[发明专利]从井眼产生声能波束的设备和方法及其应用

说明书

相关申请的交叉引用

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

政府权利

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

技术领域

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

背景技术

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

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

发明内容

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

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

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

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