(57)【要約】【解決手段】ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための方位角中性子空隙率ツールの第１の例が提供され、ツールは、ゾンデセクションを備える内部長さであって、ゾンデセクションが更に、１つのゾンデ依存電子機器を備える内部長さと、スリップリング・モーターセクションと、複数のツール論理電子機器及びＰＳＵとを少なくとも含む。ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための代替の方位角中性子空隙率ツールも提供され、ツールは、少なくとも遠方空間検出器と、近傍空間検出器と、内部ツール軸の周りを回転する減速材シールド内に配置された線源とを備える。
2020507092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための方位角中性子空隙率ツールであって、
ゾンデセクションを備える内部長さであって、前記ゾンデセクションが更に、１つ以上のゾンデ依存電子機器を備える前記内部長さと、
スリップリング・モーターセクションと、
複数のツール論理電子機器及びＰＳＵと
を備えるツール。
【請求項２】
ボアホール効果補正のためのボアホール容積の決定を支援するために使用される多方位キャリパーを更に備える、請求項１に記載のツール。
【請求項３】
遠方空間検出器と、近傍空間検出器と、減速材シールド内に配置された線源とを更に備える、請求項１に記載のツール。
【請求項４】
前記減速材シールドがエポキシ化ホウ素を更に備える、請求項３に記載のツール。
【請求項５】
前記シールドがカドミウムを更に備える、請求項３に記載のツール。
【請求項６】
モーターによって駆動されてツールハウジングの内部で前記ツールを回転させる回転手段を更に備える、請求項１に記載のツール。
【請求項７】
貫通配線が可能となるように、スリップリングが両端に配置されるように回転する、請求項６に記載のツール。
【請求項８】
ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための方位角中性子空隙率ツールであって、
遠方空間検出器と、
近傍空間検出器と、
内部ツール軸の周りを回転する減速材シールド内に配置された線源と
を備えるツール。
【請求項９】
前記近傍空間検出器及び前記遠方空間検出器と共に回転する線源反応面を更に備える、請求項８に記載のツール。
【請求項１０】
前記減速材シールドがエポキシ化ホウ素を更に備える、請求項８に記載のツール。
【請求項１１】
前記シールドがカドミウムを更に備える、請求項８に記載のツール。
【請求項１２】
前記エポキシ化ホウ素シールドにより、出力の強い方向バイアスが可能になり、それにより、結果として生じる検層記録のデコンボリューションが可能になる、請求項１０に記載のツール。
【請求項１３】
前記カドミウムシールドにより、出力の強い方向バイアスが可能になり、それにより、結果として生じる検層記録のデコンボリューションが可能になる、請求項１１に記載のツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ボアホールを囲む地層及びセメントの体積の方位角中性子空隙率イメージングに関し、特定的ではあるが非限定的な実施形態において、ワイヤーラインオペレーターが方位角中性子空隙率イメージングを使用してケーシングの背後に配置されたセメントの均質性を評価できるようにする方法及び手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球の地層の中性子空隙率と水素指数を測定するために、数十年に渡って中性子ツールが使用されてきた。近代的なツールは、通常、中性子源からある程度の距離にある中性子の中性子束を測定するために、パルス中性子源と熱及び／又は熱外中性子検出器を使用する。更に、１つ以上の検出器で測定される中性子の「減速時間」は、水素指数の浅い測定値であり、スタンドオフに非常に敏感である。従来の空隙率測定は、線源から少なくとも２つの異なる距離からの中性子束の比から、液体で満たされた空隙率を導出することに依存している。
【０００３】
残念なことに、このような中性子検層ツールは、方位角の検層情報を提供できない。むしろ、２つ以上の検出器アセンブリーが、中性子源から短い距離で中性子検層ツールの本体に沿って縦方向に間隔を空けて配置され、検出器アセンブリーはツールの中心軸に沿って互いに一直線に並んでいる。
【０００４】
その結果、検出器アセンブリーは、方向や配向に関係なく、ボアホールの隣接する壁の検出を行う。その代わり、複数の検出器アセンブリーの意図は、検層の操作中に異なる地層及び統計的な感度を提供することである。
【０００５】
中性子発生器に最も近い検出器（「近傍空間」）は通常、ボアホールに対してより敏感で応答性が高く、中性子発生器から遠い検出器アセンブリー（「遠方空間」）は通常、地層に対してより敏感で応答性が高い。ボアホールとボアホールの周囲とのシグマ捕獲断面は、遠方空間の読み取り値と比較して近傍空間の読み取り値に異なる重みを適用することで決定できる。
【０００６】
例えば、２つの検出器を備えたツールでは、近傍検出器の読み取り値に７０％の重みが与えられ、遠方検出器の読み取り値に３０％の重みが与えられる。中性子検層ツールが坑井の１つの壁に沿って効果的に動作するように、一般的なオープンホール中性子検層ツールは通常、オフセットスプリングで坑井に分散して実行される。
【０００７】
最新の検層ツールには、ツールの周囲に複数の検出器が間隔を開けて配置されている。各検出器は、ボアホール及びそれに最も近い地層の領域から検出を行うように、互いにシールドされていることが多い。入ってくる粒子又は光子の入射方向に関する情報を提供するために、各検出器からの読み取り値は、その検出器の方向に関連付けられる。次に、方向固有のデータを分析して、基本的な方位角の検層記録を提供する。
【０００８】
しかし、ボアホールのケーシングの周りのセメントの体積の空隙率を決定するためにケースホール検層技術を可能にする既存のツールは存在しないし、先行技術は、円周方向に配置された検出器の数を増やしてその結果検出器間シールドを減少させることなく、そのようなツールの方位角分解能を高める方法を教示も示唆もしていない。
【０００９】
例えば、Ｅｖａｎｓらの特許文献１には、「掘削中の検層」環境で方位角中性子空隙率画像を作成する方法と手段が開示されている。底部穴アセンブリーベースのシステムは、歴史的にドリルストリングの回転に依存して方位に依存するデータの取得を支援していたため、この特許では、中性子検出器を、減速材内で遮蔽された複数の方位角的に配置された検出器に分割して、入射中性子とガンマ線の指向性を推測することで、必ずしもビットとともに回転しない現代のＢＨＡに実装できる方位角静的検出器の配置について説明している。
【００１０】
Ｗｉｌｓｏｎらの特許文献２には、ワイヤーライン環境で方位角中性子空隙率画像を作成する方法及び手段が開示されている。特許文献１と非常に類似して、この特許は、中性子検出器を、減速材内で遮蔽された複数の方位角的に配置された検出器に分割して、入射中性子とガンマ線の指向性を推測することで、オペレータがフラッキング後の検層記録を解釈するのを支援するために、ワイヤーラインツールに実装できる方位角静的検出器の配置について説明している。
【００１１】
Ｏｄｏｍの特許文献３には、坑井深さ間隔にわたる単一検層通過中に非弾性エネルギースペクトル及び熱中性子捕獲断面積を決定するための、中性子バーストに依存する検層ツールが開示されている。
【００１２】
Ｔｈｏｒｎｔｏｎらによる特許文献４には、中性子空隙率測定におけるボアホール効果を補正する方法が開示されている。２つ以上の中性子検出器を使用して、キャリパーが不要になるようにツールの非パッド側に起因する方位角成分を測定する。
【００１３】
最後に、Ｍｏｌｚらの特許文献５には、中性子又はガンマ線のいずれかの緩和材料又はシールド内に検出器を構築する方法が開示されている。
【００１４】
しかしながら、先行技術は、以下に記載しクレームするボアホールを囲む地層及びセメントの体積の方位角中性子空隙率イメージングのための方法及び手段を教示、示唆、又は明らかに考えることすらしていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第８，６６４，５８７号明細書
【特許文献２】米国特許第９，０１２，８３６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３７４，８２３号明細書
【特許文献４】米国出願公開特許第２０１１／０２３８３１３号明細書
【特許文献５】米国特許第８，４２１，００４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための方位角中性子空隙率ツールが提供され、前記ツールは、ゾンデセクションを備える内部長さであって、前記ゾンデセクションが更に、１つのゾンデ依存電子機器を備える内部長さと、スリップリング・モーターセクションと、複数のツール論理電子機器及びＰＳＵとを少なくとも含む。
【００１７】
ボアホールを囲む地層とセメントの体積をイメージングするための代替の方位角中性子空隙率ツールも提供され、前記ツールは、少なくとも遠方空間検出器と、近傍空間検出器と、内部ツール軸の周りを回転する減速材シールド内に配置された線源とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、ボアホールツールの範囲内において本明細書で請求される方法を実施するための実用的な手段の平面図である。
【図２】図２は、図１の平面図を拡大したものであり、遠方空間検出器、近傍空間検出器、及び減速材シールド内に配置された線源を更に備えている。
【図３】図３は、遠方空間検出器、近傍空間検出器、及び内部ツール軸の周りを回転する減速材シールド内に配置された線源を示す代替平面図である。
【図４】図４は、ＰＮＧチューブの反応面からの出力の結果として、ツールの周りのエネルギーの分布の例を示している。
【図５】図５は、ツールハウジング内で線源と検出器を回転させる際、ケーシング内のチューブの偏心が検出器において時間ベースの楕円関数で現れるように、プロダクションチューブ内のツールを囲む流体の体積は、環状流体に隣接するものとして扱うことができることを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書で説明する発明は、ワイヤーラインオペレーターが方位角中性子空隙率イメージングを通じてケーシングの背後のセメントの均質性を評価できるようにする方法及び手段を備える。一般に、このプロセスの基本的な目標は、セメントの健全性と帯状分離を決定することである。
【００２０】
方法及び手段により、ワイヤーラインツールがセメントケーシング内のチューブ内にある場合、ケーシングの背後のセメントを評価することも可能となる。このことは、チューブを取り外す前にケーシング内に配置されたセメントの帯状分離及び健全性の性質を決定することが有利に働くプラグ及び廃棄操作を検討する場合に特に役立つ。
【００２１】
この方法及び手段は、オープンホール環境の検層中に方位角情報を取得することも可能にし、フラッキング操作が行われた後に地層の破壊効率と破壊バイアスを決定する際に特に価値がある。このシステムは、音響やＸ線などの他の形態のセメント特性評価との組み合わせや、他のタイプの検層方法との組み合わせの可能性を排除しない。
【００２２】
添付の図面を参照すると、図１は、ボアホールツールの範囲内において方法を実施するための実用的な手段の平面図であり、ｉはセントラライザーを含む手段の、ケースホールバリアントを示している。内部長さａは、ゾンデセクション及び様々なゾンデ依存電子機器を備え；ｂはスリップリング・モーターセクション；ｃはツール論理電子機器とＰＳＵ全体である。
【００２３】
要素ｉｉは、ボアホール効果を補正するためにボアホール容積の決定を支援する際に使用される多方位キャリパーｄを含む、可能なオープンホールバリアントを示している。
【００２４】
図２は、図１の平面図を拡大したものであり、遠方空間検出器２と、近傍空間検出器５と、セクションｂのモーターによって駆動されてツールハウジング１の内部で回転する減速材シールド（例えば、エポキシ化ホウ素）３内に配置された線源７とを示している。セクションａ全体が回転して、スリップリングがセクションの両端に配置され、貫通配線４が可能になるようにする。
【００２５】
図３は、遠方空間検出器２と、近傍空間検出器５と、内部ツール軸の周りを回転する減速材シールド（例えば、エポキシ化ホウ素）３内に配置された線源７とを示す代替平面図である。この実施形態では、線源反応面６は、検出器５及び検出器２とともに回転する。
【００２６】
図４に見られるように、ホウ素シールド３は、ＰＮＧチューブの反応面６からの出力の結果として、ツールの周りのエネルギーの分布に現れる。線源にこのように近接している場合、ＤＴ出力とＤＤ出力の節度の差は非常に似ている。ホウ素シールドにより、出力の強い方向バイアスが可能になり、結果として生じる検層記録のデコンボリューションが可能になる。
【００２７】
図５に見られるように、ツールハウジング「９」内で線源と検出器８を回転させることにより、ケーシング１２内のチューブ１０の偏心が検出器において時間ベースの楕円関数で現れるように、プロダクションチューブ１０内のツールを囲む流体の体積は、環状流体１１に隣接するものとして扱うことができる。セメント１３の異常１５は、この楕円関数内で顕著になる。クリティカルな分離ゾーンは、一般にリザーバーなどの高空隙率領域内に配置されないため、地層１４の空隙率は通常、異常１５よりも低くする必要がある。
【００２８】
本明細書においてオープンホール手段（例えば、図１、要素ｉｉを参照）と呼ばれる一実施形態例は、ワイヤーラインによってボアホールを通して軸方向に運ばれる圧力ハウジング（図２、要素１）を備える。このツールは、ステップダウン電源、テレメトリ、加速度計、ケーブルヘッドアセンブリーセクションを除く４つの主要なセクションを備える。この実施形態では、第１セクション（図１、要素ｄ）は、ツールのゾンデ近くのボアホール容積を決定するために使用される少なくとも３つのアームを備えた多指キャリパーである。第２セクション（図１、要素ａ、ｂ、ｃ）には、単一成形のホウ素複合減速材シリンダー（図２、要素３）内にオフセットをもって配置された、重水素−トリチウム型又は重水素−重水素型のパルス中性子発生器（図２、要素７）が含まれている。
【００２９】
更なる実施形態において、近傍空間検出器（図２、要素５）及び遠方空間検出器（図２、要素２）は同じホウ素複合シャーシ内に配置され、すべて同じ方位角極方向に配置されている。このアセンブリー（図２、要素ａ）は、発生器制御電子機器と検出器電子機器とともに、モーター（図２、要素ｂ）によってツールの軸を中心に回転する。線源と検出器の電源（例えば４８ＶＤＣ、アース）は、内部通信及びデータバス（ＣＡＮ）とともにそして配線（４ｘＡＷＧ２２）を通じて、アセンブリーの各端部にあるスリップリングを介して回転アセンブリーに接続され、モーターとハウジングはワイヤーライン方向に対して方位角方向に固定されたままとなる。
【００３０】
アセンブリーが回転すると（図３）、発生器が作動し、反応面（図３、要素６）が等方的に放射する。ホウ素減速材シャシー（図３、要素３）は、中性子束の方位角出力方向（図４）に強いバイアスを発生させるが、これは、インバウンド粒子が検出器に入る際に中性子が減速することによって更に悪化する。この実施形態では、パルス中性子発生器は、約１０％のデューティサイクル及び１０８ｎｓ−１の総出力で、約１０００Ｈｚの周波数で動作する。線源と検出アセンブリーが１秒間に１回転する場合、１０００パルスの拡散からの応答により、システムの回転に渡って応答をデコンボリューションできる。
【００３１】
この構成は、周囲のボアホールの２次元空隙率マップの作成を可能にする方位角のスパイラルログとして扱うことができる；更に、１，８００ｆｔ／ｈｒで６インチの深さ間隔を持つ単一の深さベースの空隙率の検層記録を生成するように、データを統合できる。同様の線源出力を備えた中性子ツールは、７ｐ．ｕ．未満の空隙率で±０．５ｐ．ｕ．の精度を、７から３０ｐ．ｕ．の範囲で±７％ｐ．ｕ．の精度を、３０から６０ｐ．ｕ．の範囲で±１０％ｐ．ｕ．の精度を期待できる。しかし、９００ｆｔ／ｈｒなどの低いライン速度で検層する場合、高い空隙率範囲での統計精度は、セメント体積と流体体積の違いを簡単に区別できるほどである。
【００３２】
更に別の実施形態では、キャリパーセクション（図１、要素ｄ）は不要であり、これは、ツールはケースホールの中で動作して、ケーシングの背後のセメントを評価するからである。ケーシング内の穴容積は既知であり、ボアホール形状は既存のオープンホールキャリパーログから確立できる。この実施形態では、ツールは集中的に実行される。ケーシングの周囲の領域で予想される最大の空隙率変化は、セメントへの流体の侵入又はセメントの配置不良によって引き起こされるセメントの異常である。地層のウォッシュアウトセクションもデータにおいて顕著になり、従って、近傍空間よりも遠方空間の検出器に影響を与える。ケーシング材料の中性子捕獲断面積が低いため、検層記録は、流体などの水素が豊富な領域によく反応する。
【００３３】
更に別の実施形態では、このツールはガンマ検出器を備えているため、ボアホールの周囲の要素（例えば、塩素及び／又は酸素など）の活性化は、中性子での活性化による前記要素からのガンマ放射の結果的な放出を介して方向性バイアスによって分析することができる。この点で、セメント領域内の異常は、上記の領域の水素指数と組み合わせて、セメントと１つ以上の流体で満たされた空隙との間の酸素の変化といった、元素組成の予想される変化を通じて更に特定することができる。
【００３４】
更に他の実施形態では、ツールは、プロダクションチューブの中央で実行される。ケーシングと比較したチューブの離心率の変動は、時間ベースの楕円関数に現れ（図５）、回転群の一般的な変動が最も可能性の高い離心率を確立する。最適には、１つ又は複数の近傍空間検出器がボアホール効果の重み付けを提供し、遠方空間（調査の深さが大きい）がセメントの空隙率分布の大部分を占めるようにする。この実施形態では、セメント体積内の流体は、それぞれ偏心又は中央チューブの楕円形又は連続的機能に対して際立っている。
【００３５】
ほとんどの実施形態では、様々な幾何学的間隔で複数の検出器を使用することにより、調査の最良のケースの深さが達成される；統計的バイアス情報も考慮することができる。シールドとしてのホウ素の使用は、同様の特性を示す他の材料に置き換えることもでき、また、機械式キャリパーアームの代わりにさまざまな超音波キャリパー方法を使用してボアホールの体積を確認することもできる。様々な他の検出器の種類、チューブの種類、同位体の種類（例えば、ＰＮＧの化学的代替物としての）及び方向の計算方法は、本開示の範囲内で実用的であるとして当業者によって認識される。
【００３６】
更なる実施形態では、ツールは、泥タービン発電機又は他の適切な手段によって動力を供給できるように、オープンホール掘削環境の掘削中の検層底部穴アセンブリー内に配置され、得られた方位角空隙率応答を使用して、掘削ビットの経路がリザーバーの炭化水素含有層に向かって偏るように、操縦可能な掘削ユニットを操縦する。
【００３７】
上述の例示的な実施形態及びこれに付随する例示的な図面に記載及び図示されるように、本発明は多くの実用的な技術的利点を有する。現在の技術には、複数のストリングの背後又はケーシングとチューブの背後にあるセメントの均質性を評価できるものは存在しない。
【００３８】
本発明は、ボアホール容積の関数としてツールを囲むボアホール効果の処理及び補正を考慮すると、従来技術内の問題を克服する。複数ストリング環境では、空隙率応答の楕円分布処理によってこのような補正が可能になり、ケーシング周囲のターゲット領域の空隙率を決定できる。
【００３９】
例えば、中性子出力が指向性を形成するようにバイアスされるため、検出器で線源を回転させることにより、固定された検出器のみを単にシールドする場合に比べてはるかに大きな統計的バイアスを達成できる；従って、この構成により、固定された複数の円周方向に間隔を空けた検出器よりもはるかに大きな方位角分解能が得られる。
【００４０】
回転システムは、多くの小さな固定検出器と比較して、はるかに大きな検出器ボリュームが許され、これは、効率が体積と圧力によって支配されるＨｅ３を検討する際の検出器効率にとって重要である。
【００４１】
更に、セメントの評価に空隙率測定を使用すると、「たるんだ」セメントの列内の流体体積を、より適切に決定できる。例えば、流体の相対空隙率は約１００ｐ．ｕ．で、セメントの空隙率は大幅に低くなる。
【００４２】
また、空隙率（例、水素指数）測定に加えて、活性化測定（例、ガンマ）を使用すると、より高精細な異常検出方法が可能になる。
【００４３】
更に、結果（又は元のデータ）を、音響密度やＸ線密度などの他の測定方法と組み合わせて、測定の確実性を高めることができる。
【００４４】
本発明を幾つかの例示的な実施形態に関して上記で詳細に図示及び説明したが、当業者は、その要旨又は範囲から逸脱することなく、説明に対する小さな変更、及び他の様々な修正、省略、及び追加も行うことができることを理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2020507092.tif 000008
2020507092.tif 000009
2020507092.tif 000010