ПРИЕМНИК НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ СЦИНТИЛЛЯТОРА, СОДЕРЖАЩЕГО ЭЛЬПАСОЛИТ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ Российский патент 2017 года по МПК G01V5/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение, в общем, относится к области радиологического контроля геологических формаций на нефтяных месторождениях. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройствам и способам, предназначенным для регистрации нейтронов с использованием эффекта сцинтилляции.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Метод регистрации тепловых или надтепловых нейтронов применяется при выполнении различных типовых внутрискважинных операций. Одной из наиболее важных операций является определение пористости по данным нейтронного каротажа, которое является составной частью метода «стандартного каротажа» и типовой составляющей процесса измерений, выполняемого скважинным каротажным зондом. В связи с этим, скважинные зонды часто содержат источник нейтронов и несколько приемников тепловых и надтепловых нейтронов.

Применение источников нейтронов ограничено в связи со связанными с ними высокими затратами и проблемами безопасности (например, обусловленными активацией материалов). Кроме того, размеры химических источников нейтронов ограничиваются государственными нормами, а возможности электронных источников нейтронов, в частности, предназначенных для применения на нефтяных месторождениях, ограничиваются вследствие наличия проблем надежности и регулирования тепловых характеристик. Для компенсации ограниченного выхода нейтронов, характерного для используемых источников нейтронов, обычно требуется обеспечить высокую чувствительность приемников нейтронов, предназначенных для применения на нефтяных месторождениях (например, при выполнении внутрискважинных работ). Поскольку внутреннее пространство в измерительном устройстве или зонде, используемом на нефтяном месторождении, является ограниченным, размеры блока приемника также ограничены (например, в зависимости от конкретного применения диаметр приемника составляет примерно 13 мм - 76 мм и длина 13 мм - 200 мм), что приводит к дополнительному усложнению выполнения требований по чувствительности приемника.

Еще одной проблемой, связанной с применением такого оборудования на нефтяных месторождениях, является постоянное перемещение устройств регистрации нейтронов. В таких условиях следует обеспечить немедленную регистрацию сигналов без задержки, связанной с получением данных или внутренними процессами обработки. Особенно высокое быстродействие приемники должны обеспечивать при проведении некоторых измерений с использованием импульсных источников нейтронов. Примером таких измерений является «сигма-каротаж», предусматривающий измерение длительности спада сигнала, обусловленного воздействием нейтронов, в пределах временной шкалы, соответствующей десяткам микросекунд, при обеспечении разрешения, например, одна микросекунда. Следовательно, дополнительным требованием к таким приемникам является достаточно малая длительность спада сигнала порядка микросекунд. Кроме того, приемники должны выдерживать жесткие условия среды, существующие в скважине, которые охватывают ударные воздействия, вибрацию, повышенное давление и температуры в диапазоне от примерно -40°C до примерно 200°C. Требования, указанные выше, традиционно оставляют небольшие возможности выбора материалов, пригодных для реализации приемников нейтронов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном кратком описании изобретения представлен ряд принципов, которые детально рассмотрены в указанном далее подробном описании изобретения. Краткое описание не содержит информацию, касающуюся определения основных или существенных особенностей заявленного предмета изобретения, и не имеет ограничительного характера.

Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения относятся к скважинным каротажным зондам. В частности, примеры осуществления изобретения относятся к приемнику нейтронов, предназначенному для использования в скважинах и других областях применения на нефтяных месторождениях. Приемник нейтронов включает в себя сцинтиллятор, выполненный, по меньшей мере, частично на основе материала, содержащего эльпасолит. Конкретный пример осуществления настоящего изобретения содержит сцинтиллятор, реализованный на основе материала Cs₂LiYCl₆, легированного церием (CLYC). Материал CLYC, легированный церием, обеспечивает высокое разрешение при повышенных температурах в диапазоне от 50°C до, по меньшей мере, 175°C с незначительным снижением разрешения до 200°C. Данное свойство является особенно полезным при выполнении работ в скважинах, когда приборы подвергаются воздействию повышенного давления и температуры. В то же время характеристики других известных сцинтилляционных материалов, например, таких как LiI:Eu или литиевое стекло, используемых для изготовления приемников нейтронов, при повышении температуры существенно ухудшаются. В различных примерах осуществления изобретения легированный материал CLYC (например, легированный церием) обеспечивает значительно отличающиеся характеристики чувствительности приемника к воздействию нейтронов и воздействию гамма-излучения даже при высокой температуре. Таким образом, может быть предусмотрено программирование соответствующего устройства обработки данных на основе использования метода дискриминации по форме импульсов с целью подавления отсчетов, обусловленных гамма-излучением.

Примеры осуществления изобретения предусматривают также реализацию способа регистрации нейтронов. Указанный способ включает в себя этап позиционирования в скважине сцинтиллятора, содержащего эльпасолит. Нейтронный поток направляют в геологическую формацию в непосредственной близости от скважины. Под воздействием нейтронов, отраженных от геологической формации, сцинтиллятор генерирует оптическое излучение. Данный способ дополнительно включает в себя этап приема оптического излучения, генерированного сцинтиллятором. Оптическое излучение сцинтиллятора преобразуется в электрический сигнал.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидными после рассмотрения представленного далее подробного описания совместно с прилагаемыми чертежами.

Фиг. 1 иллюстрирует частичный разрез системы скважинного каротажа, содержащей приемник нейтронов, функционирующий на основе сцинтиллятора, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует частичный разрез системы скважинного каротажа, содержащей приемник нейтронов, функционирующий на основе сцинтиллятора, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует частичный разрез системы скважинного каротажа, содержащей матрицу приемников нейтронов, функционирующих на основе сцинтилляторов, в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4 иллюстрирует частичный разрез каротажного зонда, содержащего приемник нейтронов на основе сцинтиллятора, который включает в себя экран, предназначенный для защиты от радиоактивного излучения, в соответствии с еще одним примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 иллюстрирует частичный разрез каротажного зонда, содержащего оптический волновод, предназначенный для подачи оптического излучения от пластины сцинтиллятора к приемнику фотонов, в соответствии со следующим примером осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6A иллюстрирует график спектра представительной амплитуды импульсов, полученных с использованием примера осуществления сцинтиллятора на основе материала CLYC, легированного церием.

Фиг. 6B иллюстрирует графики спектров представительной амплитуды импульсов, полученных с использованием примера осуществления сцинтиллятора на основе материала CLYC, легированного церием, при различных значениях температуры.

Фиг. 6C иллюстрирует спектры амплитуды импульсов, указанных на фиг. 6B, которые откорректированы посредством совмещения центроид пиковых значений, обусловленных воздействием нейтронного потока.

Фиг. 7 иллюстрирует график длительности импульса на уровне половины амплитуды (FWHM) в зависимости от температуры для материала CLYC и литиевого стекла.

Фиг. 8 иллюстрирует график относительной амплитуды импульсов, обусловленных нейтронным потоком и гамма-излучением, в зависимости от температуры для конкретного примера сцинтилляционного материала, предназначенного для типовой схемы фотоэлектронного умножителя (амплитуда импульсов приведена к условиям комнатной температуры).

Фиг. 9 иллюстрирует диапазон дискриминатора, предназначенного для получения представительного спектра амплитуды импульсов, представленного на фиг. 6A.

Фиг. 10A иллюстрирует схематическое представление графика выходного сигнала приемника, полученного при взаимодействии гамма-излучения со сцинтилляционным материалом.

Фиг. 10B иллюстрирует схематическое представление графика выходного сигнала приемника, полученного при взаимодействии нейтронного потока со сцинтилляционным материалом.

Фиг. 11 иллюстрирует эффективность захвата нейтронов в зависимости от толщины пластины сцинтиллятора для различных сцинтилляционных материалов.

Фиг. 12 иллюстрирует схематическое изображение кристаллического сцинтиллятора, использованного для получения графика, указанного на фиг. 11.

Фиг. 13 иллюстрирует модуль, содержащий сцинтилляционный материал эльпасолит, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения охватывают приемник нейтронов, предназначенный для использования в скважинах и других областях применения на нефтяных месторождениях. В частности, приемник нейтронов включает в себя сцинтиллятор, выполненный, по меньшей мере, частично на основе материала, содержащего эльпасолит. Более конкретный пример осуществления настоящего изобретения предусматривает использование сцинтиллятора, полученного на основе материала Cs₂LiYCl₆ (CLYC). Авторы изобретения провели оригинальные исследования, касающиеся использования приемников нейтронов на основе материала CLYC в условиях нефтяных месторождений, которые, по имеющейся у авторов информации, не проводились ранее. В процессе проведения указанных исследований было установлено, что сцинтилляторы на основе материала CLYC сохраняют высокую разрешающую способность при повышенных температурах в пределах от 50°C до 175°C с незначительным снижением разрешения при повышении температуры до 200°C. Такие характеристики превосходят характеристики альтернативных сцинтилляционных материалов, таких как LiI:Eu или литиевое стекло. Авторы изобретения также установили, что второе преимущество данного материала заключается в том, что материал CLYC, легированный церием (Cs₂LiYCl₆:Ce), в условиях повышенных температур обеспечивает получение значительно отличающихся выходных сигналов приемника при воздействии потока нейтронов и воздействии гамма-излучения. В иллюстративных примерах осуществления настоящего изобретения указанные значительно отличающиеся выходные сигналы используются с целью снижения чувствительности приемника нейтронов к гамма-излучению и (или) для разделения сигналов, обусловленных гамма-излучением и нейтронным потоком.

Хотя в данном описании церий используется в качестве возможной активирующей добавки для материала CLYC, настоящее изобретение не ограничивается применением для легирования только церия. Возможно также осуществление легирования материала CLYC при помощи других активирующих добавок, таких как прочие редкоземельные элементы. Указанное дополнительное легирование обеспечивает улучшение характеристик сцинтиллятора в результате, например, повышения механической прочности.

Кроме того, иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения не ограничены использованием материала CLYC. Существует ряд других материалов семейства эльпасолитов, обеспечивающих получение достаточного разрешения при повышенных температурах и (или) значительно отличающиеся выходные характеристики приемника в условиях высоких температур при воздействии нейтронного потока и гамма-излучения. Указанные материалы охватывают, среди прочего: Cs₂LiYBr₆ (CLYB), Cs₂LiLaCl₆ (CLLC), Cs₂LiLaBr₆ (CLLB) и LiYCl₆ (LYC). Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения могут также предусматривать применение комбинаций указанных материалов. Далее, одна или большее число составляющих указанных выше материалов может быть заменена различными объемами других аналогичных элементов. Фактически, в некоторых случаях такое изменение состава элементов может предоставлять определенные преимущества. Например, в некоторых примерах осуществления изобретения содержание хлора в сцинтилляционном материале может быть уменьшено в связи с тем, что хлор конкурирует с литием в процессе захвата нейтронов и генерирует фотоны при воздействии высокоэнергетического гамма-излучения.

В дополнительных или альтернативных примерах осуществления изобретения материал, содержащий эльпасолит (например, CLYC), используется в кристаллической форме. В других примерах осуществления, например, с целью снижения производственных затрат материал, содержащий эльпасолит, представлен в поликристаллической форме.

Как указано выше, иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения предусматривают реализацию приемника нейтронов, предназначенного для использования в скважине и других областях применения на нефтяных месторождениях. В частности, приемник нейтронов включает в себя сцинтиллятор, выполненный, по меньшей мере, частично с использованием эльпасолита. Фиг. 1 иллюстрирует вид в разрезе системы 100 скважинного каротажа, содержащей приемник нейтронов на основе сцинтиллятора в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. На фигуре указана скважина 102, проходящая с поверхности земли 104. Скважина 102 может быть заполнена скважинным флюидом 106, как указано на фигуре. Скважинный сегмент 58 системы 100 каротажа может включать в себя удлиненный герметичный пустотелый корпус или зонд 60, который в процессе проведения каротажа перемещается в продольном направлении по скважине 102 и имеет размеры, обеспечивающие прохождение по скважине.

В примере осуществления изобретения, представленном на фиг. 1, скважинный зонд 60 содержит, по меньшей мере, один приемник 82 излучения, который отделен от источника 80 нейтронов экраном 88, предназначенным для защиты от излучения. Данный иллюстративный пример осуществления изобретения также включает в себя поверхностный комплекс 112 оборудования. Например, поверхностный комплекс 112 может содержать процессор 114, устройство 116 ввода-вывода и устройство 118 хранения данных. Приемник 82 предназначен для приема, по меньшей мере, одного типа нейтронов из группы, содержащей тепловые нейтроны (например, энергия примерно 0,025 эВ) и надтепловые нейтроны (например, энергия в пределах от примерно 1 эВ до примерно 10 кэВ). Приемник 82 включает в себя сцинтиллятор 84, содержащий материал, генерирующий оптическое излучение при падении на его поверхность элементарных частиц (например, нейтронов), имеющих предпочтительный уровень энергии или находящихся в предпочтительном диапазоне энергий (например, тепловых и надтепловых нейтронов). Например, в одном примере осуществления изобретения сцинтиллятор содержит эльпасолит. В более конкретном примере осуществления настоящего изобретения сцинтиллятор включает в себя материал CLYC, легированный церием. Материал CLYC, легированный церием, поставляет компания RMD™, находящаяся в г. Уотертаун, шт. Массачусетс.

Между сцинтиллятором 84 и приемником 86 оптического излучения предусмотрен оптический канал обмена данными, предназначенный для передачи сигнала (например, электрического сигнала), индицирующего падение элементарной частицы на сцинтиллятор 84. В иллюстративном примере осуществления изобретения, представленном на фиг. 1, сцинтиллятор 84 в виде кристалла, имеющего цилиндрическую форму, расположен рядом с удлиненным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) 86. ФЭУ 86 имеет продольную ориентацию, так что его длина L_D не ограничивается шириной W_T проема зонда 60. Дополнительные детали различных компонентов системы более подробно описаны ниже при рассмотрении других примеров осуществления изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в разрезе скважинной каротажной системы 200, содержащей приемник нейтронов на основе сцинтиллятора, в соответствии с другим примером осуществления изобретения. Скважина 102 проходит от поверхности земли 104. Скважина 102 может быть заполнена скважинным флюидом 106. Скважинный сегмент 108 каротажной системы 200 может включать в себя удлиненный герметичный пустотелый корпус (например, зонд) 110, который в процессе выполнения каротажа перемещается в продольном направлении по скважине 102 и имеет размеры, обеспечивающие прохождение внутри скважины. Примеры, представленные в данном описании, касаются операций на нефтяных месторождениях, в общем, известных как кабельный каротаж. Однако приемники нейтронов на основе сцинтилляторов и (или) способы, представленные в настоящем описании, могут использоваться для осуществления любых операций на нефтяных месторождениях, таких как «кабельный каротаж», «каротаж в процессе бурения» и анализ на поверхности земли образцов, полученных из скважины, в том числе лабораторный анализ.

Как указано на фиг. 2, скважина 102 в поперечном сечении имеет, по существу, форму круга диаметром W_B. В иллюстративном примере осуществления изобретения зонд 110 имеет, по существу, форму цилиндра, диаметр которого меньше диаметра скважины 102 для обеспечения свободного перемещения внутри скважины. Предполагается, что в других примерах осуществления изобретения зонд может быть представлен в другой, нецилиндрической форме. По меньшей мере, в некоторых примерах осуществления изобретения соотношение диаметров обеспечивает возможность нахождения скважинного флюида 106 между наружной поверхностью зонда 110 и смежной внутренней стенкой скважины 102. В иллюстративном примере осуществления изобретения внутренняя полость зонда 110 имеет, по существу, форму цилиндра с внутренним диаметром W_T. Форма и размеры пустотелого сегмента зонда 110 определяют ограничения по размерам устройств, которые размещаются внутри зонда.

При размещении зонда 110 на определенной глубине в скважине 102 на зонд воздействуют местная температура T₂ и давление P₂ среды, которые, по-видимому, существенно отличаются от условий T₁, P₁ на поверхности земли. Например, температура в скважине 102 может составлять от 100°С до 200°С в зависимости от глубины и других геологических условий. Аналогичным образом, давление среды в скважине может значительно превышать значения давления на поверхности земли. Указанные повышенные значения температуры и давления приводят к возникновению дополнительных ограничений для скважинного сегмента 108 каротажной системы 200.

Иллюстративный пример осуществления изобретения также включает в себя поверхностный комплекс 112 оборудования. Например, поверхностный комплекс может содержать процессор 114, устройство 116 ввода-вывода и устройство 118 хранения данных. Указанный поверхностный комплекс 112 оборудования может использоваться для обработки и (или) регистрации результатов измерения электрических параметров, выполненного зондом 110. Каротажный кабель 120 связывает скважинный сегмент 108 и поверхностный комплекс 112 оборудования. Каротажный кабель 120 проходит через шкив 122 и обеспечивает крепление зонда 110 в скважине 102, а в данном иллюстративном примере также обеспечивает канал передачи электрических сигналов между поверхностным комплексом 112 оборудования и зондом 110. Каротажный кабель 120 может представлять собой известный бронированный кабель и содержать один или большее число электрических проводников, предназначенных для передачи указанных сигналов между зондом 110 и поверхностным комплексом 112 оборудования.

В примере, представленном на фиг. 2, в нижней части зонда 110 размещен импульсный источник 130 нейтронов. Источник 130 нейтронов может содержать дейтерий-тритиевую ускорительную трубку, функционирующую в импульсном режиме с целью генерирования повторяющихся импульсов или пакетов импульсов, по существу, моноэнергетических нейтронов (например, нейтронов с энергией 14 МэВ). В некоторых примерах осуществления изобретения дейтерий-тритиевая ускорительная трубка обеспечивает генерирование порядка 10⁺⁸ нейтронов в секунду. Импульсная схема (не показана) осуществляет подачу электрических импульсов, синхронизированных определенным образом с целью обеспечения периодической подачи источником 130 импульсов импульсных пакетов нейтронов предпочтительной длительности (например, примерно длительностью 10 мкс).

В скважинном зонде 110 предусмотрен, по меньшей мере, один приемник 132 излучения на основе сцинтиллятора, отделенный от источника 130 нейтронов экраном 138. Экран 138 предназначен для предотвращения попадания на приемник первичных нейтронов, а также снижения уровня вторичного рентгеновского или гамма-излучения, генерируемого вблизи источника. Экран 138 может представлять собой материал высокой плотности с большим атомным номером, такой как вольфрам. В дополнительных или альтернативных примерах осуществления изобретения экран 138 может представлять собой материал с высоким нейтронным поперечным сечением, такой как борированная резина. В других примерах осуществления изобретения экран 138 может быть выполнен из материала с высоким содержанием водорода, такого как парафин или углеводородные полимеры, обеспечивающие эффективное замедление нейтронов и экранирование приемника 132 от непосредственного облучения нейтронами, генерированными источником 130 нейтронов.

Хотя на фиг. 2 указан только один приемник 132, иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения предусматривают возможность использования в зонде 110 множества приемников. В примере осуществления изобретения два приемника 132 размещены на одной стороне зонда 110 относительно источника 130 нейтронов. В другом иллюстративном примере осуществления изобретения первый приемник 132 размещен над источником 130 нейтронов, а второй приемник 132 нейтронов находится под источником нейтронов. В некоторых примерах осуществления изобретения приемники 132 нейтронов являются равноудаленными от источника 130. В других примерах осуществления изобретения источник 130 нейтронов размещен в верхней части зонда 110, а приемники 132 нейтронов расположены в нижней части зонда. Относительное расположение источников 130 нейтронов и приемников 132 нейтронов, представленное в примерах осуществления изобретения, рассмотренных в настоящем описании, предназначено только для иллюстрации.

Приемник 132, указанный на фиг. 2, предназначен для регистрации, по меньшей мере, одного типа нейтронов из группы, содержащей тепловые нейтроны (например, с энергией примерно 0,025 эВ) и надтепловые нейтроны (например, имеющих энергию в диапазоне от примерно 1 эВ до примерно 10 кэВ). Данный приемник 132 нейтронов включает в себя сцинтиллятор 134, выполненный из материала, генерирующего оптическое излучение при падении на его поверхность элементарных частиц (например, нейтронов), которые имеют предпочтительный уровень или диапазон энергий (например, тепловых и (или) надтепловых нейтронов). Между сцинтиллятором 134 и приемником 136 оптического излучения, предназначенным для передачи сигнала (например, электрического сигнала), индицирующего падение элементарной частицы на сцинтиллятор 134, предусмотрен оптический канал обмена данными.

Указанный приемник 132 может содержать, например, сцинтиллятор 134 на основе эльпасолита (например, материала CLYC), взаимодействующий с нейтронами (в основном, тепловыми), а также приемник 136 фотонов, такой как фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сцинтилляционные приемники 132 могут также быть чувствительными к высокоэнергетическому гамма-излучению, генерированному компонентами геологических формаций, окружающих скважину 102, в процессе захвата нейтронов, поданных источником 130 нейтронов. В то же время, примеры осуществления настоящего изобретения могут предусматривать селекцию сигналов по характеристикам формы импульса, обусловленного взаимодействием гамма-излучения со сцинтилляционным материалом, и характеристикам формы импульса, генерированного в результате взаимодействия нейтронов со сцинтилляционным материалом.

Более конкретно, приемник 132 осуществляет подачу импульсных электрических сигналов, представляющих число электронов, генерированных в результате поглощения одного нейтрона в выбранном диапазоне энергий, к которому чувствителен приемник (например, тепловых и (или) надтепловых нейтронов), и их распределение во времени. Электрические сигналы, поступающие от приемника 132, могут быть усилены или обработаны иным способом в электронной схеме формирования (например, усилителе - не показан) либо обработаны другими схемами (например, схемой суммирования или смешивания сигналов множества приемников - не показана). Обработанный электрический сигнал может быть подан по проводникам кабеля 120 на дополнительные схемы поверхностного комплекса оборудования (например, схемы разделения или селекции - не показаны). Выходные сигналы содержат импульсные составляющие, представляющие величину плотности нейтронов вблизи от приемника 132. Результирующие импульсные сигналы могут быть подвергнуты дополнительной обработке, например, в процессоре 114. Такая обработка может быть реализована с использованием методов цифровой обработки сигналов (ЦОС), аналоговой обработки сигналов, средств программного обеспечения или комбинации указанных методов. В одном из примеров осуществления изобретения процессор 114 при помощи метода дискриминации по форме импульсов, который более подробно описан далее, выполняет выделение характеристик формы импульсов, обусловленных нейтронами, и характеристик формы импульсов, связанных с воздействием гамма-излучения.

Фиг. 3 иллюстрирует вид в разрезе скважинной каротажной системы 300, содержащей матрицу приемников нейтронов, реализованных на основе сцинтилляторов, в соответствии с еще одним примером осуществления изобретения. В данном примере осуществления изобретения матрица, содержащая два различных приемника 232a, 232b (совместно приемник 232), размещена во внутренней полости зонда 210. Приемники 232a, 232b могут быть идентичными (например, могут быть выполнены на основе материала CLYC, легированного церием) и, например, обеспечивать измерение воздействия нейтронов на различных участках. В альтернативных или дополнительных примерах осуществления изобретения приемники 232a, 232b могут быть различными. Приемники 232 размещены на определенном расстоянии от источника 210 нейтронов и отделены барьером для нейтронов или экраном 238. Предполагается, что матрица может содержать более двух приемников 232, причем указанные приемники могут быть размещены или ориентированы в соответствии с любой конфигурацией (например, разнесены по продольной оси устройства, в поперечном направлении относительно общей оси, представлены в любой конфигурации или размещены с использованием комбинации указанных методов).

В данном иллюстративном примере осуществления изобретения поверхностный комплекс 222 оборудования включает в себя устройство 218 ввода-вывода и устройство 216 памяти. Процессор 214, осуществляющий обмен электрическими сигналами с приемниками 232 и поверхностным комплексом 222 оборудования, размещен внутри зонда 210. Предполагается, что могут быть реализованы различные схемы с размещением одного или большего числа процессоров 214, устройств 218 ввода-вывода и устройств 216 памяти в скважине, на поверхности или распределением этих устройств между скважиной и поверхностью земли в соответствии с требованиями по реализации скважинных каротажных систем.

Фиг. 4 иллюстрирует вид в разрезе каротажного устройства, содержащего приемник нейтронов на основе сцинтиллятора с противорадиационным экраном в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Скважинное каротажное устройство 400 включает в себя зонд 310, содержащий источник 330 нейтронов и приемник 332 нейтронов, разделенные противорадиационным экраном 338. Приемник 332, в свою очередь, содержит, по меньшей мере, одну пластину 334 сцинтилляционного материала (например, материала CLYC), размещенную со стороны геологической формации (например, с боковой стороны относительно продольной оси устройства). В иллюстративном примере, представленном на фиг. 4, по существу, плоский приемник (пластина) 334 размещен с ориентацией одной из поверхностей в направлении находящейся сбоку геологической формации 350 (например, ориентирован в поперечном направлении наружу от центральной оси). Приемник фотонов, такой как ФЭУ 336 размещен с противоположной стороны плоского сцинтиллятора 334 и предназначен для приема фотонов, генерированных сцинтиллятором 334 в результате взаимодействия с нейтроном, поступившим от геологической формации. Как указано на фигуре, ФЭУ 336, имеющий, в общем, удлиненную форму, ориентирован таким образом, что его продольная ось расположена перпендикулярно продольной оси зонда 310. Например, ФЭУ 336 может быть ориентирован по диаметру зонда 310. Поскольку свободное пространство в зондах, используемых на нефтяных месторождениях, обычно ограничено, выбирают малогабаритные ФЭУ, размеры которых обеспечивают возможность размещения в пределах располагаемого пространства. Если другие малогабаритные приемники фотонов, такие как полупроводниковые устройства, могут выдерживать воздействие окружающей среды, то в комбинации с описанными в данном документе сцинтилляторами могут быть также использованы указанные другие устройства. Такие полупроводниковые устройства могут охватывать фотодиоды и лавинные фотодиоды.

Как указано выше, противорадиационный экран 338 обеспечивает защиту или экранирование приемника иным образом от нейтронов и вторичного излучения, проходящего от источника 330 нейтронов. Аналогичным образом, ориентация поверхности плоского сцинтиллятора 334 в направлении геологической формации 350 обеспечивает предпочтительный прием нейтронов, проходящих от геологической формации 350, а не из скважины. В некоторых примерах осуществления изобретения может быть предусмотрен дополнительный защитный экран 340, предназначенный для дополнительной защиты сцинтиллятора 334 и (или) ФЭУ 336 от паразитных нейтронов. В иллюстративном примере, представленном на фиг. 4, такой защитный экран 340 (указанный в поперечном сечении) предусмотрен на задней стороне и боковых сторонах приемника 332. Такой защитный экран может быть выполнен из любого приемлемого для данной цели материала требуемой конфигурации (например, толщины), обеспечивающего экранирование или блокирование иным способом (например, рассеяние и (или) поглощение) паразитных нейтронов. В данной структуре приемник 332 обеспечивает максимальную эффективность регистрации нейтронов, поступающих от предпочтительного исследуемого объема (например, формации 350). В некоторых примерах осуществления изобретения, указанный дополнительный противорадиационный экран может быть предусмотрен на наружной стороне корпуса приемника 332 нейтронов, на внутренней стенке зонда 310 или может представлять собой определенную комбинацию указанных структур.

В каждом из представленных выше примеров ФЭУ 136, 236, 336 размещен в плоскости, перпендикулярной продольной оси зонда 110, 210, 310, и размеры ФЭУ определяются с учетом ограничений располагаемого свободного пространства. Для размещения в пределах пространства, определенного диаметром зонда 110, 210, 310, можно подобрать ФЭУ, имеющий сравнительно малую длину или компактную конструкцию. В некоторых случаях применения предпочтительным вариантом может быть снижение ограничений, по меньшей мере, по некоторым размерам и использование конструкции ФЭУ, ориентированной вдоль продольной оси зонда.

Фиг. 5 иллюстрирует вид в разрезе каротажного устройства 500 с ФЭУ, ориентированным вдоль продольной оси зонда. На фиг. 5 приемник 432 нейтронов включает в себя приемник фотонов (например, ФЭУ 436) удлиненной формы, размещенный параллельно или ориентированный иным образом вдоль продольной оси зонда 410. Приемник 432 содержит плоский (в форме пластины) сцинтиллятор 434, ориентированный в поперечном направлении, как и в предшествующих примерах. Такая ориентация предоставляет преимущества, аналогичные преимуществам, описанным выше. На фигуре также указан элемент 435 изменения направления оптического пути, который обеспечивает изменение направления, по меньшей мере, основной части оптического излучения от ориентированного в поперечном направлении плоского сцинтиллятора 434 к ФЭУ 436, имеющему продольную ориентацию. Например, элемент 435 изменения направления оптического пути может включать в себя один или большее число оптических волноводов, призм, оптических волокон и аналогичных элементов.

Предполагается, что скважинные каротажные устройства могут содержать комбинацию любых элементов и признаков, представленных в настоящем описании, а также их эквиваленты. Например, множество приемников может содержать один или большее число приемников, предусматривающих изменение направления оптического излучения на продольное направление (например, приемник 432), приемников, ориентированных в поперечном направлении (например, приемники 132, 232, 323), приемников, ориентированных в продольном направлении, в которых плоский сцинтиллятор, размещен, по существу, в поперечной плоскости зонда 110, 210, 310, 410 (не показаны), а также комбинацию одного или большего числа указанных приемников. Аналогичным образом, один или большее число приемников могут предусматривать дополнительное экранирование, как указано на фиг. 5. Дополнительный защитный экран против гамма-излучения может быть размещен со стороны геологической формации или полностью окружать приемник.

В процессе выбора приемника нейтронов на основе сцинтиллятора и, более конкретно, сцинтиллятора, выполненного с использованием материала CLYC, авторы изобретения использовали подход, по их мнению, не совпадающий с используемыми ранее принципами. Специалистам в данной области техники известны недостатки, связанные с приемниками нейтронов на основе сцинтилляторов. Проблемы приемников нейтронов на основе сцинтилляторов связаны с их чувствительностью к гамма-излучению. Другим основным недостатком известных приемников нейтронов на основе сцинтилляторов является значительное снижение световыхода при повышении температуры. Данное явление приводит к снижению энергетического разрешения, которое, в свою очередь, уменьшает амплитуду сигнала и повышает статистическую погрешность. Известные сцинтилляционные материалы, используемые в данной области техники, имеют указанные и другие недостатки. Например, приемники, выполненные на основе литиевого стекла, содержащего ядра ⁶Li, имеют недостатки, связанные с: (1) размытием характеристики световыхода при воздействии нейтронов; (2) изменением температуры вследствие изменения световыхода и поглощения излучения; и (3) различием характеристик образцов, относящихся к разным партиям литиевого стекла.

Еще одним существенным недостатком, связанным с использованием CLYC в качестве сцинтилляционного материала, является гигроскопичность данного материала. Наличие этого свойства приводит к повышению требований по упаковке материала CLYC, а также усложняет тестирование и использование материала при повышенных температурах.

Несмотря на широкий ассортимент возможных материалов и указанные выше недостатки указанного материала, авторы изобретения исследовали материал CLYC, как возможный вариант сцинтилляционного материала, пригодного для изготовления приемника нейтронов, и обнаружили, что материал CLYC сохраняет достаточно высокую разрешающую способность при повышенных температурах в диапазоне от 50°C и, по меньшей мере, до 175°C. Далее, разрешение незначительно снижается с повышением температуры от 175°C и примерно до 200°C. Такие характеристики превышают характеристики альтернативных сцинтилляционных материалов, таких как LiI:Eu или литиевое стекло. Еще одно преимущество, выявленное авторами изобретения, заключается в том, что в случае использования материала CLYC, легированного церием (Cs₂LiYCl₆:Ce), при повышенных температурах приемник имеет значительно отличающиеся характеристики выходного сигнала при воздействии нейтронного потока и воздействии гамма-излучения.

Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения также предусматривают использование процессора, выполняющего обработку выходного сигнала, полученного от приемника нейтронов. В соответствии с различными примерами осуществления настоящего изобретения приемник нейтронов включает в себя сцинтилляционный материал, содержащий эльпасолит (например, материал CLYC, легированный церием). Выходные сигналы, полученные от приемника нейтронов, представляют нейтронный поток и гамма-излучение, взаимодействующие со сцинтилляционным материалом. В различных примерах осуществления изобретения устройство обработки сигнала представляет собой процессор 114, указанный на фиг. 1 и 2. Процессор предназначен для разделения рассеянного потока нейтронов и гамма-излучения посредством определения пиковой составляющей выходного сигнала. В примерах осуществления изобретения пиковая составляющая выходного сигнала определяется с использованием метода дискриминации по форме импульсов, который подробно описан далее. В дополнительных или альтернативных примерах осуществления изобретения пиковая составляющая выходного сигнала определяется при помощи метода дискриминации по амплитуде импульсов, который также подробно описан далее.

Фиг. 6A иллюстрирует график представительного спектра амплитуды импульсов, полученный с использованием примера осуществления сцинтиллятора на основе материала CLYC, легированного церием. Спектр получен при помощи источника нейтронов на основе америция/бериллия (AmBe), помещенного в полиэтиленовый замедлитель цилиндрической формы при температуре приемника 150°C. На графике представлен выраженный пик 602, соответствующий воздействию нейтронного потока, примерно соответствующий каналу 350, который индицирует обнаружение требуемого нейтронного потока. Пик 602 нейтронного потока является продолжением части базового спектра 604, имеющего, в общем, отрицательную крутизну, который, в основном, обусловлен фоновым гамма-излучением. На графике также указана линия, аппроксимирующая спектр 606 гамма-излучения в области относительного пика 602. Такая аппроксимирующая линия может быть получена на основе использования значений числа отсчетов по краям участка, соответствующего пику 602 нейтронного потока, в качестве начальной и конечной точек экспоненциальной кривой.

Фиг. 6B иллюстрирует график представительного спектра амплитуды импульсов, полученный с использованием примера осуществления сцинтиллятора на основе материала CLYC, легированного церием, при различных температурах. Спектр получен при помощи источника нейтронов на основе AmBe, помещенного в полиэтиленовый замедлитель цилиндрической формы при температуре приемника в диапазоне от комнатной температуры до 175°C (с проведением циклов восстановления при 50°C и комнатной температуре). График содержит единичный пик 602, соответствующий нейтронному потоку при каждом значении температуры. Пик, соответствующий температуре 175°C, находится на левой стороне графика. Другие пики 602, соответствующие нейтронному потоку при температуре 150°C, 125°C, 100°C, 75°C, 50°C (восстановление), 50°C, комнатной температуре (восстановление) (КТ (В)) и комнатной температуре (КТ), располагаются на графике слева-направо, соответственно. Во всем диапазоне температур пики 602, соответствующие нейтронному потоку, отчетливо выделяются на фоне гамма-излучения, что указывает на преимущественный прием нейтронов сцинтиллятором на основе материала CLYC в широком диапазоне температур (например, в пределах от комнатной температуры до 175°C).

Фиг. 6C иллюстрирует скорректированный спектр амплитуды импульсов, полученный с использованием примера осуществления сцинтиллятора на основе материала CLYC. На фиг. 6C указан график, полученный в результате корректировки коэффициента усиления сигналов спектра, с целью совмещения центроида пиков 602 нейтронного потока. Как указано на фиг. 6C, пики 602, соответствующие нейтронному потоку, в значительной степени перекрываются. Такое перекрытие указывает, что разрешающая способность сцинтиллятора на основе материала CLYC является постоянной во всем диапазоне температур. Другими словами, форма и размеры пиков 602, соответствующих нейтронному потоку, незначительно изменяется во всем диапазоне температур. Фактически, форма и размеры пиков 602, соответствующих нейтронному потоку, которые получены на выходе сцинтиллятора на основе материала CLYC, сохраняются до температуры 150°C и только слегка уменьшаются при температуре 175°C. Авторы изобретения установили, что амплитуда пиков 602, соответствующих нейтронному потоку, которые получены на выходе сцинтиллятора CLYC, незначительно снижается при температуре 185°C и 200°C.

Далее, фиг. 6A-6C иллюстрируют, что пики 602, соответствующие нейтронному потоку, которые получены при использовании материала CLYC, имеют сравнительно малую длительность импульса на уровне половины амплитуды (FWHM). Данная характеристика материала CLYC является преимуществом, поскольку импульс малой длительности обеспечивает повышенное разрешение и повышение точности определения числа отсчетов, обусловленного воздействием нейтронов. Фиг. 7 иллюстрирует график зависимости величины FWHM от температуры для материала CLYC и литиевого стекла. Как указано на графике, материал CLYC обеспечивает сохранение относительно постоянного и малого значения FWHM в пределах всего диапазона температур, указанного на графике. Данная кривая показывает, что материал CLYC сохраняет высокую разрешающую способность даже при повышенных температурах. Литиевому стеклу, напротив, соответствует большое значение FWHM при низких температурах, а при повышении температуры величина FWHM увеличивается. Кривая, соответствующая литиевому стеклу, показывает, что при повышении температуры разрешающая способность снижается.

Фиг. 8 иллюстрирует график соотношения амплитуды импульсов, полученных в результате воздействия нейтронного потока и гамма-излучения, в зависимости от температуры для типовой структуры ФЭУ, содержащей сцинтиллятор, выполненный на основе материала CLYC, легированного церием. График получен с использованием упрочненного высокотемпературного ФЭУ, и амплитуда импульсов приведена к комнатной температуре. Данный график построен с учетом влияния снижения квантовой эффективности, потери оптического излучения в кристаллической структуре и смещения, обусловленного коэффициентом усиления ФЭУ. График указывает характеристики сцинтиллятора на основе материала CLYC, используемого в реальном устройстве, предназначенном для применения на нефтяном месторождении. В соответствии с представленными на графике данными материал CLYC обеспечивает получение различных относительных значений амплитуды импульсов, обусловленных воздействием нейтронного потока и гамма-излучения в диапазоне от 60°C до 150°C, и значение амплитуды для обоих факторов воздействия снижается при повышении температуры. Обычно предполагается, что с повышением температуры снижается также разрешающая способность, которая обеспечивается пиковыми составляющими сигнала. Однако, как указано на фиг. 7, это не соответствует действительности. Авторы изобретения полагают, что сохранение величины разрешающей способности, несмотря на уменьшение амплитуды импульсов, является особенно существенным преимуществом при применении на нефтяных месторождениях, где температуры при выполнении некоторых операций (например, каротаж в процессе бурения) обычно находятся в диапазоне от 100°C до 175°C.

Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения предусматривают использование разности амплитуд с целью разделения сигналов, обусловленных воздействием нейтронов и воздействием гамма-излучения. В частности, для разделения сигналов, связанных с воздействием нейтронов и гамма-излучения на материал CLYC, используется метод дискриминации по амплитуде импульсов (ДАИ). С этой целью на графике спектра амплитуды импульсов определен рабочий диапазон дискриминатора. Фиг. 9 иллюстрирует рабочий диапазон дискриминатора на графике представительного спектра амплитуды импульсов, указанном на фиг. 6A. Рабочий диапазон дискриминатора определяется как участок спектра, охватывающий пик 602. Рабочий диапазон дискриминатора может быть определен посредством ограничения соответствующего участка значениями, находящимися в пределах указанного пика. Например, на фиг. 9 эти значения ограничиваются каналами от 300 до 400.

Общее число отсчетов (например, C₁) используется для определения воздействия всех факторов (например, общая площадь под огибающей спектра в пределах рабочего диапазона дискриминатора). Воздействие нейтронного потока может быть отделено от воздействия гамма-излучения посредством вычитания части числа отсчетов, связанной с расчетной величиной амплитуды, обусловленной воздействием гамма-излучения (например, C₂), из общего числа отсчетов (например, C₁). Часть числа отсчетов, связанная с расчетной величиной амплитуды, обусловленной воздействием гамма-излучения (например, C₂), рассчитывается на основе аппроксимирующей кривой (например, линейной или экспоненциальной) спектра 606 гамма-излучения в области пика 602 (например, площади, находящейся под кривой линейной аппроксимации 606 в пределах рабочего диапазона дискриминатора). Доля числа отсчетов, обусловленная воздействием нейтронов, обозначена символом ∆C (например, остальная площадь спектра амплитуд в пределах рабочего диапазона дискриминатора). Параметры процессора могут быть определены (например, посредством программирования) с учетом разделения воздействия нейтронов и воздействия гамма-излучения на основе описанного выше метода дискриминации по амплитуде импульсов. В некоторых примерах осуществления изобретения в процессоре используется низкий порог, соответствующий значениям амплитуды до начала кривой пика, обусловленного нейтронным потоком, и, таким образом, обеспечивается разделение сигнала, обусловленного воздействием нейтронов, и сигнала, связанного с относительно низкоэнергетическим фоновым воздействием гамма-излучения.

Метод дискриминации по форме импульсов (ДФИ) использовался в лабораторных условиях для исследования сцинтилляционных материалов, обеспечивающих получение различных значений крутизны спада амплитуды сигналов, обусловленных воздействием нейтронов и воздействием гамма-излучением (например, жидких сцинтилляторов). Авторы изобретения полагают, что данный подход не использовался на нефтяных месторождениях вследствие неприменимости этого метода к известным материалам, таким как йодид лития и литиевое стекло, которые применяются на нефтяных месторождениях.

Как указано на фиг. 10A и 10B, разделение сигналов, обусловленных воздействием нейтронного потока и гамма излучения, осуществляется с использованием метода дискриминации по форме импульсов (ДФИ). Фиг. l0A иллюстрирует график представительного выходного сигнала приемника (например, сцинтиллятора на основе материала CLYC) при воздействии гамма-излучения. В данном иллюстративном примере форма первого импульса P₁ представляет выходной сигнал приемника, полученный в результате воздействия гамма-излучения. Как показано на фигуре, сигнал имеет значительную амплитуду, но малую длительность. Фиг. 10B иллюстрирует график представительного выходного сигнала приемника (например, сцинтиллятора на основе материала CLYC) при воздействии нейтронного потока. В данном примере форма второго импульса P₂ представляет выходной сигнал приемника, полученный в результате воздействия нейтронного потока. В отличие от указанного выше, сигнал, обусловленный воздействием нейтронного потока, имеет меньшую амплитуду, но большую длительность. В другом примере при использовании другого сцинтилляционного материала из семейства эльпасолитов (например, материала CLLB) сигнал, полученный в результате воздействия гамма-излучения, может иметь большую длительность, а сигнал, обусловленный воздействием нейтронного потока, может иметь длительность меньшую длительности сигнала, полученного в результате воздействия гамма-излучения. Различная «форма» выходных сигналов может использоваться для определения конкретного типа воздействующего фактора.

С этой целью выполняется измерение и обработка параметров формы выходных сигналов процессором (например, в аналоговой и (или) цифровой форме). Как указано на фиг. 10A и 10B, первый импульс P₁ (например, выходной сигнал, обусловленный воздействием гамма-излучения) имеет максимальное значение A₁ и определенное значение A₂ в момент T₁ времени. В пределах интервала T₁ соответствующее первое значение площади импульса равно ∑₁, а общая площадь импульса составляет ∑₂. Аналогичным образом, второй импульс P₂ (например, выходной сигнал, обусловленный воздействием нейтронного потока) имеет максимальное значение A₁ и определенное значение A₂ в момент T₁ времени. В пределах интервала времени T₁ соответствующее первое значение площади импульса равно ∑₁, а общая площадь импульса составляет ∑₂. Указанные численные значения можно сравнить между собой и использовать для определения соответствия полученных данных сигналу, обусловленному воздействием гамма-излучения или нейтронного потока. Одним из способов такого сравнения может быть простое определение отношения значений A₁/A₂. Сравнительно большое значение отношения указывает воздействие гамма-излучения, а сравнительно малое значение отношения индицирует воздействие нейтронного потока. В другом примере осуществления изобретения сравнение выполняется с использованием отношения ∑₁/∑₂. Сравнительно большое значение отношения указывает воздействие гамма-излучения, а сравнительно малое значение отношения индицирует воздействие нейтронного потока. Параметры процессора могут быть определены (например, посредством программирования) с учетом разделения сигналов, обусловленных воздействием нейтронов и гамма-излучения, на основе описанного выше метода дискриминации по форме импульсов. В то же время для разделения различных выходных сигналов приемника можно использовать другие известные методы обработки сигналов.

Методы ДАИ и ДФИ можно комбинировать для получения дополнительных преимуществ. Например, при использовании метода ДФИ на основе соотношения амплитуд, описанного выше, с целью ограничения анализируемого диапазона амплитуд можно также применять метод ДАИ. Это обеспечивает исключение ложных результатов, обусловленных отношением сигналов малой амплитуды или большой амплитуды, которые могут привести к возникновению систематических погрешностей. Кроме того, реализация метода ДФИ может требовать большего объема вычислительной мощности, а метод ДАИ может, соответственно, использоваться для сокращения объема передаваемой информации посредством предварительной селекции данных, соответствующих требуемому диапазону амплитуды импульсов.

Авторы изобретения также установили, что дополнительным преимуществом сцинтилляционного материала CLYC в сравнении с литиевым стеклом является возможность точного контроля стехиометрического состава материала CLYC (в кристаллической форме). Данное полезное свойство обеспечивает возможность уменьшения различий характеристик различных образцов материала, а также контроля требуемых параметров, таких как тепловое расширение.

Фиг. 11 иллюстрирует график захвата нейтронов в функции от толщины сцинтиллятора для различных сцинтилляционных материалов. Указанные в иллюстративном примере результаты были получены посредством моделирования захвата тепловых нейтронов пластиной диаметром 25,4 мм (1 дюйм), изготовленной из материала Cs₂LiYCl₆:Ce (обогащенного ⁶Li до 95%), для различных значений толщины пластины (кривая 902), по сравнению с материалом CLYC, легированным литием, имеющим естественное изотопное отношение (кривая 904), и эквивалентным объемом газообразного ³He (кривая 906). На фиг. 12, иллюстрирующей источник 1202 нейтронов, размещенный с правой стороны, и приемник 1204 нейтронов - с левой стороны, представлены соответствующие геометрические характеристики. Приемник имеет диаметр (d) и толщину (L). Следует отметить, что в пластине толщиной 5 мм, изготовленной из материала CLYC, обогащенного ⁶Li, литий задерживает примерно 2/3 нейтронов.

Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения также предусматривают использование корпуса, предназначенного для размещения сцинтилляционного материала, содержащего эльпасолит (например, материала CLYC). Корпус обеспечивает защиту эльпасолита от воздействия факторов среды в скважине. В конкретном примере осуществления изобретения корпус выполнен герметичным с целью предотвращения абсорбции воды эльпасолитом, поскольку многие материалы, содержащие эльпасолит (например, материал CLYC), являются гигроскопичными. Фиг. 13 иллюстрирует корпус 1300, в котором размещен образец 1302 сцинтилляционного материала, содержащего эльпасолит, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. Образец 1302 сцинтилляционного материала, содержащего эльпасолит, находится в корпусе 1300. В различных примерах осуществления изобретения образец 1302 сцинтилляционного материала представлен в цилиндрической форме и частично окружен отражателем 1304 (например, материалом, отражающим оптическое излучение). На торце образца 1302 сцинтилляционного материала ближайшем к приемнику 1306 фотонов (например, фотоэлектронному умножителю (ФЭУ)) не предусмотрен отражатель 1304. Таким образом, отражатель 1304 отражает оптическое излучение в направлении торца образца 1302 сцинтилляционного материала. Данная структура обеспечивает повышение вероятности передачи оптического излучения в направлении приемника 1306 фотонов, размещенного на торце образца 1302 сцинтилляционного материала.

В различных примерах осуществления изобретения торец образца 1302 сцинтилляционного материала покрыт материалом 1308, обеспечивающим оптическую связь. Материал 1308, обеспечивающий оптическую связь, может охватывать эпоксидные смолы, силиконовые масла, силиконовые каучуки и (или) силиконовые смазки. Материал 1308, обеспечивающий оптическую связь, находится в контакте с лицевой пластиной 1310 приемника 1306 фотонов. Лицевая пластина 1310 приемника фотонов может быть изготовлена, например, из стекла. Оптическое излучение, генерированное образцом 1302 сцинтилляционного материала, проходит сквозь материал 1308, обеспечивающий оптическую связь, лицевую пластину 1310 и подается на приемник 1306 фотонов.

В иллюстративных примерах осуществления изобретения в корпусе 1300 предусмотрен также слой 1312 демпфирующего материала, который окружает отражатель 1304 и обеспечивает защиту образца 1302 сцинтилляционного материала от чрезмерных ударных воздействий и вибрации. Демпфирующий материал 1312 может представлять собой силиконовый состав RTV, диспергированную в масле гелеобразную композицию, которая полимеризуется с образованием перекрестных связей, и (или) аналогичный материал, обеспечивающий защиту от ударных воздействий и вибрации. В некоторых примерах осуществления изобретения, как указано на фиг. 13, противорадиационный экран 1314 размещен между отражателем 1304 и слоем 1312 демпфирующего материала.

Образец 1302 сцинтилляционного материала, содержащего эльпасолит, отражатель 1304 и слой 1312 демпфирующего материала размещены в герметичном корпусе 1316. Герметизация соединения корпуса 1316 и приемника 1306 фотонов осуществляется, например, с использованием резьбового соединения (например, на приемнике фотонов может быть предусмотрена наружная резьба, а на корпусе - внутренняя резьба, соответствующая указанной наружной резьбе). В некоторых примерах осуществления изобретения место соединения корпуса 1316 дополнительно герметизируется посредством пайки или сварки. В различных примерах осуществления изобретения для герметизации резьбового соединения используется эпоксидный герметик.

В некоторых примерах осуществления изобретения торец образца 1302 сцинтилляционного материала, на противоположной стороне относительно материала 1308, обеспечивающего оптическую связь, может соприкасаться с прижимной пластиной 1318. Прижимная пластина 1318 прижимается к торцу образца 1302 сцинтилляционного материала пружиной 1320 или аналогичным устройством прижима. Пружина 1320 смещает образец 1302 сцинтилляционного материала в направлении материала 1308, обеспечивающего оптическую связь, и лицевой пластины 1310 приемника 1306 фотонов. Пружина 1320 обеспечивает сохранение оптической связи образца 1302 сцинтилляционного материала с приемником 1306 фотонов в условиях: (1) вибрации; (2) ударного воздействия; и (или) (3) теплового расширения корпуса вследствие изменения температуры. Дополнительная информация относительно герметизированных корпусов представлена в патенте США № 7633058.

Термин «процессор» не ограничивает возможность использования в рассмотренных примерах осуществления изобретения каких-либо конкретных типов устройств или систем. Как указано выше, процессор может представлять собой компьютерную систему. Компьютерная система может содержать процессор (например, микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровых сигналов или универсальный компьютер). Компьютерная система может также включать в себя память, такую как полупроводниковое устройство памяти (например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство, программируемое постоянное запоминающее устройство, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство или программируемое ОЗУ на основе флэш-памяти), магнитное устройство памяти (например, гибкий или жесткий диск), оптическое устройство памяти (например, компакт-диск), карта памяти (например, карта PCMCIA) или другое устройство памяти.

Любой из способов или процессов, описанных выше, в том числе процессы и способы, предназначенные для: (1) обработки выходного сигнала, полученного от приемника нейтронов; (2) определения пиковой составляющей выходного сигнала; (3) выполнения дискриминации по форме импульсов для определения пиковой составляющей; и (или); (4) выполнения дискриминации по амплитуде импульсов с целью определения пиковой составляющей сигнала, могут быть реализованы в виде компьютерной программы, предназначенной для выполнения на процессоре компьютера.

Компьютерная программа может быть представлена в различных формах, в том числе в виде исходного кода или исполняемого файла. Исходный код может содержать последовательность инструкций компьютерной программы, представленных на различных языках программирования (например, в виде объектного кода, программы на языке ассемблера или языке высокого уровня, таком как C, C++ или JAVA). Указанные инструкции компьютерной программы могут быть записаны на машиночитаемом носителе (например, устройстве памяти) и исполнены процессором.

В альтернативном или дополнительном варианте процессор может включать в себя дискретные электронные компоненты, связанные с печатной платой, интегральной схемой (например, специализированной интегральной схемой (ASIC)) и (или) программируемыми логическими устройствами (например, программируемой матрицей логических элементов (FPGA)). Любой из способов и процессов, описанных выше, может быть реализован с использованием указанных логических устройств.

Хотя выше были подробно описаны несколько примеров осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники очевидно, что в указанные примеры осуществления изобретения могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения. Соответственно, указанные изменения находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Использование: для регистрации нейтронов с использованием эффекта сцинтилляции в скважинах и других областях применения на нефтяных месторождениях. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют позиционирование в скважине, по меньшей мере, одного сцинтиллятора, содержащего эльпасолит, причем эльпасолит представлен формулой Cs₂LiMN₆, где M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей иттрий и лантан, и N представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей хлор и бром, подают нейтроны в область геологической формации, находящуюся вблизи скважины; принимают оптическое излучение от сцинтиллятора, генерирующего оптическое излучение в результате взаимодействия с нейтронами, отраженными от геологической формации; и преобразуют оптическое излучение, поданное сцинтиллятором, в электрический сигнал, принимают электрический сигнал в процессоре и применяют процессор, сконфигурированный для применения метода дискриминации по форме импульсов для различения: а) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между нейтронами и сцинтиллятором, и b) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между гамма-излучением и сцинтиллятором. Технический результат: обеспечение возможности сохранения высокого разрешения измерений, проводимых при повышенных температурах. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Скважинное каротажное устройство, содержащее:

источник нейтронов, предназначенный для передачи первичных нейтронов в направлении целевой геологической формации; и

сцинтиллятор, предназначенный для взаимодействия с рассеянными нейтронами, полученными от целевой геологической формации, и обеспечивающий генерирование оптического излучения при взаимодействии, по меньшей мере, с одним типом нейтронов из группы, содержащей тепловые и надтепловые нейтроны, причем сцинтиллятор содержит эльпасолит, представленный формулой Cs₂LiMN₆, в которой M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей иттрий и лантан, и N представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей хлор и бром, и

процессор, сконфигурированный для применения метода дискриминации по форме импульсов для различения: а) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между нейтронами и сцинтиллятором, и b) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между гамма-излучением и сцинтиллятором.

2. Скважинное каротажное устройство по п. 1, в котором эльпасолит описывается формулой Cs₂LiYCl₆.

3. Скважинное каротажное устройство по п. 1, в котором эльпасолит описывается формулой LiMN₆, где M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей иттрий и лантан, и N представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей хлор и бром.

4. Скважинное каротажное устройство по п. 1, в котором эльпасолит легирован активирующей добавкой.

5. Скважинное каротажное устройство по п. 4, в котором эльпасолит легирован церием.

6. Скважинное каротажное устройство по п. 2, в котором материал Cs₂LiYCl₆ легирован церием.

7. Скважинное каротажное устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

приемник оптического излучения, предназначенный для подачи выходного сигнала, соответствующего принятому оптическому излучению сцинтиллятора.

8. Скважинное каротажное устройство по п. 7, в котором сцинтиллятор связан с приемником оптического излучения светодиодом.

9. Скважинное каротажное устройство по п. 1, в котором эльпасолит представлен в кристаллической форме.

10. Скважинное каротажное устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

корпус для размещения эльпасолита.

11. Скважинное каротажное устройство по п. 10, в котором корпус является герметичным.

12. Скважинное каротажное устройство по п. 7, в котором сцинтиллятор и приемник оптического излучения предназначены для регистрации, по меньшей мере, одного типа нейтронов из группы, содержащей тепловые и надтепловые нейтроны.

13. Способ регистрации нейтронов, включающий в себя этапы:

позиционирования в скважине, по меньшей мере, одного сцинтиллятора, содержащего эльпасолит, причем эльпасолит представлен формулой Cs₂LiMN₆, где M представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей иттрий и лантан, и N представляет собой, по меньшей мере, один элемент из группы, содержащей хлор и бром,

подачи нейтронов в область геологической формации, находящуюся вблизи скважины;

приема оптического излучения от сцинтиллятора, генерирующего оптическое излучение в результате взаимодействия с нейтронами, отраженными от геологической формации; и

преобразования оптического излучения, поданного сцинтиллятором, в электрический сигнал,

приема электрического сигнала в процессоре, и

применения процессора, сконфигурированного для применения метода дискриминации по форме импульсов для различения: а) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между нейтронами и сцинтиллятором, и b) форм импульсов, полученных в результате взаимодействия между гамма-излучением и сцинтиллятором.

14. Способ по п. 13, по которому состав эльпасолита описывается формулой Cs₂LiYCl₆.

15. Способ по п. 13, по которому эльпасолит легирован активирующей добавкой.

16. Способ по п. 15, по которому эльпасолит легирован церием.

17. Способ по п. 13, по которому выполнение способа осуществляется при температуре в скважине, превышающей 50°C.