阅读说明：本技术 改进在多套管井筒环境中对材料的方位角分布的检测的分辨率 (It improves in more cased borehole environment to the resolution ratio of the detection of the azimuthal distribution of material ) 是由 菲利普·蒂格 亚历克斯·斯图尔特 于 2018-02-23 设计创作，主要内容包括：提供了一种基于X射线的评估工具,其用于测量无套管、单套管、双套管和多套管井筒环境内和周围的材料体积的密度,该工具包括至少内部长度,该内部长度包括：探头部分,其中所述探头部分进一步包括X射线源；用于辐射测量检测器的辐射屏蔽件；以及多个依赖于探头的电子器件；其中该工具使用X射线来对围绕钻孔的地层进行照明,其中通过可移动的准直屏蔽套筒来选择几何形状、移动和多个输出源射束,并且使用多个检测器来直接测量水泥环空的密度以及内部密度中的任何变化。还提供了各种电磁辐射检测器、屏蔽件和实际的内部配置以及子系统及其使用方法。(Provide a kind of assessment tool based on X-ray, it is used to measure in no casing, single casing, double-jacket tube and more cased borehole environment and the density of the material volume of surrounding, the tool includes at least inner length, the inner length includes: probe segment, wherein the probe segment further comprises x-ray source；Emission shield for radiometric detector；And multiple electronic devices dependent on probe；Wherein the tool is illuminated using X-ray to around the stratum of drilling, geometry, movement and multiple output source beams are wherein selected by movably collimating shroud sleeve, and use any variation in the next density and internal density for directly measuring cement annular space of multiple detectors.Additionally provide various electromagnetic radiation detectors, shielding part and actual internal configuration and subsystem and its application method.)

改进在多套管井筒环境中对材料的方位角分布的检测的分 辨率

技术领域

本发明一般涉及用于改进对材料的方位角分布的检测的分辨率的方法和装置，并且在特定但非限制性的实施例中，涉及用于改进在多套管井筒（wellbore）环境中对材料的方位角分布的检测的分辨率的方法和装置。

背景技术

在油气工业中，通过多个套管量测水泥质量并确定环空（annuli）的状态至关重要。该行业当前采用各种方法来验证单个套管柱后的液压密封。通常，超声工具在井内运行以确定水泥（cement）是否粘合到套管的外部，从而指示套管与地层之间或套管与外套管之间的环空中的存在水泥。最终，泄漏压力测试确保区域隔离的实现。为了正确工作，超声工具取决于套管质量、套管与环空中的材料之间的粘合，以及环空中的材料的力学属性。此外，超声工具将环空中的材料视为单一的各向同性且均质的体积，并且与该理想情况的任何实际偏离都会导致测量不准确。

当前的工具提供了有关最内套管的水泥粘结的信息，但是仍未能区分到水泥或环形材料中的各种深度。这导致在水泥自身内部或者套管与外套管之间的水泥地层边界处可能存在流体迁移路径，从而导致区域隔离的丧失。

当前，没有可行的技术允许对环形区域内直至水泥地层边界的异常现象的方位角方位进行确定，以确保不存在使区域隔离和井完整性发生风险的任何流体路径。此外，没有可行的技术允许对位于不直接在内套管外部的环空内的异常现象的径向方位进行确定。

现有技术教导了使用X射线或其他辐射能量来检查或获得关于水、油或气井的钻孔（borehole）内或周围的结构的信息的各种各样的技术，但是仍没有对用于在单柱或多柱套管井环境中准确地分析异常现象在井筒周围的环形材料中的方位角方位的方法的教导。此外，没有对利用包括与井套管同心的集中式（非填充）工具而不是需要源和检测器组装件接触所述套管的填充工具的装置来准确地分析异常现象的方位角方位的方法的教导。

例如，授予Youmans的US 3,564,251教导了使用方位角扫描准直X射线射束以在检测器处产生衰减信号，以产生紧密地围绕被有效体现为X射线卡尺的工具的套管或钻孔表面内部的螺旋形测井曲线（log）。然而，该参考文献未能教导通过单井或多井套管的钢壁实现这种目的的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。

授予Teague等人的US 7,675,029参考二维成像技术教导了一种从钻孔内部的任何水平表面测量X射线反向散射光子的设备。

授予Wraight的US 7,634,059提供了一种设备，该设备测量钻孔内部的内表面的二维X射线图像，而无需在径向方向上观察钻孔内部的技术可能性。然而，该参考文献未能教导用以通过单井或多井套管的钢壁来实现这些图像的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。

授予Teague的US 8,481,919教导了一种不使用放射性同位素在钻孔中产生康普顿光谱辐射的方法，并且进一步描述了在被安装在设备内部的固定源周围的旋转准直仪，但是不具有带有准直仪的固态检测器。它进一步教导了使用圆锥形和径向对称的阳极布置以准许全景X射线辐射产生。然而，该参考文献未能教导通过单井或多井套管的钢壁实现这种目的的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。该参考文献也未能教导在单柱或多柱套管孔环境中的非填充（即，同心）工具技术。

Smaardyk的US 2013/0,009,049提供了一种允许测量来自钻孔的内层的反向散射X射线的设备。然而，该参考文献未能教导通过单井或多井套管的钢壁实现这种目的的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。

授予Shedlock的US 8,138,471提供了一种基于X射线源、可旋转X射线射束准直仪和固态辐射检测器的扫描射束设备，其使得能够仅对钻孔套管和管道的内表面进行成像。然而，该参考文献未能教导通过单井或多井套管的钢壁实现这种目的的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。

授予Bayless的US 5,326,970提供了一种工具，该工具利用基于线性加速器的X射线源来测量来自钻孔套管的内表面的反向散射X射线。然而，该参考文献未能教导测量通过单井或多井套管的钢壁的散射的装置或方法，并且因此未能在所述套管与环形材料（诸如水泥）后面的信号之间进行区分。

授予Teague的US 7,705,294提供了一种设备，该设备在所选径向方向上测量来自钻孔内层的反向散射X射线，其中缺少的分割数据经由该设备通过钻孔的移动来填充。该设备准许用于井或钻孔的二维重建的数据生成。然而，该参考文献仅教导了用于确定反向散射光子所源自的深度的照明x射线射束的方向，该方向与所需几何形状相反。

授予Hornby的US 5,081,611教导了一种反投影的方法，该方法使用单个超声换能器，以及沿工具的主轴分布的多个接收器来沿钻孔纵向地确定地球地层（formation）的声学物理参数。

授予Hillis的US 6,725,161教导了一种方法，该方法将发射器放置在钻孔中并且将接收器放置在地球表面上，或者将接收器放置在钻孔中并且将发射器放置在地球表面上，其目的是确定关于发射器与接收器之间的地质材料的结构信息。

授予Siddiqui的US 6,876,721教导了一种将取自岩心样本的信息与来自钻孔密度测井曲线的信息进行关联的方法。岩心样本信息源自岩心样本的CT扫描，因此X射线源和检测器位于样本的外部，并且因此被配置为从外部往里看的布置。将来自CT扫描的各种种类的信息（诸如其体密度）与测井曲线信息进行比较并且与其关联。

授予Flaum的US 4,464,569要求保护一种方法，该方法通过以下操作来确定围绕井钻孔的地球地层的元素组成：在由中子光谱测井工具对地球地层进行中子辐照之后，处理从地球地层发出的检测到的中子俘获伽马辐射。

授予Seeman的US 4,433,240呈现了一种钻孔测井工具，其检测来自地层岩石的自然辐射，并且将所述信息记入日志以用于以强度对比深度图的格式进行表示。

授予Turcotte的US 3,976,879描述了一种钻孔测井工具，其使用脉冲电磁能量或光子源来检测和记录来自钻孔周围地层的反向散射辐射，并且以强度对比深度图的格式来表示该特征信息。

授予Wilson等人的US 9,012,836描述了用于在测井电缆（wireline）环境中创建方位角中子孔隙度图像的方法和装置。类似于US 8,664,587，该参考文献讨论了在测井电缆工具中实现的方位角静态检测器的布置，该方法通过将中子检测器细分为在调节器内屏蔽的多个方位角布置的检测器以推断入射中子和伽马的方向性，从而帮助操作者解释压裂后测井曲线。

授予Manente等人的US 4,883,956提供了用于使用适合于通过钻孔移动的设备来勘查地下地球地层的方法。取决于待测量的一个或多个地层特性，该设备包括自然或人工辐射源，以用于利用诸如伽马射线、X射线或中子之类的穿透性辐射对地层进行辐照。闪烁体响应于检测到的辐射而产生光，并且然后生成和记录代表辐射的至少一个特性的信号。

授予Plumb的US 6,078,867要求保护一种用于生成钻孔的三维图形表示的方法，该方法包括：接收与钻孔有关的卡尺数据，根据卡尺数据生成钻孔的三维线状网格模型，以及基于钻孔形状、皱褶状态和/或岩性来对来自卡尺数据的三维线状网格模型进行颜色映射。

授予Tittle的US 3,321,627提出了一种准直检测器和准直伽马射线源的系统，用以确定在钻孔外部并且以密度对比深度图的格式表示的地层的密度。然而，该参考文献未能教导通过单井或多井套管的钢壁实现这种目的的装置或方法。

发明内容

提供了一种基于X射线的评估工具，以用于测量无套管、单套管、双套管和多套管井筒环境内和周围的材料体积的密度，该工具包括至少内部长度，该内部长度包括：探头部分，其中所述探头部分进一步包括X射线源；用于辐射测量检测器的辐射屏蔽件；以及多个依赖于探头的电子器件；其中该工具使用X射线来对围绕钻孔的地层进行照明，其中通过可移动的准直屏蔽套筒来选择几何形状、移动和多个输出源射束，并且使用多个检测器来直接测量水泥环空的密度以及内部密度中的任何变化。还提供了各种电磁辐射检测器、屏蔽件和实际的内部配置以及子系统及其使用方法。

附图说明

图1图示了基于X射线的水泥评估工具，其通过测井电缆输送而被部署到钻孔中，其中通过该工具来测量注水泥的环空的密度。

图2图示了多个方位角检测器，它们被选择性采样以使得它们的输出具体涉及通过单个方位角旋转的X射线射束在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。

图3图示了多个方位角检测器，它们被选择性采样以使得它们的输出具体涉及通过多个方位角旋转的X射线射束在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。

图4图示了位于工具壳体内的X射线源和检测器。

图5图示了被致动以使得能够选择变化的X射线射束输出模式的准直仪套筒。

具体实施方式

本发明包括用于在不需要与井套管直接物理接触（即，非填充）的包装中改进对围绕井筒的材料的密度的确定和分辨率的方法和装置。本文中描述的方法和装置包括：使用在X射线源周围的圆柱形定位的准直仪的致动组合，该准直仪位于非填充同心定位的钻孔测井工具内，以用于在单柱或多柱套管孔环境内检测围绕钻孔的环形材料内的密度变化。

准直仪的致动准许操作者在固定准直仪模式与致动准直仪模式之间进行选择，在固定准直仪模式中，输出是多个X射线射束的方位角阵列，在致动准直仪模式中，单个或多个单独的方位角布置的X射线射束通过准直仪之一的旋转进行方位角扫描。此外，所述致动准许操作者选择另外的非旋转模式，在该非旋转模式中，准直仪套筒相对于该工具的主轴在x射线射束输出的各种角度或偏角当中进行切换。

示例方法包括针对在油气工业内使用的辐射物理以及水泥和套管测量的新应用中结合的已知技术和新技术。该示例性方法进一步通过被用来实践用于在水、油或气井中使用的方法的装置来体现。该示例方法有利于在注水泥的单柱或多柱井筒环境内监测和确定水泥完整性、区域隔离和井完整性。

现在参照附图，图1图示了基于X射线的水泥评估工具[101]，其通过测井电缆输送[102、103]而被部署到钻孔[105]中，其中，通过工具[101]来测量注水泥的环空[104]的密度。

图2图示了多个方位角检测器[202、203]，它们被选择性采样[202]以使得它们的输出具体涉及通过单个方位角旋转的X射线射束[201]在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。

图3图示了多个方位角检测器，它们被选择性采样[302]以使得它们的输出具体涉及通过多个方位角旋转的X射线射束[301]在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。在这里，益处此将是：对于给定的轴向测井速度，使数据收集率加倍。结果将是双螺旋测井曲线。

图4图示了位于工具壳体[407]内的X射线源和检测器[410]。该工具位于填充有流体[406]的套管钻孔中。第一套管[405]通过填充有水泥[404]的环空而粘合到第二套管[403]。第二套管[403]通过填充有第二水泥[402]的环空而粘合到地层[401]。旋转的准直仪[409]导致x射线射束[408]的方位角扫描，这准许增加对围绕井筒的环形材料[401、402、403、404、405]中的密度变化的方位角位置的离散分辨力。轴向的多个固定准直检测器组[410]可以被用来测量由射束[408]与套管[403、405]和环形材料[401、402、404、406]的相互作用而产生的多散射信号。

图5图示了被致动以选择变化的X射线射束输出模式的准直仪套筒[505、507]。在一个实施例中，通过致动屏蔽的准直仪套筒[505]并且保持另一同轴的屏蔽的准直仪套筒[501]静止，来选择非旋转的多个方位角定位的X射线射束[504]。这导致屏蔽件[501、505]的可选择的布置，从而使得能够在源[502]与源准直仪窗口[503]之间进行具体的准直布置。在另一个实施例中，通过致动屏蔽的准直仪套筒[505]并且旋转另一个同轴的屏蔽的准直仪套筒[507]，来选择单元素或多元素的方位角旋转射束[508]。这导致屏蔽件[505、507]的可选择的布置，从而使得能够在源[502]与源准直仪窗口[506]之间进行具体的准直布置，并且产生具有方位角旋转的单个或多个x射线射束的灯塔效果。

在一个实施例中，基于X射线的水泥评估工具[101]通过测井电缆输送[102、103]而被部署到钻孔[105]中，其中通过工具[101]来测量注水泥的环空[104]的密度。

在另外的实施例中，圆柱形准直仪向位于钻孔测井工具的压力壳体内的x射线源输出赋予方向性。X射线源和检测器[410]位于工具壳体[407]内。该工具位于填充有流体[406]的套管钻孔中。第一套管[405]通过填充有水泥[404]的环空而粘合到第二套管[403]。第二套管[403]通过填充有第二水泥[402]的环空而粘合到地层[401]。旋转的准直仪[409]导致X射线射束[408]的方位角扫描，从而增加了围绕井筒的环形材料[401、402、403、404、405]中的密度变化的方位角位置的离散分辨力。轴向的多个固定的准直检测器组[410]测量由射束[408]与套管[403、405]和环形材料[401、402、404、406]的相互作用而产生的多散射信号。在钻孔工具的主轴周围进行方位角旋转的X射线射束或多个射束在单柱或多柱套管孔环境中与围绕井筒的环形材料相互作用，从而产生单散射和多散射响应两者，这取决于被采用以测量由所述散射而产生的入射光子的多个固定检测器的轴向偏移。

另外的实施例切换准直模式，使得工具在固定输出模式与灯塔方位角扫描模式之间改变，而无需从井中移除工具以进行重新配置。准直仪套筒致动以选择变化的X射线射束输出模式。在优选实施例中，内部非旋转准直仪轴向致动，使得X射线源输出被引导朝向没有外部圆柱形准直仪的射束出射窗口的方位角布置。该布置被如此配置，以便产生非旋转的多个方位角定位的X射线射束。在内套筒进行轴向致动以及通过电动机等使外套筒旋转的情况下，所得到的布置产生了单元素或多元素的方位角旋转射束。在另外的实施例中，外部圆柱形准直仪并不旋转，而是内部准直仪被调制，以使得（一个或多个）X射线射束的角度与工具的主轴相比在不同角度之间改变，从而准许具有编码孔径技术的装置，以帮助改进径向分辨力，并且确定井筒中围绕工具的材料的密度变化的径向定位。准直仪套筒[505、507]致动以选择变化的X射线射束输出模式。在一个实施例中，通过致动屏蔽的准直仪套筒[505]并且保持另一个同轴的屏蔽准直仪套筒[501]静止，来选择非旋转的多个方位角定位的X射线射束[504]，从而产生屏蔽件[501、505]的可选择的布置，使得能够在源[502]与源准直仪窗口[503]之间实现具体的准直布置。在另一个实施例中，通过致动屏蔽的准直仪套筒[505]并且旋转另一个同轴的屏蔽准直仪套筒[507]，来选择单元素或多元素的方位角旋转射束[508]，从而产生屏蔽件[505、507]的可选择的布置，使得能够在源[502]与源准直仪窗口[506]之间实现具体的准直布置，并且产生具有方位角旋转的单个或多个X射线射束的灯塔效果。

在另外的实施例中，可以对一组轴向偏移的方位角分布的准直检测器进行采样，以使得跟（一个或多个）X射线射束与围绕井筒的环形材料的相互作用有关的计数数量直接归因于特定方位角旋转射束的相互作用。可以对多个方位角检测器[202、203]进行选择性地采样[202]，使得它们的输出具体涉及通过单个方位角旋转的X射线射束[201]在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。

在另外的实施例中，对多个方位角的检测器进行选择性地采样[302]，使得它们的输出具体涉及通过多个方位角旋转的X射线射束[301]在单柱或多柱套管孔环境内与围绕井筒的环形材料的相互作用而接收的信号。例如，在两个方位角旋转的X射线射束[301]被定位成在方位角上相隔180度的布置中，益处将是：对于给定的轴向测井速度，使数据收集率加倍。结果将是双螺旋测井曲线。在另外的示例中，在“n”个方位角旋转的X射线射束[301]被定位成在方位角上相隔360/n度的布置中，益处将是：对于给定的轴向测井速度，使数据收集率增加到n倍。结果将是具有“n”个扭曲组份的螺旋测井曲线。

可以记录和映射针对该特定方位角的信号或信号组合，其具有的目的是：再现X射线射束与围绕井筒的环形材料的相互作用的立体角的三维密度变化图。与（一个或多个）X射线射束的方位角方位/方向在位置上相关的检测器采样组的这种方法意味着：可以使用固定的检测器来代替必须与X射线射束一起旋转（以能够区分入射光子的方位角方向）的检测器。

在一个实施例中，处理从每个方位角平面收集的数据以创建从工具的表面向外延伸到围绕钻孔的地层中达显著距离的材料的二维密度图（例如，像素），从而作为轴向方位和径向方位的函数将来捕获材料的全部的密度数据。在另外的实施例中，可以将从每个方位角收集的数据与相邻方位角进行比较以确定异常现象的方位角方位，使得可以将二维图合并成作为轴向方位、方位角和径向方位的函数的材料的密度数据的三维图（体素）。

在另外的实施例中，可以处理由于旋转源准直仪的、来自从检测器的螺旋-方位角数据集合所收集的数据，以创建从工具的表面向外延伸到围绕钻孔的地层中达显著距离的材料的二维密度图（例如，像素），从而作为轴向方位和径向方位的函数来捕获材料的全部密度数据。在进一步的实施例中，可以将从每个“方位角”收集的数据与相邻方位角进行比较，以确定异常现象的方位角方位，使得可以将二维图合并成作为轴向方位、方位角和径向方位的函数的材料的密度数据的三维图（体素）。

在另外的实施例中，所有检测器都被配置成测量能谱，使得谱信息可以被用来对围绕钻孔的材料实行光谱分析以用于改进的材料识别。在另外的实施例中，机器学习自动分析测井数据的谱（光电或特征能量）含量，以标识关键特性，诸如腐蚀、孔眼、裂纹、划痕和/或结垢。在另外的实施例中，机器学习自动分析来自由相同工具产生的历史测井曲线的所得数据，以更好地确定用以实行地层压裂的最佳位置。

所有实施例允许将收集的数据呈现为传统的2D测井曲线（作为深度的函数），作为体素化的三维密度模型或作为此类的切片或截面。在替换实施例中，机器学习进一步处理数据，使得神经网络被训练成寻找信号异常，或者通过对轴向偏移的检测器组数据集合之间的（校准的）梯度和差异设置简单的鉴别器来进行训练。该技术在与源电压调制（即，改变灵敏度功能）组合时变得特别强大。在另外的实施例中，该工具确定围绕套管井筒的地层内的天然或人为的裂缝的方位、分布和体积。

在另外的实施例中，工具[101]检查沙筛（sand-screen）结构，以向操作者提供关于所述沙筛的状态的关键反馈。在另外的实施例中，工具[101]检查砾石充填，以向操作者提供关于砾石充填的布置、位置和结构的关键反馈。

在另外的实施例中，该工具位于随钻测井（LWD）柱内，而不是通过测井电缆输送。在另外的实施例中，泥浆涡轮机为LWD预配工具[101]供电。在另外的实施例中，电池为LWD预配工具供电。

在另外的实施例中，LWD预配工具确定围绕井筒的地层内的天然或人为的裂缝的方位、分布和体积。在另外的实施例中，LWD预配工具通过不断地测量地层密度的方位角分布来确定钻探设备的底部钻具组装件是否保持在其期望的地质床内。

在另外的实施例中，工具[101]与其他测量工具（诸如，中子孔隙度、自然伽马和/或阵列感应工具）组合。

在另外的实施例中，将按方位角分割的声学测量（以便按方位角测量水泥粘结）集成到该工具中，使得可以确定与第一套管的水泥粘结的质量，而无需附加的工具或测井运行。

相关联的示例方法允许在具有由方位角阵列中的检测器数量并且由工具的测井速度确定的分辨力的固定轴向（高速）测井模式与准许螺旋测井方法的另一种模式之间进行选择，从而提高了该工具的方位角分辨力，而无需将该工具从钻孔中移除以准许重新配置。这样的方法允许准直仪的致动，使得输出的X射线射束角度（与该工具的主轴相比）进行调制，并且准许在单次通过中对变化的勘测深度进行具有多种灵敏度的测井。由于检测器系统可以被固定（旋转地），因此无需处理构造要准许检测器底盘旋转所必需的物理连接的复杂性。

仅出于说明性目的提供上述说明书，并且并不意图描述本发明的所有可能的方面。尽管本文中已经相对于若干个示例性实施例详细示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将领会的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，还可以对本描述进行小的改变以及各种其他修改、省略和添加。