JP2010524005A

JP2010524005A - ベータートロン密度ゾンデからの半径方向の密度情報

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Publication number: JP2010524005A
Application number: JP2010503283A
Authority: JP
Inventors: チャールズ・アール・ケース
Original assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: CA2678607C; WO2009079058A2; JP5031889B2; US8321131B2; RU2435177C2; CA2678607A1; EP2109783A2; US20090157317A1; WO2009079058A3; RU2009130738A

Abstract

マッドケーキおよびスタンドオフの影響を、従来より少ない検出器を用いて補正する、掘削孔により横切られる地層の特徴を測定する装置および方法。装置は、第１および第２の入射角から地層に照射するために、空間的および時間的に分離された第１および第２のＸ線を作成するのに効果的な放射源と、地層から検出器に戻る第１および第２のＸ線の強度を表す第１および第２の信号を作成することができる１またはそれ以上のＸ線検出器と、放射源と検出器を収容するハウジングとを含む。

Description

本発明は、層密度検層に関し、特に、マッドケーキとスタンドオフの影響を補正する掘削孔の周囲の地層の密度を求める方法および装置に関する。

ゾンデとして知られるプローブは、油田の掘削孔に降下して、掘削孔の周囲の層密度を測定するのに使用される。層密度は、地質学者により使用され、油の生産流の深さレベルを予測するために使用される。従来の検層ゾンデは、ガンマ線（又はＸ線）源、少なくとも１つの検出器、および放射線源から直接放出される放射線の計測を防止するために放射線源から検出器を保護する材料とを含む。ゾンデの動作中、ガンマ線は放射線源から放出され、掘削孔の壁を通って調査される層の中に達する。それらのガンマ線は、層の原子内電子と相互作用し、コンプトン散乱プロセスで、放射線源から層中に放射された光子の幾つかは検層ツールの検出器に向かって散乱される。検出器に戻るガンマ線の数は層密度に依存するため、層密度は検出されたガンマ線の計数率や強度に基づいて計算される。

従来技術では、ベータートロンはＸ線照射源として知られている。米国特許５，５２５，７９７は、更に、高強度Ｘ線を形成するのに効果のある内部ターゲットを有するベータートロンが開示されている。この特許は、その全体を参照することによりここに含まれる。

層密度測定の正確さに影響する１つの問題は、マッドケーキ（mudcake）とツールスタンドオフ（tool standoff）効果である。マッドケーキは、掘削孔の外部周囲に沿って存在する掘削流体が固まった固い材料の層である。スタンドオフはゾンデから掘削孔の壁までの距離である。一般に、マッドケーキの密度は層の密度とは異なる。ガンマ線は検知器に到達する前にマッドケーキを２度横切らなければならず、検出器のみが検出されたガンマ線の計数率または強度を測定するため、マッドケーキ効果が修正されなければ、得られた層密度は非常に不正確である。

伝統的に、少なくとも２つの検出器が、マッドケーキの組立やツールスタンドオフにより生じるスタンドオフが補正するのに使用される。基本的な２つの検出器ゾンデは、放射源に近い検出器（短い間隔の検出器ＳＳ）と、放射源から遠い検出器（長い間隔の検出器ＬＳ）とを含む。ＳＳ検出器は浅い深さの調査を有し、ゾンデと層の間の層流体またはマッドケーキにより高感度である。一方、ＬＳ検出器はより深い調査を有し、掘削孔の周囲には感度は良くなく、層に対して高感度である。

「スパイン・アンド・リブ（spine-and-rib）」法は、一般に、２つの検出器の検層ツール中のツールスタンドオフのために、ＬＳ検出器測定を修正するために用いられる。「スパイン（Spine）」は、マッドケーキの無い異なる層密度において、ＬＳ検出器とＳＳ検出器の計数率の中心である。「リブ（Ribs）」は、スパインから延びてそれらのそれぞれは、一定の層密度や多くのマッドケーキ厚さのための、ＬＳ検出器とＳＳ検出器の計数率のデータポイントを接続することで形成される。検層中、特定のリブ上のポイントに対応するクロスプロット（cross-plot）位置がＬＳ検出器とＳＳ検出器からの計数率を用いて見つけられる。このリブをスパインまでたどることで、リブとスパインの交差により表されるように層密度が決定される。Ellis, D.V., Well Logging for Earth Scientists, Springer, 2^nd edition, 2007 が、２つの検出器の検層ツールを用いた層密度の測定の詳細な議論のために参照される。

計算された層密度の精度の更なる改良のために、３つまたはそれ以上の検出器が時々使用される。米国特許５，９１２，４６０は、３またはそれ以上の検出器を用いて大きなスタンドオフを補正する層密度の決定方法を開示する。この特許は、全体が参照されることでここに含まれる。

伝統的な複数の検出器の井戸の検層ツールでは、ＳＳ検出器は放射源に非常に近く、放射源からの直接照射から、検出器を保護することが難しかった。加えて、より多くの検出器が使用された場合、検層ツールの価格が非常に大きくなった。それゆえに、本発明の形態では、ＳＳ検出器の使用を避け、使用される検出器の総数を減らすとともに、同時に、層密度の測定を、正確で信頼できるように保持する。本発明の他の形態では、複数の検出器が使用された場合に、層やスタンドオフの条件について、より多くの情報を提供する。

本発明の具体例によれば、本発明は、通常より少ない検出器を用いて、マッドケーキやスタンドオフの影響を補正する、掘削孔により横切られた地層（earth formation）の特徴を測定するための装置及び方法を有することができる。これは、層中の異なる空間的な領域に対する検出器の感度が、制動放射ビーム（Bremsstrahlung beam）が層と間で形成する角度の関数として変化するとの観察に基づく。

記載された装置は、第１および第２の入射角から地層に照射するための、空間的および時間的に分離された第１および第２のＸ線源を効果的に形成する放射源と、地層から検出器に戻った第１及び第２のＸ線の強度を表示する、第１および第２の信号を形成することができる１またはそれ以上のＸ線検出器と、を含むことができる。「スパイン・アンド・リブ」メカニズムにより、２つの異なる信号のクロスプロットが、マッドケーキやスタンドオフの影響を補正した層密度を提供する。

以前は達成するのに２つの検出器を必要としたのと同じ機能が、１つの検出器で達成できるため、本発明の検層ツールで使用される検出器の総数を減らすことができる。複数の検出器が使用された場合、層やスタンドオフの条件について、より多くの情報が作成される。このように、このツールは費用効果がある。また、本発明ではＳＳ検出器が必要で無いため、ゾンデの製造プロセスを非常に単純化することができる。

本発明の具体例では、本発明は周囲の環境中で地層の特徴を測定するためのデバイスを含む。このデバイスは、２またはそれ以上のＸ線源を形成するのに有効な放射源を含む。２またはそれ以上の形成されたＸ線源のそれぞれは、異なった時間、異なった入射角で、地層に照射する。１またはそれ以上のＸ線検出器は、地層から１またはそれ以上のＸ線検出器に戻った１またはそれ以上のＸ線から、第１および第２のＸ線の強度を表す第１および第２の信号を形成する。

本発明の形態では、本発明は、放射源と１またはそれ以上のＸ線検出器を収容するような構造のハウジングを含んでも良い。更に、デバイスは１つの検出器を有する。更に、測定される地層の特徴は、層密度である。

本発明の具体例では、本発明は、掘削孔の周囲の地層の特徴を測定する方法を含む。この方法は、放射源を提供する工程を含み、放射源は、時間的に空間的に異なる第１および第２のＸ線源を形成するのに効果的である。この方法は、また、空間的に異なる第１および第２の入射角からの第１および第２のＸ線を用いて、地層に照射する工程を含む。更に、この方法は、地層から散乱された第１および第２のＸ線を検出する工程と、検出した第１および第２のＸ線の強度を表す第１および第２の信号を作成する工程を含む。この方法は、また、第１および第２の信号から層密度を計算する工程を含む。

本発明の具体例では、本発明は、洞窟の周囲の地層の特徴を測定する方法を含む。この方法は、ガンマ線が時間的に空間的に異なる入射角でそれぞれ形成されるように、ガンマ線の放射源を用いて地層に照射する工程を含む。この方法は、更に、地層で散乱されたそれぞれの形成されたガンマ線から、信号を作成できる少なくとも１つの検出器を提供する工程を含む。この方法は、また、検出されたガンマ線の強度を表す信号を形成する工程と、その形成された信号から層密度を形成する工程とを含む。

本発明の具体例では、本発明は、掘削孔の周囲の地層の特徴を測定する方法を含む。この方法は、油田の掘削孔中にゾンデを降下させる工程を含む。ゾンデは、空間的に異なる第１および第２のＸ線を形成できるエネルギー源と、１またはそれ以上のＸ線検出器と、ハウジングとを含む。ハウジングはエネルギー源と検出器を収容する構造となっている。この方法は、空間的に異なる第１および第２の入射角から、第１および第２のＸ線を用いて地層に照射する工程を含む。この方法は、地層で散乱された第１および第２のＸ線を検出する工程と、検出された第１および第２のＸ線の強度を表す第１および第２の信号を形成する工程とを含む。更に、この方法は、第１および第２の信号を、表面信号処理ユニットに伝達する工程と、表面信号処理ユニットで、第１および第２の信号から層の密度を計算する工程とを含む。

本発明の具体例では、本発明は、掘削孔の周囲の地層の特徴を測定するシステムを含む。この方法は、掘削孔を通って動くようにゾンデを取り付ける工程を含む。ゾンデは、空間的に異なる第１および第２のＸ線を形成するエネルギー源を含み、第１および第２のＸ線は、空間的に異なった第１および第２の入射角から地層に照射される。この方法は、地層から検出器に戻る第１および第２のＸ線の強度を表す、第１および第２の信号を１またはそれ以上のＸ線検出器が形成する工程を含む。この方法は、エネルギー源および検出器をハウジングが収容する工程を含む。この方法は、第１および第２の信号から、表面信号処理ユニットが地層密度を計算する工程を含む。この方法は、ゾンデと表面信号処理ユニットに検層ケーブルを接続する工程を含む。この方法は、また、ゾンデから信号処理ユニットにケーブルが第１および第２の信号を伝達する工程を含む。
更に、本発明の特徴や長所は、添付の図面と関連して以下の詳細な記載から、より明らかになるであろう。

本発明は、本発明の具体例を限定しない例示である複数の図面を参照しながら、これに続く詳細な説明に記載される。図面の多くの図を通して、同一参照番号は同一部分を表す。

従来技術の掘削孔雰囲気中の、１つの検出器の層密度検層ツールの概略である。本発明の具体例にかかる、異なる層の入射角を有する２つの空間的に時間的に異なるＸ線源を形成する電子源としてのベータートロンを有するゾンデを示す。本発明の具体例にかかる、異なるＸ線層入射角で検層ツールの長さに沿った位置の関数と同様に、層中への深さの関数として、層密度の変化に対する検出器信号の感度を表す感度マップを示し、このＸ線層入射角は１５度で示されている。本発明の具体例にかかる、異なるＸ線層入射角で検層ツールの長さに沿った位置の関数と同様に、層中への深さの関数として、層密度の変化に対する検出器信号の感度を表す他の感度マップを示し、このＸ線層入射角は４５度で示されている。本発明の具体例にかかる、異なるＸ線層入射角で検層ツールの長さに沿った位置の関数と同様に、層中への深さの関数として、層密度の変化に対する検出器信号の感度を表す他の感度マップを示し、このＸ線層入射角は９０度で示されている。本発明の具体例にかかる１つのＸ線検出器からの層密度の「スパイン・アンド・リブ」プロットである。

ここで表される特定のものは、例示であり、本発明の具体例の例示的な検討のみを目的とし、本発明の原理および概念的な形態の最も有用で容易に理解できる記載と信じられるものを提供するために表される。このため、本発明の基本的な理解のために必要とされるより詳細には、本発明の構造的な細部を示す試みは行われない。図面を参照する説明は、当業者にとって、本発明の多くの形態を実際にどのように具体化するかを明らかにする。更に、多くの図面中の同じ参照番号や符号は、同じ要素を示す。

本発明の具体例では、本発明は、通常より少ない検出器を用いて、マッドケーキやスタンドオフの影響を補正する、掘削孔により横切られた地層の特徴を測定するための装置及び方法を有することができる。これは、層中の異なる空間的な領域に対する検出器の感度が、制動放射ビームが層と間で形成する角度の関数として変化するとの観察に基づく。

図１は、従来技術の伝統的なゾンデの概略図である。示されるように、ゾンデ１は、ハウジング２、ガンマ線（またはＸ線）源３、および１またはそれ以上の検出器６を備える。地層４に囲まれた掘削孔中のケーブル７により、それはつるされる。ケーブル７はゾンデから表面データ処理ユニットにデータを中継する。掘削孔の壁は、５で示されるようにマッドケーキで覆われる。

図２は、本発明の第１の具体例を示し、放射源はベータートロンまたは他のＸ線照射器であり、空間的に異なる層入射角で少なくとも２つのＸ線を形成する。放射源としてベータートロン１１を用いたゾンデの例を図２に示す。

更に図２を参照して、２つのターゲット、即ちターゲット９とターゲット１０が、ベータートロンの環の内側に搭載され、スイッチングシーケンスが用いられた場合に、ベータートロントロイド中の電子は最初にターゲット９に当たり、通常は５００マイクロ秒である時間の経過後に、ターゲット１０に当たり、代わりに互いに空間的に異なった第１のＸ線１２と第２のＸ線１４をそれぞれ形成するように配置される。Ｘ線１２とＸ線１４の双方は、前方向に最高の照射である。ゾンデが操作された場合、Ｘ線１２は、第１入射角１３から、最初に地層を照らし、続いてＸ線１４が、第２入射角１５から、地層を照らす。ターゲット９およびターゲット１０は、Ｘ線形成金属またはＸ線形成金属合金である。

図２を参照して、Ｘ線１２およびＸ線１４が層の電子と作用した後、それらはゾンデ１に向かって散乱され、検出器６で検出される。次に、検出器６は、Ｘ線が検出された時間に基づいて、検出されたＸ線を２つの成分に分離する。それらの２つの成分は、層から戻ったＸ線１２とＸ線１４の強度に対応し、信号１と信号２として分離されて記録される。

図３〜図５は、層に対して入射角１５°、４５°、および９０°での、検層ツールの長さに沿った位置の関数と同様に、層中への深さの関数として、層密度の変化に対する検出器信号の感度を表す感度マップを示す。感度マップを比較することで、層中の異なる空間領域に対する検出器の感度が、Ｘ線が層と共に形成する入射角の関数として変化することが明白である。図３〜図５に示すように、小さな層入射角は、層の浅い領域の検出器感度を大きくし、一方、大きな層入射角は、層の深い領域の検出器感度を大きくする。浅い領域は主にマッドケーキであり、深い領域は主に層であり、補正された層密度の情報が、空間的に異なる層入射角のＸ線の計数率を用いて決定できる。このように、従来、行うために２つの検出器が必要であったのと同じ機能を、１つの検出器が達成する。

図６は、スパイン・アンド・リブメカニズムを用いた、補正された層密度の測定を示す。この例では、１つの検出器のみが用いられ、放射源から１５インチの距離に配置される。入射角が１５°で１つが測定され、入射角が６０°で他が測定され、測定されたＸ線のカウントのペアをつなぐことでスパインが得られ、ツールは、スタンドオフ無しに均一な密度の層の前に配置される。１つの特別な密度の層に前に、異なるスタンドオフ条件でツールを配置して、計数率の類似のペアを接続することでリブが形成される。検層中に１５°と６０°の層入射角でＸ線の検出器の計数が得られれば、図６に示され、Ellisにより述べられたメカニズムにより、補正された層密度が決定される。

本発明では、ＳＳ検出器が不要であるため、ゾンデの製造プロセスが非常に簡単になる。正確で信頼性のある情報を作成するために使用される検出器がより少ないため、ゾンデの価格を大幅に低減できる。また、伝統的なゾンデとして同数の検出器が用いられた場合、層とスタンドオフの条件についてより多くの情報が作成されるであろう。

上述の例は、単に説明を目的として提供されるもので、如何なる方法においても本発明を限定するように解釈されるものではないことに留意すべきである。本発明は、具体例を参照しながら記載したが、ここで使用される用語は、限定する用語ではなく、むしろ説明するものであることを理解すべきである。本発明の形態の範囲や精神から離れること無く、ここで述べ修正したように、添付した請求の範囲内で変形を行うことができる。本発明は、ここでは特定の手段、材料、および具体例を参照しながら述べられたが、本発明はここで記載された特定のものに限定されることを意図するものではなく、むしろ、本発明は、添付された請求の範囲内のような、全ての機能的に等価な構造、方法、および使用にまで拡張される。

Claims

掘削孔を囲む地層の特徴を測定する装置であって、
時間的および空間的に分離された第１および第２のＸ線源を作成するのに効果的な放射源であって、第１および第２のＸ線源は、時間的および空間的に異なる第１および第２の入射角から地層を照射する放射源と、
地層から１またはそれ以上のＸ線検出器に戻る第１および第２のＸ線源の強度を表す第１および第２の信号を作成することができる１またはそれ以上のＸ線検出器と、
放射源と１またはそれ以上のＸ線検出器を収容するハウジングと、を含む装置。
装置が１つの検出器を有する請求項１に記載の装置。
検出器の調査の深さのそれぞれが、Ｘ線層入射角の増加とともに増加する請求項１に記載の装置。
放射源は、電子を加速し、互いに空間的に分離された第１および第２の位置に配置された第１および第２のターゲットに時間的に分離して当たるように電子を加速するのに効果的であり、第１および第２のターゲットは、第１および第２のＸ線源を作成するのに効果的である請求項１に記載の装置。
掘削孔を囲む地層の特徴を測定する方法であって、
ａ）時間的および空間的に異なる第１および第２のＸ線源を作成するのに効果的な放射源を提供する工程と、
ｂ）空間的に異なる第１および第２の入射角から、第１および第２のＸ線源を用いて、地層に照射する工程と、
ｃ）地層から散乱された第１および第２のＸ線を検出する工程と、
ｄ）検出された第１および第２のＸ線源の強度を表す第１および第２の信号を作成する工程と、
ｅ）第１および第２の信号から層密度を計算する工程と、を含む方法。
ａ）第１のＸ線源を作成するのに効果的な第１のターゲットを、放射源の中に提供する工程と、
ｂ）空間的に異なる第２のＸ線源を作成するのに効果的な、空間的に異なる第２ターゲットを、放射源中に提供する工程と、を更に含む請求項５に記載の方法。
地下の環境中で地層の特徴を測定するデバイスであって、
２またはそれ以上のＸ線源を作成するのに効果的な放射源であって、２またはそれ以上の作成されたＸ線源は、異なる時間、異なる入射角で、それぞれ地層に照射される放射源と、
地層から１またはそれ以上のＸ線検出器に戻る２またはそれ以上Ｘ線源から、第１および第２のＸ線源の強度を表す第１および第２の信号を作成することができる１またはそれ以上のＸ線検出器と、を含むデバイス。
ハウジングが、放射源と、１またはそれ以上のＸ線検出器を収容するように構成された請求項７に記載のデバイス。
デバイスが、１つの検出器を有する請求項７に記載のデバイス。
地層の測定される特徴が、層密度である請求項７に記載のデバイス。
それぞれの検出器が調査する深さが、Ｘ線層入射角の増加に伴って増加する請求項７に記載のデバイス。
放射源は、電子を加速し、互いに空間的に分離された第１および第２の位置に配置された第１および第２のターゲットに時間的に分離して当たるように電子を加速するのに効果的であり、第１および第２のターゲットは、第１および第２のＸ線源を作成するのに効果的である請求項７に記載のデバイス。
掘削孔を囲む地層の特徴を測定する方法であって、
ａ）油田掘削孔中にゾンデを降下させる工程であって、ゾンデは、
空間的に異なる第１および第２のＸ線を形成するのに効果的なエネルギー源と、
１またはそれ以上のＸ線検出器と、
エネルギー源と検出器とを収容するハウジングと、
を含む工程と、
ｂ）空間的に異なる第１および第２の入射角から、第１および第２のＸ線源を用いて、地層に照射する工程と、
ｃ）地層から散乱された第１および第２のＸ線を検出する工程と、
ｄ）検出された第１および第２のＸ線源の強度を表す第１および第２の信号を作成する工程と、
ｅ）第１および第２の信号を表面信号処理ユニットに伝達する工程と、
ｆ）表面信号処理ユニットで、第１および第２の信号から層密度を計算する工程と、を含む方法。
ａ）第１のＸ線源を作成するのに効果的な第１のターゲットを、放射源の中に提供する工程と、
ｂ）空間的に異なる第２のＸ線源を作成するのに効果的な、空間的に異なる第２ターゲットを、エネルギー源中に提供する工程と、を更に含む請求項１３に記載の方法。
掘削孔を囲む地層の特徴を測定するためのシステムであって、
掘削孔を通って移動するように取り付けられたゾンデであって、
空間的に異なる第１および第２のＸ線を形成するのに効果的なエネルギー源であって、第１および第２のＸ線は、空間的に異なる第１および第２の入射角から地層を照射するエネルギー源と、
１またはそれ以上のＸ線検出器であって、地層から検出器に戻る第１および第２のＸ線の強度を表す第１および第２の信号を作成できる検出器と、
エネルギー源と検出器とを収容するハウジングと、
を含むゾンデと、
第１および第２の信号から地層密度を計算するための表面信号処理ユニットと、
ゾンデと表面信号処理ユニットとを接続する検層ケーブルであって、ゾンデから信号処理ユニットに第１および第２の信号を伝達するのに効果的な検層ケーブルと、を含むシステム。
装置が１つの検出器を有する請求項１５に記載のシステム。
それぞれの検出器の調査の深さは、Ｘ線の層入射角の増加とともに増加する請求項１５に記載のシステム。
エネルギー源は、電子を加速し、互いに空間的に分離された第１および第２の位置に配置された第１および第２のターゲットに時間的に分離して当たるように電子を加速するのに効果的であり、第１および第２のターゲットは、第１および第２のＸ線源を作成するのに効果的である請求項１５に記載のデバイス。