[发明专利]γ射线光谱等测井方法和装置

说明书

本发明涉及在通过地层的井孔中用γ射线等高能光子进行测井的方法和装置。

应用检测诸如γ射线和X射线等高能光子的方法（经或不经过光谱分析）测井是发现和开发地下烃类藏量的一个重要方法。通常，井孔钻好之后就把细长测井工具或探测仪放在一根具有若干在地面设备和探测仪之间传输电能和信号的导线的铠装电缆上并降下到井底，然后用绞车提升电缆，将探测仪在井孔中提起，用探测仪中的检测器检测地层中放射性元素（例如铀、钍和钾）自然放射的高能光子辐射，或用探测仪中的辐射源发出的穿透性辐射进行照射所产生的高能光子辐射。

若设有辐射源，则辐射可取如下的各种形式：例如，中子、γ射线或X射线，也可以是由放射性物质中的原子衰变（包括核转变或原子跃迁）产生的或用电动加速器人工产生的。可作为辐射源的例子有：在衰变过程中能连续放射出γ射线而形成钡的铯-137，和专利权授与古特曼的美国专利3，461，291号和专利权授与费伦特劳普的美国专利3，546，512号所介绍的中子加速器。该加速器，视操作情况而定，能连续或以脉冲形式放射出中子。探测仪放射出的射线与探测仪附近的物质（例如，井孔中的物质和/或构成地层的物质）相互作用，视该等物质的特性而定，按一定的形式变换。探测仪中的检测器能检测出辐射源为光子源时的散射或衰减光子辐射（γ或X射线），或与中子源产生的中子相互作用所诱发出的γ辐射。还有另一种可能是检测出在地层中用中子照射法人工诱发出的放射性同位素在衰变时所产生的γ激活辐射;这种激活辐射一般在中子照射之后持续若干分钟。

γ射线和X射线之类的高能光子井下检测器一般使用一种特殊生长的闪烁晶体，高能光子与构成这种闪烁晶体的原子相互作用时，闪烁晶体产生一闪出现的可见光子或接近可见的光子（即能级相对地低的光子）。此闪光为处在闪烁晶体附近的光电倍增器所检测后产生表示闪光强度的电信号，此闪光强度与入射高能光子的能量有关。

检测出的γ射线或X射线的诸参数，例如，它们的能量和/或出现率，经测定后，其测量结果经铠装电缆传送到地面设备记录下来。通过分析，例如，分析所检测出的高能光子辐射的时间和/或能谱分布，可以推定出有关地下情况的数据，有助于地下烃类储层的探测与开发。

井下环境，包括潮湿或腐蚀性的环境和可能出现的高压、高温等都能危害电气和机械设备。因此测井探测仪应设计得结实牢固。此外井下空间非常狭窄-测井探测仪需要通过开采导管时，其外径要限制在1    11/16英寸（42.9毫米）。这些要求使测井探测仪在材料和结构上严受限制。此外，钻井装置的维修和操作，花费是非常大的，因此应尽量减少实际钻井以外的其它活动（例如，测井）的时间。

闪烁晶体的选用是井下高能光子检测器设计中的一个特殊问题。理想的闪烁晶体应具有若干特殊性能，例如，密度高，以使高能光子和闪烁体材料之间的相互作用尽可能大，从而尽量提高对这类透过晶体的光子的检测效率;有效原子序数大，使晶体具有高的光峰效率，即，使所希望有的光电相互作用尽可能大，以使起不希望有的降低γ射线和X射线能量的作用和降低引入光子能量测定精确度作用的康普顿散射尽可能小;γ射线或X射线相互作用之后的闪烁过程衰变快，余辉小;输出的高闪烁光应与引入的光子能量成线性关系，使晶体具有良好的能量分辨率并能精确测定能量;透明度高，尽量使闪光体材料产生的闪光衰减慢;闪烁过程不应受温度变化的影响;性能不受井下环境中一般物质的影响，机械强度高;体积尺寸的长短和直径在若干厘米范围内。有许多可作为井下闪烁晶体的材料都不具备上述一种或多种性能。

目前测井闪烁体最常用的材料是掺铊的碘化钠。这种材料具有若干对测井操作起不希望有的限制作用的缺点：它的密度低，所以检测效率低;闪烁过程衰变慢，因而限制了它对高能光子相互作用的响应速率;余辉大，而且在光子与晶体相互作用之后长时间持续下去;具有吸湿性，因而必须装进密封外壳中。虽然碘化钠具有一些有益的性能，包括：光输出大、能量分辨率良好，可以制成较大的体积，而且要补偿其对温度变化的敏感性比较容易，但它的应用在某些方面却限制了测井操作，例如，测井速度慢、测量的统计可靠性差和不能密封等。