中子和伽馬敏感纖維閃爍體的製作方法

2023-11-06 15:33:48

在一方面，本公開總體上涉及用於使用基於核輻射的測量來估計與一定體積的物質相關的至少一個感興趣參數的井眼測井方法和設備。

背景技術：

油井測井技術多年來已為人所熟知，並且提供了關於特定地層的信息。在傳統測井中，在鑽井時和/或在鑽井後，可以將一個輻射源和相關聯的輻射探測器輸送至井眼中並用於確定與地層相關的一個或多個參數。剛性或非剛性的託架通常作為工具的一部分或成套的工具，經常用於輸送輻射源，並且該託架也可以提供用於發送信息至地表的通信通道。本公開涉及增強此種裝置的製造、使用及有效性。

技術實現要素：

在各個方面，本公開涉及使用從地下地層檢測到的輻射來估計地層的感興趣的參數。

根據本公開的一個一般性實施例可以是用於在一定體積的地層中的井眼裡檢測輻射的地層估計工具。所述工具可包括探測器，該探測器包括包含接合纖維的連貫聚集體的整體閃爍元件，其中纖維由光學透明的閃爍介質製成。所述纖維可以是以下各項中的至少一種：i)伽馬射線響應的；和ii)中子響應的。閃爍介質可包括以下各項中的至少一種：i)DSB:Ce和ii)包含Li6的玻璃或玻璃陶瓷。所述纖維的連貫聚集體可以是連續的質量體。所述接合纖維的連貫聚集體可以是熱接合。纖維可以是實心的。所述閃爍介質可包括以下各項中的至少一種：i)有機晶體閃爍材料，ii)無定形玻璃，和iii)納米結構化玻璃陶瓷。所述纖維的連貫聚集體可以是不對稱的。

所述纖維的連貫聚集體可圍繞具有與所述閃爍介質不同的閃爍特性的另一閃爍介質。該工具可包括：至少一個光電探測器，其配置為響應於由纖維的連貫聚集體產生的第一光閃爍產生第一輸出，以及響應於由另一閃爍介質產生的第二光閃爍產生第二輸出；以及處理器，其配置為根據所述第一輸出和所述第二輸出來確定所述第一光閃爍和所述第二光閃爍的量的差異。該閃爍元件可以是方位敏感的。所述另一閃爍介質可以包括以下各項中的至少一種：i)單晶材料，和ii)多晶材料。所述閃爍探測器可以配置為檢測伽馬射線，使得在標稱操作期間，根據在另一閃爍介質中檢測到閾值數量的伽馬射線，在所述閃爍介質中檢測到伽馬射線的概率被最大化。

所述纖維的連貫聚集體可圍繞具有與所述閃爍介質不同的閃爍特性的另一閃爍介質。所述纖維集合體還可以包括與纖維穿插設置並基本上平行於纖維的多個重金屬杆。

所述閃爍元件可以圍繞光學光導，該光學光導包括熱熔纖維的第二連貫聚集體。該纖維的長度可以是至少50釐米。所述纖維的連貫聚集體可以配置為允許光以基本上平行於所述纖維的縱軸線行進。至少一部分纖維可以各自被覆蓋層包圍。所述纖維的連貫聚集體可以包括形成第一輻射響應部件的第一纖維層和形成光學透明光導的第二纖維層。所述纖維的連貫聚集體可以包括第三纖維層，該第三纖維層位於所述第一層和第二層的內部，形成第二輻射響應部件；所述第二輻射響應部件可以配置為檢測來自所述井眼的中子。所述第二纖維層可以由光學透明中子吸收材料製成；並且所述第二輻射響應部件可以配置為檢測來自所述井眼的中子。該工具可進一步包括鑽柱；以及定位在鑽柱上的輻射源。

方法實施例可包含使用包括接合纖維的連貫聚集體的整體閃爍元件，以響應於井眼輻射而產生光閃爍，其中所述纖維由光學透明的閃爍介質製成。

已相當寬泛地總結本公開的特徵的示例，以便更好地理解以下的詳細描述，並且可以理解其對本領域所表示的貢獻。

附圖說明

為了詳細理解本公開，應當結合附圖參考以下對實施例的詳細描述，其中相同的元件被給予相同的附圖標記，其中：

圖1示出了用於井眼中，包括伽馬射線源和探測器的工具；

圖2A和圖2B示出了在蒙特卡羅模擬中在垂直於SS和LS閃爍體晶體的井眼的縱軸(「井眼軸」)的平面中的伽馬射線的進入的X和Y坐標；

圖3示出了根據本公開的實施例的用於在井眼中的工具中使用的探測器；

圖4示出了根據本公開的實施例的用於在井眼中的工具中使用的另一個探測器；

圖5A和圖5B示出了根據本公開的實施例的中子探測器；

圖5C示出了其中每個纖維被覆蓋層包圍的實施例；

圖6示出了根據本公開的實施例的另一中子探測器；

圖7示出了根據本公開的實施例的具有閃爍體元件的探測器；

圖8示出的探測器，其中內柱直徑在PMT附近逐漸變細以形成截頭圓錐形狀；

圖9A至圖9C示出了具有閃爍元件的探測器，所述閃爍元件包括具有多層的纖維的連貫聚集體；

圖10示意性地示出了具有井下工具的系統，該井下工具配置為獲取用於估計地層的感興趣的參數的信息；

圖11以流程圖形式示出了根據本公開的用於估計地層的至少一個感興趣參數的方法。

具體實施方式

在各個方面，本公開涉及檢測來自地下地層的輻射。在其它方面，本公開涉及利用檢測到的輻射來估計地下地層的感興趣參數，諸如，例如密度、孔隙率等。具體而言，一般性的實施例檢測伽馬射線和中子。在很多情況下，用於這些估計的信息可以通過部署入井眼中、與所感興趣的一個或多個地層相交叉的工具來獲取。為進行上下文說明，下面將描述部署和使用該工具以獲取此信息的示例性系統。這些方面中的每一個可以一般性地稱為地層的研究。

地層可以暴露於來自輻射源的能量。井下工具可以包括該輻射源和一個或多個探測器室中的一個或多個探測器。其中，所述輻射源可以包括但並不限於，一個或多個中子源、伽馬射線源和以及x射線。該探測器可以用來檢測來自地層的輻射，雖然探測器不限於檢測如輻射源發射的該類型的輻射。探測器也可以用於檢測天然產生的輻射。

每個探測器包括具有敏感體積部分的閃爍元件。該「敏感體積部分」是檢測體積部分，其填充有閃爍介質。如本文所定義的閃爍介質，指其中電離輻射的能量被轉換為光子(例如，閃爍光子)的能量的介質。如本文中所使用的閃爍介質，指用於檢測伽馬射線或中子中的至少一種的閃爍材料。該敏感體積部分不包括附件探測器材料，諸如光反射包裝、外殼、光學光導等等。

光學光導(「光導」)歷史上由石英或其它類似玻璃的透明材料製成。光導是光學透明介質，其中由探測器的敏感體積部分(例如，閃爍介質)產生的光朝向光電探測器傳播。光導提供閃爍光子到光電探測器的傳遞，並且已經實現為板、柱體或光學耦合到閃爍元件的其它簡單的對稱形狀。

到目前為止，伽馬射線敏感的無機閃爍元件已經製造為包括多晶和單晶塊的不同形式。單晶塊可通過各種技術獲得，其包括熔化行材料的相併將熔融的材料保持在坩堝中一段相當長的時間以引發晶體生長。

如下面進一步描述，可以期望使用用於在井下檢測輻射的不對稱閃爍元件。傳統閃爍探測器的一個缺點是閃爍元件的不對稱形式表現出來自元件的不同部分的不均勻響應，導致作為整體的探測器的不均勻響應。

此外，作為有效閃爍介質(例如，每單位吸收能量的入射輻射提供大量閃爍光子的介質)的一些材料可能發生閃爍的自吸收。隨著閃爍介質的尺寸增加，自吸收變得更加成問題，因為光子必須穿過更多的材料。然而，增加的尺寸導致探測器靈敏度更大。因此，已經採用光導來提供光學透明介質，閃爍可以通過該介質到達光電探測器。探測器的「有源元件」可以被定義為直接或間接地光耦合到一個或多個光導的敏感體積部分。

對於中子檢測，廣泛使用富含Li-6同位素的基於Li的閃爍玻璃。在測井裝置中，基於Li的閃爍玻璃用於長度不超過25毫米且外徑高達25毫米的小元件中；或者具有壁厚3-4毫米，外徑為20-25毫米，長度不超過100毫米的中空管。元件的形狀由用Ce3+離子激活的玻璃中的光閃爍的自吸收決定。市售GS-20Li基玻璃(例如來自Saint Gobain)中的閃爍帶最大值可在395nm附近達到峰值。因此，對於在這種介質中行進的光閃爍，相當一部分的光已經在幾釐米的閃爍材料中被吸收。此外，當材料中發生閃爍時，光在不同方向上隨機發射，因此在光閃爍到達光接收器之前增加了光閃爍的有效路徑長度。另一方面，通過富集Li-6的玻璃的熱中子捕獲的高效率使得能夠構造包含中子吸收玻璃的薄層的探測器。該設計在具有高度為75-100毫米，外徑為20-25毫米，壁厚為3-4毫米的中空管形式的閃爍元件的探測器中實現。鄰近光電探測器的中空柱體的部分可以裝配到光電探測器的敏感區域的外徑。在管的壁中產生的光閃爍可以進入柱體的充滿空氣的內部，其用作空氣光引導件。空氣光導的使用減少了探測器中的光閃爍的吸收。這種設計的一個缺點就是光接收器窗口的材料和空氣的折射率差異很大，這使光收集減少了2倍或更多倍。

圖1示出了用於包括伽馬射線源116和探測器108、110的井眼112中的工具100。例如，所述工具可以是伽馬密度測井電纜工具。伽馬射線源116可以是發射662KeV伽馬進入地層的Cs-137伽馬源。井眼112被描述為水平井眼，但是工具100可以配置用於任何傾斜度的井眼或完全垂直的井眼。感興趣的體積直接在工具上方。

示出探測器的配置包括短間隔('SS')探測器108和長間隔('LS')探測器110。探測器可以沿著井眼以與伽馬源不同的距離放置。伽馬源和SS和LS探測器都可以用重金屬屏蔽物(像鉛、鎢等)包圍，準直器窗口109、111位於地層與SS和LS探測器之間。示出蒙特卡羅模擬的自Cs-137源的伽馬軌跡120。

圖1的配置使得探測器對地層的靈敏度最大化。來自地層的伽馬射線通過準直器窗口到達SS和LS探測器，而來自井眼或工具本體的伽馬射線減少，因為許多伽馬射線被吸收到屏蔽物中。然而，實際上，許多伽馬射線從除了感興趣體積(例如，井眼)之外的體積部分到達SS和LS探測器，如從蒙特卡羅模擬的結果可以看出的，蒙特卡羅模擬允許定位伽馬的坐標(或其它感興趣的放射性粒子)。

圖2A和圖2B示出了在蒙特卡羅模擬中在垂直於SS和LS閃爍體晶體的井眼的縱軸(「井眼軸」)的平面中的伽馬射線的進入的X和Y坐標。圖2A的點對應於通過準直器窗口以及從其它(例如，井眼)方向進入的伽馬射線。圖2B的點僅對應於來自其它(例如，井眼)方向的伽馬射線。

到達閃爍介質的伽馬射線的百分比(例如晶體)並不是來自於準直器窗口，這取決於特定的工具幾何形狀和井眼直徑。在超薄工具和大直徑井眼(例如，大於8.5英寸)的情況下，對於高密度地層中的LS探測器，其可以變為大約25％或更高。這種大的環境效應將降低測量的準確性，即使當為蒙特卡羅模擬進行計算時也是如此。因此，期望減少來自除了準直器窗口之外的方向的伽馬射線的數量。

新閃爍元件

本公開的一般性實施例可以包括具有整體閃爍元件的探測器，所述整體閃爍元件包括接合纖維的連貫聚集體，其中所述纖維由光學透明閃爍介質製成。閃爍介質對中子和伽馬射線輻射中的至少一種敏感。這裡使用的「連貫」被定義為「聯合為一體或形成一個整體」。注意，這個含義不應與光連貫(涉及保持固定相位關係的波)相混淆，光連貫與上述含義不同，不是這裡定義的含義。纖維的連貫聚集體可以是連續的質量體，定義為在纖維之間沒有空隙的質量體。注意，這並不意味著聚集體可以不具有中空柱體的形狀。纖維由光學透明的閃爍介質製成，並且可以是實心的，與中空纖維不同。該聚集體將包含多於10個纖維，並且可以包含數百或數千個纖維。

所述接合纖維的連貫聚集體可以是熱接合。纖維可以在排出口處形成並且從填充有玻璃熔體的坩堝擠出熔體。纖維的烘烤允許構造具有最小的光閃爍損失的不同形狀的整體塊。相應形狀的不鏽鋼形式體可以裝載有纖維，例如直徑為0.1-5毫米，長度為10-1000毫米。不對稱閃爍元件可以由鋇DSB:Ce(BaSi2O5:Ce3+)纖維的二矽酸鹽的組合物的玻璃通過在高於材料(Tg)的玻璃化溫度的溫度但低於雪崩結晶的溫度下在真空壓力下烘烤金屬形式的纖維來製成。該溫度可以在800-875攝氏度的範圍內。該形式體可以放置在稍微高於Tg的真空室中。同時，可以對該形式體施加壓力，直到纖維的外表面烘烤到彼此上。在該過程中，纖維的圓形形狀可以變形，使得橫截面從圓形變為六邊形。然而，纖維保持基本上不混合，並且保持其作為不同的纖維的獨立性質。因此，其它實施例可包括使用光學粘合劑(例如光學樹脂和膠水)接合的纖維的連貫聚集體。

現在可以生產具有類似於通過Czochralski方法或其它拉制技術獲得的晶體的參數的各種閃爍材料的結晶纖維。此外，纖維形式的閃爍材料可以從新開發的納米結構的伽馬敏感玻璃和玻璃陶瓷獲得，例如，鋇DSB:Ce(BaSi2O5:Ce3+)的二矽酸鹽。與LuAG:Ce閃爍材料類似，DSB:Ce也是具有高有效電荷(Zeff)的介質。這兩種材料都適合於在寬能量範圍上檢測伽馬量子。摻雜有Ce的釔鋁石榴石也是高光產率的閃爍體；它可以以纖維形式生產，但其有效電荷顯著小於LuAG:Ce或DSB:Ce。LuAG:Ce閃爍材料在用於測井時具有缺點，即其自身的放射性。

此外，傳統單晶矽無機閃爍體如CsI(Na)、NaI(Tl)、BGO或GSO的使用由於它們的各向異性膨脹係數而受限於用於高溫井下應用的嚴格柱體形式，而由包括結晶閃爍材料(例如LuAG和YAG)、非晶玻璃、納米結構的玻璃陶瓷等的纖維製成的接合纖維材料可以應用於各種不同的不對稱形狀。

連貫聚集體中的每個纖維以相同效率將來自閃爍的光傳送至光電探測器(例如，光電倍增管)，這僅取決於纖維中光的衰減量。閃爍物質中光的衰減量取決於晶體吸收光譜與閃爍光譜的交疊。該交疊的特徵在於閃爍光譜的斯託克斯位移。摻雜Ce的晶體閃爍體表現出可接受的光產率隨溫度而減少，而表現出小斯託克斯位移(通常情況下小於0.25eV)。因而，當由絕大多數摻Ce的閃爍物質製成的探測器厚度較小(最多幾釐米)時，這些閃爍材料與閃爍體探測器一樣具有良好的適應性。在各種摻雜Ce的晶體材料中，YAG:Ce的斯託克斯位移顯著；由YAG:Ce製造的探測器的長度可以大於10釐米。

DSB:Ce玻璃陶瓷閃爍材料的斯託克斯位移為0.38eV，其比氧化物材料中Ce3+閃爍的標準位移大50％，因此，對於其自身的閃爍高度透明(在455納米處具有最大值)。由於自身吸收閃爍光，因此，甚至長纖維(例如，1米長)也可實現最小的光損失。

圖3示出了根據本公開實施例的井眼112中工具100中使用的探測器300。探測器300包括整體閃爍元件312，該元件包括接合纖維320的連貫聚集體。(接合)纖維由對伽馬射線敏感的閃爍介質組成，因此，所述探測器適於檢測伽馬射線。纖維的連貫聚集體圍繞具有與所述纖維的閃爍介質不同的閃爍特徵的另一(非纖維)閃爍介質330。例如，閃爍介質330可以為傳統的單晶或多晶柱形閃爍體NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)、BGO、GSO、LuAG:Pr或本領域技術人員可能想到的任何其它柱形閃爍體。因此，接合纖維320的連貫聚集體可以以包括不對稱形狀的各種形狀構成。

探測器300可包括至少一個光電探測器130，其配置為響應於由纖維連貫聚集體產生的第一光閃爍生成第一輸出和響應於由另一閃爍介質產生的第二光閃爍生成第二輸出。配置為用以確定第一光閃爍和第二光閃爍的量與第一輸出和第二輸出間差異的處理器能夠以可操作的方式耦合到光電探測器。

在使用蒙特卡羅模擬的情況下，閃爍體與準直器的尺寸可按以下方式模擬，即，將信號穿過元件312中伽馬射線的可能性最大化(這裡，康普頓散射事件足以用於信號)；並且，來自柱形閃爍體(放置在準直器窗口附近)的計數將足以用於統計意義。可選擇另一閃爍介質為有效閃爍體(例如，CsI、BGO、GSO等)以減少再次散射入纖維的伽馬射線。將在晶體閃爍體中產生信號而在基於纖維的閃爍體中未產生信號的事件可用於地層表徵。由於有顯著的非地層伽馬成分的存在，因此，這些技術可與LS探測器以及低孔隙度、高密度地層一起使用。由於初始的662keV伽馬能量將通過介質中的康普頓散射而顯著降低，而且可在位於準直器窗口前方的重晶體閃爍體中吸收大部分本來柔性的伽馬射線，因此，該技術無法顯著降低LS計數。

因此，所述閃爍元件可在方位上具有靈敏度，並且所述閃爍體探測器可配置為用以檢測伽馬射線，以便於在標稱操作過程中，受制於在另一閃爍介質中檢測到閥值數量的伽馬射線，可將在閃爍介質中檢測伽馬射線的可能性最大化。

圖4示出根據本公開實施例的另一探測器400。基於纖維的熱接合閃爍體還可使用DSB:Ce或YAG:Ce纖維晶體製成。重金屬(例如，鎢(W))的杆402可置於纖維404之間。這些杆402可增加伽馬量子的吸收效率。杆的厚度可與熱電子有效逸出的可能性和杆中的特徵X射線有關，以激勵纖維中的閃爍體。在一個示例中，厚度小於100μm。

在其他它實施例中，接合纖維的閃爍介質可對中子敏感，所述探測器適於檢測中子。對中子敏感的光纖可與聚集體中非閃爍光學透明的纖維並列設置。

基於市售GS-20以及Li-6的閃爍納米玻璃陶瓷可以光纖的形式生產。纖維的閃爍特性及其對中子的靈敏度可在材料中Li-6同位素和摻雜離子(例如，Ce3+)的存在下得到控制。由富含7-Li同位素的原材料製造的玻璃或玻璃陶瓷對熱中子不敏感。即，它們將不閃爍並且不吸收熱中子。由富含7-Li同位素但不摻雜Ce離子的原材料製成的玻璃或玻璃陶瓷對熱中子或其它放射物不敏感，並且相對於摻雜Ce的玻璃或玻璃陶瓷的光閃爍來說是透明的。

圖5A和圖5B示出根據本公開實施例的中子探測器。探測器500包括閃爍元件510，閃爍元件510包括對中子敏感的纖維504的連貫聚集體502。纖維504可由軟玻璃等製成的覆蓋層506包圍，其可以是不閃爍和光學透明的，並作為光學光導。所述纖維可為熱接合型。每個纖維可由覆蓋層包圍。所述探測器可以為直徑為0.01英寸到5毫米、高度為20-100毫米的柱體。工具可包括探測器500以及快中子源，例如，脈衝中子發生器(『PNG』)或放射性同位素源(例如，Am-Be化學中子源)。

在操作過程中，閃爍光基本上僅沿纖維傳播。這對於以滿足全內反射的條件的角度發射的光子而言是完全正確的，並且不滿足條件的光子將進入相鄰纖維，在那裡，它們將很由可能受到TIR條件的影響。一些閃爍光子可達到外部光反射包裝，並可以不同的角度返回纖維；一些角度將再次受到TIR條件的影響。因此，纖維的連貫聚集體配置為允許光基本上平行於所述纖維的縱軸傳遞。總的來說，這些條件增加了光的收集，並提高了探測器的能量解析度。纖維的長度至少為50釐米或以上。在一些實施例中，纖維的至少一部分可各由覆蓋層包圍。圖5C示出了每個纖維被覆蓋層包圍的實施例。

根據本公開各個方面對閃爍器元件的構造實現了幾種新的探測器設計。圖6示出根據本公開實施例的另一中子探測器。纖維的連貫聚集體可包括形成第一輻射敏感部件的第一層纖維和形成光學透明光導的第二層纖維。所述探測器600包括閃爍元件610，該閃爍元件610包括對圍繞光學光導606的中子敏感的纖維604的連貫聚集體602，光學光導包括不閃爍和光學透明的纖維614的第二連貫聚集體608。纖維可不被包覆且直徑約為1毫米。纖維可為熱接合型。形成所述閃爍元件610的第一連貫聚集體602可由圍繞第二連貫聚集體608的大約三到五個纖維環組成。第一聚集體可由摻鈰閃爍玻璃或含Li-6的玻璃陶瓷製成，而第二聚集體可由未摻雜玻璃或含Li7的玻璃陶瓷纖維製成，其對中子不敏感。由於折射率基本上相似(例如，n＝1.57)，因此，可在整個玻璃-光導-光電探測器路徑上優化光傳導。這在與井下環境一致的高溫下尤其需要。在考慮所述材料的結構時，基本相似是指至少第一坐標球與第二坐標球相同；例如，在第三或第四順序上可能存在一些不同。這可能是由於Li-6和Li-7的原子質量不同。第一坐標球為離所考慮的離子最近原子的球體，第二坐標球為原子的下一個殼體，以此類推。

可運用上述設計的變型。例如，所有纖維可以被覆蓋層包圍，從而增加所述探測器的光產率(LY)和能量解析度。在該配置中，作為光導的內部Li7纖維的重要性有所降低。在一些實施方案中，7Li/6Li同位素的天然混合物可富含有Li6。這種特殊的富集程度可配置用於連貫聚集體的特殊部分，從而實現對諸如熱中子(例如，富含Li6的纖維的外層)、超熱中子(富含達到所需值的6-Li的纖維的內層)等特殊輻射的靈敏度。可在檢測熱中子和超熱中子兩者的閃爍的單個光電探測器上收集來自所有纖維的光。可替代地，可在置於活動體積部分(例如閃爍柱體)相對端的兩個光電探測器上檢測閃爍。例如，外層可以光學耦合至(例如，檢測熱中子的)一個PMT和(例如，檢測超熱中子的)另一個PMT上的內部纖維。可以使用歸因於每個閃爍元件的信號的差異進行感興趣參數的估計。

圖7示出根據本公開實施例的具有閃爍元件的探測器700。閃爍元件包括纖維的第一層720和第二層730。所述探測器700進一步包括在一端光學耦合至第一纖維層720的第一光電探測器160(例如，光電倍增管)和在另一端光學耦合至第二纖維層130的第二光敏感裝置765(例如，光電倍增管)以便將所述元件中出現的光閃爍轉換成電信號。第二層730布置在第一層720內，並因此置於由外層720包圍的空間內。第一層720包括具有內井的柱體。在其它實施例中，第一層720可實現為圍住第二輻射敏感元件的空心柱體。

特定探測器實施例可自第一光電探測器上的探測器的第一側(例如，鄰近地層側)的外部纖維以及第二光電探測器上的第二側(例如，LWD系統中鄰近泥漿通道側)的外部纖維收集光閃爍。這種配置將致使在方位上對熱中子敏感。來自第一側(例如，「朝」地層看)的信號增加了系統靈敏度，同時來自其它側(例如，「朝」泥漿通道看)的計數可用於監測環境因素。例如，該配置中的內部纖維可由透明中子吸收材料，諸如帶硼汙染物的玻璃製成以消除所述探測器相對側纖維之間的串音。

由於斷面中子吸收較高，因此，硼在吸收熱中子和超熱中子方面具有優勢。硼矽酸鹽玻璃具有類似於石英的特性。硼矽酸鹽玻璃缺乏溫度靈敏度，並不易分解。此外，通常情況下，這些玻璃的光傳導特徵在井眼中通常所見的整個溫度範圍內基本上保持恆定不變。

可替代地，探測器的內部也可由伽馬敏感纖維或單晶伽馬敏感閃爍體製成。隨後使用基於電信號形狀分析的中子-伽馬分離技術在PMT上進行兩組相應閃爍的檢測(磷酸鹽探測器)。可替代地，可在兩個PMT上收集閃爍，每個位於所述探測器的不同側，並可同時進行伽馬和中子檢測而無需進行中子-伽馬分離的額外電子器件。因此，所述閃爍元件具有方位靈敏度，從而允許區分接近該元件的輻射所來自的方向。

另一便利之處可通過簡單地在略高於Tg的溫度下拔長管道一端來將管道的直徑減至與PMT光電陰極相對應的數值。同時，內圓柱直徑在PMT附近可逐漸變細以形成截頭圓錐形狀。參見圖8。由於PMT窗口的折射率與光導的差將減至最小，因此，相比於傳統空心柱體，這種構造(帶或不帶覆蓋層的纖維)將具有一定優勢。閃爍塊的形狀無需限於柱形，從而為井下核工具中的閃爍的可能配置提供顯著優勢。

可通過地層熱化快中子。在特定的實施例中，工具可包括具有對環形段形狀的熱中子敏感的閃爍元件的探測器。

圖9A-圖9C示出具有閃爍元件910的探測器900，該閃爍元件包括纖維904的連貫聚集體，該纖維包括對形成第一輻射敏感元件916的中子敏感的第一層纖維906，第一層纖維906圍繞形成光學光導912的第二層纖維902。第二層纖維可為不閃爍也可為光學透明式。纖維的連貫聚集體可包括第三層纖維908，其位於第一層906和第二層902的內部，並形成第二輻射敏感部件918。第一輻射敏感部件916可配置為檢測來自地層的中子；並且第二輻射敏感部件918可配置為檢測來自井眼的中子。第二層纖維902可由光學透明的中子吸收性材料製成。

例如，此類元件的外層(約3-5毫米厚)可由具有富含Li-6的材料以及在置於閃爍元件910的第一側上的PMT上收集的光的纖維製成。下一層可由具有如上所述含有玻璃的硼的纖維製成。厚度為3-5毫米的內層還由具有富含Li-6的玻璃的纖維製成，並且在置於閃爍元件另一側上的單獨PMT上完成光的收集。

這類閃爍元件可置於工具(例如，LWD工具)外表面處的凹槽中，然後覆蓋有保護管。多個(例如，2到4個)這類元件910』可以在外表面圍繞所述工具以圓周形式排列。在一些實施方案中，熱中子敏感元件可大致在所述工具表面形成連續帶。具有這種結構的熱中子敏感閃爍元件可對來自地層(外層)的熱中子具有靈敏度，並且獨立地對例如主要來自泥漿通道930等的工具本體內部(內層)的熱中子敏感。富含化學元素的對熱中子(例如，硼、釓等)具有大吸收斷面的中間層將強有力的降低敏感層之間的串音。在一個實施方案中，熱中子敏感元件可置於對應於傳統短間隔和長間隔探測器的多個「帶」中。因此，通過使用多個帶中的信息，中子孔隙度可使用傳統方法，例如通過計算來自SS和LS閃爍元件的計數間的比率確定。

根據本公開的各個方面的實施例可在鑽孔作業期間提供對中子孔隙度在方位上的靈敏度。LWD工具的轉動定期將地層的不同部位暴露到不同的閃爍元件。通過使用與LWD轉速同步的時間，可結合地層中方位角分區所需數量的孔隙度數據(和/或可源自熱中子測量的其它數據)。

與現有工具相比，這些實施例可顯示對地層的靈敏度有所增強，並降低因環境因素的影響。熱中子探測器可具有顯著增大的表面積。該增大的表面積可顯著提高孔隙度測量的統計準確性。結合方位角靈敏度性，增加的準確性可根據探測器信息實現地質導向。類似的測井電纜工具也可提高對地層的靈敏度，降低環境影響，並提高統計準確度(可以允許更高的測井速度)。

如上所討論，本文公開的輻射探測器可結合測井電纜、MWD、LWD以及其它井下工具使用。本文示出了示例性系統。圖10以圖示方式示出具有井下工具1010的系統1001，該井下工具配置為獲取用於估計地層1080的感興趣參數的信息。在一個說明性實施例中，所述工具1010可包含輻射源1020和探測器1030、1040。感興趣參數可包括與地質參數、地球物理學參數、巖石物理參數和/或巖性參數相關的信息。

系統1001可以包括豎立在鑽臺1070上的常規井架1060，或者可以是車載的。傳送裝置(託架1015)可以是剛性的或非剛性的，其配置為將井下工具1010送入靠近地層1080的井筒1050。託架1015可以是鑽柱、連續油管、平直管線、電線、纜線等。井下工具1010可以與額外的工具(例如，圖10的信息處理系統的部分或全部)耦合或組合。因此，根據配置，工具1010可以在鑽井期間和/或在已經形成井眼1050之後使用。雖然示出了陸地系統，但本公開內容的教導也可以在海上或海底應用中使用。託架1015可以包括用於在地表和井下設備之間提供信號和/或電力通信的電力和/或數據的嵌入式導體。託架1015可以包括底部鑽具組件，其可以包括用於旋轉鑽頭的鑽井馬達。

輻射源1020將輻射(例如，中子)發射到待勘測的地層中。在一個實施例中，井下工具1010可以使用發射14.2MeV快中子作為其輻射源1020的脈衝中子發生器。使用來自脈衝中子源的14.2MeV中子僅是說明性和示例性的，因為可以使用不同能級的中子。在一些實施例中，輻射源1020可以是持續的。在一些實施例中，輻射源1020可以是可控的，在井筒中時輻射源可以「打開」和「關閉」，而不是持續「打開」的輻射源。使用這種類型的輻射進行的測量可以被稱為「無源」測量，因為它們採用可以關閉的源，而不是持續發射的化學輻射源。

探測器1030、1040提供信號，這些信號可用於估計從地層返回的輻射計數(例如，中子計數或伽馬射線計數)。通常，探測器1030、1040可以相對於輻射源以基本上線性的方式間隔開。如果使用兩個探測器，那麼可以是短間隔(SS)探測器和長間隔(LS)探測器，其中探測器與輻射源的距離不同。例如，在一個實施例中，探測器1030可以是短間隔探測器，探測器1040可以是長間隔探測器。SS探測器和LS探測器不限於放置在輻射源的同側並且它們與輻射源的間隔可以相等或不等。可以使用額外的探測器來提供額外的輻射信息。這些探測器中的兩個或兩個以上探測器可以是中子探測器，中子探測器或某些組合。鑽井液1090可以存在於地層1080和井下工具1010之間，使得來自輻射源1020的發射可以穿過鑽井液1090到達地層1080，並且在地層1080中引發的輻射可以穿過鑽井液1090到達探測器1030、1040。

在一個實施例中，與探測器相關聯的電子器件(未示出)可以配置為記錄來自至少兩個軸向隔開的探測器1030、1040的輻射計數，並通過使用來自多個井噴的信息生成軸向間隔的探測器之間的時間依賴性比率。這個檢測可以在非常窄的時間倉或窗口(1至1000微秒的量級)內發生，這樣就基本上是連續的。這個比率可以表示為描述多個比值的組合的曲線或其它圖形函數。在一些實施例中，可以使用探測器計數之間的差來估計感興趣參數。本文中，不同於保持恆定不變的比率，術語「時間依賴性」廣義上描述了比率隨時間變化的性質，例如，使用連續輻射源時可能發生。在一些實施例中，時間依賴性比率可以進行加權。軸向間隔探測器計數率比率可以作為時間的函數而獲得，並且圖形地表示為時間依賴性比率曲線。可以使用時間依賴性比率曲線來確定地層的各種性質，包括但不限於地層的孔隙率。

在其它實施例中，這種電子器件可以位於其它地方(例如，在地表處)。為了在單個行程期間進行處理，工具可以使用「高帶寬」傳輸以將由探測器1030、1040獲取的信息傳輸到地表用於分析。例如，用於傳輸所獲取的信息的通信線路可以是光纖、金屬導體或任何其它合適的信號傳導介質。應當理解的是，使用「高帶寬」通信線路可以允許地面人員「實時地」監測和控制處理活動。

探測器1030、1040中的一個或多個可以包括根據本公開的閃爍元件和至少一個光電探測器(例如，光電倍增管，電荷耦合矽裝置或其它光電倍增器裝置或光響應裝置等等)，光電探測器配置為產生表示相應光閃爍的輸出。

圖11以流程圖的形式示出了根據本公開的一種使用模型來估計地層1080(圖10)的至少一個感興趣參數的方法1100，該模型將從至少一個探測器1030、1040獲取的輻射計數信息與該感興趣參數相關聯。現在參照圖10和圖11，方法1100可以包括步驟1110，其中輻射源1020在靠近地層1080處發射電離輻射。在步驟1120中，與輻射和地層1080相互作用相關的信息可以由探測器1030、1040中的一個或多個收集。在步驟1130中，可以通過將一個或多個計數率從探測器中的一個或兩個應用到模型來估計地層1080的感興趣參數(例如，密度，孔隙率等)。由探測器收集的信息可用於產生歸因於探測器的中子計數之間的差或比率。感興趣參數的估計還可以包括將中子計數信息與地層相關參考信息進行比較或組合。在一些實施例中，估計方法1100可以包括步驟1150，其中通常訪問關於一個地層或多個地層的參考信息。在步驟1130中，參考信息可以與中子計數信息組合以估計感興趣參數。

本文中，術語「信息」可以包括但不限於以下中的一個或多個：(i)原始數據，(ii)處理後的數據和(iii)信號。如上所使用的術語「傳送裝置」是指任何裝置、裝置部件、裝置、介質和/或構件的組合，其可用於傳送、容納、支撐或以其它方式便於另一裝置、裝置部件、裝置、介質和/或構件的組合的使用。示例性的非限制性傳送裝置包括盤管式鑽柱，連接管式鑽柱及其任何組合或部分。其它傳送裝置的示例包括套管，纜線，纜線探測器，平直管線探測器，吊球，液壓彈簧，井下接頭，BHA，鑽柱插入件，模塊，內部殼體及其襯底部分，自推進式拖拉機。如上所使用的，術語「子」是指配置為部分地包圍，完全地包圍，容納或支撐裝置的任何結構。如上所使用的術語「信息」包括任何形式的信息(模擬信息，數字信息，EM信息，印刷信息等)。本文中，術語「信息處理裝置」包括但不限於傳輸，接收，操縱，轉換，計算，調製，調換，攜帶，存儲或以其它方式利用信息的任何裝置。信息處理裝置可以包括微處理器，常駐存儲器和用於執行編程指令的外圍裝置。

由於介質的透射率具有波長依賴性，所以對於閃爍材料本身和對於相應的材料(例如光導)，高透射率在閃爍的波長區域中最為重要，以保證儘可能多的閃爍光子到達光電探測器。因此，通常為閃爍發射光譜的最大波長設置閃爍材料的衰減係數k。

如本文所使用的，光學透明介質可以是具有高光透射率的介質，或具有低衰減的介質。在閃爍技術中，閃爍體和相應光學材料的光學透明度可能有極大的不同。如本文所使用的，標稱操作是指具有那些被預測用於特定環境的環境因素特性的範圍。

相應地，在本公開內容的上下文中，「光學透明」介質是指閃爍光子的損失不超過10％的介質。對於光學玻璃，在420-430nm(閃爍玻璃陶瓷的閃爍發射最大值)處的典型透射率對於10cm光通量可以高達97％。如本文所使用的，整體是指形成為單個較大的不可分割主體。納米結構化的玻璃陶瓷是包含具有納米尺寸(尺寸小於1微米)的結晶相(有序相)包含物的無定形玻璃體。

如本文所使用的，「光耦合」可以被定義為以向第一介質中傳播的光提供有利條件以進入第二介質的方式進行連接。例如，如果連接後的介質分別具有折射率n1和n2，並且n1>n2，那麼當間隙填充有折射率n3的光學潤滑脂、粘合劑等時，有利條件存在，使得n1>n3>n2。

「輻射響應的「被定義為對輻射敏感的特性，以便響應於吸收輻射而產生可檢測的發射，使得已吸收的輻射可根據發射進行量化。因此，進一步地，「伽瑪響應的」被定義為響應於吸收伽馬射線而產生可檢測的發射的特性，使得已吸收的伽馬射線可根據發射進行量化；並且「中子響應的」被定義為響應於吸收中子而產生可檢測的發射的特性，使得已吸收的中子可根據發射進行量化。本文所定義的纖維是指直徑小於5毫米和/或橫截面最大長度與最大寬度的比率大於100的半柔性構件。

關於基本上僅沿纖維傳播的閃爍，「基本上全部」是指閃爍的一部分足以允許僅使用沿纖維傳播的那些閃爍(及其衍生和比較，例如差異，比率，變化率等等)來確定地層的感興趣參數，這種部分的示例包括，例如，至少90％，至少95％，至少99％，至少99.9％等等，直到包括所有閃爍。

如上所使用的，術語「吸收」是指從將電離輻射轉換為其它可檢測標記物(例如光子)的意義上講的吸收。如上所使用的，術語「入射」或「入射到」是指投射在(例如，進入的介質)其物理空間上或穿透其限定的邊界。如本文所使用的，光電探測器是指任何光響應裝置，例如光電倍增管，其為了本文所述目的能夠檢測和量化光閃爍。「光產率」可以被定義為每1個吸收單位的輻射所發射的閃爍光子的數量。例如，對於中子探測器，每1個吸收中子所發射的閃爍光子的數量，或者對於伽馬探測器，每1個單位的吸收伽馬射線能量(通常為每1MeV)所發射的閃爍光子的數量。

再次參照圖10，本公開內容的某些實施例可以用硬體環境來實現，該硬體環境包括信息處理器1011，信息存儲介質1013，輸入裝置1017，處理器存儲器1019，並且可以包括外圍信息存儲介質1009。硬體環境可以在井中，在鑽機處，或在遠程位置。此外，硬體環境的若干部件可以分布在那些位置中。輸入裝置1017可以是任何數據讀取器或用戶輸入裝置，例如數據卡讀取器，鍵盤，USB埠等等。信息存儲介質1013存儲由探測器提供的信息。信息存儲介質1013可以包括用於標準計算機信息存儲的任何非暫時性計算機可讀介質，例如USB驅動器，記憶棒，硬碟，可移動RAM，EPROM，EAROM，快閃記憶體和光碟或本領域技術人員已知的其它常用存儲器存儲系統，包括基於網際網路的存儲。信息存儲介質1013存儲程序，執行該程序時，使信息處理器1011執行所公開的方法。信息存儲介質1013還可以存儲由用戶提供的地層信息，或者地層信息可以存儲在外圍信息存儲介質1009中，該外圍信息存儲介質可以是任何標準計算機信息存儲裝置，例如USB驅動器，記憶棒，硬碟，可移動RAM或本領域技術人員已知的其它常用存儲器存儲系統，包括基於網際網路的存儲。信息處理器1011可以是任何形式的計算機或數學處理硬體，包括基於網際網路的硬體。當程序從信息存儲介質1013加載到處理器存儲器1019(例如，計算機RAM)時，程序在被執行時使信息處理器1011從信息存儲介質1013或外圍信息存儲介質1009中檢索探測器信息，並處理該信息以估計感興趣參數。信息處理器1011可以位於地表或井下。

本公開有不同形式的實施例。雖然在烴生產井的上下文中討論了本公開，但應當理解的是，本公開可以在任何井眼環境(例如，地熱井)中使用。對於在附圖中示出並且在本文中詳細描述的本發明的具體實施例的理解應當是，本公開被認為是本公開原理的示例，並不旨在將本公開限於所示出的和本文所描述的內容。雖然前述公開涉及本發明的一個模式實施例，但各種修改對於本領域技術人員將是顯而易見的。意圖是所有變型都包含在前述公開中。