[發(fā)明專利]多傳感器設(shè)備中的伽馬射線和中子雙重探測器及相關(guān)方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210416110.7
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN103089250A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: H.C.克萊門
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣能源油田技術(shù)公司
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;曹若

技術(shù)領(lǐng)域

本文所公開的主題的實施例大體上涉及伽馬射線和中子雙重探測器的封裝選項，以獲得可在多傳感器設(shè)備中使用的小的堅固的裝置，例如，以在油氣行業(yè)中測量井周圍的地層(formation)的孔隙度(porosity)。

背景技術(shù)

在過去的歲月期間，為了尋找和探索更難接近的(陸地和/或海底中更深的)地點而開發(fā)了越來越多的復雜的方法和工具，這些地點看起來像是會有大量的化石燃料儲量。用于勘測這些地點的工具必須能夠經(jīng)得起高溫和惡劣的沖擊及振動的環(huán)境。

在油氣行業(yè)中，地層孔隙度及密度的測量結(jié)果被用以識別潛在的油氣儲量以及用以估算儲量的體積。傳統(tǒng)上，使用(化學的或電子的)放射源和探測器來在井中執(zhí)行這些類型的測量。放射源可為伽馬射線源或中子源。由地層中的中子的相互作用而產(chǎn)生的伽馬射線可用作伽馬射線源。一些放射性同位素，諸如锎，發(fā)射出中子和伽馬射線兩者，且可用作兩種射線的唯一源。

圖１示出了井下的孔隙度和密度的測量，該測量是使用放射源10和兩個探測器(“近”探測器20和“遠”探測器30)來執(zhí)行，兩個探測器位于距離源10的不同距離處(例如，分別是6和15)。中子源10在井孔周圍的地層中發(fā)射較快的中子。中子源10和探測器20及30可封閉在待下降到井孔50中的機架(chassis)40中，該井孔穿透地層60。中子源10朝土壤地層60發(fā)射的一些中子通過在地層60內(nèi)的非彈性碰撞釋放能量(即，“熱化”)，且向后朝探測器20和30偏轉(zhuǎn)。當中子與中子探測器材料內(nèi)的原子核反應(yīng)時，探測器20和30探測到回到井孔50的一些熱中子。可基于在相同時間間隔期間由兩個探測器20和30探測到的中子的比例估算地層60的孔隙度。在密度測量的情況下，離伽馬射線源較近的探測器稱為短源距探測器，離該源較遠的探測器稱為長源距探測器。對回到探測器的放射粒子計數(shù)。地層(基質(zhì)和流體)的體積密度與電子密度有關(guān)，且可從短源距探測器和長源距探測器的計數(shù)率得到。

中子為中性的(無電荷)粒子，特別是當中子的能量很大時，不容易探測到中子。然而，存在能夠探測熱化中子(即，其能量已經(jīng)通過與地層原子核的非彈性碰撞而降低的中子)的中子探測器材料。例如，由大約14?MeV的AmBe發(fā)射的中子熱化降至大約0.025?eV的能量。

中子探測器的效用是進入探測器容積的中子被探測到的可能性。可通過反應(yīng)的截面來描述中子通過原子核的俘獲反應(yīng)的概率，且該概率取決于進入中子的能量。中子探測器由包括具有用于熱中子的大的中子俘獲反應(yīng)截面的原子核的材料構(gòu)造而成，原子核諸如為硼(¹⁰B)、氦(³He)和鋰(⁶Li)。熱中子與這些原子核反應(yīng)產(chǎn)生其它的粒子，諸如α粒子(????????????????????????????????????????????????)和質(zhì)子()。

由于中子俘獲反應(yīng)而發(fā)射可計算量的能量(Q)。這種發(fā)射能量可為產(chǎn)生的粒子或伽馬射線(光子、光)的動能。這種能量會耗散，例如，在中子俘獲反應(yīng)的副產(chǎn)物行進通過閃光材料從而導致發(fā)光時。中子俘獲反應(yīng)之后發(fā)射的至少一些光到達光電倍增器(PMT)，且生成可作為反應(yīng)標記而可識別的信號。發(fā)射的能量越大，標記信號的幅度就越大。表1中示出了用于中子探測的中子俘獲反應(yīng)：

表1

傳統(tǒng)上，在油氣行業(yè)中，井下工具探測器包括基于³He(n,p)反應(yīng)的探測器，這是因為其相對較低的成本、堅固、良好的探測效率和對伽馬射線的不敏感性(即，用于伽馬射線與³He的相互作用的截面很小)。全世界³He的嚴重短缺使得需要開發(fā)新的中子探測器用于油氣行業(yè)的井下工具探測器。

鋰玻璃閃光探測器可在井下工具中使用。基于⁶Li(n,α)反應(yīng)的探測器材料的探測效率取決于其中的⁶Li的量。雖然用于中子與⁶Li的相互作用的截面小于用于中子與³He相互作用的截面，但由⁶Li(n,α)反應(yīng)引起的大量能量(Q)使得能夠與由伽馬射線引發(fā)的反應(yīng)良好區(qū)分開。

目前，兩個型號的鋰玻璃探測器是市售的。圖２示出了第一型號100，其為近探測器，包括具有0.5的直徑和1的長度的柱體110，且由KG2玻璃制成。KG2玻璃為一種中子探測器材料，該材料具有95%的⁶Li的同位素比和7.5%的總的鋰成分。