(57)【要約】  本開示の一部の態様において、ボアホールを囲む物質を調査するための方法及び装置が開示される。この方法は、ボアホールの内部において、ボアホールの半径方向に対して実質的に垂直である物質の１又は複数の特性による線形及び非線形応答を引き起こす第１の低周波音波を生成する工程と、この第１の音波と同時にボアホールの縦軸に対して直角方向となるように第１の高周波パルスシーケンスを物質に向けて発する工程と、ボアホールを囲む物質を調査するために、第１の高周波パルスシーケンスと、第１の低周波音波に起因する線形及び非線形の弾性歪みを生じている１又は複数の特性との間の相互作用によって生成される１又は複数の第２の高周波パルスをボアホール内に配置可能な１又は複数の受信器において受信する工程と、を含む。
2013545077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアホールを囲む物質を調査するための方法であって、
前記ボアホールの内部において、前記ボアホールの半径方向に対して実質的に垂直である前記物質の１又は複数の特性による線形及び非線形応答を引き起こす第１の低周波音波を生成する工程と、
前記第１の音波と同時に前記ボアホールの縦軸に対して直角方向となるように第１の高周波パルスシーケンスを前記物質に向けて発する工程と、
前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記第１の高周波パルスシーケンスと、前記第１の低周波音波に起因する線形及び非線形の弾性歪みを生じている前記１又は複数の特性との間の相互作用によって生成される１又は複数の第２の高周波パルスを前記ボアホール内に配置可能な１又は複数の受信器において受信する工程と、を含む、
方法。
【請求項２】
前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記ボアホールに対するエネルギーの反射又は後方散乱をもたらす音響インピーダンスコントラストを有する前記物質の内部の前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、前記低周波音波のサイクルの間に前記音響インピーダンスコントラストを変更するような前記歪みが前記第１の低周波音波に起因して生じている間に前記ボアホールに向けてエネルギーを戻すような方向に位置する前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の低周波音波及び前記第１の高周波パルスシーケンスは、圧縮波源、横波波源、又はこれらの両方によって生成される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の音波の波源は、前記物質内に線形及び非線形の弾性歪みを引き起こすように構成された振動部を含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内でアレイとして構成されている請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記１又は複数の受信器は、前記１又は複数の第２の高周波パルスの１又は複数の方向成分を記録するように構成されている請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ボアホールを囲む前記物質の線形及び非線形の弾性特性の３次元画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記第１の音波を生成する工程と、前記第１の高周波パルスシーケンスを発する工程とを繰り返す工程を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ボアホールを囲む前記物質は、セメント、ケーシング、岩石層、ボアホールの中又はボアホールを囲む流体、及びこれらの組合せによって構成される群から選択される請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記受信された第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記物質によって反射される場所及び時間における前記低周波のパルスに応じた特徴を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスに基づいて前記物質が線形の反射物質を含むか非線形の反射物質を含むかを決定する工程を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスをフィルタリングする工程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フィルタリングは、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスから高周波成分を分離するように構成されたハイパスフィルターを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記フィルタリングされた１又は複数の第２の高周波パルスの時間に対する振幅変化を決定する工程を更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の高周波パルスシーケンスは、チャープ若しくは符号化、又は、チャープかつ符号化する請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の高周波パルスシーケンスは、振幅、位相、周期、及びこれらの組合せによって構成される群から選択された変調がされている請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記低周波のサイクル毎に５から１００の第１の周波数のパルスが発せられ、前記第１の高周波パルスは、前記低周波の周波数の少なくとも１０倍の周波数を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の高周波パルスシーケンスを送信した第１の時点、前記第２の高周波パルスを受信した第２の時点、及び、前記第１の高周波パルスシーケンスの経路に沿った及び前記第２の高周波パルスの経路に沿った推測音速に基づいて前記１又は複数の特性に対するラジアル距離を決定する工程を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記決定する工程は、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記第２の高周波パルスの相互相関を計算する工程を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、クラックせん断を生じている間に特性がエネルギーを戻すような方向に位置する前記物質内の非線形弾性特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信される請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
ボアホールを囲む物質を調査するための装置であって、
前記ボアホール内に配置可能であって、低周波であって前記ボアホールの縦軸に対して実質的に平行な前記物質内の１又は複数の特性による線形及び非線形応答を引き起こす第１の音波を生成するように構成された第１の音波源と、
前記ボアホール内に配置可能であって、前記第１の音波と同時に第１の高周波パルスシーケンスを前記ボアホールの縦軸に対して直角方向に向けて発するように構成された波源と、
前記ボアホール内に配置可能であって、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記第１の音波に起因する線形及び非線形の弾性歪みを生じている前記１又は複数の特性との相互作用によって生成される１又は複数の第２の高周波パルスを受信するように構成された１又は複数の受信器と、
を備える装置。
【請求項２２】
前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記ボアホールに対するエネルギーの反射又は後方散乱をもたらす音響インピーダンスコントラストを有する前記物質の内部の前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信される請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、前記低周波音波のサイクルの間に前記音響インピーダンスコントラストを変更するような前記歪みが前記第１の低周波音波に起因して生じている間に前記ボアホールに向けてエネルギーを戻すような方向に位置する前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信される請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１の音波源及び前記第１の高周波パルスシーケンスの波源は、圧縮波、横波、又はこれらの両方を生成するように構成されている請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１の音波源は、前記物質内に前記弾性及び非線形の弾性歪みを引き起こすように構成された振動部を含む請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成されている請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記１又は複数の受信器は、前記１又は複数の第２の高周波パルスの１又は複数の方向成分を記録するように構成されている請求項２１に記載の装置。
【請求項２８】
実行されたときに前記第１の高周波パルスシーケンスの経路に沿った及び前記第２の高周波パルスの経路に沿った音速に基づいて前記ボアホールから前記１又は複数の特性へのラジカル距離を決定するように構成され記憶された実行命令を有するメモリーと通信可能なプロセッサーを更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
実行されたときに前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて繰り返される前記物質への音波の侵入に基づいて、前記物質の１又は複数の３次元画像を形成するように構成され記憶された実行命令を有するメモリーと通信可能なプロセッサーを更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３０】
前記ボアホールを囲む前記物質は、セメント、ケーシング、岩石層、ボアホールの中又はボアホールを囲む流体、及びこれらの組合せによって構成される群から選択される請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
機械によって実行可能な実行命令を記憶するメモリーと通信可能であって、前記実行命令が実行されたときに前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスに基づいて前記物質が線形の反射物質又は非線形の反射物質を含むかどうかを決定するプロセッサーを更に備える請求項２１に記載の装置。
【請求項３２】
前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスをフィルタリングするように構成されたフィルターを更に備える請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記フィルターは、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスから高周波成分を分離するように構成されたハイパスフィルターを含む請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記プロセッサーは、前記フィルタリングされた１又は複数の第２の高周波パルスの時間に対する振幅変化を決定するように構成されている請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
チャープ又は周波数掃引を含む時間変化コンポーネントを導入することによって前記第１の高周波パルスシーケンスを時間変化シグネチャと共に符号化するように構成されたエンコーダを更に備える請求項３１に記載の装置。
【請求項３６】
前記プロセッサーは、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記受信した第２の高周波パルスとの間の飛行時間を計測するために前記符号化された第１の高周波パルスシーケンスを用いる請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記時間変化シグネチャは、振幅、位相、周期、及びこれらの組合せによって構成される群から選択される請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記低周波のサイクル毎に５から１００の第１の周波数のパルスが発せられ、前記第１の高周波パルスは、前記低周波の周波数の少なくとも１０倍の周波数を有する請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１及び前記第２の高周波パルスシーケンスの時間領域における相互相関を計算することによってラジアル距離が決定される請求項３１に記載の装置。
【請求項４０】
前記プロセッサーは、前記第１の高周波パルスシーケンスを送信した第１の時点、前記第２の高周波パルスシーケンスを受信した第２の時点、及び、前記物質の推定音速に基づいて前記物質に対するラジアル距離を決定するように構成されている請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
ボアホールを囲む物質を調査するための方法であって、
前記ボアホールに対して縦方向のチューブウェイブとして伝播し、前記ボアホールの縦軸に対して実質的に直角である前記物質内の１又は複数の特性に対して非線形応答を引き起こす間欠性の低周波振動をボアホール内部で生成する工程と、
ボアホールを囲む前記物質内部で前記ボアホールに対して縦方向に進むような方向で高周波パルスシーケンスを前記ボアホール内部で生成する工程と、
前記ボアホール内に配置可能な１又は複数の受信器において、前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記低周波振動の間欠的な生成の間の前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスからの成分を含む信号を受信する工程と、
を備える方法。
【請求項４２】
前記高周波パルスシーケンスは、前記物質内を、屈折波、散乱波、又は直接波として伝播するように構成されている請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記低周波振動、前記高周波パルスシーケンス、又はこの両方は、圧縮波源、横波源、又はこの両方によって生成される請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記圧縮波源、前記横波源、又はこの両方は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含む請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成されている請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
前記１又は複数の受信器は、前記高周波パルスシーケンスの１又は複数の方向成分を記録するように構成されている請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
線形速度、線形モジュラス、非線形速度、非線形モジュラス、及びこれらの組合せによって構成される群から選択される前記物質の１又は複数の画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスを生成する工程を繰り返す工程を更に備える請求項４１に記載の方法。
【請求項４８】
前記物質内において対応する局所的な速度の循環的な変化をもたらす弾性歪みサイクルを前記低周波振動によって生じる請求項４１に記載の方法。
【請求項４９】
前記物質の弾性非線形応答を決定するために、前記物質から前記１又は複数の受信器へと戻された高周波パルスシーケンスを処理する工程を更に備える請求項４１に記載の方法。
【請求項５０】
ボアホールを囲む物質を調査するための装置であって、
前記ボアホールに対して縦方向のチューブウェイブとして伝播し、前記ボアホールの縦軸に対して実質的に直角である前記物質内の１又は複数の特性に対して非線形応答を引き起こす間欠性の低周波振動をボアホール内部で生成するように構成された第１の音波源と、
継続的な高周波パルスシーケンスを前記ボアホールに対して縦方向に進むような方向で前記物質内に発するように構成された第２の音波源と、
前記ボアホール内に配置可能であって、前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記低周波振動の間欠的な生成の間の前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスからの成分を含む信号を受信するように構成された１又は複数の受信器と、
を備える装置。
【請求項５１】
前記高周波パルスシーケンスは、前記物質内を、屈折波、散乱波、又は直接波として伝播するように構成されている請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記第１の音波源、第２の音波源、又はこれらの両方は、圧縮波源、横波源、又はこの両方を含む請求項５０に記載の装置。
【請求項５３】
前記圧縮波源、前記横波源、又はこの両方は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含む請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成されている請求項５０に記載の装置。
【請求項５５】
前記１又は複数の受信器は、前記高周波パルスシーケンスの１又は複数の方向成分を記録するように構成されている請求項５０に記載の装置。
【請求項５６】
線形速度、線形モジュラス、非線形速度、非線形モジュラス、及びこれらの組合せによって構成される群から選択される前記物質の１又は複数の画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスの生成を繰り返すように構成されたコントローラを更に備える請求項５０に記載の装置。
【請求項５７】
前記第１の音波源によって生成された前記低周波振動の弾性歪みサイクルは、前記物質内において対応する局所的な速度の循環的な変化をもたらす請求項５０に記載の装置。
【請求項５８】
機械によって実行可能な実行命令を記憶するメモリーと通信可能であって、前記実行命令が実行されたときに前記物質から前記１又は複数の受信器に対して戻された高周波パルスシーケンスに基づいて前記物質の弾性非線形応答を決定するプロセッサーを更に備える請求項５０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
米国政府の権利
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（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】
本開示は、一般にボアホール周辺の岩石層の音波検査に関し、より具体的には、ボアホールを囲む層の線形及び非線形特性の画像処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
ボアホールから離れた場所にある天然及び引き起こされたフラクチャーの詳細な特性評価、信頼性のある二酸化炭素隔離、機械的な完全性の評価や油層及びガス層におけるボアホールブレイクアウトの予測、及びセメントの完全性の調査は、物性評価及び画像処理に対する新たなアプローチを必要とする。従来の物質の弾性の調査の中では、弾性非線形応答（非弾性（anelasticity））が物質の完全性を調査するためのアプローチの一つである。固体の弾性非線形性は、物質の機械的な損傷状態の尺度となる。弾性非線形応答は、物質の損傷の最良な尺度となりつつある。したがって、ボアホール近傍の調査として、非線形法は、機械的に損傷を受けている領域又は潜在的なクラック／フラクチャーの溝を識別するのに最も見込みがある。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の一部の態様に従って、ボアホールを囲む物質を調査するための方法が開示される。前記方法は、前記ボアホール内部において、ボアホールの半径方向に対して実質的に垂直である前記物質の１又は複数の特性による線形及び非線形応答を引き起こす第１の低周波音波を生成する工程と、前記第１の音波と同時に前記ボアホールの縦軸に対して直角方向となるように第１の高周波パルスシーケンスを前記物質に向けて発する工程と、前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記第１の高周波パルスシーケンスと、前記第１の低周波音波に起因する線形及び非線形の弾性歪みを生じている前記１又は複数の特性との間の相互作用によって生成される１又は複数の第２の高周波パルスを前記ボアホール内に配置可能な１又は複数の受信器において受信する工程と、を含む。
【０００５】
前記方法において、前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記ボアホールに対するエネルギーの反射又は後方散乱をもたらす音響インピーダンスコントラストを有する前記物質の内部の前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信することができる。前記方法において、前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、前記低周波音波のサイクルの間に音響インピーダンスコントラストを変更するような前記歪みが前記第１の低周波音波に起因して生じている間に前記ボアホールに向けてエネルギーを戻すような方向に位置する前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信することができる。
【０００６】
前記方法において、前記第１の音波及び前記第１の高周波パルスシーケンスは、圧縮波源及び／又は横波（Ｓ波）源によって生成することができる。前記第１の音波が横波源からである場合において、前記物質内の１又は複数の特性は、前記高周波反射パルスにシグネチャを残すであろうクラックせん断（crack shearing）を生じ得る。前記第１の音波が圧縮波源からであって、前記第１の高周波パルスシーケンスが横波である場合において、前記受信器は、前記１又は複数の特性においてポンプによって引き起こされたクラックの拡大の間、反射エネルギーを受信する傾向となる。一部の態様において、前記第１の音波の波源は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含むことができる。
【０００７】
前記方法において、前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成することができ、前記１又は複数の第２の高周波パルスの１又は複数の方向成分を記録するように構成することができる。
【０００８】
前記方法は、前記ボアホールを囲む前記物質の線形及び非線形の反射特性及び後方散乱特性の３次元画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記第１の音波の生成と、前記第１の高周波パルスシーケンスの発出とを繰り返す工程を含むことができる。前記ボアホールを囲む前記物質は、セメント、ケーシング、岩石層、ボアホールの中又はボアホールを囲む流体、セメント／岩石の境界、及び／又は、鋼のケーシング／セメントの境界におけるディスボンド（disbonds）を含むことができる。前記受信された第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記物質によって反射される場所及び時間における前記低周波のパルスに応じた特徴を有することができる。
【０００９】
前記方法は、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスに基づいて前記物質が線形の反射物質を含むか非線形の反射物質を含むかを決定する工程を更に含むことができる。前記方法は、また、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスをフィルタリングする工程を更に含むことができる。前記フィルタリングは、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスから高周波成分を分離できるハイパスフィルターを含むことができる。さらにまた、前記方法は、前記フィルタリングされた１又は複数の第２の高周波パルスの時間に対する振幅変化を決定する工程を含むことができる。前記第１の高周波パルスシーケンスは、チャープ若しくは符号化、又は、チャープかつ符号化することができる。前記第１の高周波パルスシーケンスは、振幅、位相、及び／又は周期を変調することができる。
【００１０】
一部の態様において、前記第１の高周波パルスシーケンスは、前記低周波音波の約１０から１０００倍の周波数とすることができる。
【００１１】
一部の態様において、前記方法は、前記第１の高周波パルスシーケンスを送信した第１の時点と、前記第２の高周波パルスを受信した第２の時点とを用いて前記１又は複数の特性に対するラジアル距離を決定し、前記ボアホールを囲む前記物質の推定音速を決定する工程を含むことができる。前記決定する工程は、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記第２の高周波パルスの相互相関を計算する工程を含むことができる。
【００１２】
一部の態様において、前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、クラックせん断を生じている間に特性がエネルギーを戻すような方向に位置する前記物質内の非線形弾性特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信することができる。
【００１３】
本開示の一態様に従って、ボアホールを囲む物質を調査する装置が開示される。前記装置は、前記ボアホール内に配置可能であって、低周波であって前記ボアホールの縦軸に対して実質的に平行な前記物質内の１又は複数の特性による線形及び非線形応答を引き起こす第１の音波を生成するように構成された第１の音波源を含む。前記装置は、前記ボアホール内に配置可能であって、前記第１の音波と同時に第１の高周波パルスシーケンスを前記ボアホールの縦軸に対して直角方向に向けて発するように構成された波源を含む。前記装置は、前記ボアホール内に配置可能であって、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記第１の音波に起因する線形及び非線形の弾性歪みを生じている前記物質との相互作用によって生成される１又は複数の第２の高周波パルスを受信するように構成された１又は複数の受信器を含む。
【００１４】
一部の態様において、前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが前記ボアホールに対するエネルギーの反射又は後方散乱をもたらす音響インピーダンスコントラストを有する前記物質の内部の前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信することができる。さらにまた、前記第２の高周波パルスは、前記第１の高周波パルスシーケンスが、前記低周波音波のサイクルの間に音響インピーダンスコントラストを変更するような前記歪みが前記第１の低周波音波に起因して生じている間に前記ボアホールに向けてエネルギーを戻すような方向に位置する前記１又は複数の特性に到達する場合に、前記１又は複数の受信器において受信することができる。  
【００１５】
一部の態様において、前記第１の音波源、前記第１の高周波パルスシーケンスの波源又はこれらの両方は、圧縮波、横波、又はこれらの両方を生成するように構成することができる。前記第１の音波源は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含むことができる。
【００１６】
一部の態様において、前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成することができる。さらにまた、前記１又は複数の受信器は、前記１又は複数の第２の高周波パルスの１又は複数の方向成分を記録するように構成することができる。
【００１７】
一部の態様において、前記装置は、前記ボアホールから前記１又は複数の特性へのラジカル距離の決定を可能とする実行命令を有するメモリーと通信可能なプロセッサーを含むことができる。前記装置は、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて繰り返される前記物質への音波の侵入（penetration）に基づいて、１又は複数の前記物質の３次元画像の形成を可能とする実行命令を有するメモリーと通信可能なプロセッサーを含むことができる。前記ボアホールを囲む前記物質は、セメント、ケーシング、岩石層、ボアホールの中又はボアホールを囲む流体、セメント／岩石の境界、及び／又は、鋼のケーシング／セメントの境界におけるディスボンドを含むことができる。さらに、前記装置は、機械によって実行可能な実行命令を記憶するメモリーと通信可能であって、前記実行命令が実行されたときに前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスに基づいて前記物質内における線形の反射物質及び／又は非線形の反射物質の存在を決定するプロセッサーを含むことができる。
【００１８】
一部の態様において、前記装置は、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスをフィルタリングするように構成されたフィルターを含むことができる。前記フィルターは、前記受信した１又は複数の第２の高周波パルスから高周波成分を分離するように構成されたハイパスフィルターを含むことができる。一部の態様において、前記装置は、前記フィルタリングされた１又は複数の第２の高周波パルスの時間に対する振幅変化を決定するように構成されたプロセッサーを含むことができる。
【００１９】
一部の態様において、前記装置は、チャープ及び／又は周波数プロトコルを導入することによって前記第１の高周波パルスシーケンスを時間変化シグネチャ（time-varying signature）と共に符号化するように構成されたエンコーダを含むことができる。一部の態様において、前記装置は、前記第１の高周波パルスシーケンスと前記受信した第２の高周波パルスとの間の飛行時間を計測するために前記符号化された第１の高周波パルスシーケンスを用いることができるプロセッサーを含む。前記時間変化シグネチャは、前記第１の高周波パルスシーケンスの振幅、位相、及び／又は、周期の時間変化を含むことができる。
【００２０】
一部の態様において、前記第１の高周波パルスシーケンスは、前記低周波音波の約１０から１０００倍の周波数を有する。
【００２１】
一部の態様において、前記第１及び前記第２の高周波パルスシーケンスの時間領域における相互相関を計算することによってラジアル距離が決定される。前記プロセッサーは、前記第１の高周波パルスシーケンスを送信した第１の時点、前記第２の高周波パルスシーケンスを受信した第２の時点、及び、前記物質の推定音速に基づいて前記物質に対するラジアル距離を決定するように構成することができる。
【００２２】
本開示の一部の態様に従って、ボアホールを囲む物質を調査する方法が開示される。前記方法は、前記ボアホールに対して縦方向のチューブウェイブ（tube wave）として伝播し、前記ボアホールの縦軸に対して実質的に直角である前記物質内の１又は複数の特性に対して非線形応答を引き起こす間欠性の低周波振動をボアホール内部で生成する工程と、ボアホールを囲む前記物質内部で前記ボアホールに対して縦方向に進むような方向で高周波パルスシーケンスを前記ボアホール内部で生成する工程と、前記ボアホール内に配置可能な１又は複数の受信器において、前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記低周波振動の間欠的な生成の間の前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスからの成分を含む信号を受信する工程と、を含む。
【００２３】
一部の態様において、前記高周波パルスシーケンスは、前記物質内を、屈折波、散乱波、又は直接波として伝播するように構成することができる。前記方法において、前記低周波振動、前記高周波パルスシーケンス、又はこの両方は、圧縮波源、横波源、又はこの両方によって生成することができ、前記圧縮波源、前記横波源、又はこの両方は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含むことができる。
【００２４】
一部の態様において、前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成することができ、前記１又は複数の第２の高周波パルスの１又は複数の方向成分を記録するように構成することができる。
【００２５】
前記方法は、前記物質又は、線形速度、線形モジュラス、非線形速度、及び／又は、非線形モジュラスを含む前記物質の特性の１又は複数の画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスの生成を繰り返す工程を含むことができる。
【００２６】
一部の態様において、前記物質内において対応する局所的な速度の循環的な変化をもたらす弾性歪みサイクルを前記低周波振動によって生じることができる。
【００２７】
一部の態様において、前記方法は、前記物質の弾性非線形応答を決定するために、前記物質から前記１又は複数の受信器へと戻された高周波パルスシーケンスを処理する工程を含むことができる。
【００２８】
本開示の一部の態様に従って、ボアホールを囲む物質を調査する装置が開示される。前記装置は、前記ボアホールに対して縦方向のチューブウェイブとして伝播し、前記ボアホールの縦軸に対して実質的に直角である前記物質内の１又は複数の特性に対して非線形応答を引き起こす間欠性の低周波振動をボアホール内部で生成するように構成された第１の音波源と、継続的な高周波パルスシーケンスを前記ボアホールに対して縦方向に進むような方向で前記物質内に発する第２の音波源と、前記ボアホール内に配置可能であって、前記ボアホールを囲む前記物質を調査するために、前記低周波振動の間欠的な生成の間の前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスからの成分を含む信号を受信するように構成された１又は複数の受信器と、を含む。
【００２９】
一部の態様において、前記高周波パルスシーケンスは、前記物質内を、屈折波、散乱波、又は直接波として伝播するように構成することができる。一部の態様において、前記第１の音波源、第２の音波源、又はこれらの両方は、圧縮波源、横波源、又はこの両方を含むことができ、前記圧縮波源、前記横波源、又はこの両方は、前記物質内に弾性非線形性を引き起こすように構成された振動部を含むことができる。
【００３０】
一部の態様において、前記１又は複数の受信器は、前記ボアホール内にアレイとして構成することができ、前記高周波パルスシーケンスの１又は複数の方向成分を記録するように構成することができる。
【００３１】
一部の態様において、前記装置は、前記物質又は、線形速度、線形モジュラス、非線形速度、及び／又は、非線形モジュラスを含む前記物質の特性の１又は複数の画像を生成するために、前記ボアホール内部の異なる方位及び異なる深さにおいて、前記低周波振動及び前記高周波パルスシーケンスの生成を繰り返すように構成されたコントローラを含むことができる。
【００３２】
一部の態様において、前記第１の音波源によって生成された前記低周波振動の弾性歪みサイクルは、前記物質内において対応する局所的な速度の循環的な変化をもたらすことができる。
【００３３】
一部の態様において、前記装置は、機械によって実行可能な実行命令を記憶するメモリーと通信可能であって、前記実行命令が実行されたときに前記物質から前記１又は複数の受信器に対して戻された高周波パルスシーケンスに基づいて前記物質の弾性非線形応答を決定するプロセッサーを含むことができる。
【００３４】
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】
【００３５】
【図１】図１は、本開示の一態様に従って、ボアホールに対して平行又は略平行に走る物質内のクラック及びその他の損傷を調査するための構成の一例を示す。
【００３６】
【図２】図２ａ及び２ｂは、本開示の態様に従って、低周波音波又は「ポンプ」波、及び、高周波パルスシーケンス又は「プローブ」波若しくはパルスとボアホールを囲む物質との相互作用の一例を示す。
【００３７】
【図３】図３ａ−３ｃは、本開示の態様に従って、線形及び非線形の飛散物を区別するために用いられる検出プロセスの一例を示す。
【００３８】
【図４】図４は、本開示の態様に従って、ボアホールに対して直角又は実質的に直角の方向に位置するクラック及び他の損傷を調査するための構成の一例を示す。
【００３９】
【図５】図５ａ−５ｅは、図４の構成の動作を図解したグラフの一例を示す。
【００４０】
【図６】図６ａ−６ｃは、図４の構成によって受信した信号の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、ボアホールに対して平行又は略平行に走るボアホールを囲む物質内のクラック及びその他の損傷を調査する構成の一例を示す。ボアホールは、垂直、斜め又は水平等の様々な傾きで掘削され、岩石層内に形成することができる。ここで用いられるように、用語「略平行」は、ほとんど平行であるが、少し離れ又は近づくことを意味する。ボアホールを囲む物質は、セメント、ケーシング、岩石層、及び／又は、掘削泥、仕上げ流体、地層水、又は、炭化水素等の様々な種類の流体を含むことができる。１又は複数の低周波トランスデューサ１０５は、ボアホール１１０を囲む物質１１５内に低周波音波又は「ポンプ」波を生成するためにボアホール１１０の内部に構成されている。低周波音波は、非線形挙動の特性を有する物質１１５にこの非線形挙動を引き起こすために十分なエネルギーを持つ。例えば、低周波又は「ポンプ」波は１Ｈｚから１００ｋＨｚとすることができる。１又は複数の高周波トランスデューサ１２０は、高周波パルスシーケンス又は「プローブ」波を物質１１５内に同時に生成するためにボアホール１１０の内部に構成されている。この非線形挙動は、歪みを生じている物質の瞬間の歪み状態への弾性特性の非線形な依存を指す。この非線形応答の結果として、例えば、パルス振幅及び／又はパルス速度の変化によって高周波パルスの挙動が変更され得る。トランスデューサ１２０は、高い繰返し率でパルスを生成するように構成することができる。例えば、トランスデューサ１２０は、各ポンプ波のサイクルにおいて５から１００回の繰返し率とし、ポンプ波の１０−１００倍の高周波のバースト波を発するように構成することができる。一部の態様において、トランスデューサ１０５、１２０、又はこれらの両方は、振動源を含むことができ、ボアホール１１０内に固定された状態又は固定されていない状態とすることもできる。
【００４２】
一部の態様において、トランスデューサ１０５及び１２０の両方は、物質１１５内をボアホール１１０の縦軸に対して放射状にそれぞれ伝播する低周波音波及び高周波パルスシーケンスを生成するように構成されている。一部の態様において、トランスデューサ１０５によって生成された低周波音波はより外側に広がる傾向があるため、トランスデューサ１２０のみが高周波パルスシーケンスを物質１１５内に放射状に生成するような方向となっている。
【００４３】
一部の態様において、１又は複数の圧電トランスデューサを用いることができる。複数のトランスデューサを用いる場合には、それらをアレイ構成として構成することができる。限定を意図しない例として、アレイ構成は、線形、円形、塗りつぶし円形（filled circle）、又は、正方形のアレイとすることができる。アレイ内のトランスデューサは、グループ分けすることができ、例えば、第１のグループのトランスデューサは、ある波源で低周波数で駆動され、第２のグループのトランスデューサは、同じ波源又は異なる波源で高周波数で駆動されるようにすることができる。
【００４４】
一部の実施形態において、トランスデューサ１０５及び／又は１２０を駆動するための信号を生成する１又は複数の波源（図示しない）を用いることができる。限定を意図しない例として、２チャネル型の信号生成器によって信号を生成することができる。同様の信号又は関数発生器を用いても良い。低周波源１０５及び高周波源１２０は、対応する音波又はパルスを同時に物質１１５に発するためにコントローラ（図示しない）によって制御することができる。
【００４５】
一部の態様において、低周波及び／又は高周波パルスは、中心周波数から広がる周波数レンジを有する広帯域とすることができる。
【００４６】
１又は複数の受信器１２５は、ボアホール１１０内で、低周波源１０５、高周波源１２０、又はこれらの両方に対して上側、下側、又はこれらの両方に配置可能とすることができる。１又は複数の低周波源１０５、高周波源１２０、及び／又は受信器１２５は、ボアホール１１０の内部でアレイ構成として構成することができる。１又は複数の低周波源１０５、高周波源１２０、及び／又は受信器１２５は、ボアホール１１０内で上昇又は下降することが可能な一般的なツール本体１３０上に構成することができる。一部の態様において、１又は複数の受信器１２５は、ボアホールの側面に対して固定することができ、非線形特性の方向を推測できるように波動粒子運動（wave particle motion）の３成分を記録するようにしても良い。
【００４７】
この構成において、低周波（ポンプ波）及び高周波パルス（プローブ波）は共にボアホール１１０に対して直角に、ボアホール１１０を囲む物質１１５へと外側に進む。ポンプ波が十分な振幅（一般に１０−６より大きい歪み振幅）を有する場合には、前述したように、ボアホール１１０の経に対して略直角の方向である物質１１５内のクラックによって発現する非線形挙動を引き起こす。トランスデューサ１２０は、ポンプ波によって引き起こされる非線形性を調査するために高周波パルス又はバーストのシーケンスを発するように構成されている。クラックが存在する場合には、低周波又はポンプ波は、ポンプ波の位相に応じてクラックを閉じたり開いたりさせる。圧縮位相の間、クラックは閉じ、閉じたクラックは顕著な音響インピーダンスコントラストを示さないため、高周波はクラックを通過しボアホール１１０には戻らない。膨張位相の間、クラックは一時的に開いた状態で支持され、プローブパルスがボアホール１１０へと反射して戻り、ボアホール１１０内の受信器１２５によって検出される。クラックが開いている間、音響インピーダンスコントラストが生じる。クラックのみがポンプ波の位相に応じた非線形効果を生じるから、構造的な境界や空所のような他の反射面からクラックを区別することができる。境界や空所は、ポンプ波の位相から独立するプローブパルスを反射する。このように、クラックは、境界、空所、セメントとケーシング又は層との完全なつなぎ目等から区別することができる。セメントとボアホール内のケーシングとのはがれ（disbonding）、並びにセメントと周囲の層とのはがれ等の他の非線形特性もまた検査することができる。
【００４８】
図２ａ及び２ｂは、低周波音波又は圧縮波源によって生成された「ポンプ」波、及び、高周波パルスシーケンス又は「プローブ」波若しくはパルスとボアホールを囲む物質との相互作用の一例を示す。図２ａ及び２ｂにおいて、時間（任意単位）に対する岩石層の応力振幅（任意単位）が示されている。低周波振動は、層内のクラック又はひと続きのクラックを振動させ、波の膨張（伸張）位相の間はクラックが開き、波の圧縮位相の間はクラックが閉じる。高周波パルスは、各低周波振動サイクルの間、多くのパルスとなるように発せられる。低周波振動が空所又は層境界等の線形弾性特性に到達した場合には、高周波パルス及び低周波の両方が、図２ａにおいて示されるように、この特性で反射してボアホールへと戻る。クラック、ひと続きのクラック又は機械的にひどく損傷した領域に到達した場合には、その固有の非線形性によって特性が発現する。クラックが振動の結果として圧縮されている場合、高周波信号及び低周波信号はクラックを通過し、クラックを検知しない。クラックが振動の膨張部分によって伸張している場合、高周波信号及び低周波信号は、図２ｂによって示されるように、クラックで反射しボアホールへと戻る。
【００４９】
図３ａ−３ｃは、線形の飛散物と非線形の飛散物とを区別するために用いられる検出プロセスの一例を示す。図３ａは、図１と似た構成であり、クラック（非線形特性）が位置「Ａ」に存在し、空所（線形特性）が位置「Ｂ」に存在する。図３ｂ及び３ｃは、飛散物がクラックであるか否かを決定するための検出プロセスの使用方法を示す。低周波信号がハイパスフィルターの適用によって取り除かれている場合において、位置「Ａ」に存在するクラックから戻る信号について、図３ｂの上段のプロットは、時間（任意単位）に対する応力（任意単位）のプロットを示し、図３ｂの下段のプロットは、時間（任意単位）に対する振幅（任意単位）のプロットを示す。位置「Ｂ」に存在する空所から戻る信号について、図３ｃの上段は、時間（任意単位）に対する応力（任意単位）のプロットを示し、図３ｃの下段は、時間（任意単位）に対する振幅（任意単位）のプロットを示す。図３ｂの上段のプロットは、その頂上に位置する（sitting）高周波パルスを伴う反射され検出された低周波振動を示す。図３ｂの下段のプロットは、低周波を除去するために信号がハイパスフィルタリングされた後の図３ｂの上段のプロットと同じ信号を示す。時間振幅変調された戻り信号は、非線形特性が検出されたことを示す。位置「Ｂ」における空所等の線形特性にとっては、もし同じ手順が適用されても、線形特性によって反射したパルスにおいて振幅の変調は見られない。
【００５０】
一部の態様において、反射物質からの２方向の時間遅延は、線形であろうと非線形であろうと、波源パルスの反射したパルスとの標準的な相互相関によって取得することができる。この態様において、第１の高周波パルスシーケンスに対して、チャープ、符号化、又はこれらの両方を行うことができる。さらにまた、第１の高周波パルスシーケンスは変調することができ、この変調には、パルスの振幅、位相、又は周期の変調を含むことができる。他のボアホールの計測技術から媒体の線形速度が分かっている場合には、非線形特性までの距離を取得することができる。一部の態様において、高周波パルスは実質的に無指向性であり、反射物質の方位は、３成分受信器によって記録された信号を分解することによって取得することができる。所定の深さにおける異なるストリンガーの方位で、及び、異なる深さにおいて、上のステップを繰り返すことによって、散乱物構造の３Ｄ画像が提供され、散乱物が線形なのか線形でないのかが区別される。
【００５１】
図４は、ボアホールに対して直角又は実質的に直角の方向を向くクラック及び他の損傷を調査するための構成の一例を示す。この態様において、検査し画像化する非線形特性、例えば、ボアホールに対して直角の方向を向くクラックは、ボアホールに対して平行に進む屈折波によって検知することができる。図１の構成のように、ボアホールは、垂直、斜め、又は水平等の様々な傾きで掘削され、岩石層内に形成することができる。ボアホール４１０を囲む物質４１５は、ボアホール４１０に対して直角又は実質的に直角に走る損傷４３０を含むことができる。ここで用いられるように、用語「実質的に直角」は、ほとんど直角であるが、少し離れ又は近づくことを意味する。１又は複数のトランスデューサ４０５は、低周波又は「ポンプ」波を生成するように構成されており、これらがボアホール４１０の縦軸に沿って伝播するような方向とされている。低周波又は低周波振動は、チューブウェイブ又は屈折波として、ボアホール４１０の縦軸に沿って、上方向／下方向に伝播することができる。図１の構成のように、低周波はボアホールを沿って伝播するから、ボアホールの軸に対して平行な周囲の物質における粒子運動の結果、低周波がボアホール４１０の近辺で物質４１５内において小さな弾性非線形性を引き起こす限りにおいて、ボアホール４１０内部でのトランスデューサ４０５の柔軟な配置が可能となっている。一部の態様において、トランスデューサ４０５は、間欠的に低周波を生成するように構成され、能動的に低周波を生成する期間と能動的には低周波を生成しない期間とを有する。トランスデューサ４０５のサイクルタイムは、この構成の動作を最適化するために制御することができる。
【００５２】
１又は複数のトランスデューサ４２０は、低周波と同時に高周波パルスシーケンス又は「プローブ」パルスを生成するようにボアホール４１０の内部に縦方向に構成することができる。一部の態様において、トランスデューサ４２０は、この構成が動作している間、継続的に動作することができる。一部の態様において、高周波パルスシーケンスは、圧縮波源、及び／又は、横波源であり得る。トランスデューサ４２０は、各ポンプ波のサイクルにおいて少なくとも１０回の繰返し率で動作し、ポンプ波の１０−１０００倍の高周波のバースト波を発するように構成することができる。これらの高周波パルスは、ボアホール４１０に対して平行又は縦方向に、屈折波及び直接波の両方、並びに散乱波として物質４１５内を伝播する。ボアホールに対して平行に物質４１５の内部を進む屈折プローブパルスは、この態様において特に着目すべき点である。ポンプ波がクラックに非線形性を引き起こすのに十分な振幅（一般に１０−６より大きい歪み振幅であるが、有効な圧力の増加は、より大きなダイナミックウェイブの歪み振幅を必要とする）を有する場合には、ポンプ波は、物質４１５内に存在しボアホール４１０に対して略直角方向を向くクラック又は亀裂に、物質自体の固有の非線形性に加えて非線形挙動を強く発現させる。トランスデューサ４２０は、トランスデューサ４０５によって生成される低周波によって引き起こされる非線形性を検査するためにバースト又はパルスシーケンスを発するように構成することができる。クラックが存在する場合には、クラックは、軟化非線形性（softening nonlinearity）として知られるものを生じる。軟化非線形性は、高調波（wave harmonics）として発現するが、より重要なことに、トランスデューサ４２０から受信器４２５までの、低周波サイクルの膨張部分の間における、層内の局所的な速度変化として発現する。速度の変化は、クラックの存在を推測するために用いられる。通常は、圧縮位相の間にプローブパルスによって検知される波速は、低周波の振幅及び位相に対して比例的に減少する。ほとんどの場合、クラック及び／又は岩石は、非線形挙動を発現し得る特性とポンプ波との相互作用によって引き起こされる軟化非線形性を生じ得る。このことは、ポンプ波の最小振幅（０位相、０に等しい振幅）にとっては、速度変化がないことを意味する。速度の減少は、ポンプ波が圧縮最大振幅に近づくに従って次第に大きくなる。膨張位相の間、波速は、ポンプ波が最大膨張振幅に近づくに従って次第に増加する。クラックが存在する場合、膨張サイクルの間の速度変化はより明確となり、クラックが存在するかどうかを決定するために用いることができる。他の場合には、クラック及び／又は岩石は硬化非直線性（hardening nonlinearity）を生じ、プローブパルスは、低周波の圧縮位相によって非線形応答を生じている特性を通過するときに速度が増加する。低周波ポンプ波源の静止状態（silent）を用いて計測されるパルスの伝播速度と関連付けて、速度変化が計測される。この計測によって、波源から受信器までの層内の直線波速が得られる。
【００５３】
１又は複数の受信器４２５は、振動信号を超音波パルスと共に記録するようにボアホール４１０の内部に構成することができる。４つの受信器が示されている（Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４）が、これは単に例示を目的としており、４つより多く又は少ない受信器を用いても良い。受信器４２５は、ボアホールの側面に固定することができ、又は、固定しないようにすることもでき、そして、アレイの各構成要素は、方向を推測できるように３つの成分を記録することができる。より多くの受信器を用いる場合には、多数の受信器を用いてボアホール４１０のより長い部分を検査することができる。１つより多くの受信器を用いる場合において、波速の変化、及びこれによる非線形性は、連続する受信器のペアによって決定することができる。これは、ポンプ波サイクルの間に一の受信器を他の受信器と相互に関係付けることによって実行することができ、先行する各受信器は、その受信器と次の受信器との間で非線形性を取得するための参照先として用いることができる。
【００５４】
この構成において、存在するクラック間の相対的な速度変化を決定することができ、クラックのみがポンプ波の振幅に応じた速度に対する強い非線形効果を生じるため、層境界等の他の反射する境界からクラックを区別するために用いることができる。非線形の減衰もまた、クラックの存在を推測するための冗長な情報として用いることができる。ポンプ波の高調波は、クラックの存在及び層の非線形性の決定のために、速度変化及び減衰変化に加えて用いることができる。
【００５５】
受信器４２５によって記録された高周波屈折到達パルス信号のシーケンスを処理することによって、ボアホール近辺の層の所定の波の経路での完全な弾性非線形応答を得ることができる。
【００５６】
信号処理は、振動源なしで取得されたパルス信号の計測を必要とする。波源と受信器との距離が分かっているから、この信号によって直線上の時間遅延及び媒体速度が得られる。この信号は、振動が層内であるときに発せられるパルス信号のシーケンスの各信号と相互相関する。
【００５７】
相関の出力によって、振動圧と共に速度変化が得られる。波の経路の長さはパルス源から受信器までの長さとして分かっており、他のボアホール検層手順によって取得される媒体密度を仮定することにより、圧力の関数としてのモジュラスを取得することができる。この圧力の導関数から、例えば、この技術分野において知られているように、Preisach-Mayergoyz（ＰＭ）空間の弾性理論のようなモデルを用いることによって、媒体の総合的な非線形性を取得することができる。他の適当なモデルを用いても良い。
【００５８】
ボアホール４１０内部の所定の深さにおける異なる方位及び周波数で、及び、異なる深さにおいて、上のステップを繰り返すことによって、層の速度及びモジュラス、並びに、層の非線形速度及びモジュラスの３Ｄの環状の画像を得ることができる。特に、ボアホールに対して直角方向を向くクラックによって大きな非線形のシグネチャーが得られる。この構成は、非線形の伸張モジュラス及び圧縮モジュラスを含む全ての非線形のモジュラスを同時に決定することができる。
【００５９】
この構成の動作は、各負荷の間隔において、サンプルを横切って、又は、サンプルに沿って飛行時間が計測される間に、準静的な次第に増加する負荷を適用することに似ている。このことは、動的歪み（１０−９から１０−５）を調査することを可能とし、伸長及び圧縮の両方を調査することができ、物質全体の非線形性が一度に計測される。より高いオーダーの非線形性は、本質的にヒステリシスであり、流体及び機械的な損傷の効果に対して非常に敏感である。
【００６０】
図５ａから５ｅは、図４の構成の動作を図解したグラフの一例である。この例において、超音波速度及び振動歪み変調が示されている。図５ａは、個別のパルスを示し、図５ｂは、トランスデューサ４２０から発することができる通常の圧縮高周波パルスシーケンスを示す。ポンプ波源が静止している場合には、同様の通常のパルスシーケンスが、受信器アレイ４２５のいずれかの要素において記録され得る。図５ｃは、圧縮波源４０５によって生成することができる低周波振動の２つの周期を示す。この例では、図上で正の振幅を有する振動の部分は、振動の圧縮位相であり、負の振幅を有する振動の部分は、振動の膨張位相である。図５ｂ及び５ｃの２つの信号の合計が、図５ｄとして描かれており、受信器４２５において記録される。屈折波４３５の速度はポンプ波サイクルを通して変化し、屈折パルスの速度は圧縮及び膨張の歪みによって変化するため、受信した屈折パルスは規則正しく到達しない。波速は、伸張と圧縮の両方の振動サイクルの間中このように計測することができる。受信器アレイ４２５の各要素において同様の記録がなされる。記録された図５ｄの波列を、図５ｃの低周波を取り除くためにフィルタリングしても良く、図５ｅ上で黒色に着色された変則的なパルスシーケンスが残る。図５ｃの通常のパルスシーケンスが参考に示されており、受信器のパルスシーケンスの変調を強調するために、灰色で影が付けられている。圧縮の間、超音波は、ポンプ圧縮のピークにおいて最小速度に減少する。最大速度は、ピーク膨張の間に計測される。上の議論は軟化非線形性に関係するものであるが、上述したように、特定の物質は硬化非線形性を生じ、ポンプ圧縮がプローブパルスの速度を増加させる。この硬化の場合において、プロットは、逆の意味での速度変化を示し得る。波の歪みサイクルを通した波速変化から、非線形の係数の全てを定義し得る。多数の振動サイクルは、歪みを伴う波速の変化、及び、これによる非線形の係数の決定について、非常に良好な正確さ及び緻密さをもたらす。
【００６１】
総合的な時間遅延は、ＴＤｔｏｔａｌ（ｉ）＝ＴＤ（ｉ）−ＴＤ（１）で示される。ここで、ＴＤｔｏｔａｌ（ｉ）は、ポンプ波サイクルを通して取得した超音波パルスシーケンスである。それぞれの遅延は、基準信号ＴＤ（１）を用いた相互相関を適用することによって得ることができる。波速ｃは、
【数１】
2013545077.tif 000003
(1)
で示される。ここでＭ＝Ｋ＋４／３μ、Ｌは伝播距離であり、ＴＤは経過時間、Ｍ、Ｋ及びμは、圧縮、バルク及びせん断係数であり、ρは媒体の充填密度（bulk density）である。小さな振幅／速度の変化の場合には、
【数２】
2013545077.tif 000004
(2)
である。ここで、
【数３】
2013545077.tif 000005
(3)
であり、
【数４】
2013545077.tif 000006
(4)
である。ここで、αはヒステリシスの非線形パラメータであり、εＬＦはポンプ波の瞬間歪みであり、ドットεＬＦは瞬間歪みの時間に関する微分であり、ΔεＬＦはサイクル内の最大歪み可動範囲であり、β及びδはそれぞれ第３及び第４の順序の非線形係数であり、ｓｉｇｎ（ドットεＬＦ）は、歪み微分のｓｉｇｎである。これらの詳細は、Renaud, G., S. Calle,, andM. Defontaine, Remote dynamic acoustoelastic testing:  Elastic anddissipative nonlinearities measured under hydrostatoc tension and compressionand Van Den Abeele, K. E.-A.,  A. Sutin, J. Carmeliet, and P. Johnson,Micro-damage diagnostics using nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS),NDT&E International 34, 239-248 (2001)、に記載されており、これらの両方の内容全体が参照によってここに組み込まれる。
【００６２】
ボアホール４１０の各深さ及び方位においてこの構成を適用することによってボアホール近辺の完全な非線形性を取得し、波形マイグレーションの屈折に基づく標準的な画像処理方法によって、ボアホール近辺の領域の非線形の画像を取得し得る。
【００６３】
図６ａから６ｃは、軟化非線形性の場合の図４の構成によって受信される信号の一例を示す。ボアホールの周辺の物質は、受信器アレイ４２５の垂直方向の範囲において一定の特性を有し、非常に薄く開口するフラクチャー４３０がボアホールを横切っている。図６ａは、トランスデューサ４０５が静止状態であるときに受信器４２５によって受信した信号の対時間振幅プロットを示す。図６ｂは、最大の低周波圧縮の間の受信器４２５によって受信された信号の対時間振幅プロットを示す。図６ｃは、最大の低周波膨張の間の受信器４２５によって受信された信号の対時間振幅プロットを示す。この３つのプロットにおいて、時間軸は受信器Ｒｘ１に関するものである。後続の議論を単純化するために、減衰に起因する振幅損失は無視することとする。基準状態においては、図６ａに示されるように、トランスデューサ４０５は静止状態であり、同質の岩石であって、フラクチャーが岩石の剛性に影響を与えないことが推測される場合には、全ての戻り信号は、岩石の速度と受信器の間隔に関する量によって相互に関連してずれる。ポンプ波のサイクルの圧縮部分の間に、図６ｂに示されるように、物質の軟化（軟化非線形性の発現）に応じて物質を通る波速の減少が現れ、後続の信号とのタイムラグが増加する。サイクルの膨張部分の間、図６ｃに示されるように、物質を通る波速の増加が現れ、後続の受信器との時間遅延がわずかに減少する。サイクルの圧縮部分の間、物質を通る波速の減少が現れ、後続の受信器との時間遅延がわずかに増加する。
【００６４】
以上詳述した様々な構成は、ボアホール周辺の画像処理から派生する多くの適用分野において用いることができる。例えば、上述した音響ビーム光源は、自然のフラクチャー、晶洞の配置、団塊（nodules）、その他の異質な部分の様々な評価、１又は複数のケーシング・ストリングスの間のセメント・シース（cement sheath）、ケーシングされた井戸の周辺の層、ボアホールから侵入する流体の配置の存在と特性の評価、ウェルボア（wellbore）の周辺の層の機械的な完全性の評価に用いることができ、特に、ウェルボアの近辺での応力の集中によって生じるあらゆる変化若しくは局所的な機械的な損傷の評価に用いることができる。
【００６５】
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。例えば、受信器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３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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