(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削孔内に配置され、音響ビームを生成しボアホール周辺の岩石層へ向けるように構成された装置であって、
第１の周波数の第１の信号及び第２の周波数の第２の信号を生成するように構成された波源と、
生成された第１及び第２の信号を受信し、第１の周波数の音響波と前記第２の周波数の音響波とを生成するように構成されたトランスデューサと、
前記トランスデューサと連結され、第１の周波数と第２の周波数との差に等しい周波数を有するコリメートビームを非線形混合プロセスにより生成するように構成された非線形物質とを含み、
前記非線形物質が、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含み、
前記コリメートビームが、２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの間の周波数を有する、装置。
【請求項２】
前記コリメートビームを所定方向にガイドするように構成された音響ビームガイドをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記音響ビームガイドが、音響反射器、音響レンズ、又はその両方を含む請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記コリメートビームが前記地層の不均質構造から反射又は後方散乱された後に前記コリメートビームを受信するように構成された受信機をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記受信機が、前記ボアホール内において前記装置の軸方向に沿って配置された複数の受信機を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記受信機が別のボアホールに配置された複数の受信機を含む請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記トランスデューサがアレイ配置された複数のトランスデューサを含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記アレイが、線形、円形、充填された円形、又は、正方形の形状に配置されている請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記トランスデューサ、前記非線形物質、及び前記音響ビームガイドを前記ボアホール内に収容するように構成されたハウジングをさらに含む請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の信号の一方への周波数チャーピング又は周波数スイープの一又は複数を含む時変成分を導入することにより、前記コリメートビームを時変符号で符号化するように構成されたエンコーダをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記時変成分が振幅、周波数、及び／又は位相の変化を含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記音響反射器が前記コリメートビームの前記伝搬方向を制御するように構成された請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
前記音響レンズが前記コリメートビームを集束するように構成された請求項３に記載の装置。
【請求項１４】
前記コリメートビームがプロセッサによって解析され、前記ボアホール周辺の前記岩石層の画像が生成される請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記画像が３次元画像である請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２の信号の周波数が３００ｋＨｚから２ＭＨｚの間にある請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記非線形物質の長さが５ｃｍから２ｍの間にある請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
ボアホールによって貫かれる岩石層において音響エネルギービームを生成する方法であって、
第１の周波数の第１の音響波を生成し、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響波を生成し、
前記第１の音響波及び第２の音響波は前記ボアホール内のトランスデューサによって生成され、
非線形混合プロセスによってコリメートビームを生成するために前記第１及び第２の音響波を音響的に非線形な媒質へ送信し、
前記コリメートビームは、前記第１及び第２の音響波の初期の方向と同じ方向へ前記非線形な媒質中を伝搬するとともに第１の周波数と第２の周波数との差に等しい２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの間の周波数を有し、前記非線形物質は、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含み、
岩石層内の掘削孔から離れる所定方向に前記コリメートビームを向ける方法。
【請求項１９】
前記コリメートビームが前記地層、前記ボアホール近傍の物質、又はその両方の不均質構造から反射又は後方散乱された後に前記コリメートビームを単数又は複数の受信機で受信する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記単数又は複数の受信機が前記ボアホール内に配置された請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記単数又は複数の受信機が別のボアホールに配置された請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記トランスデューサがアレイ配置された複数のトランスデューサを含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記コリメートビームが、音響反射器、音響レンズ、又はその両方を含む集束装置によって方向付けられる請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記トランスデューサ、前記音響的に非線形な媒質、前記集束装置、及び前記受信機が、筐体内に配置された請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記コリメートビームが前記地層の不均質構造から反射又は後方散乱された後に前記コリメートビームを解析し、前記ボアホール周辺の前記岩石層、前記ボアホール近傍の物質、又はその両方の画像を生成する請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１及び第２の音響信号の一方へのチャーピング又は周波数スイープの一又は複数を含む時変成分を導入することにより時変符号で前記コリメートビームを符号化し、前記解析は、前記符号化を用いて前記コリメートビームの飛行時間を測定することを含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記時変成分が振幅、周波数、及び／又は位相の変化を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記コリメートビームが前記地層の不均質構造から反射又は後方散乱された後に前記コリメートビームを解析して、前記ボアホール間にある前記岩石層の画像を生成するとともに、前記ボアホール周辺の前記岩石層及び流体含有物の線形及び非線形の特性を示す情報を生成する請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１及び第２の音響信号の一方へのチャーピング又は周波数スイープの一又は複数を含む時変成分を導入することにより時変符号で前記コリメートビームを符号化し、前記解析は、前記符号化を用いて前記コリメートビームの飛行時間を測定することを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記時変成分が振幅、周波数、及び／又は位相の変化を含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記コリメートビームが前記地層及び前記ボアホール周辺の物質の不均質構造から反射又は後方散乱された後に前記コリメートビームを解析して、インベージョン領域、セメントボンド、損傷領域、破壊領域、層位層形成、及び、散乱源の画像を生成する請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
ボアホールによって貫かれる岩石層において音響エネルギービームを生成する方法であって、
第１の周波数の第１の音響波を生成し、
前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響波を生成し、
前記第１の音響波及び第２の音響波は前記ボアホール内のトランスデューサによって生成され、
非線形混合プロセスによって２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの間の周波数を有するコリメートビームを生成するために前記第１及び第２の音響波を音響的に非線形な媒質へ送信し、
前記非線形物質は、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含み、
前記岩石層内の所定方向に前記コリメートビームを向け、
単数又は複数の受信機において、前記コリメートビームが、前記地層、前記ボアホール近傍の物質、又はその両方における不均質構造で反射又は後方散乱された後に、前記コリメートビームを受信する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国エネルギー省によって認められた共同研究開発契約（Ｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ及びＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ（ＣＲＡＤＡ））の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６に基づく米国政府の支援を得てなされた。米国政府は本発明について所定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、ボアホール周辺の岩石層の音響探査に関し、特に、音響ビームを発振する非線形な物質と結合された音響源の組み合わせをボアホールからの探査ツールとして使用し、ボアホール周辺の岩石層及び物質の特性を調査することに関する。この音響源は、掘削孔内の単一のトランスデューサ又はトランスデューサアレイを含む。
【背景技術】
【０００３】
地盤特性の音響探査は波源の寸法及び出力によって制限される傾向にあり、実際上は、採掘孔用音響トランスデューサの出力はワイヤー線ケーブルの電力伝送能力によって制限される。高周波信号の浸透距離は相対的に短く、一方、低周波信号に関しては、地層へ伝送されるエネルギーを最大化するとともに掘削孔内の不要信号を最小化するために、ボアホール壁に固定された大きな波源を必要とすることが多い。従来の低周波トランスデューサを用いて１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの領域の音響コリメートビーム信号をボアホールから生成し、ボアホール周囲の岩石層を調査することは容易ではない。かかる周波数領域における従来の低周波音響源は、中心周波数の３０％以下の低バンド幅及び非常に大きなビーム拡散を有する。ビーム拡散は周波数に依存し、周波数が減少するにつれてビーム拡散が増加する。ビームを鋭く集束するためには、多くの条件が満たされなければならない。例えば、音源アレイが長く、全トランスデューサがボアホール周辺の岩石層と一様に結合し、岩石層の音響速度に関する情報がわかっていることが必要である。ボアホール環境における内在的な物理的制約、工学的実現可能性、又は、操作条件のために、これらの条件は実現されないことが多い。
【０００４】
音響波の非線形混合を利用する音響ビーム源は、水中ソナー等の流体媒質における一般的な用途のために１９５０年代から提案されていた。地盤用途については、Cowlesの米国特許第3,974,476号において、ボアホール探査のための音響源が開示されている。Cowles特許で説明されている音響源生成装置は、石油天然ガス業界において用いられる典型的な寸法のボアホールでは物理的に使用できないものである。例えば、ボアホール環境において５ＭＨｚ近傍の２つの周波数を混合することにより１ｋＨｚの周波数ビームを生成することは、基本的な物理の法則に反している。典型的なワイヤー線探査ツールは、３・５／８インチ（９．２ｃｍ）の直径を有する。１５００ｍ／ｓの典型的な流体における１ｋＨｚ波の波長は１．５ｍであり、これはボアホール直径の１０倍近い。この１ｋＨｚの音響波は、波動回折物理において基本的な理論である不確定性原理に反することなくしてコリメートされた状態にとどまることはできない。また、５ＭＨｚの周波数を混合して１ｋＨｚの波を生成することは、５０００：１のステップダウン周波数の比率であることを意味するが、この比率が実現可能であることは示されていない。Cowlesが提案したツールの長さ寸法４．５ｍは、長すぎてとても実用的とはいえず、現在の探査ストリングに用いることはできない。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一態様によれば、掘削孔内に配置され、音響ビームを生成しボアホール周辺の岩石層へ向けるように構成された装置が開示される。当該装置は、第１の周波数の第１の信号及び第２の周波数の第２の信号を生成するように構成された波源と、生成された第１及び第２の信号を受信し、第１の周波数の音響波と前記第２の周波数の音響波とを生成するように構成されたトランスデューサと、前記トランスデューサと連結され、第１の周波数と第２の周波数との差に等しい周波数を有するコリメートビームを非線形混合プロセスにより生成するように構成された非線形物質とを含み、前記非線形物質が、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含む。
【０００６】
本発明の一態様によれば、ボアホールによって貫かれる岩石層において音響エネルギービームを生成する方法が開示される。当該方法は、第１の周波数の第１の音響波を生成し、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響波を生成し、
前記第１の音響波及び第２の音響波は前記ボアホール内のトランスデューサによって生成され、非線形混合プロセスによってコリメートビームを生成するために前記第１及び第２の音響波を音響的に非線形な媒質へ送信し、前記コリメートビームは、前記第１及び第２の音響波の初期の方向と同じ方向へ前記非線形な媒質中を伝搬するとともに第１の周波数と第２の周波数との差に等しい周波数を有し、前記非線形物質は、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含み、岩石層内の掘削孔から離れる所定方向に前記コリメートビームを向ける。
【０００７】
本発明の一態様によれば、ボアホールによって貫かれる岩石層において音響エネルギービームを生成する方法が開示される。当該方法は、第１の周波数の第１の音響波を生成すること、当該第１の周波数とは異なる第２の周波数の第２の音響波を生成することを含み、非線形混合プロセスによってコリメートビームを生成するために当該第１及び第２の音響波を音響的に非線形な媒質へ送信すること、岩石層内の所定方向にコリメートビームを向けること、及び、単数又は複数の受信機において、ボアホール近傍の地層、物質、又はその両方における不均質構造で反射又は後方散乱されたコリメートビームを受信すること、を含み、当該第１の音響波及び第２の音響波はボアホール内のトランスデューサによって生成され、当該非線形物質は、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物の一又は複数を含む。
【０００８】
本発明の上記及び上記以外の目的、特徴、及び性質、並びに、関連する構成要素の動作方法及び機能、そして製造における各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれも本明細書の一部を構成する。本明細書において、同様の参照符号は種々の図における対応部分を表している。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。本明細書及び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の"a", "an"及び"the"には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によって別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一態様におけるコリメートビーム生成装置の一般化された図を示す。
【００１０】
【図２】本発明の一態様における非線形処理により異なる周波数を生成する複数のモードを示す。
【００１１】
【図３Ａ】コリメートビームの振幅と軸方向（ｚ軸方向）位置について、水中での非線形混合の実験結果と理論的予測値との比較を示す。
【図３Ｂ】コリメートビームの振幅と軸方向（ｚ軸方向）位置について、水中での非線形混合の実験結果と理論的予測値との比較を示す。
【００１２】
【図４Ａ】励起周波数におけるコリメートビームの振幅と軸方向（ｚ軸方向）及び横方向（ｘ軸方向）位置について、非線形な媒質である水中における非線形混合の実験結果を示す。
【図４Ｂ】励起周波数におけるコリメートビームの振幅と軸方向（ｚ軸方向）及び横方向（ｘ軸方向）位置について、非線形な媒質である水中における非線形混合の実験結果を示す。
【００１３】
【図５】コリメートビームがチャープバーストによって生成される本発明の一態様を示す。
【００１４】
【図６Ａ】コリメートビームがチャープバーストによって生成される本発明の一態様を示す。
【図６Ｂ】コリメートビームがチャープバーストによって生成される本発明の一態様を示す。
【図６Ｃ】コリメートビームがチャープバーストによって生成される本発明の一態様を示す。
【００１５】
【図７Ａ】ＣＮＣフォームブロックを用いて非線形混合プロセスによりコリメートビームが生成される本発明の一態様を示す。
【図７Ｂ】ＣＮＣフォームブロックを用いて非線形混合プロセスによりコリメートビームが生成される本発明の一態様を示す。
【図７Ｃ】ＣＮＣフォームブロックを用いて非線形混合プロセスによりコリメートビームが生成される本発明の一態様を示す。
【００１６】
【図８】コリメートビームが、ＣＮＣフォームブロックを用いて非線形混合プロセスにより生成され、密封されたアルミニウムパイプを通過するように送信される本発明の一態様を示す。
【００１７】
【図９】３１０Ｍセラミックブロックを非線形物質として用いる非線形混合プロセスによりコリメートビームが生成される本発明の一態様
【００１８】
【図１０】ボアホール近傍の地層及び／又は物質の特性を明らかにするために装置が用いられる本発明の一態様を示す。
【００１９】
【図１１】本発明の一態様における音響ビームガイドの対応する回転軸を示す。
【００２０】
【図１２】コリメートビームが、３１０Ｍセラミックブロックを非線形物質として用いる非線形混合プロセスにより生成され、金属パイプケーシングを貫く本発明の一態様を示す。
【００２１】
【図１３】音響ミラーで誘導されたコリメートビームが金属パイプケーシングから射出する本発明の一態様を示す。
【００２２】
【図１４】ボアホールを見下ろすために音響集束系を備えた又は備えない装置が用いられる本発明の一態様を示す。
【００２３】
【図１５Ａ】本発明の一態様に従って、パイプの外にある物体のイメージングを行うための実験装置及びその実験結果を示す。
【図１５Ｂ】本発明の一態様に従って、パイプの外にある物体のイメージングを行うための実験装置及びその実験結果を示す。
【図１５Ｃ】本発明の一態様に従って、パイプの外にある物体のイメージングを行うための実験装置及びその実験結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の一態様におけるコリメートビーム生成装置の一般化された図を示す。幾つかの実施形態において、単数又は複数の波源１１０は、第１の周波数の第１の信号及び第２の周波数の第２の信号を生成するために用いられる。信号は、例えば、２チャネル信号生成器によって生成されるが、同様の信号生成器又は関数生成器を用いることもできる。波源からの信号は、単数又は複数の信号増幅器１２０によって受信され、単数又は複数のトランスデューサ１３０に送信される。この単数又は複数のトランスデューサ１３０は、第１及び第２の周波数の音響波を生成するために用いられる。圧電トランスデューサがこの用途に適している。２以上のトランスデューサを用いる場合には、その２以上のトランスデューサはアレイ配置される。例えば、このアレイ構成は線形、円形、充填された円形、又は、正方形のアレイである。アレイに含まれるトランスデューサは、２つのグループに分けられる。トランスデューサの第１のグループは第１の周波数で励起され、トランスデューサの第２のグループは異なる音波源により第２の周波数で励起される。本発明の幾つかの側面においては、全てのトランスデューサは、第１の周波数を生成するように構成される波源及び第２の周波数を生成するように構成される波源によって同時に駆動される。第１の周波数は例えば１．０３６ＭＨｚであり、第２の周波数は例えば０．９５３ＭＨｚである。幾つかの実施形態において、第１の周波数及び第２の周波数は３００ｋＨｚから２ＭＨｚの間にある。
【００２５】
音響信号は、非線形混合プロセスによって音響コリメートビームを生成するために非線形物質１４０内へ伝送される。非線形物質は、液体であってもよく、液体、固体、粒状物質、埋め込まれたミクロスフェア、又はエマルションの混合物であってもよい。かかる非線形物質の一例は、ニューヨーク州ブルックリンのコトロニクスによって販売されている３１０Ｍセラミックフォームである。３１０Ｍセラミックフォームは、９９％以上の純粋な石英ガラスセラミックからなり、熱膨張及び伝導率が低く、耐熱衝撃性が高く、熱反射率が高い。３１０Ｍは０．８０ｇ／ｃｍ３の密度を有し、その音速は１０６０ｍ／ｓである。非線形物質の他の例は、ウレタンフォームボード材である。この種のフォームは、典型的には、コンピュータ数値制御（以下、「ＣＮＣ」という。）機械加工に用いられる。ＣＮＣフォームは、０．４８ｇ／ｃｍ３の密度を有し、その音速は１２００ｍ／ｓである。ボアホール内の動作条件に応じた適当な低音速、高非線形結合、吸収長、衝撃波長、温度及び圧力の動作範囲を有し、さらにこれら以外の動作仕様要件を満たす非線形物質を非線形混合媒質として用いることも可能である。また、非線形物質の長さは、非常に小型でよく、用いられる物質の種類によって５ｃｍから２メートルの範囲にある。
【００２６】
この非線形の挙動は、非線形混合現象により得られるＰ波の特性を解析することにより記述することができる。非線形混合現象においては、２つの異なる周波数f1及びf2の２つの入射波が混合し第３の周波数成分が生成される。第３の周波数成分は、f2 - f1、f2 + f1、2f1及び2f2等の倍音周波数、並びに相互変調周波数である。本発明の一態様においては、非線形共線混合現象が採掘孔内の非線形物質内で発生するように設計される。差分周波数f2 - f1の第３の波動のみが、本出願で対象とするものである。高い周波数は、短い距離しか伝搬できず、非線形物質において吸収される傾向がある。幾つかの実施形態において、この第３の波動又はコリメートビームは、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数を有する。
【００２７】
コリメートビームは、コリメートビームが生成されたボアホール又はそれとは異なるボアホールに配置された単数又は複数の受信機１５０によって受信される。受信機は、例えば、音響トランスデューサ又はハイドロフォンであり、対象とする周波数領域に適した他の種類の受信機であってもよい。受信信号は、バンドパスフィルタ１６０によって濾波され、プリアンプ１７０によって増幅される。濾波及び増幅された信号は、デジタルオシロスコープ１８０等のデジタイザーに表示される。デジタルオシロスコープ１８０は、コンピュータ１９０によって制御される。コンピュータ１９０は、信号生成器１１０を制御するためにも用いられる。
【００２８】
図２（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、非線形物質において差分周波数を生成するための複数のモードを示す。符号f、f1及びf2は高周波信号を示す。波源１１０及び電力増幅器１２０からの信号は、トランスデューサ２１０によって非線形物質２２０に入力される。非線形物質２２０において所定距離伝搬した後、差分周波数が生成される。図２（Ａ）は、２つの異なる周波数f1及びf2を有する２つの異なる信号を同じトランスデューサ２１０に作用させることによって差分周波数f2 - f1を生成する様子を示す。図２（Ｂ）は、増幅された周波数fの変調信号を作用させΔfを変調することにより差分周波数Δfを生成する様子を示す。図２（Ｃ）は、第１の周波数f1の信号を第１のトランスデューサ２３０に作用させるとともに第２の周波数f2の信号を第２のトランスデューサ２４０に作用させることにより差分周波数f2 - f1を生成する様子を示す。高周波ビームは非線形物質内で重なり合い、差分周波数f2 - f1を生成する。
【００２９】
上述の通り、第１の周波数は例えば１．０３６ＭＨｚであり、第２の周波数は例えば０．９５３ＭＨｚである。非線形物質との相互作用により生成された音響コリメートビームは、第１の周波数と第２の周波数との差に等しい周波数を有する。前記の例においては、音響コリメートビームは、狭帯域の周波数を有し、明確な８３ｋＨｚの卓越周波数を有する。幾つかの実施形態において、音響コリメートビームは、比較的広い周波数帯域を有する。第１の周波数はシングルバンドで狭帯域の周波数を有し、第２の周波数はより広い周波数領域にわたって掃引される。第１の周波数が、第２の周波数と同様に、広い周波数帯域にわたって掃引されてもよい。いずれの場合でも、第１の周波数、第２の周波数、又はその両方は、符号化された信号であってもよく、符号化されていないチャープであってもよい。信号を符号化する利点の一つは、信号体雑音比を改善できることである。
【００３０】
幾つかの実施形態においては、コリメートビームは時変符号で符号化される。この時変符号は、第１又は第２の信号のいずれか又はその両方に導入される。時変符号は、第１の信号、第２の信号、又は、第１及び第２の信号の両方の振幅の変化、周波数の変化、及び／又は、位相の変化のうち一又は複数を含む。受信されたコリメートビームの時変符号は、当該ビームの飛行時間を測定するために用いることができる。また、幾つかの実施形態においては、一次周波数の一つが周波数領域において掃引され他方が固定されている場合にコリメートビームが広帯域となる。このように、得られる第３のビームf2 - f1は広い周波数領域にわたって掃引されうる。
【００３１】
図３は、実験室での測定結果を、非線形混合に基づく理論的予測及び波動伝搬の理論との関連において示す。音響波は、伝搬する媒質の非線形特性によって歪められる。音響波の非線形の伝搬は、Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov（KZK）方程式でモデル化することができる。KZK方程式は有限差分近似法によって解くことができる。KZK方程式は、音圧の回折、音圧の減衰（すなわち、吸収）、及び倍音周波数成分の生成（すなわち、非線形性）等の様々な非線形特性を説明し、初期送信音圧、トランスデューサ直径、トランスデューサアレイ配置、伝搬距離、及び媒質等のパラメータを所与として、音響信号の形を音圧としてモデル化する。KZK非線形放物型方程式は、指向性音響ビームにおける回折、吸収、及び非線形性の総合的効果を考慮している。ｚ軸正方向へ伝搬する軸対称音響ビームについてのKZK方程式は、音圧ｐに関して以下のように示される。
【数１】
0005518058.tif 000002
ここで、t' = t - z/c0は遅延時間変数であり、tは時間、c0は微小信号の音速、r = (x2 + y2)1/2はｚ軸から（すなわち、ビームの中心から）の半径方向距離である。
0005518058.tif 000003
は横ラプラス演算子であり、ρ0は流体の周囲密度である。
0005518058.tif 000004
0005518058.tif 000005
非線形性の係数は、β=１＋Ｂ／２Ａで定義される。ここで、Ｂ／Ａは媒質の非線形性のパラメータである。式（１）右辺の第１項は、回折（集束）効果を示し、第２項は吸収を示し、第３項は減衰媒質の非線形性を示す。KZKモデルのさらに詳細な形や使用については、Y.-S. Leeの博士論文である「熱粘性流体中のパルス形有限振幅音響ビーム用ＫＺＫ方程式の数値解法」（Numerical solution of the KZK equation for
pulsed finite amplitude sound beams in thermoviscous fluids）、テキサス大学オースティン校（１９９３年）に記載されている。この博士論文の内容は参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【００３２】
実験室における測定では、トランスデューサを０．９５３ＭＨｚ及び１．０３６ＭＨｚで励起し、両周波数の差に等しい１．０３６ＭＨｚ-０．９５３ＭＨｚ＝８３ｋＨｚの周波数を有するコリメートビームを得た。コリメートビームは、水を非線形物質として用いる非線形混合プロセスにより生成した。図３Ａは、ハイドロフォン受信機のｚ軸及びｘ軸の様々な位置に対する生成されたビームの振幅を示す。図３Ｂは、観測された軸方向の強度プロファイルを示すグラフである。この観測結果は、理論と良く一致している。
【００３３】
図４Ａは、トランスデューサを様々な周波数で励起して様々な周波数を有するコリメートビームを生成して得た実験結果を示す。この実験結果は、電圧で測定された振幅をミリメートル単位で測定されたｚ軸方向の位置と対比してプロットしたものである。この実験室環境の試験では、１０ｋＨｚ、３７ｋＨｚ、６５ｋＨｚ、８３ｋＨｚ、及び１００ｋＨｚの周波数を有するコリメートビームが生成された。図示の通り、コリメートビームは、ｚ軸方向に沿って類似のビームプロファイルを有する。図４Ｂは、放射部から１１０ｍｍの距離におけるビームの断面を示す。この図においては、電圧で表されているビームの振幅がミリメートル単位で測定されたｘ軸方向の位置と対比してプロットされている。この結果によって、様々な周波数のコリメートビームは、ｘ軸方向において拡散しやすい同じ周波数の波動とは異なり、ｘ軸方向において同様に高度に集束されたビーム断面を示すことがわかった。
【００３４】
上述のように、コリメートビームは比較的狭い周波数帯域を有し、単数又は複数のトランスデューサが特定の周波数を生成する波源によって励起される。又は、コリメートビームは比較的広い周波数帯域を有する。相対的に広い周波数帯域を有するコリメートビームを生成する一例が、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されている。例えば、図５（Ａ）は、９００ｋＨｚから１ＭＨｚにわたる周波数を有する有限時間のチャープ信号及び１ＭＨｚの周波数の多数のバースト（burst）を示す。図５（Ｂ）は、電圧で表される振幅としてプロットされたバーストをマイクロ秒単位の時間に対して示す。
【００３５】
図６Ａは、図６Ｂのビーム送信機からのｚ軸方向の選択された距離における一連の横方向スキャンを示す。選択された距離は、１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、５０ｃｍ、及び６０ｃｍである。ｘ軸方向距離に対する電圧として決定された振幅のプロットによって、ビーム拡散が小さく比較的一定であり、トランスデューサからのｚ軸方向距離によらないということが示されている。コリメートビームの周波数スペクトルは図６Ｃに示されている。同図は、この特定の配列に関して利用可能な周波数領域が２０ｋＨｚから１２０ｋＨｚであることを示している。使用可能な周波数領域の下端は、５ｋＨｚ程度と低く、ボアホールの寸法によってのみ制約される。他の周波数帯域は、典型的にはｋＨｚ領域である音響検層周波数を含むコリメートビーム、及び、典型的には数百ｋＨｚからＭＨｚ領域にあるボアホールイメージ作成装置（borehole televiewer）用帯域に使用することができる。このような構成とすることの利点の一つは、ボアホール内で広帯域のチャープ信号源を使用することにより、チャープされていない波源と比較して、信号対雑音比が改善することである。また、チャープされた信号によって、遅延時間推定を改善することができ、イメージング用途において有益である。
【００３６】
図７Ａは、ＣＮＣフォームブロックを非線形物質として利用した混合プロセスによって生成されるコリメートビームを示す。トランスデューサアレイ７１０は、１．０００ＭＨｚ及び１．０８７ＭＨｚの周波数の音響波を生成するように構成される。トランスデューサアレイ７１０は、ＣＮＣフォーム７２０と連結される。２つの音響信号が混合して８７ｋＨｚの周波数を有するコリメートビーム７３０を生成する。ＣＮＣフォームブロックは、８０ｍｍの開口部を有しており、この開口部からコリメートビームが伝搬する。図７Ｂは、横方向距離９０ｍｍ（ｘ軸）及び軸方向距離２０ｍｍ（ｚ軸）の位置における時間領域でのコリメートビームの振幅を示す。図７Ｃは、８７ｋＨｚに強いピークを有する周波数領域におけるコリメートビームを示す。
【００３７】
図８は、図７Ａに類似するが、筐体８４０内に配置されたトランスデューサアレイ８２０及びＣＮＣフォームブロック８３０によって生成されるコリメートビーム８１０を示す。図示の通り、筐体８４０は、全体長３２３ｍｍ、内径１４０ｍｍ、外径１５３ｍｍのアルミニウムパイプである。
【００３８】
図９は、図７Ａに類似しており、３１０Ｍセラミックブロックを非線形物質として用いた非線形混合プロセスによって生成されるコリメートビームを示す。トランスデューサアレイ９１０は、１．３５３ＭＨｚ及び１．４４０ＭＨｚの周波数の音響信号を生成するように構成される。トランスデューサアレイ９１０は、３１０Ｍセラミックブロック９２０に連結される。３１０Ｍセラミックブロック９２０において、２つの音響信号が混合し、８７ｋＨｚの周波数を有するコリメートビーム９３０を生成する。３１０Ｍセラミックブロック９２０は、１１０ｍｍの開口部を有する。この開口部から、コリメートビームが伝搬する。図示の通り、コリメートビームはセラミックブロックの開口部から数センチメートルの位置の近接場領域に伸張するサイドローブを有するが、これらのサイドローブはビームの遠距離場領域には延伸していない。
【００３９】
図１０は、ボアホール近傍の地層及び／又は物質の特性を明らかにするために装置を用いる本発明の一態様を示す。単数又は複数の波源１００５は、第１及び第２の周波数の信号を生成する。これらの信号は、信号増幅器１０１０に送信される。信号増幅器１０１０は、信号の電力を増加させるために用いられる。信号増幅器１０１０によって増幅された信号は、単数又は複数のトランスデューサ１０１５に送信される。トランスデューサ１０１５は、第１及び第２の周波数の音響波を生成するように構成される。音響波は非線形物質１０２０に送信される。非線形物質１０２０は、混合プロセスによって波を混合し、音響コリメートビーム１０２５を生成する。
【００４０】
音響コリメートビーム１０２５は、音響ビームガイド１０３０によって特定の方向に誘導される。音響ビームガイド１０３０は、例えば、音響反射器又は音響レンズである。音響反射器は、ビームが伝搬する周辺媒質とは異なる音響インピーダンスを有する物質である。かかる音響反射器の一例は金属プレートである。音響レンズは、特定の焦点及び方向に音響コリメートビームを集束するように構成され、例えば凹面形状を有する。フレネルミラー配置を音響ビームガイドとして用いることができる。図１１に詳細に示されるように、音響ビームガイドに連結された単数又は複数のアクチュエータ１０３５によって、当該ガイドを特定の方向に回転させることができる。幾つかの実施形態においては、音響ビームガイド１０３０を省略して、コリメートビームがボアホールの軸方向に沿って伝搬するようにすることもできる。
【００４１】
コリメートビーム１０４０はガイド１０３０で反射し、ボアホール近傍の物体１０４５に向かう特定の方向に誘導されてもよい。物体１０４５等の地層の不均質構造やビームに沿って位置する近接地層は、音響ビームの反射や後方散乱を生成する。反射及び後方散乱された波動１０５０は、同じボアホール（単一坑井イメージングの場合）又は異なるボアホール（坑井間イメージングの場合）に配置される単数又は複数の受信機１０５５によって受信される。ガイド１０３０の動きに従って反射波１０５０を受信するために、受信機１０５５をガイド１０３０に連結してもよい。受信機１０５５によって受信された信号は、情報処理用電子機器１０６０に解析のために送信される。情報処理用電子機器１０６０は、地層の２Ｄ画像又は３Ｄ画像の生成等、岩石層の特徴を明らかにするための適切なソフトウエアを搭載したコンピュータを含む。標準的な坑井探査を可能とするために、坑井計装が筐体１０６５に収容される。
【００４２】
本発明の幾つかの側面においては、ボアホール近傍の特定の地層をイメージングするために、トランスデューサ１０１５、非線形物質１０２０、及び受信機１０５５を含む装置全体をボアホールの長さ方向に上下動させる。また、ボアホール周囲の任意のアジマス方向における地層をイメージングするために、受信機１０５５を備える又は備えない装置全体をボアホールの軸周りに回転させる。
【００４３】
図１１は、音響ビームガイド１１０５の回転に対応する軸を示す。コリメートビームの方向は、ガイド軸１１１０周りの回転によるガイドのアジマス、傾斜１１１５、及び、ガイド及びガイド軸の正面の平面間の角度を選択的に制御することにより調整される。アクチュエータ（不図示）を用いることにより、ガイド面のアジマス及び傾斜が効果的に制御される。したがって、アクチュエータは、コリメートビームの方向を調整又は変更するために用いられる。
【００４４】
図１２は、金属パイプケーシング内の３１０Ｍセラミックブロックを非線形物質として用いた非線形混合プロセスによって生成されるコリメートビームを示す。トランスデューサアレイ１２０５は、例えば１．０００ＭＨｚ及び１．０８７ＭＨｚの周波数を有する音響信号を生成するように構成される。トランスデューサアレイ１２０５は、３１０Ｍセラミックブロック１２１０に連結される。セラミックブロック１２１０では、２つの音響信号が混合して８７ｋＨｚの周波数を有するコリメートビーム１２１５が生成される。このコリメートビーム１２１５は、金属パイプケーシング１２２０を伝搬する。トランスデューサアレイ１２０５は、ボアホール近傍の地層をイメージングするために、ボアホールの長軸周りを回転する。地層から反射又は後方散乱されたビームは、当該ボアホール内の又は他のボアホール内の単数又は複数の受信機（不図示）によって受信される。反射又は後方散乱されたビームを受信機で受信できるように、受信機をトランスデューサアレイ１２０５に連結して同じように回転できるようにしてもよい。図示の通り、ビームは、金属パイプケーシング１２２０から射出された後もコリメーションを保っている。
【００４５】
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、音響ミラーで誘導され、金属パイプケーシングから射出された後のコリメートビームを示す。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は図１２と類似するが、非線形物質（この場合は水）がパイプと平行に非線形ビームを生成し、このビームが音響ミラー板によって当初の伝搬方向と直交する向きにパイプの外へ誘導される点で異なっている。トランスデューサアレイ１３０５は、例えば０．９５３ＭＨｚ及び１．０３６ＭＨｚの周波数を有する音響信号を生成するように構成される。トランスデューサアレイ１３０５は、非線形物質（水）１３１０と連結される。非線形物質１３１０においては、２つの音響信号が混合し、８３ｋＨｚの周波数のコリメートビーム１３１５を生成する。コリメートビーム１３１５は、音響ミラー１３２０で反射され、金属パイプケーシング１３２５を伝搬する。図示の通り、ビームは、金属パイプケーシング１３２５から射出された後もコリメーションを維持し、コリメートビームの入射角が変化するように音響ミラーを回転することで容易に誘導される。図１３（Ｂ）は、ミラー１３２０が回転されたときのビームの誘導結果を示す。
【００４６】
図１４は、音響集束系とともに装置を用いる本発明の一態様を示す。単数又は複数の波源１４０５は、第１及び第２の周波数の信号を生成する。この信号は、信号増幅器１４１０に送信される。信号増幅器１４１０は、信号の電力を増加させるように構成される。信号増幅器１４１０によって増幅された信号は、単数又は複数のトランスデューサ１４１５に送信される。トランスデューサ１４１５は、第１及び第２の周波数の音響信号を生成するように構成されている。音響信号は、非線形物質１４２０へ伝搬する。非線形物質１４２０は、混合プロセスにより信号を混合し、音響コリメートビーム１４２５を生成する。
【００４７】
幾つかの実施形態においては、音響コリメートビーム１４２５は、音響集束系１４３０に入射する。コリメートビームは、若干のビーム拡散を有する傾向がある。ビーム拡散は、ビームが筐体（すなわち、パイプ）を伝搬するにつれて増加する。このようなビーム拡散によって、ビーム源からの所定距離においてビームが筐体の壁と相互作用し、これにより望ましくない影響が現れる傾向がある。音響集束系１４３０は、ビームを集束させてビーム拡散を減少させることにより、このビームと筐体壁部との相互作用を減少させる。集束は、ビームプロファイルを必ずしも減少させず、ビームプロファイルがあまり角度拡散しないように筐体壁部からの反射による歪みや減衰のない明確なビームを生成する。音響集束系１４３０の一例は、プレキシガラス、又は、適切に成形することによりビーム拡散を減少させるプレキシガラス以外の物質からなるフレネルレンズである。音響集束系１４３０は、筐体内の非線形物質とは異なる音速の流体で満たされたチェンバーを含む様々な構成要素を含むことができる。このチェンバーは、流体の音速に応じて凸面又は凹面に適切に成形される。一般に、筐体内の非線形物質と音響インピーダンスが相当程度一致する物質を音響集束系１４３０として用いることができる。
【００４８】
幾つかの実施形態においては、物質１４２０において非線形混合により生成されたビーム１４２５が十分に明確であり、角度拡散が小さい場合には音響集束系１４３０は使用されない。この場合、ビーム１４２５はさらなる修正を加えられることなく、物質１４２０から射出される。
【００４９】
ハウジング又は筐体１４３５は、トランスデューサ１４１５、非線形物質１４２０、音響集束系１４３０、及び単数又は複数の受信機１４４０を収容又は支持するように構成されている。集束された音響ビームは、ハウジング１４３５の軸と平行に方向付けられ、物体１４４５によって反射又は後方散乱される。物体１４４５は、岩石層の不均質構造、例えば、インベージョン領域（invaded zone）、ケーシングを備えたセメントボンド、損傷領域（damaged zone）、破壊領域（fractured
zone）、層位層形成（stratigraphic layering）（特に高い見かけ傾斜、すなわち比較的低傾斜の地層における高角度の坑井）を含む。受信機１４４０は、反射又は後方散乱された信号１４５５を受信するように構成され、当該信号は情報処理用電子機器１４５０によって処理される。
【００５０】
図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃは、本発明の一態様におけるパイプの外部にある物体のイメージングの実験装置及び実験結果を示す。図１５Ａは、配置が図１０と類似する実験装置を示す。この実験装置において、波源トランスデューサ１５０５は、音響信号を生成するように構成され、非線形物質１５１０に連結される。非線形物質１５１０は、音響コリメートビーム１５１５を非線形混合プロセスによって生成するように構成される。波源トランスデューサ１５０５は、波源生成器及び電力増幅器（いずれも不図示）によって駆動されてもよい。パイプ等の筐体１５２０は、トランスデューサ１５０５、非線形物質１５１０、音響ビームガイド１５２５、及び、単数又は複数の受信機１５３０を収容するように構成される。音響コリメートビーム１５１５は、音響ビームガイド１５２５により筐体１５２０から外へ向けられる。例えば、この配置において、音響ビームガイド１５２５は音響反射器である。反射されたコリメートビーム１５３０は、筐体１５２０の外部にある物体１５３５に入射する。物体１５３５は、岩石層における不均質構造、例えば、インベージョン領域、ケーシングを備えたセメントボンド、損傷領域、破壊領域、層位層形成（特に高い見かけ傾斜、すなわち比較的低傾斜の地層における高角度の坑井）等を含んでもよい。コリメートビーム１５４０は、物体１５３５によって反射又は後方散乱された後、単数又は複数の受信機１５５０（同一のボアホール又は他のボアホールに配置される）によって受信される。
【００５１】
図１５Ａの実験装置においては、物体を軸１５４５の周りで３６０°回転させた。また、測定結果は受信機１５５０によって記録された音響強度からなる。この構成において、物体１５３５は、わずかに不規則な形状のアルミニウムの固体ブロックとし、パイプ壁から約６１ｃｍの位置に配置した。パイプ及びブロックをいずれも水に浸した。図１５Ｂは測定された反射強度を極座標にプロットしたものを示し、図１５Ｃは測定された反射時間を極座標にプロットしたものを示す。図１５Ｂ及び図１５Ｃのいずれにおいても、アルミニウムブロックの断面を測定データとの比較のために示した。図１５Ｂに示したように、ブロック表面が受信機における反射信号を最大化する位置にあるときに大きな信号が存在する。したがって、各ピークはブロックの表面を表す。図１５Ｃは飛行時間を示す。ブロックは回転されたので、表面は近づいたり遠ざかったりし、音響ビームが伝搬する合計距離を変化させる。ボアホールの形状において、強度を表す画像は装置を回転させることにより得られる。したがって、反射信号の振幅は、ボアホールの周辺の不均質構造からの反射を表す。
【００５２】
受信した波形の記録を処理し、地層の反射特性又は伝達特性の画像を生成する。ビームの伝搬方向及び飛行時間は、後方散乱波が生成された位置を定めることができる。この点において、本件装置は、従来の無指向性モノポール及びダイポール波源を用いる通常の音響イメージング技術と差別化される。従来の波源と比較してビームの使用に関連する効果は、地層の音響特性の画像を計算するために岩石層の速度場を詳細に特定する必要がないということである。ビームの伝搬方向及び飛行時間の測定結果は、波動が反射又は後方散乱される位置を特定する能力を単純化及び改善する。特に、装置からのビームの射出方向がわかっていれば、ビーム方向において記録された後方散乱波の波源を特定することができ、遅延時間によってビームパス上で後方散乱波源の位置を特定することができる。したがって、３Ｄ画像を計算するために正確で詳細な速度モデルを必要とする従来の（ビームではない）波源と対照的に、ビーム波源を用いたボアホールのイメージングは簡素であり、最終的な画像における不確定性を削減することができる。また、このビームは集束されているとともにボアホールに対するアジマス及び傾斜が可変なので、これにより得られる画像は、従来の（ビームではない）波源を用いて得られた画像と比べて、高い解像度を有する傾向がある。この方法によって、インベージョン領域、ケーシングを備えたセメントボンド、損傷領域、破壊領域、特に高い見かけ傾斜（地層面と装置軸に垂直な平面との間の角度）での層位層形成を含む特性の詳細な画像が得られる。本発明のビームの広帯域差分周波数は、１ｋＨｚから１００ｋＨｚまで及ぶ。周波数領域の下端は、従来の音響検層装置によっても用いられており、１００フィートまでの侵入深さを実現する。ビームが広帯域であり符号化可能なため、処理及び復号化した後の検出信号の信号対雑音比が大幅に改善する点が重要である。より大きな侵入深さを有し、符号化により大きな信号対雑音比を有するという広帯域ビームの特性により、本発明の方法によって、岩石層及び岩石層のボアホール周辺における流体含有物の詳細な画像化及び／又は非線形特性評価を実現することができる。
【００５３】
本明細書において、様々な構成が例示のみを目的として説明された。本発明の趣旨を逸脱することなく、他の用途に用いるために、開示された構成に対する変更を行うことができる。例えば、採掘同時検層（ＬＷＤ）及びパイプ伝送の構成においては、装置がドリルストリングの底部を通過できるようにする技術を用いることにより、小型の音響ビーム生成装置はビットの前方を効果的に確認することができ、それによりドリルビットの到達前に過圧領域又は地層のレオロジーの大きな変化を検出することができる。ビームを誘導することにより、ビット前方にある反射層の傾斜（dip）及びアジマスを間接的に測定できるようになる。また、ビットの前方にある断層形状を検出するために用いることもできる。
【００５４】
現時点において有用と考えられている様々な態様に基づいて、例示のために本発明を詳細に説明したが、このような詳細な説明は例示のみを目的としたものであって、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付された特許請求の範囲の趣旨及び範囲に入る変形や均等な配置も本発明に含められることが意図されている。例えば、本明細書においてコンピュータに関する言及がなされる場合には、このコンピュータには、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、コンピュータ読み取り可能な命令を含み当該方法を実行するようプログラムされたＡＳＩＣ、コンピュータアレイ又はコンピュータネットワーク、又は、他の適当な計算機を含むことがある。図１０及び図１４に示されたように、受信機によって収集されたデータは、処理され、メモリ又は装置に記憶されるか、又は、さらに処理を行い及び保存するために坑井外へ送信される。更なる例として、本発明においては、あらゆる実施形態の一又は複数の特徴を他の実施形態の一又は複数の特徴と可能な限り結合することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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