Приемник нейтронного излучения на основе сцинтиллятора, содержащего эльпасолит, предназначенный для применения на нефтяных месторождениях

Приемник нейтронного излучения на основе сцинтиллятора, содержащего эльпасолит, предназначенный для применения на нефтяных месторождениях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 характери