ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ИСКУССТВЕННАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ
ELEMENTARY ARTIFICIAL CELL FOR ACOUSTIC LENS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение относится к акустическим датчикам и способам изготовления и использования таких акустических датчиков в различных приспособлениях, в том числе в приборах акустического каротажа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Скважинные приборы акустического каротажа, используемые для исследования подземных объектов, могут содержать один или большее количество  акустических генераторов или излучателей, и ряд акустических приемников. Эти приборы также могут содержать трансивер, способный работать в качестве излучателя и  приемника. В любом случае, генераторы излучают акустическую энергию во вмещающие породы, окружающие ствол скважины. Акустические сигналы отражаются от поверхностей раздела, связанных со скважиной, конструкциями скважины и / или пластами. Отраженные акустические сигналы регистрируются приемниками в каротажном приборе и обрабатываются для получения оценок одного или большего количества  свойств ствола скважины, конструкций скважины и / или пластов. Данное изобретение предлагает акустические и вибрационные датчики, использующие линзу для управления такими акустическими волнами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В аспектах данного изобретения предлагается ячейка, обрабатывающая акустические волны. Ячейка может содержать множество спиц, лучеобразно расходящихся от сердечника. Каждая спица может иметь множество стыков, а вокруг сердечника может быть распределено по окружности множество пальцев. По меньшей мере один палец присоединен к каждому стыку.
[0004] В других аспектах данного изобретения предлагается акустический прибор. Акустический прибор может содержать преобразователь, выполненный с возможностью генерирования и регистрации акустической волны, и линзу. Линза может быть расположена на расстоянии от акустического излучателя. Линза может иметь плоскую поверхность, ограниченную множеством граней. Акустическая волна входит в линзу через по меньшей мере одну из граней и проходит вдоль оси, параллельной плоской поверхности. Линза может содержать по меньшей мере один линзовый элемент, имеющий множество спиц, лучеобразно расходящихся от сердечника. Каждая спица может содержать множество пальцев, распределенных по окружности вокруг сердечника. Сердечник и множество спиц могут представлять собой плоские элементы, расположенные параллельно плоской поверхности.
[0005] Типовые характеристики изобретения были обобщены довольно широко, чтобы их подробное описание, приведенное далее, было более понятным, и чтобы можно было оценить вклад в область техники, который они представляют.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] Для понимания деталей данного изобретения следует обратиться к подробному описанию вариантов реализации изобретения, приведенному далее, в сочетании с приложенными графическими материалами, в которых одинаковые элементы имеют одинаковые числовые обозначения, причем:
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему типовой круглой ячейки согласно вариантам реализации данного изобретения;
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему типовой восьмиугольной ячейки согласно вариантам реализации данного изобретения;
Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему типовой ячейки, использующей пальцы с выступами, согласно вариантам реализации данного изобретения;
Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему типовой восьмиугольной ячейки, полученную после конформного отображения варианта реализации изобретения по Фиг. 2;
Фиг. 5 иллюстрирует линзу, содержащую ячейки, изготовленные в соответствии с вариантами реализации данного изобретения;
Фиг. 6 иллюстрирует акустический прибор, использующий ячейки, изготовленные в соответствии с данным изобретением, и расположенные в стволе скважины, пересекающей геологический пласт; и
Фиг. 7 представляет собой график моделирования  интенсивности акустического поля для варианта реализации изобретения по Фиг. 3 с конформным отображением по Фиг. 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Свойства метаматериалов происходят от общего основного динамического механизма происходящих в совокупности резонансов, влияющего на образование искусственных свойств материалов. В конкретном случае акустических метаматериалов эти свойства начинаются непосредственно с частотных характеристик двух основных параметров материала: эффективной массовой плотности и эффективного модуля объемной упругости. Оба эти параметра материала могут приобретать отрицательные качественные признаки и даже анизотропные свойства в присутствии зон резонансного перехода определенных типов, особенно в непосредственной близости от антирезонансных вибраций. Эти анизотропные и отрицательные свойства могут создавать широкий диапазон спектральных признаков в пределах определенных частотных диапазонов, в том числе приводить к отрицательному показателю преломления и эффекту гиперлинзы, способных открыть возможности для фокусировки пучка и усиления в плоских линзах. Такие действия как фокусировка и усиление будут в целом называться обработкой акустической волны.
[0008] Свойства отрицательного показателя преломления,  возникающие при  резонансе в элементарной ячейке в пределах полосы частот, могут иметь место в очень узкой спектральной полосе, диапазон которой зависит от резонансных характеристик элементарной ячейки и свойств матрицы и / или вмещающей жидкой среды. Чтобы влиять на эти отрицательные свойства в более широком диапазоне частот, множество согласованных резонансов в элементарной ячейке должны соединиться конструктивно. Этого можно достигнуть благодаря конструкциям элементарных ячеек по данному изобретению.
[0009] Существуют несколько факторов, определяющих возможность влияния элементарной ячейки определенной конструкции на дисперсионные характеристики распространяющейся волны  вплоть до проявления свойств отрицательного показателя и анизотропных свойств, необходимых для возникновения эффекта гиперлинзы. Один особенно существенный фактор заключается в образовании совокупности резонансов в спектрах пропускания, объединяющихся с образованием широкого диапазона обработки волн в целевом диапазоне частот. В независимости от того, что  полоса частот, сформированная из агрегата, будет порождать анизотропию и отрицательный показатель,  отклик  является функцией и других свойств резонансных связей. Частотный диапазон, в котором конструкция элементарной ячейки демонстрирует значительное несоответствие акустического импеданса, потери на поглощение и / или значительную величину модуля объемной упругости, оказывает решающее влияние, поскольку любой из вышеуказанных факторов  может свести к нулю эффект гиперлинзы в указанной  частотной полосе. Ячейки согласно данному изобретению можно назвать элементарными компонентами суперлинзы или гиперлинзы, в зависимости от их характеристик.
[0010] Обратимся к Фиг. 1, на которой показана типовая ячейка 10 из метаматериала, обрабатывающая акустические волны, в соответствии с данным изобретением. В сущности, ячейка 10 представляет собой пластинчатый и дискообразный элемент. Ячейка 10 имеет две параллельные противоположные плоские поверхности. Как проиллюстрировано, видимая плоская поверхность 13 параллельна бумаге. Расстояние между двумя поверхностями, или толщина, может быть в диапазоне от 25 микрон до 1 миллиметра. Диаметр окружности, охватывающей ячейку 10 может быть в диапазоне от 800 микрон до 5 миллиметров. Эти размеры в целом выбираются так, чтобы такие явления как резонансы оказывали существенное влияние на свойства ячейки 10, и  воздействовали на обработку волн в определенных целевых диапазонах частот. Ячейки, такие как ячейка 10, по данному изобретению могут быть выполнены из металлических или неметаллических материалов. Подходящие металлы включают, но без ограничения, платину, вольфрам, золото и экзотические варианты, такие как иридий, с таким важным для управления акустическими волнами свойством материала как массовая плотность металла.
[0011] Один не имеющий ограничительного характера вариант реализации ячейки 10 может содержать сердечник 12, множество спиц 14, лучеобразно расходящихся от сердечника 12, и множество концентрически расположенных пластинок 16.
[0012] Сердечник 12 действует в качестве центральной опорной конструкции для спиц 14. В показанном варианте реализации изобретения сердечник 12 выполнен из четырех отдельных сегментов, проиллюстрированный сегмент имеет числовое обозначение 18. Сердечник 12 может быть круглым или иметь любую другую подходящую геометрическую форму. Кроме того, хотя показаны четыре сегмента 18, сердечник 12 может быть выполнен в виде одного цельного тела или иметь два или большее количество сегментов 18. Каждый сегмент 18 физически соединен с одной или большим количеством  спиц 14.
[0013] Спицы 14 образуют конструкцию, поддерживающую пластинки 16. Иллюстративная спица имеет числовое обозначение 20. Спица 20 может быть выполнена в виде продолговатого стержня, имеющего одну или более шеек 22. Шейка 22 представляет собой участок спицы 20, имеющий меньшую площадь поперечного сечения, чем у непосредственно прилегающих участков. Таким образом, спица 20 более гибкая в шейках 22 и может изгибаться, скручиваться или деформироваться иным образом в шейках 22 легче, чем в других точках вдоль спицы 20. В одном исполнении шейки 22 выполнены непосредственно прилегающими к каждому стыку 24 между спицей 20 и пластинкой 16 и расположены внутри по радиусу от него. Шейка 22 также может быть расположена непосредственно снаружи по радиусу от стыка 26 между спицей 20 и сердечником 12.
[0014] Каждая из пластинок 16 может содержать ряд распределенных по окружности пальцев 28, расположенных в форме круга. Каждый палец 28 соединен одним концом со стыком 24. Хотя показаны два пальца 28 в каждом стыке 24, ориентированных поперек спицы 20, могут быть использованы большие или меньшие количества пальцев 28 и их различные ориентации. Палец 28 может представлять собой изогнутый элемент, содержащий один или более увеличенных участков 30. Увеличенный участок 30 имеет большую массу чем непосредственно прилегающий участок пальца 28. Увеличенная масса образована путем увеличения ширины участка 30 по сравнению с другими участками пальца 28. Таким образом, может иметь место ассиметричное распределение масс вдоль длины пальца 28. Для того, чтобы чередовать пальцы 28, радиальные позиции пальцев 28  расположены в шахматном порядке для каждой последовательной спицы  14. Таким образом, палец 28 одной спицы 14 может быть радиально вставлен  между двумя пальцами 28 соседней спицы 14. Хотя показаны шесть пластинок 16, может быть использовано большее или меньшее количество пластинок 16.
[0015]  Ячейка 10 по Фиг. 1 имеет четыре сегмента 11a-d. Каждый сегмент 11a-d имеет две спицы 14, лучеобразно расходящиеся от сегмента 18 сердечника. Каждая спица 14 имеет три комплекта пальцев 28. Каждый комплект имеет два пальца 28. Пальцы 28 распределены по окружности, образуя шесть пластинок 14. Следует отметить, что четыре сегмента 11a-d конструктивно независимы друг от друга. Хотя элементы, составляющие каждый из сегментов 11a-d были описаны отдельно, следует понимать, что каждый сегмент 11a-d может быть изготовлен в виде монолитного узла, в противоположность сборке из отдельных деталей. Также следует отметить, что хотя изображены четыре сегмента, ячейка 10 может использовать меньшее или большее количество сегментов.
[0016] На резонансные и антирезонансные вибрации внутри ячейки 10 оказывает влияние взаимодействие различных деталей конструкции посредством  матрицы или содержащейся внутри жидкой среды, описанную выше. Таким образом, количество, размер, форма и ориентация таких деталей как спицы 14, пластинки 16, пальцы 28 и увеличенные участки 30 влияют на то, где и в какой степени происходят резонансные и антирезонансные вибрации, и как они дополняют или ослабляют друг друга, воздействуя на обработку и контроль падающей акустической волны.
[0017] Обратимся к Фиг. 2, на которой показан другой вариант реализации ячейки 40, обрабатывающей акустические волны. Общая форма и размеры ячейки 40 аналогичны ячейке 10 (Фиг. 1). Ячейка 40 может содержать сердечник 42, множество спиц 44, лучеобразно расходящихся от сердечника 42, и множество концентрически расположенных пластинок 46. Ячейка 40 аналогична ячейке 10 по Фиг. 1 во многих аспектах. Вариации ячейки 40 обсуждаются ниже.
[0018] Аналогично вышеуказанному, спицы 44 образуют конструкцию, поддерживающую пластинки 46. Иллюстративная спица имеет числовое обозначение 50. В этом варианте реализации изобретения спица 50 может быть выполнена в виде продолговатого стержня, не содержащего участков с уменьшенной площадью поперечного сечения. Пластинки 46 также могут содержать ряд распределенных по окружности пальцев 52, при этом каждый палец 52 соединен одним концом со стыком 54. В этом исполнении пальцы 52 представляют собой прямые элементы, содержащие один или более увеличенных участков 56.
[0019]  На Фиг. 2 пластинки 46 расположены в виде множества концентрических многоугольников. В проиллюстрированном исполнении каждая из пластинок 46 имеет восьмиугольную форму. Однако, могут быть использованы другие многоугольные формы. Как и раньше, пальцы 52 чередуются в шахматном порядке радиальных положений пальцев 52 на каждой последующей спице 44. Ячейка 40 по Фиг. 2 имеет четыре сегмента такой же конфигурации, как и в ячейке 10 по Фиг. 1. Однако, может быть использовано любое количество сегментов.
[0020] Обратимся к Фиг. 3, на которой показан другой вариант реализации ячейки 70, обрабатывающей акустические волны. Как обсуждалось ранее, пальцы 72 каждой пластинки 74 соединены одним концом со спицей 74. В этом варианте реализации изобретения пальцы 72 имеют выступы 78, ориентированные поперек пальцев 72. Каждый из выступов 78 может представлять собой элемент в форме лепестка или стержня, способный двигаться независимо относительно других. Под движением подразумевается изгиб, скручивание, вибрация и т.п. Хотя показано, что выступы 78 выступают в направлении сердечника 80 внутрь по радиусу, следует понимать, что пальцы 72 могут быть выполнены с выступами 78, выступающими в направлении наружу по радиусу или в обоих направлениях.
[0021] Форма, размер, количество и ориентация выступов 78 на каждой пластинке 76 и между пластинками 76 может варьироваться для того, чтобы оказывать влияние на резонансные свойства ячейки 70. Таким образом, например, выступы 78 могут иметь различные размеры вдоль пальца 72, и каждый из пальцев 72 может иметь различное количество выступов 78.
[0022] Кроме того, ячейки согласно данному изобретению не обязательно должны быть симметричными или квази-изотропными, как показано на Фиг. 1 - 3.
[0023] Некоторые варианты реализации данного изобретения могут включать анизотропию в коэффициент формы, чтобы повлиять  на ширину полосы и эффект гиперлинзы в резонансных диапазонах частот с отрицательным показателем, образованных ячейкой. В одной методике может быть применена анизотропия конформного отображения с помощью геометрических преобразований формы,  сохраняющих инвариантность волнового уравнения Гельмгольца, например,  конформного преобразования Жуковского. Например, преобразование может быть описано соотношением:
с исходными координатами ячейки:
и преобразованными координатами ячейки:
Конформное отображение Жуковского может преобразовать границы восьмиугольной ячейки по Фиг. 2, которую можно вписать в круг радиуса R, в форму преобразованной ячейки, которую можно вписать в эллипс с коэффициентом формы S=a/b, где a и b - размеры эллипса коллинеарные осям x и y, соответственно. Все остальные координаты в исходной геометрии межслойной ячейки преобразуются согласно тому же коэффициенту формы S. Следовательно, преобразование Жуковского для восьмиугольной межслойной ячейки выглядит так:
[0024] Эти уравнения можно использовать для преобразования двумерных геометрических координат [x,y] поперечного сечения квази-изотропной ячейки, проиллюстрированной ранее на Фиг. 2 с помощью конформного преобразования Жуковского с анизотропией формы ячейки с коэффициентом формы S=2. Полученная в результате анизотропная ячейка 90 показана на Фиг. 4. Анизотропия S=2 представляет собой только одно иллюстративное значение. Одно свойство конформного отображения заключается в том, что толщина по меньшей мере двух пальцев варьируется нелинейно вдоль плоскости, на которой лежит ячейка. Например, толщина пальцев 92, 94, 96 различается, и разница математически нелинейна. Сравнение толщины может быть выполнено путем выбора той же характеристики (например, увеличенного участка) и измерения расстояния вдоль одного участка по одной оси. Например, грани 93, 95 и 97 могут быть использованы в качестве меры толщины преобразованных участков пальцев. Конформное отображение также может быть применено к ячейкам по Фиг. 1 и 3 или ячейкам других конфигураций согласно  данному изобретению.
[0025] Обратимся к Фиг. 5, на которой показана линза 100, имеющая множество ячеек 102. Хотя ячейки 102 изображены в виде ячеек по Фиг. 2 одинаковой формы, линза 100 может содержать ячейки любой конфигурации согласно данному изобретению. Ячейки 102 расположены вплотную друг к другу и имеют плоские поверхности, выровненные друг с другом в одной плоскости, например, каждая имеет плоскую поверхность, параллельную бумаге. Акустическая волна 104 входит в линзу 100 преимущественно через грань 106. Акустическая волна 104 проходит через линзу 100 в направлении, параллельном плоскости, вдоль которой расположены ячейки 102. Ячейки 102 линзы 100 обрабатывают акустическую волну 104 таким образом, что обработанная волна 108 выходит из грани 110 линзы 100. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, может быть использована подложка 101 в качестве опоры, из которой выступает каждая из ячеек 102. Например, ячейки 102 могут выходить из подложки 101 так, что ячейки 102 и подложка 101 образуют единое целое. Например, подложка 101 может представлять собой плату или пластину. Ячейки 102 и конструктивно независимые детали, составляющие каждую ячейку 102, могут выступать из подложки 101, прикрепляясь к ней одним концом.
[0026] Обратимся к Фиг. 6, на которой показан один вариант реализации акустического прибора 120 согласно данному изобретению. Прибор 120 содержит преобразователь 122 и линзу 100. Прибор 120 может перемещаться подходящим транспортным устройством (не показано) вдоль ствола скважины 124, пробуренной в толще пород 126. Транспортное устройство может представлять собой: гибкий транспортер, например, канатный, кабельный, тросовый или гибкотрубный; жесткий транспортер, например, бурильная колонна; спускной инструмент; или автономное устройство. В одном режиме работы преобразователь 122 генерирует акустическую волну 128, обрабатываемую линзой 100 и направляемую в пласт 126. Отраженная волна 130 возвращается из пласта и входит в линзу 100. После обработки линзой 100 волна 120 попадает в преобразователь 122 и подвергается дальнейшей обработке. В другом режиме работы прибор 120 работает в пассивном состоянии и принимает акустические сигналы, создаваемые одним или большим  количеством внешних излучателей.
[0027] Теперь обратимся к Фиг. 7, на которой показана схема 160 интенсивности акустического поля, полученного из гиперлинзы восьмиугольной формы из метаматериала, показанной на  Фиг. 3 с использованием преобразования конформного отображения, показанного на Фиг. 4. Акустическое поле возникает благодаря падающей плоской акустической волне (распространяющейся сверху) с частотой колебаний 257 кГц. Левая вертикальная ось 162 представляет собой расстояние от поверхности выпуска гиперлинзы. Эта модель демонстрирует, что фокус 164 акустического поля расположен приблизительно в 55 мм от поверхности выпуска гиперлинзы с усилением около двадцати двух процентов. Область, идентифицированная числовым обозначением 166, представляет собой часть поля с относительно низкой интенсивностью.
[0028] Хотя данное изобретение обсуждается в контексте углеводородной добывающей скважины, следует понимать, что данное изобретение может быть использовано в условиях любого околоскважинного пространства (например, водозаборной или геотермальной скважин). Варианты реализации данного изобретения могут быть использованы в акустических приборах, используемых на поверхности, в твердых телах или в воде.
[0029] Данное изобретение допускает варианты реализации  различных форм. Показаны на графических материалах и подробно описаны в данном документе конкретные варианты реализации данного изобретения с пониманием того, что данное описание следует рассматривать как  иллюстративный пример принципов изобретения и не должно ограничивать изобретение иллюстрациями и описаниями, приведенными в данном документе. Хотя предыдущее описание направлено на варианты реализации одного режима изобретения, различные модификации будут очевидны для специалиста в данной области. Предполагается, что все вариации охвачены предыдущим описанием.