中子和伽马敏感纤维闪烁体的制作方法

在一方面，本公开总体上涉及用于使用基于核辐射的测量来估计与一定体积的物质相关的至少一个感兴趣参数的井眼测井方法和设备。

背景技术：

油井测井技术多年来已为人所熟知，并且提供了关于特定地层的信息。在传统测井中，在钻井时和/或在钻井后，可以将一个辐射源和相关联的辐射探测器输送至井眼中并用于确定与地层相关的一个或多个参数。刚性或非刚性的托架通常作为工具的一部分或成套的工具，经常用于输送辐射源，并且该托架也可以提供用于发送信息至地表的通信通道。本公开涉及增强此种装置的制造、使用及有效性。

技术实现要素：

在各个方面，本公开涉及使用从地下地层检测到的辐射来估计地层的感兴趣的参数。

根据本公开的一个一般性实施例可以是用于在一定体积的地层中的井眼里检测辐射的地层估计工具。所述工具可包括探测器，该探测器包括包含接合纤维的连贯聚集体的整体闪烁元件，其中纤维由光学透明的闪烁介质制成。所述纤维可以是以下各项中的至少一种：i)伽马射线响应的；和ii)中子响应的。闪烁介质可包括以下各项中的至少一种：i)DSB:Ce和ii)包含Li6的玻璃或玻璃陶瓷。所述纤维的连贯聚集体可以是连续的质量体。所述接合纤维的连贯聚集体可以是热接合。纤维可以是实心的。所述闪烁介质可包括以下各项中的至少一种：i)有机晶体闪烁材料，ii)无定形玻璃，和iii)纳米结构化玻璃陶瓷。所述纤维的连贯聚集体可以是不对称的。

所述纤维的连贯聚集体可围绕具有与所述闪烁介质不同的闪烁特性的另一闪烁介质。该工具可包括：至少一个光电探测器，其配置为响应于由纤维的连贯聚集体产生的第一光闪烁产生第一输出，以及响应于由另一闪烁介质产生的第二光闪烁产生第二输出；以及处理器，其配置为根据所述第一输出和所述第二输出来确定所述第一光闪烁和所述第二光闪烁的量的差异。该闪烁元件可以是方位敏感的。所述另一闪烁介质可以包括以下各项中的至少一种：i)单晶材料，和ii)多晶材料。所述闪烁探测器可以配置为检测伽马射线，使得在标称操作期间，根据在另一闪烁介质中检测到阈值数量的伽马射线，在所述闪烁介质中检测到伽马射线的概率被最大化。

所述纤维的连贯聚集体可围绕具有与所述闪烁介质不同的闪烁特性的另一闪烁介质。所述纤维集合体还可以包括与纤维穿插设置并基本上平行于纤维的多个重金属杆。

所述闪烁元件可以围绕光学光导，该光学光导包括热熔纤维的第二连贯聚集体。该纤维的长度可以是至少50厘米。所述纤维的连贯聚集体可以配置为允许光以基本上平行于所述纤维的纵轴线行进。至少一部分纤维可以各自被覆盖层包围。所述纤维的连贯聚集体可以包括形成第一辐射响应部件的第一纤维层和形成光学透明光导的第二纤维层。所述纤维的连贯聚集体可以包括第三纤维层，该第三纤维层位于所述第一层和第二层的内部，形成第二辐射响应部件；所述第二辐射响应部件可以配置为检测来自所述井眼的中子。所述第二纤维层可以由光学透明中子吸收材料制成；并且所述第二辐射响应部件可以配置为检测来自所述井眼的中子。该工具可进一步包括钻柱；以及定位在钻柱上的辐射源。

方法实施例可包含使用包括接合纤维的连贯聚集体的整体闪烁元件，以响应于井眼辐射而产生光闪烁，其中所述纤维由光学透明的闪烁介质制成。

已相当宽泛地总结本公开的特征的示例，以便更好地理解以下的详细描述，并且可以理解其对本领域所表示的贡献。

附图说明

为了详细理解本公开，应当结合附图参考以下对实施例的详细描述，其中相同的元件被给予相同的附图标记，其中：

图1示出了用于井眼中，包括伽马射线源和探测器的工具；

图2A和图2B示出了在蒙特卡罗模拟中在垂直于SS和LS闪烁体晶体的井眼的纵轴(“井眼轴”)的平面中的伽马射线的进入的X和Y坐标；

图3示出了根据本公开的实施例的用于在井眼中的工具中使用的探测器；

图4示出了根据本公开的实施例的用于在井眼中的工具中使用的另一个探测器；

图5A和图5B示出了根据本公开的实施例的中子探测器；

图5C示出了其中每个纤维被覆盖层包围的实施例；

图6示出了根据本公开的实施例的另一中子探测器；

图7示出了根据本公开的实施例的具有闪烁体元件的探测器；

图8示出的探测器，其中内柱直径在PMT附近逐渐变细以形成截头圆锥形状；

图9A至图9C示出了具有闪烁元件的探测器，所述闪烁元件包括具有多层的纤维的连贯聚集体；

图10示意性地示出了具有井下工具的系统，该井下工具配置为获取用于估计地层的感兴趣的参数的信息；

图11以流程图形式示出了根据本公开的用于估计地层的至少一个感兴趣参数的方法。

具体实施方式

在各个方面，本公开涉及检测来自地下地层的辐射。在其它方面，本公开涉及利用检测到的辐射来估计地下地层的感兴趣参数，诸如，例如密度、孔隙率等。具体而言，一般性的实施例检测伽马射线和中子。在很多情况下，用于这些估计的信息可以通过部署入井眼中、与所感兴趣的一个或多个地层相交叉的工具来获取。为进行上下文说明，下面将描述部署和使用该工具以获取此信息的示例性系统。这些方面中的每一个可以一般性地称为地层的研究。

地层可以暴露于来自辐射源的能量。井下工具可以包括该辐射源和一个或多个探测器室中的一个或多个探测器。其中，所述辐射源可以包括但并不限于，一个或多个中子源、伽马射线源和以及x射线。该探测器可以用来检测来自地层的辐射，虽然探测器不限于检测如辐射源发射的该类型的辐射。探测器也可以用于检测天然产生的辐射。

每个探测器包括具有敏感体积部分的闪烁元件。该“敏感体积部分”是检测体积部分，其填充有闪烁介质。如本文所定义的闪烁介质，指其中电离辐射的能量被转换为光子(例如，闪烁光子)的能量的介质。如本文中所使用的闪烁介质，指用于检测伽马射线或中子中的至少一种的闪烁材料。该敏感体积部分不包括附件探测器材料，诸如光反射包装、外壳、光学光导等等。

光学光导(“光导”)历史上由石英或其它类似玻璃的透明材料制成。光导是光学透明介质，其中由探测器的敏感体积部分(例如，闪烁介质)产生的光朝向光电探测器传播。光导提供闪烁光子到光电探测器的传递，并且已经实现为板、柱体或光学耦合到闪烁元件的其它简单的对称形状。

到目前为止，伽马射线敏感的无机闪烁元件已经制造为包括多晶和单晶块的不同形式。单晶块可通过各种技术获得，其包括熔化行材料的相并将熔融的材料保持在坩埚中一段相当长的时间以引发晶体生长。

如下面进一步描述，可以期望使用用于在井下检测辐射的不对称闪烁元件。传统闪烁探测器的一个缺点是闪烁元件的不对称形式表现出来自元件的不同部分的不均匀响应，导致作为整体的探测器的不均匀响应。

此外，作为有效闪烁介质(例如，每单位吸收能量的入射辐射提供大量闪烁光子的介质)的一些材料可能发生闪烁的自吸收。随着闪烁介质的尺寸增加，自吸收变得更加成问题，因为光子必须穿过更多的材料。然而，增加的尺寸导致探测器灵敏度更大。因此，已经采用光导来提供光学透明介质，闪烁可以通过该介质到达光电探测器。探测器的“有源元件”可以被定义为直接或间接地光耦合到一个或多个光导的敏感体积部分。

对于中子检测，广泛使用富含Li-6同位素的基于Li的闪烁玻璃。在测井装置中，基于Li的闪烁玻璃用于长度不超过25毫米且外径高达25毫米的小元件中；或者具有壁厚3-4毫米，外径为20-25毫米，长度不超过100毫米的中空管。元件的形状由用Ce3+离子激活的玻璃中的光闪烁的自吸收决定。市售GS-20Li基玻璃(例如来自Saint Gobain)中的闪烁带最大值可在395nm附近达到峰值。因此，对于在这种介质中行进的光闪烁，相当一部分的光已经在几厘米的闪烁材料中被吸收。此外，当材料中发生闪烁时，光在不同方向上随机发射，因此在光闪烁到达光接收器之前增加了光闪烁的有效路径长度。另一方面，通过富集Li-6的玻璃的热中子捕获的高效率使得能够构造包含中子吸收玻璃的薄层的探测器。该设计在具有高度为75-100毫米，外径为20-25毫米，壁厚为3-4毫米的中空管形式的闪烁元件的探测器中实现。邻近光电探测器的中空柱体的部分可以装配到光电探测器的敏感区域的外径。在管的壁中产生的光闪烁可以进入柱体的充满空气的内部，其用作空气光引导件。空气光导的使用减少了探测器中的光闪烁的吸收。这种设计的一个缺点就是光接收器窗口的材料和空气的折射率差异很大，这使光收集减少了2倍或更多倍。

图1示出了用于包括伽马射线源116和探测器108、110的井眼112中的工具100。例如，所述工具可以是伽马密度测井电缆工具。伽马射线源116可以是发射662KeV伽马进入地层的Cs-137伽马源。井眼112被描述为水平井眼，但是工具100可以配置用于任何倾斜度的井眼或完全垂直的井眼。感兴趣的体积直接在工具上方。

示出探测器的配置包括短间隔('SS')探测器108和长间隔('LS')探测器110。探测器可以沿着井眼以与伽马源不同的距离放置。伽马源和SS和LS探测器都可以用重金属屏蔽物(像铅、钨等)包围，准直器窗口109、111位于地层与SS和LS探测器之间。示出蒙特卡罗模拟的自Cs-137源的伽马轨迹120。

图1的配置使得探测器对地层的灵敏度最大化。来自地层的伽马射线通过准直器窗口到达SS和LS探测器，而来自井眼或工具本体的伽马射线减少，因为许多伽马射线被吸收到屏蔽物中。然而，实际上，许多伽马射线从除了感兴趣体积(例如，井眼)之外的体积部分到达SS和LS探测器，如从蒙特卡罗模拟的结果可以看出的，蒙特卡罗模拟允许定位伽马的坐标(或其它感兴趣的放射性粒子)。

图2A和图2B示出了在蒙特卡罗模拟中在垂直于SS和LS闪烁体晶体的井眼的纵轴(“井眼轴”)的平面中的伽马射线的进入的X和Y坐标。图2A的点对应于通过准直器窗口以及从其它(例如，井眼)方向进入的伽马射线。图2B的点仅对应于来自其它(例如，井眼)方向的伽马射线。

到达闪烁介质的伽马射线的百分比(例如晶体)并不是来自于准直器窗口，这取决于特定的工具几何形状和井眼直径。在超薄工具和大直径井眼(例如，大于8.5英寸)的情况下，对于高密度地层中的LS探测器，其可以变为大约25％或更高。这种大的环境效应将降低测量的准确性，即使当为蒙特卡罗模拟进行计算时也是如此。因此，期望减少来自除了准直器窗口之外的方向的伽马射线的数量。

新闪烁元件

本公开的一般性实施例可以包括具有整体闪烁元件的探测器，所述整体闪烁元件包括接合纤维的连贯聚集体，其中所述纤维由光学透明闪烁介质制成。闪烁介质对中子和伽马射线辐射中的至少一种敏感。这里使用的“连贯”被定义为“联合为一体或形成一个整体”。注意，这个含义不应与光连贯(涉及保持固定相位关系的波)相混淆，光连贯与上述含义不同，不是这里定义的含义。纤维的连贯聚集体可以是连续的质量体，定义为在纤维之间没有空隙的质量体。注意，这并不意味着聚集体可以不具有中空柱体的形状。纤维由光学透明的闪烁介质制成，并且可以是实心的，与中空纤维不同。该聚集体将包含多于10个纤维，并且可以包含数百或数千个纤维。

所述接合纤维的连贯聚集体可以是热接合。纤维可以在排出口处形成并且从填充有玻璃熔体的坩埚挤出熔体。纤维的烘烤允许构造具有最小的光闪烁损失的不同形状的整体块。相应形状的不锈钢形式体可以装载有纤维，例如直径为0.1-5毫米，长度为10-1000毫米。不对称闪烁元件可以由钡DSB:Ce(BaSi2O5:Ce3+)纤维的二硅酸盐的组合物的玻璃通过在高于材料(Tg)的玻璃化温度的温度但低于雪崩结晶的温度下在真空压力下烘烤金属形式的纤维来制成。该温度可以在800-875摄氏度的范围内。该形式体可以放置在稍微高于Tg的真空室中。同时，可以对该形式体施加压力，直到纤维的外表面烘烤到彼此上。在该过程中，纤维的圆形形状可以变形，使得横截面从圆形变为六边形。然而，纤维保持基本上不混合，并且保持其作为不同的纤维的独立性质。因此，其它实施例可包括使用光学粘合剂(例如光学树脂和胶水)接合的纤维的连贯聚集体。

现在可以生产具有类似于通过Czochralski方法或其它拉制技术获得的晶体的参数的各种闪烁材料的结晶纤维。此外，纤维形式的闪烁材料可以从新开发的纳米结构的伽马敏感玻璃和玻璃陶瓷获得，例如，钡DSB:Ce(BaSi2O5:Ce3+)的二硅酸盐。与LuAG:Ce闪烁材料类似，DSB:Ce也是具有高有效电荷(Zeff)的介质。这两种材料都适合于在宽能量范围上检测伽马量子。掺杂有Ce的钇铝石榴石也是高光产率的闪烁体；它可以以纤维形式生产，但其有效电荷显著小于LuAG:Ce或DSB:Ce。LuAG:Ce闪烁材料在用于测井时具有缺点，即其自身的放射性。

此外，传统单晶硅无机闪烁体如CsI(Na)、NaI(Tl)、BGO或GSO的使用由于它们的各向异性膨胀系数而受限于用于高温井下应用的严格柱体形式，而由包括结晶闪烁材料(例如LuAG和YAG)、非晶玻璃、纳米结构的玻璃陶瓷等的纤维制成的接合纤维材料可以应用于各种不同的不对称形状。

连贯聚集体中的每个纤维以相同效率将来自闪烁的光传送至光电探测器(例如，光电倍增管)，这仅取决于纤维中光的衰减量。闪烁物质中光的衰减量取决于晶体吸收光谱与闪烁光谱的交叠。该交叠的特征在于闪烁光谱的斯托克斯位移。掺杂Ce的晶体闪烁体表现出可接受的光产率随温度而减少，而表现出小斯托克斯位移(通常情况下小于0.25eV)。因而，当由绝大多数掺Ce的闪烁物质制成的探测器厚度较小(最多几厘米)时，这些闪烁材料与闪烁体探测器一样具有良好的适应性。在各种掺杂Ce的晶体材料中，YAG:Ce的斯托克斯位移显著；由YAG:Ce制造的探测器的长度可以大于10厘米。

DSB:Ce玻璃陶瓷闪烁材料的斯托克斯位移为0.38eV，其比氧化物材料中Ce3+闪烁的标准位移大50％，因此，对于其自身的闪烁高度透明(在455纳米处具有最大值)。由于自身吸收闪烁光，因此，甚至长纤维(例如，1米长)也可实现最小的光损失。

图3示出了根据本公开实施例的井眼112中工具100中使用的探测器300。探测器300包括整体闪烁元件312，该元件包括接合纤维320的连贯聚集体。(接合)纤维由对伽马射线敏感的闪烁介质组成，因此，所述探测器适于检测伽马射线。纤维的连贯聚集体围绕具有与所述纤维的闪烁介质不同的闪烁特征的另一(非纤维)闪烁介质330。例如，闪烁介质330可以为传统的单晶或多晶柱形闪烁体NaI(Tl)、CsI(Tl)、CsI(Na)、BGO、GSO、LuAG:Pr或本领域技术人员可能想到的任何其它柱形闪烁体。因此，接合纤维320的连贯聚集体可以以包括不对称形状的各种形状构成。

探测器300可包括至少一个光电探测器130，其配置为响应于由纤维连贯聚集体产生的第一光闪烁生成第一输出和响应于由另一闪烁介质产生的第二光闪烁生成第二输出。配置为用以确定第一光闪烁和第二光闪烁的量与第一输出和第二输出间差异的处理器能够以可操作的方式耦合到光电探测器。

在使用蒙特卡罗模拟的情况下，闪烁体与准直器的尺寸可按以下方式模拟，即，将信号穿过元件312中伽马射线的可能性最大化(这里，康普顿散射事件足以用于信号)；并且，来自柱形闪烁体(放置在准直器窗口附近)的计数将足以用于统计意义。可选择另一闪烁介质为有效闪烁体(例如，CsI、BGO、GSO等)以减少再次散射入纤维的伽马射线。将在晶体闪烁体中产生信号而在基于纤维的闪烁体中未产生信号的事件可用于地层表征。由于有显著的非地层伽马成分的存在，因此，这些技术可与LS探测器以及低孔隙度、高密度地层一起使用。由于初始的662keV伽马能量将通过介质中的康普顿散射而显著降低，而且可在位于准直器窗口前方的重晶体闪烁体中吸收大部分本来柔性的伽马射线，因此，该技术无法显著降低LS计数。

因此，所述闪烁元件可在方位上具有灵敏度，并且所述闪烁体探测器可配置为用以检测伽马射线，以便于在标称操作过程中，受制于在另一闪烁介质中检测到阀值数量的伽马射线，可将在闪烁介质中检测伽马射线的可能性最大化。

图4示出根据本公开实施例的另一探测器400。基于纤维的热接合闪烁体还可使用DSB:Ce或YAG:Ce纤维晶体制成。重金属(例如，钨(W))的杆402可置于纤维404之间。这些杆402可增加伽马量子的吸收效率。杆的厚度可与热电子有效逸出的可能性和杆中的特征X射线有关，以激励纤维中的闪烁体。在一个示例中，厚度小于100μm。

在其他它实施例中，接合纤维的闪烁介质可对中子敏感，所述探测器适于检测中子。对中子敏感的光纤可与聚集体中非闪烁光学透明的纤维并列设置。

基于市售GS-20以及Li-6的闪烁纳米玻璃陶瓷可以光纤的形式生产。纤维的闪烁特性及其对中子的灵敏度可在材料中Li-6同位素和掺杂离子(例如，Ce3+)的存在下得到控制。由富含7-Li同位素的原材料制造的玻璃或玻璃陶瓷对热中子不敏感。即，它们将不闪烁并且不吸收热中子。由富含7-Li同位素但不掺杂Ce离子的原材料制成的玻璃或玻璃陶瓷对热中子或其它放射物不敏感，并且相对于掺杂Ce的玻璃或玻璃陶瓷的光闪烁来说是透明的。

图5A和图5B示出根据本公开实施例的中子探测器。探测器500包括闪烁元件510，闪烁元件510包括对中子敏感的纤维504的连贯聚集体502。纤维504可由软玻璃等制成的覆盖层506包围，其可以是不闪烁和光学透明的，并作为光学光导。所述纤维可为热接合型。每个纤维可由覆盖层包围。所述探测器可以为直径为0.01英寸到5毫米、高度为20-100毫米的柱体。工具可包括探测器500以及快中子源，例如，脉冲中子发生器(‘PNG’)或放射性同位素源(例如，Am-Be化学中子源)。

在操作过程中，闪烁光基本上仅沿纤维传播。这对于以满足全内反射的条件的角度发射的光子而言是完全正确的，并且不满足条件的光子将进入相邻纤维，在那里，它们将很由可能受到TIR条件的影响。一些闪烁光子可达到外部光反射包装，并可以不同的角度返回纤维；一些角度将再次受到TIR条件的影响。因此，纤维的连贯聚集体配置为允许光基本上平行于所述纤维的纵轴传递。总的来说，这些条件增加了光的收集，并提高了探测器的能量分辨率。纤维的长度至少为50厘米或以上。在一些实施例中，纤维的至少一部分可各由覆盖层包围。图5C示出了每个纤维被覆盖层包围的实施例。

根据本公开各个方面对闪烁器元件的构造实现了几种新的探测器设计。图6示出根据本公开实施例的另一中子探测器。纤维的连贯聚集体可包括形成第一辐射敏感部件的第一层纤维和形成光学透明光导的第二层纤维。所述探测器600包括闪烁元件610，该闪烁元件610包括对围绕光学光导606的中子敏感的纤维604的连贯聚集体602，光学光导包括不闪烁和光学透明的纤维614的第二连贯聚集体608。纤维可不被包覆且直径约为1毫米。纤维可为热接合型。形成所述闪烁元件610的第一连贯聚集体602可由围绕第二连贯聚集体608的大约三到五个纤维环组成。第一聚集体可由掺铈闪烁玻璃或含Li-6的玻璃陶瓷制成，而第二聚集体可由未掺杂玻璃或含Li7的玻璃陶瓷纤维制成，其对中子不敏感。由于折射率基本上相似(例如，n＝1.57)，因此，可在整个玻璃-光导-光电探测器路径上优化光传导。这在与井下环境一致的高温下尤其需要。在考虑所述材料的结构时，基本相似是指至少第一坐标球与第二坐标球相同；例如，在第三或第四顺序上可能存在一些不同。这可能是由于Li-6和Li-7的原子质量不同。第一坐标球为离所考虑的离子最近原子的球体，第二坐标球为原子的下一个壳体，以此类推。

可运用上述设计的变型。例如，所有纤维可以被覆盖层包围，从而增加所述探测器的光产率(LY)和能量分辨率。在该配置中，作为光导的内部Li7纤维的重要性有所降低。在一些实施方案中，7Li/6Li同位素的天然混合物可富含有Li6。这种特殊的富集程度可配置用于连贯聚集体的特殊部分，从而实现对诸如热中子(例如，富含Li6的纤维的外层)、超热中子(富含达到所需值的6-Li的纤维的内层)等特殊辐射的灵敏度。可在检测热中子和超热中子两者的闪烁的单个光电探测器上收集来自所有纤维的光。可替代地，可在置于活动体积部分(例如闪烁柱体)相对端的两个光电探测器上检测闪烁。例如，外层可以光学耦合至(例如，检测热中子的)一个PMT和(例如，检测超热中子的)另一个PMT上的内部纤维。可以使用归因于每个闪烁元件的信号的差异进行感兴趣参数的估计。

图7示出根据本公开实施例的具有闪烁元件的探测器700。闪烁元件包括纤维的第一层720和第二层730。所述探测器700进一步包括在一端光学耦合至第一纤维层720的第一光电探测器160(例如，光电倍增管)和在另一端光学耦合至第二纤维层130的第二光敏感装置765(例如，光电倍增管)以便将所述元件中出现的光闪烁转换成电信号。第二层730布置在第一层720内，并因此置于由外层720包围的空间内。第一层720包括具有内井的柱体。在其它实施例中，第一层720可实现为围住第二辐射敏感元件的空心柱体。

特定探测器实施例可自第一光电探测器上的探测器的第一侧(例如，邻近地层侧)的外部纤维以及第二光电探测器上的第二侧(例如，LWD系统中邻近泥浆通道侧)的外部纤维收集光闪烁。这种配置将致使在方位上对热中子敏感。来自第一侧(例如，“朝”地层看)的信号增加了系统灵敏度，同时来自其它侧(例如，“朝”泥浆通道看)的计数可用于监测环境因素。例如，该配置中的内部纤维可由透明中子吸收材料，诸如带硼污染物的玻璃制成以消除所述探测器相对侧纤维之间的串音。

由于断面中子吸收较高，因此，硼在吸收热中子和超热中子方面具有优势。硼硅酸盐玻璃具有类似于石英的特性。硼硅酸盐玻璃缺乏温度灵敏度，并不易分解。此外，通常情况下，这些玻璃的光传导特征在井眼中通常所见的整个温度范围内基本上保持恒定不变。

可替代地，探测器的内部也可由伽马敏感纤维或单晶伽马敏感闪烁体制成。随后使用基于电信号形状分析的中子-伽马分离技术在PMT上进行两组相应闪烁的检测(磷酸盐探测器)。可替代地，可在两个PMT上收集闪烁，每个位于所述探测器的不同侧，并可同时进行伽马和中子检测而无需进行中子-伽马分离的额外电子器件。因此，所述闪烁元件具有方位灵敏度，从而允许区分接近该元件的辐射所来自的方向。

另一便利之处可通过简单地在略高于Tg的温度下拔长管道一端来将管道的直径减至与PMT光电阴极相对应的数值。同时，内圆柱直径在PMT附近可逐渐变细以形成截头圆锥形状。参见图8。由于PMT窗口的折射率与光导的差将减至最小，因此，相比于传统空心柱体，这种构造(带或不带覆盖层的纤维)将具有一定优势。闪烁块的形状无需限于柱形，从而为井下核工具中的闪烁的可能配置提供显著优势。

可通过地层热化快中子。在特定的实施例中，工具可包括具有对环形段形状的热中子敏感的闪烁元件的探测器。

图9A-图9C示出具有闪烁元件910的探测器900，该闪烁元件包括纤维904的连贯聚集体，该纤维包括对形成第一辐射敏感元件916的中子敏感的第一层纤维906，第一层纤维906围绕形成光学光导912的第二层纤维902。第二层纤维可为不闪烁也可为光学透明式。纤维的连贯聚集体可包括第三层纤维908，其位于第一层906和第二层902的内部，并形成第二辐射敏感部件918。第一辐射敏感部件916可配置为检测来自地层的中子；并且第二辐射敏感部件918可配置为检测来自井眼的中子。第二层纤维902可由光学透明的中子吸收性材料制成。

例如，此类元件的外层(约3-5毫米厚)可由具有富含Li-6的材料以及在置于闪烁元件910的第一侧上的PMT上收集的光的纤维制成。下一层可由具有如上所述含有玻璃的硼的纤维制成。厚度为3-5毫米的内层还由具有富含Li-6的玻璃的纤维制成，并且在置于闪烁元件另一侧上的单独PMT上完成光的收集。

这类闪烁元件可置于工具(例如，LWD工具)外表面处的凹槽中，然后覆盖有保护管。多个(例如，2到4个)这类元件910’可以在外表面围绕所述工具以圆周形式排列。在一些实施方案中，热中子敏感元件可大致在所述工具表面形成连续带。具有这种结构的热中子敏感闪烁元件可对来自地层(外层)的热中子具有灵敏度，并且独立地对例如主要来自泥浆通道930等的工具本体内部(内层)的热中子敏感。富含化学元素的对热中子(例如，硼、钆等)具有大吸收断面的中间层将强有力的降低敏感层之间的串音。在一个实施方案中，热中子敏感元件可置于对应于传统短间隔和长间隔探测器的多个“带”中。因此，通过使用多个带中的信息，中子孔隙度可使用传统方法，例如通过计算来自SS和LS闪烁元件的计数间的比率确定。

根据本公开的各个方面的实施例可在钻孔作业期间提供对中子孔隙度在方位上的灵敏度。LWD工具的转动定期将地层的不同部位暴露到不同的闪烁元件。通过使用与LWD转速同步的时间，可结合地层中方位角分区所需数量的孔隙度数据(和/或可源自热中子测量的其它数据)。

与现有工具相比，这些实施例可显示对地层的灵敏度有所增强，并降低因环境因素的影响。热中子探测器可具有显著增大的表面积。该增大的表面积可显著提高孔隙度测量的统计准确性。结合方位角灵敏度性，增加的准确性可根据探测器信息实现地质导向。类似的测井电缆工具也可提高对地层的灵敏度，降低环境影响，并提高统计准确度(可以允许更高的测井速度)。

如上所讨论，本文公开的辐射探测器可结合测井电缆、MWD、LWD以及其它井下工具使用。本文示出了示例性系统。图10以图示方式示出具有井下工具1010的系统1001，该井下工具配置为获取用于估计地层1080的感兴趣参数的信息。在一个说明性实施例中，所述工具1010可包含辐射源1020和探测器1030、1040。感兴趣参数可包括与地质参数、地球物理学参数、岩石物理参数和/或岩性参数相关的信息。

系统1001可以包括竖立在钻台1070上的常规井架1060，或者可以是车载的。传送装置(托架1015)可以是刚性的或非刚性的，其配置为将井下工具1010送入靠近地层1080的井筒1050。托架1015可以是钻柱、连续油管、平直管线、电线、缆线等。井下工具1010可以与额外的工具(例如，图10的信息处理系统的部分或全部)耦合或组合。因此，根据配置，工具1010可以在钻井期间和/或在已经形成井眼1050之后使用。虽然示出了陆地系统，但本公开内容的教导也可以在海上或海底应用中使用。托架1015可以包括用于在地表和井下设备之间提供信号和/或电力通信的电力和/或数据的嵌入式导体。托架1015可以包括底部钻具组件，其可以包括用于旋转钻头的钻井马达。

辐射源1020将辐射(例如，中子)发射到待勘测的地层中。在一个实施例中，井下工具1010可以使用发射14.2MeV快中子作为其辐射源1020的脉冲中子发生器。使用来自脉冲中子源的14.2MeV中子仅是说明性和示例性的，因为可以使用不同能级的中子。在一些实施例中，辐射源1020可以是持续的。在一些实施例中，辐射源1020可以是可控的，在井筒中时辐射源可以“打开”和“关闭”，而不是持续“打开”的辐射源。使用这种类型的辐射进行的测量可以被称为“无源”测量，因为它们采用可以关闭的源，而不是持续发射的化学辐射源。

探测器1030、1040提供信号，这些信号可用于估计从地层返回的辐射计数(例如，中子计数或伽马射线计数)。通常，探测器1030、1040可以相对于辐射源以基本上线性的方式间隔开。如果使用两个探测器，那么可以是短间隔(SS)探测器和长间隔(LS)探测器，其中探测器与辐射源的距离不同。例如，在一个实施例中，探测器1030可以是短间隔探测器，探测器1040可以是长间隔探测器。SS探测器和LS探测器不限于放置在辐射源的同侧并且它们与辐射源的间隔可以相等或不等。可以使用额外的探测器来提供额外的辐射信息。这些探测器中的两个或两个以上探测器可以是中子探测器，中子探测器或某些组合。钻井液1090可以存在于地层1080和井下工具1010之间，使得来自辐射源1020的发射可以穿过钻井液1090到达地层1080，并且在地层1080中引发的辐射可以穿过钻井液1090到达探测器1030、1040。

在一个实施例中，与探测器相关联的电子器件(未示出)可以配置为记录来自至少两个轴向隔开的探测器1030、1040的辐射计数，并通过使用来自多个井喷的信息生成轴向间隔的探测器之间的时间依赖性比率。这个检测可以在非常窄的时间仓或窗口(1至1000微秒的量级)内发生，这样就基本上是连续的。这个比率可以表示为描述多个比值的组合的曲线或其它图形函数。在一些实施例中，可以使用探测器计数之间的差来估计感兴趣参数。本文中，不同于保持恒定不变的比率，术语“时间依赖性”广义上描述了比率随时间变化的性质，例如，使用连续辐射源时可能发生。在一些实施例中，时间依赖性比率可以进行加权。轴向间隔探测器计数率比率可以作为时间的函数而获得，并且图形地表示为时间依赖性比率曲线。可以使用时间依赖性比率曲线来确定地层的各种性质，包括但不限于地层的孔隙率。

在其它实施例中，这种电子器件可以位于其它地方(例如，在地表处)。为了在单个行程期间进行处理，工具可以使用“高带宽”传输以将由探测器1030、1040获取的信息传输到地表用于分析。例如，用于传输所获取的信息的通信线路可以是光纤、金属导体或任何其它合适的信号传导介质。应当理解的是，使用“高带宽”通信线路可以允许地面人员“实时地”监测和控制处理活动。

探测器1030、1040中的一个或多个可以包括根据本公开的闪烁元件和至少一个光电探测器(例如，光电倍增管，电荷耦合硅装置或其它光电倍增器装置或光响应装置等等)，光电探测器配置为产生表示相应光闪烁的输出。

图11以流程图的形式示出了根据本公开的一种使用模型来估计地层1080(图10)的至少一个感兴趣参数的方法1100，该模型将从至少一个探测器1030、1040获取的辐射计数信息与该感兴趣参数相关联。现在参照图10和图11，方法1100可以包括步骤1110，其中辐射源1020在靠近地层1080处发射电离辐射。在步骤1120中，与辐射和地层1080相互作用相关的信息可以由探测器1030、1040中的一个或多个收集。在步骤1130中，可以通过将一个或多个计数率从探测器中的一个或两个应用到模型来估计地层1080的感兴趣参数(例如，密度，孔隙率等)。由探测器收集的信息可用于产生归因于探测器的中子计数之间的差或比率。感兴趣参数的估计还可以包括将中子计数信息与地层相关参考信息进行比较或组合。在一些实施例中，估计方法1100可以包括步骤1150，其中通常访问关于一个地层或多个地层的参考信息。在步骤1130中，参考信息可以与中子计数信息组合以估计感兴趣参数。

本文中，术语“信息”可以包括但不限于以下中的一个或多个：(i)原始数据，(ii)处理后的数据和(iii)信号。如上所使用的术语“传送装置”是指任何装置、装置部件、装置、介质和/或构件的组合，其可用于传送、容纳、支撑或以其它方式便于另一装置、装置部件、装置、介质和/或构件的组合的使用。示例性的非限制性传送装置包括盘管式钻柱，连接管式钻柱及其任何组合或部分。其它传送装置的示例包括套管，缆线，缆线探测器，平直管线探测器，吊球，液压弹簧，井下接头，BHA，钻柱插入件，模块，内部壳体及其衬底部分，自推进式拖拉机。如上所使用的，术语“子”是指配置为部分地包围，完全地包围，容纳或支撑装置的任何结构。如上所使用的术语“信息”包括任何形式的信息(模拟信息，数字信息，EM信息，印刷信息等)。本文中，术语“信息处理装置”包括但不限于传输，接收，操纵，转换，计算，调制，调换，携带，存储或以其它方式利用信息的任何装置。信息处理装置可以包括微处理器，常驻存储器和用于执行编程指令的外围装置。

由于介质的透射率具有波长依赖性，所以对于闪烁材料本身和对于相应的材料(例如光导)，高透射率在闪烁的波长区域中最为重要，以保证尽可能多的闪烁光子到达光电探测器。因此，通常为闪烁发射光谱的最大波长设置闪烁材料的衰减系数k。

如本文所使用的，光学透明介质可以是具有高光透射率的介质，或具有低衰减的介质。在闪烁技术中，闪烁体和相应光学材料的光学透明度可能有极大的不同。如本文所使用的，标称操作是指具有那些被预测用于特定环境的环境因素特性的范围。

相应地，在本公开内容的上下文中，“光学透明”介质是指闪烁光子的损失不超过10％的介质。对于光学玻璃，在420-430nm(闪烁玻璃陶瓷的闪烁发射最大值)处的典型透射率对于10cm光通量可以高达97％。如本文所使用的，整体是指形成为单个较大的不可分割主体。纳米结构化的玻璃陶瓷是包含具有纳米尺寸(尺寸小于1微米)的结晶相(有序相)包含物的无定形玻璃体。

如本文所使用的，“光耦合”可以被定义为以向第一介质中传播的光提供有利条件以进入第二介质的方式进行连接。例如，如果连接后的介质分别具有折射率n1和n2，并且n1>n2，那么当间隙填充有折射率n3的光学润滑脂、粘合剂等时，有利条件存在，使得n1>n3>n2。

“辐射响应的“被定义为对辐射敏感的特性，以便响应于吸收辐射而产生可检测的发射，使得已吸收的辐射可根据发射进行量化。因此，进一步地，“伽玛响应的”被定义为响应于吸收伽马射线而产生可检测的发射的特性，使得已吸收的伽马射线可根据发射进行量化；并且“中子响应的”被定义为响应于吸收中子而产生可检测的发射的特性，使得已吸收的中子可根据发射进行量化。本文所定义的纤维是指直径小于5毫米和/或横截面最大长度与最大宽度的比率大于100的半柔性构件。

关于基本上仅沿纤维传播的闪烁，“基本上全部”是指闪烁的一部分足以允许仅使用沿纤维传播的那些闪烁(及其衍生和比较，例如差异，比率，变化率等等)来确定地层的感兴趣参数，这种部分的示例包括，例如，至少90％，至少95％，至少99％，至少99.9％等等，直到包括所有闪烁。

如上所使用的，术语“吸收”是指从将电离辐射转换为其它可检测标记物(例如光子)的意义上讲的吸收。如上所使用的，术语“入射”或“入射到”是指投射在(例如，进入的介质)其物理空间上或穿透其限定的边界。如本文所使用的，光电探测器是指任何光响应装置，例如光电倍增管，其为了本文所述目的能够检测和量化光闪烁。“光产率”可以被定义为每1个吸收单位的辐射所发射的闪烁光子的数量。例如，对于中子探测器，每1个吸收中子所发射的闪烁光子的数量，或者对于伽马探测器，每1个单位的吸收伽马射线能量(通常为每1MeV)所发射的闪烁光子的数量。

再次参照图10，本公开内容的某些实施例可以用硬件环境来实现，该硬件环境包括信息处理器1011，信息存储介质1013，输入装置1017，处理器存储器1019，并且可以包括外围信息存储介质1009。硬件环境可以在井中，在钻机处，或在远程位置。此外，硬件环境的若干部件可以分布在那些位置中。输入装置1017可以是任何数据读取器或用户输入装置，例如数据卡读取器，键盘，USB端口等等。信息存储介质1013存储由探测器提供的信息。信息存储介质1013可以包括用于标准计算机信息存储的任何非暂时性计算机可读介质，例如USB驱动器，记忆棒，硬盘，可移动RAM，EPROM，EAROM，闪存和光盘或本领域技术人员已知的其它常用存储器存储系统，包括基于因特网的存储。信息存储介质1013存储程序，执行该程序时，使信息处理器1011执行所公开的方法。信息存储介质1013还可以存储由用户提供的地层信息，或者地层信息可以存储在外围信息存储介质1009中，该外围信息存储介质可以是任何标准计算机信息存储装置，例如USB驱动器，记忆棒，硬盘，可移动RAM或本领域技术人员已知的其它常用存储器存储系统，包括基于因特网的存储。信息处理器1011可以是任何形式的计算机或数学处理硬件，包括基于互联网的硬件。当程序从信息存储介质1013加载到处理器存储器1019(例如，计算机RAM)时，程序在被执行时使信息处理器1011从信息存储介质1013或外围信息存储介质1009中检索探测器信息，并处理该信息以估计感兴趣参数。信息处理器1011可以位于地表或井下。

本公开有不同形式的实施例。虽然在烃生产井的上下文中讨论了本公开，但应当理解的是，本公开可以在任何井眼环境(例如，地热井)中使用。对于在附图中示出并且在本文中详细描述的本发明的具体实施例的理解应当是，本公开被认为是本公开原理的示例，并不旨在将本公开限于所示出的和本文所描述的内容。虽然前述公开涉及本发明的一个模式实施例，但各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。意图是所有变型都包含在前述公开中。