具有固态中子监测器的井下测井仪.pdf

本发明涉及具有固态中子监测器的井下测井仪。所述一种核测井仪，包括测井仪外壳；置于测井仪外壳中的中子发生器；及邻近中子发生器布置的用来监测中子发生器输出的固态中子监测器。一种构建核测井仪的方法，包括将中子发生器置于测井仪外壳中；及将固态中子监测器邻近中子发生器放置以监测中子发生器的输出。一种测量地层的方法，包括将核测井仪置于穿透地层的井筒中，其中该核测井仪包括中子发生器和邻近中子发生器放置的固态中子监测器；从中子发生器产生中子；用固态中子监测器监测由中子发生器产生的中子；探测在地层中移动的中子所产生的信号；及根据固态中子监测器探测到的信号强度来校正所探测到的信号，以产生校正的信号。

1.  一种核测井仪，包括:
配置为在穿透地层的井筒中移动的测井仪外壳；
布置在该测井仪外壳中的中子发生器；及
邻近该中子发生器放置的用来监测中子发生器输出的固态中子监测器。

2.  权利要求1的核测井仪，其中所述固态中子监测器布置在中子发生器的外壳内。

3.  权利要求1的核测井仪，其中所述固态中子监测器布置在中子发生器的外壳之外。

4.  权利要求1的核测井仪，其中所述固态中子监测器包括半导体材料。

5.  权利要求4的核测井仪，其中所述半导体材料是均相外延人造金刚石或SiC。

6.  权利要求5的核测井仪，其中所述均相外延人造金刚石是通过化学气相沉积法制备的。

7.  权利要求1的核测井仪，其中所述固态中子监测器具有直径为0.5cm～2cm的尺度。

8.  权利要求1的核测井仪，其中所述固态中子监测器具有0.1mm至1cm的厚度。

9.  一种构建核测井仪的方法，包括:
将中子发生器布置在测井仪外壳中；及
邻近该中子发生器布置固态中子监测器，以监测该中子发生器的输出。

10.  权利要求9的方法，其中所述固态中子监测器布置在该中子发生器的外壳之外。

11.  权利要求9的方法，其中所述固态中子监测器布置在该中子发生器的外壳之内。

12.  权利要求9的方法，其中所述固态中子监测器包括半导体材料。

13.  权利要求12的方法，其中所述半导体材料为均相外延人造金刚石或SiC。

14.  一种测量地层的方法，包括:
将核测井仪布置在穿透地层的井筒中，其中该核测井仪包括中子发生器和邻近该中子发生器布置的固态中子监测器；
从该中子发生器产生中子；
用该固态中子监测器监测该中子发生器所产生的中子；
探测在地层中移动的中子所产生的信号；及
根据该固态中子监测器所探测到的信号强度来校正所探测到的信号，以产生校正的信号。

15.  权利要求14的方法，其中所述固态中子监测器包括半导体材料。

16.  权利要求15的方法，其中所述半导体材料是均相外延人造金刚石或SiC。

17.  权利要求14的方法，还包括由所述校正的信号得到地层性质。

具有固态中子监测器的井下测井仪
技术领域
本发明涉及用于测定地层性质的测井仪，具体地，本发明涉及具有中子发生器和中子监测器的核测井仪。
背景技术
烃类勘探和生产中，重要的是确定地层是否含有烃和地层中有多少烃。地下的烃和水通常都包含在地层的孔隙内。因其独特的探测这类流体的能力，传统上使用中子“孔隙度(porosity)”测井仪测定地层孔隙中烃和水的量。
中子测井仪包括中子-发射源(或者是化学源或者是中子发生器)和一个或多个轴向分隔开的探测器，该探测器响应井筒内和井筒附近的地层中由于中子与核相互作用而产生的γ-射线或者反弹中子的通量。中子孔隙度测井仪的基本原理基于以下事实：(a)氢是最有效的中子减速剂；及(b)地层中发现的大部分氢都以水或者以液态烃或气体形式包含在地层孔隙内的液体中。对于发射源以固定能量发射的中子而言，由探测器记录的计数率通常会随着氢的体积浓度(如孔隙度)的增加而降低。
图1示出电缆中子测井操作(wireline neotron logging operation)的简化示意图。按图1所示，将中子测井仪11放置在井筒12中。中子测井仪11包括中子源13以及一个或多个中子探测器14。可为化学源或电子中子发生器的中子源将中子发射到井筒12周围的地层15中。所发射的中子穿过地层15并与地层中的物质相互作用。这种相互作用的结果是中子损失其一些能量。结果，中子会以较低的能量到达探测器14。通过分析探测器对这些中子的响应，可以推出周围地层的性质。
传统地使用化学源的中子测井仪能够以热中子孔隙度读数(thermalneutron porosity reading)的形式测量地层的孔隙度。化学源通常依赖于²⁴¹Am-Be混合物中的α-铍反应。α粒子与铍的相互作用导致中子的释放。所发射的中子的平均能量为大约4MeV。这些高能中子与地层中的原子核相互作用，并且主要通过弹性散射成接近热中子能量(thermal energy)而减速。该减速过程受氢支配。在热中子能量下，中子在物质中散射直到其经历热中子俘获为止。俘获受到氢和热中子吸附剂(例如氯或铁)支配。
图2A示出化学源中子测井仪(如来自美国德克萨斯州休斯顿的Schlumberger Technology Corp.的)的一个实例。如图2A中所示，该化学源中子测井仪120包括化学源125，其包括放射性物质如Am-Be。化学源中子测井仪120还包括近探测器124和远探测器122以提供用于计算地层孔隙度的计数率比例(countrate ratio)。近探测器124和远探测器122是热中子探测器。另外，测井仪120包括屏蔽材料123，该屏蔽材料阻止化学源产生的中子直接到达探测器，以使来自中子源125的干扰最小化。
采用化学源的中子测井仪已经面世很长时间了。所以，使用者对采用化学源中子测井仪获得的热中子孔隙度测量更加熟悉。另外，岩石学家(petrophysicist)通常使用具体矿物的热中子孔隙度作为其地层分析的一部分。但是，由于其持续地发射辐射以及严格的政府控制，化学源是较不理想的。另外，许多这些化学源的材料正变得稀有。因此，需要开发不依赖于化学源的中子测井仪。
随着远离化学源中子测井仪的愿望，一些现代中子测井仪已安装有电子中子源或者中子发生器(小型中子管(minitrons))。中子发生器包含小型的线性加速器并通过氢同位素聚变到一起来产生中子。在这些装置中，所述聚变是通过将氘(²H＝D)或氚(³H＝T)或者这两种同位素的混合物加速到金属氢化物靶中而发生的，所述金属氢化物靶同样含有氘(²H)或氚(³H)或者这两种同位素的混合物。在约50％的情况下，氘原子核(d+D)的聚变形成³He离子和动能为大约2.4MeV的中子。氘和氚原子(d+T)的聚变形成⁴He离子和动能为大约14.1MeV的中子。
当这些中子被发射到地层中时，其与地层中的物质相互作用，并逐渐损失能量。该过程称为减速。该减速过程通常受氢原子核对中子的弹性散射支配，并且用减速长度来表征。最后，该高能中子充分减速，变成超热中子或热中子。热中子在室温通常具有0.025eV的平均动能，而超热中子通常具有相当于0.4～10eV动能的能量。但是，具有高达1keV能量的中子可视为超热中子。本领域技术人员应该理解，这些能量范围只是一般性原则，而不是明确的划分。减速的中子通常借助于测井仪中的探测器进行探测，所述探测器可包括快中子探测器、超热中子探测器和热中子探测器。
图2B示出了电子源中子测井仪(如美国德克萨斯州休斯顿SchlumbergerTechnology Corp.的)的一个实例。这种测井仪的实例可见于颁发给Wijeyesekera等的美国专利No.6,032,102以及颁发给Loomis等的美国专利No.Re.36012。这些专利转让给本受让人，它们的全部内容并入本文作为参考。如图2B所示，电子源中子测井仪121利用电子中子源以产生高能(例如2.4或14MeV)中子。发射到地层中的高能中子通过与地层中的物质(原子核)相互作用减速为超热中子和热中子。超热中子或热中子通过中子测井仪121上的探测器如近探测器126、阵列探测器(array detector)127和远探测器129进行探测。测量超热中子时，探测器响应主要取决于地层中的氢含量，不涉及中子吸附剂的复杂情况(complication)。因此，电子中子测井仪121可方便地提供含氢指数的测量。此外，中子测井仪121也可包括阵列热中子探测器128，以探测从地层返回的热中子。可以利用以该测井仪获得的超热中子和热中子的测量结果得到各种地层参数。
在化学源和电子源之间，化学源的优点是具有稳定的和可预测的中子输出。其中子输出的变化取决于用于产生核反应的主要α源的半衰期。给定常用α源的半衰期(例如，²⁴¹Am：T_1/2＝430年)，就足以确定或核实几个月时间间隔的中子输出。
相比之下，电子源的中子输出则因电子源及其电源的内部作用而随时间变化。此外，电子源的中子输出还受外部因素如温度、冲击和振动的影响。如果将电子中子源用于绝对测量，则需要有监测其瞬时输出的设备。
过去人们就已经认识到需要中子监测器。现在，井下中子监测器专门依赖于用于中子输出监测的闪烁探测器，尤其是塑料探测器(plastic detector)。这些监测器依赖于中子在有机闪烁体中弹性散射之后的质子反冲(protonrecoil)。这类技术记载在颁发给Simonetti等的美国专利6,166,365和6,884,994以及颁发给Odom等的美国专利6,495,837和6,639,210中。还参见颁发给Adolph等的美国专利6,754,586，该专利披露了用于校准电子中子源输出的监测器。
尽管现有技术的闪烁型监测器对电子中子发生器的中子输出提供准确的监测，但是仍然需要更好的监测器。
发明内容
本发明的一方面涉及核测井仪。根据本发明实施方案之一的核测井仪包括配置为在穿透地层的井筒中移动的测井仪外壳；布置在测井仪外壳中的中子发生器；及邻近中子发生器放置的用于监测中子发生器输出的固态中子监测器。
本发明的另一方面涉及构建核测井仪的方法。根据本发明实施方案之一的方法包括将中子发生器放置在测井仪外壳中；及邻近该中子发生器布置固态中子监测器以监测该中子发生器的输出。
本发明的另一方面涉及测量地层的方法。根据本发明实施方案之一的方法包括将核测井仪置于穿透地层的井筒中，其中该核测井仪包括中子发生器和邻近该中子发生器布置的固态中子监测器；由该中子发生器产生中子；用该固态中子监测器监测该中子发生器所产生的中子；探测在地层中移动的中子所产生的信号；及根据由该固态中子监测器所探测到的信号强度来校正所探测的信号，以产生校正的信号。
通过下面的说明和所附的权利要求书，本发明的其它方面和优点将会显而易见。
附图说明
图1显示布置在井筒中的常规核测井仪。
图2A和2B显示分别表示常规化学源中子测井仪和常规电子源中子测井仪的两幅示意图。
图3A和3B显示用于电子源中子测井仪的常规闪烁监测器的两种配置。
图4显示根据本发明实施方案之一的用于监测中子输出的固态探测器的示意图。
图5显示根据本发明实施方案之一的具有固态中子监测器的核测井仪的示意图。
图6显示根据本发明实施方案之一的具有固态中子监测器的核测井仪的另一示意图。
图7显示根据本发明实施方案之一的具有固态中子监测器的核测井仪的另一示意图。
图8显示根据本发明实施方案之一的具有固态中子监测器的核测井仪的另一示意图。
图9显示根据本发明实施方案之一的具有固态中子监测器的核测井仪的另一示意图。
图10是图示根据本发明实施方案之一的地层测量方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及用于监测中子输出的固态探测器以及具有电子中子源和这种监测器的测井仪。小尺寸的固态监测器使得更容易集成固态中子监测器和中子发生器。
通常，中子测井仪中所用的中子输出监测器(或中子监测器)依赖于塑料闪烁体晶体，以将中子能量转化成光子。参见例如Stoller等的公开号为2006/0226351的美国专利申请。这些材料通过发光来响应经过它们的中子辐射。然后通过光电倍增管将这些光信号转化成电信号。
图3A示出了现有技术的中子测井仪20，其包括布置在电子中子发生器22附近的中子监测器21。该中子监测器21包括闪烁体晶体23和光电倍增管24。该电子中子发生器包括离子源25和靶26。中子监测器21(即闪烁体晶体23和光电倍增管24)沿靶26的径向在发生器外壳27的外部附接至中子测井仪20。布置中子监测器21使之尽可能接近靶26，以获得足够的高精度测量计数并使间接(散射的)中子辐射的影响最小化。
由于增加闪烁体和光电倍增管，测井仪的直径通常增加约20mm，鉴于测井仪有限的尺寸，这已经是一个很大的增加。这种常规中子监测器的较大尺寸使其难以应用于小直径的测井仪。一种可供选择的方案是将这样的中子监测器置于中子发生器的末端而不是侧面上。
如图3B所示，将中子监测器21沿中子发生器22的轴向放置在中子发生器的一端。而且，布置闪烁体晶体23使之尽可能地接近中子发生器22，以增加中子监测器21的灵敏度。虽然这种布局避免了小外壳内径的限制，但是这使中子监测器21距离靶26较远，导致监测器计数率显著降低。这使测量的准确度和精度变差。而且，这会干扰通常布置在中子发生器22末端的屏蔽材料。
为了避免与常规中子监测器有关的体积庞大的问题，本发明的实施方案使用小的固态中子监测器。本发明的固态中子监测器的特征在于尺寸小，例如直径为0.5～约2cm(优选约1cm)且厚度为约0.1mm～约1cm(优选约0.1mm～1.0mm)。图4图示了可与本发明实施方案一起使用的固态中子监测器的一个实例(即半导体辐射探测器)。半导体探测器的实例参见颁发给Fallica的美国专利No.5,854,506。这种固态监测器通常包括与碰撞辐射(如中子辐射)发生作用的碳原子核(如金刚石或碳化硅(SiC)中的碳原子核)。
中子可以几种不同的方式与固态中子监测器中的碳原子核相互作用。中子与碳原子核(见于金刚石探测器或SiC探测器中)之间的可能反应包括：(i)C-原子核上的弹性散射：¹²C(n，n’)¹²C；(ii)与碳原子核的非弹性相互作用；(iii)非弹性中子散射：¹²C(n，n’)¹²C；(iv)非弹性反应：¹²C(n，α)⁹Be；及(v)非弹性反应：¹²C(n，n’)3α。
弹性和非弹性散射导致碳原子核不同的反冲能，这取决于散射角。在与14MeV中子的对心弹性碰撞中可转移给碳原子核的最大能量为约1MeV。在非弹性碰撞¹²C(n，α)⁹Be中，明确地限定留在(deposited in)探测器中的总能量，以产生光谱线。相反，弹性散射和非弹性反应¹²C(n，n’)3α则产生连续光谱，因为留在碳原子核中的能量取决于碰撞运动学，即脱离碰撞的中子根据其散射角带走可变的能量。与²⁸Si也发生类似的相互作用。仅产生带电粒子的反应通常会在所得的监测器光谱中产生光谱线。
除了上述的金刚石和SiC之外，还适用于固态探测器的其它材料包括硅(Si)。尽管Si是固态探测器中最常用的材料，但是其带隙小，不是高温应用最优选的。在诸如井下环境中所遇到的高温下，要使用的最佳材料是带隙大的材料。举例来说，这些带隙大的材料包括人造金刚石(如多晶金刚石或均相外延人造金刚石，其具有5.5eV的带隙)或SiC。较大的均相外延人造金刚石目前可通过化学气相沉积法(CVD)制造，而且与较早的多晶金刚石相比，其成为优选的材料。
如图4所示，半导体探测器41包括电极42和金刚石(如均相外延人造金刚石)43。碰撞在金刚石43上的辐射(如中子)可使电子迁移至金刚石晶格的导带。一旦电子迁移至导带(以及存在于价带中的空穴)，它们就会在给探测器施加电势差时产生电流。因此，通过监测流动于电极之间的电流强度可以推断碳激发的量，然后用其表示辐射量。
虽然最简单的方法可能是测量通过设备的平均电流，但是更有效的是测量和计数中子与金刚石相互作用所产生的单电流脉冲。具体地，采用脉冲幅度谱为测量和控制设备的增益以及区别不需要的辐射提供了手段。举例来说，这种不需要的辐射可包括中子发生器真空管(小型中子管)中产生的X-射线，或者中子与测井仪、井筒或地层相互作用而引起的γ-射线。
尽管可能有多种方式计数碰撞在固态监测器上的辐射或者分析脉冲幅度谱，但是一个简单的实例是将监测器41与装有周期极短的选通电极(gate)的外电路45相连。在该周期期间，该电路测量经过探测器的能量。如果该能量高于某一阈值，则该选通电极计数为1，否则计数为0。在给定的持续时间之后进行总计，以求出经过半导体探测器的辐射量的定量测量结果。此外，如果需要，可以改变该电路的增益和/或阈值以进行脉冲-幅度分析。
根据本发明的实施方案，可将这种固态辐射监测器加到井下使用的核测井仪中。由于其尺寸减小，这种中子监测器可以容易地以多种配置方式结合到井下核测井仪中。图5-9图示了一些可能的配置方式。
图5示出了用作井下测井仪50的中子监测器的固态探测器51的实施方案之一。在该实施方案中，固态中子监测器紧靠包括离子源55和靶53的中子发生器54安装。在该具体的配置方式中，中子监测器51沿靶53的径向安装在发生器外壳52的外侧，但是位于测井仪外壳56的内侧。虽然该配置方式类似于图3A中所示的常规测井仪，但是由于该固态中子监测器的尺寸小，所以它占用该测井仪很少的内部空间。典型的固态中子监测器可能具有1cm左右的直径及大约0.1mm～1mm(或更大，这取决于均相外延生长)的厚度。一般来说，较厚的金刚石层会导致计数数目的增加，并且还会因为阻止更多的中子粒子而改进光谱的分辨率。但是，该厚度常常受均相外延生长法的限制。
小的固态中子监测器尺寸使得可以在测井仪中灵活地安排中子监测器。图6示出了本发明的另一实施方案，其中固态探测器51轴向地安装在该中子发生器54的一端。在该配置方式中，中子监测器51远离靶53，这可能导致计数率的略微降低。但是，由于它的尺寸小，该固态探测器51仅占用小的通常为屏蔽材料61保留的空间。因此，中子监测器51在该位置的布置几乎不会对屏蔽材料61的布置有影响。这反过来会导致屏蔽式探测器的测量性能的显著改善。如上面于具有常规闪烁体晶体和光电倍增管的图3B中所述，因为其尺寸较大，该排列会显著地妨碍屏蔽材料的布置，导致测量很不精确。
图7示出本发明的另一实施方案，其中小尺寸的固态探测器51布置在中子发生器外壳52内。这会使较大的闪烁晶体探测器和光电倍增管难以实现，并且会需要大得无法实用的发生器外壳直径。在图7所示的配置方式中，中子监测器51邻近离子源55布置。在可供选择的配置方式中，中子监测器51可邻近靶53布置。但是，该可供选择的配置方式是较不优选的，因为这会妨碍此处通常存在的高压绝缘。为了避免该问题，可如图8中所示翻转中子发生器的取向，使靶以接地方式而不是以负的高压(约-115kV)工作。
图8示出本发明的实施方案，其中固态探测器51布置在发生器外壳52内，但是沿靶53而不是离子源55的径向安装。在该配置方式中，中子监测器51和靶53都远离高压部分81布置，并且靶53以接地电势工作。该中子发生器的操作不同于传统的装置，因为离子源55通常以接地电势工作，而靶则在约-100kV工作。然而，在此倒转的发生器配置方式中，靶53以接地电势工作，而离子源55却在正高压(如约+100kV)工作。图8所示的接地靶配置方式在技术上更具有挑战性，因为需要在正高压操作和控制离子源。
图9示出了另一配置方式，其中固态探测器51在邻近靶53处整合到中子发生器真空管91中。该配置方式可能是最理想的，因为这可方便地将此中子发生器-监测器组件布置在测井仪中。但是，用于该配置方式的中子监测器应该是耐用(如抗辐射)和可靠的。否则，更换中子监测器的需要将会增加成本或者缩短中子发生器的可用寿命。因此，这种配置方式是可取的，但是可能不是最节省成本的。
上述实施例示出了一些可具有小尺寸固态中子监测器的配置方式。本领域技术人员应该理解，这些都仅仅是说明性的，在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出其它的修改和变化。
本发明的一些实施方案涉及利用本发明的测井仪测量地层的方法。如图10所示，根据本发明实施方案之一的方法100包括将核测井仪放置在穿透地层的井筒中(步骤101)。该核测井仪包括d-D或d-T中子发生器和固态中子监测器。该固态中子监测器邻近中子发生器布置，以监测中子的爆发输出(burst output)。另外，该核测井仪可包括一个或多个核探测器，例如快中子探测器、超热中子探测器、热中子探测器或γ-射线探测器。一旦测井仪下降到所需的深度，就使d-D或d-T中子发生器产生脉冲，以向地层中发射中子(步骤102)。如此发射的中子可具有2.4MeV(来自d-D中子发生器)或者14MeV(来自d-T发生器)的能量。利用固态中子监测器监测中子脉冲的输出。在与地层中的原子核相互作用之后，这些中子损失其一些能量并变成超热中子或热中子。这些中子中的一些中子也可能被地层中的原子核俘获。这种相互作用也可能产生γ射线。用一个或多个探测器探测返回至测井仪的中子或γ射线(步骤103)。对于固态中子监测器所测量的中子输出的任何变化，可以调节(或校正)所探测到的信号(步骤104)。最后，可利用测量结果确定各种地层性质，例如地层减速时间、地层孔隙度、地层中子俘获横截面、地层体积密度或地层的岩性(步骤105)。
本发明的优点可以包括下列优点中的一个或多个。根据本发明实施方案的中子测井仪包括用于准确监测测井仪中电子源输出的固态中子监测器。该固态监测器尺寸小，能够以各种配置方式邻近于电子中子源布置，而不会占用测井仪中宝贵的空间。该固态中子监测器的小尺寸使得这些监测器可以包含在中子发生器的外壳内。这可以简化该中子测井仪的制造方法。
虽然已经通过有限数目的实施方案描述了本发明，受益于本公开的本领域技术人员应该理解，能够设计不偏离本申请所公开的本发明的范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求所限制。