СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
METHOD FOR GENERATING ACOUSTIC SIGNALS

Изобретение относится к способам генерации акустических сигналов и может найти применение в различных отраслях промышленности, в которых необходимо использование акустических сигналов: нефтегазовая область, ультразвуковые исследования в различных областях медицины, неразрушающий контроль материалов и деталей конструкций и т.д.
В нефтегазовой отрасли существует множество задач, предполагающих использование акустических сигналов. Например, акустический каротаж открытой скважины, оценка качества цемента и трубы, акустическая телеметрия, определение скорости потока с использованием эффекта Доплера, межскважинная томография, каротаж во время бурения, и т.д. Генерация акустического сигнала обычно обеспечивается возбуждением пьезокерамических элементов электрическим напряжением.
Из уровня техники известен каротажный прибор Sonic Scanner компании Шлюмберже (https://www.slb.com/reservoir-characterization/surface-and-downhole-logging/wireline-cased-hole-logging/sonic-scanner-platform), в котором используют монопольный, дипольный и квадрупольный источники для прозвучивания скважины и окружающих пород. При этом электрическое напряжение передается в прибор с поверхности через каротажный кабель. Другим примером, где возбуждение механических колебаний осуществляется за счет энергии автономного элемента питания, является система скважинной телеметрии Muzic компании Шлюмберже, где автономные механические вибраторы, прикрепленные снаружи к насосно-компрессорной трубе, генерируют сдвиговые волны вдоль трубы, которые переносят информацию с забойных датчиков давления на поверхность (https://www.slb.com/reservoir-characterization/reservoir-testing/muzic-wireless-telemetry).
Каждый из упомянутых методов имеет свои ограничения. Так, при использовании каротажных приборов необходимо осуществлять протяжку зонда по скважине с помощь каротажного кабеля или гибкой насосно-компрессорной трубы, и, как правило, останавливать все другие операции в скважине на несколько часов, что, например, в случае добывающей скважины, приводит к потере добычи. Использование же автономных зондов возможно только в ограниченное время.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении возможности генерирования акустических импульсов и таким образом сканирования скважины и околоскважинного пространства без прекращения работы скважины или остановки других операций в скважине, в любой момент времени и без необходимости размещать источники энергии в скважине. Таким образом достигается акустическое сканирование любого участка скважины, наполняющих ее жидкостей и газов, и околоскважинного пространства с поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом генерации акустических сигналов в качестве источника акустических колебаний используют снабженный оболочкой оптоволоконный кабель, оптически связанный с лазером и содержащий по меньшей мере одну зону с рассеивающими оптическое излучение центрами. Посредством по меньшей мере одного импульса лазерного излучения осуществляют нагрев оболочки оптоволоконного кабеля, обеспечивающий генерацию акустических сигналов.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения в качестве рассеивающих оптическое излучение центров используют решетки Брэгга. Оболочка кабеля может быть выполнена максимально прозрачной.
В соответствии с другими вариантами осуществления изобретения в качестве рассеивающих оптическое излучение центров используют пузырьки воздуха или частицы с коэффициентом преломления, отличным от коэффициента преломления оптоволокна.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показан оптоволоконный кабель, содержащий внутренние зоны с последовательно установленными решетками Брэгга, на Фиг. 2 показан оптоволоконный кабель, содержащий внутри концентрично расположенные решетки Брэгга, на Фиг. 3 показан оптоволоконный кабель, содержащий внутри участки с хаотически расположенными неоднородностями.
В соответствии с предлагаемым изобретением в качестве источника акустических колебаний используют оптоволоконный кабель, оптически связанный с лазером, при этом возбуждение колебаний осуществляется за счет преобразования энергии оптического излучения в механическую энергию посредством термоупругого эффекта, который представляет собой конвертирование тепловой энергии в упругую. А именно, оптическая энергия распространяется в оптоволокне, имеющем неоднородности оптических свойств, усиливающих поглощение и отражение энергии. Вследствие поглощения энергии в зонах таких неоднородностей происходит выделение тепла, которое частично преобразуется в упругую энергию.
Зоны оптических неоднородностей содержат как рассеивающие, так и поглощающие оптическое излучение центры. При этом роль рассеивающих центров состоит в перенаправлении оптического излучения, а поглощающих -в локальном нагреве оптоволокна или его оболочки. В каждой реализации распределенного оптоакустического источника может быть использована специфическая комбинация рассеивающих и поглощающих центров. Конечной целью является создание зоны интенсивного разогрева для генерации термоакустического эффекта. Одной из реализаций зоны рассеяния является решетка Брэгга, представляющая собой квазипериодическую структуру, обеспечивающую пространственную модуляцию показателя оптического преломления. Рассеяние оптического излучения на решетке Брэгга приводит к резкому увеличению рассеянной оптической энергии на частотах, при которых длина волны света сравнима с периодом решетки.
На Фиг. 1 показан оптоволоконный кабель в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Оптоволоконный кабель, вдоль оси которого распространяется лазерное излучение 1, представляет собой заключенное в оболочку оптоволокно - нить из стекла или пластика, используемую для переноса света, длиной от нескольких метров до сотен километров. Как показано на Фиг. 1, эта нить (выполненная из плавленого кварца) состоит из двух концентрических зон с различными показателями преломления для реализации условия полного внутреннего отражения. Во внутренней зоне 2 созданы зоны с решетками 3 Брэгга, каждая протяженностью 10 мм и периодом А 1 микрон. Решетка 3 Брэгга устроена таким образом, что она перенаправляет существенную часть энергии лазерного излучения 1, распространяющегося вдоль оси оптоволокна, перпендикулярно оси во внешнюю зону 4 и далее в оболочку 5. Оболочка 5 оптоволокна представляет собой покрытие, как правило, полимерное, обеспечивающее защиту оптоволокна от внешних воздействий и прозрачное для лазерного излучения 1 (например, фторопласт Ф4).
2
Лазерный импульс с длиной волны 1.064 мкм может быть сгенерирован Nd:YAG лазером. Типичная плотность энергии на выходе из лазера составляет 0.1…1 Дж/см в зависимости от режима накачки и модуляции добротности.
Оболочка 5 оптоволокна эффективно абсорбирует лазерное излучение и разогревается. Нагрев оболочки изменяет ее внутреннюю энергию, часть которой конвертируется в объемную деформацию (термоакустический эффект).
Амплитуда акустического импульса может быть оценена следующим образом. Рассмотрим интервал оболочки оптоволокна, нагреваемый лазерным импульсом. Как отмечено выше, изменение механической энергии сегмента будет долей от изменения его тепловой энергии. Эту долю можно определить как теоретически, так и экспериментально. Теоретически, амплитуда давления акустического источника р может быть оценена как
где
η ≈ 0.1 - коэффициент рассеяния на решетке Брэгга оптоволокна;
4
-1
α ≈ 10 м - коэффициент поглощения лазерного излучения в материале
оболочки;
0
2
Е ≈ 0.1 Дж/см - плотность мощности лазерного излучения;
- коэффициент Грюнайзена;
-4
-1
β ≈ 2×10K - коэффициент теплового объемного расширения;
с ≈ 2000 м/с - скорость звука в материале оболочки;
р
С ≈ 1 кДж/(кг × K) - удельная теплоемкость.
Для приведенных значений параметров имеем р=10 кПа.
B
B
3
-8
Амплитуда скорости частиц среды ν, соответствующая данному давлению, может быть оценена по формуле Жуковского: р=ρcν→ν= где ρ=1000 кг/м - плотность воды, c=1500 м/с - скорость звука в воде. Таким образом, ν значительно превышает предел чувствительности современных гидрофонов порядка 10 м/с, так что соответствующий сигнал может быть зарегистрирован современным акустическим геофизическим оборудованием.
-ar
-8
4
1
1
Длительность импульса может быть оценена исходя из предположения, что акустическое излучение инициируется мгновенным тепловым расширением оболочки оптоволокна, порожденным быстрым прохождением лазерного импульса вдоль генерирующего термоакустический эффект участка оптоволокна; при этом радиальное распределение амплитуды теплового расширения определяется затуханием интенсивности оптического излучения перпендикулярно оси оптоволокна, которое зависит от коэффициента поглощения α примерно как е, где r- радиальная координата. Это распределение амплитуды деформации оболочки является начальным данным для акустической волны в оболочке, распространяющейся вдоль радиуса со скоростью звука с. Длительность акустического импульса τ определяется временем прохождения акустической волны через фиксированную точку пространства в радиальном направлении. Так как волна распространяется со скоростью звука в оболочке с, длительность импульса равна  где l - ширина исходного распределения объемной деформации. Если α велико, то  и  Получаем τ=10с для α=10 [1/м], с=2000 м/с. Соответствующая центральная частота акустического источника составит 20 МГц.
2
2
-6
Если, наоборот, α мало, то начальное распределение амплитуды теплового расширения по радиусу оболочки практически постоянно, и, вследствие этого, длительность акустического импульса будет определяться временем распространения акустической волны в оболочке оптоволокна τ =  где Δ - расстояние между внешней границей сердцевины оптоволокна и внешней границей оболочки оптоволокна. Получаем τ=0.5×10с для Δ=1 мм, с=2000 м/с. Соответствующая центральная частота акустического источника составит 2 МГц.
1
-5
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения оптоволоконный кабель имеет такую же конструкцию, как в описанном выше, с той разницей, что оболочка оптоволокна является максимально прозрачной для оптического излучения. По этой причине оптическое излучение поглощается не в оболочке, а во внешней среде, как правило, обладающей меньшим коэффициентом поглощения. При этом для оценки результирующей частоты акустического источника необходимо использовать первый предельный случай из первого примера, где α еще меньше. Так, в воде α=, тогда при с=1500 м/с получаем длительность акустического импульса τ=6.7×10с. Соответствующая центральная частота акустического источника составит 15 кГц.
Оба варианта осуществления описывают акустический эффект от одиночного лазерного импульса. Создавая последовательности таких лазерных импульсов, можно генерировать акустические источники более общего вида, в частности, более низкочастотные, например, путем генерирования одиночных импульсов с интервалом 1 мс. Другим способом изменения временных характеристик источника является варьирование формы исходного лазерного импульса методами, известными специалистам в области лазеров.
Сгенерированный таким образом акустический импульс будет распространяться во внешней среде и может быть использован для различных приложений. В реальных приложениях оптоволоконный кабель может быть инкорпорирован в промышленный кабель или включен тем или иным образом в инженерные сооружения.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, показанном на Фиг. 2, решетки 6 Брэгга расположены внутри концентрично по радиусу оптоволокна 7. Оболочка 8 оптоволокна расширяется, как показано пунктирными стрелками 9, до состояния 10, при нагреве лазерным излучением 1, переотраженным решетками 6 Брэгга в радиальном направлении.
Описанные варианты осуществления изобретения использовали перенаправление оптического излучения в оболочку оптоволокна с помощью Брэгговских решеток. Стоит заметить, что аналогичный эффект конвертирования оптического сигнала в акустический может иметь место, если зоны рассеяния не обладают резонансными свойствами по отношению к падающему излучению. В частности, можно использовать в качестве рассеивателей участки оптоволокна, содержащие хаотически расположенные неоднородности, такие как пузырьки, включения частиц с коэффициентом преломления, отличным от коэффициента преломления оптоволокна, и т.д. На Фиг. 3 показан оптоволоконный кабель, состоящий, как и в Фиг. 1, из внутренней зоны 2, внешней зоны 4 и оболочки 12 и содержащий зону 11 неоднородности в оптоволокне. Термоакустический эффект локализуется в оболочке 12 оптоволокна, разогреваемой лазерным излучением 1, рассеянным зоной неоднородности 11.
Также очагом термоакустического эффекта может быть само оптоволокно, особенно, при условии инкорпорирования, например, атомов кобальта, что резко увеличивает поглощение лазерного излучения.
Описанные выше методы позволяют генерировать акустический сигнал различных частотных диапазонов, который может быть использован в практических приложениях. Другим важным свойством акустического источника является диаграмма направленности первичного излучения. Ей можно управлять либо формируя специальные конфигурации оптоволокна, либо закладывая пространственную неоднородность рассеивающих структур внутри оптоволокна, оптоволоконного кабеля, либо промышленного кабеля на этапе их создания.
Среди специальных пространственных конфигураций можно упомянуть следующие: цилиндрическая намотка оптоволокна вокруг определенной части скважины, спиральная намотка оптоволокна вокруг определенной части скважины. Усиление акустического сигнала можно достичь путем концентрации различных участков кабеля около зоны исследований. В частности, излучающая часть кабеля может быть скомпонована в виде клубков, что приведет к усилению сигнала, исходящего из зоны клубка.
Описанные варианты осуществления изобретения относились главным образом к генерированию акустического импульса индивидуальными зонами рассеяния. Таким образом, речь шла о локализованных акустических источниках. За счет подбора параметров рассеивателей можно добиться того, что только часть энергии лазерного импульса будет рассеиваться на индивидуальном интервале оптоволокна. Оставшаяся же часть энергии будет распространяться дальше и может быть использована для возбуждения следующих зон. Таким образом, возможна реализация распределенного оптоакустического источника. При этом параметры различных акустических излучателей могут как совпадать, так и различаться.
Параметры зон могут быть таковы, что обеспечивается резонансное рассеяние лазерного излучения одного частотного диапазона на одной группе рассеивателей и резонансное рассеяние лазерного излучения другого частотного диапазона на другой группе рассеивателей. Тогда лазерное излучение определенной длины волны будет распространяться на большие расстояния, минуя те зоны рассеяния, для которых условие резонансного рассеяния не реализуется, до тех пор, пока не достигнет той зоны рассеяния, для которой условие резонансного рассеяния для данной длины волны выполняется. Таким образом можно достигнуть возбуждения различных участков оптоволокна лазерными импульсами различной длины волны.