[发明专利]从钻孔产生声能量束的方法和系统及其应用

说明书

政府权利

本发明受政府支持在美国能源部授予的合作研究和开发协议(CRADA)合同号DE-AC52-06NA25396下完成。政府可享有本发明的一定权利。

技术领域

本发明总体上涉及钻孔周围岩层的声询问，更具体地，涉及将包括井筒中的单个传感器或者传感器阵列的声源和声学非线性的近井筒岩层的组合用作声束源。

背景技术

地下特性的声询问(acoustic interrogation)倾向于受实际源的尺寸和功率限制，并且在实践中井下声传感器的输出受线缆的功率传输能力限制。高频信号具有相对短的穿透距离，而低频信号通常需要夹在钻孔壁上的较大的源以最大化对地层的能量传输并且最小化在井筒中不需要的信号。为了产生这样的低频信号已经做过尝试，但每个尝试都有其缺点。例如，D’Angelo等人的美国专利No.5521882公开了设计用来记录非线性波的声学工具，该非线性波沿钻孔壁传播并折射回井内，该声学工具在周围岩层上的穿透受限。正如Johnson等人(1987年)所报道的，Leggett，Ⅲ等人的美国专利No.7301852公开了用井底组件产生以某一角度会聚的信号，该井底组件具有位于组件的相对端的传感器阵列。以一定角度非线性混合的信号极微弱和分散，并且不会穿透深入周围岩层。鉴于这些在先的尝试，需要一种能够在地下环境里从钻孔产生低频能量的声信号源。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种在被钻孔穿透的岩层中产生声能量束的方法。该方法包括：以第一频率产生第一声信号；以不同于第一频率的第二频率产生第二声信号，其中第一声信号和第二声信号由位于钻孔中的传感器阵列产生；将第一和第二声信号传输到钻孔外的岩层的声学非线性部分；通过三波混合过程组合第一和第二声信号以在岩层中产生准直的第三信号，其中准直的第三信号以与第一和第二声信号的初始方向相同的方向传播通过岩层，并且该第三信号具有与第一和第二声信号的频率差相等的频率和取决于岩层的非线性性质的振幅；在第三信号从岩层中的不均匀处被反射或反向散射后，在一个或多个接收器处接收该第三信号；分析该接收的信号来确定关于岩层的信息。

根据本发明的一方面，提供了一种用于确定关于被钻孔穿透的岩层的信息的系统。该系统包括：一个或多个传感器，配置该传感器用来产生第一频率的第一声信号和产生不同于第一频率的第二频率的第二声信号；一个或多个接收器，该接收器与所述一个或多个传感器通信，配置该接收器用来穿过岩层检测第三信号，该第三信号是由第一和第二声信号在钻孔外的岩层区域中相互作用产生的，其中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分后被检测的；处理器，该处理器可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于岩层的信息。

根据本发明的一方面，提供了一种用于表征被第一钻孔穿透的岩层的非线性性质的系统。该系统包括：一个或多个传感器，配置该传感器以产生第一频率的第一声信号和产生不同于第一频率的第二频率的第二声信号，其中该阵列设置在第一钻孔中；一个或多个接收器，该接收器设置在第二钻孔中，并与该一个或多个传感器通信，配置该接收器以穿过岩层检测第三信号，该第三信号是由第一和第二声信号在第一钻孔外的岩层区域中相互作用产生的，其中检测的第三信号是在穿过岩层的一部分并从不均匀处反射后被检测的；处理器，该处理器可用机器可执行的指令编程来分析接收的信号以确定关于在第一和第二钻孔之间的非线性相互作用区域中的岩层的信息。

当参考附图考虑以下的描述和所附的权利要求时(其构成说明书的一部分)，本发明的这些或其他目的、特征和特点，和操作方法、结构的相关元件的功能、各部分的组合以及制造的经济性，将会变得更加明显，其中类似的参考数字指代不同的附图中相应的部分。然而需要明确理解的是，附图仅仅是为了说明和描述的目的，并非作为定义本发明的限制。如在说明书和权利要求中使用的，除上下文做出清楚规定外，单数形式的“一个”、“一种”、“该”包括复数个指示物。

附图说明

图1总体上示出P波在钻孔中的三波混合现象是如何发生的，其中两个输入波以两个不同的频率f₁和f₂在地层中被发射，作为地层的非线性性质的结果，导致具有低频率f_＝f₂-f₁的第三个波的生成。

图2示出根据本发明的一方面的实验测试设计方案。

图3a，3b和3c示出从图2的实验测试设计方案得到的一些结果，示出由两个频率为38kHz和43kHz的初级束混合产生的5kHz的明显相干的束信号。

图4示出位于钻孔处的源和位于钻孔外的来自源的信号进行混合的混合区域的几何形状。