用于闪烁型辐射探测器的气密封包装和中子屏蔽物.pdf

用于测井仪的闪烁型辐射探测器的气密封包装和中子屏蔽物，该测井仪包括经布置以轰击测井仪周围地层的高能中子源。测井仪中布置有对高能中子与地层相互作用所产生的γ辐射敏感的闪烁体。中子屏蔽材料包围闪烁体。中子减速器包围中子屏蔽材料。放大器与闪烁体光耦合。

1.  一种测井仪，包括：
经布置以轰击测井仪周围地层的高能中子源；
至少一个对中子与地层相互作用所产生的γ辐射敏感的闪烁体；
包围所述至少一个闪烁体的中子屏蔽材料；
包围所述中子屏蔽材料的中子减速器；及
与所述至少一个闪烁体光耦合的放大器。

2.  权利要求1的测井仪，进一步包括布置在闪烁体和中子屏蔽材料之间的光学反射体。

3.  权利要求2的测井仪，其中该光学反射体含有中子吸收材料。

4.  权利要求2的测井仪，进一步包括布置在中子屏蔽材料与反射体之间的X-射线屏蔽物。

5.  权利要求4的测井仪，其中所述X-射线屏蔽物包括高Z材料构成的外层和中等Z材料构成的内层。

6.  权利要求1的测井仪，其中所述中子减速器包含聚乙烯。

7.  权利要求1的测井仪，其中所述中子屏蔽材料包含氦-3气体，且其中该测井仪进一步包含至少一个电极，该电极布置在所述气体中并经配置以便在中子进入所述气体时产生电信号。

8.  权利要求1的测井仪，其中所述中子屏蔽材料包含锂、硼、镉和钆中的至少一种。

9.  权利要求1的测井仪，其中所述中子屏蔽材料包含两个相邻层，各层吸收能量彼此不同的中子。

10.  权利要求1的测井仪，进一步包括至少部分布置在放大器外部的中子屏蔽材料。

11.  权利要求1的测井仪，其中所述闪烁体布置在气密封的外壳内，且进一步包括布置在闪烁体和外壳之间的减震材料。

12.  权利要求11的测井仪，其中中子吸收材料与所述减震材料混合在一起。

13.  权利要求1的测井仪，进一步包括布置在中子源和至少一个闪烁体之间的辐射屏蔽物，配置该辐射屏蔽物，以便基本上阻止中子从所述中子源直接运动到所述至少一个闪烁体。

14.  一种中子活化γ射线测井的方法，包括：
用高能中子轰击地下地层；
将与闪烁体靠近的地下地层所发出的中子减速；
吸收介于减速位置和闪烁体之间的减速中子；和
在闪烁体处探测因地下地层和中子相互作用而从地下地层中发出的γ射线。

15.  权利要求14的方法，进一步包括通过使来自地下地层的辐射经过靠近闪烁体的X-射线吸收层而基本上阻止X-射线进入闪烁体。

16.  权利要求15的方法，进一步包括通过在X-射线吸收层和闪烁体之间放置荧光吸收层而基本上阻止X-射线吸收层所产生的荧光X-射线进入闪烁体。

17.  权利要求14的方法，进一步包括在吸收减速中子的过程中探测超热中子和热中子中的至少一种。

18.  权利要求17的方法，进一步包括在探测超热中子和热中子中的至少一种之前吸收热中子，以便基本上仅探测超热中子。

19.  权利要求17的方法，其中探测超热中子和热中子中的至少一种是通过中子和氦-3气体反应进行的。

20.  权利要求14的方法，其中使中子减速和吸收中子中的至少一种是利用具有基本上能够使闪烁体免受冲击和振动的性质的材料进行的。

用于闪烁型辐射探测器的气密封包装和中子屏蔽物
技术领域
本发明一般性地涉及用于测井仪的闪烁型辐射探测器领域。更具体地，本发明涉及不同形式的用于此类探测器的辐射屏蔽物，以减少除了意图探测的特定辐射事件以外的辐射探测。
背景技术
在本领域中，测量发源于井眼周围地下地层的辐射现象的各种测井仪是众所周知的。这类测井仪可以在铠装电缆的端部、在管柱或挠性油管或其它输送装置上插入井眼。一些形式的这类测井仪包括高能中子源。配置该中子源，以向井眼周围的地层中发射中子。该中子源可以是包括放射性同位素(如混合有铍粉的镅-241)的“化学”源。其它中子源为电控的加速器，例如发射连续的中子流或者持续时间受控的中子“脉冲串”进入地层的氘-氚或氘-氘加速器。
这类测井仪包括一个或多个辐射探测器，通常为闪烁计数器。闪烁计数器包括晶体，该晶体由对进入其中的辐射敏感的材料制得。该材料在与辐射相互作用时发出少量可见光、红外光或紫外光的闪光。通常闪光的振幅与沉积辐射(deposited radiation)的能量有关。转换放大器(converter and amplifier)，例如光电倍增器，与晶体光学耦合，并且经布置以产生对应于各辐射探测事件的可探测的电脉冲。授权给Srivastava等人的美国专利7084403描述了用于闪烁探测器晶体的各种不同材料，包括它们各自的优缺点。
已知特别有用的一类测井仪，其商标为RST，是本发明受让人的商标。该测井仪及其最近改进的装置包括加速器型中子源，该中子源向井眼周围的地层中发射持续时间受控的高能中子脉冲串。在该测井仪中布置一个或多个闪烁型辐射探测器，以探测中子和周围地层相互作用所产生的γ射线。为了使该测井仪提供接近代表周围地层性质的测量结果，希望使一个或多个辐射探测器屏蔽掉来自中子源的中子以及来自与地层和井眼内物质相互作用的中子的直接照射。这些中子在辐射探测器中可能引起与希望评价的地层性质无关的情形。
用于闪烁探测器的某些材料，如上面引用的‘403专利中所述的材料，具有这样的物理特征，例如其是吸湿的并且容易因机械冲击和振动而损坏，使得需要如此安装闪烁晶体，以减小潮湿、冲击和振动对其造成的影响。还需要赋予这种安装以适当的辐射屏蔽性质，使辐射探测器主要对关注的辐射事件敏感，而对其它的辐射事件相对不敏感。
发明内容
根据本发明的一个方面，测井仪包括经布置以轰击测井仪周围地层的高能中子源。在该测井仪中布置有对高能中子与地层相互作用所产生的γ射线敏感的闪烁体(scintillator)。中子屏蔽材料包围该闪烁体。中子减速器包围中子屏蔽材料。放大器和闪烁体光学耦合。
根据本发明的另一方面，中子活化γ射线测井的方法包括用高能中子轰击地下地层。地下地层发出的中子在靠近闪烁体处减速。减速的中子在减速位置和闪烁体之间被吸收。在闪烁体处探测因地下地层与中子相互作用而从地下地层发出的γ射线。
通过随后的说明和所附权利要求书，可以清楚本发明的其它方面和优点。
附图说明
图1显示了在井眼中的核辐射测井仪的实例。
图2更详细地显示了(例如来自图1测井仪的)辐射探测器的实例。
图3显示了辐射探测器的另一实例。
图4显示了中子和γ射线探测器组合的实例。
图5显示了辐射探测器中包围光电倍增器的另一中子屏蔽物的实例。
图6和图7显示了具有中子屏蔽物的密封、防震安装布置的实例。
具体实施方式
图1显示了用于井眼中时的示例性测井仪12。测井仪12包括通常为细长状的外壳14，配置该外壳14以便沿钻入地下地层24的井眼22移动。外壳14可由不锈钢、钛或类似材料制成，其具有选定的壁厚以防止在井眼22中的流体(未示出)净压力下压坏。测井仪12通过铠装电缆15可沿井眼22移动。电缆15可通过本领域已知的绞盘26或类似的卷轴装置(spooling device)延伸和缩回。可以通过布置在地面30的记录单元(recording unit)28提供使测井仪12工作的电力。记录单元28可包括在测井仪12沿井眼22移动时用于探测、记录和翻译从测井仪12传送出的信号的设备(未单独示出)。仅仅显示了沿井眼输送测井仪12的示例性装置(电缆15和绞盘26)，以例举可以和本发明的测井仪一起使用的输送装置。也可以使用现有技术已知的其它装置，其非限制性实例包括也可用于沿井眼22输送测井仪12的挠性油管、钻杆(包括随钻测井)、生产油管和钢丝。因此，图1显示的输送装置不意图限制本发明的范围。
测井仪12可包括位于外壳14内的中子源16。该实例中的中子源16可以是化学同位素或高能中子加速器(脉冲的或DC)源。屏蔽物20可布置在外壳14内的中子源16与至少一个辐射探测器10之间。屏蔽物20可以由具有基本上防止来自中子源16的中子直接运动至辐射探测器10的性质的材料制成。这样，来自中子源16的中子通常和井眼22中的流体以及周围的地层24相互作用，引起包括γ射线的辐射事件，其可以进入至少一个辐射探测器10并被探测到。
可以配置本实例中的辐射探测器10来探测γ射线，该γ射线是响应来自中子源16的中子和地层24中各种原子核之间的相互作用而由地层24中发出的。这种γ射线的能级和/或数量可能与感兴趣的地层24的性质相关，包括其化学组成、孔隙体积分数(“孔隙率”)和孔隙中存在的流体的组成。
辐射探测器10探测到的γ射线可以导致探测器10响应该探测产生电脉冲(参见图2的说明)。该电脉冲可与脉冲高度分析仪和遥测单元(通常表示为18且布置在外壳14内)连通。该脉冲高度分析仪和遥测单元18可以将与所探测到的γ射线的数量和能级相当的信号赋予电缆15。可供选择地或者另外地，该脉冲高度分析仪和遥测单元18可包括用于存储经分析的来自探测器10的电脉冲的信号记录装置，以便在测井仪12撤出井眼22时进行询问。
图2更详细地显示了辐射探测器的实例。探测器10可包括闪烁晶体32(或“闪烁体”)。闪烁晶体32可以由已知的、在γ射线和/或X-射线辐射进入时发出闪光的各种材料制得。在授权给Srivastava等人的美国专利7084403中描述了这些材料的实例。闪烁晶体32通常可以形成为圆柱形，并且除了一个纵向端面之外还可以包围有光反射材料，标示成反射体34。反射体34的作用是，使沿不同于闪烁晶体32的一个纵向端面方向传播的光被反射回晶体32，由此增加该光指向与闪烁晶体32的纵向端面相连的光探测器—转换放大器48如光电倍增器的几率。这类放大器是现有技术中公知的。在授权给McKeon等人并转让给本发明受让人的美国专利4937446中，或者例如在G.Knoll，Radiation Detection and Measurement，J.Wiley(2000)，ISBN-10：0471073385，ISBN-13：978-0471073383中列出了合适的放大器的实例。
在本实例中，反射体34的外部可以包围有X-射线屏蔽物36。X-射线屏蔽物36可以是高原子序数(Z)材料如铅制成的箔。X-射线屏蔽物36可以减少进入闪烁晶体32的低于阈值能级的电离辐射光子的数目。通过限制这些低能量电离辐射光子的进入，产生的与感兴趣的辐射事件无关的探测信号的数目可以显著下降。尽管事实上根据来自放大器48的相应电脉冲的振幅，分析仪(图1中的18)可以另外识别这些光子，但在响应晶体32的闪光而产生每个电脉冲之后，放大器48通常具有有限的、非零的恢复时间。因此，借助合适的屏蔽物将探测脉冲限定为感兴趣的辐射事件，可产生提高总体探测器效率的益处。
其它核反应产物，包括α粒子、电子(β粒子)和中子，可能进入探测器10并在其中引起核反应，导致与测井仪(图1中的22)要探测的感兴趣的辐射无关的闪光。因此，本发明的辐射探测器可以包括其它的屏蔽装置，以减少这类反应粒子及其它辐射进入探测器(图1中的10)的数目。在本实例中，中子屏蔽物38可布置在X-射线屏蔽物36的外部。中子屏蔽物38可由具有高中子俘获截面的各种材料制成，例如硼(如硼-10)、锂-6、镉和钆，或由它们制成的化合物。金属锂具有高度的化学反应活性，因此，尽管其具有合适的中子吸收性能，但却不适合用作中子屏蔽物38。可供选择的实例可以是碳酸锂-6。例如与含硼的材料相比较，使用含锂-6的材料作为中子屏蔽物38的优点在于，锂在俘获中子时不发射γ射线；它仅发射α粒子(氦核)。通过X-射线屏蔽物36(若使用)或薄的金属箔(如铜、银或铝)，容易阻止这些发射进入晶体32。中子屏蔽物38可由含有中子吸收材料的固体材料制成，例如，固体金属镉或固体碳酸锂。可供选择的是，中子吸收材料的颗粒可以混到粘合剂如环氧树脂或硅橡胶中。
如果将高Z材料如铅用于X-射线屏蔽物36，则在一些实例中，可以将高Z材料衬以附加箔层如中等Z层。例如，外部铅箔可衬以内部金属银箔。这种内箔可以吸收铅箔释放的荧光X-射线，例如，铅箔会因为吸收或散射高能辐射光子而发出荧光X-射线(特征X-射线)。对于本实例而言，“高Z”可以定义为Z大于64。“中等Z”可以定义为Z介于35至66之间。
在一些实例中，中子屏蔽物38可以由双层材料制得。例如，在双层中子屏蔽物的外部可以使用含有锂-6的材料，以吸收大部分进入的热中子。可以使用含有硼-10的材料构成的内层，以吸收其它经过含锂-6的材料层的超热中子。双层中子屏蔽物可包括固体材料或混合材料层，参照如上述关于单层中子屏蔽物的说明。
在一些实例中，中子减速器40可以围绕在中子屏蔽物38的外部。中子减速器40可以由具有高浓度氢核的材料如高密度聚丙烯或氢化钛制成。中子减速器40的作用是降低任何进入中子的能量，从而使它们可以被中子屏蔽物38所俘获，而不是进入闪烁晶体32。通过将中子排斥在闪烁晶体32之外，以及随后的闪烁晶体32的发光和/或闪烁晶体32中的中子诱导的放射性同位素的生成(闪烁晶体32自身可以引起与感兴趣的辐射现象无关的闪光)，可以提高中子活化的γ光子光谱的测量精度。
在图2所示的实例中，晶体32的纵向端面可覆以本领域已知类型的光耦合器(optical coupling)44。光耦合器44通常与光电倍增器或等同装置48的面板46接触布置。还可以将光学耦合材料和中子吸收材料装载在一起以改进屏蔽，只要耦合材料的光学透明度基本上不受影响即可。
在图2所示的实例中，反射体34可包含中子吸收材料。此时，反射体同时充当来自闪烁体32的光的反射体和中子的吸收体。
在图3所示的经屏蔽的闪烁晶体10A的另一实例中，反射体34可包围有如铝制的金属箔50，以防止包括α粒子和电子的带电粒子进入闪烁晶体32。
在另一实例中，辐射探测器可以为闪烁晶体提供中子屏蔽，并且具有探测超热中子和/或热中子的能力。图4的经屏蔽的探测器10B包括如前述实例中包围闪烁晶体32的反射体34。反射体34可包括如其它实例中的带电粒子屏蔽物50和/或围绕反射体34的X-射线屏蔽物。中子减速器40可如前述实例一样包围经屏蔽的探测器10B的外部。介于减速器40和反射体34(或者带电粒子或X-射线屏蔽物50)之间的环形空间52可以充以氦3气体。环形空间52还可以包括电极54，使气体和电极以组合形式形成氦-3热中子探测器。这样，可以同时探测中子并防止它进入晶体32。如在前面的实施方案中一样，通过包含中子吸收层(如图2中的38)，可以补充环形空间52中的气体的作用，例如，所述中子吸收层可以由上述含有锂、硼、镉和/或钆的材料制得。在一些实例中，可以在环形空间52的外部设置带电粒子屏蔽物和/或X-射线屏蔽物的组合，如图4中的50所示。屏蔽物50可覆以另外的中子吸收材料层51。在一些实例中，中子减速器40可以被对超热中子稍微透明的热中子吸收材料如镉或钆替代。在这些实例中，具有电极的充有氦-3的环形空间将用于探测超热中子。具备中子吸收层(例如可在氦-3填充环内包含锂-6)以及带电粒子/X-射线屏蔽物，二者相结合会减少任何核反应产物从氦-3填充环中进入闪烁晶体32。
在任意前述实例中，可以通过在放大器的一部分周围或在整个放大器周围提供中子屏蔽物，改善辐射探测器的性能。参见图5，辐射探测器10C可包括闪烁晶体32，闪烁晶体32包括前述任意实例的外部反射和屏蔽材料110。在本实例，放大器48(如光电倍增器)的外部可部分或全部地包围有由中子吸收材料制成的层53。层53可在探测器10C的制造过程中施用，并且可由封装化合物(potting compound)制成，如其中混有中子吸收材料的室温硫化(“RTV”)硅树脂，参见前述实例的说明。另外，或者作为选择，放大器48的面板46A可以由其中包含中子吸收材料的玻璃制成。在制备这种包含中子吸收材料的面板时，应该对选择性吸收中子的材料进行选择，以避免面板46A内因为吸收中子而闪光。
通过将闪烁晶体32安装在密封的防震外壳内，可以进一步改善前述的任意实例。这些外壳在现有技术中、特别是晶体由吸湿材料制成的现有技术中是已知的，而且例如在测井仪布置在钻井测井仪组件(“随钻测井”的测井仪)的情况下，将晶体安装在外壳内，以使晶体与过度的冲击和振动隔离。例如参见授权给Novak的美国专利4158773。参考图6和图7，可以更好地理解本发明这种安装的实例。在图6中，闪烁晶体32可如前面实例中那样布置在反射体34内。中子屏蔽物40可以布置在反射体34的外部，参考上面一些实例的说明。减震材料66可包括能够缓冲晶体32的RTV硅树脂、分散在油中的交联聚合凝胶剂或类似的材料。通常前述部件安装在气密封的外壳64内。与光耦合器44相对的晶体32的纵向端面可以和压板62接触。压板62可通过簧片或类似的偏动装置靠紧晶体32的端面。在一些实例中，减震材料66自身可包括与其混合的中子吸收材料。图6中所示的实例包括布置在中子屏蔽物40外部的减震材料66。图7显示了相反的布置。
由于降低了因闪烁晶体内的中子相互作用而引起的有害闪光所产生的背景噪音，所以根据本发明各方面的辐射探测器和测井仪在探测地层中中子相互作用而产生的γ射线方面具有改进的性能。
尽管关于有限数量的实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员得益于本发明的公开内容，将认识到，可以构思其它实施方案而不偏离在此公开的本发明的范围。因此，本发明的范围将仅限于所附权利要求书。