包括电子辐射发生器的随钻测井工具及使用该随钻测井工具的方法.pdf

提供一种随钻测井工具，包括电子辐射发生器，如X射线电子发生器，并提供一种使用该随井探测仪的方法。所述随钻测井工具的一个示例可以包括环形钻铤、径向布置于该钻铤内部的支架以及布置在支架中的X射线电子发生器以及X射线检测仪。该X射线电子发生器可以从随钻测井工具发射X射线至地层。该X射线检测仪可以检测在地层散射后返回到随钻测井工具的X射线，这可用于确定地层的密度和/或岩性。

1.   一种随钻测井工具，包括
环形钻铤；
径向布置于钻铤内部的支架；
布置于支架中的X射线电子发生器，其中该X射线电子发生器能从随钻测井工具发射X射线至地层；以及
布置在支架中的第一X射线检测仪，其能检测在地层中散射后返回到随钻测井工具的X射线。

2.   如权利要求1所述的随钻测井工具，其中该第一X射线检测仪和该X射线电子发生器均至少部分地布置在随钻测井工具的轴向位置，但位于随钻测井工具中不同的周向位置。

3.   如权利要求1所述的随钻测井工具，包括X射线监控器，该X射线监控器能监控该X射线电子发生器发射的X射线，其中该X射线监控器和该X射线电子发生器均至少部分地布置在随钻测井工具的轴向位置，但位于随钻测井工具中不同的周向位置。

4.   如权利要求1所述的随钻测井工具，其中该X射线电子发生器包括接地靶X射线发生器、双极X射线发生器或接地电子源X射线发生器。

5.   如权利要求1所述的随钻测井工具，其中钻铤包括：第一X射线通过窗，其允许该X射线电子发生器发射的X射线离开钻铤；和第二X射线通过窗，其允许一些X射线进入钻铤，以由第一X射线检测仪检测到。

6.   如权利要求5所述的随钻测井工具，其中该第二X射线通过窗至少允许100keV及以上的X射线通过。

7.   如权利要求5所述的随钻测井工具，其中该第一和第二X射线通过窗包含钛或铍，或它们的组合。

8.   如权利要求5所述的随钻测井工具，包括布置于支架中的第二X射线检测仪，其能检测在地层中散射后返回到随钻测井工具的X射线，其中第一X射线检测仪能检测以第一准直角度返回到随钻测井工具的X射线，第二X射线检测仪能检测以第二准直角度返回到随钻测井工具的X射线，且其中第二X射线通过窗允许一些其他的X射线进入钻铤，以由第二X射线检测仪检测到。

9.   如权利要求1所述的随钻测井工具，其中该钻铤包括：第一变薄部，其允许由X射线发生器发射的X射线离开钻铤；以及第二变薄部，其允许X射线进入钻铤，以由第一X射线检测仪检测到。

10.   如权利要求1所述的随钻测井工具，包括连接于钻铤的稳定器，其中该稳定器包括：第三X射线通过窗，其允许X射线离开稳定器；和第四X射线通过窗，其允许X射线进入稳定器。

11.   如权利要求1所述的随钻测井工具，包括：布置于随钻测井工具的钻铤中的泥浆通道；和第三X射线检测仪，其中X射线电子发生器能发射X射线进入泥浆通道，且第三X射线检测仪能检测在泥浆通道中散射或穿过泥浆通道、或者散射并穿过泥浆通道的X射线。

12.   一种随钻测井工具，包括：
环形钻铤；
径向布置于钻铤外部的环形稳定器；
径向布置于钻铤周围内部的环形泥浆通道；
径向布置于泥浆通道内部的心轴支架；
多个允许X射线通过的心轴支承座，它们布置于心轴支架和钻铤之间的泥浆通道中；
布置于心轴支架中的X射线电子发生器，其中该X射线电子发生器能发射X射线，X射线通过第一准直通道和多个允许X射线通过的心轴支承座的至少一个，以便以第一方位角度离开随钻测井工具进入地层；以及
第一X射线检测仪，其能检测在地层中散射后返回到随钻测井工具的X射线。

13.   如权利要求12所述的随钻测井工具，其中该第一X射线检测仪能检测在地层中散射后大致以第一方位角度返回到随钻测井工具的X射线。

14.   如权利要求12所述的随钻测井工具，其中该第一X射线检测仪布置于心轴支架中。

15.   如权利要求12所述的随钻测井工具，其中该第一X射线检测仪布置于钻铤中或稳定器中，或钻铤和稳定器的组合中。

16.   如权利要求15所述的随钻测井工具，包括第二准直通道，其能允许X射线从X射线电子发生器以第二方位角度离开随钻测井工具进入地层；以及包括布置于钻铤、稳定器，或钻铤和稳定器的组合中的第二X射线检测仪，其中该第二X射线检测仪能检测在地层中散射后大致以第二方位角度返回到随钻测井工具的X射线。

17.   如权利要求15所述的随钻测井工具，其中第一X射线检测仪容纳在不具备单独的X射线通过窗的钛耐压壳中。

18.   如权利要求12所述的随钻测井工具，其中第一X射线检测仪能检测通过第一准直通道的X射线，并且随钻测井工具还包括方位上紧邻第一X射线检测仪的第三X射线检测仪，其能检测通过第二准直通道的X射线。

19.   如权利要求18所述的随钻测井工具，其中该第一准直通道和该第二准直通道基本上是平行的。

20.   如权利要求12所述的随钻测井工具，其中该心轴支架容纳在含钛的耐压壳中。

21.   一种方法，包括：
使用包括随钻测井工具的钻井装置在地层钻井；
使用随钻测井工具的X射线电子发生器向地层发射X射线；
使用多个能检测以相应多个方位角度到达的X射线的X射线检测仪，来检测在散射离开地层后返回到随钻测井工具的X射线；以及
至少部分基于检测到的X射线，使用数据处理电路，来确定地层的至少一个特征的方位分布。

22.   如权利要求21所述的方法，其中至少一个特征包括密度或岩性、或者其组合。

23.   一种随钻测井工具，包括：
环形钻铤，它包括钻入钻铤内部的空间；以及
布置于该空间中的耐压壳，其中该耐压壳包括：X射线电子发生器，其能从随钻测井工具发射X射线至地层；和X射线检测仪，其能检测在地层中散射后返回到随钻测井工具的X射线。

24.   一种随钻测井工具，包括：
环形钻铤，其中该钻铤包括集成的稳定器，该集成的稳定器布置为与随钻测井工具的轴成一非零角度；以及
布置在钻铤中的耐压壳，其沿与随钻测井工具的轴成的该非零角度位于集成的稳定器之下，其中该耐压壳包括：X射线电子发生器，其能在与该随井探测仪的轴对齐的第一周向位置的第一轴向位置处发射X射线，该X射线离开随钻测井工具并进入地层；和X射线检测仪，其能检测在地层中散射后返回到随钻测井工具的第一周向位置的第二轴向位置的X射线。

25.   如权利要求24所述的随钻测井工具，包括布置在耐压壳上的耐磨保护层，其能防止耐压壳磨损。

包括电子辐射发生器的随钻测井工具及使用该随钻测井工具的方法
发明领域
本发明公开内容大致涉及一种随钻测井工具（LWD）的技术，特别是一种使用包括电子辐射发生器，如X射线电子发生器的随钻测井工具以确定地层特征的技术。
背景技术
本部分旨在向读者介绍可能与如下描述和/或要求保护的本发明多个方面的技术相关的多方面技术。相信本部分提供的背景技术信息，能有助于更好地理解本发明多个方面的公开内容。因此，应该理解这些表述应从这个角度去解读，而非现有技术的引入。
地层的体积密度和岩性的测量都是井下测量的关键步骤，无论是采用测井电缆或随钻测井工具（LWD）进行测量。传统上，许多井下测量工具利用辐射的发射，如伽马射线，来确定地层的一些特性，如岩性和密度。一旦伽马射线发射至地层，可能与地层相互作用，包括通过康普顿（Compton）散射使伽马射线产生衰减，和/或通过光电效应使地层单元吸收伽马射线。地层致使伽马射线发生康普顿散射和/或通过光电效应被吸收的程度可能相应取决于地层的密度和岩性。那就是说，不同密度和岩性的地层会以可预料的方式致使康普顿散射和光电效应的吸收。因此，通过检测返回到井下仪器的伽马射线的数量和光谱，就能确定地层的密度和/或岩性。
传统上，地层体积密度的测量依赖于离散能量的放射性同位素伽马射线源，主要是¹³⁷Cs。特别地，¹³⁷Cs衰变到¹³⁷Ba的原理导致发射662keV的单能伽马射线。一种典型的伽马射线密度随钻测井工具包括这样的在井下装置钻铤中的放射性同位素源。伽马射线检测仪安装在钻铤的工具支架中，并被伽马射线护罩环绕。该伽马射线护罩开有允许钻铤和稳定器中的伽马射线通过的开口。伽马射线光谱计数率通过伽马射线检测仪获取，用于获取密度和根据间距校正的光电因子（PEF）。
然而人们可能并不希望在随钻测井工具中使用放射性同位素源如¹³⁷Cs。将该放射性同位素源塞入或移出工具时需要特殊的处理，移动和存储放射性同位素源时还需要护罩和安全措施。另外，如果随钻测井工具被卡住或无法收回，在井中弃置放射性同位素源还会带来额外的麻烦。
发明内容
下面将描述特定实施例的发明内容。可以理解的是，这些公开的内容仅仅为特定实施例提供简要说明，并不限制本发明的范围。事实上，本发明公开内容还可能包括下述部分未阐述的各种方面。
本发明公开的实施例涉及随钻测井工具，以及与电子辐射发生器，如X射线电子发生器有关的方法。所述随钻测井工具的一个实施例可以包括环形钻铤、径向布置于该钻铤内部的支架、以及布置在支架中的X射线电子发生器和X射线检测仪。该X射线电子发生器可以从随钻测井工具发射X射线至地层。该X射线检测仪可以检测在地层散射后返回到随钻测井工具的X射线，用以确定地层的密度和/或岩性。
还存在与本发明公开内容的多个方面相关的对上述特征的各种改进。在这些多个方面同时还包括进一步的特征。这些改进和进一步特征可能单独出现，也可能任意组合。例如，下述涉及一个或多个实施例的不同特征可能单独包含在前述的本发明公开内容的任一方面中，或它们的组合中。上述发明内容仅旨在帮助熟悉本发明公开内容的实施例的具体方面和背景，并不能限制所要求保护的主题。
附图说明
阅读下述详细描述并参考下述附图，本发明的不同方面将更容易理解：
附图1是根据一个实施例的随钻测井工具（LWD）系统的示意图，其使用集成在随钻测井工具中的X射线发生器获取随钻测井工具测量值；
附图2是根据一个实施例的使用附图1中随钻测井工具系统时的随钻测井工具工作示意图；
附图3是描述实施附图2中随钻测井工具工作方法的实施例的流程图；
附图4是根据一个实施例，通过建模获取附图1中随钻测井工具的远间距检测仪的密度分布图；
附图5是根据一个实施例，通过建模获取附图1中的随钻测井工具与传统¹³⁷Cs基工具相比，远间距检测仪的探测深度图；
附图6是根据一个实施例，通过建模获取的与附图1中随钻测井工具相关的脊肋（spine and ribs）数据图；
附图7是根据一个实施例，具有X射线发生器和4个X射线检测仪的随钻测井工具结构示意图；
附图8和9是根据一个实施例，附图7中的随钻测井工具结构的横截面视图；
附图10是根据一个实施例，附图7中的随钻测井工具的一种变化结构的横截面视图；
附图11是根据一个实施例，具有心轴安装X射线发生器和钻铤安装X射线检测仪的随钻测井工具结构示意图；
附图12是根据一个实施例，附图11中的随钻测井工具结构的横截面视图；
附图13是根据一个实施例，具有心轴安装X射线发生器和心轴安装X射线检测仪的随钻测井工具结构示意图；
附图14是根据一个实施例，具有心轴安装X射线发生器的随钻测井工具的结构示意图，该X射线发生器能在以多个的方位角向随钻测井工具外发射X射线；
附图15是描述一种随钻测井工具工作方法的实施例的流程图，该工作方法使用如图14所示的随钻测井工具结构；
附图16是根据一个实施例的双极X射线发生器的示意图；
附图17是根据一个实施例，具有附图16中双极X射线发生器的随钻测井工具结构示意图；
附图18和19是根据一个实施例，附图17中随钻测井工具结构的横截面示意图；
附图20是根据一个实施例的具有接地电子源的X射线发生器的示意图；
附图21是根据一个实施例，具有附图17中接地电子源X射线发生器的随钻测井工具结构示意图；
附图22和23是根据一个实施例，具有安装在集成的稳定器中的X射线发生器和X射线检测仪的随钻测井工具结构的俯视和侧视示意图；
附图24和25是根据一个实施例，具有安装在随钻测井工具钻铤偏心钻孔中的X射线发生器和X射线检测仪的随钻测井工具结构的俯视和侧视示意图；
附图26‑28是根据一个实施例，具有多个方位相邻的X射线检测仪的随钻测井工具结构的俯视、侧视和横截面示意图。
具体实施方式
下面将描述本发明公开内容的一个或多个具体实施例。描述的这些实施例仅是本发明公开技术的示例。另外，力图提供这些实施例的简要说明，而不会详细描述实际实施时的所有特征。应该认识到，在上述实际实施的研发中，与任何工程或设计项目一样，为了实现研发者的具体目标必须确定大量的实施细节，如遵守系统及商业相关的约束，它们在每个实施中都不尽相同。此外，应该认识到，这样的研发投入可能是复杂且耗时的，然而对于那些掌握具有本发明优点的技术的普通人员来说，这应该是设计、制造以及生产的常规任务。
当介绍本发明公开内容的不同实施例的部件时，“一”“一个”以及“该”旨在表示具有一个或多个部件。术语“包括”“包含”和“具有”为开放式表述，旨在表示除所列部件外可能具有其他部件。另外，可以理解的是，本发明公开内容中的“一个实施例”或“一实施例”并不意味着解释为排除其他同样包括所列特征的实施例的存在。
本实施例涉及一种随钻测井工具（LWD）系统，其具有电子辐射发生器，如X射线发生器，其能发射X射线，以确定钻井时地层的特征。尽管本发明公开内容提供了描述X射线电子发生器的不同实施例，但也可以使用其他任何合适的能发射类似特征辐射的电子辐射发生器。在随钻测井工具中使用X射线发生器，可以改善地层体积密度和光电因子（PEF）的测量性能，同时避免了放射性同位素源带来的麻烦。另外，尽管该X射线发生器发射的X射线的能量一般低于662keV，但X射线能适于更好的准直度，以及更小的X射线检测仪间距。与传统的¹³⁷Cs基伽马‑伽马（gamma‑gamma）密度随钻测井工具相比，使用具有适宜准直度的X辐射发生器发出的射线，并同时提高X射线检测窗的准直度，在此公开的随钻测井工具能够实现相同或更高的检测深度（DOI）。
另外，使用X射线发生器而非放射性同位素源的随钻测井工具（LWD）可能能够进行额外的辅助测量，如随钻测井工具泥浆通道中的泥土密度测量。在一些实施例中，随钻测井工具能在多于一个方位发射并检测X射线，实现测量地层中特征的方位分布。例如，随钻测井工具可以包括心轴安装或支架安装的X射线发生器，以及钻铤安装、支架安装或心轴安装的X射线检测仪。另外，随钻测井工具可以额外地或可选择地具有双极X射线发生器，或具有接地电子源的X射线发生器。
在前文基础上，附图1示出了一种随钻测井工具（LWD）系统10，其包括随钻测井工具12和数据处理电路14。正如下文将论述的，随钻测井工具系统10可以基于康普顿散射，和/或由于随钻测井工具12发射进入地层的X射线的光电效应而发生的吸收，来确定地层的特征，如密度或岩性。可以确定所述特征的数据处理电路14位于随钻测井工具12的内部、表面或部分位于内部部分位于表面。所示随钻测井工具12的部件通过一个坐标系彼此联系，该坐标系包括纵向轴L，径向轴R和周向轴C。纵向轴L代表沿着随钻测井工具12的轴向距离。径向轴R代表离随钻测井工具12钻井时旋转轴的径向距离。周向轴C代表绕随钻测井工具12半径的周向距离。该坐标系出现在本文使用的其他附图中，应理解为与附图1所示一致。另外，同时出现在附图1和其他附图中的相似的附图标记应理解成表示相似的部件。正如此，这些相似部件在其他附图中出现时，将不会进行重复的描述。
随钻测井工具12可以安装在钻孔装置（BHA）的环形钻铤16中，其可以包括集成的或附加的稳定器，用于在井下使用时稳定随钻测井工具12。在钻铤16中，支架20可以容置泥浆通道22,，以及各种发射和检测X射线的部件。特别地，随钻测井工具12可以包括任何合适的电子辐射发生器，如最大能量超过250keV的X射线电子发生器24。例如，X射线发生器24可以是高压X射线发生器，如公开在授予斯伦贝谢技术公司（Schlumberger Technology Corporation）的美国专利US7564948“高压X射线发生器和相关油井地层分析装置及方法（HIGH VOLTAGE X‑RAY GENERATOR AND RELATED OIL WELL FORMATION ANALYSIS APPARATUS AND METHOD）”。由于高压发生器25的电势，X射线发生器24可以通过包围在绝缘的液体、气体或固体中的X射线管26使电子加速。X射线管26可以是具有电子源和靶28的简单二极管，或者它可以是像常见的范德格拉夫起电机（Van de Graaf generators）那样的分段加速结构。例如，这种绝缘气体可以是SF₆。加速电子可以冲击靶28，通过轫致辐射（Bremsstrahlung radiation）产生X射线。在一些实施例中，该靶28可以是金。高压发生器25可以是单独的倍压器，也可以像在高频高压加速器（dynamitrons）中那样的常规设置一样，绕X射线管26而设。高压发生器25可以是直流（DC），也可以是脉冲，并且如果是脉冲的话，高压发生器25可以是高压脉冲变压器。
在强电场中电子减速时发生轫致辐射（Bremsstrahlung radiation）。当能量电子通过X射线发生器24加速进入靶28时，由于靶28中存在的其他电子，该电子可能遭遇强电场。然后该能量电子可能一直减速，直到失去它所有的动能，并致使X射线的发射。集合大量减速电子可以产生连续的X射线能量谱。X射线最大能量应等于能量电子的总动能，而在观测到的轫致（Bremsstrahlung）能谱中，X射线最小能量应是仅能离开X射线发生器的靶28中的X射线的能量。在一些实施例中，X射线靶28可以发射X射线能谱，其峰值约为最大电子束能量的75%（如，当最大电子束能量为400keV时约300keV，最大电子束能量为300keV时约225keV）。
当X射线管26的阳极靶28接地时，X射线发生器24的高压发生器25可以提供负高压至X射线管26的阴极。如图1所示，靶28容纳于狭长金属管29中，其可以附于X射线管26的陶瓷壳体上。该狭长金属管29被由如高密度钨（W）形成的X射线罩32环绕。
所述罩32可以有多个用途。其中，罩32保护X射线发生器高压绝缘，避免受到大量X射线照射。另外，形成在罩32中的源准直器通道30可以从靶28，向环绕随钻测井工具12的材料提供强方向性的X射线束，并抑制其他方向的辐射。
像下面将要论述的那样，来自X射线发生器24的一些X射线可能离开靶28，并进入环绕随钻测井工具12的材料，如环绕的地层。X射线可以通过钻铤窗34和稳定器窗36离开随钻测井工具12。回到随钻测井工具12的X射线可以通过其他稳定器窗36和钻铤窗34，而被随钻测井工具12的X射线检测仪检测到。如图1所示的实施例，随钻测井工具12包括近端X射线探测仪38和远端X射线检测仪40，相应地布置在靶28的近端处和远端处，如近端X射线探测仪38离靶28距离为大约4英寸，远端X射线检测仪40离靶距离为大约8英寸。在其他实施例中，井下的随钻测井工具12可以使用任何合适的间距、任何合适数量的X射线检测仪。
钻铤窗34和稳定器窗36可以仅最小化地衰减离开和回到随钻测井工具12中的X射线，在一些实施例中允许检测约100keV的低能量伽马射线。这些钻铤窗34和稳定器窗36可以采用多种形式。例如，如果稳定器18与钻铤16是分离的（如滑接），稳定器窗36能由低密度、低原子序数材料（low‑Z material）构成，以能适应井底环境。由于稳定器窗36安装在稳定器18中，因此它们不会存在任何压差。因此，如聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）这样的材料，与许多环氧树脂一样都是合适的。稳定器窗36的外表面可以得到保护，避免被钻井流体腐蚀。
环绕于支架20的钻铤窗34，应设计成能支撑钻井可达40,000PSI的全压力。因此，钻铤窗34可以是金属材料，如钛或钛合金，其与不锈钢部件相比，其具有低原子数和低电子密度。可选地，钻铤窗34可以由铍（Be）构成。但是，由于铍不能抗腐蚀，铍质的钻铤窗34可以使用不会腐蚀的材料层保护。可选地，为代替钻铤窗34，钻铤16可以在随钻测井工具12的内侧或外侧局部变薄，以使伽马射线能通过钻铤16。有利地是，让钻铤16变薄可以在保持钻铤16机械完整性的前提下，允许X射线通过钻铤16。
如附图1所示，钻铤窗34和稳定器窗36的形状和尺寸影响着离开和进入的X射线的方向和容许角度。为加强这种效果，一些罩32可以部分或完全地环绕钻铤窗34和稳定器窗36，以优化准直度（未示出）。另外，如图1所示，罩32可以设置于相邻的稳定器窗36之间。X射线罩的这种进一步设置，可以防止仅在钻铤16或稳定器18中散射的X射线到达邻近的X射线检测仪38从而产生背景噪声信号。
如上所述，一些来自X射线靶28的X射线可以离开随钻测井工具12，与周围材料相互作用，返回并被近端X射线检测仪38和远射线检测仪40检测到。在附图1的示例中，近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40是闪烁检测仪。由于与传统的¹³⁷Cs基密度检测仪相比，从随钻测井工具12的X射线发生器24发射的X射线的平均能量较低，因此，近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40可以更小。另外，由于与传统的¹³⁷Cs基密度检测仪相比，X射线发生器24可以发射更多光子，这允许当仍发射可用的X射线量时，准直通道30提供更小的准直角度，因此近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40可以具有更小的间距。近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40可以包括高密度闪烁体，仅举几个例如LuAP:Ce、LuAG:Pr、GSO或LPS，其可以与紧凑型光电倍增管（PMT）联接。可以理解的是，还可以使用其他任何适合的X射线检测仪。例如，近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40可以替代性使用基于SiC或其他合适材料的高温半导体检测仪来代替光电倍增管（PMT），或直接作为X射线检测仪。
近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40可以获取检测到的伽马射线的能谱。该能谱信息可以分成较少数量（如2到6）的能量窗或“通道”，其能确定密度和光电因子测量结果。传统的模数转化器（ADC）可以用于切分能谱信息成为更多通道（如256、512等），这些通道可以合并形成想要的能量窗。由于间距的效果，使用至少两个X射线检测仪，并采用脊肋技术（spine‑and‑ribs technique）、正演模型和反演技术、神经网络技术或其他合适的方法，使得有可能从地层补偿密度测量。
X射线监控器42可以监控由X射线发生器24发射的X射线的输出和能量。通过X射线监控器24的测量可以采用任何合适的技术，用于控制由X射线发生器24输出的X射线的数量和能量。X射线监控器42与X射线检测仪38、40一样，可以包括闪烁体检测仪和附加的光电倍增管（PMT）。X射线监控器42可以测量通过X射线罩32到达X射线监控器42的X射线的总计数率和能谱形状。罩32的厚度和从靶28到X射线监控器42的距离可以通过实验或仿真来优化，以获取对于X射线发生器24输出的X射线的能量和数量的高灵敏度。
与X射线检测仪38、40一样，X射线监控器42可以是任何合适的X射线检测仪。例如，X射线监控器42可以使用基于SiC或其他合适材料的高温半导体检测仪来代替光电倍增管（PMT），或直接作为X射线检测仪。可以认识到，X射线发生器24和X射线监控器42可以认为是单一实体，因为两者均期望允许产生的X射线具有稳定的端点能量和已知的输出量。
X射线检测仪（如近端X射线检测仪38、远端X射线检测仪40和X射线监控器42）的响应可以通过数据处理电路14来处理，并图示为图1的数据44。数据处理电路14可以包括处理器46、内存48和/或存储器50。处理器46可操作地联接于内存48和/或存储器50，以执行特定的地层特征确定程序。这些程序可以由处理器46和/或其他数据处理电路执行，该其他数据处理电路应基于处理器46可执行的某些指令。这些指令可以使用任何合适制品存储，包括一个或多个实体的、计算机可读的媒体，用于至少共同存储这些指令。这些制品包括，例如，内存48和/或非易失存储器50。内存48和非易失存储器50可以包括任何合适制品来存储数据和可执行指令，如随机存取内存、只读内存、可擦写内存、硬盘和光盘。
井下随钻测井工具12可以通过例如随钻测井工具中的内部连接、遥测系统通信上传，和/或通信电缆来传递数据44至数据处理电路14。接收数据44后，数据处理电路可以确定环绕井下随钻测井工具12地层的一个或多个特征。例如，这些地层特征可以包括地层岩性相关的光电效应或地层的体积密度。之后，数据处理电路14可以输出报告52，标示地层的一个或多个确认的特征。报告52可以存储在内存中，或可以通过一个或多个输出装置，如电子显示屏，提供给操作人员。
随钻测井工具12可以在钻井过程中使用，以获取周围地层的密度和/或光电因子（PEF）测量值。附图2示出了随钻测井工具（LWD）工作过程60的示例。在随钻测井工具工作过程60中，随钻测井工具12可以在穿过地层钻探形成钻孔64的钻孔装置（BHA）中使用。基于源准直通道30的准直角度，由源28发射的X射线可以通过如特定的X射线路径66和/或68。大致沿着X射线路径66的X射线可以被近端X射线检测仪38检测到，并提供地层62和/或在相对较浅的检测深度处钻孔64的单元信息。另一方面，大致沿着X射线路径如X射线路径68的X射线，可以由远端X射线检测仪40检测到，并获取在相对较深的检测深度处地层62的单元信息。
附图3的流程图80示出了随钻测井工具工作过程60的一种实施方式。流程图80可以在使用具有随钻测井工具12的钻孔装置（BHA）钻入地层时开始。随钻测井工具12的X射线发生器24可以发射X射线进入地层62（框82）。接着，随钻测井工具12的X射线检测仪，如近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40，可以检测到经过在地层62单元中的康普顿散射后，从不同检测深度返回随钻测井工具12的X射线（框84）。基于随钻测井工具12的X射线检测仪检测到的X射线，数据处理电路14可以使用任何合适技术确定地层62的地层密度和/或确定基于光电因子的岩性（框86）。
当随钻测井工具12用于确定地层62的特征，如地层62的密度时，随钻测井工具12可以产生与传统¹³⁷Cs基密度检测仪相似的结果。例如，附图4中图表90示出了使用随钻测井工具12的远端X射线检测仪40时相对计数率和地层电子密度的关系。在图表90中，纵坐标92代表从X射线检测仪40获取的相对计数率，横坐标94代表地层62的电子密度，单位是g/cm³。曲线96可以适于不同数据点，来表示远端X射线检测仪40的密度脊（density spine）。可以认识到，曲线96与使用传统的¹³⁷Cs基工具获取的曲线非常相似。
附图5中的图表100建模展示了这种测量的检测深度。图表100的纵坐标102代表J函数（J‑function），横坐标104代表检测深度，单位是英寸。曲线106代表远端X射线检测仪40的J函数，曲线108代表传统的¹³⁷Cs基工具中远端检测仪的J函数。如图5所示，曲线106和曲线108十分相似。事实上，可以相信随着准直度的优化，随钻测井工具12可以与传统¹³⁷Cs基工具的检测深度相匹配，并保持相同或更高的精度。
针对附图1中示出的随钻测井工具12的两个X射线检测仪结构，附图6给出了该两个X射线检测仪结构的脊肋图表（spine‑and‑ribs plot）110。纵坐标112代表地层62的真实地层密度ρ_true,横坐标114表示通过LS检测仪（如附图1中的远端X射线检测仪40）获取的显示密度ρ_LS的校正值(ρLS‑ρSS)。如图表110中的曲线116所示，随钻测井工具12可以达到并超过传统¹³⁷Cs基工具的性能。事实上，附图6示出了通过LS检测仪（如附图1中的远端X射线检测仪40）获取的显示密度ρ_LS的校正值，作为显示密度ρ_LS和ρ_SS差的函数，其用于获取在不同密度和PEF的泥土中不同间距时的真实地层密度ρ_true。得到的函数与¹³⁷Cs基工具得到的同类函数十分相似。与传统的放射性同位素伽马射线源相比，X射线发生器的一个重要优点是，可以实现输出更大量的光子，并可以安全地处理和运输。根据估计，X射线发生器24在300keV运行时，在相同的钻孔速度（ROP）下，与传统的¹³⁷Cs基密度检测仪相比，精度至少可以提高两倍（a factor of two）。
根据附图1所示可以得到一系列不同的随钻测井工具12。例如，如图7所示，随钻测井工具12的结构130包括4个X射线检测仪132、134、136和138。该4个X射线检测仪132、134、136和138容置在随钻测井工具12支架20中的罩32中。应该注意到，在该结构130中，第一X射线检测仪132和第二X射线检测仪134共用一个单独的钻铤窗34和稳定器窗36，但通过不同的准直通道140和142来接收X射线。这些准直通道140和142以不同的角度进入共用的钻铤窗34和稳定器窗36。由于准直通道140和142以不同角度接收进入随钻测井工具12的X射线，所以与第二X射线检测仪134相比，第一X射线检测仪132可以检测来自不同检测深度的X射线。图7所示的结构130示出了与X射线靶28位于同一纵平面的X射线监控器42。但是，该X射线监控器42可以位于图7中不可见的周向位置。
附图8和9分别表示附图7沿切割线8‑8和9‑9的横截面视图。附图8特别示出了随钻测井工具12的结构130在第一X射线检测仪132处的横截面。在附图8中可见，第一X射线检测仪132可以包括闪烁体150和光电倍增管（PMT）152。第一X射线检测仪132可以由X射线罩32环绕，X射线罩32不会占据随钻测井工具12的支架20在第一X射线检测仪132的轴向或纵向位置处的所有周向空间。而是，如图8所示，罩32可以仅环绕第一X射线检测仪132，而其他材料可以填充支架20的剩余空间。
在图9中示出了附图7中随钻测井工具12的结构130沿切割线9‑9的横截面视图，可见X射线监控器42相对于X射线靶28周向布置。也就是说，X射线监控器42可以布置为沿附图7中的切割线9‑9，在所述支架20中X射线靶28的同一重叠轴向或纵向位置的旁边（如在不同的周向位置）。X射线监控器42可以包括监控器罩32和通过所述罩32的监控器通道156。
如附图9中可见，在靶28的轴向或纵向位置，支架20中还保持有额外的周向空间。在附图10中示出的一可选实施例具有该额外的周向空间，以容纳可以检测通过泥浆通道22返回的X射线的X射线检测仪157。特别地，第二准直通道158可以引导一些X射线从靶28进入泥浆通道22，在泥浆通道22中，X射线可以发生康普顿散射和/或通过光电效应由流过泥浆通道22的流体中的单元吸收。除引导在泥浆通道22中散射的X射线至X射线检测仪157的准直通道159外，X射线检测仪157可以在各个方向由罩32环绕。X射线检测仪157检测到的X射线可以用来确定泥浆通道22中流体的特定特征（如密度和/或光电因子（PEF））。
在附图10的可选方式中，X射线检测仪157可以安装成邻近于泥浆通道22，并在相同或相近的轴向位置与X射线靶28大体相对，但不需要完全相对。这种方式可以实现泥浆通道22中X射线的直接传输衰减测量（direct transmission attenuation measurement）。能够适当过滤泥浆通道22的入射辐射来提高灵敏度。泥浆通道22中X射线的入射角度不需要垂直于随钻测井工具12或泥浆通道22的轴。事实上，可以优选较小角度，以增加入射辐射在泥浆中的穿越长度，从而提高灵敏度。可以进一步认识到，这种方式可以可选地采用心轴安装结构，但在心轴安装结构中，泥浆通道22的距离很短，测量可能并不精准。
在另一实施例中，X射线发生器24可以安装在随钻测井工具12的心轴上。例如附图11所示的结构160，X射线发生器24可以设置于心轴支架164的心轴耐压壳162内。在该结构160中，X射线发生器24和X射线监控器42安装在心轴支架164中，该心轴支架164位于流体通道的中央并由泥浆通道22环绕。心轴支架22通过特定的心轴支撑座166来定位对中，该心轴支撑座166可以短而窄，以避免限制泥浆在泥浆通道22中的流动。X射线发生器24产生的X射线可以通过源准直通道167、心轴支撑座166、钻铤窗34和稳定器窗36离开随钻测井工具12。钻铤窗34和稳定器窗36的机械要求可以降低，因为这些钻铤窗34和稳定器窗36仅需要承受泥浆通道22和随钻测井工具12的外部钻孔的压差。
从随钻测井工具12的结构160发射出去的X射线可以由安装在钻铤上的X射线检测仪组168检测到。安装在钻铤上的X射线检测仪组168位于单独的钻铤安装X射线检测仪壳170内，单独的钻铤安装X射线检测仪壳17环绕着X射线罩32中的近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40。由于钻铤16和/或稳定器18没有足够空间具备单独的X射线窗，钻铤安装X射线检测仪壳170可以由钛构成。尽管附图11的示例中仅显示了近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40，在可选实施例中还可以包括额外的X射线检测仪。可以认识到，在钻铤16和稳定器18中安装X射线检测仪38、40可以改善它们的测量精度。
附图12中示出了附图11的结构160沿切割线12‑12的横截面视图。如图12所示，靶28可以位于心轴支架164的中央，心轴支架164由心轴壳体162环绕。心轴支承座166可以以一种最小程度扰乱泥浆在泥浆通道22中流动的方式围绕心轴壳体162在多个周向位置处间隔开。X射线靶28产生的X射线可以经准直通道167离开，并通过心轴支承座166、钻铤窗34和稳定器窗36。
在一些实施例中，如附图13所示的随钻测井工具12的结构161中，X射线检测仪（如近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40）可以与X射线发生器24一起位于心轴支架164中。在特定实施例中，心轴耐压壳162可以由钛构成，以方便传输从靶28离开随钻测井工具12和从外部进入随钻测井工具12的低能量X射线。可选地，可传输X射线的材料构成的心轴壳体162的窗（未示出）可以布置得与心轴支承座166、钻铤窗34和稳定器窗36成一条直线。
使用钻铤安装X射线检测仪组168时，一些实施例中可以包括多于一组的钻铤安装X射线检测仪组168。例如，附图14示出的随钻测井工具12的结构177，包括两个钻铤安装X射线检测仪组168A和168B，它们布置在随钻测井工具12的不同周向位置。X射线发生器24可以安装在心轴支架164中，心轴支架164中的罩32中的两个准直通道165A、165B可以引导准直X射线以两个不同的方位角度从随钻测井工具12中离开。在结构177中，由于钻铤安装X射线检测仪组168A和168B的周向位置彼此相对，因此两个方位角度成约180°。但是，在可选实施例中，钻铤安装X射线检测仪组168A和168B可以选用任何合适的周向位置，从而可以检测任何合适方位角度的X射线。
每组钻铤安装X射线检测仪组168A和168B可以包括相应的近端X射线检测仪38A、38B和远端X射线检测仪40A、40B。应该理解到，在可选结构中可以使用任何合适数量的钻铤安装X射线检测仪组168，且钻铤安装X射线检测仪组168可以安装在钻铤16的任何合适周向位置。例如，在一些可选实施例中，三个钻铤安装X射线检测仪组168可以方位上互成120°角度，并在这些特定实施例中，X射线可以通过三个准直通道165以三个相应的方位角输出。应该认识到，如图14所示，随钻测井工具12使用多于一个钻铤安装X射线检测仪组168时，可以进行多角度同时测量。因此，为提供示例，随钻测井工具12滑动时可以测量方位密度。
如上所述，如图14所示的结构177那样，随钻测井工具12检测来自不同方位角度X射线的结构能够确定地层62的一些特征的方位分布。例如，附图15的流程图178示出随钻测井工具的工作过程，开始时使用具有随钻测井工具12的钻孔装置（BHA）在地层62钻孔。随钻测井工具12的X射线发生器24以不同方位角度发射X射线进入地层62（框179）。接着，随钻测井工具12中位于不同周向位置的X射线检测仪，如结构177中的钻铤安装X射线检测仪组168A和168B，可以检测经与地层62的单元康普顿散射后，以不同方位角度返回随钻测井工具12的X射线（框180）。基于随钻测井工具12的X射线检测仪检测到的X射线，数据处理电路14可以使用任何合适的技术来确定地层62特征（如地层62的地层密度，和/或基于光电因子（PEF）的岩性）的分布（框181）。
还可以设想到许多其他实施例。当随钻测井工具12具有充分大的钻铤16时，可能同时嵌入X射线发生器和X射线检测仪（如近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40）。如图22和23的示例，随钻测井工具12的结构290包括可以嵌入于随钻测井工具12的钻铤16中的耐压壳291。这种耐压壳291可以不仅包括X射线检测仪38、40，还包括X射线发生器24和X射线监控器42。
附图22和23相应地示出安装在随钻测井工具12的集成的稳定器292中的耐压壳291的俯视图和侧视图。包括X射线管26的X射线发生器24以及X射线检测仪38和40可以容置于耐压壳291中，耐压壳291嵌入于集成的稳定器292的叶板中，并由可以是金属板的耐磨保护盖294覆盖。稳定器292的叶板可以与随钻测井工具12的轴295形成一非零角度。但是，如图22所示，优选的是，源和检测仪窗296与轴295对齐。作为由耐磨保护盖294覆盖的补充或替代，可以为耐压壳291直接增加一层保护层。如果该保护层由碳化钨构成，那它不能覆盖在检测仪窗296的区域。可选地使用低原子序数材料进行耐磨保护，比如可以使用碳化铬。作为使用窗296的替代，耐压壳291可以由高强度钛构成，以获取足够的低能量X射线通过率。
可选地，如图24和25所示的结构310中，具有钻铤的随钻测井工具12相对于钻铤16具有足够小的内径（ID），X射线检测仪（如近端X射线检测仪38和远端X射线检测仪40）和X射线发生器24可以容置于钻铤16的偏心孔312中。该实施例可以使用窗296，以降低对低能量X射线的吸收。
在如图26‑28的另一个实施例中示出的随钻测井工具12的结构320中，钻铤16中相同的耐压壳168可以容纳多个方位相邻的X射线检测仪38。如图26‑28所示，只有X射线检测仪38、40安装在钻铤16中（同见图11）。使用三个相邻的近端X射线检测仪代替单个的近端X射线检测仪38，并具有单独（狭窄）的准直通道322，以提高方位分辨率。可选地，可以使用位敏X射线检测仪。附图28示出附图27中在近端X射线检测仪处，沿切割线28‑28的横截面视图。附图28中可以看到三个方位相邻的近端X射线检测仪38和三个方位相邻的准直通道。可以理解，可选实施例可以包括更多或更少的方位相邻的X射线检测仪38，和/或可以包括方位相邻的远端X射线检测仪40，或其他方位相邻的X射线检测仪。可以认识到，附图26‑28中的结构320可以得到较好的图像质量，因为可以减少X射线检测仪38和/40的单个准直开口，并在相同位置由多个狭窄准直通道322或324替换。多个相邻X射线检测仪可以限定为与X射线靶28相距一定距离（如近端）。之后，可以使用如阿尔法处理（alpha processing）的技术来提取高分辨率图像。
随钻测井工具12的一些结构可以使用具有双极电源的X射线发生器。附图16示出了这种具有双极电源的X射线发生器的一个示例，图示为双极X射线发生器200。该双极X射线发生器200可以如图1、2和7‑10所示那样包含于环形结构中，或如图11‑14所示那样包含于心轴安装结构中。双极X射线发生器200可以包括由可通过X射线的材料构成的壳体202，壳体202可以包括高压绝缘体204和各种部件。此外，壳体202还可以容纳负高压电源206和正高压电源208。负高压电源206可以与在X射线管214中贴近电子源212的阴极电源变压器210联接。正高压电源208可以与靶28联接。接地电极216可以设置于X射线管214中，以在低电势的电子源212和高电势的靶28之间形成平缓变化的电势差。如上所述，来自电子源212的电子可以通过X射线管214加速，冲击靶28并通过韧致辐射产生X射线。双极X射线发生器200中的X射线通过准直通道218发射。
如图17的结构230所示，随钻测井工具12使用双极X射线发生器200时，需要考虑双极X射线发生器200的某些特征，即相对于地面的绝缘和大小。虽然其他实施例可以在心轴安装设计中使用双极X射线发生器200，但在图17的结构230中，随钻测井工具12包括安装在环形支架20中的双极X射线发生器200。图17中可以看到，随钻测井工具12采用与地面更少的绝缘。此外，双极X射线发生器200可以与X射线检测仪共用随钻测井工具12中的某些纵向空间。特别地，在附图17中近端X射线检测仪38和X射线监控器42布置在双极X射线发生器200的后面。
附图18示出了随钻测井工具12的结构230沿切割线19‑19的横截面视图，其中可以看到近端X射线检测仪38相对于双极X射线发生器200的定位。X射线检测仪38由罩32环绕，可以与双极X射线发生器200布置在重叠的轴向或纵向位置且不同的周向位置。如图所示，X射线检测仪38和双极X射线发生器200的靶28在周向和纵向上彼此相互偏置。因此，当X射线穿过X射线路径240到达近端X射线检测仪38时，准直通道242可以与随钻测井工具12稍微成非正交角度，以占据近端X射线检测仪38相对于双极X射线发生器200的靶28的周向偏置位置。钻铤窗34和稳定器窗36相应地可以成一定角度安装。
同样地，附图19表示附图17中随钻测井工具12的结构230沿切割线20‑20的横截面视图，示出了X射线监控器42相对于双极X射线发生器200的靶28的位置。可以看到，X射线监控器42可以布置在双极X射线发生器200的旁边，并可以监控双极X射线发生器200通过准直通道248的输出，该准直通道248对准相邻的双极X射线发生器200。如图19所示，由于X射线检测仪38可以位于在随钻测井工具12的支架20中与双极X射线发生器200不同的周向位置，所以穿过罩32的准直通道218可以稍微向随钻测井工具12外与X射线检测仪38的方向成一非正交角度。也就是说，准直通道242和218定向为沿随钻测井工具12的中间平面指向相同的圆周线。此外，钻铤窗34和稳定器窗36可以成一定角度，以允许从随钻测井工具12发射的X射线以非正交角度输出。
如图20所示，可选地，随钻测井工具12可以使用接地电子源X射线发生器（grounded‑electron‑source X‑ray generator）260，与双极X射线发生器200相似，接地电子源X射线发生器260可以包括壳体262，壳体262包括由高压装置264环绕的多个部件。正高压电源266可以与靶28电联接。X射线管270的电子源268可以接地。工作时，来自电子源268的电子可以通过X射线管270加速，冲击靶28并通过韧致辐射产生X射线。接地电子源X射线发生器260中的X射线通过准直通道218发射。
附图21表示使用这种接地电子源X射线发生器260的随钻测井工具12的结构280。应该认识到，因为可以不需要为浮动阴极供电，结构280具有结构简单的优点。相应地，与双极X射线发生器200中的电源变压器210相比，可以不需要高压绝缘变压器。在其他方面，随钻测井工具12的结构280可以与附图18‑20的结构230基本相同。
上述具体实施例通过示例描述，应该理解到，这些实施例受到不同变形和可选形式的影响。还应进一步理解到，权利要求并不意味限于公开的特定形式，而应该覆盖落在本发明精神和范围内的所有变形、等价替换和可选方式。