JP2020510826A - １重及び２重ケーシング・ストリング環境の環状材料における異常の検出 - Google Patents

Abstract

１重、２重、及び多重ケーシングの坑井環境内で材料体積の密度を測定するためのｘ線ベースのセメント評価ツールが提供され、本ツールは、ゾンデ区域を備える内部長さを少なくとも含み、前記ゾンデ区域は、ｘ線源と、放射線測定検出器用の放射線シールドと、ゾンデ依存電子機器と、複数のツール論理電子機器及びＰＳＵと、を更に備え、本ツールは、ｘ線を使用して、掘削孔の周囲の地層を照射し、セメント環帯の密度及び内部の密度の変動を直接測定するために、複数の検出器が使用される。他の検出器の応答がツールのスタンドオフ及び中心配置に関して補償されるようにケーシングのスタンドオフを測定するために使用される検出器、ｘ線源の出力をモニタするために複数の規準検出器が使用され、軸方向最短オフセット検出器が、光電測定を行うことができるように、入射する光子を複数のエネルギー区分へと分布させるように構成される。

Description

本発明は、一般に、環状材料における異常を検出するための方法及び手段に関し、非限定的であるが具体的な実施例では、１重及び２重ケーシング・ストリング環境の環状材料における異常を検出するための方法及び手段に関する。

石油及びガス産業において、複数のケーシングにわたってセメントの品質を計測する必要性は、その環帯の状態を判定する能力と同様に、特に重要なものである。当該産業は現在、１重ケーシング・ストリングの背後の液圧シールの検証のために様々な方法を採用している。典型的には、井戸の中で超音波ツールを作動させて、セメントがケーシングの外側に結合されているかどうかを判定し、このことにより、ケーシングと地層との間の、又はケーシングと外側ケーシングとの間の環帯内のセメントの存在が示される。最終的には、区画ごとの分離が達成されていることを確かめるためには圧力試験が必要となる。なぜなら、超音波ツールが適正に機能することを可能にするためには、ケーシングの品質、ケーシングと環帯内の材料との間の結合、及び環帯内の材料の機械的特性に大きく依存するからである。更に、超音波ツールは、環帯内の材料を単一同位体の均質な体積として扱い、この理想からのいかなる実際の乖離も、測定における不正確さにつながる。

現状のツールは、最も内側のケーシングのセメント・ボンドに関する情報を提供できるが、セメント又は環状材料内への様々な深度を区別する能力を欠いている。このことは、セメント−地層境界において、セメント自体の中に、又はケーシングと外側のケーシングとの間に、流体移動経路が存在する場合があり、このことにより区画ごとの分離が失われることになる可能性につながり得る。

区画ごとの分離と井戸の完全性とに対するリスクを呈し得る流体経路が存在しないことを確かめるために、放射方向及び方位方向における（セメント−地層境界までの）環状領域内の異常の位置を判定できる、実行可能な技術で、現在利用可能なものは存在しない。

従来技術は、水の井戸、石油井、若しくはガス井の掘削孔の中若しくは周囲の構造を検査する、又はそれらの構造についての情報を取得するために、ｘ線又は他の放射エネルギーを使用する様々な技法を教示しているが、１重又は多重ストリングのケーシングを設けた井戸環境において、坑井の周囲の環状材料における異常の方位方向及び放射方向の位置を正確に分析できる方法又は手段を教示しているものはない。更に、放射源及び検出器の組立体が前記ケーシングと接触していることが必要であった「パッドを用いる（ｐａｄｄｅｄ）」ツールではない、井戸ケーシングと同心である中心に配置された（パッドを用いない（ｎｏｎ−ｐａｄｄｅｄ））ツールを含む手段を用いて、異常の方位方向の位置を正確に分析する方法について、教示しているものはない。

例えば、Ｙｏｕｍａｎｓへの米国特許第３，５６４，２５１号は、ツールを直接取り囲んでいるケーシングの内面又は掘削孔表面のらせん形態の柱状図を作製する目的で、検出器において減衰信号を生み出すために使用される、ｘ線キャリパーとして具現化されるのが効果的な、方位方向にスキャンするコリメートされたｘ線ビームの使用を開示している。しかしながら、本参考文献は、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現するための手段又は方法を開示してはおらず、したがって、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。

Ｔｅａｇｕｅらへの米国特許第７，６７５，０２９号は、２次元画像化技法を参照する、掘削孔の内側の任意の水平面からのｘ線後方散乱光子の測定を可能にする装置を教示している。

Ｗｒａｉｇｈｔへの米国特許第７，６３４，０５９号は、放射方向において掘削孔の内側を見ることが技術的に可能ではない状況で、掘削孔の内側の内面の２次元ｘ線画像を測定するために使用され得る構想及び装置を提供している。しかしながら、本特許は、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現する方法又は手段を教示してはおらず、したがって、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。

Ｔｅａｇｕｅへの米国特許第８，４８１，９１９号は、掘削孔内で放射性同位体を使用することなくコンプトン・スペクトル放射を生み出す方法を開示しており、更に、装置の内部に据えられた、固定された放射源を中心に回転するコリメータについて記載しているが、コリメータを有するソリッド・ステートの検出器は有していない。本特許は更に、パノラマ的なｘ線放射を生み出すことを可能にするための、円錐形の放射方向に対称なアノード配置の使用について教示している。しかしながら、本参考文献は、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現するための手段又は方法を教示してはおらず、このため、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。本参考文献はまた、１重又は多重ストリングのケーシングを設けた孔環境内での、パッドを用いない（すなわち同心の）ツーリング技法について教示してもいない。

Ｓｍａａｒｄｙｋによる米国特許出願公開第２０１３／０００９０４９号は、掘削孔の内側層から後方散乱したｘ線の測定を可能にする装置を開示している。しかしながら、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現するための手段又は方法を教示してはおらず、このため、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。

Ｓｈｅｄｌｏｃｋへの米国特許第８，１３８，４７１号は、ｘ線源と、回転可能なｘ線ビーム・コリメータと、ソリッド・ステートの放射線検出器と、に基づいた、掘削孔のケーシング及びパイプラインの内面のみの画像化を可能にする、スキャン・ビーム装置を開示している。しかしながら、本参考文献は、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現する方法又は手段を教示してはおらず、したがって、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。

Ｂａｙｌｅｓｓへの米国特許第５，３２６，９７０号は、ｘ線源が直線加速器ベースのものである、掘削孔ケーシングの内面から後方散乱したｘ線の測定を目的とするツールに関する構想を開示している。しかしながら、本参考文献は、１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して散乱を測定するための手段又は方法を教示してはおらず、このため、前記ケーシングの背後からの信号とセメントなどの環状材料を区別することができない。

Ｔｅａｇｕｅへの米国特許第７，７０５，２９４号は、欠けているセグメントのデータが掘削孔内での装置の移動を介して取り込まれる、掘削孔の内側層から選択された放射方向へと後方散乱したｘ線を測定することを目的とする装置を教示している。装置は井戸又は掘削孔の２次元再構築用のデータの生成を可能にするが、本公報は、照射ｘ線ビームが後方散乱される光子の生じる深度を区別するのを可能にするために必要な幾何的構成については教示しておらず、それらの方向のみを教示している。

Ｈｏｒｎｂｙへの米国特許第５，０８１，６１１号は、地盤構造の音響物理パラメータを、単一の超音波変換器及びツールの主軸に沿って分布させたいくつかの受信機を使用して、掘削孔に沿って縦方向に判定するための、逆投影の方法を開示している。

Ｈｉｌｌｉｓへの米国特許第６，７２５，１６１号は、送信機と受信機との間の地質物質に関する構造情報を判定することを目的として、送信機を掘削孔内に及び送信機を地表に、又は受信機を掘削孔内に及び送信機を地表に、設置する方法を教示している。

Ｓｉｄｄｉｑｕｉへの米国特許第６，８７６，７２１号は、コア試料から得られた情報を掘削孔密度検層からの情報と相関させる方法を教示している。コア試料の情報はコア試料のＣＴスキャンから導出され、この場合、ｘ線源及び検出器は、試料の外側に位置付けられ、このことにより、外側から中を見る配置として構成される。ＣＴスキャンからの様々な種類の情報、例えばそのバルク密度を、検層情報と比較し、相関させる。

Ｆｌａｕｍへの米国特許第４，４６４，５６９号は、中性子分光検層ツールによって、地盤構造の中性子照射後に地盤構造から発する検出された中性子捕獲ガンマ線を処理することによって、井戸掘削孔の周囲の地盤構造の元素組成を判定する方法を開示している。

Ｓｅｅｍａｎへの米国特許第４，４３３，２４０号は、地層の岩石からの自然放射を検出し、前記情報をログして、それを強度対深度プロットのフォーマットで表現できるようにする、掘削孔検層ツールを開示している。

Ｔｕｒｃｏｔｔｅへの米国特許第３，９７６，８７９号は、パルス式の電磁エネルギー源又は光子源による掘削孔の周囲の地層から後方散乱した放射を検出及び記録して、特徴的な情報を強度対深度プロットのフォーマットで表現できるようにする、掘削孔検層ツールを開示している。

Ｗｉｌｓｏｎらへの米国特許第９，０１２，８３６号は、ワイヤライン環境において方位方向の中性子孔隙率（ｎｅｕｔｒｏｎ ｐｏｒｏｓｉｔｙ）画像を作製するための方法及び手段を開示している。米国特許第８，６６４，５８７号と同様に、本参考文献は、中性子検出器を、入射する中性子及びガンマ線に対する方向性を推定するために調節体内でシールドされている方位方向に配置された複数の検出器へと更に分割することによって、水圧破砕後の検層を解釈する際に操作者を支援するための、ワイヤライン・ツールにおいて実装可能な、方位方向に関して不変である検出器の配置を開示している。

Ｍａｎｅｎｔｅらへの米国特許第４，８８３，９５６号は、掘削孔の中を移動するように適合された装置を使用する、地表下の地盤構造の調査用の装置及び方法を提供している。測定されるべき地層の１つ又は複数の特性に応じて、装置は、ガンマ線、ｘ線、又は中性子などの貫通する放射線で地層を照射するための、自然の又は人工の放射源を含み得る。検出された放射線に応答してシンチレータが生み出した光は、その放射線の少なくとも１つの特性を表す信号を生成するために使用され、この信号は記録される。

Ｐｌｕｍｂへの米国特許第６，０７８，８６７号は、掘削孔に関連するキャリパー・データを受信するステップと、キャリパー・データから掘削孔の３次元ワイヤ・メッシュ・モデルを生成するステップと、掘削孔の形態、凹凸度（ｒｕｇｏｓｉｔｙ）、及び／又は岩質のいずれかに基づいて、キャリパー・データから３次元ワイヤ・メッシュ・モデルをカラー・マッピングするステップと、を少なくとも含む、掘削孔の３次元グラフィック表現を生成する方法を開示している。

Ｔｉｔｔｌｅへの米国特許第３，３２１，６２７号は、密度対深度プロットのフォーマットで最適に表現される、掘削孔の外側の地層の密度を判定するためのコリメートされた検出器及びコリメートされたガンマ線源のシステムを開示している。しかしながら、本参考文献は、それを１重又は多重の井戸ケーシングの鋼壁を通して実現するための手段又は方法については教示していない。

米国特許第３，５６４，２５１号 米国特許第７，６７５，０２９号 米国特許第７，６３４，０５９号 米国特許第８，４８１，９１９号 米国特許出願公開第２０１３／０００９０４９号 米国特許第８，１３８，４７１号 米国特許第５，３２６，９７０号 米国特許第７，７０５，２９４号 米国特許第５，０８１，６１１号 米国特許第６，７２５，１６１号 米国特許第６，８７６，７２１号 米国特許第４，４６４，５６９号 米国特許第４，４３３，２４０号 米国特許第３，９７６，８７９号 米国特許第９，０１２，８３６号 米国特許第８，６６４，５８７号 米国特許第４，８８３，９５６号 米国特許第６，０７８，８６７号 米国特許第３，３２１，６２７号

１重、２重、及び多重ケーシングの坑井環境内で材料体積の密度を測定するためのｘ線ベースのセメント評価ツールが提供され、ツールは、ゾンデ区域を備える内部長さを少なくとも含み、前記ゾンデ区域は、ｘ線源と、放射線測定検出器用の放射線シールドと、ゾンデ依存電子機器と、複数のツール論理電子機器及びＰＳＵと、を更に備え、ツールは、ｘ線を使用して、掘削孔の周囲の地層を照射し、セメント環帯の密度及び内部の密度の何らかの変動を直接測定するために、複数の検出器が使用される。他の検出器の応答がツールのスタンドオフ及び中心配置に関して補償されるようにケーシングのスタンドオフ（ｓｔａｎｄｏｆｆ）を測定するために使用される検出器、ｘ線源の出力をモニタするために複数の規準検出器が使用され、軸方向最短オフセット検出器が、光電測定を行うことができるように、入射する光子を複数のエネルギー区分へと分布させるように構成される。

ワイヤライン搬送機器によって掘削孔内へと配備された、セメント化された環帯の密度を測定する、ｘ線ベースのセメント評価ツールを示す図である。 ｘ線の擬似円錐を生成するように成された方位方向の複数のｘ線ビームを示す図である。 ツール・ハウジング内に位置付けられたｘ線源と検出器とを示す図である。 ツール・ハウジング内に位置付けられたｘ線源と検出器とを示す図である。 ツール・ハウジング内に位置付けられたｘ線源と検出器とを示す図である。 ｘ線ビームと坑井流体及びケーシングとの相互作用の結果得られるケーシングの光電測定を示す図であり、この測定は、ケーシング材料内の腐食と関連付けられた材料の全体量を確認するために、２次検出器又は１次検出器によって行われ得る。 調節された出力ｘ線ビームのエネルギー、及び、調査深度に応じた各検出器群の感度に関する最適な軸方向オフセットの変化を示す図である。 強度対光子エネルギーを示す１次検出器のスペクトル表現を示す図である。

本発明は、井戸ケーシングとの直接の物理的接触を必要としない（すなわち、パッドを用いない）パッケージにおいて、坑井の周囲の材料の密度の分解能及び判定能力を改善するための方法及び手段について記載する。本明細書において記載され特許請求される発明は、１重又は多重ストリングのケーシングを設けた孔環境内で掘削孔の周囲の環状材料内の密度変動を検出することを目的として、パッドを用いない同心に位置付けられた掘削孔検層ツール内に位置付けられた、擬似円錐形のｘ線ビームを使用するための方法及び手段から成る。

コリメートされた検出器を配置することにより、方位方向及び放射方向に位置付けられた既知の相互作用する領域（方位方向に分布した調査深度）と特定的に関連するデータの収集が可能になる。前記ツールが井戸内で軸方向に移動されるとき、掘削孔の周囲の環状材料の密度の３次元マップを作製することができ、これにより、環状材料の密度の変動を分析して、セメントの完全性及び区画ごとの分離に関する問題、例えば環状材料にある圧力を伝達し得る通路又は孔を、見付けることができるようになる。

実例としての方法は、放射線物理学並びに石油及びガス産業におけるセメント及びケーシングの測定を新しく応用した、知られている技術と新しい技術の組み合わせを含む。かかる方法は、水の井戸、石油井、又はガス井において使用される方法を実施するために使用され得る手段によって、更に具現化される。この実例としての方法は、セメント化された１重又は多重ストリングの坑井環境内での、セメントの完全性、区画ごとの分離、及び井戸の完全性の、モニタリング及び判定に役立つ。

ここで添付の図を参照すると、図１は、ワイヤライン搬送機器（１０２，１０３）によって掘削孔（１０５）内へと配備されたｘ線ベースのセメント評価ツール（１０１）を示しており、ツール（１０１）によってセメント化された環帯（１０４）の密度が測定される。

図２は、ｘ線の擬似円錐を生成するように成された方位方向の複数のｘ線ビーム（２０１）を示す。ただし、真の円錐とは異なり、検出器（２０３）同士の間で信号のクロス・トークの量を低減するために擬似円錐（２０１）の別個のフィンガを採用できる、すなわち、掘削孔及びケーシング（２０５）の周囲の環状材料（２０２）の異常（２０４）が、方位方向に位置付けられた異なる検出器（２０３）によって異なる割合で検出されることになり、この結果、異常の方位方向の最も可能性の高い場所を判定できる。

図３は、ツール・ハウジング（３１０）内に位置付けられたｘ線源及び検出器（３０７、３０８）を示している。ツールは、流体（３０６）が充填された、ケーシングを設けた掘削孔内に位置付けられている。第１のケーシング（３０５）は、セメント（３０４）を充填された環帯によって、第２のケーシング（３０３）に結合されている。第２のケーシング（３０３）は、第２のセメント（３０２）を充填された環帯によって、地層（３０１）に結合されている。円錐形のｘ線ビーム（３０９）が掘削孔の周囲の媒体（３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６）と相互作用する際に、軸方向にオフセットされた検出器（３０７、３０８）の各群において、カウントが検出される。流体及びケーシング検出器（３０８）のデータはほとんどの場合、単一事象の散乱機序に起因するものとなり、一方、異常検出器群（３０７）のデータはほとんどの場合、複数散乱事象の機序を備える。

図４は、ツール・ハウジング（４０７）内に位置付けられたｘ線源及び検出器（４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５）を示している。ツールは、流体（４０６）が充填された、ケーシングを設けた掘削孔内に位置付けられている。第１のケーシング（４０５）は、セメント（４０４）を充填された環帯によって、第２のケーシング（４０３）に結合されている。第２のケーシング（４０３）は、第２のセメント（４０２）を充填された環帯によって、地層（４０１）に結合されている。ｘ線ビーム（４０９）（ここでは円錐として示す）がツール・ハウジング（４０７）の周囲の媒体（４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６）と相互作用する際、軸方向にずらされた検出器（４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５）の各群において検出されるカウントは、光子がツール周囲物（４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６）の各「層」を出入りして移動する際の、検出された光子の様々な減衰要因の総和の畳み込みである。検出器群に関する（放射源からの）軸方向オフセットが大きくなるにつれ、検出される信号の畳み込みの量も大きくなる。関数として、ｘ線光子エネルギーの関数としての、様々な材料の平均自由行程の長さが追加される。１次検出器（４１０）データはほとんどの場合、単一事象の散乱機序に起因するものとなり、一方、３次〜ｎ次（４１２から４１５）の検出器群のデータはほとんどの場合、複数（コンプトン）散乱事象の機序を備える。軸方向オフセットがより低い（放射方向の調査深度がより低い）方位に関して整合した対応する検出器によって収集されたデータを使用することで、各検出器からのデータを逆畳み込みすることができる。複数ステップのアプローチを用いて、各検出器からの信号を、結果が特定の検出器の調査深度（関心領域）内の材料の密度の尺度となるように、逆畳み込みことができる。

図５は、ツール・ハウジング（５０７）内に位置付けられたｘ線源及び検出器（５１０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５）を示している。ツールは、流体（５０６）が充填された、ケーシングを設けた掘削孔内に位置付けられている。第１のケーシング（５０５）は、セメント（５０４）を充填された環帯によって、第２のケーシング（５０３）に結合されている。第２のケーシング（５０３）は、第２のセメント（５０２）を充填された環帯によって、地層（５０１）に結合されている。ｘ線ビーム（５０９）（ここでは円錐として示す）が掘削孔の周囲の媒体と相互作用する際、軸方向にオフセットされた検出器（５１０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５）の各群において検出されるカウントは、光子がツール周囲物（５０１、５０２、５０３、５０４、５０５、５０６）の各「層」を出入りして移動する際の、検出された光子の様々な減衰要因の総和の畳み込みである。１次検出器群（５１０）によって収集されたデータを使用することで、各検出器からのデータを逆畳み込みして、流体厚さ（５０６）及びケーシング（５０５）の変動のみを補償することができる。単一ステップのアプローチを用いて、各検出器からの信号を、より低い調査深度（又はより低い軸方向オフセット）における減衰と材料の散乱断面積の関数と組み合わされた、調査深度（関心領域）内の材料の密度の尺度が結果的に得られるように、補償することができる。

図６は、ｘ線ビーム（６０１）と坑井流体（６０４）及びケーシング（６０３）の相互作用の結果得られるケーシング（６０３）の光電測定を示しており、この測定は、ケーシング材料内の腐食（６０７）と関連付けられた材料の全体量を確認するために、２次検出器（６０６）又は１次検出器（６０５）によって行われ得る。この測定はまた、「ケーシング品質」係数測定を判定するために、１次検出器（６０５）が寄与する放射方向のオフセット測定と組み合わせることもできる。ケーシングは通常、それらの外径によって、及び単位長さあたりの重量によって、寸法グループに段階分けされる。ケーシングの寸法のばらつきは、内径によって示される。この結果、坑井流体に面するケーシング内面の腐食を、内径が変動するにつれケーシングの内面上を軸方向に前後に移動するｘ線ビーム（６０１）の、（１次検出器（６０５）によって）測定される強度を使用して、内径の測定のみによって判定できる。

図７は、調節された出力ｘ線ビーム（７０１）のエネルギー、及び調査深度に応じた、各検出器群（７０７）の感度に関する最適な軸方向オフセットの変化を示している。ｘ線ビームのエネルギー（７０８）を下げると、結果的に、検出器群（７０９）の最適な軸方向オフセットが小さくなることになる。しかしながら、物理的な検出器（７０７）は不変のままであるので、ｘ線ビームの調節から関連している収集された情報は、掘削孔の周囲の領域に関する感度関数の様々なレベルを確認するために使用することができる。実際には、合成開口のように機能し、半径方向分解能を高める。

図８は、強度（８０１）対光子エネルギー（８０２）を示す１次検出器のスペクトル表現を示している。１次検出器は、入射する光子のスペクトルを収集するために、又はエネルギー閾値に基づいて収集を行うために使用することができ、この場合、コンプトン散乱事象から発生するカウントと光電的に発生するカウントとの間を分けるために、特定のエネルギー窓（８０３、８０４）が使用される。この点に関して、光電エネルギーは、低エネルギー窓（８０３）内のカウントによって、及びより高いエネルギー窓（８０４）内のコンプトンによって、表すことが考えられる。２つの窓内で収集されるカウントの比により、光電測定の基礎が与えられる。

ある実施例では、ｘ線ベースのセメント評価ツール（１０１）がワイヤライン搬送機器（１０２，１０３）によって掘削孔（１０５）内へと配備され、ツール（１０１）によってセメント化された環帯（１０４）の密度が測定される。

更なる実施例では、掘削孔検層ツール（１０１）の圧力ハウジング内に位置付けられているｘ線源の出力に方向性を与えるために、円筒形のコリメータが使用される。方位方向の複数のｘ線ビーム（２０１）に、ｘ線の擬似円錐を生成させることができる。ただし、真の円錐とは異なり、検出器（２０３）同士の間で信号のクロス・トークの量を低減するために擬似円錐（２０１）の別個のフィンガを採用できる、すなわち、掘削孔及びケーシング（２０５）の周囲の環状材料（２０２）の異常（２０４）が、方位方向に位置付けられた異なる検出器（２０３）によって異なる割合で検出されることになり、この結果、異常の方位方向の最も可能性の高い場所を判定できる。ｘ線源及び検出器（３０７、３０８）は、ツール・ハウジング（３１０）内に位置付けられている。ツールは、流体（３０６）を充填された、ケーシングを設けた掘削孔内に位置付けられている。第１のケーシング（３０５）は、セメント（３０４）を充填された環帯によって、第２のケーシング（３０３）に結合されている。第２のケーシング（３０３）は、第２のセメント（３０２）を充填された環帯によって、地層（３０１）に結合されている。円錐形のｘ線ビーム（３０９）が掘削孔の周囲の媒体（３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６）と相互作用する際に、軸方向にオフセットされた検出器（３０７、３０８）の各群において、カウントが検出される。流体及びケーシング検出器（３０８）のデータはほとんどの場合、単一事象の散乱機序に起因するものとなり、一方、異常検出器群（３０７）のデータはほとんどの場合、複数散乱事象の機序を備える。ｘ線源及び検出器（４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５）は、ツール・ハウジング（４０７）内に位置付けられている。ｘ線ビーム（４０９）がツール・ハウジング（４０７）の周囲の媒体（４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６）と相互作用する際、軸方向にオフセットされた検出器（４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５）の各群において検出されるカウントは、光子がツール周囲物（４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６）の放射方向の各層を出入りして移動する際の、検出された光子の様々な減衰要因の総和の畳み込みである。検出器群に関する（放射源からの）軸方向オフセットが大きくなるにつれ、検出される信号の畳み込みの量も大きくなる。関数として、ｘ線光子エネルギーの関数としての、様々な材料の平均自由行程の長さが追加される。１次検出器（４１０）データはほとんどの場合、単一事象の散乱機序に起因するものとなり、一方、３次〜ｎ次（４１２から４１５）の検出器群のデータはほとんどの場合、複数（コンプトン）散乱事象の機序を備える。

軸方向オフセットがより低い（放射方向の調査深度がより低い）方位に関して整合した対応する検出器によって収集されたデータを使用することで、各検出器からのデータが逆畳み込みされる。複数ステップのアプローチを用いて、各検出器からの信号を、結果が特定の検出器の調査深度（関心領域）内の材料の密度の尺度となるように、逆畳み込みことができる。

更なる実施例では、１次検出器群（５１０）によって収集されたデータを使用することで、各検出器からのデータを逆畳み込みして、流体厚さ（５０６）及びケーシング（５０５）の変動のみを補償することができる。単一ステップのアプローチを用いて、各検出器からの信号を、より低い調査深度（又はより低い軸方向オフセット）における減衰と材料の散乱断面積の関数と組み合わされた、調査深度（関心領域）内の材料の密度の尺度が結果的に得られるように、補償することができる。

１次検出器群の散乱バイアスは単一であるので、この群は、井戸流体を介するツール・ハウジングとケーシングとの間のオフセットを測定するのに理想的なものとなる。ツールはほとんどの場合井戸ケーシングと同軸に（すなわちパッドを用いずに）位置付けられることになるので、ツールがほとんどの場合中心に配置されることが予想できる。しかしながら、井戸ケーシング径（楕円率）の何らかの僅かな変動、又はツールのセントラライザ機構の機能不全の結果、坑井流体を通るｘ線の経路長はより長くなる。この理由により、１次検出器は、経路長の変化及びより高次の検出器に関する減衰に対する、主要な補償機構である。更に、ケーシング内のツールの物理的な場所を（中心線からのオフセットの関数として）判定できるように、方位方向に分布させた１次検出器の各々の比較を利用することができる。例えば、偏心したツールの一方側からの信号は、ツールの反対側からのものとは異なることになり、群内で３つ以上の検出器を方位方向に使用することにより、ツールが中心に配置されているか否かを（有用な情報として）判定するのを補助することができ、５つ以上の検出器を使用することにより、同じことを達成しながら、ケーシングの楕円率を判定するための楕円関数を生成するための手段を提供するという、追加の利益を得ることができる。

より高次の検出器群に類似の技法を適用することができる。この場合、「外側の」井戸ケーシングと関連付けられた関心領域（又は関心半径）と関連付けられている検出器群を使用して、楕円関数を、最も内側のケーシングが最も外側のケーシングと比較してどこに位置付けられているかを判定することに帰属させることができ、これにより、多重ストリングのケーシングの偏心の距離関数を解くことができる。

軸方向にオフセットされた検出器の方位方向のグループの比較を用いて、「密度異常」の可能性の高い放射方向の位置を判定することもできる。この点に関して、異常が外側のケーシングと地層との間の外側の環帯内に位置する場合には、より高次の検出器群のみが、入射する光子強度／カウントの変化を検出するものとし、これに対し、より低次の検出器群の調査深度は、前記異常を検出するには低過ぎると考えられる。より低次の検出器群によって検出される異常は、より低次の異常検出器及びより高次の検出器の両方によって検出されると考えられが、その理由は、ｘ線ビームがこれら関心領域の全てを通過するからである。より低い（内側の）調査深度に位置する異常は、より高次の検出器に対する畳み込み効果を有することになる。より高次の検出器及びより低次の検出器に対する影響の違いは、掘削孔の周囲の環状材料内に位置する密度異常の放射方向の位置を判定するための基礎の役割を果たす。

ある実施例では、方位方向の各平面から収集されたデータを処理して、ツールの表面から掘削孔の周囲の地層内へとかなりの距離まで延びる、材料の２次元密度マップ（ピクセル）を作製することができ、このことにより、材料に関する密度データの全てが、軸方向の位置と放射方向の位置の関数として取り込まれる。更なる実施例では、各「方位」からから収集されたデータを隣り合う方位と比較して、異常の方位方向の位置を確認することができ、このことにより、軸方向の位置、方位方向及び放射方向の位置の関数として、２次元マップを材料に関する密度データの３次元マップ（ボクセル）に融合できるようになる。

埋立て及び廃坑（ｐｌｕｇ ａｎｄ ａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔ）処理中は、ケーシングの品質が知られていない場合がある。更なる実施例では、ｘ線ビーム（６０１）と坑井流体（６０４）及びケーシング（６０３）の相互作用の結果得られるケーシング（６０３）の光電測定を示しており、この測定は、ケーシング材料内の腐食（６０７）と関連付けられた材料の全体量を確認するために、２次検出器（６０６）又は１次検出器（６０５）によって行われ得る。この測定はまた、「ケーシング品質」係数測定を判定するために、１次検出器（６０５）が寄与する放射方向のオフセット測定と組み合わせることもできる。ケーシングは通常、それらの外径によって、及び単位長さあたりの重量によって、寸法グループに段階分けされる。ケーシングの寸法のばらつきは、内径によって示される。この結果、坑井流体に面するケーシング内面の腐食を、内径が変動するにつれケーシングの内面上を軸方向に前後に移動するｘ線ビーム（６０１）の、（１次検出器（６０５）によって）測定される強度を使用して、内径の測定のみによって判定できる。１次検出器は、入射する光子のスペクトルを収集するために、又はエネルギー閾値に基づいて収集を行うために使用することができ、この場合、コンプトン散乱事象から発生するカウントと光電的に発生するカウントとの間を分けるために、特定のエネルギー窓（８０３、８０４）が使用される。この点に関して、光電エネルギーを低エネルギー窓（８０３）内のカウントによって、及びコンプトンをより高いエネルギー窓（８０４）のカウントによって、表すことが考えられる。２つの窓内で収集されるカウントの比により、光電測定の基礎が与えられる。

更なる実施例では、全ての検出器がエネルギー・スペクトルを測定するように構成されており、この結果、材料認識の改善のために、そのスペクトル情報を使用して、掘削孔の周囲の材料の分光分析を行うことができる。更なる実施例では、機械学習を採用して、腐食、孔、ひび割れ、亀裂、すりきず、及び／又はスケール蓄積などの主要な特徴を識別するために、ログされたデータのスペクトル（光電エネルギー又は特徴的なエネルギー）の内容を自動的に分析することが考えられる。更なる実施例では、地層の破砕を行うのに極めて最適な場所をより良好に判定する目的で、同じツールが生み出した履歴ログから結果的に得られるデータを自動的に分析するために、機械学習を採用することが考えられる。

他の実施例では、収集されたデータを、（深度と相関した）従来の２Ｄ柱状図として、ボクセル式３次元密度モデルとして、これらのスライス又は断面として、のいずれかで提示することができる。代替の実施例では、データは、信号変則値を見付けるようニューラル・ネットワークが訓練されるようにして機械学習によって、又は、軸方向にオフセットされた検出器群の収集データ間の（較正された）階調及び差異に対して単純な識別子を設定することによって、更に処理される。この技法は、供給電圧の調節、すなわち感度関数の変化と組み合わせると、特に強力である。更なる実施例では、ツールは、ケーシングを設けた坑井の周囲の地層中の、自然発生的か人工的かのいずれかであるフラクチャーの位置、分布、及び容積を判定するために使用される。

更なる実施例では、ツール（１０１）は、ワイヤラインによって搬送されるのではなく、掘削時検層（ＬＷＤ：ｌｏｇｇｉｎｇ−ｗｈｉｌｅ−ｄｒｉｌｌｉｎｇ）ストリング内に位置付けられる。更なる実施例では、ＬＷＤ実装ツール（１０１）を泥タービン（ｍｕｄ ｔｕｒｂｉｎｅ）によって給電することが考えられる。更なる実施例では、ＬＷＤ実装ツールをバッテリによって給電することが考えられる。

更なる実施例では、ＬＷＤ実装ツールを、坑井の周囲の地層中の、自然発生的か人工的かのいずれかであるフラクチャーの位置、分布、及び容積を判定するために使用することが考えられる。別の更なる実施例では、ＬＷＤ実装ツールは、地層密度の方位方向の分布を絶えず測定することによって、掘削装置の坑底アセンブリがその所望の地層内に留まっているかどうかを判定するために使用されることが考えられる。

また更に別の実施例では、ツール（１０１）は、中性子−孔隙率ツール、自然ガンマ線（ｎａｔｕｒａｌ ｇａｍｍａ）ツール、及び／又はアレイ誘導（ａｒｒａｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）ツールなどの、他の測定ツールと組み合わせ可能である。

更なる実施例では、方位方向に区間化された音響測定（例えば、セメント・ボンドを方位方向に測定すること）をツールに組み込むことができ、この結果、追加のツール又は検層時間を必要とすることなく、第１のケーシングに対するセメント・ボンドの品質を確認できるようになる。

関連する実例としての方法は、掘削孔の周囲の材料の密度変動の放射方向及び方位方向の場所を、パッドを使用することなく解明する。加えて、この方法は、（音響ツールの場合のように）掘削孔の周囲の材料の事前モデリングを必要としない。

この技法は、音響による方法の場合のように、様々な環状材料間の物理的結合の品質に影響されることがない。更に、この技法は、井戸の完全性、区画ごとの分離、又はセメントの完全性を損ない得る何らかの異常が存在するかどうかを判定するために、複数のケーシング・ストリングとともに使用することができる。

収集されたデータは、モデルを介して推定されたものではなく、直接の測定値である。
この技法はパッドを用いない、すなわち、放射源及び検出器は、井戸ケーシングと物理的に接触する必要がない。いくつかの実施例では、この技法は、その時点で井戸の中にある流体とは無関係に機能する。

上記明細書は例示の目的でのみ提供されており、本発明の全ての可能な態様を記載することは意図されていない。本明細書では、本発明をいくつかの例示的な実施例に関して詳細に示し記載してきたが、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、記載に対する軽微な変更、並びに様々な他の修正、省略、及び追加もまた行えることを、当業者は諒解するであろう。

Claims (20)

1. １重、２重、及び多重ケーシングの坑井環境内で材料体積の密度を測定するためのｘ線ベースのセメント評価ツールであって、
   ゾンデ区域を備える内部長さを備え、前記ゾンデ区域は、ｘ線源と、放射線測定検出器用の放射線シールドと、ゾンデ依存電子機器と、複数のツール論理電子機器及びＰＳＵと、を更に備え、
   前記ツールは、ｘ線を使用して、掘削孔の周囲の地層を照射し、セメント環帯の密度及び内部の密度の変動を直接測定するために、複数の検出器が使用される、ｘ線ベースのセメント評価ツール。
2. 他の検出器の応答がツールのスタンドオフ及び中心配置に関して補償され得るようにケーシングのスタンドオフを測定するために使用される検出器を更に備える、請求項１に記載のツール。
3. 前記シールドは、タングステンを更に含む、請求項１に記載のツール。
4. 前記ツールは、スルー・ワイヤリング（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｗｉｒｉｎｇ）を可能にするように構成されている、請求項１に記載のツール。
5. 前記ｘ線源の出力をモニタするために複数の規準検出器が使用される、請求項１に記載のツール。
6. 最短軸方向オフセット検出器が、光電測定を行うことができるように、入射する光子を複数のエネルギー区分へと分布させるように構成される、請求項１に記載のツール。
7. 応答感度関数の生成を支援するために、前記ｘ線源のエネルギーを調節して最適な検出器軸方向オフセットを修正することができる、請求項１に記載のツール。
8. 前記ツールは、中性子−孔隙率ツール、自然ガンマ線ツール、及びアレイ誘導ツールのうちの１つ又は複数を含む、他の測定ツールと組み合わせ可能であることが考えられる、請求項１に記載のツール。
9. 方位方向に区間化された音響測定が前記ツールに組み込まれている、請求項１に記載のツール。
10. 前記ツールは、前記ケーシングを設けられた坑井の周囲の地層中の、自然発生的又は人工的なフラクチャーの位置、分布、及び容積を判定するために使用されると考えられる、請求項１に記載のツール。
11. 前記ツールは、掘削時検層アセンブリに組み込まれている、請求項１に記載のツール。
12. 前記ツールは、泥タービン発電機によって給電される、請求項１に記載のツール。
13. 前記ツールは、バッテリによって給電される、請求項１に記載のツール。
14. 前記ツールは、スルー・ワイヤリングを可能にするように構成されている、請求項１に記載のツール。
15. 前記ｘ線源の出力をモニタするために複数の規準検出器が使用される、請求項１に記載のツール。
16. 最短軸方向オフセット検出器が、光電測定を行うことができるように、入射する光子を複数のエネルギー区分へと分布させるように構成される、請求項１に記載のツール。
17. 応答感度関数の生成を支援するために、前記ｘ線源のエネルギーが調節されて最適な検出器軸方向オフセットが修正される、請求項１に記載のツール。
18. 前記ツールは、中性子−孔隙率ツール、自然ガンマ線ツール、及びアレイ誘導ツールのうちの１つ又は複数を含む、他の測定ツールと組み合わせ可能であることが考えられる、請求項１に記載のツール。
19. 方位方向に区間化された音響測定が前記ツールに組み込まれている、請求項１に記載のツール。
20. 前記ツールは、前記ケーシングを設けられた坑井の周囲の地層中の、自然発生的又は人工的なフラクチャーの位置、分布、及び容積を判定するために使用されると考えられる、請求項１に記載のツール。

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