EA024405B1 - Устройство и способ для генерации пучка акустической энергии из буровой скважины и их применения - Google Patents

Abstract

В некоторых аспектах изобретения раскрыт способ генерации пучка акустической энергии в буровой скважине. Способ включает в себя этапы, на которых генерируют первую акустическую волну на первой частоте; генерируют вторую акустическую волну на второй частоте, отличной от первой частоты, причем первая акустическая волна и вторая акустическая волна генерируются по меньшей мере одним преобразователем, транспортируемым прибором, расположенным в буровой скважине; передают первую и вторую акустические волны в среду с нелинейными акустическими свойствами, причем состав нелинейной среды создает коллимированный пучок путем нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка зависит от разности между первой частотой и второй частотой; и передают коллимированный пучок через рассеивающую акустическую линзу для компенсации эффекта преломления, обусловленного кривизной буровой скважины.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к акустическому зондированию пластов породы вокруг буровой скважины и, в частности, к использованию комбинации акустического источника, включающего в себя единичный преобразователь или матрицу преобразователей в стволе скважины, подключенную к нелинейному материалу для создания акустического пучка в качестве зондирующего прибора из буровой скважины для зондирования свойств пластов породы и материалов, окружающих буровую скважину.

Предпосылки изобретения

Акустическое зондирование геологических признаков сталкивается с ограничением по размеру и мощности практических источников, и на практике выход скважинных акустических преобразователей ограничивается возможностями передачи мощности кабеля проводной линии. Высокочастотные сигналы имеют относительно малое расстояние проникновения, тогда как низкочастотные сигналы, в общем случае, требуют больших источников, прикрепленных к стенке буровой скважины, для максимизации переноса энергии в пласт и минимизации нежелательных сигналов в стволе скважины. Трудно генерировать сигнал коллимированного акустического пучка в диапазоне 10-100 кГц из буровой скважины для зондирования пласта породы, окружающего буровую скважину, или любого другого материала в окружении, например, обсадной колонны или цемента, с помощью традиционных низкочастотных преобразователей. Традиционные низкочастотные акустический источники в этом диапазоне частот имеют малую ширину полосы, менее 30% центральной частоты и очень большой раствор пучка, который зависит от частоты, так что при снижении частоты раствор пучка увеличивается. Генерация коллимированного пучка требует выполнения ряда условий, включающих в себя длинную матрицу источников, однородного присоединения всех преобразователей к пласту породы вокруг буровой скважины, и знания акустических скоростей пласта породы. В окружении буровой скважины эти условия часто недостижимы вследствие базовых физических ограничений, инженерной выполнимости или условий эксплуатации.

Источники акустического пучка на основе нелинейного смешивания акустических волн, например подводный сонар, были предложены для общих применений в текучих средах в 1950-х. Для геологических применений в патенте США № 3974476, выданном Коулзу (СоМек), раскрыт акустический источник для геологоразведки методом бурения. Раскрытие патента Коулза описывает устройство генерации акустического источника, например устройство, способное генерировать пучок частотой 1 кГц путем смешивания двух частот вокруг 5 МГц в окружении буровой скважины нарушает основные физические принципы. Типичный тросовый каротажный прибор имеет диаметр 3 5/8 дюйма (9,2 см), тогда как длина волны для частоты волны 1 кГц, распространяющейся в типичной текучей среде со скоростью 1500 м/с, равна 1,5 м. Это примерно в 10 раз больше диаметра буровой скважины. Эта акустическая волна частотой 1 кГц не может оставаться коллимированной без нарушения основного принципа неопределенности физики дифракции волн. Кроме того, смешивание частот 5 МГц для генерации волны частотой 1 кГц представляет понижение частоты в отношении 5000:1, практическая достижимость чего не была продемонстрирована.

Сущность изобретения

В соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия раскрыт способ генерации пучка акустической энергии в буровой скважине. Способ включает в себя этапы, на которых генерируют первую акустическую волну на первой частоте; генерируют вторую акустическую волну на второй частоте, отличной от первой частоты, причем первая акустическая волна и вторая акустическая волна генерируются по меньшей мере одним преобразователем, транспортируемым прибором, расположенным в буровой скважине; передают первую и вторую акустические волны в среду с нелинейными акустическими свойствами, причем состав нелинейной среды создает коллимированный пучок путем нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка зависит от разности между первой частотой и второй частотой; и передают коллимированный пучок через рассеивающую акустическую линзу для компенсации эффекта преломления, обусловленного кривизной буровой скважины.

В соответствии со способом способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых отражают и направляют коллимированный акустический пучок подвижным акустическим зеркалом. Кроме того, нелинейная среда может включать в себя смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, внедренные микросферы или эмульсию или их комбинацию. Кроме того, коллимированный пучок может иметь диапазон частот в пределах от 15 до 120 кГц. Кроме того, первая акустическая волна и/или вторая акустическая волна может иметь диапазон частот. Кроме того, способ может включать в

- 1 024405 себя этапы, на которых передают коллимированный пучок в материал вокруг буровой скважины, причем материал может представлять собой пласт породы, цемент или обсадную колонну или их комбинацию. Кроме того, рассеивающая акустическая линза может быть зеркалом или может быть пропускающей. Способ может дополнительно включать в себя этап, на котором передают коллимированный пучок через вторую акустическую линзу, размещенную вдоль трассы передачи, проходящей между рассеивающей линзой и нелинейной средой. Вторая акустическая линза может быть собирающей линзой, и нелинейная среда может иметь скорость звука от 100 до 800 м/с.

В соответствии с некоторыми аспектами настоящего раскрытия спускаемый на тросе или транспортируемый по трубе каротажный прибор, предназначенный для размещения в буровой скважине раскрыто. Прибор может включать в себя корпус; по меньшей мере один преобразователь, заключенный в корпус и сконфигурированный для создания первой акустической волны на первой частоте и второй акустической волны на второй частоте, отличной от первой частоты; нелинейную среду, заключенную в корпус, причем состав нелинейной среды сконфигурирован для создания коллимированного пучка путем нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка зависит от разности между первой частотой и второй частотой; и рассеивающую акустическую линзу, сконфигурированную для передачи коллимированного пучка и для компенсации эффекта преломления, обусловленного кривизной буровой скважины.

В соответствии с прибором прибор может дополнительно включать в себя подвижное акустическое зеркало, которое может быть выполнено с возможностью отражать и направлять коллимированный акустический пучок. Кроме того, нелинейная среда может включать в себя смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, внедренные микросферы или эмульсию или их комбинацию. Кроме того, коллимированный пучок может иметь диапазон частот в пределах от 15 до 120 кГц. Кроме того, первая акустическая волна и/или вторая акустическая волна может иметь диапазон частот. Кроме того, прибор быть выполнен с возможностью передавать коллимированный пучок в материал вокруг буровой скважины, причем материал может представлять собой пласт породы, цемент или обсадную колонну или их комбинацию. Кроме того, рассеивающая акустическая линза может быть зеркалом или может быть пропускающей. Прибор может быть дополнительно выполнен с возможностью передавать коллимированный пучок через вторую акустическую линзу, размещенную вдоль трассы передачи, проходящей между рассеивающей линзой и нелинейной средой.

Вторая акустическая линза может быть собирающей линзой, и нелинейная среда может иметь скорость звука от 100 до 800 м/с.

В соответствии с аспектом изобретения раскрыто очень компактное устройство, размещенное в стволе скважины, сконфигурированное для генерации и направления коллимированного акустического пучка в материалы и пласт породы вокруг буровой скважины. Устройство включает в себя преобразователь, размещенный в каротажном приборе в буровой скважине и сконфигурированный для приема первого электронного сигнала на первой частоте и второго электронного сигнала на второй частоте, генерируемых одним или более электронными источниками, и для создания первичные акустические волны на первой частоте и второй частоте; и нелинейный материал с низкой акустической скоростью, размещенный на трассе передачи этих первичных акустических волн в каротажном приборе и сконфигурированный для генерации вторичного коллимированного акустического пучка с частотой, равной разности частот между первой частотой и второй частотой, посредством нелинейного процесса смешивания параметрической матрицы. Нелинейный материал может включать в себя смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, внедренные микросферы и/или эмульсию с подходящими свойствами: низкой акустической скоростью, низким акустическим ослаблением и высокой устойчивостью к сотрясению пласта.

Устройство может дополнительно включать в себя акустическое зеркало, сконфигурированное для отражения коллимированного акустического пучка и для наведения акустического пучка в данном направлении в материалы и пласт, окружающий буровую скважину.

Устройство может дополнительно включать в себя первую акустическую линзу или линзовую сборку, размещенную вдоль трассы распространения акустического пучка, сконфигурированную для изменения геометрии пучка для акустического пучка для управления коллимацией пучка и/или вторую акустическую линзу или линзовую сборку, выполненную с возможностью компенсировать изменение диаграммы направленности излучения пучка, обусловленное геометрией границы раздела и различиями в акустических свойствах между буровой скважиной и материалом, окружающим буровую скважину. Кроме того, первая акустическая линзовая сборка может представлять собой собирающую линзу для улучшения коллимации пучка, и вторая акустическая линзовая сборка может представлять собой рассеивающую линзу, причем рассеивающая линза может быть выполнена с возможностью компенсировать влияние цилиндрической границы раздела между буровой скважиной и пластом на распространение пучка.

Устройство может дополнительно включать в себя приемник или матрицу приемников, размещенный(ую) в буровой скважине и сконфигурированный(ую) для приема акустического пучка после изменения акустического пучка в соответствии с характеристикой пласта, причем изменение акустического

- 2 024405 пучка состоит в его отражении, преломлении и/или обратном рассеянии материалами и пластом, окружающим буровую скважину.

Устройство может дополнительно включать в себя корпус, сконфигурированный для вмещения преобразователя и нелинейного материала. Корпус может дополнительно включать в себя любые комбинации акустического зеркала и одной или более линзовых сборок. Преобразователь и нелинейный материал могут быть смонтированы аксиально в каротажном приборе.

Устройство может дополнительно включать в себя кодер сигнала, сконфигурированный для кодирования акустического пучка изменяющимся во времени кодом путем введения изменяющегося во времени компонента, включающего в себя одно или более из чирпирования частоты или качания частоты в один из первого и второго сигналов.

Устройство может дополнительно включать в себя электронный импульсный генератор, сконфигурированный для подачи на преобразователь двух электрических импульсов первой и второй частот для генерации двух импульсных акустических пучков в среде нелинейного смешивания для создания вторичного акустического импульса малой длительности, который распространяется из устройства как коллимированный пучок.

В соответствии с аспектом изобретения раскрыт способ генерации коллимированного акустического пучка с низкой частотой и большой шириной полосы в очень малом пространственном объеме, который располагается в каротажном приборе в буровой скважине, и направления пучка в материалы и пласт породы, окружающий буровую скважину. Способ включает в себя этапы, на которых создают первую акустическую волну с первой шириной полосы частот и вторую акустическую волну со второй шириной полосы частот с помощью преобразователя, расположенного в каротажном приборе, и передают первую и вторую первичные акустические волны в нелинейную среду с низкой акустической скоростью, которая размещена в каротажном приборе вдоль трассы распространения первичных акустических волн и сконфигурирована для создания вторичного коллимированного акустического пучка посредством процесса нелинейного смешивания, причем вторичный коллимированный акустический пучок распространяется в нелинейной среде в направлении, совпадающем с первоначальным направлением первой и второй акустических волн, и его ширина полосы частот равна разность частот между частотами первой и второй первичных акустических волн.

Способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых изменяют геометрию пучка для улучшения коллимации акустического пучка в каротажном приборе с помощью первой акустической линзы, размещенной вдоль трассы передачи акустического пучка и/или компенсируют изменение геометрии пучка, обусловленное характеристикой буровой скважины, и поддерживают пучок, распространяющийся в земле, приблизительно коллимированным с помощью второй акустической линзы. Кроме того, способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых отражают и направляют акустический пучок в данном направлении с помощью акустического зеркала. Кроме того, способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых принимают акустический пучок в буровой скважине с помощью приемника после изменения акустического пучка в соответствии с характеристикой пласта.

Способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых возбуждают преобразователь сигналом фиксированной высокой частоты и сигналом чирпированнои частоты; создают один или более высокочастотных акустических пучков; принимают один или более высокочастотных акустических пучков; генерируют тональный пакет фиксированной частоты и чирп, имеющий ту же длительность, что и тональный пакет фиксированной частоты, причем фиксированная частота тонального пакета равна разности частот между высокочастотным сигналом и сигналом чирпированной частоты посредством процесса нелинейного смешивания в нелинейном материале. Фиксированная высокая частота сигнала может составлять от 250 кГц до 1,5 МГц, и сигнал чирпированной частоты может чирпироваться так, чтобы разность между фиксированной и чирпированной частотами составляла от 3 до 20%.

Способ может дополнительно включать в себя этапы, на которых создают первый импульс, имеющий первую центральную частоту и первое распределение по полосе частот, и второй импульс, имеющий вторую центральную частоту и второе распределение по полосе частот с помощью преобразователя; передают первый импульс и второй импульс в нелинейном материале; и генерируют импульсный акустический пучок с центральной частотой, равной разности частот между первой центральной частотой и второй центральной частотой и распределением по полосе частот, равным сумме первого распределения по полосе частот и второго распределения по полосе частот, с помощью нелинейного материала посредством процесса нелинейного смешивания.

В соответствии с аспектом изобретения раскрыта система для построения изображения свойств пласта и других материалов, окружающих буровую скважину. Система включает в себя компоновку компактного низкочастотного акустического источника и устройство кондиционирования пучка в каротажном приборе, переносимом в буровой скважине, которое направляет коллимированный акустический пучок из каротажного прибора в окружающий ствол скважины и оттуда в пласт или обсадную колонну и цемент, так что часть излучаемой энергии возвращается в ствол скважины посредством комбинации отражения, преломления и рассеяния, матрицу приемников, и программное обеспечение и оборудование, необходимые для управления направлением пучка и оптимизации его свойств, регистрации принятых

- 3 024405 сигналов и преобразования записанных данных для создания изображений пласта и других материалов, окружающих буровую скважину, которые можно интерпретировать для получения информации об объеме, окружающем буровую скважину.

Система дополнительно включает в себя генерацию передаваемых сигналов, оптимизированных по длительности и частотному составу в соответствии с требованиями к формированию изображения данного приложения и выбором размеров и конфигурации компоновки генерации и кондиционировании пучка и матрицы приемников для оптимизации производительности системы согласно требуемому применению, и, в частности, радиальной глубине исследования.

В соответствии с аспектом изобретения система в абзацах 21 и 22 записывает данные, подлежащие обработке, согласно алгоритмам формирования изображения для генерации 2Ό изображений свойств пласта и других материалов, окружающих вдоль оси буровой скважины, для каждого азимутального направления по аналогии с 2Ό отражательной наземной сейсмологией. Система может дополнительно обеспечивать сканирование 2Ό изображений для азимутального направления 360°. Набор сканированных азимутальных 2Ό изображений можно затем укладывать в стопку и/или обрабатывать с помощью передовых алгоритмов формирования изображения для обеспечения полного 3Ό изображения свойств пласта и других материалов, окружающих вдоль оси буровой скважины.

Система может дополнительно включать в себя оптимизацию алгоритмов обработки и отображение полученных изображений, чтобы информация, которую они могут содержать, о свойствах вокруг ствола скважины, была легко доступна пользователю данных.

В соответствии с некоторыми аспектами раскрытия раскрыт тросовый или транспортируемый по трубе каротажный прибор, предназначенный для размещения в стволе скважины.

Прибор включает в себя (а) ультразвуковой преобразователь, сконструированный и приспособленный для размещения в буровой скважине, причем преобразователь сконфигурирован с возможностью возбуждения двумя одновременными, но не идентичными переходными электрическими сигналами длительностью 20-200 микросекунд, причем первый сигнал имеет первую частоту от 250 кГц до 1,5 МГц, и второй сигнал имеет вторую частоту от 300 кГц до 1,5 МГц, которые создают первую и вторую акустические волны на первой частоте и второй частоте, соответственно; (Ь) акустически нелинейный материал длиной от 3 до 12 дюймов, размещенный вдоль трассы передачи преобразователя, который позволяет осуществлять нелинейное смешивание двух акустических волн, генерируемых с помощью преобразователя, для создания переходного акустического пучка такой же длительности, как первоначальные сигналы возбуждения, с частотой, соответствующей разности мгновенных частот между первой частотой и второй частотой, причем акустический пучок имеет частоту от 15 до 120 кГц.

Прибор может быть сконфигурирован так, что электрические сигналы кодируются путем введения изменяющегося во времени компонента, включающего в себя одно или более из чирпирования частоты или качаний частоты, в один или оба из сигналов. Кроме того, прибор может быть сконфигурирован так, что акустический пучок имеет частоту от 15 до 120 кГц. Кроме того, прибор может быть сконфигурирован так, что прибор способен поддерживать уровень коллимации акустического пучка, который зависит от длины смешивание в нелинейном материале, и создавать акустический пучок так, что акустический пучок выходит из нелинейного материала и продолжает распространяться в среде, в которую погружен прибор.

Эти и другие задачи, признаки и характеристики настоящего изобретения, а также способы эксплуатации и функции соответствующих элементов конструкции и комбинация частей и меры по снижению себестоимости, прояснятся по рассмотрении нижеследующего описания и нижеследующей формулы изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, все из которых составляют часть этого описания изобретения, где аналогичные ссылочные позиции обозначают соответствующие части на различных фигурах. Однако следует отчетливо понимать, что чертежи приведены исключительно в целях иллюстрации и описания и не призваны задавать рамки изобретения. Используемая в описании изобретения и в формуле изобретения форма единственного числа подразумевает наличие нескольких аналогичных элементов, если из контекста непосредственно не следует обратное.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - обобщенная схема иллюстративного устройства для создания коллимированного пучка в соответствии с аспектом раскрытия.

Фиг. 2а, 2Ь и 2с - разные режимы генерации разностной частоты посредством нелинейного процесса в соответствии с аспектами раскрытия.

Фиг. 3а и 3Ь - сравнения экспериментальных результатов и теоретических предсказаний нелинейного смешивания в воде в отношении амплитуды коллимированного пучка и осевой позиции (ζ-направление).

Фиг. 4а и 4Ь - экспериментальные результаты нелинейного смешивания в воде как нелинейной среде в отношении амплитуды коллимированного пучка на различных частотах возбуждения и в различных осевых (ζ-направление) и поперечных (х-направление) позициях.

Фиг. 5а и 5Ь - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается чирпированным пакетом.

Фиг. 6а, 6Ь и 6с - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается чирпированным паке- 4 024405 том.

Фиг. 7а, 7Ь и 7с - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается посредством процесса нелинейного смешивания с использованием пенного блока ЧПУ.

Фиг. 8 - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается посредством процесса нелинейного смешивания с использованием пенного блока ЧПУ, передаваемого через закрытую алюминиевую трубу.

Фиг. 9 - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается посредством процесса нелинейного смешивания с использованием керамического блока 310М в качестве нелинейного материала.

Фиг. 10 - аспект раскрытия, где устройство используется для характеризации пластов и/или материалов вблизи буровой скважины.

Фиг. 11 - соответствующие оси вращения направителя акустического пучка в соответствии с аспектом раскрытия.

Фиг. 12 - аспект раскрытия, где коллимированный пучок создается посредством процесса нелинейного смешивания с использованием керамического блока 310М в качестве нелинейного материала, проникает в металлическую обсадную трубу.

Фиг. 13а и 13Ь - аспект раскрытия, где коллимированный пучок после ориентирования с помощью акустического зеркала выходит из металлической обсадной трубы.

Фиг. 14 - аспект раскрытия, где устройство используется с системой акустической фокусировки или без нее для исследования вдоль буровой скважины.

Фиг. 15а, 15Ь и 15с - иллюстративная экспериментальная установка и результаты формирования изображения объекта вне трубы в соответствии с аспектом раскрытия.

Фиг. 16 - размеры очень компактного устройства-источника, с преобразователями и камерой для жидкости нелинейного смешивания с низкой акустической скоростью (646 м/с), например фторинерта РС-43, способного генерировать коллимированный акустический пучок с шириной полосы 20-120 кГц в соответствии с аспектом раскрытия.

Фиг. 17 - сравнение характеристики излучения коллимированного акустического пучка, генерируемого очень компактным устройством, показанным на фиг. 16, с характеристикой рассеянного излучения акустических волн, генерируемых из традиционного преобразователя.

Фиг. 18 - волновой цуг импульса, частотный спектр от 50 до 150 кГц и характеристика излучения акустического импульса пучка, генерируемого компактным устройством, показанным на фиг. 16.

Фиг. 19а и 19Ь - схема аксиально смонтированного источника, акустической линзы и зеркальная подсборка, демонстрирующая ориентирование и фокусировку пучка с помощью зеркальной и линзовой подсборки для поддержания коллимации акустического пучка внутри устройства и в материалах и пласте, окружающем буровую скважину.

Фиг. 20 - схема устройства-прототипа, включающего в себя источник, акустические зеркало и линзу и матрицу приемников.

Фиг. 21а и 21Ь - пример системы, в которой проводились лабораторные эксперименты в отношении работы компоновки, показанной на фиг. 20.

Фиг. 22 - сигнал, регистрируемый каждым из приемников в матрице для фиксированного местоположения источника, когда пучок ориентирован при постоянном азимутальном и наклонном направлении компоновки, показанной на фиг. 21.

Фиг. 23 - отображение мультиазимутальной панели, охватывающей от 35 до 145° азимута для компоновки, показанной на фиг. 21.

Фиг. 24 - изображение, созданное путем построения графика сигнала от одного и того же приемника с приращениями по 5° в диапазоне азимута 110°.

Подробное описание

На фиг. 1 показана обобщенная схема устройства для создания коллимированного пучка в соответствии с аспектом изобретения. В некоторых вариантах осуществления один или более источников 110 используются для создания первого сигнала на первой частоте и второго сигнала на второй частоте. В порядке неограничительного примера, сигналы можно создавать с помощью двухканального генератора сигнала. Можно использовать аналогичные генераторы сигнала или функции. Сигналы от источников принимаются одним или более усилителями 120 сигнала и передаются на один или более преобразователей 130, которые используются для генерации акустических волн на первой и второй частотах. Первая и вторая частоты могут быть широкополосными, имея диапазон частот, включающий в себя центральную частоту с некоторым распределением по частоте вокруг центральной частоты. Пьезоэлектрические преобразователи являются одним типом, подходящим для этого применения. В случае использования более одного преобразователя, их можно размещать в матричной конфигурации. В порядке неограничительного примера, матричная конфигурация может представлять собой матрицу в виде линии, окружности, круга или квадрата. Преобразователи в матрице делятся на две группы, где первая группа преобразователей возбуждается источником на первой частоте, и вторая группа преобразователей возбуждается источником или другим источником на второй частоте. В некоторых аспектах изобретения источник, сконфигурированный для генерации первой частоты, и источник, сконфигурированный для генерации второй час- 5 024405 тоты, возбуждают одновременно все преобразователи. В порядке неограничительного примера, первая частота равна 1,036 МГц и вторая частота равна 0,953 МГц.

Акустический сигнал передается через нелинейный материал 140 для генерации коллимированного акустического пучка посредством процесса нелинейного смешивания. Нелинейным материалом может быть жидкость, смесь жидкостей, твердое вещество, гранулированный материал, внедренный в твердую обсадную колонну, внедренные микросферы или эмульсию. В порядке неограничительного примера, таким нелинейным материалом является керамическая пена 310М, продаваемая фирмой Со1тошс8 из Бруклина, Нью-Йорк, которая состоит из более 99% чистой сплавленной кремнеземистой керамики и обеспечивает низкие тепловое расширение и теплопроводность, высокую устойчивость к тепловому удару и высокую теплоотражательную способность. 310М имеет плотность 0,80 г/см³ и скорость звука 1060 м/с. Другим неограничительным примером нелинейного материала является материал в виде плиты из пеноуретана. Этот тип пены обычно используется для обработки на станках с числовым программным управлением (далее, ЧПУ). Пена ЧПУ имеет плотность 0,48 г/см³ и скорость звука 1200 м/с.

Нелинейный материал 140 дополнительно может быть материалом с высокой нелинейностью, низкой акустической скоростью, низким акустическим ослаблением и высокой устойчивостью к сотрясению пласта, что позволяет генерировать хорошо коллимированный пучок из очень компактного источника. В зависимости от условий эксплуатации в буровой скважине, другие нелинейные материалы с подходящими низкой скоростью звука, высокой нелинейной связью, длиной поглощения, длиной ударной волны, рабочими диапазонами температуры и давления можно выбирать для минимизации размера объема смешивания, а также для удовлетворения других требований, предъявляемых спецификациями работоспособности.

Размеры и производительность коллимированного пучка источник зависят, помимо прочего, от определенных свойств нелинейного материала, и для них можно задать некоторые пределы Нелинейный параметр бета может составлять от 2 до 50. В порядке примера, бета для большинства жидкостей составляет от 2 до 10. Более высокий бета можно получить из других твердых материалов. В некоторых аспектах, бета может составлять 200 или более для нетекучих нелинейных материалов. Скорость звука для нелинейных жидкостей может составлять от 450 до 1700 м/с в условиях окружающей среды. В некоторых аспектах, скорость звука нелинейных материалов может составлять от 100 до 800 м/с. Значения О или добротности не являются ограничительным фактором в жидкостях и могут составлять от 280 для Эо№ 8Шсои ОП до десятков тысяч для обычных жидкостей. В некоторых вариантах осуществления О может быть равна по меньшей мере 30.

Это нелинейное поведение можно охарактеризовать путем анализа свойств продольных волн, обусловленных явлением нелинейного смешивания, в котором две падающие волны на двух разных частотах, 11 и ί₂, смешиваются для генерации третьих частотных компонентов на гармониках и интермодуляционных частотах ί₂-ίι, ί₂+ίι, 2ί₃ и 2ί₂ и т.д. Согласно аспекту изобретения явление нелинейного коллинеарного смешивания должно происходить в нелинейном материале внутри ствола скважины. В целом, только результирующая третья волна разностной частоты ί2-ί1 представляет интерес для этого применения. Более высокие частоты распространяются лишь на малое расстояние и обычно поглощаются в самом нелинейном материале.

Отраженная, преломленная и рассеянная акустическая энергия принимается одним или более приемниками 150, расположенными либо в той же буровой скважине, где создается коллимированный пучок, либо в другой буровой скважине. Например, один или более приемников могут включать в себя один или более акустических преобразователей, один или более гидрофонов или приемников другого типа или приемников, пригодных для диапазона частот, представляющего интерес. Принятый сигнал можно фильтровать с помощью полосового фильтра 160 и усиливать с помощью предусилителя 170. Фильтрованный и усиленный сигнал может отображаться на цифровом преобразователе, например цифровом осциллографе 180. Цифровой осциллограф 180 может работать под управлением компьютера 190. Компьютер 190 также можно использовать для управления генератором 110 сигнала.

На фиг. 2а, 2Ь и 2с показаны разные режимы генерации разностной частоты в нелинейном материале. Обозначения ί, ί₁ и ί₂ относятся к высокочастотным сигналам. Сигналы, принятые от источника 110 и усилителя 120 мощности с помощью преобразователя 210, поступают в нелинейный материал 220. После распространения на определенную длину, в нелинейном материале 220 генерируется разностная частота. На фиг. 2а показана генерация разностной частоты ί₂-ί₁ путем подачи двух разных сигналов, имеющих две разные частоты ί₁ и ί₂ на один и тот же преобразователь 210. На фиг. 2Ь показана генерация разностной частоты Δί путем подачи амплитудно-модулированного сигнала с частотой ί и модуляцией Δί. На фиг. 2с показана генерация разностной частоты ί2-ί1 путем подачи двух разных сигналов, имеющих первую частоту С, на первый преобразователь 230 и имеющих вторую частоту ί₂, на второй преобразователь 240. Высокочастотные пучки перекрываются в нелинейном материале и создают разностную частоту ί2ί1.

В соответствии с вышесказанным и в порядке неограничительного примера первая частота равна 1,036 МГц, и вторая частота равна 0,953 МГц. Коллимированный акустический пучок, генерируемый посредством взаимодействия с нелинейным материалом, будет иметь частоту, равную разности между

- 6 024405 первой частотой и второй частотой. В этом примере, коллимированный акустический пучок имеет узкую полосу частот с чистой доминантной частотой 83 кГц. В некоторых вариантах осуществления коллимированный акустический пучок может иметь относительно широкий диапазон частот, в котором первая частота является частотой единичного узкого диапазона, и вторая частота совершает качание по более широкому диапазону частот. Первая частота также может совершать качание по широкому диапазону частот, как и вторая частота. В любом случае, первая частота, вторая частота, или они обе могут быть кодированным сигналом или декодированным чирпом. Одно преимущество кодирования сигнала состоит в повышении отношения сигнал-шум.

В некоторых вариантах осуществления коллимированный пучок кодируется изменяющимся во времени кодом, который можно вводить в первый либо второй сигнал, или в оба сигнала. Изменяющийся во времени код может включать в себя один или более из изменения по амплитуде, изменения по частоте и/или изменения по фазе первого, второго или обоих первого и второго сигналов. Принятый изменяющийся во времени код коллимированного пучка можно использовать для измерения времени распространения пучка. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления коллимированный пучок может быть широкополосным, если одна из первичных частот совершает качание по диапазону частот, тогда как другая является фиксированной. Таким образом, результирующий третий пучок £₂-ίι будет совершать качание по широкому диапазону частот.

На фиг. 3 показаны результаты лабораторных измерений в связи с теоретическими предсказаниями на основании теории нелинейного смешивания и распространения волн. Акустические волны искажаются за счет нелинейных характеристик среды, в которой они распространяются. Нелинейное распространение акустических волн можно моделировать уравнением Хохова-Заболоцкой-Кузнецова (ХЗК), которое можно решить согласно схеме конечноразностного приближения. Уравнение ХЗК объясняет различные нелинейные характеристики, например дифракцию звукового давления, ослабление звукового давления (т.е. поглощение), и генерация гармонического частотного компонента (т.е. нелинейность), и моделирует форму акустического сигнала как звукового давления, заданного такими параметрами, как начальное звуковое давление передачи, диаметр преобразователя и геометрия матрицы преобразователя, пройденное расстояние и среда. Нелинейное параболическое уравнение ХЗК учитывает комбинированные эффекты дифракции, поглощения и нелинейности в направленных звуковых пучках. Уравнение ХЗК для осесимметричного звукового пучка, который распространяется в положительном направлении оси ζ, можно выразить в отношении акустического давления р следующим образом:

А _ <?„ рХ , 1 , О 'д'Р _] β д'-Ρ¹ ₍₁₎

ЭгЭ/' 2 ^г дг ) д/' 2р_асй г

где ΐ¹ = ΐ-ζ/со - переменная задержки по времени, ΐ - время, с₀ - малая скорость звука сигнал, г = (х²+у²)^1/2 - радиальное расстояние от оси ζ (т.е. от центра пучка),

поперечный лапласиан, и р₀ плотность окружающей текучей среды. Кроме того,

Коэффициент рассеяния звука в термовязкой среде, где ς - объемная вязкость, η - сдвиговая вязкость, к - теплопроводность, и с,_; и с_р - удельные теплоемкости при постоянном объеме и давлении, соответственно. Коэффициент нелинейности определяется как β = 1+В/2А, где В/А - параметр нелинейности среды. Первый член в правой стороне уравнения (1) выражает эффекты дифракции (фокусировки), второй член - поглощение, и третий член - нелинейность ослабляющей среды. Дополнительные детали, касающиеся формы и использования модели ХЗК можно найти в докторской диссертации Υ. 8. Ьее, шет1са1 5о1ийои о£ 1Пе ΚΖΚ ес.|иа1юп ίοτ риПей конечный ашрШийе коиий Ьеатк ίη 1йеттоу15сои5 ЛшШ. Техасский университет в Остине (1993), которая таким образом включена в настоящее описание посредством ссылки в полном объеме.

Для лабораторного измерения преобразователь возбуждали на частотах 0,953 МГц и 1,036 МГц, получая коллимированный пучок, имеющий частоту, равную разности 1,036 и 0,953 МГц = 83 кГц. Коллимированный пучок создавали посредством процесса нелинейного смешивания с использованием воды в качестве нелинейного материала. На фиг. 3 показана амплитуда генерируемого пучка для диапазона позиций ζ и х приемника гидрофона. На фиг. 3Ь показан график наблюдаемого профиля осевой интенсивности, хорошо согласующийся с теорией.

На фиг. 4а показаны результаты, полученные возбуждением преобразователе на различных разностных частотах, и, таким образом, созданием коллимированного пучка, имеющего разностную частоту. Результаты представлены в виде графика амплитуды, измеряемой по напряжению, в зависимости от позиции в направлении оси ζ, измеряемой в миллиметрах. В этом лабораторном испытании, создавали коллимированные пучки, имеющие частоты 10, 37, 65, 83 и 100 кГц. Как явствует из фигуры, коллимиро- 7 024405 ванные пучки имеют аналогичные профили пучка в направлении оси ζ. На фиг. 4Ь показано поперечное сечение пучка на расстоянии 110 мм от излучателя. На этой фигуре амплитуда пучка, выражаемая через напряжение, представлена на графике относительно расстояния в направлении оси х, измеряемого в миллиметрах. Результаты показывают, что коллимированный пучок на различных частотах демонстрирует сходные поперечные сечения пучка с высокой степенью концентрации в х-направлении, в отличие от волн той же частоты, которые в большей степени рассеивались бы в х-направлении.

Согласно вышеприведенному рассмотрению, коллимированный пучок может иметь относительно узкий диапазон частот, в котором один или более преобразователей возбуждаются источником, создающим конкретную частоту, или коллимированный пучок может иметь относительно широкий диапазон частот. Ап пример создания коллимированного пучка, имеющего относительно широкий диапазон частот, показан на фиг. 5а и 5Ь. В порядке неограничительного примера, на фиг. 5а показан чирпированный сигнал конечной длительности, имеющий частоту в пределах от 900 кГц до 1 МГц, и пакет частотой 1 МГц. На фиг. 5Ь показан результирующий пакет, изображенный на графике амплитуды, выраженной через напряжение, в зависимости от времени в микросекундах.

На фиг. 6а показан ряд результатов поперечного сканирования на выбранных расстояниях в ζ-направлении от передатчика пучка, показанного на фиг. 6Ь. Выбранные расстояния равны 10, 20, 30, 40, 50 и 60 см. График амплитуды, выраженной через напряжение, в зависимости от расстояния по оси х, демонстрирует, что раствор пучка мал и относительно постоянен и не зависит от расстояния в ζ-направлении от преобразователя. На фиг. 6с показан частотный спектр коллимированного пучка. Фигура демонстрирует, что используемый диапазон частот для этой конкретной компоновки составляет от 20 до 120 кГц. Нижняя граница используемого диапазона частот может достигать 5 кГц и ограничена только размером буровой скважины. Для коллимированного пучка можно использовать другие полосы частот, в том числе частоты акустического каротажа, которые обычно находятся в килогерцовом диапазоне и полосу телезрительского типа буровой скважины, которые обычно находятся в диапазоне от сотен килогерц до мегагерц. Одно преимущество такой компоновки состоит в том, что использование источника широкополосного чирпированного сигнала в буровой скважине обычно позволяет повысить отношение сигнал-шум в сравнении с нечирпированным источником. Чирпированный сигнал дополнительно позволяет более точно оценивать задержку по времени, что обеспечивает преимущество в применениях, связанных с формированием изображения.

На фиг. 7а показан коллимированный пучок, созданный посредством процесса смешивания с использованием пенного блока ЧПУ в качестве нелинейного материала. Матрица 710 преобразователей сконфигурирована для создания акустической волны на частотах 1,000 МГц и 1,087 МГц. Матрица 710 преобразователей подключена к пене ЧПУ 720, где два акустических сигнала смешиваются, образуя коллимированный пучок 730 имеющий частоту 87 кГц. Пенный блок ЧПУ имеет апертуру 80 мм, из которой распространяется коллимированный пучок. На фиг. 7Ь показана амплитуда коллимированного пучка во временной области при 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 сильный пик на частоте 87 кГц.

Фиг. 8 аналогична фиг. 7а, но демонстрирует коллимированный пучок 810, генерируемый с помощью матрицы 820 преобразователей и пенного блока 830 ЧПУ, размещенных в кожухе 840. Как показано, кожух 840 представляет собой алюминиевую трубу, имеющую полную длину 323 мм, внутренний диаметр 140 мм и наружный диаметр 153 мм.

Фиг. 9 аналогична фиг. 7а и демонстрирует коллимированный пучок, созданный посредством процесса нелинейного смешивания с использованием керамического блока 310М в качестве нелинейного материала. Матрица 910 преобразователей сконфигурирована для создания акустических сигналов на частотах 1,353 МГц и 1,440 МГц. Матрица 910 преобразователей подключена к керамическому блоку 920 310М, где два акустических сигнала смешиваются, образуя коллимированный пучок 930, имеющий частоту 87 кГц. Керамический блок 920 310М имеет апертуру 110 мм, из которой распространяется коллимированный пучок. Как явствует из фигуры, коллимированный пучок имеет боковые лепестки, которые проходят в ближнеполевую область в пределах нескольких сантиметров от апертуры керамического блока; однако эти боковые лепестки не проходят в дальнеполевую область пучка.

На фиг. 10 показан аспект изобретения, где устройство используется для характеризации пластов и/или материалов вблизи буровой скважины. Один или более источников 1005 вырабатывают сигналы на первой и второй частотах. Сигналы передаются на усилитель или усилители 1010 сигнала, которые сконфигурированы для повышения мощности сигналов. Сигналы, измененные усилителем 1010, передаются на один или более преобразователей 1015 которые сконфигурированы для генерации акустических волн на первой и второй частотах. Акустические волны передаются в нелинейный материал 1020, который смешивает волны посредством процесса смешивания для создания коллимированного акустического пучка 1025.

Коллимированный акустический пучок 1025 можно ориентировать в конкретном направлении с помощью ориентирующего устройства, например направителя 1030 акустического пучка. Направитель 1030 акустического пучка может представлять собой акустический отражатель или акустическую линзу.

- 8 024405

Акустическим отражателем может быть материал, акустический импеданс которого отличается от акустического импеданса окружающей среды, в которой распространяется пучок. Одним неограничительным примером такого акустического отражателя является металлическая пластина. Акустическая линза сконфигурирована для фокусировки коллимированного акустического пучка в конкретной фокальной точке и направлении и может иметь вогнутую форму. Для направителя акустического пучка также можно использовать зеркальную сборку френелевского типа. Направитель акустического пучка можно поворачивать в конкретную ориентацию с использованием одного или более приводов 1035, подключенных к направителю, как показано более подробно на фиг. 11. В некоторых вариантах осуществления направитель 1030 акустического пучка можно не использовать, и коллимированный пучок будет распространяться вдоль оси буровой скважины.

Коллимированный пучок 1040 может отражаться от направителя 1030 и ориентироваться в конкретном направлении к объекту 1045, представляющему интерес, вблизи буровой скважины. Неоднородности пластов, например объект 1045 или соседний слой, расположенный вдоль пучка, будут приводить к отражению или рассеянию акустического пучка. В частности, перепады акустического импеданса вследствие локальной неоднородности, плоских трещин и т.д. вне буровой скважины вызывают отражение или рассеяние акустического пучка, часть которого будет возвращаться к буровой скважине. В обсаженной скважине, энергия отражается от внутренней стенки обсадной колонны, наружной стенки обсадной колонны, которая может быть присоединена или не присоединена к цементу, любых пустот в цементе, границы раздела цемента или флюида с пластом и любых дополнительных концентрических обсадных труб. Применительно к необсаженным скважинам, энергия отражается от границ импеданса, обусловленных (например) механическим изменением пласта, вызванным бурением, прорывом пластовых флюидов, природными трещинами, включениями вторичных минералов и границами слоя. Отраженные и рассеянные волны 1050 принимаются одним или более приемниками 1055 в той же буровой скважине (для случая формирования изображения с помощью единичной скважины) или в другой буровой скважине (для случая межскважинного формирования изображения). Приемники 1055 могут быть подключены к направителю 1030, что позволяет конфигурировать приемники для приема отраженных волн 1050 при перемещении направителя 1030. Сигналы, принятые приемниками 1055, могут передаваться на электронный блок 1060 обработки для анализа. Электронный блок 1060 обработки может включать в себя компьютер с надлежащим программным обеспечением для характеризации пласта породы, включающей в себя формирование 2Ό или 3Ό изображений пласта. Скважинное оборудование заключено в кожух 1065, что позволяет производить стандартные каротажные работы в скважине.

В некоторых аспектах изобретения устройство в сборе, включающее в себя преобразователи 1015, нелинейный материал 102 0 и приемники 1055 можно перемещать вверх и вниз вдоль буровой скважины для формирования изображения конкретного пласта вблизи буровой скважины. Кроме того, устройство в сборе с приемниками 1055 или без них можно поворачивать вокруг оси буровой скважины для формирования изображения пластов в любом азимутальном направлении вокруг буровой скважины.

На фиг. 11 показаны соответствующие оси вращения направителя 1105 акустического пучка. Направление коллимированного пучка ориентируется путем избирательной регулировки азимута направителя путем вращения вокруг оси 1110 направителя и наклона 1115, угла между плоскостью фронтальной поверхности направителя и осью направителя. Используя приводы (не показаны), можно эффективно управлять плоскостью направителя по азимуту и наклону. Таким образом, приводы можно использовать для ориентирования или изменения направления коллимированного пучка.

На фиг. 12 показан коллимированный пучок, созданный посредством процесса нелинейного смешивания с использованием керамического блока 310М в качестве нелинейного материала, проникающий в металлическую обсадную трубу. Матрица 1205 преобразователей сконфигурирована для создания акустических сигналов, имеющих частоты, например, 1,000 МГц и 1,087 МГц. Матрица 1205 преобразователей подключена к керамическому блоку 1210 310М, где два акустических сигнала смешиваются, образуя коллимированный пучок 1215, имеющий частоту 87 кГц, который распространяется через металлическую обсадную трубу 1220. Матрицу 1205 преобразователей можно поворачивать вокруг продольной оси буровой скважины для формирования изображения пласта вокруг буровой скважины. Пучок, претерпевший отражение или обратное рассеяние от пласта, может приниматься одним или более приемниками (не показаны) в буровой скважине или в другой буровой скважине. Приемники могут быть подключены к матрице 1205 преобразователей для вращения аналогичным образом, чтобы пучок, претерпевший отражение или обратное рассеяние, принимался приемниками. Как явствует из фигуры, пучок сохраняет свою коллимацию по выходе из металлической обсадной трубы 1220.

На фиг. 13а и 13Ь показан коллимированный пучок после ориентирования с помощью акустического зеркала и выхода из металлической обсадной трубы. фиг. 13а и 13Ь аналогичны фиг. 12, с тем отличием, что нелинейный материал (в данном случае, вода) создает нелинейный пучок вдоль трубы, и пучок ориентируется из трубы перпендикулярно начальному направлению распространения с помощью пластины акустического зеркала. Матрица 1305 преобразователей сконфигурирована для создания акустических сигналов, имеющих частоту, например, 0,953 МГц и 1,036 МГц. Матрица 1305 преобразователей подключена к нелинейному материалу (воде) 1310, где два акустических сигнала смешиваются, образуя

- 9 024405 коллимированный пучок 1315, имеющий частоту 83 кГц, который отражается от акустического зеркала 1320 и распространяется через металлическую обсадную трубу 1325. Как явствует из фигуры, пучок сохраняет свою коллимацию по выходе из металлической обсадной трубы 1325, и легко поддается ориентированию путем вращения акустического зеркала таким образом, чтобы угол падения коллимированного пучка изменялся. На фиг. 13Ь показано ориентирование пучка, достигнутое благодаря вращению зеркала 1320.

На фиг. 14 показан аспект изобретения, где устройство используется с системой акустической фокусировки. Один или более источников 1405 вырабатывают сигналы на первой и второй частотах. Сигналы передаются на усилитель или усилители 1410 сигнала, которые сконфигурированы для повышения мощности сигналов. Сигналы, измененные усилителем 1410, передаются на один или более преобразователей 1415, которые сконфигурированы для генерации акустических сигналов на первой и второй частотах. Акустические сигналы распространяются в нелинейный материал 1420, который смешивает сигналы посредством процесса смешивания для создания коллимированного акустического пучка 1425.

В некоторых вариантах осуществления коллимированный акустический пучок 1425 падает на систему 1430 акустической фокусировки. Коллимированному пучку свойственно иметь определенный раствор пучка, который увеличивается по мере распространения пучка через кожух (т.е. трубу). Этот раствор пучка означает, что на определенном расстоянии от источника пучка, пучок будет взаимодействовать со стенками кожуха, что может приводить к нежелательным эффектам. Система 1430 акустической фокусировки уменьшает это взаимодействие пучка и стенок кожуха за счет фокусировки пучка и, таким образом, уменьшает раствор пучка. Фокусировка предназначена не для того, что сокращать профиль пучка до точки, но лишь для того, чтобы создавать хорошо заданный пучок, которые не испытывает искажения или ослабления вследствие отражений от стенок кожуха, благодаря чему, профиль пучка не подвергается слишком большому угловому расширению. Одним неограничительным примером системы 1430 акустической фокусировки является линза Френеля, выполненная из плексигласа или других материалов, которая, обладая надлежащей формой, уменьшает раствор пучка. Система 1430 акустической фокусировки может включать в себя различные материалы, в том числе, камеру, наполненную жидкостью, отличающейся скоростью звука от нелинейного материала в кожухе, где камере придана надлежащая форма, выпуклая или вогнутая в зависимости от скоростей звука в жидкостях. В целом, в качестве системы 1430 акустической фокусировки можно использовать любой материал, надлежащим образом согласованный по акустическому импедансу с нелинейным материалом в кожухе.

В некоторых вариантах осуществления система 1430 акустической фокусировки не используется, когда пучок 1425, созданный путем нелинейного смешивания в материале 1420, достаточно хорошо задан и не подвергается слишком большому угловому расширению. В этом случае, пучок 1425 выходит из материала 1420 без дополнительных изменений.

Корпус или кожух 1435 сконфигурирован для того, чтобы служить вместилищем и опорой преобразователям 1415, нелинейному материалу 1420, системе 1430 акустической фокусировки и одному или более приемникам 1440. Сфокусированный акустический пучок направляется вдоль оси корпуса 1435 и отражается или рассеивается от объекта 1445, представляющего интерес. Объект 1445 может включать в себя неоднородности в пласте породы, например зоны инфильтрации, связь цемента с обсадной колонной, зоны повреждения, зоны трещиноватости, стратиграфическое расслоение (в частности, при высоком кажущемся падении, т.е. для скважин с большим углом наклона в пластах с относительно низким падением). Приемники 1440 сконфигурированы для приема отраженного или рассеянного сигнала 1455, и сигнал обрабатывается электронным блоком 1450 обработки.

На фиг. 15а, 15Ь и 15с показаны экспериментальная установка и результаты формирования изображения объекта вне трубы в соответствии с аспектом изобретения. На фиг. 15а показана экспериментальная установка, аналогичная по конструкции установке, показанной на фиг. 10, в которой преобразователь 1505 источника сконфигурирован для генерации акустических сигналов и подключен к нелинейному материалу 1510, который сконфигурирован для создания коллимированного акустического пучка 1515 посредством процесса нелинейного смешивания. Преобразователь 1505 источника может возбуждаться генератором источника и усилителем мощности (оба не показаны). Кожух 1520, например цилиндрический корпус, сконфигурирован так, чтобы вмещать в себя преобразователь 1505, нелинейный материал 1510, а также направитель 1525 акустического пучка, и один или более приемников 1530. Коллимированный акустический пучок 1515 направляется из кожуха 1520 направителем 1525 акустического пучка. В порядке неограничительного примера, в этой компоновке, направитель 1525 акустического пучка является акустическим отражателем. Отраженный коллимированный пучок 1530 падает на объект 1535 вне кожуха 1520. Объект 1535 может включать в себя неоднородности в пластах породы, например зоны инфильтрации, связь цемента с обсадной колонной, зоны повреждения, зоны трещиноватости, стратиграфическое расслоение (в частности, при высоком кажущемся падении, т.е. для скважин с большим углом наклона в пластах с относительно низким падением). Коллимированный пучок 1540 принимается одним или более приемниками 1550 (расположенными в той же буровой скважине или в другой буровой скважине) после отражения или обратного рассеяния от объекта 1535.

В экспериментальной установке, показанной на фиг. 15а, объект поворачивали на 360° вокруг оси

- 10 024405

1545 и измеряли интенсивность звука, регистрируемого приемниками 1550. В этой установке, объектом 1535 служил сплошной блок алюминия слегка неправильной формы, расположенный на расстоянии приблизительно 61 см от стенки трубы. Труба и блок были погружены в воду. На фиг. 15Ь показан график в полярных координатах измеренной отраженной интенсивности, и на фиг. 15с показан график в полярных координатах измеренного времени отражения. На обеих фиг. 15Ь и 15с, поперечное сечение алюминиевого блока показано для сравнения с измеренными данными. Как показано на фиг. 15Ь, сигнал принимает большое значение, когда грань блока находится в позиции, при которой отраженный сигнал на приемнике максимален. Таким образом, каждый пик представляет грань блока. На фиг. 15с показано время распространения. При вращении блока, грани приближаются и удаляются, изменяя суммарное расстояние, пройденное звуковым пучком. Очевидно, что в скважинной конфигурации, изображение интенсивности будет получено путем вращения устройства. Таким образом, амплитуда отраженного сигнала представляет отражения от неоднородностей вокруг периметра буровой скважины.

Устройство можно сделать очень компактным и, в то же время, способным генерировать низкочастотный коллимированный пучок с большой шириной полосы от 20 до 120 кГц, выбирая нелинейный материал 140 с низкой акустической скоростью, высокой нелинейностью, низким ослаблением и высокой устойчивостью к сотрясению пласта. В зависимости от условий эксплуатации в буровой скважине, другие нелинейные материалы с подходящими низкой скоростью звука, высокой нелинейной связью, длиной поглощения, длиной ударной волны, рабочими диапазонами температуры и давления можно выбирать для минимизации размера объема смешивания, а также для удовлетворения других требований, предъявляемых спецификациями работоспособности. В порядке другого неограничительного примера, нелинейным материалом может быть фторинерт РС-43, что является товарным знаком для инертной жидкости, используемой для применений в электронной технике, продаваемый 3М СогрогаЦоп из СентПол, Миннесота. Фторинерт РС-43 является подходящей жидкостью для акустического нелинейного смешивания благодаря своей низкой скорости звука (646 м/с) и своему высокому акустическому нелинейному параметру β 7,6. Другие жидкости из семейства фторинерт также можно использовать, поскольку все они обладают аналогичными физическими свойствами. Фторинерт устойчив с химической и термической точки зрения, совместим с чувствительными материалами и практически нетоксичен. Его диэлектрическая прочность примерно в 10 раз выше, чем у воздуха, что позволяет безопасно использовать его при высоких мощностях возбуждения, необходимых в нелинейных акустических применениях. Он обычно используется в иммерсионном тепловом охлаждении для электронных компонентов, подверженных высокотемпературному повреждению.

В некоторых аспектах, устройство включает в себя передатчик, высокочастотный преобразователь, обычно предназначенный для работы на частоте около 1 МГц, присоединенный к контейнеру, наполненному жидкостью, или объему смешивания, содержащему нелинейный материал, например цилиндру, наполненному фторинертом РС-43 или аналогичной инертной жидкостью с низкой скоростью звука. Длина и ширина смесительной камеры нелинейного материала могут быть очень небольшими, составляя 12 см на 6 см, как показано на фиг. 16 для диапазона частот пучка 20-120 кГц. Камеру можно уменьшить до размеров 5 см на 3 см, если нижняя граница диапазона частот пучка возрастает до 50 кГ ц. Высокочастотный преобразователь может возбуждаться сигналом фиксированной частоты и чирпированной частоты, например 1,03 МГц и чирп 0,91-1,01 МГц (первичные частоты), которые генерируют высокочастотные акустические пучки, распространяющиеся в смесительной текучей среде, например РС-43. Благодаря акустическим нелинейным свойствам текучей среды, высокочастотные пучки взаимодействуют, создавая разностную частоту и более высокие гармоники первичных частот. Первичные частоты и более высокие гармоники могут испытывать ослабление в смесительной текучей среде (свойство акустической нелинейной текучей среды), и только разностная частота продолжает распространяются. Пучок разностной частоты возникший в результате взаимодействия вышеупомянутых первичных частот, находится в диапазоне 20-120 кГц. Низкая частота в сочетании с малой шириной пучка, достигаемые акустическим нелинейным смешиванием, делает устройство подходящим кандидатом для формирования акустического изображения вне буровой скважины. Широкополосный низкочастотный акустический пучок в меньшей степени подвержен ослаблению по сравнению с высокими частотами, в то время как узкая коллимация может обеспечивать хорошее разрешение для формирования акустического изображения.

Типичные традиционные пьезоэлектрические и другие источники звука имеют малую ширину полосы - максимум 30%. Поэтому устройство с центральной частотой 70 кГц будет иметь диапазон частот приблизительно от 60 до 80 кГ ц. Чтобы достичь этого с помощью пьезоэлектрического диска или листа с колебаниями по толщине, толщина и диаметр материала должна быть довольно большой, во избежание генерации различных радиальных и других колебаний. Раствор пучка также будет очень большим, как показано в правой части отображения, показанного на фиг. 17. Очевидно, такой источник не обеспечивает пучкообразную диаграмму направленности излучения. Источник, например показанный на фиг. 16, использующий нелинейное смешивание двух частот, не может излучать (например) тональный пакет фиксированной частоты (ί₁) и чирп (Т₂) с той же длительностью и частотой в пределах от 0,89 до 0,98 от ί₁. Этот диапазон не является абсолютным - нижний предел диапазона Г₂ ограничен, поскольку эффек- 11 024405 тивность смешивания снижается, когда разность частот Δί увеличивается по отношению к ί), и верхний предел, поскольку для коллимации требуется, чтобы длина контейнера, наполненного текучей средой, не менее чем в четыре раза превышала длины волны разностной частоты. Фиксированная частота ίί в диапазоне от 250 кГц до 1,5 МГц пригодна для применения в буровой скважине. Фиксированная частота ίί равная 1,03 МГц и ί₂ в вышеописанном диапазоне примерно от 0,91 до 1,01 МГц будут генерировать коллимированный пучок с центральной частотой 70 кГц и диапазоном от 20 до 120 кГц. В левой части отображения, показанного на фиг. 17, изображены пучки, генерируемые двумя преобразователями аналогичного (диаметром 38 и 28 мм соответственно), один из которых оптимизирован для работы в диапазоне 100 кГц на частоте 83 кГц, и другой оптимизирован для излучения в диапазоне 1 МГц электронно смешанных сигналов 0,953 и 1,036 МГц, в результате чего генерируется пучок разностной частоты 83 кГц. Измерения были произведены в воде. Пучок разностной частоты остается коллимированным на расстоянии одного метра от источника.

В некоторых аспектах, компактный источник, показанный на фиг. 16, можно использовать для генерации акустического импульса с большой шириной полосы, распространяющегося вдоль траектории коллимированного пучка. Например, когда два первичных гауссовых импульса, один с центральной частотой ί) и распределением σ₁ по полосе частот и другой с центральной частотой ί₂ и распределением σ₂ по полосе частот, смешиваются в камере, содержащей нелинейный материал, создается вторичный акустический импульс с центральной частотой (ίι-ί₂) и шириной полосы приблизительно (σ₁+σ₂). Например, два гауссовых импульса с центральной частотой 1,025 МГц и 1,075 МГц с одинаковым распределением по полосе частот 40 кГ ц, смешивали в камере для создания акустического импульса и его соответствующего частотного спектра 25-150 кГц, имеющего коллимированную траекторию, показанную на фиг. 18. Генерация акустического импульса в фиксированном направлении коллимации с помощью компактного устройства посредством механизма смешивания на основе параметрической матрицы может быть очень гибким. Частоты ί и ί₂ и распределения σ₁ и σ₂ по ширине полосы можно регулировать электронными средствами, что обеспечивает гибкость конструкции и изменение частоты и ширины полосы вторичного акустического импульса в ходе операции измерения в буровой скважине и в другом месте.

Коллимированный пучок, испускаемый устройством-источником, может иметь тенденцию к расхождению, и коллимацию пучка можно улучшить, располагая акустическую линзу или линзовую сборку за пределами объема, где первичные частоты смешиваются для генерации пучка разностной частоты. Мы использовали плексиглас®, но можно использовать любой материал с низким ослаблением звука и надлежащим акустическим импедансом.

В ряде случаев, перепад импеданса между скважинным флюидом и пластом и цилиндрическая поверхность буровой скважины могут приводить к изменению геометрии пучка, в результате чего пучок может приобретать свойство схождения в фокусе с последующим расхождением внутри пласта. В этой ситуации, преобразование принятых сигналов в изображения может усложняться. Для компенсации этого эффекта между акустическим зеркалом и стенкой буровой скважины можно поместить вторую акустическую линзу или линзовую сборку, например рассеивающую линзу, чтобы пучок оставался более коллимированным вне буровой скважины. Вторая акустическая линза или линзовая сборка призвана компенсировать фокусирующее действие границы раздела между стволом скважины и пластом, которая действует как цилиндрическая линза, фокусируя пучок в некотором месте в пласте, после которого он расходится. Фокусирующее действие границы раздела зависит от кривизны буровая скважина и перепада импеданса между буровым раствором и пластом. Функция поддержания коллимации пучка первой и второй линзовых сборок изображена на фиг. 19а и 19Ь.

На фиг. 19а и 19Ь показан аспект раскрытия, где устройство используется с двухлинзовой сборкой. В частности, фиг. 19а показаны виды сбоку и сверху устройства, включающего в себя кожух 1601 и зеркало 1625, размещенного в буровой скважине 1605. На фиг. 19Ь показаны виды сбоку и сверху устройства, включающего в себя кожух 1601, собирающую линзу 1610, зеркало 1625 и рассеивающую линзу 1630, размещенную в кожухе 1601 в буровой скважине 1605. Как описано выше, один или более источников (не показаны) сконфигурированы для создания сигналов на первой и второй частоте. Сигналы передаются на усилитель сигнала (не показан) и затем передаются на один или более преобразователей (не показаны), которые сконфигурированы для генерации акустических сигналов на первой и второй частотах. Акустические сигналы распространяются в нелинейный материал (не показан), как описано выше, который смешивает сигналы посредством процесса смешивания для создания акустического пучка. Вышеупомянутые компоненты могут располагаться в кожухе 1601 в буровой скважине 1605. Акустическая линза 1610, например собирающая линза, может быть размещена вдоль трассы передачи акустического пучка, т.е., но без ограничения, вблизи выходной поверхности кожуха 1601, и/или сообщаясь с объемом смешивания/нелинейным материалом, прямо или косвенно через границу раздела, для изменения геометрии пучка для акустического пучка. Например, геометрия пучка для акустического пучка, созданного источниками, может изменяться таким образом, что пучок 1620, преломленный акустической линзой 1610, оказывается более коллимированным, чем пучок, вышедший из кожуха 1601. Пучок 1620 может отражаться от акустического отражателя или акустического зеркала 1625 и направляться ко второй аку- 12 024405 стической линзе 1630, например рассеивающей линзе. Вторая акустическая линза 1630 может быть сконфигурирована для компенсации изменения геометрии пучка, обусловленного взаимодействием между акустическим пучком и границей раздела между поверхностью стенки буровой скважины и материалом, окружающим буровую скважину. Акустическое зеркало или линзы могут быть выполнены с возможностью вращения одним или более приводами или двигателями 1635. Например, рассеивающая линза может представлять собой цилиндрическую линзу, которая сконфигурирован противодействовать фокусирующему воздействию на пучок, обусловленному кривизной буровой скважины. Затем акустический пучок может преломляться второй акустической линзой 1630 и направляться за пределы буровой скважины 1605. Первая и вторая акустические линзы 1610 и 1630 могут представлять собой линзы Френеля, выполненные из плексигласа или других подходящих материалов, имеющих низкое ослабление звука и надлежащий акустический импеданс, и которые, имея надлежащие формы, изменяют пучок, делая его сходящимся или расходящимся пучком в зависимости от конкретного размещения линз.

Акустический отражатель или акустическое зеркало 1625 и вторую акустическую линзу 1630 можно поворачивать вокруг продольной оси буровой скважины 1605 для генерации одного или более панорамных изображений пластов вне буровой скважины. Дополнительно, наклон зеркала по отношению к оси буровой скважины можно регулировать для изменения угла падения пучка на стенке буровой скважины.

Внешние размеры каротажных приборов определяют диапазон размеров скважин, в которых они могут работать. Устройство с рабочим диапазоном частот от 20 до 120 кГц, где в качестве нелинейного материала используется РС43, можно собрать с диаметром около четырех дюймов, что позволяет использовать его в буровой скважине диаметром шесть дюймов и более. Более крупные устройства, генерирующие более мощные коллимированные пучки и работающие на более низких частотах, можно использовать в буровых скважинах большего диаметра. Более компактное устройство, работающее на более высоких частотах, можно спускать по эксплуатационной насосно-компрессорной колонне для облуживания в законченных скважинах.

Перепады акустического импеданса, обусловленные локальной неоднородностью, плоскими трещинами и т.д. вне буровой скважины вызывают отражение или рассеяние акустического пучка, часть которого будет возвращаться к буровой скважине. В обсаженной скважине, энергия отражается от внутренней стенки обсадной колонны, наружной стенки обсадной колонны, которая может быть присоединена или не присоединена к цементу, любых пустот в цементе, границы раздела цемента или флюида с пластом и любых дополнительных концентрических обсадных труб. Применительно к необсаженным скважинам, энергия отражается от границ импеданса, обусловленных (например) механическим изменением пласта, вызванным бурением, прорывом пластовых флюидов, природными трещинами, включениями вторичных минералов и границами слоя.

Система, использующая вышеописанные устройство-источник и приемники для регистрации рассеяния энергия извне буровой скважины для 3Ό отражательной сейсмологии в буровой скважине для создания трехмерного изображения геологической породы, окружающей буровую скважину, показана на фиг. 19а, 19Ь и 20. Система содержит акустический источник с поворотными зеркалами, например отражателем 1625, и линзами, например линзами 1610 и/или 1630, которые можно поворачивать с помощью одного или более приводов/двигателей 1635 и которые могут быть смонтированы в каротажном приборе, и матрицу 1640 приемников, которые установлены вдоль прибора, размещенного в буровой скважине, для регистрации отраженного сигнала. Систему в целом можно перемещать вверх и вниз по буровой скважине, как в 2Ό отражательной наземной сейсмологии. Вращение зеркала заставляет пучок из источника параметрической матрицы сканировать периметр буровой скважины по азимуту для получения полного 3Ό изображения вокруг буровой скважины. Наклонение зеркала изменяет наклон пучка из источника параметрической матрицы, и повторное азимутальное сканирование будет создавать другое полное 3Ό изображение. Набор множественных 3Ό изображений обеспечивает избыточность. Набор множественных 3Ό изображений можно надлежащим образом комбинировать для повышения четкости полного 3Ό изображения методами обработки сигнала.

Устройство для лабораторных экспериментов, демонстрирующее работу вышеописанной измерительной системы показано на фиг. 21а и 22Ь. В частности, на фиг. 21а показан вид в плане предложенного вертикального выреза в бочке и на фиг. 22Ь показан вид в разрезе, демонстрирующий компоненты и размеры различных компонентов устройства. На фиг. 21а, плексигласовая труба 2105 диаметром 146 мм проходит через центр пластмассовой бочки 2110, и входит в кольцевое пространство, наполненное цементом. Затем оболочку бочки удалили и прорубили канал шириной 45° и глубиной 50 мм вдоль цилиндра. С противоположной стороны вырезали круглое отверстие диаметром 180 мм аналогичной глубины. На фиг. 22Ь, аксиально смонтированная передающая сборка 2115, акустическое зеркало 2120 и матрица из 12 приемников 2130 размещены по длине бочки 2110. Сигнал передатчика сначала регистрировали в корыте с водой.

Данные отражения регистрировали несколькими приемниками в матрице из одного источника с одним азимутом и одним наклоном в одном местоположении передатчика с помощью устройства, показанного на фиг. 21а и 21Ь. Эти данные обычно именуются в сейсморазведке данными, полученными при

- 13 024405 различном смещении. Затем были проведены корреляция принятых сигналов с пучком чирпированного сигнала и обращение свертки сигнала источника согласно стандартной теорией обработки сигнала. Сигнал, полученный обращением свертки, показан на фиг. 22. Это будет соответствовать отображение панели смещения в наземной сейсмологии. Можно видеть различные прямые линейные приходящие сигналы, распространяющиеся вдоль стенок буровой скважины и отраженные сигналы от наружных стенок.

Эксперимент повторяли для множественных азимутов с приращениями по 5°, и иллюстративные результаты отображаются в отображениях смещения для множественных азимутов на фиг. 23. На фигуре показана последовательность отображений множественных панелей смещения по азимуту, охватывающих азимуты от 35 до 145°. По оси х отложен номер трассы, и каждая панель смещения имеет 12 трасс, при том, что последовательные панели соответствуют приращению в 5°. Отраженные сигналы извне буровой скважины можно видеть в различных азимутальных секциях. Время распространения отраженных сигналов отчетливо демонстрирует изменение времен прихода, соответствующее изменчивости размера внешней стенки.

Одни и те же данные можно пересортировывать для отображения зарегистрированного сигнала для единичного разнесения между источником и приемником, обычно именуемого в сейсморазведке разнесением смещения, в зависимости от азимута, как показано на фиг. 24. На фигуре отчетливо видно геометрическое изображение канавки. Эксперимент можно повторять с разным наклоном пучка от источника для обеспечения более направленного сканирования и избыточности для улучшения изображения.

3Ό данные отражения сейсмических сигналов в буровой скважине, собранные описанной системой, можно обрабатывать посредством различных алгоритмов формирования изображения, адаптированных из стандартного формирования 3Ό изображения. Например, каждый раз, когда источник излучает энергию в одну ориентацию зеркала, освещающее волновое поле характеризуется направленностью системы источник/зеркало и функцией Грина между источником и любой точкой внутри буровой скважины и/или пласта. Обратный путь от приемника к любой точке внутри буровой скважины/пласта можно аналогично рассматривать как комбинацию функции направленности и функции Грина. Моделируемый отклик из любой точки в среде, обусловленный конкретными источником и приемником, является сверткой функций этих источника и приемника. В любой точке в среде вклад в изображение каждой пары источник/приемник берется как значение нулевого отставания из кросс-корреляции функции моделируемого отклика с записанными данными. Эта конкретная система имеет определенные геометрические признаки, которые можно использовать, например, заменяя источник и зеркало виртуальным источником, излучающим через апертуру в форме зеркала и используя цилиндрическую симметрию.

Записи принятых форм волны обрабатываются для генерации изображения характеристик отражения или пропускания пласта. Направление распространения и время распространения пучка могут фиксировать положения, где генерируются рассеянные волны, в чем состоит отличие этого устройства от нормальных методов формирования звукового изображения с использованием традиционных ненаправленных монопольных и дипольных источников. Сопутствующий эффект использования пучка по сравнению с традиционными источниками состоит в том, что вычисление изображения акустических свойств пласта может не требовать детального задания поля скоростей пласта породы. Измерение направления распространения и времени распространения пучка упрощается и повышает способность идентифицировать местоположение отражения или рассеяния волн. В частности, знание ориентации пучка, выходящего из прибора, локализует источники регистрируемых рассеянных волн в направлении пучка, и задержка по времени локализует позицию рассеянных источников вдоль пути пучка. Таким образом, формирование изображения в буровой скважине с источником пучка может представлять упрощение и уменьшение неопределенности изображения времени окончания в отличие от традиционных (не пучковых) источников, которые требуют точной детальной скоростной модели для вычисления 3Ό изображения. Кроме того, поскольку пучок фокусируется и поддается ориентированию по азимуту и наклону относительно буровой скважины, формирование изображения обеспечивает более высокое разрешение, чем получаемое с помощью традиционного (не пучкового) источника. Способ позволяет детально формировать изображения признаков, включающих в себя зоны инфильтрации, связи цемента с обсадной колонной, зоны повреждения, зоны трещиноватости, стратиграфическое расслоение в частности при высоком кажущемся падении (угле между плоскостью напластования и плоскостью, перпендикулярной оси прибора). Частота широкополосного разностного пучка согласно изобретению составляет от 1 до 100 кГц. Нижняя граница этого диапазона частот, также используемая некоторыми традиционными акустическими каротажными приборами, достигает глубины проникновения до ста футов. Важно отметить, что, поскольку пучок является широкополосным и допускает кодирование, отношение сигнал-шум зарегистрированного сигнала можно значительно повысить после обработки и декодирования. Благодаря характеристикам широкополосного пучка, в общем случае, с увеличенной глубиной проникновения и повышенным отношением сигнал-шум вследствие кодирования, способ также может обеспечивать детальное формирование изображения и/или характеризацию нелинейных свойств пласта породы и его флюидного содержимого, окружающих буровую скважину.

Различные источники акустического пучка, подробно описанный выше, можно использовать во многих применениях, в основе которых лежит формирование изображения вокруг буровой скважины.

- 14 024405

Например, вышеописанные источники акустического пучка можно использовать для различного оценивания природных трещин, картографирования каверн, включений или других неоднородностей, оценивания наличия и свойств цементной оболочки между одной или более обсадными трубами и пластом вокруг обсаженной скважины, картографирования прорыва пластовых флюидов из буровой скважины и оценивания механической целостности пласта вокруг ствола скважины, в частности любого изменения, вызванного концентрацией напряжений вблизи ствола скважины. Существуют дополнительные применения для компактного источника в таких областях, как неразрушающее испытание.

Различные конфигурации, подробно описанные выше, приведены исключительно в целях иллюстрации. Конфигурации можно модифицировать для других применений без выхода за рамки изобретения. Например, в конфигурациях каротажа во время бурения (Ь^Э) и транспортировки по трубе, с использованием технологии, которая позволяет пропускать прибор до нижнего конца бурильной колонны, компактное устройство генерации акустического пучка позволит эффективно исследовать область перед долотом, тем самым, обнаруживая зоны аномально высокого пластового давления или значительные изменения в реологии пласта, до того, как их достигнет буровое долото. Ориентирование пучка также обеспечивает непрямое измерение падения и азимута отражающих тел перед долотом. Еще одно применение состоит в обнаружении неисправной геометрии перед долотом.

Используемый здесь термин линза следует понимать в смысле, включающем в себя преломляющие и отражающие структуры и материалы, известные специалистам в данной области техники.

Хотя изобретение было описанный подробно в целях иллюстрации на основании различных вариантов осуществления, которые в настоящее время считаются полезными, следует понимать, что эти детали приведены только с этой целью, и что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, но, напротив, призвано охватывать модификации и эквивалентные компоновки, отвечающие сущности и объему нижеследующей формулы изобретения. Например, хотя здесь упомянут компьютер, он может включать в себя компьютер общего назначения, специализированный компьютер, А81С, включающую в себя машинно-выполняемые инструкции и запрограммированную выполнять способы, массив или сеть компьютеров, или другое надлежащее вычислительное устройство. Как показано на фиг. 10 и 14, данные, собранные приемниками, будут проходить одну и ту же обработку и либо сохраняться в памяти прибора, либо передаваться из скважины для дополнительной обработки и сохранения. В качестве дополнительного примера, следует понимать, что настоящее изобретение предусматривает, что, насколько возможно, один или более признаков любого варианта осуществления можно комбинировать с одним или более признаками любого другого варианта осуществления.

Claims (28)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ генерации пучка акустического излучения в буровой скважине, причем способ содержит этапы, на которых генерируют первую акустическую волну на первой частоте, генерируют вторую акустическую волну на второй частоте, отличной от первой частоты, причем первая акустическая волна и вторая акустическая волна генерируются по меньшей мере одним преобразователем, транспортируемым каротажным прибором, расположенным в буровой скважине, подают первую и вторую акустические волны в среду с нелинейными акустическими свойствами, расположенную в корпусе каротажного прибора, причем состав нелинейной среды создает коллимированный пучок путем нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка зависит от разности между первой частотой и второй частотой, и пропускают коллимированный пучок через рассеивающую акустическую линзу, расположенную в корпусе каротажного прибора, в материал вокруг буровой скважины для компенсации эффекта преломления, обусловленного кривизной поверхности буровой скважины.
2. 2. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором отражают и направляют коллимированный акустический пучок подвижным акустическим зеркалом.
3. 3. Способ по п.1, в котором нелинейная среда выбирается из группы, состоящей из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, внедренных микросфер, эмульсии и их комбинации.
4. 4. Способ по п.1, в котором коллимированный пучок имеет диапазон частот.
5. 5. Способ по п.4, в котором диапазон частот коллимированного пучка составляет от 15 до 120 кГц.
6. 6. Способ по п.1, в котором первая акустическая волна имеет диапазон частот.
7. 7. Способ по п.1, в котором вторая акустическая волна имеет диапазон частот.
8. 8. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых передают коллимированный пучок в материал вокруг буровой скважины.
9. 9. Способ по п.8, в котором материалом является пласт породы, цемент или обсадная колонна или их комбинация.
10. 10. Способ по п.1, в котором рассеивающая акустическая линза является зеркалом.
11. 11. Способ по п.1, в котором рассеивающая акустическая линза является пропускающей.
12. 12. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых передают коллимированный пучок через вторую акустическую линзу, размещенную вдоль трассы передачи, проходящей между рассеи- 15 024405 вающей линзой и нелинейной средой.
13. 13. Способ по п.12, в котором вторая акустическая линза является собирающей линзой.
14. 14. Способ по п.1, в котором нелинейная среда имеет скорость звука от 100 до 800 м/с.
15. 15. Спускаемый на тросе или транспортируемый по трубе каротажный прибор, предназначенный для размещения в буровой скважине, причем прибор содержит корпус, по меньшей мере один преобразователь, заключенный в корпус и сконфигурированный для создания первой акустической волны на первой частоте и второй акустической волны на второй частоте, отличной от первой частоты, нелинейную среду, заключенную в корпус, причем состав нелинейной среды сконфигурирован для создания коллимированного пучка путем нелинейного смешивания первой и второй акустических волн, причем частота коллимированного пучка зависит от разности между первой частотой и второй частотой, и рассеивающую акустическую линзу, расположенную в корпусе каротажного прибора, сконфигурированную для передачи коллимированного пучка в материал вокруг буровой скважины и для компенсации эффекта преломления, обусловленного кривизной поверхности буровой скважины.
16. 16. Прибор по п.15, дополнительно содержащий акустическое зеркало, сконфигурированное для отражения и направления коллимированного акустического пучка в данном направлении.
17. 17. Прибор по п.15, в котором нелинейная среда выбирается из группы, состоящей из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, внедренных микросфер, эмульсии и их комбинации.
18. 18. Прибор по п.15, в котором коллимированный пучок имеет диапазон частот.
19. 19. Прибор по п.18, в котором диапазон частот коллимированного пучка составляет от 15 до 120 кГц.
20. 20. Прибор по п.15, в котором первая акустическая волна имеет диапазон частот.
21. 21. Прибор по п.15, в котором вторая акустическая волна имеет диапазон частот.
22. 22. Прибор по п.15, в котором рассеивающая акустическая линза сконфигурирована для передачи коллимированного пучка в материал вокруг буровой скважины.
23. 23. Прибор по п.22, в котором материалом является пласт породы, цемент или обсадная колонна или их комбинация.
24. 24. Прибор по п.15, в котором рассеивающая акустическая линза является зеркалом.
25. 25. Прибор по п.15, в котором рассеивающая акустическая линза является пропускающей.
26. 26. Прибор по п.1, дополнительно содержащий вторую акустическую линзу, сконфигурированную для размещения вдоль трассы передачи, проходящей между рассеивающей линзой и нелинейной средой.
27. 27. Прибор по п.26, в котором вторая акустическая линза является собирающей линзой.
28. 28. Прибор по п.15, в котором нелинейная среда имеет скорость звука от 100 до 800 м/с.