СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЗВУКОВЫХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКА АКУСТИЧЕСКОГО ПУЧКА

1. Способ исследования цементного соединения или структуры породной формации вблизи буровой скважины, содержащий этапы, на которых:
возбуждают акустическую волну с помощью источника акустического пучка;
направляют по одному или более азимутальным углам акустическую волну к выбранному месту в окрестности буровой скважины;
принимают на множестве приемников, расположенных вокруг цилиндрической конфигурации, акустический сигнал, при этом акустический сигнал возникает в результате отражения, преломления акустической волны или распространения поверхностной волны материалом на выбранном месте в азимутальном угловом диапазоне, или в результате любого сочетания вышеперечисленного, при этом каждый приемник из множества приемников выполнен с возможностью приема части акустического сигнала, соответствующей части азимутального углового диапазона;
анализируют принятый акустический сигнал, чтобы определить характеристики материала вокруг буровой скважины.
2. Способ по п. 1, в котором возбуждение акустической волны содержит прохождение первой акустической волны и второй акустической волны в акустически нелинейную среду для создания коллимированного пучка с помощью нелинейного процесса смешения, при этом коллимированный пучок распространяется сквозь нелинейную среду в направлении, аналогичном начальному направлению первой и второй акустических волн, и имеет частоту, равную разности первой и второй акустических волн.
3. Способ по п. 2, в котором нелинейная среда включает в себя одно или более из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, внедренных микросфер или эмульсии.
4. Способ по п. 1, в котором возбуждение акустической волны содержит возбуждение акустической волны с использованием множества преобразователей, размещенных в виде решетки.
5. Способ по п. 1, в котором направление акустической волны содержит направление акустической волны с использованием устройства управления направлением.
6. Способ по п. 5, в котором направление акустической волны содержит использование фокусирующего устройства, включающего в себя акустический отражатель, акустическую линзу или и то, и другое.
7. Способ по п. 2, дополнительно содержащий кодирование коллимированного пучка изменяющимся во времени кодом путем введения изменяющейся во времени составляющей, включающей в себя одно или более из линейной частотной модуляции или качания частоты, в один из первого и второго акустических сигналов.
8. Способ по п. 7, в котором изменяющаяся во времени составляющая содержит изменение амплитуды, частоты или фазы или любое сочетание вышеперечисленного.
9. Способ по п. 8, в котором изменяющиеся во времени составляющие содержат изменение амплитуды, частоты или фазы или любое сочетание вышеперечисленного.
10. Способ по п. 1, в котором анализ содержит анализ принятого акустического сигнала после того, как он отразился или рассеялся обратно на неоднородностях в породной формации или материалах, окружающих буровую скважину, или на тех и других, для формирования изображения, которое дает информацию относительно цементного соединения, разорванных областей или других дефектов.
11. Способ по п. 1, дополнительно содержащий перемещение акустического источника и множества приемников как одного целого вдоль оси буровой скважины.
12. Способ по п. 1, дополнительно содержащий перемещение вдоль оси буровой скважины множества приемников независимо от акустического источника.
13. Способ по п. 1, дополнительно содержащий расположение множества приемников на поверхности цилиндрической конфигурации.
14. Способ по п. 13, в котором расположение содержит расположение одномерной или двумерной решетки приемников на поверхности цилиндрической конфигурации.
15. Способ по п. 14, в котором расположение содержит разнесение приемников в решетке приемников и выбор размера приемников из условия достижения требуемого азимутального углового разрешения принятого акустического сигнала от около 5º до около 15º.
16. Способ по п. 13, дополнительно содержащий электронный выбор множества приемников в двумерной решетке приемников для приема акустического сигнала без поворота решетки приемников.
17. Способ по п. 13, в котором множество приемников содержат пьезоэлектрическую пленку.
18. Способ по п. 17, в котором пьезоэлектрическая пленка содержит поливинилидендифторид (ПВДФ).
19. Способ по п. 1, дополнительно содержащий расположение акустического источника и множества приемников в корпусе и расположение корпуса в буровой скважине.
20. Способ по п. 1, дополнительно содержащий перемещение акустического источника независимо от множества приемников.
21. Способ по п. 1, дополнительно содержащий поворот по азимуту акустического источника, множества приемников или того и других вокруг оси буровой скважины.
22. Способ по п. 1, в котором определение характеристик материала вокруг буровой скважины содержит обнаружение трещины в цементной оболочке буровой скважины, зазора между цементной оболочкой и породной формацией или зазора между цементной оболочкой и металлической обсадной колонной буровой скважины, или любого сочетания вышеперечисленного с азимутальным разрешением от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
23. Способ по п. 1, в котором определение характеристик материала вокруг буровой скважины содержит построение изображений коллекторных слоев, стратиграфии, трещин или разрывов, или любого сочетания вышеперечисленного с азимутальным разрешением от около 5º до около 15º.
24. Способ по п. 1, в котором определение характеристик материала вокруг буровой скважины содержит измерение продольной скорости, поперечной скорости в породной формации или их обеих вместе с определением азимута.
25. Способ по п. 24, в котором определение характеристик материала вокруг буровой скважины содержит обнаружение неоднородностей позади труб или систем каналов.
26. Способ по п. 1, в котором определение характеристик содержит выполнение трехмерного анализа геомеханических свойств вокруг буровых скважин на основании анализа преломленных волн и волн Лэмба для улучшения определения характеристик зоны проникновения или любого повреждения буровой скважины.
27. Способ по п. 1, в котором определение характеристик содержит выполнение построения трехмерного изображения скорости в породной формации вблизи буровой скважины, используя анализ преломленных волн.
28. Способ по п. 1, в котором определение характеристик содержит выполнение трехмерного картирования трещин на основании отражений из линейных вступлений.
29. Способ по п. 1, в котором определение характеристик содержит выполнение трехмерного картирования проницаемости и продуктивного поверхностного слоя коллекторов.
30. Способ по п. 1, в котором возбуждение акустической волны содержит генерирование акустического пучка с кодированными по фазе гауссовыми импульсами в низкочастотном диапазоне от приблизительно 10 кГц до около 30 кГц для более глубокого проникновения в породную формацию.
31. Способ по п. 1, в котором анализ принятого акустического сигнала для определения характеристик материала вокруг буровой скважины содержит выполнение частотно-временного анализа принятого акустического сигнала.
32. Способ по п. 31, дополнительно содержащий определение частотного состава принятого акустического сигнала как функции времени для определения частот, которые являются хорошо заметными в определенные моменты времени в течение распространения.
33. Способ по п. 31, в котором выполнение частотно-временного анализа содержит выполнение анализа на основе кратковременного преобразования Фурье (КВПФ).
34. Способ по п. 31, в котором выполнение частотно-временного анализа содержит определение наличия зазора между цементной оболочкой и породной формацией или зазора между цементной оболочкой и металлической обсадной колонной буровой скважины, или любого сочетания вышеперечисленного с азимутальным разрешением от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
35. Способ по п. 1, дополнительно содержащий направление вниз сгенерированного акустического пучка с использованием устройства управления, в целом, в направлении оси буровой скважины к месту перед долотом, к породной формации, и обнаружение на множестве приемников акустической волны, отраженной от одного или более слоев в породной формации.
36. Способ по п. 35, дополнительно содержащий определение положения одного или более слоев на основании принятой отраженной акустической волны.
37. Способ по п. 36, дополнительно содержащий определение величины наклона одного или более слоев на основании ориентации сгенерированного акустического пучка и обнаруженной принятой акустической волны.
38. Система для исследования цементного соединения или структуры породной формации вблизи буровой скважины, содержащая:
акустический источник, выполненный с возможностью генерирования акустического пучка и направления акустического пучка по одному или более азимутальным углам к выбранному месту в окрестности буровой скважины;
множество приемников, выполненных с возможностью приема акустического сигнала в азимутальном угловом диапазоне, при этом акустический сигнал возникает в результате отражения, преломления акустического пучка или распространения поверхностной волны материалом на выбранном месте, или в результате любого сочетания вышеперечисленного, при этом множество приемников расположены вокруг цилиндрической конфигурации, каждый приемник из множества приемников выполнен с возможностью приема части акустического сигнала, соответствующей части азимутального углового диапазона; и
процессор, сконфигурированный для выполнения обработки данных из принятого сигнала, для анализа принятого акустического сигнала, чтобы определить характеристики материала вокруг буровой скважины.
39. Система по п. 38, в которой акустический источник содержит нелинейную среду, включающую в себя одно или более из смеси жидкостей, твердого вещества, гранулированного материала, внедренных микросфер или эмульсии.
40. Система по п. 38, в которой акустический источник содержит:
корпус;
множество разнесенных пьезоэлектрических слоев, расположенных в корпусе; и
нелинейную среду, заполняющую промежутки между множеством слоев,
при этом каждый из множества пьезоэлектрических слоев выполнен с возможностью возбуждения акустической волны, и
нелинейная среда и множество слоев пьезоэлектрического материала имеют согласованный импеданс для улучшения прохождения акустической волны, возбуждаемой каждым из множества слоев, сквозь остающееся множество слоев.
41. Система по п. 40, в котором корпус имеет цилиндрическую конфигурацию, и множество пьезоэлектрических слоев разнесены по длине цилиндрической конфигурации.
42. Система по п. 41, в которой цилиндрическая конфигурация имеет круговое основание или многоугольное основание.
43. Система по п. 40, в которой нелинейная среда содержит текучую среду.
44. Система по п. 43, в которой текучая среда содержит воду.
45. Система по п. 40, в которой пьезоэлектрический слой содержит поливинилидендифторидную (ПВДФ) пленку.
46. Система по п. 40, дополнительно содержащая электрический генератор, выполненный с возможностью электрического возбуждения по меньшей мере одного пьезоэлектрического слоя из множества пьезоэлектрических слоев для возбуждения акустического волнового импульса.
47. Система по п. 40, дополнительно содержащая электрический генератор, выполненный с возможностью электрического возбуждения множества пьезоэлектрических пленок для возбуждения множества акустических волновых импульсов, которые разделены во времени, для формирования пакета акустических волновых импульсов.
48. Система по п. 47, в которой множество разделенных во времени акустических волновых импульсов синхронизированы с тем, чтобы они суммировались для генерирования акустического пучка с мощностью, по существу равной сумме мощностей отдельных акустических волновых импульсов, на выходе акустического источника.
49. Система по п. 40, дополнительно содержащая звукопоглощающий материал, расположенный на первом торце корпуса, и пластину, расположенную на втором торце корпуса, противоположном первому торцу, при этом пластина выбрана из материала, который по существу пропускает акустическую волну в требуемом диапазоне длин волн для акустической волны.
50. Система по п. 49, в которой боковая стенка корпуса является слоистой с акустической изоляцией для предотвращения отражения акустической волны от боковой стенки.
51. Система по п. 49, в которой пластина выполнена с возможностью коллимации для получения акустического пучка или фокусировки акустической волны.
52. Система по п. 40, в которой пьезоэлектрические слои в равной степени разнесены в корпусе.
53. Система по п. 40, в которой корпус, множество пьезоэлектрических слоев и нелинейная среда выполнены с возможностью генерирования акустического пучка.
54. Система по п. 38, в которой частота акустической волны находится в диапазоне от приблизительно 15 кГц до приблизительно 120 кГц.
55. Система по п. 38, дополнительно содержащая устройство управления направлением, выполненное с возможностью направления акустической волны.
56. Система по п. 55, в которой устройство управления направлением включает в себя акустический отражатель, акустическую линзу или и то, и другое.
57. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для анализа принятого акустического сигнала после того, как он отразился или рассеялся обратно на неоднородностях в породной формации или материалах, окружающих буровую скважину, или на тех и других, для формирования изображения, которое дает информацию относительно цементного соединения, разорванных областей или других дефектов.
58. Система по п. 38, дополнительно содержащая контроллер, сконфигурированный для перемещения акустического источника и множества приемников.
59. Система по п. 38, в которой контроллер сконфигурирован для перемещения вдоль оси буровой скважины приемников независимо от акустического источника или для перемещения акустического источника и приемников как одного целого.
60. Система по п. 38, в которой приемники содержат одномерную или двумерную решетку приемных элементов, расположенных на поверхности цилиндрической конфигурации.
61. Система по п. 60, в которой размер приемных элементов выбран из условия достижения требуемого азимутального углового разрешения принятого акустического сигнала от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
62. Система по п. 60, дополнительно содержащая контроллер, сконфигурированный для электронного выбора одного или более приемных элементов из двумерной решетки приемных элементов для приема акустического сигнала без поворота приемников.
63. Система по п. 38, в которой приемники содержат пьезоэлектрическую пленку.
64. Система по п. 63, в которой пьезоэлектрическая пленка содержит поливинилидендифторид (ПВДФ).
65. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для определения характеристик трещины в цементной оболочке буровой скважины, зазора между цементной оболочкой и породной формацией или зазора между цементной оболочкой и металлической обсадной колонной буровой скважины, или любого сочетания вышеперечисленного с азимутальным разрешением от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
66. Система по п. 38, в которой процессор дополнительно сконфигурирован для определения характеристик материала вокруг буровой скважины путем обнаружения неоднородностей позади труб или систем каналов.
67. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для выполнения трехмерного анализа геомеханических свойств вокруг буровых скважин на основании анализа преломленных волн и волн Лэмба для улучшения определения характеристик зоны проникновения или любого повреждения буровой скважины.
68. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для выполнения построения трехмерного изображения скорости в породной формации вблизи буровой скважины, используя анализ преломленных волн.
69. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для выполнения трехмерного картирования трещин на основании отражений из линейных вступлений.
70. Система по п. 38, в которой акустический источник выполнен с возможностью генерирования импульсного акустического пучка в частотном диапазоне от приблизительно 15 кГц до приблизительно 120 кГц для измерения поверхностных и каналовых волн и обнаружения зазора между обсадной колонной и цементом в буровой скважине или зазора между цементом и породной формацией, или и того, и другого, на основании измеренных поверхностных и каналовых волн с азимутальным угловым разрешением в диапазоне от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
71. Система по п. 38, в которой процессор сконфигурирован для выполнения частотно-временного анализа принятого акустического сигнала.
72. Система по п. 71, в которой процессор сконфигурирован для получения частотного состава принятого акустического сигнала как функции времени для определения частот, которые являются хорошо заметными в определенные моменты времени в течение распространения.
73. Система по п. 72, в которой процессор сконфигурирован для выполнения анализа на основе кратковременного преобразования Фурье (КВПФ).
74. Система по п. 72, в которой процессор сконфигурирован для определения на основании частотно-временного анализа наличия зазора между цементной оболочкой и породной формацией или зазора между цементной оболочкой и металлической обсадной колонной буровой скважины, или любого сочетания вышеперечисленного с азимутальным разрешением от приблизительно 5º до приблизительно 15º.
75. Система по п. 38, в которой акустический источник содержит устройство управления, выполненное с возможностью направления сгенерированного акустического пучка вниз, в целом, в направлении оси буровой скважины к месту перед долотом, к породной формации.
76. Система по п. 75, в которой приемники выполнены с возможностью обнаружения акустической волны, отраженной от одного или более слоев в породной формации.
77. Система по п. 76, в которой процессор сконфигурирован для определения положения одного или более слоев на основании принятой отраженной акустической волны.
78. Система по п. 77, в которой процессор дополнительно сконфигурирован для определения величины наклона одного или более слоев на основании ориентации сгенерированного акустического пучка и обнаруженной принятой акустической волны.
79. Система по п. 38, в которой акустический источник выполнен с возможностью генерирования импульсного и коллимированного акустического пучка в частотном диапазоне от приблизительно 15 кГц до 120 кГц.