采用X射线发生器的井下成像测井仪.pdf

本发明提供X-射线井下成像测井仪，其包括X-射线管，该X-射线管能够在至少50kV下工作，并且能够发射至少100微安培连续电子电流；及辐射探测器，该辐射探测器沿X-射线管轴向布置，并且至少部分屏蔽X-射线管及其直接的辐射。在一些实施方案中，该辐射探测器包括微通道板和电阻性阳极。在一些实施方案中，还沿轴向提供第二探测器。

1.  一种用于井眼或井中的井下测井仪，包括：
a)具有纵轴的外壳；
b)置于所述外壳中的X-射线源，该X-射线源包括X-射线管，该X-射线管产生能够射出所述外壳的X-射线；
c)置于所述外壳中并沿所述X-射线源相对于所述纵轴轴向移动的光子探测器，所述光子探测器包括微通道板和与所述微通道板连接的阳极；
d)介于所述X-射线源与所述光子探测器之间的防辐射体，该防辐射体基本上阻止X-射线从所述X-射线源直接到达所述探测器，该防辐射体界定所述光子探测器的空腔及邻近该空腔的锥形室，该锥形室终止于径向指向的针孔中，通过该针孔，所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述光子探测器；及
e)旋转该防辐射体以使所述径向指向的针孔面向不同方位角方向的装置。

2.  根据权利要求1的井下测井仪，其中所述阳极是具有多个引出管脚的电阻性阳极。

3.  根据权利要求1的井下测井仪，还包括确定所述外壳的方位角位置的装置。

4.  根据权利要求1的井下测井仪，其中所述外壳包括邻近所述针孔的第一窗口，其对于从井眼或井中反射的光子而言基本上是透明的。

5.  根据权利要求4的井下测井仪，其中所述窗口包括碳化硼或铍。

6.  根据权利要求4的井下测井仪，其中所述外壳包括与所述第一窗口径向对齐的第二窗口，该第二窗口对于X-射线源所产生的低能X-射线而言基本上是透明的。

7.  根据权利要求4的井下测井仪，其中所述第二窗口位于所述X-射线源和所述探测器之间。

8.  根据权利要求1的井下测井仪，其中所述X-射线源发射至少100微安培的电子电流，并在至少50kV下工作。

9.  根据权利要求1的井下测井仪，还包括位于所述外壳内并被所述防辐射体屏蔽的第二光子探测器，所述防辐射体阻止X-射线源产生的X-射线直接到达所述第二探测器。

10.  根据权利要求10的井下测井仪，其中所述防辐射体界定所述第二光子探测器的第二空腔和邻近该第二空腔的第二锥形室，该第二锥形室终止于第二针孔中，通过该第二针孔，由所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述第二光子探测器。

11.  根据权利要求10的井下测井仪，其中所述第二锥形室和第二针孔是轴向指向的，并且与所述纵轴平行。

12.  根据权利要求11的井下测井仪，其中所述外壳包括邻近所述径向指向的针孔的第一窗口，其对从该井眼或井反射的光子是基本上透明的，和邻近所述轴向导向的针孔的第二窗口，其对从该井眼或井反射的光子是基本上透明的。

13.  一种用于井眼或井中的井下测井仪，包括：
a)具有纵轴的外壳；
b)位于所述外壳中的X-射线源，该X-射线源包括发射至少100微安培电子电流并且在至少50kV下工作的X-射线管，并且产生能够射出所述外壳的X-射线；
c)位于所述外壳中并且沿所述X-射线源相对于所述纵轴轴向移动的光子探测器；
d)介于所述X-射线源与所述光子探测器之间的防辐射体，该防辐射体基本上阻止X-射线从所述X-射线源直接到达所述探测器，该防辐射体界定所述光子探测器的空腔和邻近该空腔的锥形室，该锥形室终止于径向指向的针孔中，通过该针孔，由所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述光子探测器；及
e)旋转该防辐射体以使所述径向指向的针孔面向不同方位角方向的装置。

14.  根据权利要求13的井下测井仪，其中所述光子探测器包括微通道板和与所述微通道板连接的电阻性阳极。

15.  根据权利要求14的井下测井仪，其中所述外壳包括与所述针孔相邻的第一窗口，其对于从该井眼或井中反射的光子而言基本上是透明的；及位于所述X-射线源与所述探测器之间并与所述第一窗口径向对齐的第二窗口，该第二窗口对于X-射线源所产生的低能量X-射线而言基本上是透明的。

16.  根据权利要求14的井下测井仪，还包括位于所述外壳内并且被所述防辐射体所屏蔽的第二光子探测器，所述防辐射体阻止X-射线源产生的X-射线直接到达所述第二探测器，其中该防辐射体界定第二光子探测器的第二空腔和与该第二空腔相邻的第二锥形室，该第二锥形室终止于第二针孔中，通过该针孔，由所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述第二光子探测器，所述第二锥形室和第二针孔是轴向指向的，并且与所述纵轴平行。

17.  一种用于井眼或井中的井下测井仪，包括：
a)具有纵轴的外壳；
b)位于所述外壳中的X-射线源，该X-射线源包括发射至少100微安培电子电流并且在至少50kV下工作的X-射线管，并且产生能够射出所述外壳的X-射线；
c)位于所述外壳中并且沿所述X-射线源相对于所述纵轴轴向移动的光子探测器，该光子探测器能够提供分辨率为100×100像素的信息；
d)介于所述X-射线源与所述光子探测器之间的防辐射体，该防辐射体基本上阻止X-射线从所述X-射线源直接到达所述探测器，该防辐射体界定所述光子探测器的空腔和与该空腔相邻的锥形室，该锥形室终止于径向指向的针孔，通过该针孔，由所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述光子探测器；及
e)旋转该防辐射体以使所述径向指向的针孔面向不同方位角方向的装置。

18.  根据权利要求13的井下测井仪，其中所述光子探测器包括微通道板和与所述微通道板相连的电阻性阳极。

19.  根据权利要求18的井下测井仪，其中所述外壳包括与所述针孔相邻的第一窗口，该第一窗口对于从该井眼或井中反射的光子基本上是透明的；及位于所述X-射线源和所述探测器之间并且与所述第一窗口径向对齐的第二窗口，该第二窗口对于由所述X-射线源产生的低能量X-射线基本上是透明的。

20.  根据权利要求19的井下测井仪，还包括位于所述外壳内并且被所述防辐射体屏蔽的第二光子探测器，该防辐射体阻止由所述X-射线源产生的X-射线直接到达所述第二探测器，其中该防辐射体界定第二光子探测器的第二空腔和与该第二空腔相邻的第二锥形室，该第二锥形室终止于第二针孔，通过该第二针孔，由所述X-射线源产生并散射到所述外壳之外的X-射线能够到达所述第二光子探测器，所述第二锥形室和第二针孔是轴向指向的，并且与所述纵轴平行。

采用X-射线发生器的井下成像测井仪
技术领域
宽泛地讲，本发明涉及用于烃工业中的仪器。更具体地，本发明涉及采用X-射线发生器的井下成像测井仪(imaging tool)。
背景技术
利用辐射评价地质地层是沿用已久的技术。例如，已经利用天然γ-射线测井仪探测天然放射性钍、铀和钾在地层中的存在，以确定地层的岩性。已经利用其它采用放射源如¹³⁷Cs的测井仪进行地层密度测量。尽管是有效的，但是这些采用放射源的测井仪器也有不利的方面，即受到联邦和/或政府法规的广泛限制，这些法规涉及其存储、运送、使用、培训(training)、处理和监测等。如果能够用X-射线源代替γ-射线源，那么在不使用时就可以避开辐射，并且适用于放射性物质运输的规章将不再适用。
由于认识到X-射线测井仪可作为采用放射源的测井仪的替代品，所以用于地层或井筒井下成像的X-射线测井仪有时成为提议和构思之源。这种测井仪的X-射线发生器公开于共有的授权给Pietras III等人的美国专利5680431中。一种具有并列X-射线源和探测器的测井仪的框图公开于Ramstad的公开号为2007/0041501美国专利申请中，其仅提供了构想，没有提供可行实施方案的具体说明。尽管存在上述提议和构思，但是现有技术中还没有商用的X-射线井下成像测井仪，因为在井下发生合适的X-射线以及在井下提供能够产生有用信息的合适的X-射线探测器，会产生很多障碍。
发明内容
根据本发明一个方面，提供采用X-射线源和探测器的X-射线井下成像测井仪，所述X-射线源和探测器使得该测井仪可以提供有用的信息。在一实施方案中，该X-射线井下成像测井仪包括能够在50kV至100kV下发射100微安培至1毫安培连续电子电流的X-射线管；沿着该X-射线管轴向移动的朝向侧面的(sideways looking)辐射探测器；防辐射体(shielding)，其阻止X-射线管发射的光子直接到达辐射探测器，但包括允许自成像仪外部偏转的光子到达探测器的针孔照相机；容纳X-射线管、辐射探测器和防辐射体的外壳；及旋转该外壳的转动体。
在进一步的实施方案中，该X-射线井下成像测井仪包括X-射线管；沿着该X-射线管轴向移动的朝向侧面的辐射探测器；沿着该X-射线管轴向移动的朝向下面的辐射探测器；防辐射体，其阻止X-射线管发射的光子直接到达任何一个辐射探测器，但包括容许自成像仪外部偏转的光子到达探测器的沿径向指向的针孔照相机和沿轴向向下指向的针孔照相机；容纳X-射线管、辐射探测器和防辐射体的外壳；及旋转该外壳的转动体。
在本发明的另一方面，该辐射探测器包括微通道板(MCP)和电阻性阳极(resistive anode)。入射到MCP上的光子导致电荷堆积在电阻性阳极上。该电阻性阳极具有多个引出管脚(output pin)。根据该管脚上的相对电荷，可以确定入射光子在MCP上的位置。
该X-射线井下成像测井仪优选提供具有至少100×100个像素的图像，并且可以用于下套管井(cased well)和未下套管的井眼(uncased borehole)。
根据本发明的另一方面，将朝向侧面的探测器探测到的光子作为方位角的函数进行处理。
参照结合所提供的附图的具体说明，本领域的技术人员会明白本发明的其它优点。
附图说明
图1是根据本发明的X-射线测井仪的第一实施方案的示意图。
图2是根据本发明的X-射线测井仪的第二实施方案的示意图。
具体实施方式
从图1中可以看出，根据本发明的X-射线测井仪10位于穿过地层20的下套管井15中。本领域技术人员应该理解，X-射线测井仪10可用于未下套管的井眼、下套管的井眼、生产井等。此外，尽管显示X-射线测井仪10被电缆22所悬挂，但是本领域技术人员应该理解，X-射线测井仪在随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)装置中可以为钻柱的一部分，或者以本领域公知的任何其它方式悬挂于井眼或井中。
本发明的X-射线测井仪10装有X-射线管30和至少一个朝向侧面的光子探测器40，它们容纳在由转动体90旋转的仪器外壳50中。仪器外壳50具有纵轴，且探测器40自X-射线管30轴向移动。仪器外壳50优选是高强度钢压力外壳，其装有一个或多个碳化硼或铍窗口52，使得低能量X-射线53几乎不衰减地经过窗口(即窗口基本是透明的)。优选窗口52沿着外壳设置在X-射线管30与探测器40之间。如下所述，仪器外壳50还装有与探测器40相邻的第二碳化硼或铍窗口54，其优选在轴向上低于窗口52但在径向上与窗口52对齐，以容许探测反射的(returning)光子55。
优选X-射线管30基本上如流水号为11/611441的共有美国专利申请中所公开的，该申请与本申请同日提交并整体引入本文作为参考，尽管也可使用能够产生至少100微安培连续电子电流并于至少50kV下工作的其它X-射线管。更优选能够产生至少约500微安培连续电子电流并于至少100kV下工作的X-射线管。流水号为11/611441的美国专利申请的X-射线管采用能够发射几毫安连续电子电流的储备式阴极电子源(dispenser cathodeelectron source)和厚度足以阻止所有200keV电子的靶。更具体地，X-射线管30具有+200kV的靶和-200kV的电子源。该靶为5mil(127微米)厚的金(Au)靶。提供栅极(grid)，该栅极在相对于阴极为约+200V下工作，以控制电子电流并沿X-射线管的轴向聚焦电子束。在较低的能量下产生极大的辐射通量。该低能辐射对最终的信号无影响，但可以破坏X-射线管和周围的元件。因此，如流水号为11/611441的共有美国专利申请中所公开的，优选X-射线管30装有防辐射体，以减少除射线准直器界定的立体角中由测井仪经窗口52指向地层的辐射以外的所有辐射的发射。
防辐射体60安装在X-射线管和探测器40之间。安装该防辐射体的目的是防止X-射线管的辐射不脱离测井仪10而直接到达探测器40。防辐射体60优选为钨块，其包括探测器40和相关电路(未示出)的图案(cut-out)(即界定一个或多个空腔)，并界定径向(侧向)指向凹陷或腔室(照相机暗室)61的圆锥体，其终止于与外壳窗口54相邻的针孔光圈(pinhole aperture)64。针孔光圈64的直径优选为0.1～1mm，更优选为约0.5mm。
在一个实施方案中，探测器40为高分辨率探测器并且包括微通道板(MCP)76和电阻性阳极78。该微通道板76实际为彼此平行取向的微电子倍增器阵列，使得入射在通道一端的光子在通道的另一端产生多个电子。MCP由每平方英寸具有数千个长度直径比大(例如40～100)的微米直径通道的玻璃形成，其通常安装在通道上面以铍窗口79密封的真空密封环境中。适于本发明的探测器微通道板为俄亥俄州Burle股份有限公司(Burle，Inc.，Ohio)的微通道板。适于本发明的探测器微通道板包括俄亥俄州Burle股份有限公司或滨松(Hamamatsu)的微通道板。与微通道板相连的电阻性阳极78也可得自Burle或滨松，并且通常为具有四只引出管脚的1英寸×1英寸板，其中管脚上的相对电荷表示探测到光子的位置(即微通道)。这样，指向侧向的探测器40能够以所需的分辨率(如至少100×100个像素)成像邻近外壳窗口54的井眼或井区域。由于X-射线通常不被井眼或井中的油或水所反射，所以图像应当是井眼壁或井套管的图像。此外，由于测井仪外壳50被转动体90旋转，所以针孔照相机61也旋转。这样，随着照相机的位置跟踪外壳50的旋转，即可获得井眼/地层的360°扫描。
探测器的电阻性阳极78与电路(未示出)相连，该电路读取阳极管脚上的电荷，并产生指示光子入射位置(即微通道)的信号，以产生像素值。电路可设置在钨防辐射体60中的另一空腔中或者测井仪在井下的其它地方。电路产生的信号通过导线或本领域中公知的其它方式发送至井口。无论如何，优选来自阳极管脚的导线(未示出)迂回地穿过钨防辐射体60，使得光子不能获得通过导线线路到达阳极或者MCP的直接路径。
旋转该外壳50的转动体90可采取很多方式中任何方式。例如，该转动体90可是具有轴承(未示出)和/或齿轮(未示出)的马达的一部分。优选提供感测转动体和外壳的旋转方位的装置(未示出)。优选旋转方位的信息与探测器40探测到的图像信号一起存储。
从图2中可以看到根据本发明第二实施方案的X-射线测井仪110。测井仪110的大多数方面类似于图1的测井仪10(相同的部分以相同的编号标记)，所不同的是：(i)装有朝向下面的第二探测器40a；(ii)外壳50装有第三碳化硼或铍窗口54a；及(iii)防辐射体60提供有适合探测器40a和相关电路(未示出)的空腔并且还界定了轴向(向下)指向腔室61a的圆锥体，其终止于邻近外壳窗口54a的针孔光圈64a中。此外，应该理解，为了接收朝向下面的探测器40a中的信号，优选大量的来自X-射线管的信号被普遍地散射。因此，改进图2之实施方案的X-射线管30’(相对于X-射线管30)，以削减一些减少除规定的立体角之外的所有辐射发射的防辐射体和射线准直器。如此，高能X-射线会在各个方向上射出外壳50(而较低能量的X-射线仍然仅经窗口52穿过外壳)，并且更适合通过窗口54a拾选信号。需要指出的是，优选探测器40a与探测器40相同，只是其取向与X-射线管30的轴平行或者共轴。
本发明的测井仪10和110是多用途的，其可以用于各种应用。具体地，由于X-射线散射的量与测井仪周围物质的密度密切地相关，所以可以利用测井仪10和110提供井筒周围地层密度的指示。此外，可利用测井仪10和110评价碳酸盐岩类储集层的粒度和晶洞结构。如果井筒加有衬管，则可以利用测井仪10和110检查滤管(liner screen)后面的填充物。如果井眼加有套管，则可以利用测井仪10和110勘测套管中的点蚀，以及通过视觉检查射孔、流量阀执行机构的位置以及侧钻的机械连接。由于其轴向的第二探测器，测井仪110特别适合于通过视觉检查可能已落入井筒需要“捞出”的岩屑，或者其它不小心落入套管井筒中的井下机械构件。测井仪10和110也可以布置在钻柱上，并且可以在钻井和/或测井仪进出地层时使地层成像。
本发明的另一方面，提供研究井筒和/或井筒周围材料的方法。根据该方法，将上述图1和图2的X-射线成像仪置于地层20的井眼(或套管井15)中。利用来自地面设备(未示出)的信号激活X-射线管30，使得具有所需能量范围的X-射线从X-射线测井仪10和110中引出并进入井眼和/或地层。通过X-射线测井仪10和110的一个或多个探测器，探测散射到该X-射线测井仪10和110外部的某些X-射线。将探测器探测到的信息存储在测井仪10和110中和/或发送至地表进行处理。可以获得实时的图像。另外，或者作为选择，还可以获得作为井眼距离(深度)函数的录井信息。在本发明的优选方面，侧视探测器得到作为方位角(转动位置)函数的信息，该信息可以实时显示或者作为测井记录。
本文已经描述和说明了X-射线测井仪及其使用方法的实施方案。虽然已经描述了本发明的具体实施方案，但这并不意味着本发明仅限于此，真正的意图是本发明具有与现有技术所容许的一样宽的范围，并且说明书也应作同样的理解。因此，尽管已公开了采用多通道板和电阻性阳极的特定类型的光子探测器，但是应该理解，只要可以获得高质量的图像，同样可使用其它探测器。同样，尽管已描述了特定的X-射线管，但是应该理解，也可以使用其它的X射线发生器。此外，尽管已描述了采用钢和钨等高度衰减X-射线管所产生的X-射线的特定材料作为外壳和防辐射体，但是应该理解，也可以使用其它的这类高衰减材料。同样，尽管已描述了用于外壳窗口以允许许低能量X-射线和反射光子从中穿过的材料如碳化硼和铍，但是应该理解，也可以使用其它高强度、基本上透明的材料。再者，尽管已描述了在探测器防辐射体中提供具有针孔光圈(pinpoint aperture)的腔室，但是应该理解，该腔室可填充对反射光子基本上透明的物质(如碳化硼、铍、玻璃等)。
本领域技术人员还应该认识到，虽然已描述了X-射线测井仪在探测器上方具有X-射线管，但是射线管和探测器的位置也可颠倒，只要它们彼此同轴布置即可。另外，尽管已描述了转动体作为旋转测井仪外壳和照相机的转动装置，但是应该理解，在LWD测井仪中，至少部分钻柱已在旋转。因此，在LWD情况下，本发明的测井仪可结合到钻柱的旋转部分中，使得通过旋转钻柱的装置提供该用于旋转的装置。因此，本领域技术人员应该理解，在不脱离其构思和范围的情况下，可以对本发明作出其它改进。