EA019234B1

EA019234B1 - Устройство и способ для формирования пучка акустической энергии из ствола скважины и их применение

Info

Publication number: EA019234B1
Application number: EA201170129A
Authority: EA
Inventors: Кунг Кхак Ву; Дипен Н. Синха; Кристиан Пантеа; Курт Нихеи; Денис П. Шмитт; Кристофер Скелт
Original assignee: ШЕВРОН Ю.Эс.Эй., ИНК.; Лос Аламос Нэшнл Секьюрити Элэлси
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2014-02-28
Also published as: JP5518058B2; CA2729059A1; US20100002540A1; US20100322031A1; US8259530B2; EP2297595A1; AU2009264973A1; CA2729059C; CN102124376A; BRPI0913674A2; US7839718B2; EA201170129A1; JP2011526971A; WO2010002607A1; ES2493690T3; SG192469A1; EP2297595B1; US20100322029A1; AU2009264973B2; US8233349B2

Abstract

Раскрыто устройство, располагаемое внутри ствола скважины и предназначенное для формирования и направления акустического пучка в формацию вокруг ствола скважины. Устройство содержит источник для создания первого сигнала с первой частотой и второго сигнала со второй частотой, преобразователь для приема созданных первого и второго сигналов и создания акустических волн с первой частотой и второй частотой и нелинейный материал, связанный с преобразователем, предназначенный для формирования коллимированного пучка с частотой, равной разности между первой частотой и второй частотой, посредством процесса нелинейного смешивания и включающий в себя один или несколько из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, введенных микросфер или эмульсии.

Description

В общем, настоящее изобретение относится к акустическому исследованию формаций вокруг ствола скважины, а более конкретно к использованию комбинированного устройства, состоящего из акустического источника, включающего в себя одиночный преобразователь или решетку преобразователей в стволе скважины и связанного с ним нелинейного материала, для создания акустического пучка в качестве зондирующего инструмента из скважины, предназначенного для исследования свойств формации и материалов, окружающих ствол скважины.

Уровень техники

Акустическое исследование подземных объектов, как правило, ограничено размером и мощностью практических источников, и на практике выходная мощность скважинных акустических преобразователей ограничена энергетической пропускной способностью каротажного кабеля. Высокочастотные сигналы имеют относительно небольшое расстояние проникновения, тогда как для низкочастотных сигналов обычно требуются большие источники, прикрепляемые к стенке ствола скважины для максимизации передачи энергии в формацию и минимизации нежелательных сигналов внутри ствола скважины. При обычных низкочастотных преобразователях трудно формировать из ствола скважины сигнал коллимированного акустического пучка в диапазоне 10-100 кГц, чтобы зондировать формацию, окружающую ствол скважины. Обычные низкочастотные акустические источники в этом диапазоне частот имеют небольшую ширину полосы, меньше чем 30% центральной частоты, и очень большое расхождение пучка, которое зависит от частоты так, что по мере снижения частоты расхождение пучка возрастает. Для острой фокусировки требуется соблюдение ряда условий, в том числе наличие длинной решетки источников, равномерной связи всех преобразователей с формацией вокруг ствола скважины и знание скоростей акустических волн в формации. В скважинной среде эти условия могут соблюдаться нечасто по причине основополагающих физических ограничений, технических возможностей или рабочих условий.

Источники акустического пучка, основанные на нелинейном смешивании акустических волн, предлагаются с 1950 гг. для общих применений в жидкой среде, например для гидролокационной станции. Для подземных применений в патенте США № 3974476 (Со\\!с5) раскрыт акустический источник, предназначенный для исследований в стволе скважины. В раскрытии Со\\!с5 описано генерирующее устройство с акустическими источниками, которое физически не может находиться в стволе скважины типового размера, принятого в нефтегазовой отрасли. Например, формированию пучка на частоте 1 кГц путем смешивания двух частот около 5 МГ ц в условиях ствола скважины препятствуют основные физические принципы. Типовой спускаемый на кабеле каротажный прибор имеет диаметр 3 5/8 дюйма (9,2 см), при этом длина волны в типичной текучей среде для волны на 1 кГц при 1500 м/с составляет 1,5 м. Эта величина представляет собой близкую к 10 диаметрам ствола скважины. Эта акустическая волна на 1 кГц не может стать коллимированной без нарушения основного принципа неопределенности физики дифракции волн. Кроме того, смешивание частот около 5 МГц для образования волны на 1 кГц означает коэффициент понижения частоты 5000:1, который, как было показано, на практике не достижим. Прибор длиной 4,5 м, который предложил Со\\'1с5. является слишком длинным и непригодным для установки в современные каротажные колонны.

Краткое изложение

В соответствии с аспектом изобретения создано устройство, располагаемое внутри ствола скважины и предназначенное для формирования и направления акустического пучка в формацию вокруг ствола скважины. Устройство содержит источник для создания первого сигнала с первой частотой и второго сигнала со второй частотой, преобразователь для приема созданных первого и второго сигналов и создания акустических волн с первой частотой и второй частотой и нелинейный материал, связанный с преобразователем, предназначенный для формирования коллимированного пучка с частотой, равной разности между первой частотой и второй частотой, посредством процесса нелинейного смешивания и включающий в себя один или несколько из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, введенных микросфер или эмульсии.

В соответствии с другим аспектом изобретения создан способ формирования пучка акустической энергии в формации, вскрытой стволом скважины, содержащий создание первой акустической волны с первой частотой, создание второй акустической волны со второй частотой, отличной от первой частоты, при этом первая акустическая волна и вторая акустическая волна создаются с помощью преобразователя, расположенного внутри ствола скважины, передачу первой и второй акустических волн в акустически нелинейную среду для создания коллимированного пучка в процессе нелинейного смешивания, при этом коллимированный пучок распространяется через нелинейную среду в направлении, совпадающим с исходным направлением первой и второй акустических волн, и имеет частоту, равную разности частот первой и второй акустических волн, причем нелинейный материал включает в себя один или несколько из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, введенных микросфер или эмульсии, и направление коллимированного пучка в заданном направлении на расстояние от ствола скважины в формацию.

В соответствии с другим аспектом изобретения создан способ формирования пучка акустической энергии в формации, вскрытой стволом скважины, содержащий создание первой акустической волны с

- 1 019234 первой частотой, создание второй акустической волны со второй частотой, отличной от первой частоты, при этом первая акустическая волна и вторая акустическая волна создаются с помощью преобразователя, расположенного внутри ствола скважины, передачу первой и второй акустических волн в акустически нелинейную среду для создания коллимированного пучка в процессе нелинейного смешивания, при этом нелинейная среда включает в себя одну или несколько из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, введенных микросфер или эмульсии, направление коллимированного пучка в заданном направлении в формацию и прием коллимированного пучка на одном или нескольких приемниках после его отражения или обратного рассеяния от неоднородности в формации, материалов вблизи ствола скважины или от обоих.

Эти и другие объекты, признаки и характеристики настоящего изобретения и способы работы и функции связанных элементов структуры и совокупности частей и экономические аспекты изготовления станут более очевидными после рассмотрения нижеследующего описания и прилагаемой формулы изобретения с обращением к сопровождающим чертежам, которые образуют часть этого описания, при этом на разных фигурах одинаковыми позициями обозначены аналогичные детали. Однако понятно, что чертежи приведены только для иллюстрации и описания и не определяют объем изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает обобщенную схему устройства для образования коллимированного пучка согласно аспекту изобретения;

фиг. 2а, 2Ь и 2с иллюстрируют различные способы образования разностной частоты посредством нелинейного процесса согласно аспектам изобретения;

фиг. 3а и 3Ь - приведенные для сравнения экспериментальные результаты и теоретические прогнозы нелинейного смешивания в воде в значениях амплитуды коллимированного пучка и осевого положения (по направлению ζ);

фиг. 4а и 4Ь - экспериментальные результаты нелинейного смешивания в воде в качестве нелинейной среды в значениях амплитуды коллимированного пучка на различных частотах возбуждения и осевого (по направлению ζ) и поперечного (по направлению х) положений;

фиг. 5а и 56 - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок образуют с помощью сигнала с линейной частотной модуляцией;

фиг. 6а, 6Ь и 6с - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок образован с помощью сигнала с линейной частотной модуляцией;

фиг. 7а, 7Ь и 7с - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок образован в соответствии с процессом нелинейного смешивания с использованием блока пены СЫС;

фиг. 8 - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок, образованный в процессе нелинейного смешивания с использованием блока пены СЫС, проходит через замкнутую алюминиевую трубу;

фиг. 9 - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок образован в процессе нелинейного смешивания с использованием блока керамики 310М в качестве нелинейного материала;

фиг. 10 - вариант изобретения, в котором устройство используется для определения характеристик формаций и/или материалов вблизи ствола скважины;

фиг. 11 - оси поворота устройства направления акустического пучка согласно изобретению;

фиг. 12 - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок, образованный в процессе нелинейного смешивания с использованием блока керамики 310М в качестве нелинейного материала, проходит через металлическую обсадную трубу;

фиг. 13а и 13Ь - вариант изобретения, в котором коллимированный пучок после направления акустическим зеркалом выходит из металлической обсадной трубы;

фиг. 14 - вариант изобретения, в котором устройство используется совместно с акустической фокусирующей системой или без нее для наблюдения по прямой линии вниз в стволе скважины;

фиг. 15а, 15Ь и 15с изображают экспериментальную установку и результаты построения изображения объекта с наружной стороны трубы согласно аспекту изобретения.

Подробное описание

На фиг. 1 показана обобщенная схема устройства для образования коллимированного пучка согласно варианту изобретения. В некоторых осуществлениях один или несколько источников 110 используют для создания первого сигнала с первой частотой и второго сигнала со второй частотой. В качестве неограничивающего примера сигналы могут создаваться двухканальным генератором сигналов. Можно использовать аналогичные сигнальные или функциональные генераторы. Сигналы от источников принимаются одним или несколькими усилителями 120 сигналов и передаются на один или несколько преобразователей 130, которые используются для создания акустических волн с первой и второй частотами. Пьезоэлектрические преобразователи являются одним видом, пригодным для этого применения. В случае использования нескольких преобразователей их можно компоновать с образованием решеточной конфигурации. Неограничивающими примерами решеточной конфигурации могут быть линейная, круговая, заполненная кольцевая или квадратная решетка. Преобразователи в решетке разделяют на две группы, при этом первая группа преобразователей активируется источником с первой частотой и вторая

- 2 019234 группа преобразователей активируется тем же источником или другим источником со второй частотой. В некоторых аспектах изобретения источник для формирования первой частоты и источник для формирования второй частоты активируют все преобразователи одновременно. В качестве неограничивающего примера первая частота равна 1,036 МГц, и вторая частота равна 0,953 МГц. В некоторых осуществлениях первая частота и вторая частота находятся в пределах от 300 кГц до 2 МГц.

Акустический сигнал передается в нелинейный материал 140 для формирования коллимированного акустического пучка в процессе нелинейного смешивания. Нелинейный материал может быть жидкостью, смесью жидкостей, твердым веществом, гранулированным материалом, введенным в твердую оболочку, введенными микросферами или эмульсией. Неограничивающим примером такого нелинейного материала является керамическая пена 310М, поставляемая Со1гошс5 οί Вгоок1уп, Нью-Йорк, которая состоит из кварцевой керамики чистотой выше 99% и обладает небольшим тепловым расширением и небольшой удельной теплопроводностью, высокой термостойкостью и большим коэффициентом отражения теплоты. Пена 310М имеет плотность 0,80 г/см³, а скорость звука в ней 1060 м/с. Другим неограничивающим примером нелинейного материала является пенополиуретановый панельный материал. Пену этого вида обычно обрабатывают на станке с числовым программным управлением типа СЫС (ЧПУ типа СЫС). Обрабатываемая на станке с ЧПУ типа СЫС пена имеет плотность 0,48 г/см³, а скорость звука в ней 1200 м/с. В зависимости от рабочих условий в стволе скважины другие нелинейные материалы можно использовать в качестве нелинейной смесительной среды при наличии соответствующих низкой скорости звука, сильной нелинейной связи, длины поглощения, длины ударной волны, рабочих диапазонов температуры и давления, а также необходимых условий, обусловленных требованиями к работоспособности. Кроме того, длина нелинейного материала может быть очень небольшой и в зависимости от вида используемого материала может быть в пределах от 5 см до 2 м.

Его нелинейную характеристику можно описать, анализируя свойства продольных волн, являющихся результатом явления нелинейного смешивания, при котором две падающие волны на двух различных частотах ί и ί₂ смешиваются с образованием трех частотных составляющих в виде гармоник и интермодуляционных частот ί₂-ί_μ ί₂+ί1, 2Г) и 2ί₂ и т.д. В варианте изобретения явление нелинейного коллинеарного смешивания рассчитывают так, чтобы оно возникало в нелинейном материале внутри ствола скважины. В общем случае для этого применения представляет интерес только получающаяся третья волна разностной частоты Γ₂·ίί· Более высокие частоты распространяются на короткие расстояния и имеют склонность поглощаться в самом нелинейном материале. В некоторых осуществлениях третья волна или коллимированный пучок имеет частоту от 10 до 100 кГц.

Коллимированный пучок принимается одним или несколькими приемниками 150, расположенными в том же самом стволе скважины, в котором образуют коллимированный пучок, или в другом стволе скважины. Например, приемник может быть акустическим преобразователем, гидрофоном или приемником другого вида, пригодным для представляющего интерес диапазона частот.

Принимаемый сигнал может фильтроваться полосовым фильтром 160 и усиливаться предварительным усилителем 170. Фильтрованный и усиленный сигнал может отображаться на графическом планшете, таком как цифровой осциллограф 180. Цифровой осциллограф 180 может управляться компьютером 190. Кроме того, компьютер 190 можно использовать для управления генератором 110 сигналов.

На фиг. 2а, 2Ь и 2с показаны различные способы создания разностной частоты в нелинейном материале. Обозначения ί, ί и ί₂ относятся к высокочастотным сигналам. Сигналы, принимаемые преобразователем 210 от источника 110 и усилителя 120 мощности, входят в нелинейный материал 220. После распространения на некоторую длину в нелинейном материале 220 создается разностная частота. На фиг. 2а показано создание разностной частоты ί₂-ίι при подаче двух различных сигналов, имеющих две различные частоты ίι и ί₂, на один и тот же преобразователь 210. На фиг. 2Ь показано создание разностной частоты Δί при подаче амплитудно-модулированного сигнала частоты ί и модуляции Δί. На фиг. 2с показано создание разностной частоты ί2-ί1 при подаче двух различных сигналов, на первый преобразователь 230, имеющий первую частоту ί1, и на второй преобразователь 240, имеющий вторую частоту ί2. Высокочастотные пучки перекрываются в нелинейном материале, и образуется разностная частота ί2-ί1.

В соответствии с изложенным выше и в качестве неограничивающего примера первая частота равна 1,036 МГц и вторая частота равна 0,953 МГц. Коллимированный акустический пучок, формирующийся при взаимодействии с нелинейным материалом, имеет частоту, равную разности между первой частотой и второй частотой. В этом примере коллимированный акустический пучок имеет узкую частотную полосу с отчетливой доминирующей частотой 83 кГц. В некоторых осуществлениях коллимированный акустический пучок может иметь относительно широкий диапазон частот, при этом первая частота является одиночной узкополосной частотой, а вторая частота является качающейся в более широком диапазоне частот. Первая частота также может быть качающейся в широком диапазоне частот, как и вторая частота. В любом случае первая частота, вторая частота или обе могут быть в кодированном сигнале или некодированном радиоимпульсе с линейной частотной модуляцией. Одно преимущество кодированного сигнала заключается в повышении отношения сигнала к шуму.

В некоторых осуществлениях коллимированный пучок кодируют изменяющимся во времени кодом, который может быть привнесен в первый или второй сигнал или в оба. Изменяющийся во времени

- 3 019234 код может включать в себя одну или несколько из вариации амплитуды, вариации частоты и/или вариации фазы первого, второго сигнала или обоих первого и второго сигналов. Принимаемый изменяющийся во времени код коллимированного пучка можно использовать для измерения времени прохождения пучка. Кроме того, в некоторых осуществлениях коллимированный пучок может быть широкополосным, если одна из первичных частот является качающейся в пределах диапазона частот, тогда как другая является фиксированной. Поэтому получающийся третий пучок ί₂-ίι будет качающимся в широком диапазоне частот.

На фиг. 3 показаны результаты лабораторных измерений относительно теоретических прогнозов, основанных на теории нелинейного смешивания и распространения волн. Акустические волны искажаются нелинейными характеристиками среды, через которую они распространяются. Нелинейное распространение акустических волн можно моделировать с помощью уравнения Хохлова-ЗаболоцкойКузнецова, которое можно решать методом конечно-разностного приближения. Уравнением ХохловаЗаболоцкой-Кузнецова объясняются различные нелинейные характеристики, такие как дифракция звукового давления, ослабление звукового давления (то есть поглощение) и образование гармонической частотной составляющей (т.е. нелинейность), и моделируется форма акустического сигнала, например звукового давления, с учетом таких параметров, как исходное звуковое давление излучения, диаметр преобразователя и геометрия решетки преобразователей, расстояние, пройденное волной, и среда. В нелинейном параболическом уравнении Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова учитываются совместные эффекты дифракции, поглощения и нелинейности в направленных звуковых пучках. Уравнение ХохловаЗаболоцкой-Кузнецова для осесимметричного звукового пучка, который распространяется в положительном направлении ζ, можно выразить в членах акустического давления р в следующем виде:

где ΐ'=1-ζ/θο является переменной времени запаздывания, ! является временем, с₀ представляет собой малосигнальную скорость звука, _ _ Сг гУ/г ~ + > является радиальным расстоянием от оси ζ (т.е. от центра пучка), а² + £ _е_ дг^г г 8г является трансверсальным оператором Лапласа и р0 представляет собой плотность окружающей текучей среды. Кроме того, 0 = ^10 + 0 + 0---0 . . . .

- ' Φ является коэффициентом диффузии звука в термовязкой среде, где ζ представляет собой объемную вязкость, η - сдвиговую вязкость, к - удельную теплопроводность, а с,, и с_р удельные теплоемкости при постоянном объеме и давлении соответственно. Коэффициент нелинейности определяется в соответствии с β = 1+В/2А, где В/А является параметром нелинейности среды. Первым членом в правой части уравнения (1) учитываются эффекты дифракции (фокусировки), вторым членом поглощение и третьим членом - нелинейность создающей затухание среды. Дальнейшие подробности относительно формы и использования модели Хохлова-Заболоцкой-Кузнецова (ХЗК) можно найти в диссертации У.-8. Ьее №.ипепса1 δοϊιιΐίοπ οί 1йе ΚΖΚ сс.|иа1юп Гог ри1зсб Дийе атр1йибе зоииб Ьсатз ίπ 111егтоу18сои8 Дшбз, Ρ11Ό. О|55ег1а1юп. Тйе Ишуегайу οί Техаз а! Аизйи (1993), которая полностью включена в эту заявку путем ссылки.

При лабораторных измерениях преобразователь активизировали на 0,953 и 1,036 МГц, что приводило к коллимированному пучку, имевшему частоту, равную разности 1,036-0,953 МГц=83 кГц. Коллимированный пучок создавали в процессе нелинейного смешивания, используя воду в качестве нелинейного материала. На фиг. 3а показана амплитуда сформированного пучка для диапазона положений ζ и х гидрофонного приемника. На фиг. 3Ь показан график наблюдавшегося осевого профиля интенсивности, находящегося в хорошем согласии с теорией.

На фиг. 4а показаны результаты, полученные при активации преобразователей на ряде различных частот, и поэтому были созданы коллимированные пучки, имевшие различные частоты. Результаты показаны в виде графика зависимости амплитуды, определенной по напряжению, от положения вдоль направления оси ζ, отсчитанного в миллиметрах. При этом лабораторном исследовании были образованы коллимированные пучки на частотах 10, 37, 65, 83 и 100 кГц. Как можно видеть на фигуре, коллимированные пучки имеют аналогичные профили пучка по направлению оси ζ. На фиг. 4Ь показаны поперечные сечения пучков на расстоянии 110 мм от излучателя. На этой фигуре амплитуда пучков, представленная напряжением, изображена в зависимости от расстояния в направлении оси х, измеренного в миллиметрах. Результаты показывают, что коллимированные пучки на ряде частот в поперечных сечениях представляют собой похожие высококонцентрированные пучки по направлению х, в отличие от волн той же частоты, которые в большей степени расходятся в направлении х.

Как рассматривалось выше, коллимированный пучок может иметь относительно узкий диапазон

- 4 019234 частот, при этом один или несколько преобразователей активируют с помощью источника, формирующего конкретную частоту, или коллимированный пучок может иметь относительно широкий диапазон частот. Пример образования коллимированного пучка, имеющего относительно широкий диапазон частот, показан на фиг. 5а и 5Ь. В качестве неограничивающего примера на фиг. 5а показан сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) конечной длительности, который имеет диапазон частот от 900 кГц до 1 МГ ц, и радиоимпульс частотой 1 МГ ц. На фиг. 5Ь показан получающийся в результате пакетный сигнал, изображенный в виде зависимости амплитуды, представленной напряжением, от времени в микросекундах.

На фиг. 6а показан результат серии поперечных сканирований пучка, показанного на фиг. 6Ь, на выбранных расстояниях в направлении ζ от излучателя. Выбранные расстояния составляют 10, 20, 30, 50 и 60 см. График зависимости амплитуды, определенной по напряжению, от расстояния по оси х показывает, что расхождение пучка является небольшим и относительно постоянным и не зависит от расстояния от преобразователя в направлении ζ. Частотный спектр коллимированного пучка показан на фиг. 6с. Фигура показывает, что пригодный к использованию диапазон частот для этой конкретной схемы составляет от 20 до 120 кГц. Нижний конец используемого диапазона частот может быть ниже 5 кГц и ограничен только размером ствола скважины. Другие полосы частот можно использовать для коллимированного пучка, включая частоты акустического каротажа, которые обычно находятся в килогерцовом диапазоне, и полосу скважинного акустического телевизора, которая обычно находится в диапазоне от сотен килогерц до мегагерца. Одно преимущество такой схемы заключается в том, что использование в стволе скважины источника широкополосного сигнала с линейной частотной модуляцией способствует повышению отношения сигнала к шуму по сравнению с источником сигнала без линейной частотной модуляции. Сигнал с линейной частотной модуляцией также позволяет получать улучшенную оценку время-задержка, которая полезна в применениях с построением изображения.

На фиг. 7а показан коллимированный пучок, образованный в соответствии с процессом смешивания при использовании блока пены ΟΝΟ в качестве нелинейного материала. Решетка 710 преобразователей выполнена с возможностью образования акустической волны на частотах 1,000 и 1,087 МГц. Решетка 710 преобразователей связана с пеной 720 ΟΝΟ. в которой два акустических сигнала смешиваются, формируя коллимированный пучок 730, имеющий частоту 87 кГц. Блок пены ΟΝΟ имеет апертуру 80 мм, от которой распространяется коллимированный пучок. На фиг. 7Ь показана амплитуда коллимированного пучка во временной области на поперечном расстоянии 90 мм (по оси х) и осевом расстоянии 20 мм (по оси ζ). На фиг. 7с показан коллимированный пучок в частотной области, имеющий острый пик на 87 кГц.

Фиг. 8 аналогична фиг. 7а, но на ней показан коллимированный пучок 810, сформированный с помощью решетки 820 преобразователей и блока 830 пены ΟΝΟ, размещенных внутри оболочки 840. Как показано, оболочка 840 представляет собой алюминиевую трубу, имеющую общую длину 323 мм, внутренний диаметр 140 мм и наружный диаметр 153 мм.

Фиг. 9 аналогична фиг. 7а и на ней показан коллимированный пучок, образованный в соответствии с процессом нелинейного смешивания при использовании блока керамики 310М в качестве нелинейного материала. Решетка 910 преобразователей выполнена с возможностью создания акустических сигналов на частотах 1,353 и 1,440 МГц. Решетка 910 преобразователей связана с блоком 920 керамики 310М, в котором два акустических сигнала смешиваются, формируя коллимированный пучок 930, имеющий частоту 87 кГц. Блок 920 керамики 310М имеет апертуру 110 мм, от которой распространяется коллимированный пучок. Как показано на фигуре, коллимированный пучок имеет боковые лепестки, которые проходят в область ближнего поля на расстояние, составляющее несколько сантиметров от апертуры блока керамики, однако эти боковые лепестки не проходят в область дальнего поля пучка.

На фиг. 10 показан вариант изобретения, в котором устройство используется для получения характеристик формаций и/или материалов вблизи ствола скважины. Один или несколько источников 1005 создают сигналы с первой и второй частотами. Сигналы передаются на усилитель или усилители 1010 сигналов, которые выполнены с возможностью повышения мощности сигналов. Сигналы, видоизмененные усилителем 1010, передаются на один или несколько преобразователей 1015, которые выполнены с возможностью создания акустических волн на первой и второй частотах. Акустические волны передаются к нелинейному материалу 1020, в котором волны смешиваются с помощью процесса смешивания, при этом образуется коллимированный акустический пучок 1025.

Коллимированный акустический пучок 1025 можно направлять в конкретное направление устройством 1030 направления акустического пучка. Устройство 1030 направления акустического пучка может быть акустическим отражателем или акустической линзой. Акустический отражатель может быть материалом с акустическим импедансом, отличающимся от акустического импеданса окружающей среды, в которой распространяется пучок. Одним неограничивающим примером такого акустического отражателя является металлическая пластина. Акустическую линзу выполняют с возможностью фокусировки коллимированного акустического пучка в конкретную точку фокусировки и в конкретном направлении, и она может иметь вогнутую форму. Для устройства направления акустического пучка можно использовать схему зеркала Френеля. Устройство направления акустического пучка можно поворачивать, задавая

- 5 019234 определенную ориентацию, используя один или несколько приводов 1035, более подробно показанных на фиг. 11, соединенных с устройством направления. В некоторых осуществлениях устройство 1030 направления акустического пучка может не использоваться, и коллимированный пучок будет распространяться вдоль оси ствола скважины.

Коллимированный пучок 1040 может отражаться от устройства 1030 направления и направляться в конкретном направлении к представляющему интерес объекту 1045 вблизи ствола скважины. Неоднородности формаций, такие как объект 1045 или соседний слой, расположенный вдоль пучка, вызывают отражение или рассеяние акустического пучка. Отраженные и рассеянные волны 1050 принимаются одним или несколькими приемниками 1055 в этом же стволе скважины (в случае построения изображения единственной скважины) или в другом стволе скважины (в случае построения межскважинного изображения). Приемники 1055 могут быть соединены с устройством 1030 направления с тем, чтобы приемники могли быть выполнены с возможностью приема отраженных волн 1050 в случае, когда устройство 1030 направления перемещается. Сигналы, принимаемые приемниками 1055, могут быть переданы для анализа на обрабатывающую электронную аппаратуру 1060. Обрабатывающая электронная аппаратура 1060 может включать в себя компьютер с соответствующим программным обеспечением для описания характеристик формации, включая построение двумерных или трехмерных изображений формации. Скважинную аппаратуру помещают в оболочку 1065 для выполнения стандартных операций скважинного каротажа.

В некоторых аспектах изобретения устройство в целом, включающее в себя преобразователи 1015, нелинейный материал 1020 и приемники 1055, можно перемещать вверх и вниз по длине ствола скважины для построения изображения конкретной формации вблизи ствола скважины. Кроме того, устройство в целом с приемниками 1055 или без них можно поворачивать вокруг оси ствола скважины для построения изображений формаций в любом азимутальном направлении вокруг ствола скважины.

На фиг. 11 показаны соответствующие оси поворота устройства 1105 направления акустического пучка. Направлением коллимированного пучка управляют, избирательно регулируя азимут устройства направления путем поворота устройства направления вокруг оси 1110 и его наклон 1115, угол между плоскостью передней стороны устройства направления и осью устройства направления. Используя приводы (непоказанные), можно эффективно регулировать плоскость устройства направления по азимуту и наклону. Поэтому приводы можно использовать для управления направлением или изменения направления коллимированного пучка.

На фиг. 12 показан коллимированный пучок, проникающий через металлическую обсадную трубу, образованный в процессе нелинейного смешивания при использовании блока керамики 310М в качестве нелинейного материала. Решетка 1205 преобразователей выполнена с возможностью создания акустических сигналов, имеющих частоты, например, 1,000 и 1,087 МГц. Решетка 1205 преобразователей связана с блоком 1210 керамики 310М, в котором два акустических сигнала смешиваются, формируя коллимированный пучок 1215, имеющий частоту 87 кГц, который проходит через металлическую обсадную трубу 1220. Решетку 1205 преобразователей можно поворачивать вокруг продольной оси ствола скважины для построения изображения формации вокруг ствола скважины. Отраженный или рассеянный обратно от формации пучок может быть принят одним или несколькими приемниками (непоказанными) в стволе скважины или в другом стволе скважины. Приемники могут быть соединены с решеткой 1205 преобразователей для поворота аналогичным образом с тем, чтобы отраженный или обратно рассеянный пучок принимался приемниками. Как можно видеть на фигуре, коллимация пучка сохраняется после выхода из металлической обсадной трубы 1220.

На фиг. 13а и 13Ь показаны коллимированные пучки после направления акустическим зеркалом и выхода из металлической обсадной трубы. Фиг. 13а и 13Ь аналогичны фиг. 12 при наличии различия в том, что нелинейный материал (вода в этом случае) создает нелинейный пучок вдоль трубы и пучок направляется из трубы перпендикулярно к исходному направлению распространения с помощью пластины акустического зеркала. Решетка 1305 преобразователей выполнена с возможностью создания акустических сигналов, имеющих частоты, например, 0,953 и 1,036 МГц. Решетка 1305 преобразователей связана с нелинейным материалом (водой) 1310, в котором два акустических сигнала смешиваются, формируя коллимированный пучок 1315, имеющий частоту 83 кГц, который отражается от акустического зеркала 1320 и проходит через металлическую обсадную трубу 1325. Как показано на фигуре, пучок сохраняет коллимацию после выхода из металлической обсадной трубы 1325 и может легко направляться путем поворота акустического зеркала таким способом, при котором изменяется угол падения коллимированного пучка. На фиг. 13Ь показан процесс направления пучка, который происходит, когда зеркало 1320 поворачивают.

На фиг. 14 показан вариант изобретения, в котором устройство используется совместно с акустической фокусирующей системой. Один или несколько источников 1405 создают сигналы с первой и второй частотами. Сигналы передаются на усилитель или усилители 1410 сигналов, которые выполнены с возможностью повышения мощности сигналов. Сигналы, видоизмененные усилителем 1410, передаются на один или несколько преобразователей 1415, которые выполнены с возможностью создания акустических сигналов с первой и второй частотами. Акустические сигналы проходят в нелинейный материал 1420, в

- 6 019234 котором сигналы смешиваются с помощью процесса смешивания с получением коллимированного акустического пучка 1425.

В некоторых осуществлениях коллимированный акустический пучок 1425 падает на акустическую фокусирующую систему 1430. Для коллимированного пучка характерна тенденция к некоторому расхождению пучка, которое возрастает по мере распространения пучка на протяжении оболочки (т.е. трубы). Это расхождение пучка означает, что на некотором расстоянии от начала пучка будет происходить взаимодействие пучка со стенками оболочки, которое способствует созданию нежелательных эффектов. Акустическая фокусирующая система 1430 снижает это взаимодействие пучка и стенок оболочки благодаря фокусировке пучка и тем самым уменьшает расхождение пучка. Нет необходимости в том, чтобы фокусировка сводила профиль пучка к точке, а она должна только создавать отчетливо выраженный пучок, который не искажен и не ослаблен вследствие отражений от стенок оболочки, чтобы профиль пучка не расширялся по углу слишком сильно. Одним неограничивающим примером акустической фокусирующей системы 1430 является линза Френеля, изготовленная из плексигласа или других материалов, которая при наличии соответствующей формы уменьшает расхождение пучка. Акустическая фокусирующая система 1430 может включать в себя ряд средств, включая камеру, заполненную жидкостью, скорость звука в которой отличается от скорости звука в нелинейном материале в оболочке, при этом камере придают соответствующую выпуклую или вогнутую форму в зависимости от скорости звука в жидкости. В общем случае любой материал, акустический импеданс которого в достаточной степени согласован с акустическим импедансом нелинейного материала в оболочке, можно использовать в качестве акустической фокусирующей системы 1430.

В некоторых осуществлениях акустическую фокусирующую систему 1430 не используют, когда пучок 1425, образованный при нелинейном смешивании в материале 1420, является в достаточной степени отчетливо выраженным и не имеет слишком большого углового расхождения. В этом случае пучок 1425 выходит из материала 1420 без дополнительного изменения.

Кожух или оболочка 1435 выполнена с возможностью размещения и крепления преобразователей 1415, нелинейного материала 1420, акустической фокусирующей системы 1430 и одного или нескольких приемников 1440. Сфокусированный акустический пучок направляется вдоль оси кожуха 1435 и отражается от представляющего интерес объекта 1445 или рассеивается на нем. Объект 1445 может включать в себя неоднородности в формации, такие как зоны проникновения фильтрата, сцепления цемента с обсадной колонной, поврежденные зоны, стратиграфическая слоистость (особенно при большом кажущемся падении, т.е. в случае крутых наклонных скважин в формациях с относительно небольшим наклоном). Приемники 1440 выполнены с возможностью приема отраженного или рассеянного сигнала 1455, а сигнал обрабатывается обрабатывающей электронной аппаратурой 1450.

На фиг. 15а, 15Ь и 15с показаны экспериментальная установка и результаты построения изображения объекта с наружной стороны трубы в соответствии с аспектом изобретения. На фиг. 15а показана экспериментальная установка, конструкция которой аналогична конструкции, показанной на фиг. 10, при этом преобразователь 1505 источника выполнен с возможностью создания акустических сигналов и связан с нелинейным материалом 1510, который выполнен с возможностью образования коллимированного акустического пучка 1515 в соответствии с процессом нелинейного смешивания. Преобразователь 1505 источника может активизироваться генератором сигналов и усилителем мощности (оба не показаны). Оболочка 1520, такая как труба, выполнена с возможностью размещения преобразователя 1505, нелинейного материала 1510 и устройства 1525 направления акустического пучка и одного или нескольких приемников 1530. Коллимированный акустический пучок 1515 направляется из оболочки 1520 устройством 1525 направления акустического пучка. В этой схеме неограничивающим примером устройства 1525 направления акустического пучка является акустический отражатель. Отраженный коллимированный пучок 1530 падает на объект 1535 с наружной стороны оболочки 1520. Объект 1535 может включать в себя неоднородности в формациях, такие как зоны проникновения фильтрата, сцепления цемента с обсадной колонной, поврежденные зоны, стратиграфическая слоистость (особенно при большом кажущемся падении, то есть в случае крутых наклонных скважин в формациях с относительно небольшим наклоном). Коллимированный пучок 1540 принимается одним или несколькими приемниками 1550 (расположенными в том же самом стволе скважины или в другом стволе скважины) после того, как он отразился или рассеялся обратно от объекта 1535.

В экспериментальной установке из фиг. 15а объект поворачивали на 360° вокруг оси 1545 и выполняли измерения интенсивности звука, регистрируемого приемниками 1550. В этой установке объектом 1535 был цельный блок из алюминия несколько нерегулярной формы, расположенный на расстоянии около 61 см от стенки трубы. Трубу и блок погружали в воду. На фиг. 15Ь показан график в полярных координатах измеренной интенсивности отраженного излучения, а на фиг. 15с показан график в полярных координатах измеренного времени отражения. Для сравнения с измеренными данными на фиг. 15а и 15Ь показаны поперечные сечения алюминиевого блока. Как показано на фиг. 15Ь, большой сигнал имеется в случае, когда плоская поверхность блока находится в положении, при котором отраженный сигнал на приемнике является максимальным. Каждый пик представляет плоскую поверхность блока. На фиг. 15с показано время прохождения. Когда блок поворачивали, плоские поверхности приближались и уда

- 7 019234 лялись, при этом изменялось полное расстояние, проходимое пучком. Понятно, что в условиях ствола скважины изображение интенсивности будет получаться при повороте устройства. Амплитуда отраженного сигнала представляет отражения от неоднородностей по периметру ствола скважины.

Записи принятых волновых сигналов обрабатывают, чтобы формировать изображение характеристик отражения или пропускания формации. По направлению распространения пучка и времени прохождения можно определять места, где образуются рассеянные волны, что отличает это устройство от типовых устройств формирования акустического изображения с использованием обычных ненаправленных монопольных и дипольных источников. Соответствующий результат, обусловленный использованием пучка, а не обычных источников, заключается в том, что для вычисления изображения акустических свойств формации нет необходимости в подробном описании скоростной модели формации. Измерения направления распространения пучка и времени прохождения упрощают и повышают качество идентификации места, где волны отражаются или рассеиваются. В частности, знание ориентации пучка, выходящего из прибора, позволяет выполнять локализацию источников регистрируемых рассеянных волн вдоль направления пучка, а знание временной задержки позволяет выполнять локализацию положений источников рассеяния на протяжении траектории пучка. Поэтому построение изображения из ствола скважины при наличии источника пучка обеспечивает упрощение и снижение неопределенности окончательного изображения в противоположность использованию обычных (не лучевых) источников, при которых требуется точная детальная скоростная модель для вычисления трехмерного изображения. Кроме того, поскольку луч фокусируют и направляют по азимуту и наклону относительно ствола скважины, изображение будет иметь более высокое разрешение, чем получаемое при наличии обычного (не лучевого) источника. Способ позволяет осуществлять построение детальных изображений объектов, в том числе зон проникновения фильтрата, сцепления цемента с обсадной колонной, поврежденных зон, стратиграфической слоистости, особенно при большом кажущемся падении (угле между плоскостью напластования и плоскостью, перпендикулярной к оси прибора). Разностная широкодиапазонная частота пучка в случае изобретения находится в диапазоне от 1 до 100 кГц. На нижнем конце этого диапазона частот, также используемого в некоторых обычных приборах акустического каротажа, достигается глубина проникновения до одной тысячи футов (305 м). Важно отметить, что поскольку пучок является широкополосным и может кодироваться, отношение сигнала к шуму обнаруживаемого сигнала будет значительно повышаться после обработки и декодирования. Кроме того, вследствие широкополосных характеристик пучка совместно с большей глубиной проникновения и более высоким отношением сигнала к шуму, обусловленного кодированием, способ позволяет осуществлять построение детальных изображений и/или получать характеристики нелинейных свойств формации и состав текучей среды, окружающих ствол скважины.

Подробно описанные различные конфигурации предназначены только для иллюстрации изобретения. Для других применений без отступления от изобретения могут быть сделаны модификации к конфигурациям. Например, в конфигурациях каротажа в процессе бурения и каротажа, выполняемого на бурильных трубах, при использовании технологии, которая позволяет продвигать прибор до низа бурильной колонны, компактное устройство формирования акустического пучка обеспечит эффективный просмотр перед долотом, позволяющий обнаруживать зоны повышенного давления или значительные изменения реологии формации до достижения их буровым долотом. Кроме того, направление пучка позволяет выполнять косвенные измерения наклона и азимута отражающих тел перед долотом. Еще одно применение заключается в обнаружении геометрии разрыва перед долотом.

Хотя с целью иллюстрации изобретение было подробно описано в виде считающихся в настоящее время полезными нескольких осуществлений, должно быть понятно, что такие варианты не ограничивают настоящее изобретение, а наоборот, предполагаются модификации и эквивалентные схемы, которые находятся в рамках сущности и объема прилагаемой формулы изобретения. Например, хотя в данном описании делается ссылка на компьютер, но к нему может относиться компьютер общего назначения, специализированный компьютер, специализированная интегральная схема, включающая в себя исполняемые машиной команды и программируемая для выполнения способов, компьютерная группа или сеть или другое подходящее вычислительное устройство. Как показано на фиг. 10 и 14, данные, собранные приемниками, подвергаются обработке и сохраняются в запоминающем устройстве прибора или передаются вверх по стволу скважины для дальнейшей обработки и хранения. В качестве дополнительного примера должно быть понятно, что в настоящем изобретении предполагается максимальная возможность сочетания одного или нескольких признаков из любого осуществления с одним или несколькими признаками из любого другого осуществления.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство, располагаемое внутри ствола скважины и предназначенное для формирования и направления пучка акустической энергии в формацию вокруг ствола скважины, содержащее источник для создания первого сигнала с первой частотой и второго сигнала со второй частотой; преобразователь для приема созданных первого и второго сигналов и создания акустических волн с

- 8 019234 первой частотой и второй частотой и нелинейный материал, связанный с преобразователем, формирующий коллимированный пучок с частотой, равной разности между первой частотой и второй частотой, посредством процесса нелинейного смешивания акустических волн с первой частотой и со второй частотой, при этом частота коллимированного пучка составляет по меньшей мере 20 кГ ц.
2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство направления акустического пучка, выполненное с возможностью направления коллимированного пучка в заданном направлении.
3. Устройство по п.2, в котором средство направления акустического пучка включает в себя акустический отражатель, акустическую линзу или оба элемента.
4. Устройство по п.1, дополнительно содержащее приемник для приема коллимированного пучка после его отражения или обратного рассеяния от неоднородности в породной формации.
5. Устройство по п.4, в котором приемник включает в себя несколько приемников, расположенных в осевом направлении устройства внутри ствола скважины.
6. Устройство по п.4, в котором приемник включает в себя несколько приемников, расположенных в другом стволе скважины.
7. Устройство по п.1, в котором преобразователь включает в себя несколько преобразователей, расположенных в решетке.
8. Устройство по п.7, в котором решетка скомпонована в линейной, круговой, заполненной кольцевой или квадратной конфигурации.
9. Устройство по п.2, дополнительно содержащее кожух для размещения преобразователя, нелинейного материала и средства направления акустического пучка внутри ствола скважины.
10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее кодер для кодирования коллимированного пучка изменяющимся во времени кодом путем введения изменяющейся во времени составляющей, включающей в себя линейную частотную модуляцию и/или качание частоты, в первый или второй сигнал.
11. Устройство по п.10, в котором используется кодер, обеспечивающий изменяющуюся во времени составляющую, включающую в себя вариацию амплитуды, частоты и/или фазы.
12. Устройство по п.3, в котором акустический отражатель установлен для управления направлением распространения коллимированного пучка.
13. Устройство по п.3, в котором акустическая линза выполнена с возможностью фокусировки коллимированного пучка.
14. Устройство по п.1, в котором имеется процессор, выполненный с возможностью анализа коллимированного пучка для построения изображения формации вокруг ствола скважины.
15. Устройство по п.1, в котором указанный источник выполнен с возможностью создания коллимированного пучка с частотой от 1 до 100 кГц.
16. Устройство по п.1, в котором частоты первого и второго сигналов составляют от 300 кГц до 2 МГц.
17. Устройство по п.1, в котором длина нелинейного материала составляет от 5 см до 2 м.
18. Способ акустического исследования формаций вокруг ствола скважины, включающий формирование пучка акустической энергии в породной формации, через которую проходит ствол скважины, и прием коллимированного пучка на одном или нескольких приемниках после отражения или обратного рассеяния коллимированного пучка от неоднородности материала, через который проходит ствол скважины, содержащий следующие стадии:

создают первую акустическую волну с первой частотой;

создают вторую акустическую волну со второй частотой, отличной от первой частоты, при этом первая акустическая волна и вторая акустическая волна создаются с помощью преобразователя, расположенного в стволе скважины;

передают первую и вторую акустические волны в акустически нелинейную среду, формирующую коллимированный пучок в процессе нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, при этом коллимированный пучок распространяется через нелинейную среду в направлении, совпадающим с исходным направлением первой и второй акустических волн, и имеет частоту, равную разности частот первой и второй акустических волн; и направляют коллимированный пучок с помощью устройства управления по меньшей мере в одном направлении на расстояние от ствола скважины в породную формацию, через которую проходит ствол скважины, причем частота коллимированного пучка составляет по меньшей мере 20 кГц.
19. Способ по п.18, в котором один или несколько приемников располагают в стволе скважины.
20. Способ по п.18, в котором один или несколько приемников располагают в другом стволе скважины.
21. Способ по п.18, в котором преобразователь включает в себя множество преобразователей, размещенных в решетке.
22. Способ по п.18, в котором устройство управления включает в себя акустический отражатель, акустическую линзу или оба элемента.
23. Способ по п.22, в котором преобразователь, акустически нелинейную среду, устройство управ

- 9 019234 ления и приемники размещают в кожухе.
24. Способ по п.19, в котором дополнительно анализируют коллимированный пучок после его отражения или обратного рассеяния от неоднородности в материале, через который проходит ствол скважины, для формирования изображения материала.
25. Способ по п.24, в котором дополнительно кодируют коллимированный пучок изменяющимся во времени кодом путем введения изменяющейся во времени составляющей, включающей в себя линейную частотную модуляцию и/или качание частоты, в первую и/или вторую акустическую волну, при этом анализ коллимированного пучка содержит использование кодирования для измерения времени прохождения коллимированного пучка.
26. Способ по п.25, в котором изменяющаяся во времени составляющая содержит вариацию амплитуды, частоты и/или фазы.
27. Способ по п.20, в котором дополнительно анализируют коллимированный пучок после его отражения или обратного рассеяния от неоднородности в материале, через который проходит ствол скважины, для формирования изображения формации между стволами скважин и для получения информации для характеристики линейных и нелинейных свойств материала и состава текучей среды, окружающих ствол скважины.
28. Способ по п.27, в котором дополнительно кодируют коллимированный пучок изменяющимся во времени кодом путем введения изменяющейся во времени составляющей, включающей в себя линейную частотную модуляцию и/или качание частоты первой и/или второй акустической волны, при этом анализ коллимированного пучка содержит использование кодирования для измерения времени прохождения коллимированного пучка.
29. Способ по п.28, в котором изменяющаяся во времени составляющая содержит вариацию амплитуды, частоты или фазы или любой их комбинации.
30. Способ по п.20, в котором дополнительно анализируют коллимированный пучок после его отражения или обратного рассеивания от неоднородностей в материале, через который проходит ствол скважины, для формирования изображений зон проникновения фильтрата, сцепления цемента с обсадной колонной, поврежденных зон, зон разрыва, стратиграфической слоистости или источников рассеяния.
31. Способ формирования пучка акустической энергии в стволе скважины, содержащий следующие стадии:

создают первую акустическую волну с первой частотой;

создают вторую акустическую волну со второй частотой, отличной от первой частоты, при этом первая акустическая волна и вторая акустическая волна создаются с помощью множества преобразователей в стволе скважины;

передают первую и вторую акустические волны в акустически нелинейную среду для образования коллимированного пучка в процессе нелинейного смешивания, при этом коллимированный пучок проходит через нелинейную среду в направлении, совпадающем с первоначальным направлением прохождения первой и второй акустической волны, и имеет частоту, соответствующую разности частот первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка составляет по меньшей мере 20 кГц;

направляют коллимированный пучок устройством управления по меньшей мере в двух направлениях в материал, через который проходит ствол скважины, при этом одно из указанных направлений является азимутальным направлением вокруг продольной оси ствола скважины, а другое - наклонным относительно указанной продольной оси ствола скважины, и принимают коллимированный пучок на одном или нескольких приемниках в стволе скважины после его отражения или обратного рассеяния от неоднородности в материале, через который проходит ствол скважины.
32. Устройство по п.1, в котором нелинейная среда включает смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, введенные микросферы, или эмульсию, или их комбинацию.
33. Способ по п.18, в котором нелинейная среда включает смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, введенные микросферы, или эмульсию, или их комбинацию.
34. Способ по п.32, в котором нелинейная среда включает смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, введенные микросферы, или эмульсию, или их комбинацию.