用于油田应用的基于钾冰晶石闪烁体的中子探测器的制造方法
【专利摘要】本文描述的实施例涉及用在井下以及其它油田应用中的方法和中子探测器。尤其地，中子探测器包括至少部分由钾冰晶石材料形成的闪烁体。在更特别的实施例中，闪烁体由Cs2LiYCl6（“CLYC”）材料形成。
【专利说明】用于油田应用的基于钾冰晶石闪烁体的中子探测器
【技术领域】
[0001]本申请总体上涉及油田应用中的地质地层的放射学评估分析。更特别地，本公开涉及用在通过闪烁现象探测中子中的器械和方法。
【背景技术】
[0002]许多普通的井下应用依赖于对热中子或超热中子的探测。最重要的之一是中子孔隙度，其是被称为“三元组合(triple combo)”中的一部分，并且是用于任何测井工具管柱的标准。因此井下工具通常包括中子源和几个热中子和超热中子探测器。
[0003]由于费用和安全性的关系(例如来自于材料激活)，用于产生中子的源的强度受到限制。此外，化学源在尺寸方面受到政府规章的限制；然而，电子中子源，尤其在油田应用中的有效性受到可靠性和热管理的限制。为了对受限的中子源强度进行补偿，用于油田应用(例如井下)的中子探测器的普通要求是高效。由于油田测量工具或探头之内的空间有限，探测器封装也在尺寸方面受到限制(例如，取决于应用，大约13-76mm的直径和13-200mm的长度)，其使得效率要求更难被达到。
[0004]油田应用中的另一个复杂因素是中子测量工具不断地移动。在这种应用中，信号应被迅速记录，而没有来自内部处理或数据采集的任何延迟。对于某些类型的使用脉冲中子源的测量，探测器应特别快速。这种测量的一个实例是“Sigma”，其中，中子信号衰减以几十微秒的时间标度被测量，具有例如I微秒的分辨率。因此，对于这些探测器的附加要求是适当短的时间衰减，其在微秒范围中。而且，探测器应能经受住恶劣的井眼环境，其包括:冲击、震动、升高的压力和从大约_40°C到大约200°C的温度范围。例如上文提到的那些要求在传统上已仅仅剩下很小数目的可用于中子探测器的选择。
【发明内容】
[0005]提供本
【发明内容】
部分用于介绍概念的一个选择，该概念在下文详细的说明书中进一步描述。本
【发明内容】
部分不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不是旨在作为一种帮助用于限制所要求保护的主题的范围。
[0006]本公开的说明性实施例涉及井眼测井工具。尤其，说明性实施例涉及用在井下以及其它油田应用中的中子探测器。中子探测器包括至少部分由钾冰晶石材料形成的闪烁体。在本公开的更特别的实施例中，闪烁体由掺杂了铈(Cerium，Ce)的Cs2LiYCl6 (“CLYC”)材料形成。掺杂了 Ce的CLYC在超过50°C以及高至至少175°C的高温下保持良好的分辨率，并且在高至200°C下显示出仅仅有限的分辨率损失。这个性质在仪器承受高压高温的井下应用中特别有利。与此相反，例如LiLEu或L1-glass (玻璃)的其它已知的基于闪烁体的探测器会遭受温度退化。在各种实施例中，被掺杂的CLYC (例如，被Ce掺杂的)甚至在高温下明显显示出对中子和伽马射线的不同的探测器响应。处理器可被编程用以基于脉冲形状鉴别抑制由于伽马射线产生的计数。
[0007]本公开的说明性实施例涉及一种用于探测中子的方法。该方法包括在井眼中定位闪烁体，该闪烁体包括钾冰晶石材料。中子被释放进入邻近于井眼的一个区域的地层中。闪烁体响应于与从地层返回的中子的相互作用而发射冷光。该方法还包括探测来自闪烁体的冷光。将来自闪烁体的冷光转变为电信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]通过结合附图参考以下的详细说明，进一部分的特征和优点将变得更加容易理解。
[0009]图1示出了根据本公开的一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器的井眼测井系统的部分横截面；
[0010]图2示出了根据本公开的一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器的井眼测井系统的部分横截面；
[0011]图3示出了根据本公开的另一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器阵列的井眼测井系统的部分横截面；
[0012]图4示出了根据本公开的另一个实施例的具有被辐射屏蔽的基于闪烁体的中子探测器的测井工具的部分横截面；
[0013]图5示出了根据本公开的另一个实施例的具有光导元件用以将光从闪烁体平板改向到光子探测器的测井工具的部分横截面；
[0014]图6A示出了从掺杂了铈的CLYC闪烁体的一个实施例获得的代表性脉冲高度谱图；
[0015]图6B示出了在多个温度下从掺杂了铈的CLYC闪烁体的一个实施例获得的代表性脉冲高度谱图；
[0016]图6C示出了调整图6B使得中子峰的矩心对准的脉冲高度谱；
[0017]图7示出了 CLYC和L1-glass的半高全宽(FWHM)相对于温度的图；
[0018]图8示出了用于为普通的PMT构造(脉冲高度在室温下归一化)确定的闪烁体材料的特别的实例的、来自中子相互作用和伽马射线相互作用的相对脉冲高度随温度的图；
[0019]图9示出了用于图6A中示出的脉冲高度谱的代表性图的鉴别器区域；
[0020]图1OA示出了响应于伽马射线与闪烁体材料的相互作用的探测器的示意性图；
[0021]图1OB示出了响应于中子与闪烁体材料的相互作用的探测器的示意性图；
[0022]图11示出了用于不同闪烁体材料的实例的中子捕获效率相对于闪烁体厚度的图；
[0023]图12示出了用于获得图11示出的图的晶体闪烁体的示意性图；以及
[0024]图13示出了根据本公开的一个实施例的容纳钾冰晶石闪烁材料的封装结构。
【具体实施方式】
[0025]本公开的说明性的实施例涉及用在井下以及其它油田应用中的中子探测器。尤其是，中子探测器包括至少部分由钾冰晶石材料形成的闪烁体。在本公开的更特别的实施例中，闪烁体由Cs2LiYCl6 (“CLYC”)材料形成。发明人已经实施了油田应用中涉及CLYC中子探测器的使用的原始研究，这据他们所知还没有在其它地方执行。在做这项研究中，发明人令人惊讶地发现CLYC闪烁体在超过50°C以及高至175°C的高温下保持分辨力，并且在高至200°C下仅仅适度地降级。这个性能比例如Li1: Eu或L1-玻璃的供选择的闪烁体材料更好。发明人发现的另一个优点是被掺杂了铈的CLYC (“Cs2LiYCl6:Ce”)在高温下明显保持对中子和伽马射线的不同的探测器响应。本公开的说明性实施例通过减少对中子响应的伽马射线敏感度的影响和/或从彼此提取伽马射线信号和中子信号来使用这些明显不同的响应。
[0026]尽管铈在本文中作为用于CLYC的可能的活化掺杂剂，但本公开不限于铈作为活化剂。还可能用铈以外的活化剂来掺杂CLYC，例如其它稀土元素。这样附加的掺杂可以改善闪烁体的性能，例如通过改善的机械稳定性。
[0027]进一步地，本公开的说明性实施例不限于CLYC。存在许多来自于钾冰晶石族的其它材料，其在高温下保持良好的分辨力和/或在高温下保持对中子和伽马射线的明显不同的探测器响应。这种材料可以包括、但不限于:Cs2LiYBr6 (“CLYB”)、Cs2LiLaCl6 (“CLLC”)、Cs2LiLaBr6 (“CLLB”)、以及LiYCl6 (“LYC”)。本公开的说明性实施例还可以包括这些列出材料的混合物。进一步地，上文列出的材料之内的一个或多个组分元素可以替换为不同量的其它类似的元素。实际上，在一些情形中可能希望这些元素的变化。例如，在一些实施例中减少闪烁体材料中的氯的量，因为氯与锂竞争中子捕获，但是响应于高能伽马射线释放中子。
[0028]在附加的或可选的实施例中，钾冰晶石材料(例如，CLYC)以晶体形式使用。在其它实施例中，例如，为了保持低的制造费用，钾冰晶石材料以多晶形式使用。
[0029]如上文解释的，本公开的说明性实施例涉及用在井下以及其它油田应用中的中子探测器。尤其是，中子探测器包括至少部分由钾冰晶石材料形成的闪烁体。图1示出了根据本公开的一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器的井眼测井系统100的横截面。井眼102被示为穿透地质104的表面。井眼102可以如图示出地被井产流体106填充。测井系统100的井下部分58可以包括长条形的、流体密封的、中空的主体构件或探头60，其在测井操作期间纵向穿过通过井眼102且具有用于穿过通道的尺寸。
[0030]在图1的实施例中，至少一个辐射探测器82提供在井下探头60中，且通过辐射屏蔽材料88与中子源80分离。这个说明性实例还包括地面仪器112。例如，地面仪器112包括处理器114、输入/输出装置116以及数据存储装置118。探测器82配置为探测热中子(例如，大约0.025eV)和超热中子(例如，大约IeV和大约IOkeV之间)中的至少一个。探测器82包括闪烁体84,其包括当由优选能量级别或范围(例如,热中子和/或超热中子)的入射微粒(例如，中子)撞击时展现出亮度的材料。例如，在一个实施例中，闪烁体包括钾冰晶石材料。在本公开的一个更特别的实施例中，闪烁体包括掺杂了铈的CLYC材料。掺杂了铈的CLYC材料可由美国马萨诸塞州的Watertown的RMD?提供。
[0031]闪烁体84定位为与冷光探测器86光学通信，冷光探测器86配置为提供表示闪烁体84被微粒撞击的响应(例如，电信号)。在图1的说明性实施例中，圆柱形闪烁体晶体84定位成临近于长条形的光电倍增管(PMT) 86。PMT86轴向定向，使得其长度Ld不受探头60的开口宽度Wt的限制。各种构件的进一步的细节在下文关于各种其它实施例中更详细地描述。
[0032]图2示出了根据本公开的另一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器的井眼测井系统200的横截面。井眼102被示为穿透地质104的表面。井眼102可被井产流体106填充。测井系统200的井下部分108可以包括长条形的、流体密封的且中空的主体构件(例如，探头)110，其在测井操作期间纵向通过井眼102且具有通过井眼的尺寸。本文描述的实例涉及通常称为电缆测井(wireline)的油田应用。本文描述的任何的基于闪烁体的中子探测器布置的使用和/或方法被设想为用于任何各种油田应用中，例如通常称为“电缆测井”、“随钻测井”、以及井眼样品的地面分析(包括实验室分析)的技术。
[0033]如图2所示，井眼102在横截面中大体上是圆形，具有直径Wb。在说明性的实例中，探头110大体上是圆柱形，具有小于井眼102的直径的直径，以便于通过井眼。假设在其它的实施例中，探头可以采用其它非圆柱形的形状。在至少一些实施例中，相对直径使得一些井产流体106可以存在于探头110的外部表面与临近的井眼102的内部壁之间。在说明性实例中探头110的内部中空大体上是圆柱形，具有内部直径WT。探头110的中空部分的形状和尺寸提供物理尺寸，该物理尺寸限制放置在其中的仪器。
[0034]当定位在井眼102之内的一定深度时，探头110将经历局部环境温度T2和压力P2,其可能明显不同于地面处的环境条件TpP115例如，取决于深度和其它的地质条件，井眼102的温度可以是100-200°C。近似地，环境压力可远远超出地面值。这样升高的温度和压力将附加的限制施加在测井系统200的井下部分108上。
[0035]说明性实例还包括地面仪器112。例如，地面仪器包括处理器114、输入/输出装置116以及数据存储装置118。这个地面仪器112可用在处理和/或记录由探头110提供的电测量结果中。测井电缆120在井下部分108与地面仪器112之间联接。测井电缆120通过滑轮122将探头110支撑在井眼102中，且在说明性实例中，测井电缆120还提供用于在地面设备112与探头110之间传递电信号的通信路径。测井电缆120可以是常规的铠装电缆设计且可具有一个或多个电导体用于在探头110与地面仪器112之间传送这种信号。
[0036]在图2的实例中，探头110在其下端部容纳脉冲中子源130。中子源130可以包括氘-氚加速管，其可以以脉冲模式操作，用以提供实质上单能中子(例如，具有14MeV能量的中子)的重复的脉冲或脉冲串(pulses or bursts)。在一些实施例中，氘-氚加速管能够提供每秒IO+8量级的中子。脉冲电路(未示出)提供电脉冲，其以一定方式计时，用以引起中子发生器130重复地发射优选宽度(例如，大约10微秒持续时间)的中子脉冲。
[0037]至少一个基于闪烁体的辐射探测器132被提供在井下探头110中且通过屏蔽材料138与中子源130隔开。屏蔽材料138配置为将中子远离工具散开，且减少来自起源于接近源的X射线或伽马射线的次级辐射。屏蔽材料138可包括具有高原子序数的密致材料，例如钨。在附加的或可选的实施例中，屏蔽138可包括具有高中子横截面的材料，例如硼酸处理的橡胶(Borated rubber)。在再另一个说明性实施例中，屏蔽材料138可包括任何高度含氢的材料，例如石蜡或烃聚合物塑料，用以有效减慢和屏蔽探测器132以免受中子源130的直接中子辐射。
[0038]尽管图2中仅仅示出了单个探测器132，但本公开的说明性实施例包括位于探头110之内的多个探测器。在一个实例中，两个探测器132位于探头110的相对于中子源130的相同侧上。在另一个说明性实施例中，第一探测器132位于中子源130之上，第二探测器132位于中子源之下。在一些实施例中，多个探测器132与源130之间等距。在进一步的说明性实施例中，中子源130定位于朝向探头110的上端，而任何的探测器132定位于朝向探头的下端。在本文中描述的任何实施例中示出的中子源130与探测器132的相对定位仅仅旨在作为示例的方式。[0039]如图2中示出的探测器132配置为探测热中子(例如，大约0.025eV)和超热中子(例如,大约IeV和大约IOkeV之间)中的至少一个。这个探测器132包括闪烁体134，其由当由优选能量级别或范围(例如，热中子和/或超热中子)的入射微粒(例如，中子)撞击时展现出发冷光的材料制成。闪烁体134定位为与冷光探测器136光学通信，冷光探测器136配置为提供表示闪烁体134被微粒撞击的响应(例如，电信号)。
[0040]这种探测器132可以包括例如闪烁体134，其包括钾冰晶石材料(例如，CLYC),该材料与光子探测器136 (例如光电倍增管，PMT)相结合敏感于中子相互作用(主要热的)。这种闪烁体探测器132还可敏感于在围绕井眼102的地质地层中捕获来自中子源130的中子产生的高能伽马辐射。然而，在本公开的说明性实施例中，伽马射线与闪烁体材料的相互作用的脉冲形状特征可区别于中子与闪烁体材料的相互作用的脉冲形状特征。
[0041]更详细地，探测器132提供电脉冲信号和它们的时间分布，该电脉冲信号表示在探测器敏感的(例如，热中子和/或超热中子)目标能量范围中由单个中子事件产生的电子数量。来自探测器132的电信号可在电子调节电路(例如，放大器-未示出)中被放大或以其它方式被调节和以其它方式由其它电路(例如，用于多个探测器的多路混合电路-未示出)操纵。调节后的电信号可通过电缆120导体提供到附加的地面电路(例如，分离信号电路或分解信号电路-未示出)。输出信号包括表示在探测器132附近的目标中子数量的脉冲信号。最终的脉冲信号可经受进一步处理，例如，在处理器114中。这种处理可通过数字信号处理(DSP)技术、模拟信号处理技术、软件、或其一些组合来实现。在一个特别的实施例中，如下文进一步描述的，处理器114使用脉冲形状鉴别来区别中子的脉冲形状特征与伽马射线的脉冲形状特征。
[0042]图3示出了根据本公开的再另一个实施例布置的具有基于闪烁体的中子探测器阵列的井眼测井工具300的横截面。在这个说明性实施例中，两个不同的探测器232a、232b(统称为232)的阵列定位在探头210的内部中空之内。探测器232a、232b中的每一个可相同(例如，两者均使用掺杂了铈的CLYC)且例如，在不同的位置测量类似的中子相互作用。可选地或在附加的实施例中，探测器232a、232b中的每一个可不同。探测器232以与中子源210间隔开的关系定位且被能量中子阻挡层或屏蔽238与中子源210分离。可以想到，该阵列可包括多于两个的探测器232且这些探测器可以以任何各种布置方式定位在或者以其它方式定向(例如，线性地沿着纵向工具轴线间隔开、径向关于共同轴线间隔开、任何的多种探测器对准方式、以及类似的组合)。
[0043]在这个说明性实例中，地面设备222包括输入/输出(I/O)装置218和存储装置216。在探测器232与地面设备222之间电学通信的处理器214被示出在探头210的内部。可以想到，只要对于布置的井眼测井系统的实施有利，具有处理器214、I/O装置218、以及存储装置216中的一个或多个的各种不同构造可提供在井下、在地面、或在井下与地面分
开布置。
[0044]图4示出了根据本公开的一个实施例的具有辐射屏蔽的基于闪烁体的中子探测器的测井工具的横截面。井下测井工具400包括探头310，该探头310包括由辐射屏蔽338隔开的中子源330和中子探测器332。探测器332又包括定位成面对地层(例如，相对于工具的纵轴侧向面向)的至少一个闪烁体材料334 (例如，CLYC)。在图4的说明性实例中，大体上平面的探测器334 (平板)定位成一个面朝向侧向地层350 (例如，由中心轴线径向向外指向)。例如PMT336的光子探测器定位成临近平面闪烁体334的相反的表面且以其它方式配置为探测在闪烁体334之内由与从地层指向的中子相互作用而诱导的光子。如示出的，大致长条形的PMT336被定位成使得其纵轴横过于探头310的纵轴。例如，PMT336沿着探头310的直径定向。根据通常可在油田探头之内提供的有限的空间，选择具有与可提供的空间相称尺寸的紧凑PMT。在某种程度上，例如半导体装置的其它紧凑光子探测器可抵抗环境条件；其它这种装置可与任何本文描述的闪烁体组合使用。这种半导体装置包括光电二极管和雪崩光电二极管。
[0045]如上文描述的，辐射屏蔽338保护或者以其它方式屏蔽探测器以免受到中子和从中子源330指向的次级辐射。类似的，将平面的闪烁体334的一个面朝向地层350定位提供来自地层350而不是来自井眼的中子的优先探测。在一些实施例中，附加的中子屏蔽340可提供为进一步屏蔽闪烁体334和/或PMT336以免受到非优先中子。在图4的说明性实施例中，这种中子屏蔽340 (以横截面示出)被提供为沿着探测器332的后部和侧部。这种屏蔽材料可以是任何合适的材料，在合适的配置(例如，厚度)中用以屏蔽或以其它方式阻碍(即，散射和/或吸收)非优先中子。在这种配置中，探测器332配置为最大化来自优选样品体积(例如，地层350)的中子探测。在一些实施例中，这种附加的辐射屏蔽可提供为沿着探测器332的外体、沿着探头310的内部壁、或类似的组合。
[0046]在上述实例中的每一个中，PMT探测器136、236、336均配置为处于相对于探头110,210,310的横向平面上且受可用体积的尺寸限制。相对短的或以其它方式的紧凑的PMT可被选择来安装在探头110、210、310的直径之内。在一些应用中，通过沿着探头的纵轴配置PMT来减轻至少一些尺寸要求可能是有利的。
[0047]图5示出了沿着探头的纵轴配置PMT的测井工具500的横截面。在图5中，中子探测器432包括平行于或以其它方式与探头410的纵轴相符合的长条形的光子探测器(例如，PMT436)。探测器432包括平面的(平板)探测器434，其如之前的示例中所示的那样侧向朝向。这种侧向定向提供如上文描述的类似的益处。还示出了光改向路径元件435，其将来自侧向的、平面的闪烁体434的冷光的至少显著部分改向到朝向轴向PMT436的输入端。例如，光改向路径元件435可包括一个或多个光波导、棱镜、光纤、以及类似物。
[0048]可想到，井下测井工具可组合本文描述的任何各种元件和特征以及其等同替换。例如，多个探测器可包括:轴向改向的探测器(例如，432)、侧向探测器(例如，132、232、332)、轴向探测器中的一个或多个，其中，平面的闪烁体大体上在探头110、210、310、420(未示出)的横向平面中；以及任何这种探测器中的一个或多个的组合。类似地，一个或多个探测器可以包括如参考图5示出的附加的屏蔽。附加的针对伽马射线的屏蔽可以从地层侧施加或围住整个探测器。
[0049]在选择基于闪烁体的中子探测器中，以及更特别地，在选择用于闪烁体的CLYC材料中，发明人采用了一种方法，该方法相反于传统的想法。现有技术中的人员认为重要的障碍与基于闪烁体的中子探测器有关。基于闪烁体的中子探测器具有伽马射线敏感的问题。最熟知的基于闪烁体的中子探测器的另一个主要缺点是它们的光输出随着温度增加明显地下降。这个现象引起能量分辨率下降，这进而会减少信号和增加统计不确定性。之前工业中使用的闪烁体材料具有这些及其它的问题。例如，6L1-glass探测器具有以下问题:(I)中子峰拖尾，(2)来自光产生和吸收的变化的温度改变，以及(3) L1-glass批次中的变化。[0050]另一个与使用CLYC作为闪烁体材料有关的明显的障碍是CLYC是吸湿的。这个性质使得对于CLYC材料的封装要求变得复杂且还使得更困难地测试以及在高温下使用该材料。
[0051]尽管巨大数目的材料可供选择和上文描述的教导背离它们解决方式的障碍，发明人仍追求CLYC作为可能的用于用在油田应用中的基于闪烁体的中子探测器的材料且意外地发现，CLYC在高于50°C以及高至至少175°C的高温下仍保持分辨率。高于175°C直至大约200°C，分辨率仅仅适度地退化。这个性能优于替代性的闪烁体材料，例如Li1:Eu或L1-glass (玻璃)。发明人发现的另一个优点是掺杂了铈的CLYC (“Cs2LiYCl6:Ce”)在高温下保持对中子和伽马射线的明显不同的探测器响应。
[0052]本公开的说明性实施例还涉及一种处理器，其处理从中子探测器接收的输出信号。根据本公开的不同实施例，中子探测器包括由钾冰晶石材料(例如，掺杂了铈的CLYC)组成的闪烁体材料。从中子探测器接收的输出信号表示与闪烁体材料相互作用的中子和伽马射线。在各种实施例中，处理器是图1和图2中示出的处理器114。处理器被配置为通过识别输出信号之内的峰而从伽马射线中区别散射的中子。在各种实施例中，输出信号之内的峰使用脉冲形状鉴别来识别，其在下文进一步描述。在附加的或可选的实施例中，输出信号之内的峰使用脉冲高度鉴别来识别，其也在下文进一步描述。
[0053]图6A示出了从掺杂了铈的CLYC闪烁体的一个实施例获得的代表性脉冲高度谱图。谱在探测器温度150°C下在圆柱形的聚乙烯慢化剂中采用AmBe源测量。该图包括频道350周围的明显的中子峰602，其表示优先中子探测。中子峰602从谱604的通常向下倾斜的基线部分延伸，该基线部分主要由背景伽马辐射引起。该图中还示出了在相对峰602的区域中的伽马辐射谱606的线性近似。这种近似可以从在中子峰602的每一个边缘处的相应的计数以及通过这些数据点匹配的指数曲线而取得。
[0054]图6B示出了在多个温度下从掺杂了铈的CLYC闪烁体的一个实施例获得的代表性脉冲高度谱图。该谱在探测器温度在室温到175°C (在50°C和室温温度下恢复运转)之间变化下在圆柱形的聚乙烯慢化剂中采用AmBe源测量。对于每一个测量的温度该图包括单个的中子峰602。175°C的峰在图中的最左侧。其它的中子峰602在图中从左向右出现，分别对应为:150°C、125°C、100°C、75°C、50°C (恢复)、50°C、室温(恢复)、以及室温。对于整个温度范围，中子峰602均良好突出于伽马射线背景，这表示对于CLYC闪烁体在宽温度范围下(例如，室温到175°C)的优先中子探测。
[0055]图6C示出了从掺杂了铈的CLYC闪烁体的一个实施例获得的经调整的脉冲高度谱。在图6C中，谱的增益(gain)已经被调整对准中子峰602的矩心。如图6C中所示，中子峰602良好重叠。这个重叠表明CLYC闪烁体的分辨率在整个温度范围上是恒定的。换句话说，中子峰602的形状和尺寸在整个温度范围中几乎不改变。实际上，CLYC闪烁体的中子峰602的形状和尺寸在高至150°C时仍得到保持，且仅仅在175°C时轻微退化。本公开的发明人已发现，CLYC闪烁体的中子峰602仅仅在185°C和在200°C时才适度退化。
[0056]而且，图6A-6C示出了 CLYC的中子峰602具有相对窄的半高全宽(FWHM)。CLYC的这个特征是有益的，因为窄峰提供更好的分辨率且提供更好的用于中子相互作用的计数的估计。图7示出了 CLYC和L1-glass的FWHM相对于温度的图。如图中所示，CLYC在图的整个温度范围中保持相对恒定和窄的FWHM。这个曲线示出了 CLYC即使在高温下也保持其分辨率。与此相反，L1-glass示出了低温下的较宽FWHM且FWHM随着温度增加而幅度增力口。L1-glass曲线示出了 L1-glass的分辨率随着温度增加而退化。
[0057]图8示出了用于为普通的PMT构造确定的掺杂了铈的CLYC闪烁体材料的来自中子相互作用和伽马射线相互作用的相对脉冲高度随温度的图。该图使用粗糙的高温PMT获得，且这个图中的脉冲高度已经相对于室温被归一化。该图包括QE损失、晶体光线损失、以及PMT增益偏移的影响。该图表明实际油田工具中的CLYC闪烁体的性能。该图示出了CLYC在60°C到150°C的范围中具有对于中子和伽马相互作用不同的相对脉冲高度，且两者都随温度下降。使用常规知识，人们还将期待峰的分辨率将随温度劣化。然而，如上文的图7中示出，并不是这种情况。发明人意识到不管脉冲高度劣化而保持分辨率的这个现象对于油田应用特别有益，在油田应用，在某些操作中的温度(例如，随钻测井)通常在100°C和175 °C之间变化。
[0058]本公开的说明性实施例涉及使用脉冲高度的差别用以在中子相互作用与伽马射线相互作用之间进行区别。尤其，脉冲高度鉴别(PHD)用于在与CLYC材料的中子相互作用和伽马射线相互作用之间进行区别。有鉴于此，鉴别器区域限定在脉冲高度谱的图之内。图9示出了图6A中示出的脉冲高度谱的代表性图的鉴别器区域。鉴别器区域限定为包括相对峰602的谱的区域。鉴别器区域可以通过将结果限制在相对峰之内的那些相互作用来获得。例如，在图9中，结果限制在300与400之间的频道。
[0059]总的计数(例如，C1)用作所有相互作用的表示(例如，在鉴别器区域之内的谱下的总的区域)。中子相互作用可以通过从总计数(例如，C1)中扣除由于估计的伽马辐射谱(例如，C2)产生的一部分计数而与伽马辐射相互作用分离。由于估计的伽马辐射谱(例如，C2)产生的该部分计数在相对峰602 (例如，在鉴别器区域之内的线性近似值606之下的区域)的区域中使用伽马辐射谱606的近似值(例如，线性的或指数的)来估计。由于中子相互作用产生的计数部分由AC来说明(例如，在鉴别器区域内的谱之下的剩余区域)。处理器可以配置为(例如，编程为)基于上文描述的脉冲高度鉴别在中子相互作用与伽马射线相互作用之间进行区别。在一些实施例中，处理器施加在中子峰的起始之下的较低阈值，因此，区别中子相互作用与较低的能量伽马背景相互作用。
[0060]脉冲形状鉴别(PSD)已经用在实验室条件中，与在中子相关与伽马射线相关的相互作用之间存在时间延迟差别的闪烁体材料结合(例如，液体闪烁体)。发明人已经意识到，这个方法还没有应用在任何的油田应用中，因为这个方法对于油田应用中已知材料的不适当性，例如锂-碘化物(lithium-1odide)和锂-玻璃(lithium-glass)。
[0061]在图1OA和图1OB中示出的图中，中子相互作用和伽马射线相互作用使用脉冲形状鉴别(PSD)进行区别。图1OA示出了响应于伽马射线相互作用的代表性探测器(例如，CLYC闪烁体)的图。在该说明性实例中，第一脉冲形状P1被获得作为从伽马射线相互作用的探测器输出。如示出的，响应很激烈但很短暂。图1OB示出了响应于中子相互作用的代表性探测器(例如，CLYC闪烁体)的图。在该实例中，第二脉冲形状P2被获得作为从中子相互作用的探测器输出。通过比较，中子响应较为不激烈且展现出较长的持续时间。在另一个实例中，当使用来自钾冰晶石族不同的闪烁体材料(例如，CLLB)时，伽马射线相互作用可以具有较长持续时间的峰，然而，中子峰具有与伽马射线峰相比较短的持续时间。响应的不同“形状”可以用于区别两种类型的相互作用。[0062]有鉴于此，响应的形状由处理器(例如以模拟和/或数字形式)测量和表征。如图1OA和IOB中所说明的，第一脉冲P1 (例如，伽马射线响应)具有A1的峰响应值且在时间T1处具有特别的响应值A2。在时间T1之内，脉冲具有Σ i的图之下的第一相应区域和Σ2的图之下的总区域。类似地，第二脉冲P2 (例如，中子响应)具有A1的峰响应值且在时间T1处具有特别的响应值A2。在时间T1之内，脉冲具有Σ I的图之下的第一相应区域和Σ 2的图之下的总区域。这些数值可以被比较且用于估计探测的相互作用是对应于伽马射线相互作用还是中子相互作用。一个这样的比较可以是简单的A1A2的比率。相对大的比率表示伽马射线相互作用，而相对小的比率表示中子相互作用。在另一个实例中，使用Σ J Σ 2的比率来表示比较。相对大的比率表示伽马射线相互作用，而相对小的比率表示中子相互作用。处理器可以配置为(例如编程为)基于上文描述的脉冲形状鉴别在中子相互作用与伽马射线相互作用之间进行区别。例如，众所周知的信号处理技术可以应用于探测器输出信号，以便以其它方式在多个不同的探测器响应之间进行区别。
[0063]PHD和PSD可组合而具有附加的益处。例如，如果如上文描述的PSD基于振幅比率使用，PHD可用于限制所考虑的振幅范围。这从小信号或大信号之间的比率中消除了人为痕迹(artifact)，人为痕迹可引入系统错误。此外PSD可需要更多的计算能力且PHD可因此通过在正确的脉冲高度范围中预选数据而有益于减少数据比率。
[0064]发明人还已意识到，CLYC作为闪烁体材料超越L1-glass的另一个益处是CLYC的组分(以其晶体形式)在其化学计量中很好受控。这个有利的性质将导致有限的样品间变化且很好控制的参数，例如热膨胀。
[0065]图11示出了用于不同闪烁体材料的实例的中子捕获相对于闪烁体厚度的图。在说明性实例中的结果通过在25.4mm (I英寸)直径的Cs2LiYCl6 = Ce (95%6Li富集的)的薄片上建模热中子捕获而获得，该建模用于不同的薄片厚度902与在天然同位素比率904中掺杂了 Li的CLYC以及等价体积的3He气体906相比较。相应的几何形状在图12中示出，其中源1202布置在右手侧且探测器1204布置在左手侧。探测器包括直径(d)和厚度(L)。注意，6Li富集的5mm CLYC将阻挡Li中的中子的大约2/3。
[0066]本公开的说明性实施例还涉及用于容纳钾冰晶石闪烁体材料(例如，CLYC)的封装结构。该封装结构保护钾冰晶石材料以免暴露到井眼环境。在特别的实施例中，封装结构被密闭性地密封，用以防止钾冰晶石材料以免吸收水，因为很多钾冰晶石材料(例如，CLYC)是吸湿的。图13示出了根据本公开的一个实施例的容纳钾冰晶石闪烁材料1302的封装结构1300。该封装结构1300包括钾冰晶石闪烁材料1302。在各种实施例中，闪烁材料1302具有圆柱形形状且部分由反射器1304 (例如，光学反射材料)围绕。闪烁材料1302的最接近于光子探测器1306 (例如，光电倍增管，PMT)的纵向端不包括反射器1304。在这种方式中，反射器1304使光线朝向闪烁材料1302的纵向端反射回来。该配置增加了光将朝向耦合到闪烁材料1302的纵向端的光子探测器1306指向的可能性。
[0067]在各种实施例中，闪烁材料1302的纵向端由光学I禹合件1308覆盖。光学I禹合件1308可包括例如环氧树脂、硅油、硅橡胶、和/或硅润滑脂的材料。光学耦合件1308放置于与光子探测器1306的面板1310相接触。光子探测器的面板1310可以例如由玻璃制成。闪烁材料1302之内产生的光通过光耦合件1308、面板1310传播且进入光子探测器1306。
[0068]在说明性实施例中，封装结构1300还包括冲击吸收材料1312，其围绕反射器1304且保护闪烁材料1302以免遭受过大的冲击和震动。冲击吸收材料1312可包括RTV硅橡胶、分散在油中的交联聚合的凝胶剂、和/或消弱冲击和震动的类似材料。在一些实施例中，如图13中所示，辐射屏蔽材料1314布置在反射器1304与冲击吸收材料1312之间。
[0069]钾冰晶石闪烁材料1302、反射器1304、以及冲击吸收材料1312被安装在被密闭性密封的壳体1316中。壳体1316相对于光子探测器1306使用例如，螺纹联接(例如，光子探测器包括外螺纹，壳体包括接收外螺纹的内螺纹)来密封。在一些实施例中，壳体1316然后被钎焊或焊接在适当的位置。在各种实施例中，环氧树脂密封混合物被放置在螺纹联接部位之内。
[0070]在一些实施例中，闪烁材料1302的相反于光学耦合件1308的纵向端可以与压力板1318相接触。压力板1318通过弹簧1320或类似的推压装置而对闪烁材料1302的所述纵向端施加压力。弹簧1320将闪烁材料1302朝向光学耦合件1308和光子探测器1306的面板1310推压。弹簧1320帮助确保闪烁材料1302在(I)震动、(2)冲击、和/或(3)温度改变导致的封装结构的热膨胀期间保持与光子探测器1306的光学通信。被密闭性密封的封装结构的进一步的细节提供在美国专利号:7633058中。
[0071]术语“处理器”不应该被解释为将本文公开的实施例限制为任何特殊类型的装置或系统。如上文所解释的，处理器可以包括计算机系统。该计算机系统可包括计算机处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器、或通用计算机)。计算机系统还可包括存储器例如半导体存储装置(例如，RAM、ROM、PROM、EEPR0M、或快速可编程RAM)、磁存储器装置(例如，软盘或固定磁盘)、光学存储器装置(例如，⑶-ROM)、PC卡(例如，PCMCIA卡)、或其它存储装置。
[0072]上文描述的任何方法和过程，包括用于(I)处理从中子探测器接收的输出信号、
(2)在输出信号之内鉴别峰、(3)使用脉冲形状鉴别来识别峰、和/或(4)使用脉冲高度鉴别来识别峰的过程和方法，均可以实施为与计算机处理器一起使用的计算机程序逻辑。
[0073]计算机程序逻辑可以实施为各种形式，包括源代码形式或计算机可执行形式。源代码可以包括一系列多种编程语言中的计算机程序指令(例如，目标代码、汇编语言、或高级语言，如C、C++或JAVA)。这种计算机指令可存储在计算机可读媒介中(例如，存储器)且由计算机处理器执行。
[0074]可选地或附加地，处理器可包括耦合到印刷电路板、集成电路(例如，专用集成电路ASIOJP /或可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列FPGA)的分立的电子元件。上文描述的任何方法和过程可使用这种逻辑装置来实施。
[0075]虽然上文中详细描述了几个示例性实施例，但对于本领域技术人员来说将很容易理解，在示例性实施例中很多修改是可能的而没有实质上背离本公开的范围。因此，所有这种修改旨被包括在本公开的范围内。
【权利要求】
1.一种井眼测井工具，包括: 中子源，其用于朝向目标地层释放源中子；以及 闪烁体，其定位成能与从所述目标地层接收的散射的源中子相互作用，所述闪烁体配置为响应于与热中子和超热中子中的至少一种的相互作用而发射冷光，其中所述闪烁体包括钾冰晶石材料。
2.根据权利要求1所述的井眼测井工具，其中，所述钾冰晶石材料由Cs2LiMN6表示，其中，M选自乾和镧中的至少一种，N选自氯和溴中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的井眼测井工具，其中，钾冰晶石材料是Cs2LiYCl6t5
4.根据权利要求1所述的井眼测井工具，其中，所述钾冰晶石材料由LiMN6表示，其中，M选自乾和镧中的至少一种，N选自氯和溴中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的井眼测井工具，其中，所述钾冰晶石掺杂了活化剂。
6.根据权利要求5所述的井眼测井工具，其中，所述钾冰晶石材料掺杂了铈。
7.根据权利要求3所述的井眼测井工具，其中，所述Cs2LiYCl6掺杂了铈。
8.根据权利要求1所述的井眼测井工具，进一步包括: 冷光探测器，其配置为能提供表示探测到的闪烁体的冷光的输出信号。
9.根据权利要求8所述的井眼测井工具，其中，所述闪烁体通过光导元件连接到所述冷光探测器。
10.根据权利要求1所述的井眼测井工具，其中，所述钾冰晶石材料是多晶形式。
11.根据权利要求1所述的井眼测井工具，进一步包括: 封装结构，其用于容纳所述钾冰晶石材料。
12.根据权利要求11所述的井眼测井工具，其中，所述封装结构被密闭性密封。
13.根据权利要求8所述的井眼测井工具，其中，所述闪烁体和所述冷光探测器被配置为用于探测热中子和超热中子中的至少一种。
14.一种用于探测中子的方法，所述方法包括: 将包括钾冰晶石材料的至少一个闪烁体定位在井眼中； 将中子释放到邻近于所述井眼的一个区域的地层中； 探测来自所述闪烁体的冷光，其中，所述闪烁体响应于与从所述地层返回的中子的相互作用而发射冷光；以及 将来自闪烁体的冷光转变为电信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述钾冰晶石材料由Cs2LiMN6表示，其中，M选自宇乙和镧中的至少一种，N选自氯和溴中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钾冰晶石材料是Cs2LiYCl6t5
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述钾冰晶石掺杂了活化剂。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钾冰晶石材料掺杂了铈。
19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括: 在处理器处接收所述电信号；以及 基于脉冲形状鉴别，使用所述处理器识别与所述至少一个闪烁体的中子相互作用。
20.根据权利要求14的方法，其中，所述方法在井眼温度超过50°C下执行。
【文档编号】G01V5/10GK103890615SQ201280051777
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月18日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】M·贝雷德, B·A·罗斯科, J·钱, T·斯皮兰, I·舍斯塔科娃, O·G·菲利普, S·瓦伊达 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司