CN105683500A

CN105683500A - 用于测井应用的复合高温伽马射线检测材料

Info

Publication number: CN105683500A
Application number: CN201480049709.9A
Authority: CN
Inventors: M·瓦西里耶夫; V·N·克哈巴社斯库; A·费多罗夫; M·科尔吉克
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-06-15
Also published as: EP3044412A4; US20150076335A1; EP3044412A1; WO2015038900A1

Abstract

一种用于检测伽马射线的设备包括：包括透光材料的伽马射线检测材料，其具有多个纳米微晶，其中所述多个纳米微晶中的每一个都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中所述重原子和所述激活原子在所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的周期性晶体结构中具有位置；和光电检测器，所述光电检测器光学地耦接至所述伽马射线检测材料，并配置以检测从所述闪烁中发出的可见光子，并提供与所检测到的可见光子相关的信号。

Description

用于测井应用的复合高温伽马射线检测材料

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年9月13日提交的美国申请第61/877559号的权益，该申请全部内容以引用方式并入本文中。

背景技术

地质地层用于多种目的，诸如烃生产、地热生产和二氧化碳隔离。通常，地层被表征以确定该地层是否适用于其要求的目的。

表征地层的一种方法是将井下工具传送通过穿透地层的钻孔。该工具配置成执行钻孔中各个深度处的地层的一种或多种性质的测量以建立测井记录。

多种记录可用于表征地层。在称为天然伽马射线记录的一种记录中，伽马射线检测器设置在井下工具中。随着井下工具传送通过钻孔，伽马射线检测器检测到从地层发射出的天然伽马射线。记录并分析检测器响应。从检测器响应展示出的能量峰，可确定地层中存在某些矿物质。在另一种类型的井下工具中，伽马射线检测器配置成检测由用中子照射地层所产生的伽马射线，以评估地层密度或孔隙度。可以理解的是，提高伽马射线检测器的灵敏度可提高地层表征的准确度。

发明内容

公开了一种用于检测伽马射线的设备。该设备包括：伽马射线检测材料，其包括透光材料，其具有多个纳米微晶，其中多个纳米微晶中的每一个纳米微晶都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中重原子和激活原子在多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的周期性晶体结构中具有位置；以及光电检测器，其光学地耦接至伽马射线检测材料，并配置成检测从闪烁中发射出的可见光子并提供与所检测到的可见光子相关的信号。

还公开了一种用于评估由钻孔穿透的地层的性质的设备。该设备包括：载具，其配置成传送通过钻孔；伽马射线检测器，其设置在载具处且包括伽马射线检测材料，该伽马射线检测材料具有透光材料，其具有多个纳米微晶，其中多个纳米微晶中的每一个纳米微晶都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中重原子和激活原子在多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的周期性晶体结构中具有位置；光电检测器，其光学地耦接至中子检测材料，并配置成检测从闪烁中发射出的可见光子并提供与所检测到的可见光子相关的信号；以及处理器，其配置成使用信号来评估性质。

还公开了一种用于评估由钻孔穿透的地层的性质的方法。该方法包括：将载具传送通过钻孔；使用伽马射线检测器接收来自地层的伽马射线，该伽马射线检测器具有透光材料，其具有多个纳米微晶，其中多个纳米微晶中的每一个纳米微晶都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中重原子和激活原子在多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的周期性晶体结构中具有位置；使用光电检测器接收由闪烁发射出的可见光子以产生信号；以及使用接收信号的处理器来评估性质。

附图说明

以下描述无论如何都不应视作限制性的。参照附图，相同的元件编号相同：

图1示出了井下工具的一个示例性实施例，该井下工具具有设置在穿透地层的钻孔中的伽玛射线检测器；

图2描绘了设置在伽玛射线检测器中的纳米微晶伽玛射线检测材料的示意性结构的方面；

图3描绘了用于合成伽马射线检测材料中纳米微晶的第一温度程序的方面；

图4描绘了用于合成伽马射线检测材料中纳米微晶的第二温度程序的方面；

图5是用于评估地层性质的方法的流程图。

具体实施方式

公开了用于检测井下工具中伽马射线的设备和方法，其具有提高的灵敏度且因此提高了准确度。在一个或多个实施例中，通过使用本领域已知的处理技术，测井操作过程中检测到的伽马射线用来评估地层的性质，诸如，密度、孔隙度或矿物质成分。

参照附图，在此通过举例而非限制的方式给出了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。

图1示出了井下工具10的示例性实施例，井下工具10设置于穿透地面3的钻孔2中，其包括地层4。地层4表示任何所关注的地下材料。井下工具10由载具14传送通过钻孔2。在图1的实施例中，载具14是钻柱5。钻头6设置于钻柱5的远端。钻机7配置为进行钻井作业，例如旋转钻柱5，并由此旋转钻头6以钻入钻孔2。此外，钻机7配置为将钻井液泵送通过钻柱5以润滑钻头6，且冲洗来自钻孔2的钻屑。井下工具10配置为钻孔2被钻入或在称为随钻测井(LWD)的应用中临时停止时执行地层测量。在称为电缆测井的替代性测井应用中，载具14为配置成将井下工具10传送通过钻孔2的铠装电缆。

仍然参照图1，井下工具10包括伽马射线检测器8，其配置为检测地层4发射出的伽马射线。伽马射线检测器8包括光学耦接至光电检测器11的伽马射线检测材料9。光学窗口可以用作伽马射线检测材料和光电检测器之间的界面。对伽马射线透明的外壳可以用作容纳伽马射线检测材料、光学窗口以及光电检测器。伽马射线检测材料9配置为与来自地层4的入射伽马射线相互作用，以通过闪烁过程产生光子。光电检测器11配置为检测所产生的光子且并提供电信号，例如电流或电压脉冲，其具有与入射光子的物理特性相对应的特征。例如，光电检测器的输出可以用于产生数量与能量曲线图，其具有与一个或多个化学元素相对应的一个或多个峰值。因此，检测到从地层发射出的伽马射线，可通过使用如本领域技术人员已知的来自伽马射线检测器的输出信号来确定一个或多个性质，例如化学组成或特定矿物质的存在。光电检测器11的非限制性实施例包括光电倍增管(PMT)和固态半导体器件。

再次参照图1，伽马射线检测器8耦接至井下电子器件12。井下电子器件12配置成操作井下工具10，处理来自地层测量的数据，和/或提供通过遥测系统将数据传递至地面计算机处理系统13的界面。在一个或多个实施例中，井下电子器件12可提供操作电压至伽马射线检测器8并且测量或计算由伽马射线检测所产生的电流或电压脉冲。诸如计算检测到的伽马射线或确定地层性质的处理功能可以通过井下电子器件12、地面计算机处理系统13，或其组合来执行。在一个或多个实施例中，该处理可以包括将光电检测器输出与参照进行对比来确定地层性质。

图2描绘了伽马射线检测材料9的示意结构的各方面。多个纳米微晶45设置于玻璃基体30中。该玻璃基体是透光材料，且包括原子60，例如铝、硅和氧。每个纳米微晶45都具有周期性晶格结构。该周期性晶格结构中的位置被重原子35和激活原子50所占据(应该注意在单一纳米微晶内部可以存在至少数千个重原子和数百个激活原子，以及轻原子)。为了说明的目的，多个纳米微晶45被示为具有球形边界，而纳米微晶可以具有晶状边界。每个纳米微晶45的直径或尺寸通常在大约100nm至小于1000nm的范围内。

重原子35具有大于或等于55的原子数。重原子35与入射伽马射线相互作用(也称为-量子)并且发射“热”电子40。术语“热”涉及具有提升能量的电子或空穴，其使得高能电子或空穴可传递或传输。“热”电子传输并与激活原子50相互作用，以产生闪烁过程而导致产生可见光子。如上所述，所产生的可见光子由光电检测器11所检测。可以理解入射γ-量子(即，伽马射线)的能量越高，由重原子35发射的“热”电子的总能量将越高，使得所产生和检测的可见光子的数量增加。所检测到的光子数量的增加将对应于由光电检测器11输出的信号或脉冲级别的增加。如图2所示，纳米微晶45外部的玻璃基体30包括重原子35和激活原子50。在一个或多个实施例中，在纳米微晶45和纳米微晶45外部的玻璃基体30中的重原子35属于相同类型(即，相同元素)。同样的，在纳米微晶45和纳米微晶45外部的玻璃基体30中的激活原子50属于相同类型(即，相同元素)。在替代实施例中，多于一种类型的重原子35和/或激活原子50可在纳米微晶和/或玻璃基体30中。

可以理解的是，与现有技术的伽马射线检测器相比，具有纳米结构伽马射线检测材料9的伽马射线检测器8提高了转换效率。效率提高是因为检测器材料中存在闪烁纳米微晶45，纳米微晶45是在以其一定体积比的受控再结晶过程中形成在检测器玻璃体中。在这些闪烁纳米微晶中，原子形成规则的晶格结构，然而纳米微晶周围的原子仍然是随机分布，形成常规非晶(不规则)玻璃结构。注意，在闪烁纳米微晶内部的这些原子包括重原子35和激活原子50。在非晶结构中，由于到激活原子50能量转移的不足，只有一小部分“热”电子能量损耗被转化为闪烁辐射，而且γ-量子的大部分主要吸收能量不能有效地在材料加热时损耗，从而无闪烁。而在γ-量子在纳米微晶内部以及非晶介质周围传送时，它们产生“热”电子40，“热”电子的所有能量损耗在其与形成晶格的原子相互作用时可以有效地(比非晶结构效率高数倍至100倍)经由激子能量转移机制输送给激活原子50。

因此，i)由于激子机制，将激活原子50放入闪烁纳米微晶提高了从“热”电子至激活原子的能量转移，ii)将重原子35放入闪烁纳米物体提高了由纳米微晶内部的闪烁产生的“热”电子的数量，这补偿了检测器材料中重原子35的密度，其相对较低，通常不大于30百分原子数。

还应注意，根据再结晶工艺条件，高达80％的总体积的检测器材料30可在没有检测器材料的光学透明度损耗的情况下转变为纳米微晶。这还意味着：检测器材料中高达80％的重原子35和激活原子50位于纳米微晶内部。

其次还讨论了选择激活原子和闪烁材料的方面。通常，相对于从室温至200℃的温度范围，闪烁光输出的可接受温度依赖性由掺杂闪烁材料显示。具有这类性质的闪烁材料的例子是由Ce³⁺和Pr³⁺离子激活的单晶化合物。这些化合物中的闪烁过程由构型间辐射跃迁5d→f(Сe³⁺)和4f5d→f²(Pr³⁺)实现，其具有高至200℃的低输出(LY)温度依赖性。例如，如YAlO₃:Ce等闪烁材料具有较高LY参数，快速闪烁过程，且其LY有高达100℃的小幅变化。用镥部分替换钇使LY值减小，但使得LY温度依赖性LY(T)提高，使得其可稳定的高达200℃。这些材料具有较小有效电荷Z_有效，而且对于“软”(较低能量)γ射线的检测具有优选性。一些Pr³⁺掺杂材料展示出更好的LY(T)依赖性，例如YAlO₃:Pr³⁺，但其还具有较小Z_有效。Pr(Lu₃Al₅O₁₂:Pr或LuAG:Pr)掺杂的镥铝石榴石的闪烁晶体甚至在50-170℃的温度范围内表现出渐长的LY(T)依赖性。同时，Lu含有大量的发射β粒子的自然放射性同位素。基于LAG:Pr的闪烁检测器的信号中，这种自辐射背景使得在检测器中使用这种材料进行自然伽马射线测井测量变得不可能。与基于相同基体并且由Ce³⁺激活的闪烁体相比，由Pr3+激活的闪烁材料在高温下(随着T增大，LY减少得更少)具有更好的LY(T)依赖性，这是由于构型间辐射跃迁具有更高的更快运动。对于Pr³⁺来说，比Ce³⁺快约两倍。由于这个事实，电子激发态的无辐射弛豫对于闪烁过程的影响在Pr³⁺掺杂的材料中更小。

复合纳米微晶材料克服了单晶材料的缺陷。在复合纳米微晶材料中，在同样含有重原子的纳米微晶周围的玻璃基体中可实现有利的重原子组合。在此，纳米微晶主要有以下要求。第一，它们的尺寸必须在纳米级，小于闪烁光的波长，从而防止复合纳米微晶材料内部的光散射。在一个或多个实施例中，每个纳米微晶的直径或尺寸比由闪烁发射的光的波长小至少四倍。第二，纳米微晶必须呈现出较高的闪烁光输出，因此，它们应该足够大且含有大量晶格单元，以便提供有效的激子能量转移机制。在纳米微晶的折射率接近于玻璃基体的折射率的情况下(其通常为这样一种情况：纳米微晶在结晶过程中在玻璃基体内部产生)，纳米微晶的尺寸可以足够大，甚至类似于闪烁波长，且不会恶化光学透明度。因此，在一个或多个实施例中，纳米粒子的尺寸的范围在大约100nm至小于1000nm，使得在保证了光学透明度时具有较高的闪烁效率。

进入复合纳米微晶检测材料的伽马量子与纳米微晶中的物质经受几种相互作用机制。在伽马量子的能量低于1MeV时，最重要的机制为光电效应。在光电效应下，物质中伽马量子吸收的效率与物质中的有效原子数成正比，正比程度的指数型变化范围根据从10keV到1Mev(即，从Z⁴至Z⁵)的能量范围为4到5。

形成复合纳米微晶检测材料的成分的有效原子数Z的分布如下：Z_纳 _{米微晶重原子}>Z_{纳米微晶闪烁原子}>Z_{光玻璃基体原子}。(特定类型原子的有效Z涉及通常用核物理学中3.5度的平均数为这类原子的原子数取平均值。例如，原子X和Y的Z＝根3.5[X^3.5+Y^3.5])。由于这个事实，伽马量子最可能的光电吸收将发生在掺入光玻璃基体的重原子中，例如铅、铋、钡、铪、金、碘和铂，以及在含有相同重离子的纳米微晶中。这种相互作用所产生的一些热电子也将最有可能被吸收在掺入光玻璃基体的重原子中，例如铅、铋、钡、铪、金、碘和铂，以及在含有相同重离子的纳米微晶中。然而，没有被重原子吸收的热电子的量也很显著，并因此被有效地转换成光闪烁光子的能量。

“母体”玻璃(即，围绕纳米微晶的玻璃)应含有尽可能多的通过检测器材料提供γ-量子高制动力的重原子。这样，纳米微晶含有并被具有高γ-量子吸收量的原子包围，以允许产生大量的热电子。该检测材料对由纳米微晶产生的闪烁光呈透明。为了满足这些要求，如铅、铋、钡、铪、金、碘和铂等重原子位于纳米微晶周围(和纳米微晶内)的介质内部。周围介质对闪烁光的透明性可以在陶瓷、聚合物和非结晶玻璃中实现。透明陶瓷的生产是一种昂贵的工艺，而由于品种的立方对称性要求限制了基底介质和纳米微晶的可能组合数量。聚合物通常允许连接少量纳米粒子和重离子，使其之间的能量转移较低。(另外，由于密度差异，聚合物和纳米微晶的折射率不匹配。)玻璃基体通常允许无限数量的原子组合。其允许生产其中50％以上原子是重原子的透明介质。带重原子的玻璃基体材料的另一个好处是，其具有能与纳米微晶的折射率相媲美的高折射率。精确调整玻璃基体折射率以匹配纳米微晶的折射率，可以通过改变玻璃基体材料中重原子的数目来实现。然而，如本文所公开的，由玻璃基体材料内部结晶所产生的纳米微晶本身具有匹配的折射率。虽然玻璃基体材料具有一定的优势，但在其它实施例中也可以使用陶瓷和聚合物。

接下来讨论在玻璃基体材料中产生纳米微晶的过程。在产生具有重原子和激活原子的玻璃基体材料的玻璃制造过程后，玻璃经过一个热处理过程。在热处理过程中，玻璃在延长的时间段内暴露于温度T下，该温度高于玻璃的玻璃化温度Tg，但低于崩塌结晶的温度。这一步骤的主要目的是在玻璃基体材料中形成纳米微晶。

图3描绘了在玻璃基体材料中合成纳米微晶的第一温度程序的方面。通常利用烘箱将温度分布施加到玻璃基体材料中来进行合成。参见图3，合成过程的阶段1包括熔化玻璃基体材料以形成均质的玻璃结构。其包括几个步骤。在时间段t1内，混合物被加热至玻璃化温度Tg，其中混合物的不同部分开始彼此熔融，在时间段t2内，混合物保持在该温度，为材料除气。t2的持续时间对不同的玻璃来说是不同的，并且可以根据玻璃混合物从0小时到几百小时不等。在时间段t3内，材料的温度升高到玻璃熔化温度Tp。在时间段t4内，所获得的熔融玻璃保持在该温度以便匀化，之后以超过500℃/分的冷却速率非常迅速地冷却到等于或高于室温的温度。

图3中合成过程的阶段2的主要目的是，通过在温度Tp(高于玻璃的玻璃化温度Tg，但低于纳米微晶的结晶崩塌温度)下退火阶段1中获得的玻璃，从而在玻璃基体材料中形成纳米微晶。阶段1后玻璃的温度在时间段t5内缓慢升高。然后，在时间段t6中将玻璃在恒定温度Tc下退火。可替代地，温度Tc可根据玻璃体系中成分的组合物在再结晶期间缓慢升高。然后玻璃基体材料在时间段t7内冷却至室温(通常在烘箱内)。

纳米微晶也可以在阶段1期间在玻璃基体材料中如下获得：熔融玻璃在时间段t4内保持在温度Tp以便其匀化，然后在图4的时间段t5内以范围在20-100℃/分的受控冷却速率冷却到等于或高于室温的温度。

现在利用图3中所示的温度程序展示制造伽马射线检测材料30的第一实例。在此实例中，将以摩尔％计为1:2的化学物质BaO及SiO2的组合物和超出BaO-SiO2混合物的6重量％的CeO2添加剂混合并在大气中在时间t1＝10-60分钟期间加热到温度Tg＝480-520℃并在此温度下保持t2＝1-20分钟。然后在t3＝10-60分钟期间将所得玻璃加热到Tp(1380-1450℃)，在此保持t4＝60-1200分钟，然后以300-600℃/分钟的温度降低速率在模具中淬火。所得玻璃具有3.7g/cm³的密度及具有大于NaI(Tl)的有效Z_有效的化合物51的有效电荷Z_有效。然后在t5＝10-60分钟期间将所得玻璃加热到温度Tc＝800-1000℃，在此温度下保持t6＝10-600分钟，并在时间t7(例如，30-600分钟)期间在烘箱中冷却到室温或高于室温的温度。此过程得到二硅酸钡BaSi2O5的纳米微晶，其含有分布在整个玻璃基体30中的Ce³⁺离子。存在纳米微晶的指示是在蓝-绿区域中强发光波段的上升。二硅酸钡中Ce³⁺离子在蓝绿区域中具有峰值为480nm的强发光。

在将Eu用作激活原子的情况中，阶段1在天然气和空气的混合物燃烧时火焰产生的还原气氛中进行。此过程导致二硅酸钡BaSi2O5的纳米微晶的形成，其在玻璃基体材料中含有Eu²⁺离子。存在具有Eu²⁺的纳米微晶的指示是在绿色区域中强发光波段的上升。二硅酸钡中Eu²⁺离子在绿色区域中具有峰值为510nm的强发光。

在合成方法的阶段2期间增加成功产生纳米微晶的可能性的一种方法是增加t6时间间隔的持续时间。但是，当混合物的几乎所有物质转化为尺寸超过1000nm的微晶聚集体时，太久的热处理会引起微晶的结晶。因此，产生不透明的玻璃陶瓷，而不是透明玻璃。

现在利用图4中所示的温度程序展示制造伽马射线检测材料30的第二实例。在此实例中，将以摩尔％计为1:2的化学物质BaO及SiO₂的组合物和超出BaO-SiO2混合物的6重量％的CeO2添加剂混合并在大气中在时间t1＝10-60分钟期间加热到温度Tg＝480-520℃并在此温度下保持t2＝1-20分钟。然后在t3＝10-60分钟期间将所得玻璃加热到Tp(例如，1380-1450℃)，在此保持t4＝60-1200分钟，然后在时间t5＝15-70分钟期间以20-100℃/分钟的温度降低速率在模具中淬火。此过程得到二硅酸钡BaSi2O5的纳米微晶，其含有分布在整个玻璃基体30中的Ce³⁺离子。二硅酸钡纳米微晶中Ce3+离子在蓝绿区域中具有峰值为480nm的强发光。可了解到，使用图3及图4中所示的温度程序得到的结果大体上与在玻璃基体材料中结晶的纳米微晶相同。在图4的温度程序中，通过在时间段t5内减缓冷却过程得到产生纳米微晶的条件。如果在此过程期间冷却太慢，则玻璃将结晶成微结构的玻璃陶瓷，其具有大于1000nm的尺寸。因此，需要精确的温度控制以使冷却快到足以阻止结晶成微结构的微晶，但是还慢到足以允许纳米微晶的产生。

可将利用图4中的温度程序产生的伽马射线检测材料制成例如纤维或条带的多种形状以用于除了涉及钻孔测井的那些以外的应用。形状可通过当玻璃仍可弯曲时在冷却期t5期间通过模具挤压玻璃基体材料而制得。模具具有选定的开口以当玻璃材料通过时产生所需形状。

因为重玻璃基体材料可在可见光的紫外(UV)区域和蓝色区域中展现出强光学吸收，所以因闪烁导致的发射波长一般位于光波长的绿色或黄色区域中。

图5是用于评估由钻孔穿透的地层的性质的方法的流程图。方框51要求将载具传送通过钻孔。方框52要求利用伽马射线检测器接收来自地层的伽马射线。伽马射线检测器包括具有多个纳米微晶的透光材料，其中多个纳米微晶中的每一个具有直径或尺寸(即外部尺寸)小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中重原子和激活原子在多个纳米微晶中的每一个的周期性晶体结构中具有位置。方框53要求使用光电检测器接收由闪烁发射的可见光子以产生信号。方框54要求利用接收信号的处理器来评估性质。

具有本文中公开的伽马射线检测材料的伽马射线检测器提供了优于石油天然气工业中使用的现有技术的伽马射线检测器的许多优点，并且克服了下文描述的现有技术检测器的缺点。目前，石油天然气井下测井工业使用若干不同检测器类型来检测伽玛射线。传统上，这些检测器仅包括几种类型的无机伽玛敏感闪烁晶体，诸如NaI(Tl)、CsI(Na)、CsI(Tl)和BGO。但是随着时间变化，放置方便的石油天然气储液器越来越少且变得越来越难以接近碳氢化合物矿床。需要的钻井和评估方法比过去所需要的更加复杂。井下测量期间通常必须管理高得多的温度(175℃或甚至更高)。

所有这些现有技术的闪烁晶体具有高温应用方面的缺点。诸如NaI(Tl)、CsI(Na)、CsI(Tl)的单个闪烁晶体具有吸湿性并且具有低硬度。他们需要仔细的振动和吸湿性保护。另外，在170℃到190℃的范围中，碱卤化物材料呈现出材料中的水的分配的峰值。其恶化了晶体的表面并且使检测器校准变得复杂。BGO是硬的且机械上耐用的晶体，但是其闪烁输出随着温度增加而大幅下降。基于BGO的闪烁检测器需要仔细且大面积隔热。用于高温应用的基于无机闪烁体的检测器的替代品使用Geiger–Muller管用于伽马射线检测。然而，他们具有低γ-射线检测效率(约1.5％)。

为了克服这些挑战，针对近年来的工业中的应用测试若干新的闪烁体，即，钆硅酸盐(GSO)、钆硅酸钇(GYSO)和最近的LaBr3:Ce。在这些闪烁体当中，前一种材料具有对响应的更好的温度依赖性。但是溴化镧拥有一组缺陷，诸如具有闪烁体材料的内部放射性并且具有强吸湿性。

在例如在随钻测井(LWD)中使用的一些井下测井工具中，闪烁检测器模块的平均寿命是约一年或甚至更小，这是因为由于井下的高振动状况毁坏外壳而损坏了吸湿性闪烁晶体。另外，非立方对称的每个单晶闪烁体具有各向异性的热膨胀，且因此只有圆柱形单晶闪烁元件可承受井下状况中的热循环和振动。另外，通常十分有益的是，用闪烁材料填充检测器中所有可用空间以最大化可用于检测的材料量。然而，圆柱形形状要求不一定是充分利用所有可用空间的理想形状。具有嵌有唯一闪烁体材料的纳米粒子的透明玻璃的复合材料仍然保留非晶物质，并且因此将随着温度增加而各向同性地膨胀。

具有如本文中公开的纳米微晶的玻璃基体检测材料可以各种形状产生以最大程度地使用可用于井下工具中的检测器中的这种材料的空间，因此增加检测入射伽马射线的概率。另外，玻璃基体中的重原子和激活原子包围纳米微晶也会增加检测入射伽马射线的概率。

可以理解，本文中公开的伽马射线复合检测材料可以包括玻璃陶瓷和掺杂离子，并且可以在并有这种材料的装置和方法中使用。除了测井应用之外，这种材料还可以在医学成像领域、X-射线成像领域和需要伽马射线的检测或测量的其它领域中的伽马射线检测器中使用。

为了支持本文中的教示，可以使用各种分析组件，包括数字和/或模拟系统。例如，井下电子器件12或表面计算机处理13可以包括数字和/或模拟系统。系统可以具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线、无线、脉冲泥、光学或其他)、用户接口、软件程序、信号处理器(数字或模拟)的组件和其它这样的组件(诸如电阻器、电容器、电感器和其他)来以本领域中公知的若干方式中的任何一种来提供本文中公开的设备和方法的操作和分析。应当考虑的是，这些教示可以(但不一定)结合存储在非暂时性计算机可读介质上的一组计算机可执行指令来实施，非暂时性计算机可读介质包括存储器(ROM、RAM)、光学(CD-ROM)或磁性(磁盘、硬盘驱动器)或当执行时使计算机实施本发明的方法的任何其它类型。除本发明所述的功能外，这些指令还可以提供用于设备运转、控制、数据收集和分析，以及系统设计者、所有者、用户或其他此类人员视为相关的其它功能。

另外，可以包括各种其它组件且在调用时用于提供用于本文中的教示的多个方面。例如，可以包括电源(例如，发电机、远程供电装置和电池中的至少一个)、冷却组件、加热组件、磁铁、电磁铁、传感器、电极、发射机、接收机、收发器、天线、控制器、光学单元、电气单元或机电单元以支持本文中讨论的各个方面或支持本发明外的其它功能。

如本文中所使用的术语“载具”意指可以用来传送、容置、支撑或以其它方式利于另一个装置、装置组件、装置组合、介质和/或部件的使用的任何装置、装置组件、装置组合、介质和/或部件。其它示例性非限制性载具包括盘管类型、接合管类型和其任何组合或部分的钻柱。其它载具实例包括套管、电缆、电缆探头、滑线式探头、滴灌、井底组件、钻柱插入物、模块、内部壳体和其基底部分。

实施例的元件已经通过使用冠词“一”或“一个”进行了介绍。冠词旨在指存在一个或多个元件。词语“包括”及“具有”意在为包括性的，使得除了所列元件之外，还有其它附加元件。当与包括至少两个术语的列表结合使用时，连词“或者”旨在指任何术语或术语组合。术语“耦接”指的是第一组件直接或通过中间组件连接至第二组件。术语“配置”指的是装置的一种或多种结构限制，该一种或多种结构限制是装置执行其配置来执行的功能或操作所必需的。

本文示出的流程图仅为一个实例。在不背离本发明的精神的情况下，可对流程图或在本文所述的步骤(或操作)进行多种变更。例如，可以以不同的顺序执行这些步骤，或者可以增加、删除或修改这些步骤。所有这些变更都被认为是权利要求书所要求保护的本发明的一部分。

将明白的是，各种组件或技术可提供某些必要或有益的功能或特征。因此，为了支持附带的权利要求书及其变更而所需的这些功能和特征被认为是实质地包括在本发明教示中的一部分，并且是所公开的本发明的一部分。

尽管已参照示例性实施例阐释了本发明，但是将了解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可对这些实施例进行多种更改，并且可用其等效项替代其要素。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，为了使特定的仪器、情况或材料适应本发明的教示而进行多种更改是可以理解的。因此，本发明并不局限于本文作为进行本发明的最佳方式所公开的特定实施例，但是本发明将包括落入附带的权利要求书的所有实施例。

Claims

1.一种用于检测伽马射线的设备，所述设备的特征在于：

伽马射线检测材料，所述伽马射线检测材料包括透光材料，其具有多个纳米微晶，所述多个纳米微晶中的每一个都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中所述重原子和所述激活原子在所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的所述周期性晶体结构中具有位置；以及

光电检测器，其光学地耦接至所述伽马射线检测材料，并配置成检测从所述闪烁中发射出的所述可见光子，并提供与所检测到的可见光子相关的信号。

2.根据权利要求1所述的设备，其中每个纳米微晶中的所述重原子包括单一类型的重原子。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述单一类型的重原子包括选自于由Pb、Bi、Ba、Hf、Au、Pt和I组成的组中的一种。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述透光材料包括在所述纳米微晶外部且与所述纳米微晶中的所述重原子相同的重原子。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述透光材料还包括在所述纳米微晶外部的另一类型的重原子。

6.根据权利要求1所述的设备，其中激活原子包括Ce+3。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述激活原子包括Pr+3。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述激活原子包括Eu+3。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶都具有在100nm到小于1000nm范围内的直径或尺寸。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的直径或尺寸比所述闪烁发出的光的波长小至少四倍。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个纳米微晶中的两个或多个彼此相接触。

12.根据权利要求1所述的设备，其还包括配置成传送通过钻孔的载具和配置成使用所述信号来评估性质的处理器。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述处理器进一步配置成计算电流和电压中的至少一个的脉冲来评估性质。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述处理器进一步配置成将所计算的电流和电压中的至少一个的脉冲与参照进行对比来评估性质。

15.一种用于评估由钻孔穿透的地层的性质的方法，所述方法的特征在于：

通过所述钻孔传送载具；

使用伽马射线检测器接收来自地层的伽马射线，所述伽马射线检测器包括透光材料，其具有多个纳米微晶，所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶都具有直径或尺寸小于1000nm的周期性晶体结构，并且包括(ⅰ)原子数大于或等于55、在与入射伽马射线相互作用时发射高能电子的重原子，以及(ⅱ)在与高能电子相互作用时提供闪烁以发射可见光子的激活原子，其中所述重原子和所述激活原子在所述多个纳米微晶中的每一个纳米微晶的所述周期性晶体结构中具有位置；

使用光电检测器接收由所述闪烁发射出的可见光子来产生信号；以及

使用接收所述信号的处理器来评估所述性质。