Волоконные сцинтилляторы, чувствительные к нейтронам и гамма-излучению
Использование: для оценки пласта. Сущность изобретения заключается в том, что инструмент содержит детектор, включающий в себя монолитный сцинтилляционный элемент, представляющий собой когерентную сборку соединенных волокон, в которой волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества. Волокна, по меньшей мере, i) восприимчивы к гамма-излучению или ii) восприимчивы к нейтронам. Когерентная сборка волокон представляет собой сплошную массу или соединение волокон осуществляется термически. Волокна представляют собой твердое тело. Сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) органические кристаллические сцинтилляционные материалы, ii) аморфное стекло и iii) наноструктурированную стеклокерамику. Когерентная сборка волокон может быть асимметрична. Когерентную сборку волокон может окружать дополнительное сцинтилляционное вещество, обладающее другими сцинтилляционными характеристиками, чем основное сцинтилляционное вещество. Сцинтилляционный элемент может быть чувствительным к азимуту ствола скважины. Технический результат: повышение чувствительности инструмента оценки пласта. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
В одном варианте осуществления данное изобретение относится к способам каротажа скважины и устройствам оценки, по меньшей мере, исследуемого параметра среды путем измерений ионизирующего излучения.
Предпосылки создания изобретения
Каротаж нефтяной скважины давно известен и способен давать данные о конкретном пласте формации. В обычном способе каротажа источник излучения и связанные с ним детекторы радиоактивного излучения опускаются в ствол во время бурения скважины и/или после завершения бурения скважины и используются для определения одного или нескольких исследуемых параметров пласта. Для спуска источника излучения используется жесткий или нежесткий носитель, часто как часть инструмента или набора инструментов, а сам носитель способен содержать каналы связи для передачи данных на поверхность. Настоящее изобретение направлено на усовершенствование способа и эффективное использование данных устройств.
Краткое изложение сущности изобретения
В вариантах осуществления, настоящее изобретение относится к способам оценки исследуемого параметра пласта путем обнаружения излучения от подземного пласта.
Один общий вариант осуществления, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой инструмент оценки пласта, обнаруживающий излучение в скважине, пробуренной в пласте формации. Инструмент содержит детектор, включающий монолитный сцинтилляционный элемент, представляющий собой когерентную сборку соединенных волокон, в которой волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества. Волокна, по меньшей мере, i) восприимчивы к гамма излучению или ii) восприимчивы к нейтронам. Сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) DSB:Ce и ii) стекло или стеклокерамику, обогащенные 6Li. Когерентная сборка волокон представляет собой сплошную массу. Когерентная сборка соединенных волокон осуществляется термически. Волокна представляют собой твердое тело. Сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) органические кристаллические сцинтилляционные материалы, ii) аморфное стекло и iii) наноструктурированную стеклокерамику. Когерентная сборка волокон асимметрична.
Когерентную сборку волокон может окружать дополнительное сцинтилляционное вещество, обладающее другими сцинтилляционными характеристиками, чем основное сцинтилляционное вещество. Инструмент включает: по меньшей мере, один фотоприемник, способный подавать первый выходной сигнал, в ответ на первые световые вспышки, генерированные когерентной сборкой волокон, и второй выходной сигнал, в ответ на вторые световые вспышки, генерированные дополнительным сцинтилляционным веществом; процессор, способный определять разницу в числе первых световых вспышек и вторых световых вспышек от первого выходного сигнала и второго выходного сигнала. Сцинтилляционный элемент чувствителен к азимуту ствола скважины. Дополнительное сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) монокристалл и ii) поликристалл. Сцинтилляционный детектор настраивается на обнаружение гамма-лучей так, чтобы в штатном режиме вероятность обнаружения гамма-лучей в сцинтилляционном веществе максимизировалась, при условии обнаружения порогового числа гамма-лучей в дополнительном сцинтилляционном веществе.
Когерентную сборку волокон может окружать дополнительное сцинтилляционное вещество, обладающее другими сцинтилляционными характеристиками, чем основное сцинтилляционное вещество. Сборка волокон может дополнительно включать несколько прутков тяжелых металлов, перемежающихся, по существу, параллельно волокнам.
Сцинтилляционный элемент может окружать оптический световод, содержащий вторую когерентную сборку термически соединенных волокон. Волокна составляют не менее 50 сантиметров в длину. Когерентная сборка волокон конфигурируется таким образом, чтобы прохождение света, по существу, происходило параллельно продольной оси волокна. По меньшей мере, часть волокон может иметь облицовку. Когерентная сборка волокон содержит первый слой волокон, образующих первый компонент, чувствительный к излучению, и второй слой волокон, образующий оптически прозрачный световод. Когерентная сборка волокон может содержать третий слой волокон, внутренней по отношению к первому слою и второму слою, образуя второй компонент, чувствительный к излучению. Первый компонент, чувствительный к излучению способен обнаруживать нейтроны из формации; второй слой волокон может изготавливаться из оптически прозрачного материала, поглощающего нейтроны; а второй компонент, чувствительный к излучению, способен обнаруживать нейтроны из скважины. Инструмент может дополнительно включать колонну бурильных труб и источник излучения, расположенный на колонне бурильных труб.
Способ осуществления изобретения включает использование монолитного сцинтилляционного элемента, представляющего собой когерентную сборку соединенных волокон, генерирующих световые вспышки в ответ на излучение скважины, причем волокна изготавливаются из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества.
Примерные варианты осуществления изобретения, таким образом, обобщены достаточно широко в целях их лучшего понимания в нижеследующем подробном описании и оценки вклада в усовершенствование существующего способа.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сделаны ссылки на следующее подробное описание варианта осуществления изобретения, которое следует рассматривать совместно с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые позиции, как правило, обозначены одинаковыми цифрами.
На РИС. 1 представлен скважинный инструмент, содержащий источник гамма излучения и детекторы.
На РИС. 2А и 2В представлены координаты X и Y точек входа гамма-лучей в плоскость, перпендикулярную продольной оси буровой скважины ("ось ствола скважины"), для сцинтиллирующего кристалла детекторов SS и LS при моделировании методом Монте-Карло.
На РИС. 3 представлен детектор, используемый в скважинном инструменте, в соответствии с настоящим изобретением.
На РИС. 4 представлен другой детектор, используемый в скважинном инструменте, в соответствии с настоящим изобретением.
На РИС. 5А и 5В представлен детектор нейтронов, в соответствии с настоящим изобретением.
На РИС. 5С представлен вариант осуществления, в котором каждое волокно имеет облицовку.
На РИС. 6 представлен другой детектор нейтронов, в соответствии с настоящим изобретением.
На РИС. 7 представлен детектор со сцинтилляционными элементами, в соответствии с настоящим изобретением.
На РИС. 8 представлен детектор, диаметр внутреннего цилиндра которого убывает по конусу около ФЭУ, приобретая форму усеченного конуса.
На РИС. 9А-9С представлен детектор со сцинтилляционным элементом, содержащим когерентную сборку волокон со слоями.
На РИС. 10 представлено схематическое изображение системы со скважинным инструментом, способным собирать данные для оценки целевого параметра пласта.
На блок схеме РИС. 11, согласно настоящему изобретению, представлен способ оценки, по меньшей мере, одного целевого параметра пласта.
Подробное описание изобретения
В вариантах осуществления, данное изобретение относится к обнаружению излучения от подземного пласта. В других вариантах осуществления, данное изобретение относится к оценке целевого параметра, например, плотности, пористости и т.д., подземного пласта путем исследования данных излучения. В частности, общие варианты используют обнаружение гамма-лучей и нейтронов. Во многих случаях, данные, используемые для этих оценок, поступают от инструментов, размещенных в стволе скважины, пересекающей один или несколько представляющих интерес пластов. Ниже описано примерное размещение системы и использование таких инструментов для получения данных. Каждый из этих вариантов используется, как правило, при исследовании пласта.
Пласт подвергаться воздействию источника излучения. Скважинные инструменты включают данный источник излучения и один или несколько детекторов в одной или нескольких камерах. При этом источник излучения включает, не ограничиваясь, один или несколько источников нейтронов, источник гамма-излучения, а также источник рентгеновского излучения. Детекторы используются для обнаружения излучения пласта, хотя они не ограничиваются обнаружением излучения одного и того же типа, испускаемого источником излучения. Детекторы также используются для обнаружения природного излучения.
Каждый детектор содержит сцинтилляционный элемент, включающий в себя чувствительный объем. "Чувствительный объем" представляет рабочий объем, заполненный сцинтилляционным веществом. Как определено в настоящем описании, сцинтилляционное вещество представляет собой вещество, в котором энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию фотонов света (например, сцинтилляционные фотоны). Используемое здесь сцинтилляционное вещество представляет собой сцинтилляционное вещество для обнаружения, по меньшей мере, гамма-излучения или нейтронов. В чувствительный объем не входят сопутствующие детектору материалы, например, светоотражательное защитное покрытие, кожух, оптические световоды, и так далее.
Оптические световоды ("световоды") исторически изготавливались из кварца или другого стекловидного прозрачного материала. Световод представляет собой оптически прозрачное вещество, в котором свет, излучаемый чувствительным объемом (например, сцинтилляционным веществом) детектора распространяется в сторону фотоприемника. Световоды обеспечивают прохождение сцинтилляционных фотонов в фотоприемник и выполняются в виде пластин, цилиндров или других простых симметричных форм, оптически связанных со сцинтилляционным элементом.
В настоящее время неорганические сцинтилляционные элементы, чувствительные к гамма-излучению, производятся в различных формах, включая поликристаллические и монокристаллические блоки. Монокристаллические блоки получают различными способами, которые включают в себя фазы плавления исходного материала и поддержания материала в тигле в расплавленном состоянии в течение значительного времени для инициирования роста кристаллов.
Как описано ниже, это желательно для обнаружения излучения в скважине в случае использования асимметричных сцинтилляционных элементов. Одним из недостатков традиционных сцинтилляционных детекторов являются асимметричные формы сцинтилляционного элемента, создающие неравномерный отклик от различных частей элемента, что приводит к неравномерному отклику детектора в целом.
Кроме того, некоторые материалы, представляющие собой эффективное сцинтилляционное вещество (например, вещество, создающее большое количество сцинтилляционных фотонов на единицу поглощенной энергии падающего излучения), тем не менее, обладают недостатком в виде самопоглощения сцинтилляций. Самопоглощение становится более проблематичным при увеличении размеров сцинтилляционного вещества, поскольку фотонам приходится проходить большее расстояние. Тем не менее, увеличение размеров ведет к большей чувствительности детектора. Таким образом, световоды образуют оптически прозрачные среды, через которые сцинтилляции поступают в фотоприемник. "Активные элементы" детектора определяют чувствительный объем, оптически соединенный, прямо или косвенно, с одним или несколькими световодами.
Для обнаружения нейтронов широко используется сцинтилляционное стекло на основе Li, обогащенное изотопом 6Li. Сцинтилляционное стекло на основе Li для скважинных каротажных устройств используется в виде небольших элементов, длиной не более 25 мм и с наружным диаметром до 25 мм, или в виде полых трубок с толщиной стенки 3-4 мм, наружным диаметром 20-25 мм и длиной не более 100 миллиметров. Форма элементов диктуется самопоглощением вспышек света в стекле, активированном ионами Се3+. Максимальная длина волны фотонов при сцинтилляции, в имеющемся в продаже стекле GS-20 на основе Li, например, компании Сен Гобен, достигает примерно 395 нм. Таким образом, значительная часть вспышек света, распространяющихся в такой среде, уже поглощена сцинтилляционным материалом длиной в несколько сантиметров. Более того, при сцинтилляции в материале, свет излучается случайным образом в разных направлениях, увеличивая тем самым эффективную длину пути вспышек света, прежде чем он достигнет фотоприемника. С другой стороны, высокая эффективность захвата тепловых нейтронов стеклом, обогащенным 6Li, позволяет создать детекторы, содержащие тонкий слой стекла, поглощающего нейтроны. Данная конструкция реализована в детекторах, содержащих сцинтилляционный элемент, выполненный в виде полой трубки высотой 75-100 мм, наружным диаметром 20-25 мм и толщиной стенки 3-4 мм. Часть полого цилиндра, примыкающего к фотоприемнику, крепится на внешний диаметр чувствительной части фотоприемника. Вспышки света, образованные в стенках трубки, передаются в заполненную воздухом внутреннюю часть цилиндра, функционирующую как воздушный световод. Использование воздушного световода уменьшает поглощение вспышек света в детекторе. Одним из недостатков такой конструкции является большая разница в коэффициентах преломления материала диафрагмы фотоприемника и воздуха, что уменьшает световой поток в 2 или более раза.
На РИС. 1 представлен инструмент 100 для скважины 112, содержащий источник 116 гамма излучения и детекторы 108, ПО. Например, инструмент может представлять собой тросовый инструмент для плотностного гамма-гамма каротажа. Источник 116 гамма излучения может представлять собой источник гамма-лучей Cs-137, излучающий в пласт гамма-кванты с энергией 662 кэВ. Скважина 112 представлена в виде горизонтального ствола скважины, но инструмент 100 может использоваться в буровой скважины с любым наклоном или в полностью вертикальном стволе скважины. Зона, представляющая интерес, находится непосредственно над инструментом.
Представлена конфигурация детекторов, включающая ближний детектор 108 ('SS') и дальний детектор 110 ('LS'). Детекторы могут размещаться вдоль ствола скважины на различных расстояниях от источника гамма-лучей. Источник гамма-лучей и детекторы SS и LS закрыты экранами из тяжелых металлов (например, свинцовыми, вольфрамовыми и т.д.), имеющими коллиматорные диафрагмы 109, 111, расположенными между пластом и SS и LS детекторами. Представлены, смоделированные способом Монте-Карло, траектории 120 гамма-квантов от источника Cs-137.
Конфигурация, показанная на РИС. 1 максимизирует чувствительность детектора относительно пласта. Гамма-лучи от пласта поступают в детекторы SS и LS через коллиматорные диафрагмы, в то время как поступление гамма-лучей, исходящих из скважины или тела инструмента уменьшается, благодаря поглощению экраном. На практике, тем не менее, большая часть гамма-лучей поступает в детекторы SS и LS от источников, отличных от источников представляющих интерес (например, буровой скважины), что следует из результатов моделирования методом Монте-Карло, что позволяет осуществить локализацию координат гамма-квантов (или других радиоактивных частиц, представляющих интерес).
На РИС. 2А и 2В представлены координаты X и Y точек входа гамма-лучей в плоскость, перпендикулярную продольной оси буровой скважины ("ось ствола скважины"), для сцинтиллирующего кристалла SS и LS при моделировании методом Монте-Карло. Точки на РИС. 2А соответствуют гамма-лучам, поступающим через коллиматорные диафрагмы, а также с других (например, буровой скважины) направлений. Точки на РИС. 2В соответствуют только гамма-лучам, поступающим с других (например, буровой скважины) направлений.
Процент гамма-лучей, достигающий сцинтилляционного вещества (например, кристаллов) помимо коллиматорной диафрагмы, зависит от конкретной геометрии инструмента и диаметра скважины. В случае использования инструментов малого диаметра, в буровых скважинах большого диаметра (например, больше 8,5 дюймов), данное значение составляет около 25 процентов или выше для детектора LS в пласте высокой плотности. Данные эффекты снижают точность измерений, даже при моделировании методом Монте-Карло. Представляется желательным уменьшить количество гамма-лучей поступающих с направлений помимо коллиматорных диафрагм.
Сцинтилляционный элемент нового типа
Общие варианты осуществления настоящего изобретения содержат детекторы, включающие в себя монолитный сцинтилляционный элемент, представляющий собой когерентную сборку соединенных волокон, в которой волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества. Сцинтилляционное вещество чувствительно, по меньшей мере, к нейтронам или гамма-излучению. Термин "когерентный", используемый здесь, означает "соединенный как или образующий единое целое". Обратите внимание, что это понятие не следует путать с когерентностью света (взаимной согласованностью протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства или времени), которое отличается от вышеприведенного понятия и не используется в настоящем документе. Когерентная сборка волокон представляет собой сплошную массу, определяемую здесь как масса, не имеющая пустот между волокнами. Обратите внимание, это не означает, что сборка не может иметь профиль полого цилиндра. Волокна выполняются из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества и представляют собой твердое тело, в отличие от полых волокон. Сборка содержит более 10 волокон, а также может содержать сотни или тысячи волокон.
Когерентная сборка соединенных волокон осуществляется термически. Волокна производят путем экструзии расплава из тигля, заполненного расплавленным стеклом. Спекание волокон позволяет создавать различные профили монолитных блоков с минимальной потерей вспышек света. Форма из нержавеющей стали с соответствующим профилем заполняется волокнами, например, диаметром 0,1-5 мм и длиной 10-1000 мм. Асимметричные сцинтилляционные элементы изготавливаются из стекла, содержащего волокна ди-силиката бария DSB: Се (BaSi2O5:Ce3+), полученные спеканием волокон в металлической форме под давлением в вакууме и при температуре выше температуры стеклования материала (Tg), но ниже температуры лавинной кристаллизации. Данная температура составляет от 800 до 875 градусов Цельсия. Форма помещается в вакуумную камеру, нагретую чуть выше температуры стеклования Tg. Одновременно, форма подвергается воздействию давления, пока внешние поверхности волокон не спекутся друг с другом. В ходе данного процесса, круглый профиль волокон деформируется таким образом, что поперечное сечение меняется с круглого на шестиугольное. Тем не менее, волокна, по существу, не смешиваются и сохраняют свою индивидуальную природу отдельных волокон. Таким образом, другие варианты осуществления, могут включать когерентную сборку волокон, соединенных оптическим клеем, например, оптическими смолами или связующими.
В настоящее время возможно производство кристаллических волокон различных сцинтилляционных материалов, имеющих параметры сходные с параметрами кристаллов, полученных методом Чохральского или другими методами выращивания монокристаллов путем их вытягивания вверх. Более того, сцинтилляционные материалы в виде волокон, могут быть получены из недавно разработанного наноструктурированного стекла и стеклокерамики, чувствительных к гамма-излучению, например, ди-силиката бария DSB:Ce (BaSi2O5:Ce3+). Подобно сцинтилляционному материалу LuAG:Ce, материал DSB:Ce также представляет собой вещество с высоким эффективным зарядом (Zeff). Оба материала пригодны для обнаружения гамма-квантов в широком диапазоне энергий. Итрий-алюминиевая кристаллическая структура, активированная Се, также представляет собой сцинтиллятор с высоким световым выходом, которая может быть получена в виде волокон, но ее эффективный заряд существенно меньше, чем для LuAG:Ce или DSB:Ce. Сцинтилляционный материал LuAG:Ce обладает определенными недостатками при использовании для скважинного каротажа, а именно собственным излучением.
Кроме того, поскольку использование традиционных монокристаллических неорганических сцинтилляторов типа CsI(Na), NaI(Tl), BGO или GSO строго ограничено цилиндрической формой для высокотемпературных скважин, из-за их коэффициента анизотропного теплового расширения, то соединенные волокнистые материалы, полученные из волокон, содержащих кристаллические сцинтилляционные материалы (например, LuAG и YAG), аморфное стекло, наноструктурную стеклокерамику и тому подобное, могут применяться в сцинтилляторах с различными несимметричными профилями.
Каждое волокно в когерентной сборке передает свет от вспышек света на фотоприемник (например, фотоэлектронный умножитель) с одинаковой эффективностью, которая зависит только от затухания света в волокне. Затухание света в сцинтилляционных материалах зависит от наложения полосы поглощения кристалла на полосу частот люминесцентного излучения. Данное наложение характеризуется сдвигом Стокса спектра люминесценции. Кристаллические сцинтилляторы, активированные Се, демонстрируют приемлемое снижение светового выхода с температурой, но демонстрируют небольшой сдвиг Стокса (обычно менее 0,25 эВ). Таким образом, большинство сцинтилляционных материалов, активированных Се, хорошо подходят в качестве сцинтилляторов, если изготовленные из них детекторы имеют небольшие толщины (несколько сантиметров). Среди разнообразных кристаллический материалов, активированных Се, материал YAG:Ce обладает значительным сдвигом Стокса, причем длина детектора, изготовленного из материала YAG:Ce может составлять более 10 сантиметров.
Сцинтилляционный материал из стеклокерамики DSB:Ce обладает сдвигом Стокса равным 0,38 эВ, что на 50 процентов больше типичного сдвига люминесценции при активации Се3+ в оксидных материалах, и, таким образом, обладает высокой прозрачностью для собственного излучения (с максимумом при 455 нм). В результате, даже длинные волокна (например, до 1 метра) способны обеспечить минимальные потери света из-за самопоглощения.
На РИС. 3 представлен детектор 300, используемый в инструменте 100 для скважины 112, в соответствии с настоящим изобретением. Детектор 300 включает в себя монолитный сцинтилляционный элемент 312, содержащий когерентную сборку соединенных волокон 320. Соединенные волокна состоят из сцинтилляционного вещества, чувствительного к гамма-излучению, и поэтому детектор способен обнаруживать гамма-лучи. Когерентную сборку волокон окружает дополнительное (не волоконное) сцинтилляционное вещество 330, обладающее другими сцинтилляционными характеристиками, чем основное сцинтилляционное вещество волокон. Например, сцинтилляционное вещество 330 может представлять собой традиционный монокристаллический или поликристаллический цилиндрический сцинтиллятор NaI(Tl), CsI(Tl), CsI(Na), BGO, GSO, LuAG:Pr или любой другой цилиндрический сцинтиллятор, известный специалисту в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Когерентная сборка соединенных волокон 320 может, таким образом, иметь различные профили, в том числе и асимметричные.
Детектор 300 содержит, по меньшей мере, один фотоприемник 130, способный подавать первый выходной сигнал, в ответ на первые световые вспышки, генерированные когерентной сборкой волокон, и второй выходной сигнал, в ответ на вторые световые вспышки, генерированные дополнительным сцинтилляционным веществом. Процессор, функционально соединенный с фотоприемником, способен определять разницу в числе первых световых вспышек и вторых световых вспышек от первого выходного сигнала и второго выходного сигнала.
Методом Монте-Карло моделируются размеры обоих сцинтилляторов и коллиматорных диафрагм таким образом, чтобы вероятность получения сигнала от пересечения гамма-лучами элемента 312 была максимальной (здесь, события комптоновского рассеяния достаточны для сигнала), а число импульсов от цилиндрического сцинтиллятора (расположенного рядом с коллиматорной диафрагмой) было достаточным для статистической значимости. Дополнительное сцинтилляционное вещество выбирается в качестве эффективного сцинтиллятора (например, CsI, BGO, GSO и т.д.) в целях уменьшения повторного рассеяния гамма-квантов в волокне. События, образующие сигнал в кристаллическом сцинтилляторе, но не образующие сигналы в сцинтилляторе на основе волокна, могут использоваться для определения характеристических свойств пласта. Такие способы могут применяться совместно с LS детекторами, при низкой пористости и высокой плотности пласта, благодаря значительному непластовому гамма-компоненту. Данный способ не способен существенно уменьшить число импульсов LS, поскольку начальная энергия гамма-квантов в 662 кэВ будет значительно снижена благодаря комптоновскому рассеянию в веществе, а большая часть уже мягкого гамма-излучения будет поглощена тяжелым кристаллическим сцинтиллятором, расположенным перед коллиматорной диафрагмой.
Таким образом, сцинтилляционный элемент может быть чувствительным к азимуту ствола скважины, а сцинтилляционный детектор настраивается на обнаружение гамма-лучей, таким образом, чтобы в штатном режиме вероятность обнаружения гамма-лучей в сцинтилляционном веществе максимизировалась, при условии обнаружения порогового числа гамма-лучей в дополнительном сцинтилляционном веществе.
На РИС. 4 представлен другой детектор 400, в соответствии с настоящим изобретением. Когерентная сборка термически соединенных волокон осуществляется с использованием кристаллических волокон DSB:Ce или YAG:Ce. Прутки 402 из тяжелого металла (например, вольфрама (W)), помещаются между волокнами 404. Данные прутки 402 способны повысить эффективность поглощения гамма-квантов. Толщина прутков связана с возможностью эффективного выхода теплых электронов и характеристического рентгеновского излучения из прутков для возбуждения сцинтилляций в волокнах. В одном варианте, толщина составляет менее 100 мкм.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения, сцинтилляционное вещество соединенных волокон чувствительно к нейтронам, а сам детектор способен обнаруживать нейтроны. Оптические волокна, чувствительные к нейтронам, размещаются рядом с оптически прозрачными, не создающими вспышек света, волокнами в сборке.
Продаваемый GS-20, а также сцинтилляционная наноструктурированная стеклокерамика на основе 6Li, производится в виде оптических волокон. Сцинтилляционные свойства волокон и их чувствительность к нейтронам регулируются наличием изотопа 6Li и активирующего иона (например, Се3+) в материале. Стекло или стеклокерамика, изготовленная из сырья, обогащенного изотопом 7Li, не чувствительна к тепловым нейтронам. То есть, они не создают вспышек света и поглощают тепловые нейтроны. Стекло или стеклокерамика, изготовленная из сырья, обогащенного ионами 7Li, но не активированная ионами Се, не чувствительна к тепловым нейтронам или другому излучению, но стекло или стеклокерамика, активированная Се, остается прозрачной для вспышек света.
На РИС. 5А и 5В представлен детектор нейтронов, в соответствии с настоящим изобретением. Детектор 500 включает в себя сцинтилляционный элемент 510, содержащий когерентную сборку 502 волокон 504, чувствительных к нейтронам. Волокна 504 имеют облицовку 506 из мягкого стекла или подобного материала, которая не создает сцинтиллирующего эффекта и оптически прозрачна и действует в качестве оптического световода. Волокна соединяются термически. Каждое волокно имеет облицовку. Детектор представляет собой цилиндр диаметром от 0,01 дюйма до 5 миллиметров и высотой 20-100 мм. Инструмент включает детектор 500 вместе с источником быстрых нейтронов, например, импульсный генератор нейтронов ('PNG') или источник радиоизотопов (например, химический источник нейтронов Am-Ве).
Во время работы световые вспышки распространяются по существу только вдоль волокон. Это истинно для фотонов, испускаемых при углах, удовлетворяющих условию полного внутреннего отражения (TIR), а фотоны, не удовлетворяющие данному условию, поступают в примыкающие волокна, где, с высокой степенью вероятности, углы будут уменьшаться при условии TIR. Некоторые сцинтилляционные фотоны достигают внешнего светоотражательного защитного покрытия и возвращаются обратно в волокна под разными углами, причем некоторые из этих углов снова уменьшаются при условии TIR. Таким образом, когерентная сборка волокон конфигурируется таким образом, чтобы свет проходил, по существу, параллельно продольной оси волокна. В целом, данные условия увеличивают световой поток и улучшают энергетическое разрешение детектора. Волокна составляют, по меньшей мере, 50 сантиметров в длину или более. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть волокон имеет облицовку. На РИС. 5С представлен вариант осуществления, в котором каждое волокно имеет облицовку.
Конструкция сцинтилляционных элементов, в соответствии с вариантами настоящего изобретения, включает несколько новых проектов детектора. На РИС. 6 представлен другой детектор нейтронов, в соответствии с настоящим изобретением. Когерентная сборка волокон содержит первый слой волокон, образующих первый компонент, чувствительный к излучению и второй слой волокон, образующий оптически прозрачный световод. Детектор 600 включает сцинтилляционный элемент 610, содержащий когерентную сборку 602 волокон 604, чувствительных к нейтронам, которая окружает оптический световод 606, включающий вторую когерентную сборку 608 волокон 614, которые не создают сцинтиллирующего эффекта и оптически прозрачны. Волокна могут не иметь облицовки и составлять приблизительно 1 мм в диаметре. Волокна соединяются термически. Первая когерентная сборка 602, образующая сцинтилляционный элемент 610, формируется из трех-пяти колец волокон, окружающих вторую когерентную сборку 608. Первая сборка выполняется из сцинтилляционного стекла или стеклокерамики, активированных церием и содержащих 6Li, в то время как вторая сборка выполняется из неактивированных стеклянных или стеклокерамических волокон, содержащих 7Li, которые не чувствительны к нейтронам. Светопропу екание оптимизируется стеклянным световодом фотоприемника, так как коэффициент преломления по существу одинаков (например, n=1,57). Это особенно желательно при повышенных температурах в условиях скважины. При рассмотрении, по существу похожей, структуры материала учитывается, по меньшей мере, первая и вторая координатные сферы, являющиеся одинаковыми: например, могут иметь место некоторые различия в третьем или четвертом порядке. Это возможно из-за разницы атомной массы 6Li и 7Li. Первая координатная сфера представляет собой сферу ближайших атомов рассматриваемого иона, а вторая представляет собой следующую оболочку атомов, и так далее.
Возможны вариации указанных выше конструкций. Например, все волокна могут иметь облицовку, способную увеличить световой выход (LY) и энергетическое разрешение детектора. В такой конфигурации, снижается значимость внутренних волокон, содержащих 7Li, в качестве световодов. В некоторых вариантах осуществления природная смесь изотопов 7Li/6Li обогащается 6Li. Конкретная степень обогащения может проводиться для определенной части когерентной сборки, обеспечивая чувствительность к конкретным излучением, например, к тепловым нейтронам (например, внешний слой волокон обогащен 6Li), к надтепловым нейтронам (внутренний слой волокон, обогащен 6Li до требуемого значения), и так далее. Свет от всех волокон собирается на одном фотоприемнике, обнаруживающем сцинтилляции обоих тепловых и надтепловых нейтронов. В альтернативном варианте, сцинтилляции могут обнаруживаться в двух фотоприемниках, расположенных на противоположных концах активного объема (например, сцинтилляционного цилиндра). Например, внешние слои могут быть оптически соединены с одним ФЭУ (например, регистрирующим тепловые нейтроны), а внутренние волокна с другим ФЭУ (например, регистрирующим надтепловые нейтроны). Оценка представляющих интерес параметров, осуществляется за счет определения различий в сигналах, приписанных к каждому сцинтилляционному элементу.
На РИС. 7 представлен детектор со сцинтилляционными элементами, в соответствии с настоящим изобретением. Элементы сцинтиллятора включают первый слой 720 волокон и второй слой 730 волокон. Детектор 700 дополнительно включает первый фотоприемник 160 (например, фотоэлектронный умножитель), оптически соединенный с первым слоем 720 волокон на одном конце, а второе устройство 765, реагирующее на свет (например, фотоэлектронный умножитель), оптически соединено со вторым слоем 130 волокон на другом конце, таким образом, что вспышки света в элементах преобразуются в электрические сигналы. Второй слой 730 расположен внутри первого слоя 720, т.е., окружен наружным слоем 720. Первый слой 720 представляет собой цилиндр с внутренней стенкой. В других вариантах осуществления первый слой 720 выполняется в виде полого цилиндра, окружающего второй элемент, чувствительный к излучению.
В конкретных вариантах осуществления, детектор собирает световые вспышки от внешних волокон на первой стороне детектора (например, стороне, примыкающей к пласту) на первый фотоприемник, а вспышки от внешних волокон на второй стороне (например, стороне, примыкающей к растворопроводу системы LWD) на второй фотоприемник. Данная конфигурация позволяет создать азимутальную чувствительность к тепловым нейтронам. Сигналы с первой стороны (например, "смотрящей на" пласт) повышают чувствительность системы, в то время как импульсы с другой стороны (например, "смотрящей на" растворопровод) используются для мониторинга факторов окружающей среды. Внутренние волокна в такой конструкции выполняются из прозрачного, поглощающего нейтроны материала, например, стекла с включениями бора, чтобы исключить перекрестные помехи между волокнами на противоположных сторонах детектора.
Бор обладает некоторыми преимуществами в поглощении тепловых и надтепловых нейтронов, поскольку сечение поглощения нейтронов довольно велико. Бор-силикатные стекла обладают свойствами, сходными с кварцем. Бор-силикатные стекла не чувствительны к температуре и не склонны к разрушению. Кроме того, характеристики светопропускания данных стекол остаются по существу неизменными во всем диапазоне температур в скважине.
В альтернативном варианте осуществления, внутренняя часть детектора выполняется из волокон, чувствительных к гамма-излучению, или из монокристаллического сцинтиллятора, чувствительного к гамма-излучению. Обнаружение двух наборов соответствующих сцинтилляций выполняется на одном ФЭУ после применения способа разделения нейтронов и гамма излучения, основанного на анализе формы электрических сигналов (детектор фосфорсодержащих соединений). В альтернативном варианте осуществления, сцинтилляции собираются двумя ФЭУ, по одному на каждую сторону детектора, обеспечивая одновременное обнаружение гамма излучения и нейтронов без использования дополнительных электронных средств для разделения нейтронов и гамма излучения. Таким образом, сцинтилляционный элемент обладает азимутальной чувствительностью, позволяющей дифференцировать направление излучения к элементу.
Дополнительное удобство состоит в том, что диаметр трубки может быть уменьшен до значения, соответствующего диаметру фотокатода ФЭУ путем вытягивания одного конца трубки при температуре немного выше температуры стеклования Tg. Одновременно диаметр внутреннего цилиндра убывает по конусу около ФЭУ, приобретая форму усеченного конуса. Смотрите РИС. 8. Такая конструкция (для облицованных волокон или волокон без облицовки) обладает преимуществом по сравнению с традиционным полым цилиндром, так как минимизирует разницу между коэффициентом преломления диафрагмы ФЭУ и световодом. Формы сцинтилляционных блоков не ограничиваются цилиндрическим профилем, обеспечивая существенное преимущество для всевозможных конфигураций сцинтилляторов в скважинных инструментах радиоактивного каротажа.
Пласт способен замедлять быстрые нейтроны до тепловых. В конкретных вариантах осуществления инструмент включает детектор со сцинтилляционными элементами в виде кольцевых сегментов, чувствительных к тепловым нейтронам.
На РИС. 9А-9С представлен детектор 900 со сцинтилляционным элементом 910, содержащий когерентную сборку волокон 904, включающую: первый слой 906 волокон, чувствительный к нейтронам, образующий первый компонент 916, чувствительный к излучению, который окружает второй слой 902 волокон, образующий оптический световод 912. Второй слой волокон не создает сцинтиллирующего эффекта и оптически прозрачен. Когерентная сборка волокон содержит третий слой волокон 908, внутренней по отношению к первому слою 906 и второму слою 902, образуя второй компонент 918, чувствительный к излучению. Первый компонент 916, чувствительный к излучению способен обнаруживать нейтроны из пласта, а второй компонент 918, чувствительный к излучению способен обнаруживать нейтроны из скважины. Второй слой 902 волокон изготавливается из оптически прозрачного материала, поглощающего нейтроны.
Например, наружный слой (толщиной примерно 3-5 мм) в таких элементах изготавливается из волокон материала обогащенного 6Li, а свет собирается ФЭУ, размещенным на первой стороне сцинтиллирующего элемента 910. Следующий слой, как описано выше, изготавливается из стеклянных волокон с включениями бора. Внутренний слой, также толщиной 3-5 мм, изготавливается из стеклянных волокон, обогащенных 6Li, а световой поток собирается на отдельном ФЭУ, размещенном на другой стороне сцинтиллирующего элемента.
Данные сцинтилляционные элементы размещаются в желобе на внешней поверхности инструмента (например, зонда LWD), а затем закрываются защитной трубой. Несколько (например, 2-4) таких элементов 910' могут устанавливаться по периферии наружной поверхности инструмента. В некоторых вариантах осуществления, элементы, чувствительные к тепловым нейтронам, образуют сплошную ленту по поверхности инструмента. Сцинтилляционные элементы такой конструкции, чувствительные к тепловым нейтронам, могут быть чувствительны к тепловым нейтронам, поступающим из пласта (внешние слои) и, независимо, к тепловым нейтронам, поступающим из внутренних частей корпуса инструмента (внутренние слои), например, в основном из растворопровода 930. Промежуточные слои, обогащенные химическими элементами, с большим сечением поглощения тепловых нейтронов (например, бор, гадолиний и т.д.) значительно уменьшают перекрестные помехи между чувствительными слоями. В одном из вариантов осуществления, элементы, чувствительные к тепловым нейтронам, могут размещаться в нескольких "зонах", соответствующих традиционным ближним и дальним детекторам. Таким образом, используя данные от нескольких зон, традиционными методами определяется нейтронная пористость, например, путем вычисления соотношения между числом импульсов от сцинтилляционных элементов SS и LS.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, обеспечивается азимутальная чувствительность к нейтронной пористости в ходе буровых работ. Вращение зонда LWD периодически подвергает разные участки пласта воздействию различными сцинтилляционными элементами. Использование синхронизации по времени с числом оборотов зонда LWD позволяет собирать данные о пористости (и/или другие данные, получаемые при измерениях тепловых нейтронов) для требуемого числа азимутальных секторов в пласте.
По сравнению с существующими инструментами, данные варианты осуществления, обладают повышенной чувствительностью к пласту и уменьшенным влиянием факторов окружающей среды. Детекторы тепловых нейтронов могут иметь значительно большую площадь поверхности. Данная площадь поверхности позволяет существенно увеличить статистическую точность при измерениях пористости. Повышенная точность в сочетании с азимутальной чувствительностью допускает проведение геонавигации по данным детектора. Подобные тросовые инструменты также обладают улучшенной чувствительностью к пласту, уменьшенным влиянием факторов окружающей среды, а также более высокой статистической точностью (допускающей более высокие скорости каротажа).
Как обсуждалось выше, описанные здесь детекторы радиоактивного излучения могут использоваться в сочетании с тросовыми зондами MWD, LWD и другими скважинными инструментами. Пример системы представлен в настоящем документе. На РИС. 10 представлено схематическое изображение системы 1001 со скважинным инструментом 1010, способным собирать данные для оценки целевого параметра пласта 1080. В одном иллюстративном варианте осуществления, инструмент 1010 содержит источник излучения 1020 и детекторы 1030, 1040. Целевые параметры представляют собой данные, относящиеся к геологическим параметрам, геофизическим параметрам, петрофизическим и/или литологическим параметрам.
Система 1001 включает обычную буровую вышку 1060, возведенную на платформе 1070, или на транспортном средстве. Жесткое или гибкое транспортирующее устройство (носитель 1015) способно спускать скважинный инструмент 1010 в ствол скважины 1050 в непосредственной близости от пласта 1080. Носитель 1015 может представлять собой колонну бурильных труб, колтюбинг, каротажный трос, электрический кабель, проводную линию связи и т.д. Скважинный инструмент 1010 может соединяться или комбинироваться с дополнительными инструментами (например, с некоторыми или всеми системами обработки информации с РИС. 10). Таким образом, в зависимости от конфигурации, инструмент 1010 может использоваться входе бурения и/или после окончания бурения ствола скважины 1050. Хотя показана наземная система, но принципы настоящего изобретения могут использоваться для морских или подводных работ. Носитель 1015 включает встроенные жилы для подачи питания и/или передачи данных, обеспечивая прохождение сигнала и/или подачу питания между поверхностью и скважинным оборудованием. Носитель 1015 включает компоновку низа бурильной колонны, которая включает буровой двигатель для вращения бурового долота.
Источник излучения 1020 испускает излучение (например, нейтроны) в разведываемый пласт. В одном варианте осуществления, скважинный инструмент 1010 использует в качестве источника излучения 1020 импульсный генератор нейтронов, испускающий быстрые нейтроны с энергией 14,2 МэВ. Использование импульсного источника нейтронов с энергией 14,2 МэВ является иллюстративным примером, поскольку могут использоваться нейтроны с другими уровнями энергии. В некоторых вариантах осуществления, источник излучения 1020 работает непрерывно. В некоторых вариантах осуществления, используется управляемый источник излучения 1020, управление которым состоит в его "включении" и "выключении", в то время как в стволе скважины источник излучения "включен" постоянно. Измерения, проведенные с использованием данного типа источника, упоминаются как "безисточниковые" измерения, поскольку они используют выключаемый источник, в отличие от непрерывно излучающего химического источника излучения.
Детекторы 1030, 1040 вырабатывают сигналы, используемые для оценки отсчетов излучения (например, числа нейтронов или подсчета гамма-излучения) возвращающегося из пласта. Как правило, детекторы 1030, 1040 размещаются линейно относительно источника излучения. При использовании двух детекторов один из них может представлять собой ближний детектор (SS), а другой дальний детектор (LS), т.е. детекторы располагаются на различных расстояниях от источника излучения. Например, в одном из вариантов осуществления, детекторы 1030 могут представлять собой ближние детекторы, а детекторы 1040 - дальние детекторы. Детекторы SS и LS не ограничены местом размещения на стороне источника излучения и их расстояние от источника излучения может быть одинаковым или разным. Возможно использование дополнительных детекторов для получения дополнительных данных по излучению. Два или несколько детекторов могут представлять собой нейтронные детекторы, детекторы нейтронов или их некую комбинацию. Буровой раствор 1090 находится между пластом 1080 и скважинным инструментом 1010, а эмиссия от источника излучения 1020 проходит через буровой раствор 1090 и достигает пласта 1080, а вызванное излучением возбуждение в пласте 1080 проходит через буровой раствор 1090 и поступает в детекторы 1030, 1040.
В одном варианте осуществления, электронное устройство (не показано), соединенное с детекторами, способно регистрировать отсчеты излучения, по меньшей мере, от двух разнесенных детекторов 1030, 1040 и генерировать зависимое от времени соотношение между разнесенными детекторами, исходя из данных от нескольких серий импульсов. Это обнаружение осуществляется в очень узких временных интервалах или окнах (от 1 до 1000 микросекунд), по существу являясь непрерывным. Данное соотношение может выражаться кривой или другой графической функцией, описывающей комбинацию нескольких значений соотношения. В некоторых вариантах осуществления, исследуемый параметр может оцениваться исходя из разницы между подсчетами импульсов детектором. В данном описании термин "зависящий от времени" широко описывает свойство соотношения изменяться со временем, в отличие от соотношения, которое остается постоянным, что может иметь место при непрерывно излучающем источнике излучения. В некоторых вариантах осуществления, зависящее от времени соотношение усредняется. Соотношения скоростей отсчета от разнесенных по оси детекторов получают в зависимости от времени и графически отображают в виде кривой соотношения, зависящей от времени. Различные свойства пласта можно определить с помощью кривой соотношения зависящей от времени, включая, не ограничиваясь, пористость пласта.
В других вариантах осуществления данные электронные средства могут располагаться в другом месте (например, на поверхности). Для обработки данных за один спуск инструмент использует "высокоскоростную передачу данных", полученных от детекторов 1030, 1040, на поверхность для анализа. Например, линия связи для передачи собранных данных может представлять собой оптическое волокно, металлический проводник, или любую другую проводящую сигнал среду. Следует иметь в виду, что использование линии связи для "высокоскоростной передачи данных" позволяет наземному персоналу отслеживать и контролировать режим работы в "реальном времени".
В соответствии с настоящим изобретением, один или несколько детекторов 1030, 1040 включают сцинтилляционный элемент и, по меньшей мере, один фотоприемник (например, фотоэлектронный умножитель, кремниевый полупроводниковый приемник света, другое устройство ФЭУ, прибор чувствительный к свету или тому подобное) способный подавать выходной сигнал, соответственно вспышкам света.
На блок схеме РИС. 11, согласно настоящему изобретению, представлен один способ 1100 оценки, по меньшей мере, одного целевого параметра пласта 1080 (РИС. 10) использующий модель отсчетов излучения на основе данных, собранных, по меньшей мере, от одного детектора 1030, 1040 для исследуемого параметра. На РИС. 10 и 11 способ 1100 включает этап 1110, на котором источник излучения 1020 испускает ионизирующее излучение в непосредственной близости от пласта 1080. На этапе 1120, данные, связанные с взаимодействием излучения с пластом 1080, собираются одним или несколькими детекторами 1030, 1040. На этапе 1130, исследуемый параметр (например, плотность, пористость и т.д.) пласта 1080 оценивается путем включения в модель одной или нескольких скоростей отсчета от одного или обоих детекторов. Данные, собранные детектором (ами), используется для вычисления разницы между ними или соотношений отсчета нейтронов, приходящихся на детекторы. Оценка исследуемого параметра также включает сравнение или поиск взаимосвязанных признаков в данных отсчета нейтронов в справочной информации по пласту. В некоторых вариантах осуществления, методы 1100 оценки включают этап 1150 использования справочной информации по пласту или формациям. Справочная информация сравнивается с данными отсчета нейтронов на этапе 1130 для оценки исследуемого параметра.
В данном описании термин "данные" включает, не ограничиваясь, одно или несколько следующих понятий: (i) исходные данные, (ii) обработанные данные и (iii) сигналы. Термин "носитель", используемый здесь, означает любой прибор, составную часть прибора, комбинацию приборов, материал или элемент, которые могут применяться для передачи, укрытия, подвески или улучшения использования другого прибора, составной части прибора, комбинации приборов, материала и/или элемента иным образом. Иллюстративными, неограничивающими объем изобретения, транспортирующими устройствами являются шлангокабели, сочлененные колонны бурильных труб и любые их комбинации. Другими примерами транспортирующего устройства являются обсадные трубы, талевые канаты, каротажные кабели, тросовая поволока, инициирующие штанги, внутрискважинные переводники, КНБК, вставыши бурильной колонны, модули, внутренние корпуса и части подложки и самоходные трактора. Используемый выше термин "переводник" относится к любой структуре, способной частично, полностью охватывать корпус или опору устройства. Термин "данные", используемый выше, включает любую форму данных (аналоговую, цифровую, ЭМИ, печатную и т.д.). Термин "процессор" в данном описании включает в себя, не ограничиваясь, любое устройство, которое передает, принимает, обрабатывает, преобразует, высчитывает, модулирует, трансформирует, несет, хранит или иным образом использует данные. Процессор включает микропроцессор, резидентную память и периферийные устройства для выполнения запрограммированных инструкций.
Поскольку прохождение сигналами вещества зависит от длины волны, как самого сцинтилляционного материала, так и соответствующих материалов, таких как световоды, то очень важна высокая степень прохождения сигналов в области сцинтилляционной длины волны, чтобы гарантировать максимальное число сцинтилляционных фотонов достигающих фотоприемника. Таким образом, коэффициент затухания к сцинтилляционного материала часто приводится для длины волны при максимуме сцинтилляционного спектра излучения.
Используемый в данном описании оптически прозрачное вещество представляет собой вещество с высокой степенью светопропускания или с низким коэффициентом затухания. Оптическая прозрачность сцинтиллятора и соответствующих оптических материалов в сцинтилляционных способах может значительно отличаться. Используемый в данном описании штатный режим относится к характеристикам факторов окружающей среды, спрогнозированных для конкретной среды.
В равной степени, "оптически прозрачное" вещество, в контексте настоящего изобретения, означает вещество с потерей не более десяти процентов сцинтилляционных фотонов. Для оптического стекла, типичный коэффициент пропускания при 420-430 нм (максимум эмиссии сцинтилляционной стеклокерамики) может составлять 97 процентов на 10 см длины оптического пути. Используемый в данном описании термин "монолитный" следует понимать как одно большое неделимое тело. Наноструктурная стеклокерамика представляет собой аморфное стекло, содержащее включения нанокристаллов (упорядоченная фаза) (с размерами менее 1 микрона).
Используемый в данном описании термин "оптически соединенный" следует понимать как присоединенный в известном смысле и обеспечивающий практически значимые условия для распространения света в первом веществе для передачи во второе вещество. Например, если соединенные вещества имеют коэффициенты преломления n1 и n2 соответственно, a n1>n2, то практически значимые условия имеют место, если зазор, заполненный оптической смазкой, клеем или т.п., имеет коэффициент преломления равный n3, так чтобы n1>n3>n2.
"Чувствительный к излучению" определяется как параметр чувствительности к излучению, позволяющий обнаруживать эмиссию в ответ на поглощающее излучение таким образом, что поглощенное излучение поддается количественному определению по отношению к эмиссии. Таким образом, в дальнейшем, "восприимчивость к гамма излучению" определяется как параметр обнаружения эмиссии в ответ на поглощаемые гамма-лучи таким образом, что поглощенные гамма-лучи поддаются количественному определению по отношению к эмиссии, а "восприимчивость к нейтронам" определяется как параметр обнаружения эмиссии в ответ на поглощаемые нейтроны таким образом, что поглощенные нейтроны поддаются количественному определению по отношению к эмиссии. Волокно определяется здесь как полугибкий элемент, имеющий диаметр менее 5 мм и/или соотношение максимальной длины к максимальной ширине в поперечном сечении более 100.
Под термином "по существу все" сцинтилляции, распространяющиеся, по существу, только вдоль волокон, подразумевается достаточно большая часть сцинтилляций, позволяющая использовать только те сцинтилляции, распространяющиеся вдоль волокон (их отклонения и сравнительные характеристики, например, разности, коэффициенты, скорости изменения и так далее), которые позволяют определить исследуемый параметр пласта, а примерными значениями данной части являются, например, по меньшей мере, 90 процентов, по меньшей мере, 95 процентов, по меньшей мере, 99 процентов, по меньшей мере, 99,9 процента и т.д., вплоть до включая всех сцинтилляций.
Используемый выше термин "поглощать" означает поглощение в смысле преобразования ионизирующего излучение в другой обнаруживаемый признак, например, фотоны. Используемый выше, термин "падающий" или "падающий на" относится к падению на физическую область или проникновению за определенные границы (например, проникновение в вещество). Фотоприемник означает здесь, любой прибор чувствительный к свету, например, фотоумножитель, способный обнаружить и определить количество вспышек света для целей, описанных в настоящем документе. "Световой выход" определяется как число сцинтилляционных фотонов, излученных на 1 единицу поглощенного излучения. Например, число сцинтилляционных фотонов, излученных на 1 поглощенный нейтрон детекторами нейтронов, или число сцинтилляционных фотонов, излученных на 1 единицу поглощенной энергии гамма-излучения (как правило, на 1 МэВ) детекторами гамма-излучения.
В соответствии с РИС. 10 некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы с помощью аппаратных средств, включающих в себя процессор 1011, материальный носитель информации 1013, устройство ввода 1017, память процессора 1019, а также периферийный материальный носитель информации 1009. Аппаратные средства могут находиться в скважине, на буровой установке, или на удаленном терминале. Более того, отдельные компоненты аппаратных средств могут распределяться среди этих мест. Устройство ввода 1017 может представлять собой устройство считывания данных или пользовательское устройства ввода, например, устройство считывания карт памяти, клавиатура, USB порт и т.д. Материальный носитель информации 1013 хранит информацию, полученную от детекторов. Материальный носитель информации 1013 представляет собой любой энергонезависимый машиночитаемый носитель для стандартного хранения компьютерной информации, например, флешка, карта памяти, жесткий диск, ОЗУ, стираемое ППЗУ, электрически программируемое ПЗУ, флэш-память и оптические диски или другие обычно используемые системы хранения памяти, известные любому специалисту в данной области техники, включая хранение данных интернете. Материальный носитель информации 1013 хранит программу, при выполнении которой процессор 1011 выполняет описанный способ. Материальный носитель информации 1013 также хранить информацию о пласте, предоставленную пользователем, или информация о пласте может храниться на периферийном материальном носителе информации 1009, который может представлять собой любое устройство хранения данных стандартного компьютера, такое как флешка, карта памяти, жесткий диск, ОЗУ, или другая обычно используемая система хранения памяти, известная любому специалисту в данной области техники, включая хранение данных интернете. Процессор 1011 может представлять собой любой тип компьютера или аппаратного средства математической обработки, включая аппаратные средства на базе интернета. При загрузке программы с материального носителя 1013 в память 1019 процессора (например, ОЗУ компьютера), программа, выполняемая процессором 1011, извлекает данные детектора с любого материального носителя 1013 или периферийного материального носителя 1009 информации и обрабатывает данные для оценки исследуемого параметра. Процессор 1011 может располагаться на поверхности или в скважине.
Настоящее изобретение восприимчиво к различным вариантам осуществления. Хотя настоящее изобретение обсуждается в контексте углеводородной добывающей скважины, следует понимать, что настоящее изобретение может быть использовано в любой скважинной среде (например, в геотермальной скважине). На чертежах показаны, а в документе подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения с пониманием того, что данное описание следует рассматривать как иллюстративное и не предназначенное для ограничения объема данного изобретения. Поскольку упомянутое выше описание направлено на некоторые, не ограничивающие объем настоящего изобретения, иллюстративные примеры осуществления, возможны различные модификации, очевидные специалистам в данной области техники. Предполагается, что все вариации охватываются вышеприведенным описанием.
1. Инструмент оценки пласта, обнаруживающий излучение в скважине, пробуренной в формации, содержащий
детектор, включающий монолитный сцинтилляционный элемент, содержащий когерентную сборку соединенных волокон, отличающийся тем, что волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества.
2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что волокна, по меньшей мере, i) восприимчивы к гамма-излучению или ii) восприимчивы к нейтронам.
3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентная сборка волокон содержит первый слой волокон, образующих первый компонент, чувствительный к излучению, и второй слой волокон, образующий оптически прозрачный световод.
4. Инструмент по п. 3, отличающийся тем, что когерентная сборка волокон содержит третий слой волокон, внутренней по отношению к первому слою и второму слою, образующий второй компонент, чувствительный к излучению; и отличающийся тем, что
первый компонент, чувствительный к излучению, способен обнаруживать нейтроны из формации;
второй слой волокон изготавливается из оптически прозрачного материала, поглощающего нейтроны; и
второй компонент, чувствительный к излучению, способен обнаруживать нейтроны из скважины.
5. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) органические кристаллические сцинтилляционные материалы, ii) аморфное стекло и iii) наноструктурированную стеклокерамику.
6. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентная сборка волокон является асимметричной.
7. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентную сборку волокон окружает дополнительное сцинтилляционное вещество, обладающее другими сцинтилляционными характеристиками, чем основное сцинтилляционное вещество.
8. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что сборка волокон дополнительно включает несколько прутков тяжелых металлов, перемежающихся, по существу, параллельно волокнам.
9. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что сцинтилляционное вещество содержит, по меньшей мере, i) DSB:Ce и ii) стекло или стеклокерамику, содержащую 6Li.
10. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что сцинтилляционный элемент окружает оптический световод, содержащий вторую когерентную сборку термически соединенных волокон.
11. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентная сборка волокон конфигурируется таким образом, чтобы свет распространялся, по существу, параллельно продольной оси волокна.
12. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть волокон имеет облицовку.
13. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентная сборка волокон представляет собой сплошную массу.
14. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что когерентная сборка соединенных волокон осуществлена термически.
15. Способ обнаружения излучения в скважине, пробуренной в формации, включающий
использование монолитного сцинтилляционного элемента, содержащего когерентную сборку соединенных волокон, генерирующих световые вспышки в ответ на излучение скважины, отличающийся тем, что волокна изготовлены из оптически прозрачного сцинтилляционного вещества.
