了一种方法，在位于井眼中测井工具内非常小的空间体积中以低频和宽带宽产生平行声束并指引所述波束进入所述井眼周围的物质和岩层。所述方法包括由位于所述测井工具内的换能器产生第一频率带宽的第一声波和第二频率带宽的第二声波，以及把所述第一和所述第二原生声波传送到具有低声速的非线性介质中，所述非线性介质被布置在所述测井工具内沿着所述原生声波的传输路径并且被配置为由非线性混合过程产生次生平行声束，其中所述次生平行声束以与所述第一声波和所述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与所述第一和所述第二原生声波的频率之间的频率的差相等的频率带宽。

所述方法能够进一步包括由沿着所述声束传输路径布置的第一声透镜改变所述波束的几何结构以改进所述测井工具内所述声束的平行和/或由第二声透镜补偿可归因于所述井眼的特征的所述波束几何结构的改变并且保持大地内近似平行波束。不仅如此，所述方法能够进一步包括由声反射镜在给定方向反射和引导所述声束。另外，所述方法能够进一步包括在所述声束作为所述地层的特征的结果已经改变后由接收器接收所述井眼中的所述声束。

所述方法能够进一步包括由固定的高频信号和线性调频信号激励所述换能器；产生一个或多个高频声束；接收所述一个或多个高频声束；产生固定频率猝发音和与所述固定频率猝发音持续时间相同的线性调频信号，其中所述固定频率猝发音等于所述高频信号与所述非线性材料中所述非线性混合过程所述线性调频频率信号之间的差频。所述固定的高频信号可以在250kHz与1.5MHz之间，而所述线性调频频率信号可以线性调频，使得所述固定的与线性调频的频率之间的差在3%至20%之间。

所述方法能够进一步包括由所述换能器产生具有第一中心频率和第一带宽扩展的第一脉冲以及具有第二中心频率和第二带宽扩展的第二脉冲；把所述第一脉冲和所述第二脉冲传送进所述非线性材料；以及通过所述非线性混合过程由所述非线性材料以中心频率等于所述第一中心频率且所述第二中心频率之间频率差以及带宽扩展等于所述第一带宽扩展与所述第二带宽扩展之和来产生声束脉冲。

根据本发明的一方面，公开了一种系统，用于对井眼周围地层和其他物质的性质成像。所述系统包括：在井眼中运送的测井工具内紧凑的低频声源总成和波束调整设备，它指引平行声束离开所述测井工具进入所述周围井眼并且由该处到所述地层或者套管和水泥，使得某些所述辐射能通过反射、折射和散射的结合返回所述井眼；接收器的阵列；以及控制所述波束方向并优化其性质、记录所述接收的信号及变换所记录的数据以产生井眼周围所述地层和其他物质的的图像必需的软件和硬件，这些图像经过解释可以产生所述井眼周围体积的有关信息。

所述系统进一步包括为了所讨论的应用的成像需求在持续时间和频率成分方面优化的被传送信号的生成，以及为了根据所需要的应用尤其是勘测的半径深度优化系统性能的所述波束产生和调整总成及所述接收器阵列的尺寸规格和配置的选择。

根据本发明的一方面，类似于2D反射地面地震，段落21和22中的所述系统记录要以成像算法处理的数据，以对每一个方位角方向都产生沿着所述井眼轴周围的所述地层和其他物质的性质的2D图像。所述系统能够进一步对360度方位角方向提供所述2D图像的扫描。所述组的扫描的方位角2D图像能够随后以高级成像算法叠加和/或处理以提供沿着所述井眼轴周围的所述地层和其他物质的性质的全3D图像。

所述系统可以进一步包括优化所述处理算法和所述最终图像的显示，使得它们包含的有关所述井眼周围所述性质的所述信息容易对所述数据的用户一目了然。

根据本发明的某些方面，公开了井眼中可定位的测井电缆或管道运送的测井工具。所述测井工具包括(a)构造和布置为放置在井眼中的超声波换能器，所述换能器被配置为由持续时间在20-200微秒之间的两个同时但是不一致的瞬态电信号激励，第一个信号在250kHz与1.5MHz之间的第一频率而第二个信号在300kHz与1.5MHz之间的第二频率，分别产生所述第一频率和所述第二频率的第一和第二声波；(b)声学非线性材料，具有3与12英寸之间的长度，被布置为沿着所述换能器的传输路径，所述换能器允许由所述换能器产生的所述两个声波非线性混合以所述第一频率与所述第二频率之间的若干瞬时频率中的差对应的频率产生与原始激励信号持续时间相同的瞬态声束，所述声束具有15与120kHz之间的频率。

所述测井工具能够被配置为将所述电信号编码，方式为引入时变分量，该时变分量包括对所述信号之一或双方的一个或多个线性调频或频率扫描。不仅如此，所述测井工具还能够被配置为所述声束具有15与120kHz之间的所述频率。另外，所述测井工具能够被配置为所述测井工具被布置为保持取决于所述非线性材料中混合长度的所述声束的平行的级别，以及产生所述声束使得所述声束离开所述非线性材料并且继续通过所述测井工具沉浸其中的介质传播。

参考附图（其全部形成本说明书的一部分，其中相同附图标记指明多幅图中对应的部分）考虑了以下说明和附带的权利要求书后，本发明的这些和其他目的、特点和特征，以及相关构造元素的操作方法和功能以及部件的组合和制造节约措施将变得更显然。不过，应当明确地理解，这些附图仅仅是为了展示和说明，而不试图作为限制本发明的定义。正如在说明书和权利要求书中的使用，单数形式的“某”和“所述”包括了复数对象除非语境清楚地另外规定。

附图说明

图1显示了根据本公开的一方面产生平行波束的实例设备的一般化图示；

图2a、2b和2c显示了根据本公开的若干方面通过非线性过程产生差频的不同模式；

图3a和3b显示了根据平行波束的振幅和轴向（z方向）位置，水中的非线性混合的试验结果与理论预测的对比；

图4a和4b显示了根据多个激励频率的平行波束振幅以及轴向（z方向）和横向（x方向）位置，在作为非线性介质的水中的非线性混合的试验结果；

图5a和5b显示了本公开的一方面，由线性调频脉冲产生平行波束；

图6a、6b和6c显示了本公开的一方面，由线性调频脉冲产生平行波束；

图7a、7b和7c显示了本公开的一方面，由使用CNC海绵块的非线性混合过程产生平行波束；

图8显示了本公开的一方面，使用经由封闭铝管传送的CNC海绵块，由非线性混合过程产生平行波束；

图9显示了本公开的一方面，使用310M陶瓷块作为非线性材料，由非线性混合过程产生平行波束；

图10显示了本公开的一方面，该设备用于描述井眼附加地层和/或物质的特征；

图11显示了根据本公开的一方面，声束波导的对应旋转轴；

图12显示了本公开的一方面，使用310M陶瓷块作为非线性材料，由非线性混合过程产生平行波束穿透金属套管；

图13a和13b显示了本公开的一方面，平行波束以声反射镜操纵后离开该金属套管；

图14显示了本公开的一方面，该设备与或不与声波聚焦系统一起使用，向下直视井眼；

图15a、15b和15c显示了根据本公开的一方面，管外物体成像的实例试验装置和结果；

图16显示了根据本公开的一方面，具有换能器和低声速（646m/s）非线性混合流体比如氟化液FC-43的腔室，能够以20-120kHz带宽产生平行声束的非常紧凑声源设备的尺寸规格。

图17显示了由图16中非常紧凑设备产生的声束的平行辐射特征对从常规换能器产生的声波的漫射辐射特征的对比；

图18显示了由图16中紧凑设备产生的波束声脉冲的脉冲波列、从50到150kHz的频谱和辐射特征；

图19a和19b显示了轴向安装的声源、声透镜和反射镜局部总成的示意图，显示了由反射镜和透镜局部总成对波束操纵和聚焦，以保持设备内部以及井眼周围物质和地层中声束的平行；

图20显示了加入了声源、声反射镜和透镜以及接收器阵列的原型设备的示意图；

图21a和21b显示了系统实例，其中对图20中装置的操作进行了若干实验室试验。

图22显示了在波束朝向图21中装置的不变方位角和倾角方向时，对于固定的声源位置，由阵列中接收器的每一个检测的信号；

图23显示了多方位角面板显示，覆盖了图21中装置的35到145度方位角；

图24显示了所产生的图像，方式为在110度方位角的范围内以5度的增量绘制来自同一接收器的信号。

具体实施方式

图1显示了根据本公开的一方面产生平行波束的设备的一般化图示。在某些实施例中，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。利用非限制性实例，这些信号能够利用2通道信号发生器产生。类似的信号或函数发生器也可以使用。来自源的信号由一个或多个信号放大器120接收，并且被传送到一个或多个换能器130，它们被用于产生第一或第二频率的声波。第一频率和第二频率可以是宽带，具有的频率范围包括中心频率，在该中心频率周围有某种频率扩展。压电换能器是适于这种应用的一种类型。如果使用不止一个换能器，它们能够以阵列结构排列。利用非限制性实例，该阵列结构可以是直线形、环形、圆形或正方形阵列。阵列内的换能器被分成两组，其中第一组换能器由某源以第一频率驱动，而第二组换能器由该源或由不同源以第二频率驱动。在本发明的某些方面，被配置为产生第一频率的源和被配置为产生第二频率的源同时驱动全部换能器。利用非限制性实例，第一频率是1.036MHz而第二频率是0.953MHz。

声波信号经由非线性材料140传送以利用非线性混合过程产生平行声束。非线性材料可以是液体、液体混合物、固体、固体套管中嵌入的颗粒状材料、嵌入的微球体或乳状液。利用非限制性实例，这样的非线性材料是由纽约市布鲁克林区的Cotronics公司出售的310M陶瓷泡沫，它由99%以上的纯熔融硅石陶瓷组成，并且热膨胀和传导性低、热冲击阻抗高且热反射比高。310M具有0.80g/cm³的密度和1060m/s的声速。非线性材料另一个非限制性实例是聚氨酯泡沫板材料。这种类型的泡沫典型情况下被用于计算机数控（后文称为“CNC”）加工。CNC泡沫具有0.48g/cm³的密度和1200m/s的声速。

非线性材料140可以进一步是非线性高、声速低、声衰减低和对激波形成阻抗高的材料，使得能够从非常紧凑的源产生高度平行波束。取决于井眼中的操作条件，具有适当的低声速、高非线性耦合、吸收长度、冲击波长度、温度和压力运行的其他非线性材料并列并且被选择以使混合体积的尺寸最小以及满足由可操作性规范所要求的其他需求。

平行波束源的尺寸规格和性能尤其依赖于非线性材料的某些性质，并且可以定义对它们的某些限制。非线性参数β可以在2与50之间。例如，大多数液体的β范围在2与10之间。从其他固体材料能够获得更高的β。在某些方面，非流体非线性材料的β可以为200或更高。非线性液体的声速在环境条件下可以在450m/s与1700m/s之间。在某些方面，非线性材料的声速可以在100m/s与800m/s之间。Q即品质因数值往往不是液体的限制因素并且其范围能够从道尔硅油的280到普通液体的几万。在某些实施例中，Q可以为至少30。

通过分析从非线性混合现象中产生的P波的性质，可以描述这种非线性行为的特征，在该现象中f₁和f₂两种不同频率的两种入射波混合以产生具有谐频和互调频率f₂-f₁、f₂+f₁、2f₁和2f₂等的若干第三频率成分。在本发明的一方面，非线性共轴混合现象被设计为出现在井眼内部的非线性材料中。一般来说，这种应用仅仅关注具有差频f2-f1的最终第三种波。更高的频率仅仅传播了短距离并趋向于在非线性材料自身中被吸收。

反射、折射和散射的声能由位于或者产生平行波束的同一井眼或者另一个井眼的一个或多个接收器150接收。例如，一个或多个接收器可以包括一个或多个声换能器、一个或多个水听器或适于所关注频率范围的另一种类型的接收器。接收的信号能够由带通滤波器160滤波并由预放大器170放大。滤波和放大的信号可以显示在数字转换器上，比如数字示波器180。数字示波器180能够由计算机190控制。计算机190也能够用于控制信号发生器110。

图2a、2b和2c显示了在非线性材料中产生差频的不同模式。符号f、f₁和f₂指高频信号。由换能器210从源110和功率放大器120接收的信号进入非线性材料220。在一定的传播长度后，在非线性材料220中产生了差频。图2a显示了差频f₂-f₁的产生，方式为向同一换能器210施加具有不同频率f₁和f₂的两个不同信号。图2b显示了差频Δf的产生，方式为施加频率f和Δf调制的调幅信号。图2c显示了差频f₂-f₁的产生，方式为施加两个不同的信号，对第一换能器230施加具有第一频率f₁的信号而对第二换能器240施加具有第二频率f₂的信号。高频波束在非线性材料中重叠并产生差频f₂-f₁。

根据以上论述，并且利用非限制性实例，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产生的平行声束具有的频率将等于第一频率与第二频率之间的差。在这个实例中，平行声束具有83kHz明显主频的窄频带。在某些实施例中，平行声束可以具有相对宽的频率范围，其中第一频率是单一的窄带频率而第二频率是横跨更宽范围频率的扫频。第一频率也可以是像第二频率一样的横跨宽范围频率的扫频。无论哪种情况，第一频率、第二频率或者双方都能够是编码的信号或未编码的线性调频信号。对信号编码的一个益处是信噪比的改进。

在某些实施例中，平行波束以时变代码编码，它能够被引入到或者第一或者第二信号中，或者兼而有之。时变代码可以包括振幅变化、频率变化和/或第一、第二或第一和第二信号的双方的相位变化的一种或多种。收到的平行波束的时变代码能够用于测量该波束的飞行时间。此外，在某些实施例中，如果原生频率之一经由频率范围扫频而另一个是固定的，平行波束就能够是宽带。从而产生的第三波束f₂-f₁将是横跨宽频率范围的扫频。

图3显示了关于基于非线性混合和波传播理论的理论预测的实验室测量的结果。声波传播时所通过介质的非线性特征扭曲了它们。声波的非线性传播能够经由Khokhov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程模拟，它能够由有限差分近似模式求解。如果给定了诸如初始传输声压、换能器直径和换能器阵列几何形状、传播距离以及介质这些参数，KZK方程解释了多个非线性特征，比如声压的衍射、声压的衰减（即吸收）以及谐频分量的产生（即非线性），并且把声波信号的形态模拟为声压。KZK非线性抛物线方程考虑了定向声束中的衍射、吸收和非线性的组合效应。对以正z方向传播的轴对称声束，KZK方程可以按照声压p表示如下：

$\frac{{\∂}^{2}p}{\∂z\∂t^{\′}}=\frac{c_0}{2}(\frac{{\∂}^{2}p}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂p}{\∂r})+\frac{D}{{2c}_0^3}\frac{{\∂}^{3}p}{{\∂t}^{\′3}}+\frac{p}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^3}\frac{{\∂}^2{\mathrm{\ρ}}^2}{{\∂t}^{\′2}}---\left(1\right)$

其中t’=t-z/c₀是延迟的时间变量，t是时间，c₀是小信号声速，r=（x²+y²）^1/2是离z轴（即离波束的中心）的径向距离，是横向拉普拉斯算子，而ρ₀是流体的周围介质密度。不仅如此，是热粘性介质的声扩散率，其中ζ是体粘度、η是剪切粘度、κ是热传导率，而c_v和c_p分别为等容和等压的比热。非线性系数由β＝1+B/2A定义，其中B/A是介质非线性参数。方程（1）右侧第一项说明衍射（聚焦）作用，第二项说明吸收而第三项说明衰减介质的非线性。KZK模型的形式和使用的进一步细节可以在Y.–S.Lee,“NumericalsolutionoftheKZKequationforpulsedfiniteamplitudesoundbeamsinthermoviscousfluids,”Ph.D.Dissertation,TheUniversityofTexasatAustin(1993)中找到，其全部内容在此引用作为参考。

对于实验室的测量，以0.953MHz和1.036MHz激励了该换能器，导致平行波束具有的频率等于差1.036MHz-0.953MHz=83kHz。平行波束由非线性混合过程产生，使用水作为非线性材料。图3a显示了对于水听器接收器在某范围的z和x位置产生的波束的振幅。图3b显示了观察的轴强度剖面的图形，与理论吻合良好。

图4a显示了以各种各样差频激励换能器从而产生了具有不同频率的平行波束所获得的结果。这些结果被显示为由电压测量的振幅对沿着z轴方向以毫米测量的位置的图形。在这项实验室试验中，产生了具有频率10kHz、37kHz、65kHz、83kHz和100kHz的平行波束。正如图中可见，沿着z轴方向平行波束具有类似的波束剖面。图4b显示了离发射器110mm距离处的波束横剖面。在这幅图中，由电压表示的波束振幅对照以毫米测量的x轴方向被绘制。这些结果指明，以各种各样频率的平行波束在x方向显示了类似的高度集中的波束横剖面，不像在x轴方向将更散开的相同频率的波。

正如以上的讨论，平行波束能够具有相对窄的频率范围，其中一个或多个换能器由产生特定频率的源激励，或者平行波束也能够具有相对宽的频率范围。图5a和5b显示了产生具有相对宽频率范围的平行波束的实例。利用非限制性实例，图5a显示了频率范围从900kHz到1MHz的有限持续时间的线性调频信号，以及1MHz频率的脉冲。图5b显示了结果脉冲，绘制为以电压表示的振幅对以微秒计的时间。

图6a显示了离图6b所示的波束发射器在z方向若干选定距离的一系列横向扫描。选定的距离是10cm、20cm、30cm、40cm、50cm和60cm。由电压确定的振幅对x轴距离的图形显示出，该波束扩展不大并且相对地不变和与离换能器的z方向距离无关。图6c显示了平行波束的频谱。该图显示出，对于这个特定装置，可用频率范围从20kHz到120kHz。使用频率范围的低端可以低至5kHz，并且仅仅受井眼的尺寸限制。其他的频带可以用于平行波束，包括典型情况下在kHz范围内的声波测井频率，以及典型情况下在几百kHz到MHz范围内的井下电视类型的频带。这样的装置的一种益处是，与非线性调频信号源相比，在井眼中使用宽带宽的线性调频信号源将可能趋向带来信噪比的改进。线性调频信号进一步可以允许对时间延迟估计的改进，在成像应用中将是有益的。

图7a显示了由使用CNC海绵块作为非线性材料的混合过程产生的平行波束。换能器阵列710被配置为产生1.000MHz和1.087MHz频率的声波。换能器阵列710被耦合到CNC泡沫720，其中两种声波信号混合，形成了具有87kHz频率的平行波束730。CNC泡沫块具有80mm的孔，平行波束从中传播。图7b显示了在横向距离90mm（x轴）和轴向距离20mm（z轴）处时间域中的平行波束的振幅。图7c显示了在87kHz具有强峰值的频率域中的平行波束。

图8类似于图7a，但是显示了由外壳840内布置的换能器阵列820和CNC泡沫块830产生的平行波束810。如图所示，外壳840是铝管，具有323mm的总长度、140mm的内直径和153mm的外直径。

图9类似于图7a，并且显示了由使用310M陶瓷块作为非线性材料的非线性混合过程产生的平行波束。换能器阵列910被配置为产生1.353MHz和1.440MHz频率的声波信号。换能器阵列910被耦合到310M陶瓷块920，其中两种声波信号的混合，形成了具有87kHz频率的平行波束930。310M陶瓷块920具有110mm的孔，平行波束从中传播。正如从图中可见，平行波束具有若干旁瓣，延伸到离陶瓷块孔大约几厘米的近场区域；不过，这些旁瓣未延伸到该波束的远场区域中。

图10显示了本发明的一方面，其中所述设备用于描述井眼附近地层和/或物质的特征。一个或多个源1005产生第一频率和第二频率的信号。这些信号被传送到信号放大器1010，信号放大器被配置为增大信号的功率。由放大器1010改变的信号被传送到一个或多个换能器1015，换能器被配置为产生第一频率和第二频率的声波。这些声波被传送到非线性材料1020，非线性材料利用混合过程混合所述波以产生平行声束1025。

平行声束1025可以由操纵设备比如声束波导1030操纵在特定方向。声束波导1030可以是声反射体或声透镜。声反射体可以是波束在其中传播时与周围介质具有不同声阻抗的材料。这样的声反射体的一个非限制实例是金属板。声透镜被配置为把平行声束聚焦在特定的焦点和方向，并且能够具有凹形。菲涅耳型反射镜装置也可以用作声束波导。通过使用连接到该波导的一个或多个传动机构，可以将声束波导旋转到特定朝向，正如图11中更详细的显示。在某些实施例中，可以不使用声束波导1030，而平行波束将沿着该井眼的轴传播。

平行波束1040可以被反射离开波导1030并被操纵到朝向井眼附近所关注物体1045的特定方向。该地层的不均匀体，比如物体1045或沿着波束定位的邻近矿床将产生该声束的反射或散射。确切地说，由于井眼外的局部不均匀性、平面裂隙等造成的声阻抗差异，引起声束的反射或散射，其中的某些将返回井眼。在套管井中，从套管内壁、可能附着到也可能不附着到水泥的套管外壁、水泥中的任何空洞、水泥或流体与地层的界面以及任何另外的同心套管柱反射能量。在开放钻孔的应用中，从由于（例如）钻孔导致的地层机械改变、流体侵入、自然裂隙、次生矿物的结核和矿床边界造成的阻抗边界反射能量。反射和散射的波1050由同一井眼（对于单井成像的情况）或另一个井眼（对于井间成像的情况）中的一个或多个接收器1055接收。接收器1055能够被连接到波导1030，以使得这些接收器被配置为随着波导1030的移动而接收反射波1050。由接收器1055接收的信号能够被传送到处理电子设备1060进行分析。处理电子设备1060可以包括计算机，带有的适当软件用于描述岩层特征，包括产生地层的2D或3D图像。井下工具被容纳在外壳1065中以允许标准的测井操作。

在本发明的某些方面，包括换能器1015、非线性材料1020和接收器1055的整个设备能够在整个井眼中上下移动，对井眼附近的特定地层成像。不仅如此，具有或没有接收器1055的整个设备能够围绕着该井眼的轴旋转，以便围绕井眼以任何方位角方向对地层成像。

图11显示了声束波导1105的对应旋转轴。平行波束的方向操纵的方式为选择地控制围绕波导轴1110旋转的波导方位角以及倾角1115──波导的前方平面与波导轴之间的角度。通过使用传动机构（未显示），波导平面能够按方位角和倾角有效地控制。因此能够使用传动机构操纵或改变该平行波束的方向。

图12显示了由使用310M陶瓷块作为非线性材料的非线性混合过程产生的平行波束穿透金属管套管。换能器阵列1205被配置为产生声波信号，具有例如1.000MHz和1.087MHz的频率。换能器阵列1205被耦合到310M陶瓷块，其中两个声波信号混合，形成具有87kHz频率的平行波束1215，它经由金属管套管1220传播。换能器阵列1205能够围绕井眼纵轴旋转以便对井眼周围的地层成像。从地层反射的和反向散射的波束能够被该井眼中或另一个井眼中的一个或多个接收器（未显示）接收。接收器能够被连接到换能器阵列1205，以便以类似方式旋转，使得反射的或反向散射的波束由这些接收器接收。正如在图中可见，该波束在离开金属管套管1220后保持其平行。

图13a和13b显示了以声反射镜操纵并离开金属管后的平行波束。图13a和13b类似于图12，差异在于该非线性材料（在这种情况下是水）正产生沿着管道的非线性波束，并且该波束借助于声反射镜板被操纵到管外，与初始传播方向正交。换能器阵列1305被配置为产生声波信号，具有例如0.953MHz和1.036MHz的频率。换能器阵列1305被耦合到非线性材料（水）1310，其中两个声波信号混合，形成具有83kHz频率的平行波束1315，它从声反射镜1320反射并经由金属管套管1325传播。正如从图中可见，该波束在离开金属管套管1325后保持其平行，并且能够容易地通过旋转该声反射镜而操纵，其方式使得平行波束的入射角被改变。图13b显示了已经旋转了反射镜1320时产生的波束操纵。

图14显示了本发明的一方面，其中该设备与声聚焦系统一起使用。一个或多个源1405产生第一频率和第二频率的信号。这些信号被传送到信号放大器1410，被配置为提高信号的功率。由放大器1410改变的信号被传送到一个或多个换能器1415，换能器被配置为产生第一频率和第二频率的声信号。这些声信号传播到非线性材料1420，它利用混合过程混合这些信号以产生平行声束1425。

在某些实施例中，平行声束1425入射到声聚焦系统1430上。平行波束趋向具有一定的波束扩展，它随着该波束经由该外壳（即管道）传播而增大。这种波束扩展意味着，离波束起源的一定距离处，该波束将与该外壳的壁相互作用，趋向产生不利的后果。声聚焦系统1430通过使波束聚焦而减少波束与外壳的这种相互作用从而减少波束扩展。聚焦不需要将波束剖面减小到一点，而是仅仅产生良好界定的波束，该波束不因为从外壳壁的反射而被扭曲或衰减，使得该波束剖面在角度上不扩散太多。声聚焦系统1430的一个非限制实例是树脂玻璃或其他材料制作的菲涅耳透镜，适当地成形时减小了波束扩展。声聚焦系统1430可以包括各种各样的材料，包括在外壳中充满了与所述非线性材料声速不同的液体的腔室，其中该腔室被恰当地成形，或凸或凹，取决于该液体的声速。一般来说，与外壳中非线性材料的声阻抗合理地匹配的任何材料都能够用作声聚焦系统1430。

在某些实施例中，由材料1420中的非线性混合所产生的波束1425被充分地良好界定并在角度上不扩散太多时，不使用声聚焦系统1430。在这种情况下，波束1425离开材料1420而没有被进一步改变。

罩或外壳1435被配置为容纳和支持若干换能器1415、非线性材料1420、声聚焦系统1430以及一个或多个接收器1440。聚焦的声束被指引沿着罩1435的轴，并且从受关注物体1445反射或散射。物体1445可以包括岩层中的不均匀体，比如侵入区、与套管的水泥固结、受损区、裂隙区、地层学上的分层（尤其在高视倾角，即在相对低倾角地层中的高角度井）。接收器1440被配置为接收反射的或散射的信号1455，并且该信号由处理电子设备1450处理。

图15a、15b和15c显示了根据本发明的一方面的试验装置和管外物体成像的结果。图15a显示的试验装置类似于图10的设计，其中源换能器1505被配置为产生声信号并被耦合到非线性材料1510，它被配置为通过非线性混合过程产生平行声束1515。源换能器1505可以由源发生器和功率放大器（二者都未显示）驱动。外壳1520比如圆柱外壳被配置为容纳换能器1505、非线性材料1510、声束波导1525以及一个或多个接收器1530。平行声束1515由声束波导1525指引到外壳1520之外。利用非限制性实例，在这个装置中，声束波导1525是声反射体。反射的平行波束1530入射到外壳1520之外的物体1535上。该物体1535可以包括岩层中的不均匀体，比如侵入区、与套管的水泥固结、受损区、裂隙区、地层学上的分层（尤其在高视倾角，即在相对低倾角地层中的高角度井）。平行波束1540在已经从物体1535反射或反向散射后，由（或者位于同一井眼中或者在另一个井眼中的）一个或多个接收器1550接收。

在图15a的试验装置中，该物体围绕轴1545被旋转了360度并且对接收器1550记录的声强度进行了测量。在这个装置中，物体1535是形状稍微不规则的固体铝块，放置在离管壁大约61cm处。管和块体都被沉浸在水中。图15b显示了测出的反射强度的极坐标图，而图15c显示了测出的反射时间的极坐标图。在图15b和图15c中，为了与测量数据对比，都显示了铝块的横剖面。正如图15b所示，当块体的面处于使接收器处的反射信号最大的位置时有大的信号。因此，每个峰值都表示该块体的面。图15c显示了飞行时间。块体旋转时，面向前并后退，改变了声束必须传播的总距离。应当理解，在井眼配置中，将通过旋转设备而获得强度图像。因此反射信号的振幅表示来自围绕井眼周边的不均匀体的反射。

通过选择声速低、非线性高、衰减低和对激波形成阻抗高的非线性材料140，能够使该设备非常紧凑同时以从20到120kHz的宽带宽产生低频平行波束。取决于井眼中的操作条件，可以选择具有适当的低声速、高非线性耦合、吸收长度、冲击波长度、温度和压力操作范围的其他非线性材料，使得混合体积的尺寸最小，以及满足可操作性规范所要求的其他需求。利用另一个非限制性实例，非线性材料可以是FLUORINERTFC-43，它是应用在电子设备中若干应用所用的惰性液体的商标，由明尼苏达州St.Paul的3M公司出售。FLUORINERTFC-43由于其低声速（646m/s）及其7.6的高声非线性参数β，是非线性声混合的适当液体。也可以使用来自氟化液族的其他液体，因为它们都具有类似的物理性质。氟化液的化学和热学性质稳定，与敏感物质相容且实际上无毒。它的绝缘强度比空气高大约10倍，这带来了它在非线性声学应用中所需要的高激励功率下的安全使用。它的通常用途是用于易受高温损害的电子组件的沉浸热冷却。

在某些方面，该设备包括发射器，高频换能器，典型情况下被设计在1MHz左右运行，被连接到充满流体的容器或混合体，包含着非线性材料，例如充满氟化液FC-43或具有低声速的类似惰性液体的圆筒。非线性材料的混合腔室的长度和宽度可以非常紧凑，并且对于20-120kHz的波束频率范围能够小至12cm×6cm，如图16所示。如果波束频率范围的低端被提高到50kHz，能够将该腔室减小到5cm×3cm的尺寸。高频换能器能够被固定频率和线性调频频率信号激励，例如1.03MHz和0.91至1.01MHz的线性调频信号(原生)，它们产生了高频声束，在混合流体比如FC-43中传播。由于该流体的声学非线性性质，若干高频波束相互作用以产生差频和原发频率的更高的谐波。这些原发频率和更高的谐波能够在混合流体中衰减（声学非线性流体的性质），并且只有差频才将传播得更远。从以上引用的原生频率相互作用产生的差频波束在20-120kHz的范围。由声学非线性混合产生的低频和窄波束宽度的组合使得该设备是对井眼之外声学成像的适当候选。宽带宽的低频声束与高频相比趋向产生更低的衰减，同时窄的平行可以为声学成像提供良好的分辨率。

典型的常规压电和其他声源具有窄带宽──最大30%。所以，具有70kHz中心频率的设备将具有大约60到80kHz的频率范围。为了以厚度模式压电圆片或平板获得它，该材料的厚度和直径不得不相当大以防止产生各种径向和其他模式。波束扩展也会非常大，正如图17右侧显示图所示。很清楚，这样的源不会产生像辐射模式的波束。比如图16所示的源，使用两种频率的非线性混合将可能发射（例如）固定频率猝发音（f₁）和具有相同的持续时间而频率范围从f₁的0.89到0.98的线性调频信号（f₂）。这个范围不是绝对的——f₂范围的低端受限是因为混合效率随着频率差Δf关于f₁增大而退化，高端受限是因为平行需要充满流体的容器长度最小约为差频的四个波长。从250kHz到1.5MHz范围内的固定频率f₁适于井眼应用。1.03MHz的固定频率f₁和以上介绍的从大约0.91到1.01MHz范围内的f₂会产生具有70kHz中心频率和从20kHz到120kHz范围的平行波束。图17的左侧显示图显示了由两个类似换能器（分别为38和28mm直径）产生的波束，被优化到100kHz的一个以83kHz运行，被优化到1MHz的另一个发射0.953和1.036MHz的电子混合信号，产生了83kHz的差频波束。该测量在水中进行。差频波束在离该源的一米处保持平行。

在某些方面，图16所示的紧凑源可以用于产生沿着平行波束轨迹行进的宽带宽的声脉冲。例如，当两个原生高斯脉冲，一个具有中心频率f₁和σ₁的带宽扩展而另一个具有中心频率f₂和σ₂的带宽扩展，在含有非线性材料的腔室中被混合，产生了具有中心频率（f₂-f₁）和带宽大约为(σ₁+σ₂)的次生声脉冲。例如，中心频率为1.025MHz和1.075MHz的两个高斯脉冲都具有40KHz的带宽扩展，在腔室中混合以产生声脉冲及其对应的25至150kHz的频谱，并且具有如图18所示的平行轨迹。用紧凑设备经由参数阵列混合机制沿着固定平行方向产生声脉冲可以非常灵活。能够以电子方式控制频率f₁和f₂以及带宽扩展σ₁和σ₂，允许在井眼和别处的测量操作期间灵活地设计和改变次生声脉冲的频率和带宽。

从源设备发出的平行波束可能趋向发散，而通过在若干原生频率混合以产生差频波束的体外放置声透镜或透镜组能够改进该波束的平行。我们已经使用了（树脂玻璃），但是具有低声衰减和适当声阻抗的任何材料都可以使用。

在某些情况下，井眼流体与地层和圆柱井眼表面之间的阻抗差异能够引起波束几何形态的改变，使得该波束可能趋向会聚到某焦点，然后在地层内部发散。在这种情形下，把收到的信号变换为图像就可能变得复杂。为了补偿这种效应，第二声透镜或透镜组，比如发散透镜，就能够被放置在声反光镜与井壁之间，使得波束在该井眼外保持更平行。第二声透镜或透镜组的目的是预测井眼-地层界面的发散效应，它的作用就像圆柱透镜，把波束聚焦在地层中某位置，越过该位置后波束发散。界面的聚焦效应取决于井眼的曲率和泥浆与地层之间的阻抗差异。图19a和19b展示了第一和第二透镜组保持该波束平行的功能。

图19a和19b显示了本公开的一方面，其中该设备与两个透镜组一起使用。确切地说，图19a既显示了设备的侧视图又显示了俯视图，包括在井眼1605内放置的外壳1601和反射镜1625。图19b既显示了设备的侧视图又显示了俯视图，包括在井眼1605中的外壳1601、外壳1601内放置的会聚透镜1610、反射镜1625和发散透镜1630。正如以上介绍，一个或多个源（未显示）被配置为产生第一频率和第二频率的信号。这些信号被传送到信号放大器（未显示），然后被传送到一个或多个换能器（未显示），它们被配置为产生第一频率和第二频率的声信号。声信号传播到非线性材料（未显示），正如以上介绍，非线性材料利用混合过程混合这些信号以产生声束。以上组件能够被布置在井眼1605内的外壳1601中。声透镜1610，比如会聚透镜，能够被布置为沿着声束的传输路径，即，但是不限于，靠近外壳1601的出口面，和/或与混合体/非线性材料或者直接地或者经由界面间接地有联系，以改变声束的波束几何形态。例如，可以改变由该源产生的声束的波束几何形态，使得由声透镜1610折射的波束1620比离开外壳1601的波束更平行。波束1620能够被声反射体或声反射镜1625反射开，并且被指引到第二声透镜1630，比如发散透镜。第二声透镜1630能够被配置为补偿由声束与井壁表面与井眼周围物质之间的界面之间的相互作用所产生的波束几何形态改变。声反射镜或透镜能够被布置为由一个或多个传动机构或电机1635旋转。例如，发散透镜可以是圆柱形透镜，它被配置为抵消由井眼曲率所导致的对波束的会聚效应。然后声束能够被第二声透镜1630折射并且被指引到井眼1605之外。第一声透镜1610和第二声透镜1630可以是由树脂玻璃或其他适当材料制作的菲涅耳透镜，具有低声衰减和适当的声阻抗，并且被适当地成形时改变波束，通过或会聚或发散，取决于该透镜的特定安排。

声反射体或声反射镜1625以及第二声透镜1630能够围绕着井眼1605的纵轴旋转，以便产生井眼外地层的一幅或多幅周围图像。另外，能够控制反射镜关于井眼轴的倾斜，以改变波束在井壁处的入射角。

测井工具的外部尺度确定了它们能够操作的钻孔尺寸的范围。使用FC43作为非线性材料，具有20到120kHz操作频率范围的设备能够以大约四英寸的直径建造，使得其在六英寸和以上的井眼直径中可用。在更大直径的井眼中可以使用更大的设备，它们能产生更强大的平行波束，并且以更低的频率操作。以更高频率操作的按比例缩小的设备可以更低地下放到生产油管中用于完井中作业。

由于井眼外的局部不均匀性、平面裂隙等的声阻抗差异引起声束的反射或散射，其中某些将返回到井眼。在套管井中，从套管内壁、可能附着到也可能不附着到水泥的套管外壁、水泥中的任何空洞、水泥或流体与地层的界面以及任何另外的同心套管柱反射能量。在开放钻孔的应用中，从由于（例如）钻孔导致的地层机械改变、流体侵入、自然裂隙、次生矿物的结核和矿床边界造成的阻抗边界反射能量。

图19a、19b和图20显示了使用以上介绍的源设备和接收器检测来自井眼外的散射能量的系统，用于3D井中反射地震以产生井眼周围地层的3D图像。本系统包括的声源具有可旋转反射镜，比如反射镜1625，以及透镜，比如透镜1610和/或1630，它们通过一个或多个传动机构/电机1635可旋转，并且它们能够被安装在测井工具之内，本系统还包括接收器阵列1640，它们被沿着井眼中放置的工具安装以检测反射信号。整个系统能够在井眼中上下移动，正如在地面2D反射地震中。旋转反射镜使得来自参数阵列源的波束按方位角扫描井眼周围，以获得井眼周围的全3D图像。倾斜反射镜改变了来自参数阵列源的波束的倾角，并且重复方位角扫描将产生另一幅全3D图像。多幅3D图像的集合提供了冗余。多幅3D图像的集合可以适当地结合以利用信号处理技术改进整体的3D图像定义的清晰度。

图21a和22b显示了为演示以上介绍的测量系统的操作的实验室试验装置。确切地说，图21a显示了圆筒中所提议的垂直切口的平面图，而21b显示的横剖面显示了该装置的若干组件和多个组件的尺寸。在图21a中，146mm直径的树脂玻璃管2105处于塑料圆筒2110中的中心并且其间的环状空间充满水泥。然后去掉圆筒壳并且沿着该圆柱的长度挖出45度宽、50mm深的通道。在相对侧钻了具有类似深度的180mm直径的圆孔。在图22b中，沿着圆筒2110的长度安排了轴向安装的发射器总成2115、声反射镜2120和12个接收器2130的阵列。发射器信号首先在水槽中记录。

利用图21a和21b所示的装置，反射数据由阵列中的几个接收器记录，接收器来自一个发射器位置处的一个方位角和一个倾斜的一个声源。这种数据在地震行业通常称为多偏移距数据。根据标准的信号处理理论，接收的信号与线性调频波束信号进行相关，并且随后进行源信号的反褶积。图22显示了反褶积后的结果信号。这将对应于在地面地震中的偏移距剖面显示。可见到沿着井壁传播的多个直接线性波至和来自外壁的反射。

该试验以五度增量对多个方位角重复，并且实例结果以多个方位角的偏移距显示方式显示在图23中。该图显示了覆盖35到145度方位角的多个方位角偏移距剖面的显示序列。X轴的刻度是道号而每张偏移距剖面都有12道，其中连续剖面对应于五度增量。来自井眼之外的反射信号在多张方位角剖面中都可见。反射信号的旅行时间清楚地显示了波至时间的变化，与外壁尺寸的可变性对应。

同一数据能够再次分选对于单一声源接收器间隔（在地震行业通常称为偏移距间隔）对方位角显示所检测到的信号，如图24所示。凹槽的几何图像在图中相当明显。以不同的源波束倾角能够重复该试验以提供更有方向性的扫描和冗余，改进图像。

通过从标准3D成像改编的多种成像算法能够处理由所介绍的系统收集的3D井眼地震反射数据。例如，每次声源把能量辐射到一个朝向的反射镜时，照明波场的特征由该声源/反射镜系统的方向性以及该声源与井眼和/或地层内部的任何点之间的格林函数描述。从接收器到井眼/地层内部任何点的相反路径可以类似地被视为方向性函数与格林函数的结合。来自介质中任何点由于特定的声源和接收器的模拟响应是这些声源和接收器函数的褶积。在介质中任何点，来自每个声源/接收器对的图像贡献被取为模拟响应函数与记录数据互相关中零迟延的值。这种特定系统具有可以被利用的某些几何结构特征，比如用经由反射镜形孔辐射并利用柱对称性的虚拟声源取代声源和反射镜。

接收波形的记录被处理以产生该地层的反射或透射特征。该波束的传播方向和飞行时间可以确定散射波的产生位置，使这种设备与使用常规无方向的单极和双极声源的标准声成像区分开。与常规声源相比，使用波束的相关联的效应在于，对地层声学性质图像的计算可以不要求对岩层速度场的详细描述。波束传播方向和飞行时间的度量简化和改进了识别波被反射或散射的位置的能力。确切地说，知道了离开工具的波束朝向就使所记录的散射波的来源沿着波束方向定位，而时间延迟使散射源的位置沿着波束路径定位。因此，与3D图像计算要求准确的详细速度模型的常规（非波束）声源相比，利用波束源的井眼成像可以呈现最终时间图像的简化和不确定性降低。不仅如此，因为波束被聚焦并在方位角和关于井眼的倾角上可操纵，所以该成像趋向具有比常规（非波束）声源所获得的分辨率更高的分辨率。本方法允许若干特征的详细成像，包括侵入区、与套管的水泥固结、受损区、裂隙区、地层学上的分层，尤其在高视倾角（层理平面与正交于工具轴的平面之间的夹角）。本发明的宽带差波束频率的范围从1kHz至100kHz。这个频率范围的低端，也由某些常规的声测井工具使用，实现了高达一百英尺的穿透深度。重要的是注意，因为波束是宽带并能够被编码，所以检测信号的信噪比在处理和解码后可以显著地增强。因为宽带波束具有一般更大的穿透深度和由于编码而更高信噪比的特征，所以本方法同样可以允许对井眼周围岩层及其流体成分的详细成像和/或非线性性质的特征描述。

在许多派生自井眼周围成像的应用中都可以使用以上详细介绍的各种声束源。例如，以上介绍的声束源可以用于多种自然裂隙评估，晶簇、结核或其他不均匀体测绘，一个或多个套管柱与下套管井周围地层之间的水泥外层的存在和性质的评估，测绘来自井眼的流体侵入以及井眼周围地层机械完整性的评估，尤其是由近井眼应力集中导致的任何变化。紧凑源在若干领域还有其他应用，比如无损探伤。

以上详细介绍的多种配置仅仅为了展示目的。对于其他应用能够对这些配置作出若干修改而不脱离本发明。例如，在随钻测井（LWD）和管道运送的配置中，使用了允许该工具通过钻柱底部的技术，紧凑声束发生设备将能够有效地预测钻头前方，带来钻头到达前对地层的超压区或流变学显著变化的检测。对波束的操纵也能够实现钻头前方的反射体的倾角和方位角的间接测量。另一种应用是钻头前方断层几何形状的检测。

本文使用的术语“透镜”应当理解为折射和反射的结构和材料都包括，正如本领域技术人员将认识到。

尽管基于当前被认为是各种各样的有用实施例，为了展示目的已经详细地介绍了本发明，但是应当理解，这样的细节仅仅是为了该目的，而本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意在覆盖附带的权利要求书的实质和范围内的修改和等效布局。例如，尽管本文对计算机进行了引用，但是这可以包括通用计算机、专用计算机、包括机器可执行指令并被编程为执行这些方法的ASIC、计算机阵列或网络或者其他适当的计算设备。如图10和图14所示，由接收器收集的数据将经历某些处理，并且或者被存储在工具中的存储器中，或者被传送到井上做进一步处理和存储。作为进一步实例，应当理解，本发明设想了，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征都能够与任何其他实施例的一个或多个特征进行组合。

Claims (18)

1.一种在测井工具内产生声能平行波束并将其指引进井眼中的方法，所述方法包括：

产生第一频率的第一声波；

产生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井眼内的工具承载的至少一个换能器产生；

把所述第一声波和所述第二声波传送到所述测井工具内的声学非线性介质中，其中，所述非线性介质通过非线性混合所述第一声波和所述第二声波而产生平行波束，其中所述平行波束具有基于所述第一频率与所述第二频率之间差的频率，并且其中，所述非线性介质是从具有100m/s与800m/s之间的声速、2与50之间的非线性参数β和大于30的品质因数Q的材料中选择的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性介质选自包括以下各项的组：包括乳状液的各种液体的混合物、包括颗粒状物质或嵌入的微球体的固体、或上述的组合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述平行波束具有频率范围。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述平行波束的频率范围在15kHz与120kHz之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一频率包括一系列的频率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二频率包括一系列的频率。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括把所述平行波束传送到所述井眼周围的物质中。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述物质是岩层、水泥或套管或者上述的组合。

9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括由可移动声反射镜反射和引导平行声束。

10.一种部署在井眼内的电缆或管道运送的测井工具，被配置为在所述测井工具内产生和指引平行声束，所述测井工具包括：

外壳(1435，1520)；

至少一个换能器(130，1415，1505)，由所述外壳承载并且被配置为产生第一频率的第一声波以及不同于所述第一频率的第二频率的第二声波；以及

由所述外壳承载的非线性介质(140，1420，1510)，其中，所述非线性介质被配置为通过非线性混合所述第一声波和所述第二声波而产生平行波束，其中所述平行波束(1425，1515)具有基于所述第一频率与所述第二频率之间差的频率，并且其中，所述非线性介质是从具有100m/s与800m/s之间的声速、2与50之间的非线性参数β和大于30的品质因数Q的材料中选择的。

11.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述非线性介质选自包括以下各项的组：包括乳状液的各种液体的混合物、包括颗粒状物质或嵌入的微球体的固体、或上述的组合。

12.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述平行波束具有频率范围。

13.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述平行波束的频率范围在15kHz与120kHz之间。

14.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述第一频率包括一系列的频率。

15.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述第二频率包括一系列的频率。

16.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述测井工具被配置为把所述平行波束传送到所述井眼周围的物质中。

17.根据权利要求16所述的测井工具，其中，所述物质是岩层、水泥或套管或者上述的组合。

18.根据权利要求10所述的测井工具，进一步包括可移动声反射镜，被配置为反射和引导平行声束。