MX2012013901A - Dispositivo y metodo para genera un haz colimado de energia acustica en un pozo de sondeo. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere en algunos aspectos, a un método de generación de un haz de energía acústica en un pozo de sondeo. El método incluye la generación de una primera onda acústica a una primera frecuencia; la generación de una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente que la primera frecuencia, en donde la primera onda acústica y la segunda onda acústica son generadas por al menos un transductor llevado por una herramienta localizada dentro del pozo de sondeo; transmitir la primera y la segunda ondas acústicas hacia un medio acústicamente no lineal, en donde la composición del medio no lineal produce un haz colimado por un mezclado no lineal de la primera y segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre el primer intervalo de frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el medio no lineal tiene una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

Description

DISPOSITIVO Y METODO PARA GENERAR UN HAZ COLIMADO DE ENERGIA ACUSTICA EN UN POZQ DE SONDEO Campo de la Invención La presente invención se refiere a la investigación acústica de formaciones de roca alrededor de un pozo de sondeo y más particularmente al usó de la combinación de una fuente acústica que incluye un transductor único o un arreglo de transductores en el sondeo acoplados a un material no lineal para producir un haz acústico como una herramienta de sondeo desde un pozo de sondeo para averiguar las propiedades de las formaciones de la roca y los| materiales que rodean el pozo de sondeo.

Antecedentes de la invención La investigación acústicaj de las características subterráneas tiende a ser limitada por el . tamaño y la potencia de las recursos prácticos, y en la práctica, la salida de los transductores acústicos hacia el fondo del pozo está limitada por las capacidades de transmisión de la energía del cable de la línea alámbrica. Las señales de alta frecuencia tienen una distancia de penetración relativamente corta, mientras que las señales de frecuencia baja generalmente requieren fuentes grandes, afianzadas a la pared del pozo de sondeo, para maximizar la transferencia de la energía hasta la formación y para minimizar las señales Ref .236821 indeseables dentro del sondeo. Es | difícil generar una señal de haz acústico colimado en el intervalo de 10 kHz - 100 kHz desde el pozo de sondeo para sondear la formación de la roca que rodea un pozo de sondeo, o cualquier otro material en el medio ambiente, tal como un revestimiento o cemento, con transductores de baja frecuencia convencionales. Las fuentes acústicas de baja frecuencia convencionales en este intervalo de la frecuencia tienen una anchura de banda baja, menor que 30% de la frecuencia central, y una dispersión del haz muy grande que depende de la frecuencia, de tal modo que cuando la frecuencia se reduce, la dispersión del haz se incrementa.

La generación del haz colimado requiere que se satisfagan un número de condiciones, incluyendo |un arreglo de una fuente alargada, el acoplamiento uniforme de la totalidad de los transductores a la formación de la roca alrededor del pozo de sondeo y el conocimiento de las velocidades acústicas de la formación de la roca. En el medio ambiente del pozo de sondeo, estas condiciones frecuentemente no se pueden lograr a causa de las restricciones físicas subyacentes, factibilidad de la ingeniería y la condiciones operativas .

Las fuentes del haz acústico basadas en el mezclado no lineal de las ondas acústicas han sido propuestas para aplicaciones generales en el medio del fluido, tales como un sonar subterráneo, desde los años 1950. Para aplicaciones subterráneas, la Patente U.S. No. 3 974,476 a favor de Cowles describe una fuente acústica para estudios de los pozos de sondeo. La descripción de Cowles se refiere a un dispositivo de generación de una fuente acústica, por ejemplo, un dispositivo que es capaz de la generación de un haz de una. frecuencia de 1 kHz por el mezclado de dos frecuencias de alrededor de 5 mHz en un medio ambiente del pozo de sondeo viola los principios físicos bási:cos. Una herramienta registro de línea alámbrica, típica ,, tiene un diámetro de cm (3 5/8 pulgadas) , mientras que la longitud de una onda de 1 kHz en un fluido típico de 1500 m/s es de 1.5 m. Esto representa cerca de 10 veces el diámetro del pozo de sondeo. Esta onda acústica de 1 kHz puede no estar colimada sin violar el principio de incertidumbre básica de las leyes físicas de difracción de las ondas. Además, el mezclado de las frecuencias de 5 MHz es generar una onda de 1 kHz que representa una proporción de la frecuencia de descenso gradual de 5000:1, lo cual no se ha demostrado que se pueda lograr en la práctica.

Breve Descripción de la Invención De acuerdo con algunos aspectos de la presente descripción, un método de generación de un haz colimado de energía acústica en un pozo de sondeo es descrito. El método puede incluir la generación de una primera onda acústica a una primera frecuencia; generar una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente que la primera frecuencia, en donde la primera onda acústica y la segunda onda acústica son generadas por al menos un trjansductor llevado por una herramienta localizada dentro del pozo de sondeo; transmitir la primera y segunda ondas acústicas hacia un medio acústicamente no lineal, en donde 1 composición del medio lineal produce un haz colimado la primera y segunda ondas colimado tiene una frecuencia el primer intervalo de la frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el medio no lineal tiene una velocidad baja del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

De acuerdo con el método, medio no lineal puede tener un parámetro de no linealidad beta (ß) entre 2 y 50 y puede tener un factor de calidad Q mayor que 30. El medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas ¡ intercaladas, y/o una emulsión. El haz colimado puede tener un intervalo de la frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. La primera frecuencia y/o la segunda frecuencia pueden incluir un intervalo de frecuencias. El haz colimado puede ser transmitido hacia un material alrededor el pozo de sondeo, en donde el material puede incluir la (formación de la roca, el cemento, y/o un material de revestimiento. El haz colimado pude ser reflejado y guiado por un espejo acústico movible.

De acuerdo con algunos aspectos de la presente descripción, una herramienta de registro transportada por una tubería o por una línea alámbrica, que se puede colocar dentro de un pozo de sondeo, configurada para generar y dirigir un haz acústico colimado en un pozo de sondeo es descrita. La herramienta puede ir.cluir un alojamiento; al menos un transductor, llevado por el alojamiento, y configurado para producir una primera onda acústica a una primera frecuencia y una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente que la primera frecuencia; y un medio no lineal llevado por el alojamiento, en donde la composición del medio no lineal está configurada para producir un haz colimado por un mezclado no lineal de la primera y segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el medio no lineal tiene una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s .

De acuerdo con la herramilenta, el medio no lineal puede tener un parámetro de no linealidad beta entre 2 y 50 y puede tener un factor de calidad Q mayor que 30. El medio no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas intercaladas, y/o una emulsión. El haz colimado puede tener un intervalo de frecuencia que está entre 15 kHz y 120 kHz. La primera frecuencia y/o la segunda frecuencia pueden incluir intervalo de frecuencias . El colimado puede transmitido hacia un material alrededor del pozo de sondeo, en donde el material puede incluir la formación de la roca, el cemento, y/o el material de revé!sstimiento. El haz colimado puede ser reflejado y guiado por un espejo acústico movible.

De acuerdo con un aspecto de la invención, un dispositivo muy compacto, colocado dentro de un sondeo, configurado para generar y dirigir un haz acústico colimado hacia los materiales y la formación de la roca alrededor de un pozo de sondeo, es descrito. El dispositivo incluye un transductor colocado dentro de una herramienta de registro en el pozo de sondeo y configurado para recibir una primera señal electrónica a una primera f Irecuencia y una segunda señal electrónica a una segunda frecuencia generada por una o más fuentes electrónicas y para producir ondas acústicas primarias en la primera frecuencia y la segunda frecuencia; y un material no lineal de velocidad acústica baja colocado en una ruta de transmisión de estas ondas acústicas primarias en la herramienta de registro y configurado para generar un haz acústico colimado secundario con una frecuencia igual a una diferencia en las frecuencias entre primera frecuencia la segunda frecuencia por un proceso de mezclado de un arreglo paramétrico no lineal. El material no lineal puede incluir una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas intercaladas, y/o una emulsión con las propiedades adecuadas: velocidad acústica baja, atenuación acústica baja y alta resistencia I a la formación de ondas choques .

El dispositivo puede incluir además un espejo acústico configurado para reflejar el haz acústico colimado y para dirigir el haz acústico en una dirección dada hacia los materiales y la formación que rodea el pozo de sondeo .

El dispositivo puede incluir además un primer lente o conjunto de lentes acústicos colocados a lo largo de una ruta de propagación del haz acústico, configurado para alterar una geometría del haz, del haz acústico para controlar la colimación del haz y/o un segundo lente o conjunto de lentes acústicos colocados para compensar una alteración de la configuración de radiación del haz debido a una geometría de la interfaz y a diferencias de las propiedades acústicas entre el pozo sondeo y el material que rodea el pozo de sondeo. Además, el primer conjunto de lentes acústicos pueden ser unos lentes convergentes para mejorar la colimación del haz y el segundo conjunto de lentes acústicos pueden ser una lente divergente, en donde la lente divergente puede ser colocada para compensar el efecto sobre el haz de propagación de una interfaz de la formación del pozo de sondeo cilindrico.

El dispositivo puede incluir además un receptor o una red de receptores colocados en el pozo de ' sondeo y configurados para recibir el haz acústico después que el ha acústico se ha alterado como un resultado de 1 característica de la formación, en donde el haz acústico h sido alterado porque está siendo reflejado, refractado y/o retrodispersado por los materiales y la formación que rodea el pozo de sondeo.

El dispositivo puede incluir además un alojamiento configurado para alojar el transductor y el material no lineal. El alojamiento puede incluir además cualesquiera combinaciones de los espejos acústicos y uno o más conjuntos de lentes. El transductor y el material no lineal pueden ser montados axialmente dentro de -la herramienta de registro.

El dispositivo puede incluir además un codificador de la señal configurado para codificar el haz acústico con un código variable con el transcurso del tiempo por la introducción de un componente que varía en el tiempo incluyendo uno o más de la compresión de impulsos de la frecuencia o el barrido de la frecujencia con respecto a una de la primera y la segunda señales El dispositivo puede incluir además un generador de impulsos electrónicos configurado para alimentar el transductor con dos impulsos eléctricos de la primera y segunda frecuencias para generar dos impulsos del haz acústico en un medio de mezclado no lineal para producir un impulso acústico de duración breve, secundario, que geometría del haz para mejorar la colimación del haz acústico dentro de la herramienta de registro por una primera lente acústica colocada a lo largo de una ruta de transmisión del haz acústico y/o la compensación para la alternación de la geometría del haz que se puede atribuir a una característica del pozo de sondeo y para mantener una haz aproximadamente colimado dentro de la tierra por una segunda lente acústica. Además, el método puede incluir además el reflejo y la guía del haz acústico en una dirección dada por un espejo acústico. Además, el método puede incluir además la recepción del haz acústico en el pozo de sondeo por un receptor después que el haz acústico se ha alterado como un resultado de una característica de la formación.

El método puede incluir además la excitación del transductor por una señal de frecuencia elevada, fija, y una señal de la frecuencia de la compresión de impulsos; la producción de uno o más haces acúslicos de alta frecuencia; la recepción de uno o más haces acúsiticos de alta frecuencia; la generación de una ráfaga de tonos de frecuencia fija y una compresión de impulsos que tiene una misma duración que la ráfaga de tonos de la frecuencia fija; en donde la ráfaga de tonos de la frecuencia fija es igual a la diferencia en la frecuencia entre la señal de alta frecuencia y la señal de la frecuencia de la compresión de imp lsos por el . proceso de mezclado no lineal en el material no lineal. La señal de la frecuencia elevada, fija, puede ser de entre 250 kHz y 1.5 MHz y la frecuencia de la señal de la compresión de impulsos puede ser tratada como una compresi¡ón de impulsos de tal modo que la diferencia entre la frecuencia fija y la frecuencia de la compresión de impulsos está entre 3% y 20%.

El método puede incluir además la producción de un primer impulso que tiene una primera frecuencia central y una primera dispersión de la anchura de la banda y un segundo impulso que tiene una segunda frecuencia central y una segunda dispersión de la anchura de la banda por el transductor; transmitir el primer impulso y el segundo impulso hacia el material no lineal; y generar un impulso del haz acústico con una frecuencia central igual a la diferencia en la frecuencia entre la primera frecuencia central y la segunda frecuencia central y una dispersión de la anchura de la banda igual a la suma de la primera dispersión de la anchura de la banda y la segunda dispersión de la anchura de la banda por el material no lineal, por el proceso de mezclado no lineal.

De acuerdo con un aspeeto de la invención, un sistema para las propiedades de formación de imágenes de la formación y otros materiales que rodean un pozo de sondeo, es descrito. El sistema incluye un ensamblaje de una fuente acústica de baja frecuencia, compacto, y un dispositivo de acondicionamiento del haz dentro de una herramienta de registro transportada en un pozo de sondeo que dirige un haz acústico colimado fuera de la herramienta de registro hacia el sondeo circundante y por consiguiente a la formación o al revestimiento y al cemento, de tal modo que algo de la energía radiada regrese al sondeo por una combinación de reflexión, refracción y dispersión, un arreglo de receptores, y' el software y el hardware neceisarios para controlar la dirección del haz y optimizar sus propiedades, el registro de las señales recibidas, y transformar los datos registrados para crear imágenes de la formación y de otros materiales que rodean un pozo de sondeo que puedán ser interpretadas para dar información acerca del volumen que rodea el pozo de sondeo .

El sistema incluye ademáis la generación de las señales transmitidas optimizadas en la duración y el contenido de la frecuencia para ljos requerimientos de la formación de imágenes de la aplicación en cuestión y la selección de las dimensiones y configuraciones del ensamblaje de acondicionamiento y generación del haz y el arreglo de receptores para optimizar el funcionamiento del sistema de acuerdo con una aplicación requerida, y en particular la profundidad radial de investigación De acuerdo con un aspectio de la invención, el sistema en el párrafo 21 y 22 regis los datos que van a ser procesados con los algoritmos de formación de imágenes para generar imágenes 2D de las propiedades de la formación y otros materiales que rodean longitudinalmente el eje del pozo de sondeo para cada dirección ¡azimutal semejante a la sismología de las superficies con reflexión 2D. El sistema puede proporcionar además una exploración de las imágenes 2D para una dirección azimutal de 360° . El conjunto de imágenes 2D azimutales exploradas pueden ser apiladas y/o procesadas subsiguientemente con algoritmos de formación de imágenes avanzados para proporcionar una imagen 3D completa de las propiedades de la formación y de otros materiales circundantes a lo largo del eje del pozo de sondeo, El sistema puede incluir 'además la optimización de los algoritmos del procesamiento y la exhibición de las imágenes resultantes de tal modo que la información que las mismas contienen acerca de las propd edades alrededor del pozo de sondeo sea fácilmente evidente para el usuario de los datos .

De acuerdo con algunos aspectos de la descripción, la herramienta de registro transportada por una tubería o una línea para alambre que se puede colocar dentro de un pozo de sondeo, es descrita. La herramienta incluye: (a) un transductor ultrasónico construido |y colocado para que sea emplazado en un pozo de sondeo, elj transductor configurado para que sea excitado por dos señales eléctricas simultáneas pero no señales eléctricas transitorias idénticas de duración entre 20-200 microsegundos , con una primera señal a una primera frecuencia entre 250 kHz y 1.5 MHz y una segunda señal a una segunda frecuencia entre 300 kHz y 1.5 MHz, que produce primera y segunda ondas acústicas a una primera frecuencia y a la segunda frecuencia, respectivamente; (b) un material acústicamente no lineal que tiene una longitud entre 7.62 y 30.48 cm (3 y 12 pulgadas) colocado a lo largo de una ruta de transmisión del transductor que permite el mezclado no lineal de las dos ondas acústicas generadas por el transductor para producir un haz acústico transitorio de la misma duración que las señales de excitación originales con una frecuencia correspondiente a¡ la diferencia en las frecuencias instantáneas entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia, el haz acústico tiene una frecuencia entre 15 y 120 kHz.

La herramienta puede serj configurada de tal modo que las señales eléctricas sekn codificadas por la introducción de un componente que varía con el tiempo que incluye uno o más de la compresión de impulsos de la frecuencia o los barridos de la frecuencia para uno o ambas de las señales. Además, la herramienta puede ser configurada de tal modo que el haz acústico tenga la frecuencia entre 15 y 120 kHz. Además, la herramienta puede ser configurada de i tal modo que la herramienta sea colocada para mantener un nivel de colimación del haz acústico que depende de una longitud de mezclado en el material! no lineal y para producir el haz acústico de tal modo que el haz acústico salga del material no lineal, y continúe propagándose a través de un medio en el cual la herramienta está sumergida.

Estos y otros objetos, características, y peculiaridades de la presente invención, así como los métodos de operación y las funciones de los elementos relacionados la estructura y la combinación de as partes y economías fabricación, llegarán a ser más evidentes durante la consideración de las siguientes descripciones y las reivindicaciones anexas con referencia a las figuras que se anexan, la totalidad de las cuales forma una parte de esta especificación, en donde los números de referencia semejantes designan las partes correspondientes en las diversas figuras. Se va a entender expresamente, sin embargo, que las figuras son para el propósito de ilustración y descripción solamente y no van a estar propuestas como una definición de los límites de la invención. Cuando se utilicen en la especificación y las reivindicaciones, la forma singular de "un", "una", y "él" incluye los reíferentes plurales a menos que el contexto lo dicte claramente de otra manera.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 muestra un diagrama generalizado de un dispositivo ejemplar para producir el haz colimado de acuerdo con un aspecto de la descripción. pozo de sondeo.

La Figura 15a, Figura 15b! y Figura 15c muestran distribución experimental ejemplar y los resultados de formación de imágenes de un objeto fuera de la tubería de acuerdo con un aspecto de la descripción.

La Figura 16 muestra las dimensiones de un dispositivo de una fuente muy compacta, con los transductores una cámara de velocidad acústica baja (646 m/s) del fluido mezclado no lineal tal como un aparato Flourinert FC-43, capaz de generar un haz acústico colimado con la anchura de banda de 20-120 kHz de acuerdo con un aspecto de la descripción .

La Figura 17 muestra comparación característica de la radiación colimada del haz acústico generado por el dispositivo muy compacto en la Figura 16 contra la característica de la radiación difusa de las ondas acústicas generadas desde un transductor convencional.

La Figura 18 muestra un tren de ondas del impulso, el espectro de la frecuencia desde 50 hasta 150 kHz y la característica de la radiación del impulso acústico del haz generado por el dispositivo compacto en la Figura 16.

La Figura 19a y Figura 19b muestran una vista esquemática de la fuente montada axialmente, el lente acústico y el subconjunto de espejos que muestran el direccionamiento y el enfoque del haz por el espejo y el subconjunto de lentes para manteneri la colimación del haz segunda frecuencia. A manera de ejemplo no limitativo, las señales pueden ser producidas por un generador de las señales de 2 canales. Se pueden utilizar generadores de una función o de una señal semejantes. Las señales de las fuentes son recibidas por uno o más amplificadores de la señal 120 y son transmitidas a uno o más transductores 130 que son utilizados para generar las ondas acústicas primera y segunda frecuencias. La primera y segunda 'frecuencias pueden ser de banda ancha que tienen un intervalo de la frecuencia que incluye una frecuencia central con algo de dispersión de la frecuencia alrededor de la frecuencia central. Los transductores piezoeléctricos son de un tipo adecuado para esta aplicación. Si más de un transductor es utilizado, los mismos pueden ser arreglados en una configuración de una red. A manera de ejemplos no limitativos, la configuración de la red puede ser lineal, circular, lin circulo relleno o un arreglo de cuadrados . Los transductores dentro de la red o arreglo son divididos en dos gruposJ donde el primer grupo de transductores es excitado por una fuente en la primera frecuencia y el segundo de transductores es impulsado por la fuente o por una fuente diferente a la segunda frecuencia. En algunos aspectos de la invención, la fuente configurada para generar la primera frecuencia y la fuente configurada para generar la segunda frecuencia excitan a la totalidad de los transductores simultáneamente. A manera de un ejemplo no limitativo, la primera frecuencia es de 1.036 MHz y la segunda frecuencia es de 0.953 MHz La señal acústica es transmitida a través de un material no lineal 140 para general: un haz acústico colimado por medio de un proceso de mezclado no lineal. El material no lineal puede ser un liquido, una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular intercalado en un revestimiento sólido, microesferas intercaladas, o una emulsión. A manera de un ejemplo no limitativo de tal material no lineal es la espuma cerámica 310M vendida por Cotronics de Brooklyn, New York, que está compuesta arriba de un material cerámico de sílice fusionado del 99% de pureza y proporciona una expansión térmica baja y una conductividad térmica baja, una resistencia elevada a los choques térmicos y una reflectancia térmica elevada. 310M tiene una densidad de 0.80 g/cm3 y una velocidad del sonido de 1060 m/s. Otro ejemplo no limitativo del material no lineal es un materiajl de un tablero de espuma de uretano. El tipo de espuma es utilizado típicamente para una maquinación Controlada Numéricamente por Computadora (aquí posteriormente, "CNC" ) . La espuma de CNC tiene una densidad de 0.48 g/cm3 y una velocidad del sonido de 1200 m/s.

El material no lineal 140 puede ser adicionalmente un material con una no linealidadl elevada, una velocidad acústica baja, una atenuación acústica baja y una resistencia i elevada a la formación de ondas de choques de tal modo que un haz altamente colimado puede ser generado desde una fuente muy compacta. Dependiendo de las condiciones operativas en el pozo de sondeo, otros materiales no lineales con una velocidad del sonido baja adecuada, acoplamiento no lineal elevado, una longitud de la absorción, una longitud de la onda de choque, intervalos operativos de la temperatura y la presión adecuados y pueden ser selíeccionados para minimizar el tamaño del volumen de mezclado, así como para satisfacer otros requerimientos requeridos por las especificaciones de la operatibilidad.

Las dimensiones y el funcionamiento de la fuente del haz colimado depende inter alia de ciertas propiedades del material no lineal, y algunos limites sobre éstas pueden ser definidos. El parámetro no lineal beta puede estar entre 2 y 50. A manera de ejemplo, beta para la mayoría de los líquidos varía entre 2 y 10. Un valor de beta más elevado puede ser obtenido de otros materiales sólidos. En algunos aspectos, el valor de beta puede ser de 200 o más elevado para los materiales no lineales no fluidos. La velocidad del sonido para los líquidos no lineales puede ser de entre 450 m/s y 1700 m/s a condiciones ambientales. En algunos aspectos, la velocidad del sonido de los materiales no lineales pueden ser de entre 100 m/s y 800 m/s. Los valores de Q o el factor de calidad tienden a no ser más que un factor limitativo en los líquidos y puede variar desde 280 para el Aceite de Silicio de Dow hasta decenas de miles para los líquidos comunes. En algunas modalidades, Q puede ser de al menos 30.

Este comportamiento no lineal puede ser caracterizado por medio del análisis de las propiedades de las ondas P que resultan del fenómeno de mezclado no lineal en el cual dos ondas incidentes a dos diferentes frecuencias, f2 y f2, se mezclan para generar terceros componentes de la frecuencia en las frecuencias armónicas y de intermodulacion f2-f1f2 + flr2f! y 2f2l etc. En un aspecto de la invención, el fenómeno de mezclado colineal no lineal está diseñado para que ocurra en un material no lineal dentro del sondeo. En general, solamente la tercera onda resultante de la diferencia de la frecuencia f2-fi es de interés para esta aplicación. Las frecuencias más elevadas solo se propagan a una distancia corta y tienden a ser absorbidas en el propio material no lineal.

La energía acústica reflejada, refractada y dispersada es recibida por uno o más reflectores 150 localizados ya sea en el mismo pozo Je sondeo en donde el haz colimado es producido u otro pozo de sondeo. Por ejemplo, uno o más receptores pueden incluir uno o más transductores acústicos, uno o más hidrófonos u otro tipo de receptor o receptores adecuados para el intervalo de la frecuencia de interés. La señal recibida puede serl filtrada por el filtro de paso de la banda 160 y amplificada por un pre-amplificador 170. La señal filtrada y amplificada puede ser exhibida sobre un digitalizador, tal como un oseiloscopio digital 180. osciloscopio digital 180 puede ser controlado por computadora 190. La computadora 190 también puede utilizada para controlar el generador de la señal 110 Las Figuras 2a, 2b y 2c muestran diferentes modos de generación de la diferencia de la frecuencia en un material no lineal. Las notaciones f, fi y f2 se refieren a señales de frecuencia elevada. Las señales recibidas desde la fuente 110 y el amplificador de | la potencia 120 por un I transductor 210, se introducen a un material no lineal 220. Después de una cierta longitud de la propagación, la diferencia de la frecuencia es generada en el material no lineal 220. La Figura 2a muestra la generación de una diferencia de la frecuencia f2 - fi por la aplicación de dos diferentes señales que tienen dos diferentes frecuencias f2 y f2 con respecto al mismo transductor 210. La Figura 2b muestra la generación de una diferencia de la frecuencia Af por la aplicación de una señal modulada en la amplitud de la frecuencia f y una modulación de ?G". La Figura 2c muestra la generación de una diferencia de la frecuencia f2 - fi por la aplicación de dos diferentes señales que tienen una primera frecuencia f2 con respecto al primer transductor 230 y una segunda frecuencia f2 con respecto a un segundo transductor 240. Los haces de frecuencia elevada se superponen en el material no lineal y producen la diferencia de la frecuencia f2 - fi- De acuerdo con lo antejrior, y a manera de un ejemplo no limitativo, la primera frecuencia es de 1.036 MHz y la segunda frecuencia es de 0. 953 MHz. El haz acústico colimado generado por la interacción con el material no lineal tendrá una frecuencia igual a la diferencia entre la primera frecuencia y la segunda frecuencia. En este ejemplo, el haz acústico colimado tiene una banda de frecuencia estrecha con una frecuencia dominante clara de 83 kHz . En algunas modalidades, el haz acústico colimado puede tener un intervalo de frecuencia relativamente amplio, en donde la primera frecuencia es una frecuencia de banda estrecha, única, y la segunda frecuencia es deslizada a través de un intervalo más amplio de las frecuencias . La primera frecuencia también puede ser desplazada a través de un intervalo amplio de las frecuenci as así como la segunda frecuencia. En cualquier caso, la primera frecuencia, la segunda frecuencia, o ambas, pueden ser una señal codificada o una compresión de impulsos no codificado. Un beneficio de la codificación de la señal es una mejora de la relación de la señal con respecto al ruido.

En algunas modalidades, el haz colimado es codificado con un código variable en el tiempo, el cual puede ser introducido en ya sea la primera o la segunda señales, o ambas . El código variable con respecto al tiempo puede incluir uno o más de una variación en la amplitud, una variación en la frecuencia, y/o una variación en la fase de la primera, la segunda, y ambas primera y segunda señales. El código variable con él transcurso del tiempo, recibido, del haz colimado, puede ser utilizado para medir un tiempo de vuelo del haz. Adicionalmente , en algunas modalidades, el haz colimado puede ser de banda ancha si una de las frecuencias primarias es desplazada a través de un intervalo de frecuencias mientras que la otra es fija. Por consiguiente, el tercer haz f2~fi resultante será desplazado a través de un intervalo de frecuenc iJ ancha.

Las Figuras 3a-3b muestran los resultados de las mediciones de laboratorio con relación a las predicciones teóricas basadas sobre el mezclado no lineal y la teoría de propagación de las ondas. Las ondas acústicas son distorsionadas por las características no lineales del medio a través del cual las mismas se propagan. La propagación no lineal de las ondas acústicas puede ser modelada por medio de la ecuación de Khokhov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK) , la cual puede ser resuelta por un esquema aproximado de diferencias finitas. La ecuación de KZK explica varias características no lineales tales como la difracción de la presión del sonido, la atenuación de la presión del) sonido (es decir la en donde t ' = t-z/c0 es una variable del tiempo retardado, t es el tiempo, c0 es una velocidad del sonido de la señal pequeña, r = (x2 + y2) 1/2 es una distancia radial desde el eje z (es decir, desde el centro dejj haz), 92 "2 es el operador laplaciano transversal, y pB es la densidad ambiental del fluido. Además, i/ _ v es la difusividad del sonido de un medio termoviscoso , en donde es la viscosidad volumétrica, ? :s la viscosidad en cizallamiento, ? es la conductividad térmica, y cv y cp los calores específicos a volumen presión constante, respectivamente. El coeficiente de la no linealidad está definido por ß = 1 + B/2A, en donde ?/? es el parámetro de no linealidad del medio. El primer término sobre el lado a mano derecha de la ecuación (1) toma en cuenta los efectos de la difracción (enfoque) , el segundo término para la absorción, y el tercer término para la no linealidad del medio de atenuación. Los detalles adicionales sobre la forma y el uso del modelo de KZK pueden ser encontrados en Y. -S. Lee, "Numerical solution of the KZK equation for pulsed finite amplitude sound beams in thermoviscous fluids," Ph. D. Dissertation, The University of Texas en Austin (1993), que es incorporada por el presente | para referencia en su totalidad.

Para la medición de laboratorio, el transductor fue excitado a 0.953 Hz y 1.036 MHz conduciendo a un haz colimado que tiene una frecuencia igual a la diferencia de 1.036 MHz - 0.953 MHz = 83 kHz . El haz colimado fue producido por el proceso de mezclado no lineal utilizando el agua como el material no lineal. La Figura 3a muestra la amplitud del haz generado para un intervalo de las posiciones z y x de un receptor de hidrófono. La Figura 3b muestra una gráfica del perfil de la intensidad axial observada, en buen acuerdo con la teoría.

La Figura 4a muestra los ¡resultados obtenidos por la excitación de los transductores a una variedad de diferentes frecuencias, y produciendo así el haz colimado que tiene una frecuencia diferente. Los resultados son mostrados como una gráfica de la amplitud cuando es medida por un Figura 4b muestra la sección transversal del haz a una distancia de 110 mm desde el emijsor. En esta figura, la amplitud del haz como está representada por un voltaje, es graficada contra la dirección del eje x como se mide en milímetros. Los resultados indican que el haz colimado a una variedad de frecuencias muestra secciones transversales del haz altamente concentrado, semejantes, en la dirección x, a diferencia de las ondas de la misma frecuencia que podrían ser dispersadas más externamente en la dirección x.

Como se describió anteriormente , el haz colimado puede tener un intervalo de frecuencias relativamente estrecho, en donde los uno o más tránsductores son excitados por una fuente que produce haz colimado puede tener relativamente amplio. Un ejemplo dé la producción del haz 3 colimado que tiene un intervalo de frecuencia relativamente amplio fue mostrado en las Figuras 5a y 5b. A manera de ejemplo no limitativo, la Figura 5a muestra una señal de compresión de impulsos de duración finita que tiene una frecuencia que varía desde 900 kHz hasta 1 MHz y una ráfaga de una frecuencia de 1 MHz. La Figura 5b muestra la ráfaga resultante graficada como una amplitud como se representa en el voltaje contra el tiempo en microsegundos.

La Figura 6a muestra una serie de exploraciones laterales a distancias seleccionadas en la dirección z desde el transmisor del haz mostrado en la Figura 6b. Las distancias seleccionadas son 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm y 60 cm. La gráfica de la amplitud como se determinó por distancia del voltaje contra eje x muestra que dispersión del haz es pequeña y relativamente constante e independiente de la distancia en la dirección z desde el transductor. Un espectro de la frecuencia del haz colimado se muestra en la Figura 6c. La Figura 6c muestra que el intervalo de frecuencia utilizábale para este arreglo particular es desde 20 kHz hasta 120 kHz . El extremo inferior del intervalo de frecuencia de uso puede ser tan bajo como kHz y solamente está limitado por tamaño del pozo de sondeo. Otras bandas de la frecuencia pueden ser utilizadas para el haz colimado incluyendo frecuencias de registro acústicas que están típicamente en el intervalo de kHz y la banda del tipo de teleobservador del pozo de sondeo que están típicamente en el intervalo de los cientos de kHz hasta Hz .

Un beneficio de tal arreglo es que el uso de una fuente una señal de compresión de impulsos de anchura de banda amplia en el pozo de sondeo tenderá a conducir a una relación mejorada de la señal con respecto al ruido en comparación con una fuente de impulsos no comprimidos . La señal de impulsos comprimidos puede permitir además una estimación mejorada del retardo del tiempo que podría ser benéfica en aplicaciones de formación de imágenes.

La Figura 7a muestra el haz colimado producido por el proceso de mezclado utilizando el bloque de espuma de CNC como el material no lineal. Un arreglo 'de transductores 710 está configurado para producir u a onda acústica a las frecuencias de 1.000 MHz y 1.087 MHz. El arreglo de transductores 710 está acoplado a la espuma de CNC 720 en donde la mezcla de las dos señales acústicas que forman un haz colimado 730 que tiene una frecuencia de 87 kHz. El bloque de espuma de CNC tiene una abertura de 80 mm desde el cual se propagó el haz colimado. La Figura 7b muestra la amplitud del haz colimado en el dominio del tiempo a una distancia lateral de 90 mm (eje x) y una distancia axial de 20 mm (eje z) . La Figura 7c muestra el haz colimado en el dominio de la frecuencia que tiene un pico fuerte en 87 kHz.

La Figura 8 es semejante! a la Figura 7a, pero muestra el haz colimado 810 generado por el arreglo transductores 820 y el bloque de| espuma CNC 830 colocado dentro de un receptáculo 840 Como es mostrado, el receptáculo 840 es un tubo de alumijniio que tiene una longitud total de 323 mm, un diámetro interno de 140 mm y un diámetro exterior de 153 mm.

La Figura 9 es semejante a la Figura 7a y muestra el haz colimado producido por el proceso de mezclado no lineal que utiliza el bloque de cerámica 310M como el stá ias 910 la mezcla de las dos señales acústicas forman un haz colimado 930 que tiene una frecuencia de 87 kHz . El bloque de cerámica 310M 920 tiene una abertura de 110 mm desde la cual se ha propagado el haz colimado. Como se puede observar en la figura, el haz colimado tiene lóbulos laterales que se extienden hacia la región del campo cercano en alrededor de unos pocos centímetros desde la abertura del bloque cerámico; sin embargo, estos lóbulos laterales no se extienden hacia la región del campo alejada del haz, La Figura 10 muestra un aspecto de la invención en donde el dispositivo es utilizado para caracterizar las formaciones y/o los materiales del pozo de sondeo. Una o más fuentes 1005 producen señales en la primera y segunda frecuencias. Las señales son transmitidas a un amplificador o amplificadores de la señal 1010 que están configurados para incrementar la potencia de las señales. Las señales modificadas por el amplificador 1010 son transmitidas a uno o más transductores 1015 que están ¡configurados para generar ondas acústicas en la primera y segunda frecuencias. Las ondas acústicas son transmitidas 'a un material no lineal 1020, el cual mezcla las ondas por medio del proceso de mezclado para producir un haz acústico colimado 1025.

El haz acústico colimado 1025 puede ser direccionado en una dirección particular por un dispositivo de direccionamiento, tal como una gJía del haz acústico 1030.

La guía del haz acústico 1030 puede ser un reflector acústico o una lente acústica. El reflector acústico puede ser un material con diferente impedancia acústica desde el medio circundante en el cual se propaga el haz. Un ejemplo no limitativo de tal reflector acústico es una placa metálica. La lente acústica está configurada para enfocar el haz acústico colimado en un punto focal y dirección particular y puede tener una forma cóncava. También se puede utilizar un arreglo de espejo del tipo de Fresnel para la guía del haz acústico. La guía del haz acústico puede ser girada hacia una orientación particular por el uso dé uno o más accionadores 1035 acoplados a la guía, como se muestra con mayor detalle en la Figura 11. En algunas modalidades, la guía 1030 del haz acústico puede no ser utilizada, y el haz colimado podría propagarse a lo largo del eje del pozo de sondeo.

El haz colimado 1040 puede ser reflejado fuera de la guía 1030 y direccionado hasta una dirección particular hacia un objeto de interés 1045 cerca del pozo de sondeo. Las deshomogeneidades de las formaciones, tales como el objeto 1045 o un lecho adyacente localizado a lo largo del haz generarán la reflexión o dispersión del haz acústico. En particular, los contrastes de impedancia acústica debidos a una deshomogeneidad local, fracturáis planas, etc., fuera del pozo de sondeo provocan la reflexión o dispersión del haz acústico, algo de las cuales regresará al pozo de sondeo. En un orificio revestido, la energía es reflejada desde la pared interna del revestimiento, la pared externa del revestimiento que puede ser fijada o no fijada jal cemento, cualesquiera I vacíos en el cemento, la interfaz del cemento o el fluido con respecto a la formación, y cualesquiera cadenas de tubos de revestimiento concéntricos adicionales. En una aplicación de un orificio abierto, la energía es reflejada desde las fronteras de la impedancia debido (por ejemplo) a la alteración mecánica de una formación inducida por taladrado, la invasión de fluidos, las fracturas naturales, los nodulos de los minerales secundarios y las Ifronteras del lecho. Las ondas dispersadas y reflejadas son recibidas por uno o más receptores 1055 en el mismo pozo de sondeo (para el caso de una sola formación de la imagen del pozo) o en otro pozo de sondeo (para el caso de una formación de imagen de pozo cruzado) . Los receptores 1055 pueden ser acoplados a la guía 1030, de modo que los receptores sean configurados para recibir las ondas reflejadas 1050 cuando se mueva la guía 1030. Las señales recibidas por los receptores 1055 pueden ser transmitidas a los dispositivos electrónicos de procesamiento 1060 para el anjlisis. Los dispositivos electrónicos de procesamiento 1060 pueden incluir una computadora con un software apropiado para la caracterización de la formación de la roca, incluyendo la producción de imágenes 2D y 3D de la formación. La instrumentación descendiendo hacia el pozo es alojada en un receptáculo 1065 para permitir operaciones de registro del pozo, estándares.

En algunos aspectos de la invención, el dispositivo completo incluyendo los transductores 1015, el material no lineal 1020 y los receptores 1055 pueden ser movidos hacia arriba y hacia abajo de la longitud del pozo de sondeo para formar una imagen de una formación particular cerca del pozo de sondeo. Además, el dispositivo completo con o sin los receptores 1055 se pueden hacer girar alrededor del eje del pozo de sondeo para formar una imagen de las formaciones en cualquier dirección azimutal alrededor del pozo de sondeo.

La Figura 11 muestra los ¡ejes correspondientes de la rotación de una guía del haz acústico 1105. La dirección del haz colimado es direccionada controlando selectivamente el azimut de la guía por la rotación alrededor del eje guía 1110, y la inclinación 1115, el ángulo entre el plano del frente de la guía y el eje de la guía. Por el uso de accionadores (no mostrados) el plano de la guía puede ser controlado efectivamente en el azimut y la inclinación. Los accionadores pueden ser útili:zados así para direccionamiento o el cambio de la dirección del colimado.

La Figura 12 muestra el haz colimado, producido por el proceso de mezclado no lineal utilizando el bloque de cerámica 310M como el material no lineal, que penetra un revestimiento de la tubería meItálica. Un arreglo de transductores 1205 está configurado para producir señales acústicas que tienen frecuencias de 1.000 MHz y 1.087 Hz , por ejemplo. El arreglo de transductores 1205 es acoplado al bloque cerámico 310M 1210 en donde la mezcla de las dos señales acústicas forman un haz collimado 1215 que tiene una frecuencia de 87 kHz, que se propaga a través del revestimiento 1220 de la tubería metálica. El arreglo de transductores 1205 puede ser girado alrededor del eje longitudinal del pozo de sondeo para formar una imagen de la formación alrededor del pozo de sondeo. El haz reflejado o retrodispersado desde la formación puede ser recibido por uno o más receptores (no ilustrado) en el pozo de sondeo o en otro pozo de sondeo. Los receptores pueden ser acoplados al arreglo de transductores 1205 para que giren de una manera semejante de tal modo que el haz reflejado o retrodispersado sea recibido por los receptores . Como se puede observar en la figura, el haz mantiene su colimación después de la salida del revestimiento 1220 de la tubería metálica.

Las Figuras 13a y 13b muestran el haz colimado después del direccionamiento con un espejo acústico y la salida del revestimiento de la tubería metálica. Las Figuras 13a y 13b son semejantes a la Figura 12, con la diferencia de que el material no lineal (el agua en este caso) está produciendo el haz no lineal a lo largo de la tubería y el haz es direccionado fuera de la tubería perpendicular con respecto a la dirección de propagación inicial con la ayuda de una placa de espejo acústico. Un arreglo de transductores 1305 está configurado para producir señales acústicas que tienen una frecuencia de 0.953 MHz y 1.036 MHz, por ejemplo. El arreglo de transductores 1305 está acoplado a un material no lineal (el agua) 1310 en donde la mezcla de las dos señales acústicas forma un haz colimado 1315 que tiene una frecuencia de 83 kHz, que se refleja desde el espejo acústico 1320 y se propaga a través del revestimiento 1325 de la tubería metálica. Como se puede observar en la figura, el haz mantiene su colimación después de la salida del revestimiento el origen del haz, el haz interactúará con las paredes del receptáculo, lo cual tiende a producir efectos indeseables El sistema de enfocamiento acústico 1430 reduce esta interacción del haz y las paredes del receptáculo por el enfocamiento del haz, y por consiguiente para la reducción de la dispersión del haz. El enfocamiento no necesita reducir el perfil del haz hasta un punto, sino que solamente produce un haz bien definido que no es distorsionado o atenuado debido a las reflexiones desde las paredes del receptáculo, de tal modo que el perfil del haz no se disperse demasiado angularmente . Un ejemplo no limitativo del sistema de una velocidad del sonido diferente que el material no lineal en el receptáculo, en donde la cámara está conformada apropiadamente, ya sea cóncava o convexa dependiendo de las velocidades del sonido del líquido. En general, cualquier material que es acoplado razonablemente en la impedancia acústica con aquella del material no lineal en el receptáculo puede ser utilizada como sistema de enfocamiento acústico 1430.

En algunas modalidades, el sistema de enfocamiento acústico 1430 no es utilizado cuando el haz 1425 producido por el mezclado no lineal en material 1420 está suficientemente bien definido y e dispersa demasiado angularmente . En este caso, el haz 1425 sale del material 1420 sin haber sido modificado adicionalmente .

Un alojamiento o receptáculo 1435 está configurado para alojar y soportar los transductores 1415, el material no lineal 1420, el sistema de enfocamiento acústico 1430, y uno o más receptores 1440. El haz acústico enfocado es dirigido a lo largo del eje del alojamiento 1435 y es reflejado o dispersado desde un objeto de interés 1445. El objeto 1445 puede incluir deshomogeneidades en la formación de la roca tales como zonas invadidas, la unión del cemento con el revestimiento, las zonas dañadas, las zonas fracturadas, el apilamiento estratigráfico (particularmente a una profundidad aparente elevada, es decir, para los pozos de ángulos elevados en las formaciones relativamente poco profundas) . Los receptores 1440 están configurados para recibir la señal reflejada o dispersada 1445 y la sJñal es procesada por los dispositivos electrónicos de procesamiento 1450.

Las Figuras 15a, 15b y 15c muestran una disposición experimental y los resultados de la formación de la imagen de un objeto fuera de la tubería de acuerdo con un aspecto de la invención. La Figura 15a muestra disposición experimental que es semejante en el diseño a Figura 10, en donde un transductor 1505 de la fuente está configurado para generar señales acústicas y está acoplado a un material no lineal 1510 que está configurado para producir un haz acústico colimado 1515 por un proceso de mezclado no lineal. El transductor 1505 de la fuente puede ser accionado por un generador de la fuente y un amplificador de la potencia (ambos no mostrados). Un receptáculo 1520, tal como un alojamiento cilindrico, está configurado para alojar el transductor 1505, el material no Lineal 1510, así como una guía 1525 del haz acústico, y uno o más receptores 1530. El haz acústico colimado 1515 es dirigido fuera del receptáculo 1520 por la guía 1525 del haz acústico. A manera de ejemplo no limitativo, en este arreglo, la guía 1525 del haz acústico es un reflector acústico. El haz coimado reflejado 1530 está incidiendo sobre un objeto 1535 fuera del receptáculo 1520. El objeto 1535 puede incluir deshomogeneidades en las formaciones de la roca tales como zonas invadidas, la unión del cemento con el revestimiento, las zonas dañadas, las zonas fracturadas, el apilamiento estratigráfico (particularmente a una profundidad aparente elevada, es decir, para pozos de ángulo elevado en formaciones relativamente poco profundas) . El haz colimado 1540 es recibido por uno o más receptores 1550 (localizado ya sea en el mismo pozo de sondeo o en otro pozo de sondeo) después de que se ha reflejado o se ha retrodij ¡íspersado desde el objeto 1535.

En la disposición experimental de la Figura 15a, el objeto fue girado 360° alrededor dé un eje 1545 y se hicieron mediciones de la intensidad del sonido que son registradas por los receptores 1550. En esta disposición, el objeto 1535 fue un bloque sólido de aluminio una forma ligeramente irregular, colocada aproximadamente! 1 cm desde la pared de tubería. Tanto la tubería como el bloque fueron sumergid* sondeo .

El dispositivo se puede I hacer para que sea muy compacto mientras que se genera un haz colimado de frecuencia baja con una anchura de banda amplia desde 20 hasta 120 KHz por la selección de un material no lineal 140 con una velocidad acústica baja, una no| linealidad elevada, una atenuación baja y una resistencia elevada a la formación de ondas de choques . Dependiendo de las condiciones operativas en el pozo de sondeo, otros materiales no lineales con una velocidad del sonido baja, un acoplamiento no lineal elevado, una longitud de la absorción, una| longitud de la onda de choque, y los intervalos operativos de la temperatura y de la presión pueden ser seleccionados para minimizar el tamaño del volumen de mezclado, así como para satisfacer los otros requerimientos requeridos por las especificaciones de operabilidad. Por medio de otro ejemplo no limitativo, el material puede ser FLUORINERT FC-43, que es una marca registrada para un líquido inerte utilizado para aplicaciones en los dispositivos electrónicos venjdidos por 3M Corporation de St. Paul, Minnesota. FLUORINERT FC-43 es un fluido adecuado para el mezclado no lineal Jcústico debido a su baja velocidad del sonido (646 m/s) y su parámetro elevado no lineal acústico ß de 7.6. Otros fluidos de la familia Fluorinert también pueden ser utilizados cuando ellos tengan todas las propiedades físicas semejantes. Fluorinert es estable desde un punto de vista químico y térmico, compatible con los materiales sensibles y prácticamente no tóxicos. Su resistencia dieléctrica es de aproximadamente 10 veces más elevada que la del aire, lo cual conduce en su uso seguro a potencias de excitación elevadas requeridas en aplicaciones acústicas no lineales. Su uso usual es en el enfriamiento térmico por sumergimiento para los componentes electrónicos susceptibles al daño por alta temperatura. algunos aspectos, dispositivo incluye un transmisor, un transductor de alta frecuencia, diseñado típicamente para operar alrededor de 1 MHz, fijado a un recipiente lleno con fluido, o el volumen de mezclado, que contiene un material no lineal, por ejemplo un cilindro muestra en la Figura 16 para el intervalo de la frecuencia I del haz de 20-120 kHz . La cámara p^iede ser reducida a las I dimensiones de 5 cm por 3 cm si jel extremo inferior del intervalo de la frecuencia del haz jes incrementado hasta 50 kHz . El transductor de alta frecuencia puede ser excitado por una frecuencia fija y una señal de la frecuencia comprimida en los impulsos, por ejemplo 1.03 MHz y una compresión de impulsos de 0.91-1.01 MHz (primarios) que generan haces acústicos de alta frecuencia que ser propagan en el fluido de mezclado, por ejemplo FC-43. a las propiedades no elementos primarios y las notas armónicas más elevadas pueden ser atenuadas en el fluido de mezclado (una propiedad del fluido no lineal acústico) , y solamente la diferencia de la frecuencia se propagará El haz de la diferencia de la frecuencia la interacción de las frecuencias primarias citadas anteriormente está en el intervalo de 20 - 120 kHz. La combinación de una frecuencia baja y una anchura de banda esjrecha producida por el mezclado no lineal acústico hace all dispositivo un candidato adecuado para la formación de imágenes acústicas fuera del i pozo de sondeo. El haz acústico de frecuencia baja de anchura de banda amplia tiende a conducir una atenuación inferior comparado con las frecuencias elevadas, mientras que la colimación estrecha puede proporcionar una buena resolución i para la formación de imágenes acústicas . i Las fuentes piezoeléc'tricas convencionales, típicas, y otras fuentes del sonido tienen una anchura de banda estrecha - un máximo de 30 %.| Así, un dispositivo con una frecuencia central de 70 kHz podría tener un intervalo de la frecuencia de aproximadamente 60 hasta 80 kHz. Para obtener esto con un disco o placa piezoeléctrica del modo del espesor, el espesor y el diámetro del material tienen que ser completamente grandes para prevenir la generación de varios modos radiales y otros modos. La del haz también podría ser muy grande como es mostrado en la pantalla lateral a mano derecha de la Figura 17. Claramente, tal fuente no produce un haz semejante a la configuración de radiación. Una fuente tal como aquella mostrada en la Figura 16, que utiliza el mezclado no lineal de dos frecuencias podría emitir (por ejemplo) una ráfaga de un tono de frecuencia fijo (fi) y una onda de la diferencia de la frecuencia. Una frecuencia fija f en el intervalo desde 250 kHz hajsta 1.5 MHz es apropiada para aplicaciones en el pozo de sondeo. Una frecuencia fija fi de 1.03 MHz y f2 en el interval'o descrito anteriormente desde aproximadamente 0.91 hasta podría generar un haz colimado con una frecuencia de 70 kHz y un intervalo desde 20 kHz hasta 120 pantalla del lado izquierdo de la Figura 17 muestra los haces generados por dos j transductores semejantes (de 38 y 28 mm de diámetro, respectivamente) , uno optimizado para 100 kHz que opera a 83 kHz, y el otro optimizado para 1 MHz que emite señales mezcladas electrónicamente de 0.95][3 y 1.036 MHz, que genera un haz de la diferencia de la f¡recuencia de 83 kHz. Las mediciones se hicieron en agua. El haz de la diferencia de la frecuencia permanece colimado a un metro desde la fuente.

En algunos aspectos, und fuente compacta como es mostrada en la Figura 16 puede ser utilizada para generar un impulso acústico con una anchura dé banda amplia que viaja a lo largo de una trayectoria del haz colimado. Por ejemplo, cuando dos impulsos gaussianos primarios , uno con la frecuencia central f2 y la dispersión de la anchura de la banda de s? y el otro con una frecuencia central f2 y una dispersión de la anchura de banda de s2, son mezcladas en la cámara que contiene un material no lineal, un impulso acústico secundario con una frecuencia central (£? - f2) y la anchura de la banda de aproximadamente [s? + s2) es producida. Por ejemplo, dos impulsos gaussianos con la frecuencia central de 1.025 MHz y 1.075 MHz ambos con una dispersión de la anchura de la banda de 40 KHz, fueron mezcladas en la cámara para producir un impulso aqústico y su espectro de frecuencia correspondiente de 25 - |150 kHz y que tiene una trayectoria colimada como se muestra en la Figura 18. La generación del impulso acústico a lo largo de una dirección colimada fija con el dispositivo ¡compacto por medio del mecanismo de mezclado del arreglo paramétrico puede ser muy flexible. Las frecuencias fj y f2 y las dispersiones de la anchura de la banda s? y s? pueden ser controladas electrónicamente permitiendo un disseño flexible y el cambio de la frecuencia y anchura de la banda del impulso acústico secundario durante la operación de medición en el pozo de sondeo y en cualquier otra parte.

El haz colimado que emana del dispositivo fuente puede tender a divergir, y la colimación del haz puede ser mejorada colocando una lente o un conjunto de lentes acústicos más allá del volumen en donde la mezcla de las frecuencias primarias generen el ha[z de la diferencia de las frecuencias. Los inventores han utilizado Plexiglás®, pero cualquier material con atenuación! baja del sonido y una impedancia acústica apropiada puede ser utilizado.

En algunos casos, un contraste de la impedancia entre el fluido del pozo de sondeo y la formación y la superficie del pozo de sondeo cilindrico puede provocar una alternancia de la geometría del haz de tal modo que el haz puede tender a converger hacia un foco y luego divergir dentro de la formación. En esta situación, la transformación de las señales recibidas en imágenes puede llegar a ser complicada. Para compensar este efecto, una segunda lente o conjunto de lentes acústicos, tales como una lente divergente pueden ser colocados entre el espejo acústico y la pared del pozo de sondeo, de tal modo que el haz permanezca más colimado fuera del pozo de sondeo. El propósito de la segunda lente o conjunto de lentes acústicos es anticipar el efecto convergente de la interfaz de la formación del sondeo actúa de manera semejante a una lente cilindrica por enfocamiento del haz en una localización en la formación más allá de la cual el mismo diverge, j El efecto de enfocamiento I de la interfaz depende de la curvatura del pozo de sondeo y del contraste de la impedancia entre el lodo y la formación. La funcionalidad del primer y segundo conjuntos de lentes para mantener al haz colimado es ilustrada en las Figuras 19a y 19b. ¡ Las Figuras 19a y 19b muestran un aspecto de la descripción en donde el dispositivo es utilizado con un conjunto de dos lentes. En particular, la Figura 19a muestra una o más fuentes (no mostradas) están configuradas para producir señales a una primera y segunda frecuencias. Las señales son transmitidas a un amplificador de la señal (no mostrado) y luego son transmitidas a uno o más transductores (no mostrados) que están conf igüedos para generar señales acústicas en la primera y segunda frecuencias. Las señales acústicas se propagan a un material no lineal (no mostrado) , como se describió anteriormente, el cual mezcla las señales por medio del proceso de mezclado para producir un haz acústico. Los componentes anteriores pueden ser colocados en un receptáculo 1601 dentro del pozo de sondeo 1605. Una lente acústica 1610, tal como una lente convergente, puede ser colocada a lo largo de una ruta de transmisión del haz acústico, es decir pero sin estar limitado a, cerca de la cara de salida del receptáculo 1601 ,, y/o en comunicación con el volumen de mezclado/material no lineal, ya sea directa o indirectamente por medio de una interfaz, para alterar una geometría del haz, del haz acústico. Por ejemplo, la geometría del haz, del haz acústico producido por las fuentes, puede ser alterada de modo que el haz 1620 refractado . por la lente acústica 1610 está más colimado que el haz que salió del receptáculo 1601. El haz 1620 puede ser reflejado fuera de un reflector acústico o un espejo acústico 1625 y dirigido a una segunda lente acústica 1630, tal como una lente divergente. La segunda lente acústica 1630 puede ser configurada para compensar la alternancia de la geometría del haz producida por la interacción entre el haz acústico y la interfaz entre la superficie de la pared del pozo de sondeo y el material circundante! del pozo de sondeo. espejo o los lentes acústicos pueden ser colocados para que se hagan girar por uno o más accionadores o motores 1635. Por ejemplo, la lente divergente puede ser una lente cilindrica que está configurada para contrarrestar los efectos convergentes sobre el haz, provocadas por la curvatura del pozo de sondeo. El haz acústico puejde ser refractado entonces por la segunda lente acústica 1630 |y dirigido fuera del pozo de sondeo 1605. El primer y segundo lentes acústicos 1610 y 1630 pueden ser una lente de Fresnel hecha de Plexiglass o de otros materiales adecuados que tengan una atenuación baja del sonido y la impedancia acústica apropiada y que cuando sean conformados apropiadamente modifiquen el haz ya sea por la convergencia o la divergencia del haz dependiendo del arreglo particular de la lente.

El reflector acústico o el espejo acústico 1625 y la segunda lente acústica 1630 se pueden hacer girar I alrededor de un eje longitudinal dell pozo de sondeo 1605 para generar una o más imágenes cijrcunferenciales de las formaciones fuera del pozo de sondeo. Adicionalmente, la inclinación del espejo con respecto al eje del pozo de sondeo puede ser controlada para alterar ángulo de incidencia del haz en la pared del pozo de sondeo Las dimensiones externas !de las herramientas de registro determinan el intervalo de los tamaños de los mecánica, la invasión del fluido, las fracturas naturales, los nódulos de los minerales secundarios y las fronteras del lecho .

Un sistema que utiliza el dispositivo fuente descrito anteriormente y receptores para detectar la energía de dispersión desde el lado de afuera del pozo de sondeo para una sismología de reflexión del pozo de sondeo 3D para crear una imagen dimensional 3D de la tierra que circunda el pozo de sondeo es mostrada en las Figuras 19a, 19b y 20. El sistema comprende la fuente acústica con espejos giratorios, tales como un reflector 1625, y los lentes, tales como los lentes 1610 y/o 1630, que son giratorios por medio de uno o más accionadores/motores 1635 y que pueden ser montados dentro de la herramienta de registro y un arreglo de receptores 1640, que están montados a lo largo de la herramienta colocada en el pozo de sondeo para detectar ¡ señal de reflexión. El sistema completo puede ser movido hacia arriba y a hacia abajo del pozo de sondeo como en la sismología de la superficie de reflexión 2D. La rotación del espejo provoca que el haz de la fuente del arreglo paramétrico explore la circunferencia del pozo de sondeo en el azimut para obtener una imagen 3D completa alrededor del pozo de sondeo. La inclinación del espejo altera la inclinación del haz desde la fuente del arreglo paramétrico y la repetición de la exploración desde el azimut creará otra imagen 3D completa. El conjunto de imágenes 3D múltiples proporciona redundancia. El conjunto de imágenes 3D múltiples puede ser combinado apropiadamente para mejorar la definición de la imagen 3D total con técnicas de procesamiento de la 21a, un tubo 2105 de Plexiglás d diámetro de 146 mm fue centrado en un barril de plástico 2110 y el ánulo intercalado relleno con el cemento. La capa externa del barril fue removida entonces y un canal de profundidad de 50 mm, de 45 grados de ancho, excavado a lo largo de la longitud del cilindro. Un orificio circular de diámetro de 180 mm con una profundidad semejante fue cortado sobre el lado opuesto. En la Figura 22b, un ensamblaje transmisor 2115 montado axialmente, el espejo acústico 2120 y el arreglo de 12 receptores 2130 fueron colocados a largo de la longitud del barril 2110. La señal transmisora fue registrada primero en una artesa con agua.

Los datos de la reflexión fueron registrados varios receptores en un arreglo desde una fuente con un azimut y una inclinación en una localización del transmisor con el aparato mostrado en las Figuras 21a y 21b. Estos datos son conocidos comúnmente como datos multi-descentrados en la industria sísmica. Las señales recibidas fueron correlacionadas con la señal del haz comprimida en los impulsos y una desconvolución de la señal de la fuente fue efectuada subsiguientemente de acuerdo con la teoría de procesamiento de la señal | estándar. Las señales desconvolucionadas resultantes son mostradas en la Figura 22. Esto podría corresponder a una pantalla del panel descentrado en la sismología superficial. Varias llegadas lineales directas de la propagación a lo largo de las paredes del pozo de sondeo y las reflexiones desde las paredes externas son visibles.

El experimento fue repetido para azimuts múltiples en incrementos de cinco grados y los resultados del ejemplo son exhibidos en pantallas descentradas para azimuts múltiples en la Figura 23. La figura 23 muestra una secuencia de pantallas de los paneles descentrados del azimut, múltiples, que cubren 35 a 145 grados del azimut. El eje x está escalado en el número de trazos y cada panel descentrado tiene 12 trazos con los paneles consecutivos correspondientes a un incremento de cinco grados . Las señales de reflexión desde afuera del pozo de sondeo son visibles en varias secciones del azimut. El tiempo recorrido de las señales de reflexión muestra claramente la variación en los tiempos de llegada que corresponden con la variabilidad de la dimensión de la pared externa.

Los mismos datos pueden ser reclasificados para exhibir la señal detectada para un espaciado del receptor de una sola fuente, conocido comúnmente en la industria sísmica como el espaciado descentrado, Cjontra el azimut como se muestra en la Figura 24. La imagen (geométrica de la muesca es cualquier punto dentro del pozo de sondeo y/o la formación. La ruta recíproca desde el receptor hasta cualquier punto dentro del pozo de sondeo/formaciónj puede ser considerada de manera semejante como la combinación de una función de la directividad y una función de Green. La respuesta modelada desde cualquier punto en el medio debido a una fuente y un receptor particulares es la convclución de estas funciones del receptor y de la fuente. En cualquier punto en el medio, la contribución de la imagen desde cada par de fuente/receptor es tomada como e'l valor del retardo-cero desde la correlación cruzada de ¡ la función de respuesta modelada con los datos registrados. Este sistema particular tiene ciertas características geométricas que pueden ser explotadas, tales como el reemplazo de la fuente y el espejo con una radiación de la fuente virtual a través de una abertura con forma de espejo y la explotación de la simetría cilindrica .

Los registros de las formas de las ondas recibidas son procesados para generar una imagen de las características i de reflexión o transmisión de la formación. La dirección de propagación del haz y el tiempo de vuelo pueden fijar las localizaciones en donde son generadas las ondas dispersadas, distinguiendo este dispositivo de Las técnicas de formación de imágenes sónicas normales que ut]ilizan fuentes monopolares y dipolares no direccionales , - convencionales. Un efecto asociado de utilizar un haz comparado con las fuentes convencionales es que el cálculo de una imagen de las propiedades acústicas de la formación puede no requerir una especificación detallada del campo ¡de velocidad de formación roca. La dirección de propagación del haz y la medición del tiempo de vuelo simplifican y oran la capacidad para identificar la localización en donde las ondas son reflejadas o dispersadas. En particular, el conocimiento de la orientación del haz que sale de la herramienta localiza las fuentes de las ondas dispersadas registradas a lo largo de la dirección del haz, y el retarde del tiempo localiza la posición de las fuentes dispersadas a lo largo de la ruta del haz. Por consiguiente, la formación de imágenes del pozo de sondeo con una fuente del haz puede presentar una simplificación y reducción en la incertidumbre de la imagen del tiempo final en contraste con las fuentes convencionales (sin un haz) que requieren un modelo de velocidad detallado, exacto, para el cálculo de la imagen 3D . Además, a causa de que el haz está enfocado y es direccionable, en el azimut y la inclinación con respecto al pozó de sondeo, la formación de la imagen tenderá a tener una eesolución más elevada que la obtenida con una fuente convencional (sin un haz) . El método permite la formación de imágenes detalladas de las características que incluyen las zonas invadidas, la unión del cemento con el revestimiento, las zonas dañadas, las zonas fracturadas, el apilóamiento estratigráfico particularmente a una profundidad aparente elevada (el ángulo entre el plano del lecho y el plano perpendicular al eje de la herramienta) . La frecuencia de la diferencia del haz de 5 banda amplia para la invención varía desde 1 kHz hasta 100 kHz . El extremo inferior de este intervalo de frecuencia, también utilizado para algunas herramientas de registro sónico convencionales, logra una profundidad de penetración de hasta 30.48 m (cien pies). Es | importante señalar que, a I causa de que el haz es de banda amplia y puede ser codificado, la relación de la señal con respecto al ruido de la señal detectada puede ser mejorada considerablemente después del procesamiento y la decojdificación. A causa de que las características del haz d banda ancha con una profundidad de penetración generallí]mente más grande y una relación más elevada de la señal con respecto al ruido debido a la codificación, el método también puede permitir la formación de imágenes detalladas y/o la caracterización de las propiedades no lineales de la formación de la roca, y sus contenidos del fluido que rodean el ¡pozo de sondeo.

Las diversas fuentes del haz acústico descritas con detalle anteriormente pueden ser utilizadas en muchas aplicaciones derivadas de la formación de la imagen alrededor del pozo de sondeo. Por ejemplo, las fuentes del haz acústico descritas anteriormente pueden ser utilizadas para varias evaluaciones de las fracturas naturales, el mapeo de I rechupes, nodulos u otras deshomogenjeidades , la evaluación de i la presencia y las propiedades del j revestimiento de cemento entre una o más cadenas de tubos de revestimiento y la formación alrededor de un pozo revestido, la invasión del fluido de mapeo desde el pozo de sondeo y la evaluación de la integridad mecánica de la formación alrededor del pozo de sondeo, en particular cualquier alteración provocada por la concentración de tensiones cerca del pozo de sondeo. Existen aplicaciones adicionales para la fuente compacta en campos tales como las pruebas no destructivas .

Las diversas configuraciones descritas con detalle anteriormente son para propósitos solamente de ilustración, Las modificaciones a las configuraciones se pueden hacer para otras aplicaciones sin apartarse de la invención. Por ejemplo, en el Registro Mientras que se está Perforando (L D, por sus siglas en inglés) y las configuraciones transportadas por tubería, que utilizan la tecnología que permita que la herramienta pase a través del fondo de la cadena de tubos de perforación, el dispositivo de generación de un haz acústico compacto hará posible una penetración eficiente del trépano que conduce a la detección de las zonas sobrepresurizadas o los cambios significativos en la reología de la formación antes que las mismas sean alcanzadas por el trépano de perforación. El direccionamiento del haz también hace posible la medición indirecta de la profundidad y el azimut que reflejan los cuerpos adelante del trépano. Otra aplicación es la detección de la geometría de falla adelante del trépano.

El término "lente", como se utiliza aquí, se debe entender que incluye tanto las estructuras como los materiales refractivos y reflexivos como será apreciado por aquellos expertos en el arte.

Aunque la invención ha Isido descrita con detalle para el propósito de ilustración basado en lo que es considerado actualmente que a ser una variedad de modalidades¦ útiles, se va a entender que tal detalle solamente es para este propósito y que la invención no está limitada a las modalidades descritas, sino que, por el contrario, está propuesta para cubrir las modificaciones y los arreglos equivalentes que estén dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, aunque se hace referencia aquí a una computadora, esta puede incluir una computadora de propósitos generales, una computadora construida especialmente, un ASIC que incluya instrucciones ejecutables por una máquina y programada para ejecutar los métodos, un arreglo de computadora o red, u otro dispositivo de computación apropiado. Como es mostrado en las Figuras 10 y 14, los datos recolectados por los receptores deben padecer algún procesamiento y son ya sea almacenados en la memoria de la herramienta o transmitidos arriba del orificio para procesamiento y almacenamiento adicionales. Como un ejemplo adicional, se va a entender que la presente invención contempla que, hasta el grado que sea posible, una o más características de cualquier modalidad pueden ser combinadas con una o más características de cualquier otra modalidad.

Se hace constar que con relación a esta fecha, mejor método conocido por la solicitante para llevar a práctica la citada invención, es el que resulta claro de presente descripción de la invención.

Claims (22)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un método para generar un haz colimado de energía acústica dentro de una herramienta de registro y dirigirlo hacia un pozo de sondeo, caracterizado porque comprende : generar una primera onda acústica a una primera frecuencia; generar una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia, en donde la primera onda acústica y la segunda onda acústica son generadas por al menos un tradsductor llevado por una herramienta localizada dentro del pozo de sondeo; transmitir la primera y segunda ondas acústicas hacia un medio acústicamente no lineal dentro de la herramienta de registro, en donde la composición del medio no lineal produce un haz colimado por un mezclado no lineal de la primera y segunda ondas acústicas, en donde el haz colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre el primer intervalo de la frecuencia y la segunda frecuencia, y en donde el medio no lineal tiene una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio no lineal tiene un parámetro de no linealidad beta entre 2 y 50.

3. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio no lineal tiene un factor de calidad Q mayor que 30.

4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el medio no lineal es seleccionado del grupo que consiste de: una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesjferas intercaladas, una emulsión, y combinaciones de los mi|smos .

5. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el haz colimado tiene un intervalo de frecuencia .

6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el haz colimado tiene un intervalo de la frecuencia del haz colimado qjue está entre 15 kHz y 120 kHz

7. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la primera frecuencia comprende intervalos de frecuencias . |

8. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda frecuencia comprende un intervalo de frecuencias.

. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende transmitir el haz colimado hacia un material alrededor del pozo de sondeo.

10. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el material es roca, cemento, o revestimiento, o una combinación de los mismos.

11. El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende reflejar y guiar el haz acústico colimado por un espejo acústico que se puede mover .

12. Una herramienta de registro transportada por tubería o por una línea para el alambre, desplegada dentro de un pozo de sondeo, configurada para generar y dirigir un haz acústico colimado dentro de la herramienta, caracterizada porque comprende : un alojamiento; al menos un transdujctor, llevado por el alojamiento, y configurado para producir una primera onda acústica a una primera frecuencia yj una segunda onda acústica a una segunda frecuencia diferente de la primera frecuencia; y un medio no lineal llevado por el alojamiento, en donde la composición del medio no lineal está configurada para producir un haz colimado por un mezclado no lineal de la primera y segunda ondas acústicas,! en donde el haz colimado tiene una frecuencia basada en una diferencia entre la primera frecuencia y la segunda f!recuencia, y en donde el medio no lineal tiene una velocidad del sonido entre 100 m/s y 800 m/s.

13. La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque el medio no lineal tiene un parámetro de no linealidadj beta entre 2 y 50.

14. La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, no lineal tiene un factor de

15. La con la reivindicación 12, lineal es seleccionado del grupo que consiste de: una mezcla de líquidos, un sólido, un material granular, microesferas intercaladas, una emulsión, y una combinación de los mismos.

16. La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque el haz colimado tiene un intervalo de frecuencia. i

17. La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, un intervalo de la

18 La reivindicación 12, caracterizada porque la primera frecuencia comprende un intervalo de frecuencias.

19. La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porrque la segunda frecuencia comprende un intervalo de frecuencias.

20 La herramienta de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada pprque es configurada para transmitir el haz colimado dentro | de un material alrededor del pozo de sondeo.

21. La herramienta de conformidad con la reivindicación 20, caracterizada porque el material es la formación de roca, cemento, q revestimiento, o una combinación de los mismos.

22. La herramienta d|e conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque además comprende reflejar y guiar el haz acústico colimado por un espejo acústico que se puede mover.