CN104880736B - 自然伽马能谱测井仪及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自然伽马能谱测井仪，包括探棒，操作台及绞车电缆；所述探棒与操作台通过绞车电缆连接通讯，其包括探测器和电子学系统；所述探测器包括稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路。探棒内的电子学系统包括放大器、多道分析器、控制器、存储器、高压电源和低压电源，所述探测元件为BGO晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱装置包括壳体以及设置于所述壳体中的稳谱物质，所述稳谱装置压成饼状，且放于所述壳体中。本发明的自然伽马能谱测井仪，采用BGO或LaBr3(Ce)晶体探测器，灵敏度高、分辨率好，内置天然物质自动稳谱，使用方便，主要测量井下岩石中的自然放射性造成的总计数率、天然铀、钍、钾的含量及分布数据资料。
Description
技术领域
本发明涉及放射性测量设备领域，具体地说，特别涉及到一种测量岩石中铀、钍、钾等含量的自然伽马能谱测井仪及其工作方法。
背景技术
自然伽马测井是在井内测量岩层的天然伽马射线强度来研究地质问题的一种测井方法。岩石一般都含有不同数量的放射性元素，并且不断地放出射线。利用这些规律，根据自然伽马测井结果就有可能划分出钻孔的地质剖面、确定砂泥岩剖面中砂岩泥质含量和定性地判断岩层的渗透性。
自然伽马测井的一个直接用途是用来找出放射性矿产(铀、钍等)，以及具有放射性的其他矿产，如钾盐。
自然伽马测井仪器由井下仪器(探测器、放大器、高压电源等)和地面仪器(控制、显示等)组成。地层中的伽马射线通过泥浆到达探测器，形成电信号，通过电缆到达地面仪器，对电脉冲数进行记录。井下仪器在井眼中自下而上移动测量，就连续记录不同深度岩层的自然伽马强度，称为自然伽马测井曲线(GR)。
自然伽马测井记录的是能量大于100keV的所有伽马光子造成的记数率或标准化读数。它只能反映地层中所有放射性核素的总效应，而不能区分这些核素的种类，地层所能提供的信息没有得到充分的利用。自然伽马能谱测井(NGS)不但测量自然放射性造成的总计数率，而且伽马射线的能量进行分类，根据射线能量的信息，可以确定地层铀、钍、钾的含量。自然伽马能谱测井的应用主要有确定地层泥质含量、研究生油层、寻找高放射性储集层、寻找页岩储集层、用Th/U研究沉积环境、确定粘土矿物类型等。
自然伽马能谱测井仪不但要测出伽马射线的强度，而且要探测出伽马射线的能量。由于井下温度变化范围很大，晶体和光电倍增管对温度十分灵敏，温度变化将引起输出脉冲幅度的改变，导致谱信号记入错误的能窗，因此，稳谱措施是自然伽马能谱测井仪设计中很重要的一环。
能谱仪在使用过程中，探测器的发光效率，光电倍增管的增益，放大器的增益，高压的稳定性等会随着环境温度、温度的改变而变化，能谱仪测得的能谱形状及峰位会受到环境影响而发生漂移。为克服峰漂，需要峰漂校正(稳谱)。常用的峰漂校正方法采用已知能量的参考源(内置放射源、内置LED发光模拟射线、天然本底谱特征峰等)，将参考源的信号选择出来，通过对计数率的比较，调节放大器或高压，补偿有关变化，使参考源给出的信号幅度不变，从而使被测信号幅度也可稳定，达到稳谱的目的。调节放大器或高压的参数要反复进行，稳谱所需时间长，稳谱精度低。
另外，内置LED发光模拟射线稳谱，只能补偿光电倍增管的增益，放大器的增益，高压变化带来的峰漂，而探测器的发光效率变化带来的峰漂没有校正，稳谱精度较低；内置放射源稳谱，放射源的使用会带来监管和安全等一系列问题；天然本底谱特征峰稳谱，由于天然本底变化大，在天然放射性核素含量低的地区，稳谱时间长，甚至无法稳谱。
目前测井用的探测器主要是闪烁晶体探测器，以NaI晶体为主，也有少量CsI、BGO、GSO晶体。NaI晶体在能量分辨率及灵敏度还不足以保证测量数据的高精确度。BGO、LaBr3等探测效率和分辨能力更高的探测器将在测井中得到应用。
国内以自然伽马测井仪为主，自然伽马能谱测井仪较少。自然伽马测井只能反映地层中所有放射性核素的总效应，地层所能提供的信息没有得到充分的利用。自然伽马能谱测井不但测量自然放射性造成的总计数率，而且伽马射线的能量进行分类，能提供更多的信息。用户对自然伽马能谱测井产品有很大的需求。
发明内容
本发明实际需要解决的技术问题之一是：针对现有技术中的不足，提供一种自然伽马能谱测井仪，采用BGO或LaBr3(Ce)晶体探测器，灵敏度高、分辨率好，内置天然物质自动稳谱，使用方便，主要测量井下岩石中的自然放射性造成的总计数率、天然铀、钍、钾的含量及分布数据资料。
本发明实际需要解决的技术问题之一是提供上述自然伽马能谱测井仪的工作方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
自然伽马能谱测井仪，包括探棒，操作台及绞车电缆；所述探棒，包括第一外壳，以及设置在所述第一外壳内的探测器和第一电子学系统；所述探棒与所述操作台通过所述绞车电缆连接通讯；
所述探测器包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述第一电子学系统的信号输入端连接；
所述第一电子学系统包括放大器、多道分析器、第一控制器、第一存储器、高压电源和第一低压电源；所述放大器的信号输入端构成所述第一电子学系统的信号输入端，与所述前置放大电路的信号输出端连接；所述放大器的信号输出端依次连接多道分析器和第一控制器；所述第一控制器与第一存储器连接，所述第一低压电源分别与探测器中的前置放大电路连接进行供电，与所述电子学系统中的放大器、多道分析器、第一控制器、第一存储器连接进行供电，以及与高压电源连接进行供电；所述高压电源与所述探测器中的光电倍增管连接供电。
所述操作台包括第二外壳，以及设置在所述第二外壳内的第二电子学系统；所述第二电子学系统包括第二控制器、第二存储器、显示器和第二低压电源；所述显示器设置在所述操作台的第二外壳上；所述第二低压电源分别与第二控制器、第二存储器、显示器连接供电；所述探棒内第一电子学系统的第一控制器与所述操作台内第二电子学系统的第二控制器通过所述绞车电缆连接通讯，其中
所述探测元件为BGO晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱装置包括第三壳体以及设置于所述第三壳体中的稳谱物质，所述稳谱装置压成饼状，且放于所述第三壳体中。
在本发明的一个优选实施例中，所述探测元件为BGO晶体时，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀或钍的物质。
在本发明的一个优选实施例中，所述探测元件为LaBr3(Ce)晶体晶体时，所述稳谱物质为含天然放射性核素铀或钍的物质。
上述自然伽马能谱测井仪的工作方法，包括如下步骤：
首先在0℃-20℃温度下，采用多种标准源对所述的自然伽马能谱测井仪进行能量刻度，取得所述探棒中的第一电子学系统的多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)，并将其存储于所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中；
所述自然伽马能谱测井仪具有后台程序进行自动稳谱，工作过程如下：
所述自然伽马能谱测井仪开机自检后，启动后台稳谱，执行以下动作：
1)采集开机后的能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中；
4)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
5)然后读取存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
6)令Cp新＝Cp'，将Cp新参数存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线(能量为Ec)的峰位Cp；
7)重复步骤4)、5)、6)的动作；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若自然伽马能谱测井仪接收到操作台发出的操作按键命令，进入测量模式，执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中的Cp新参数，在探棒中的第一电子学系统的第一存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei＝f(Ci)，得到Cp新道对应的能量Ep；
c)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei＝f(Ci)*Ep/Ec；
d)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分两个低能能窗及钾、铀、钍三个高能能窗共五个能窗，取得五个能窗的计数率；
e)由五个能窗的计数率，计算自然伽马总计数率GR及钾、铀、钍的含量；
f)将测量结果上传并显示在操作台的显示器上，同时存储于操作台的存储器中。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用BGO晶体代替碘化钠晶体作为伽玛探测元件，匹配灵敏度高的光电倍增管，BGO晶体不潮解，化学性能稳定，机械强度好，不需要防潮密封外包装。探测器灵敏度高，体积小，重量轻，稳定可靠。
2、采用LaBr3(Ce)晶体代替碘化钠晶体作为伽玛探测元件，匹配灵敏度高的光电倍增管，探测器灵敏度高，分辨率好，温度系数小，测量更加准确。
3、采用非放射源稳谱技术，无需放射源校正，内置稳谱物质(非放射源)自动稳谱，稳谱速度快，精度高，使用安全方便。
附图说明
图1为本发明所述的自然伽马能谱测井仪的探棒的结构示意图；
图2为本发明所述的探测器的结构示意图；
图3为本发明所述的稳谱装置的结构示意图；
图4为本发明所述的探测器的电子学系统的结构框图。
图5为本发明所述的操作台的电子学系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明所述的自然伽马能谱测井仪，包括探棒，操作台及绞车电缆。参见图1，所述探棒包括外壳30，以及设置在外壳30中的探测器10和电子学系统20。所述探棒与所述操作台通过所述绞车电缆连接通讯。
如图2所示，所述探测器10包括屏蔽外壳11、稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16；所述稳谱装置12、探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16设置在所述屏蔽外壳11内，所述稳谱装置12置于所述探测元件13前端，所述探测元件13、光导元件14、光电倍增管15和前置放大电路16依次互相连接，所述前置放大电路16的输出端与所述电子学系统20的信号输入端连接。
如图3所示，所述稳谱装置12由壳体120及放置在壳体中的稳谱物质121组成，所述稳谱物质121为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质，如碳酸钾、氯化钾、氧化钍、硝酸钍等中的一种，压成饼状，置于壳体120中。
所述探测元件13为BGO晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种。
如图4所示，所述探棒的电子学系统20包括放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24、高压电源25和低压电源26。所述放大器21的信号输入端与所述前置放大电路16的输出端的信号输出端连接，所述前置放大电路16的输出端经放大器21的输出端依次连接多道分析器22和控制器23，所述控制器23与存储器24连接，所述低压电源26分别与探测器10中的前置放大电路16连接供电，与电子学系统20中的放大器21、多道分析器22、控制器23、存储器24连接供电，以及与高压电源25连接供电，所述高压电源25与所述探测器10中的光电倍增管15连接供电。
所述操作台包括外壳，以及设置在所述外壳内的电子学系统40。如图5所示，所述电子学系统40包括控制器41、存储器42、显示器43和低压电源44；所述显示器43设置在所述操作台外壳上；所述控制器41与存储器42和显示器43连接，所述低压电源44分别与控制器41、存储器42、显示器43连接供电；所述探棒内电子学系统40的控制器41与所述操作台内电子学系统20的控制器23通过所述绞车电缆连接通讯。
本发明的自然伽马能谱测井仪的工作方法，包括如下步骤：
首先在0℃-20℃温度下，采用多种标准源，例如241Am、137Cs、60Co、152Eu、232Th等对所述的自然伽马能谱测井仪进行能量刻度，取得多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)，并将其存储于所述探测器10内的电子学系统20的存储器24中；
所述自然伽马能谱测井仪具有后台程序进行自动稳谱，工作过程如下：
所述自然伽马能谱测井仪开机自检后，启动后台稳谱，执行以下动作：
1)采集开机后的第一次能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在所述探测器10内的电子学系统20的存储器24中；
4)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
5)然后读取存储在所述探测器10内的电子学系统20的存储器24中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
6)令Cp新＝Cp'，将Cp新参数存储在所述探测器10内的电子学系统20的存储器24中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线(能量为Ec)的峰位Cp；
7)重复步骤4)、5)、6)的动作；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若自然伽马能谱测井仪接收到操作台发出的操作按键命令，进入测量模式，执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在所述探测器10内的电子学系统20的存储器24中的Cp新参数，在存储器24中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei＝f(Ci)，得到Cp道对应的能量Ep；
c)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei＝f(Ci)*Ep/Ec；
d)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分两个低能能窗及钾、铀、钍三个高能能窗共五个能窗，取得五个能窗的计数率；
e)由五个能窗的计数率，计算自然伽马总计数率GR及钾、铀、钍的含量；
f)将测量结果上传并显示在操作台的显示器43上并存储于存储器42中。
基于上述技术方案，本发明的具体实施如下：
实施例1
在本实施例中，探测元件13为BGO晶体，Φ25×40mm，光电倍增管15采用滨松R6094光电倍增管，稳谱物质121为分析纯碳酸钾，质量20g，压成Φ25×25mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为300s，Ec为1.46MeV(40K的特征峰)，寻找钾的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
相比目前能谱仪中常用的碘化钠晶体，锗酸铋晶体(BGO)具有原子序数大(有效原子序数74)，密度高(7.13g·cm-3)，相同尺寸的BGO晶体，其γ射线的全能峰效率是碘化钠晶体的3倍以上。BGO晶体不潮解，化学性能稳定，机械强度好，不需要防潮密封外包装。采用BGO晶体制成的探测器灵敏度高，体积小，重量轻，稳定可靠。
按照上述设计方案形成相应的自然伽马能谱测井仪，探测灵敏度高，稳谱迅速可靠，测量准确。
实施例2
在本实施例中，探测元件13为LaBr3(Ce)晶体，Φ25×40mm，光电倍增管15采用ET9125B光电倍增管，稳谱物质121为分析纯二氧化钍，质量10g，压成Φ10×8mm，置于壳体120中。稳谱时，能谱采集时间tc为120s，Ec为2.62MeV(232Th的特征峰)，寻找钍的峰位Cp，对能谱仪进行能量刻度。
LaBr3(Ce)晶体具有原子序数较大、密度高、能量分辨率好(对662kev，3％左右)、光输出高、温度系数小等特点。采用LaBr3(Ce)晶体制成的探测器灵敏度高，分辨率好，温度系数小。相对于碘化钠晶体，LaBr3(Ce)晶体更适合能谱测量，特别是伽马能谱测井的应用。
按照上述设计方案形成相应的自然伽马能谱测井仪，探测灵敏度高，稳谱迅速可靠，分辨率3.2％，测量更加准确。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.自然伽马能谱测井仪，包括探棒，操作台及绞车电缆；所述探棒，包括第一外壳，以及设置在所述第一外壳内的探测器和第一电子学系统；所述探棒与所述操作台通过所述绞车电缆连接通讯；
所述探测器包括屏蔽外壳、以及安装于所述屏蔽外壳内的稳谱装置、探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路；所述稳谱装置位于所述探测元件前端，所述探测元件、光导元件、光电倍增管和前置放大电路依次互相连接，所述前置放大电路的输出端与所述第一电子学系统的信号输入端连接；
所述第一电子学系统包括放大器、多道分析器、第一控制器、第一存储器、高压电源和第一低压电源；所述放大器的信号输入端构成所述第一电子学系统的信号输入端，与所述前置放大电路的信号输出端连接；所述放大器的信号输出端依次连接多道分析器和第一控制器；所述第一控制器与第一存储器连接，所述第一低压电源分别与探测器中的前置放大电路连接进行供电，与所述第一电子学系统中的放大器、多道分析器、第一控制器、第一存储器连接进行供电，以及与高压电源连接进行供电；所述高压电源与所述探测器中的光电倍增管连接供电；
所述操作台包括第二外壳，以及设置在所述第二外壳内的第二电子学系统；所述第二电子学系统包括第二控制器、第二存储器、显示器和第二低压电源；所述显示器设置在所述操作台的第二外壳上；所述第二低压电源分别与第二控制器、第二存储器、显示器连接供电；所述探棒内第一电子学系统的第一控制器与所述操作台内第二电子学系统的第二控制器通过所述绞车电缆连接通讯，其特征在于，所述探测元件为BGO晶体或LaBr3(Ce)晶体中的一种；所述稳谱装置包括第三壳体以及设置于所述第三壳体中的稳谱物质，所述稳谱装置压成饼状，且放于所述第三壳体中；
所述的自然伽马能谱测井仪的工作方法，由以下步骤如下：
首先在0℃-20℃下，采用多种标准源对所述的自然伽马能谱测井仪进行能量刻度，取得所述探棒中的第一电子学系统的多道分析器道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)，并将其存储于所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中；
所述自然伽马能谱测井仪具有后台程序进行自动稳谱，工作过程如下：
所述自然伽马能谱测井仪开机自检后，启动后台稳谱，执行以下动作：
1)采集开机后的能谱，采集时间为设定的时间tc；
2)在全谱范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp；若稳谱物质分别为含钾、铀、钍的物质时，特征γ射线能量Ec分别为1.46MeV、1.76MeV、2.62MeV；
3)将Cp参数存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中；
4)采集能谱，采集时间为设定的时间tc；
5)然后读取存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中的Cp参数，在Cp左右各n道，即Cp-n至Cp+n范围内进行寻峰计算，得到稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的新的峰位Cp'；
6)令Cp新＝Cp'，将Cp新参数存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中，替换上次得到的稳谱物质所含天然放射性核素的特征γ射线的峰位Cp，特征γ射线的能量为Ec；
7)重复步骤4)、5)、6)的动作；
上述的n为寻峰窗宽参数，其取值范围为5-20；
若自然伽马能谱测井仪接收到操作台发出的操作按键命令，进入测量模式，执行以下动作：
a)采集能谱，采集时间为设定的测量时间tm；
b)能谱采集完成后，然后读取存储在所述探棒中的第一电子学系统的第一存储器中的Cp新参数，在探棒中的第一电子学系统的第一存储器中读取预置的道址与对应的γ射线能量的对应关系Ei＝f(Ci)，得到Cp新道对应的能量Ep；
c)重新对能谱仪进行能量刻度，道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系变为Ei＝f(Ci)*Ep/Ec；
d)根据新的道址Ci与γ射线能量Ei的对应关系Ei＝f(Ci)*Ep/Ec，在采集的能谱中分别划分两个低能能窗及钾、铀、钍三个高能能窗共五个能窗，取得五个能窗的计数率；
e)由五个能窗的计数率，计算自然伽马总计数率GR及钾、铀、钍的含量；
f)将测量结果上传并显示在操作台的显示器上，同时存储于操作台的存储器中。
2.如权利要求1所述的自然伽马能谱测井仪，其特征在于：所述探测元件为BGO晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素钾、铀、钍的物质。
3.如权利要求1所述的自然伽马能谱测井仪，其特征在于：所述探测元件为LaBr3(Ce)晶体，所述稳谱物质为含天然放射性核素铀、钍的物质。
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