CN106461798B - 用于井下操作的伽马检测器保护 - Google Patents
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Abstract
一种用于保护伽马辐射检测器工具中的敏感电子部件的设备和方法，该伽马辐射检测器工具被构造成布置在井孔内。所述设备包括布置在单个壳体或各自的壳体内的闪烁晶体和光电倍增管。所述壳体与被构造成缓冲轴向振动的弹簧邻接。可以通过从外侧包围所述壳体的套管上的侧向减震器来缓冲对所述壳体的侧向振动。所述方法包括在钻井操作期间缓冲对所述晶体/光电倍增管的轴向和侧向振动。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月3日提交的美国临时专利申请No.61/988,197的优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容在此通过引用的方式并入。
技术领域
本公开涉及与地层中的随钻测量(MWD)相关的井下工具领域，尤其涉及减小由于机械冲击和振动而导致的对伽马检测器的损害。
背景技术
在地层中旋转钻井用于形成井孔，以获得地层中的物质，例如碳氢化合物。旋转钻井涉及布置在从地面延伸的钻柱的钻进端上的底孔组件。钻柱由将底孔组件连接至地面的一系列管状构件组成。底孔组件可以包括钻头，当旋转时，钻头可以使地层破裂而钻出井孔。在钻头上方靠近钻头的可以是地层和/或井孔装置以及用于测量、记录和/或报告与地层、井孔、底孔组件的状态或钻井环境的其它方面有关的信息的测量工具。
传感器用于在钻井期间工作，并且通常被称为随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)传感器。所述传感器可以包括被构造成检测伽马射线以评价地层特性的辐射检测器。伽马射线可以自然地发生(被动)，或者由地层响应于底孔组件中的辐射源(主动)而发出。
伽马检测器的核心部件包括闪烁晶体(例如碘化钠(Nal)晶体)以及与该闪烁晶体光学耦合的光电倍增管。光电倍增管的输出可以被电子装置检测并转换成所接收到的伽马辐射的伽马射线计数或者强度和频率的其它测量参数。钻头在地层中的旋转和钻柱在地层中的运动导致物理(机械)冲击和振动，这些物理(机械)冲击和振动被沿着钻柱尤其传递至底孔组件中的敏感电子部件，例如伽马检测器。所述机械冲击和振动可能会损害该伽马检测器的闪烁晶体、光学耦合和电子装置中的一个或多个。
因此，对于能够耐受由于井下钻井操作而导致的机械冲击和振动的伽马检测器，存在着需求。
发明内容
在多个方面，本公开涉及与地层中的旋转钻井相关的井下工具。具体地，本公开涉及减小由于机械冲击和振动而导致的损害和磨损。
一个实施例包括一种用于检测井孔内的伽马辐射的设备，该设备包括：被构造成布置在井孔内的底座；布置在底座内的伽马检测器，该伽马检测器包括对伽马辐射作出响应的闪烁晶体以及被光学耦合至该闪烁晶体的光电倍增管；被构造成从外侧包围该伽马检测器并具有第一端和第二端的壳体；被构造成与所述第一端及底座机械连通的第一轴向减震器；以及被构造成与所述第二端和底座机械连通的第二轴向减震器。该设备还可以包括布置在第一轴向减震器和所述第一端之间的第一轴向减震器适配器、以及布置在第二轴向减震器和所述第二端之间的第二轴向减震器适配器。在多个方面，轴向减震器适配器可以构造成将轴向减震器的力均匀地分布在所述壳体的端部上或分布在所述壳体的端部的周界上。在一些方面，该设备可以包括被构造成从外侧包围所述壳体的套管。该套管可以具有在第一端和第二端之间连续的凹进部分。该设备还可以具有侧向减震器，该侧向减震器被构造成从外侧包围所述套管。该侧向减震器可以包括处于第一端和第二端之间的连续通道。该连续通道可以是非直线的。该连续通道可以是所述侧向减震器的凹进部分，或者是所述侧向减震器中的缝隙。所述侧向减震器可以包括弹性体材料。在一些方面，该弹性体材料可以包括硅树脂。所述侧向减震器可以包括波纹金属，并且其波纹可以是以下项中的一种或多种：径向的、纵向的或螺旋形的。在一些方面，第一轴向减震器和第二轴向减震器均可以包括弹簧。
根据本公开的另一实施例包括一种用于检测井孔内的伽马辐射的设备，该设备包括：被构造成布置在井孔内的底座；布置在底座内的伽马检测器，该伽马检测器包括对伽马辐射作出响应的闪烁晶体、被构造成从外侧包围所述闪烁晶体并具有外侧端的壳体、被光学耦合至所述闪烁晶体的光电倍增管、以及被构造成从外侧包围所述光电倍增管并具有外侧端的壳体；被构造成与所述闪烁晶体壳体的外侧端及所述底座机械连通的第一轴向减震器；以及被构造成与所述光电倍增管壳体的外侧端及所述底座机械连通的第二轴向减震器。该闪烁晶体壳体和光电倍增管壳体可以彼此相邻。该设备还可以包括布置在第一轴向减震器和所述第一端之间的第一轴向减震器适配器、以及布置在第二轴向减震器和所述第二端之间的第二轴向减震器适配器。在多个方面，所述轴向减震器适配器可以构造成将轴向减震器的力均匀地分布在所述壳体的端部上或者分布在所述壳体的端部的周界上。在一些方面，该设备可以包括套管，该套管被构造成从外侧包围所述壳体。该套管可以具有在第一端和第二端之间连续的凹进部分。该设备还可以具有侧向减震器，该侧向减震器被构造成从外侧包围所述套管。该侧向减震器可以包括位于第一端和第二端之间的连续通道。该连续通道可以是非直线的。该连续通道可以是侧向减震器的凹进部分或者是侧向减震器中的缝隙。该侧向减震器可以包括弹性体材料。在一些方面，该弹性体材料可以包括硅树脂。该侧向减震器可以包括波纹金属，并且其波纹可以是以下项中的一种：径向的、纵向的或螺旋形的。在一些方面，第一轴向减震器和第二轴向减震器均可以包括弹簧。
本公开的另一实施例包括一种用于在井孔内执行伽马射线检测操作的方法，该方法包括：缓冲对伽马检测器工具的轴向冲击，该伽马检测器工具包括：被构造成布置在井孔内的底座；布置在底座内的伽马检测器，该伽马检测器包括对伽马辐射作出响应的闪烁晶体、以及被光学耦合至该闪烁晶体的光电倍增管；被构造成从外侧包围所述伽马检测器并具有第一端和第二端的壳体；被构造成与第一端及所述底座机械连通的第一轴向减震器；以及被构造成与第二端和所述底座机械连通的第二轴向减震器。该方法还可以包括：缓冲对伽马检测器工具的侧向冲击。该方法还可以包括：通过闪烁晶体从地层接收伽马辐射；以及将该伽马辐射转换为表示伽马计数的信号。可以在钻井操作期间执行缓冲所述轴向冲击的步骤。
已相当宽泛地总结了本公开的更重要特征的示例，以便可以更好地理解下文的其详细描述并且可以明白它们对本领域的贡献。当然，本公开的其他特征将在下文中被描述并且其将形成所附权利要求的主题。
附图说明
通过以下对附图中的各种公开的实施例的详细描述，能够获得对本公开的更好理解，该详细描述仅作为示例给出，因此并非限制本发明，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的具有底孔组件(bottom hole assembly)的钻井系统的视图，该底孔组件被构造成用在包括井下伽马检测器工具的井孔中；
图2A是根据本公开的一个实施例的井下伽马检测器工具的3D视图；
图2B是沿着图2A的工具的长度的剖面图；
图2C是图2A的工具的3D分解图；
图3是根据本公开的一个实施例的、不具有侧向减震器的伽马检测器工具的另一实施例的3D视图；并且
图4是根据本公开的一个实施例的使用伽马检测器工具的示例性方法。
具体实施方式
在各个方面，本公开涉及井下钻井操作。具体地，本公开涉及对井下伽马检测器的部件的保护，该伽马检测器工具可能对在钻井操作期间发生的且可能减少井下伽马检测器工具的运行寿命的机械冲击和振动敏感。本发明容许不同形式的实施例。在附图中示出并将在本文中详细描述的具体实施例应理解成：本发明被认为是原理的示例，并非旨在将本发明限制到本文所图示和描述的内容。
图1示出了钻井系统100的视图，该钻井系统100包括布置在地面120上并且在地层140中的井孔130上方的钻机110。钻柱150布置在井孔130中，其具有在井孔130的底部处的钻头160。在钻头160上方的是包括伽马检测器工具180的底孔组件170。伽马检测器工具180可以构造成用于主动或被动式伽马测量。虽然仅示出单个伽马检测器工具180，但钻井系统可以包括多个伽马检测器工具180。
图2A示出了包括底座200的伽马检测器工具180的3D视图，该底座200被敞开以示出其内部的伽马检测器260、270(图2B)的壳体210。底座200可以大致为圆柱形形状的，它被构造成布置在井孔130中，并且包括腔体205(图2C)，壳体210可以插入到该腔体205中。该底座包括布置在伽马检测器工具180的两个相反侧上的第一端201和第二端202。在一些实施例中，底座200可以由两个半体形成，每个半体均大致为另一个半体的半壳互补件(half-shell complements)，并且被构造成形成大致圆柱形形状。可以通过螺钉、焊接、铆钉或本领域普通技术人员可以理解的其它技术将底座200的两个半体固定在一起。伽马检测器260、270典型地包括：闪烁体260，该闪烁体260在暴露于伽马辐射时产生光子；和电子光检测器270，该电子光检测器270将光子转化为表示由闪烁体260接收到的伽马辐射的电信号。一种非限制性的闪烁体260为闪烁晶体，但本领域普通技术人员将会理解，可以使用适合井下操作的任何闪烁体。一种非限制性的电子光检测器270为光电倍增管，但也可以使用适合井下操作的任何电子光检测器，包括光电二极管和硅光电倍增器。壳体210内的闪烁晶体260和光电倍增管270可能会被从钻头160传递至伽马检测器工具180的机械冲击和振动损坏。通过减小从沿着工具180和/或底孔组件170的纵向轴线的方向到达闪烁晶体260和光电倍增管270的冲击的量级，可以防止对闪烁晶体260、光电倍增管270或二者的损害，并增加其运行寿命。
如图所示，通过轴向减震器251、252来提供轴向减震，该轴向减震器251、252也布置在腔体205内并与底座200的内部接触。轴向减震器251、252可以构造成通过储存或耗散将传递给闪烁晶体260和光电倍增管270的振动能量来缓冲振动。虽然轴向减震器251、252被示出为弹簧，但这仅是示例性和例示性的，如本领域普通技术人员所理解的，也可以使用其它适当的减震器，例如弹性体。第一轴向减震器(弹簧)251布置在底座200的第一端201和壳体210的第一端211之间，并且第二轴向减震器(弹簧)252布置在底座200的第二端202和壳体210的第二端212之间。弹簧251、252可以被压缩并构造成在缓冲通过底座200接收的机械冲击和振动的同时将壳体210保持就位。
端部201、202也包括底座电线轴207，该底座电线轴207被构造成允许与所述伽马检测器组件连接的电线通过，从而穿入底座200和/或从底座200穿出。端部201、202均可以包括弹簧止挡部203，该弹簧止挡部203被构造成提供用于弹簧251、252的平坦表面以接触底座200。弹簧251、252可以构造成具有一定硬度，以吸收1000G量级的冲击。在一些实施例中，弹簧251、252可以构造成缓冲2500G量级的冲击。箭头206指示了壳体210的纵向运动路径。一对轴向减震器适配器241、242能够可选地分别布置在轴向减震器251、252和它们的端部211、212之间。由于弹簧被示出为图2A中的轴向减震器，所以轴向减震器适配器241、241被称为弹簧适配器，但弹簧的使用仅是示例性的。弹簧适配器241、242可以包括允许电线在弹簧251、252的外部和底座200之间穿过的缝隙245。弹簧适配器241、242可以构造成将弹簧251、252的弹簧力分布到端部211、212中。在一些实施例中，闪烁晶体260和光电倍增器270均可以具有它们自己的壳体(未示出)，这两个壳体彼此相邻。当使用相邻的壳体时，闪烁晶体壳体的向外端(非相邻端)将是第一端211，而光电倍增器壳体的向外端(非相邻端)将是第二端212。
在一些实施例中，弹簧适配器241、242可以构造成使弹簧力沿着末端211、211均匀地分布。在一些实施例中，弹簧适配器241、242可以构造成将所述力主要分布在壳体210的端部211、212的周界215(图2C)上。
壳体210能够可选地被套管220从外侧包围(circumscribed)。套管220可以由可透过伽马辐射的材料制成，以便不干扰伽马射线从地层140到达闪烁晶体260。在一些实施例中，套管220可以由衰减伽马射线的材料制成(未示出)，并包括透明(透明材料或缝隙)的允许伽马辐射到达闪烁晶体260的狭槽或窗口(未示出)。该伽马衰减材料可以包括钨合金。
套管220可以在长度上比壳体210短，并且构造成在其内部上提供滑动表面，以便壳体210可以穿过套管220自由地滑动。套管220可以具有仅比壳体210的最大外径稍大的内径。在一些实施例中，套管220的内径和壳体210的最大外径之差可以约为0.02英寸(0.05cm)或更小。在一些实施例中，套管220可以是金属的并包括内部涂层，该内部涂层被构造成减小套管220和壳体210之间的摩擦。在一个非限制性实施例中，套管220可以由PTFE制成；然而，这仅是例示性和示例性的，因为可以使用本领域普通技术人员已知的、能够在井孔环境中提供滑动内部表面的任何其它伽马可透过材料。套管220可以构造成将壳体210稳定在底座200内。套管220也可以减小来自与工具180和/或底孔组件170的轴线呈侧向的方向上的对闪烁晶体260和光电倍增管270的冲击。
侧向减震器230可以从外侧包围该套管220。侧向减震器230可以构造成减小对闪烁晶体260和光电倍增管270的侧向(径向)冲击。侧向减震器230可以由弹性体材料(例如硅树脂)构成，该弹性体材料在井孔环境中保持其弹性体特性。在一些实施例中，该弹性体材料被构造成在约-50摄氏度至约175摄氏度的温度范围上基本保持其吸震特性。在一些实施例中，侧向减震器230可包括波纹金属。该金属可以具有纵向波纹、径向波纹或螺旋形波纹。
侧向减震器230可以具有缝隙235，该缝隙235被构造成允许电线从侧向减震器230的第一端到达第二端232。该缝隙可以允许电线横穿套管220的表面(或者侧向减震器230本身的变薄表面)上的侧向减震器230。在一些实施例中，缝隙235可以是侧向减震器230的减薄部(未示出)，而不是去除吸震材料。缝隙235可以是直线的或非直线的。在一些实施例中，缝隙235可以沿着侧向减震器230的表面呈螺旋形。
图2B示出了沿着图2A的伽马检测器工具180的长度的剖面图。壳体210的内部被示出为：闪烁晶体260布置成紧挨着第一适配器241和第一弹簧251，并且光电倍增管270布置成紧挨着第二适配器242和第二弹簧252。弹簧适配器241、242具有允许来自壳体210电线穿过的中心轴247。中心轴247与弹簧251、252的中心及底座电线轴207对准。
图2C示出了图2A的伽马检测器工具180的分解图。可以看到壳体210的周界215。在一些实施例中，弹簧251、252的弹簧力可以通过弹簧适配器241、242而集中在周界215上。使弹簧力集中在周界215上可以减少被传递到闪烁晶体260和光电倍增管270中的冲击和振动。
图3示出了伽马检测器工具180的另一实施例的3D视图，其中去除了底座200的一部分。在本实施例中，不存在侧向减震器230。套管220包括凹进区域325(被示出为直线的，但它也可以为非直线的)，以允许电线在套管220和底座200之间穿过。该凹进区域325与弹簧适配器341、342的凹进区域345对齐。弹簧适配器341、342类似于弹簧适配器241、242；然而，凹进区域325取代了缝隙245。因而，沿着底座200和壳体210之间的缝隙穿过的电线不需要与通过任一底座电线轴207从壳体210穿过的电线混合。
虽然针对伽马工具描述了上述设备，但可以想到的是，上述这些减震措施可以与希望从机械冲击和振动隔离的其它井下工具一起使用。可以通过采用所述轴向减震器、侧向减震器、套管和轴向减震器适配器中的一个或多个来消除或衰减冲击和振动。
图4示出了在钻井操作期间评估地层140中的伽马射线发射的方法400的流程图。钻井操作可以包括钻进、钻前准备和钻后清理。在步骤410中，可以将伽马射线检测器工具180降入地层140中。可以在钻头160正在破碎地层140的一部分的同时进行该降入过程。在步骤420中，通过工具180接收来自地层140的伽马辐射。在步骤430中，可以通过工具180将伽马辐射转换为表示伽马计数的电信号。在步骤440中，该伽马计数信息可以被记录和/或传输至地面120。工具180可以包括图2A-2C或图3所示的特征和部件中的一些或所有。在步骤450中，可以将工具180升出井孔130。在步骤460中，可以通过弹簧251、252来缓冲轴向冲击和振动。在步骤470中，可以通过侧向减震器230来缓冲侧向冲击和振动。在一些实施例中，步骤470是可选的。可以在步骤410-450中的任一个、一些或所有步骤期间执行步骤460和470中的任一个或两者。
虽然已详细描述了本公开的实施例，但根据上文所述的优选实施例，其并非旨在限制到例如对本领域技术人员而言很明显的变型。
本公开的前述公开和说明是例示性和说明性的，并且，在不偏离本公开的精神的情况下，可以对所图示的设备和系统的细节及操作的构造和方法进行各种修改。
Claims (31)
1.一种用于检测井孔内的伽马辐射的设备，所述设备包括：
底座，所述底座被构造成布置在所述井孔内；
伽马检测器，所述伽马检测器布置在所述底座内并包括：
对伽马辐射作出响应的闪烁晶体；和
光学耦合至所述闪烁晶体的光电倍增管；
壳体，所述壳体被构造成从外侧包围所述伽马检测器并具有第一端和第二端；
套管，所述套管被构造成从外侧包围所述壳体；
侧向减震器，所述侧向减震器被构造成从外侧包围所述套管并包括在所述侧向减震器的第一端和第二端之间的连续通道；
第一轴向减震器，所述第一轴向减震器被构造成与所述壳体的所述第一端和所述底座机械连通；以及
第二轴向减震器，所述第二轴向减震器被构造成与所述壳体的所述第二端和所述底座机械连通。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：
第一轴向减震器适配器，所述第一轴向减震器适配器布置在所述第一轴向减震器和所述第一端之间；和
第二轴向减震器适配器，所述第二轴向减震器适配器布置在所述第二轴向减震器和所述第二端之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述轴向减震器适配器被构造成将所述轴向减震器的力均匀地分布在所述壳体的所述端部上。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述轴向减震器适配器被构造成将所述轴向减震器的力分布在所述壳体的所述端部的周界上。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述套管包括在第一端和第二端之间连续的凹进部分。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连续通道是非直线的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连续通道是所述侧向减震器的凹进部分。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连续通道是延伸穿过所述侧向减震器的缝隙。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧向减震器包括弹性体材料。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述弹性体材料包括硅树脂。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述侧向减震器包括波纹金属。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述波纹金属具有以下项中的一种：i)径向波纹，ii)纵向波纹，和iii)螺旋形波纹。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一轴向减震器和所述第二轴向减震器包括弹簧。
14.一种用于检测井孔内的伽马辐射的设备，所述设备包括：
底座，所述底座被构造成布置在所述井孔内；
伽马检测器，所述伽马检测器布置在所述底座内并包括：
闪烁晶体，所述闪烁晶体对伽马辐射作出响应；
壳体，所述壳体被构造成从外侧包围所述闪烁晶体并具有外侧端；
光电倍增管，所述光电倍增管光学耦合至所述闪烁晶体；和
被构造成从外侧包围所述光电倍增管并具有外侧端的壳体；
套管，所述套管被构造成从外侧包围所述壳体并包括在所述套管的第一端和第二端之间连续的凹进部分；
侧向减震器，所述侧向减震器被构造成从外侧包围所述套管；
第一轴向减震器，所述第一轴向减震器被构造成与所述闪烁晶体壳体的外侧端及所述底座机械连通；以及
第二轴向减震器，所述第二轴向减震器被构造成与所述光电倍增管壳体的外侧端及所述底座机械连通。
15.根据权利要求14所述的设备，还包括：
第一轴向减震器适配器，所述第一轴向减震器适配器布置在所述闪烁晶体壳体的外侧端与所述第一轴向减震器之间；和
第二轴向减震器适配器，所述第二轴向减震器适配器布置在所述光电倍增管壳体的外侧端与所述第二轴向减震器之间。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述轴向减震器适配器被构造成将所述轴向减震器的力均匀地分布在所述壳体的外侧端上。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述轴向减震器适配器被构造成将所述轴向减震器的力分布在所述壳体的外侧端的周界上。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，所述侧向减震器包括位于第一端和第二端之间的连续通道。
19.根据权利要求14所述的设备，其中，所述连续通道是非直线的。
20.根据权利要求14所述的设备，其中，所述连续通道是所述侧向减震器的凹进部分。
21.根据权利要求14所述的设备，其中，所述连续通道是延伸穿过所述侧向减震器的缝隙。
22.根据权利要求14所述的设备，其中，所述侧向减震器包括弹性体材料。
23.根据权利要求14所述的设备，其中，所述侧向减震器包括波纹金属。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述波纹金属具有以下项中的一种：i)径向波纹，ii)纵向波纹，和iii)螺旋形波纹。
25.根据权利要求14所述的设备，其中，所述第一轴向减震器和所述第二轴向减震器包括弹簧。
26.一种用于在井孔内执行伽马射线检测操作的方法，所述方法包括：
缓冲对伽马检测器工具的轴向冲击，所述伽马检测器工具包括：
底座，所述底座被构造成布置在所述井孔内；
伽马检测器，所述伽马检测器布置在所述底座内并包括：
对伽马辐射作出响应的闪烁晶体；和
光学耦合至所述闪烁晶体的光电倍增管；
壳体，所述壳体被构造成从外侧包围所述伽马检测器并具有第一端和第二端；
套管，所述套管被构造成从外侧包围所述壳体；
侧向减震器，所述侧向减震器被构造成从外侧包围所述套管并包括在所述侧向减震器的第一端和第二端之间的连续通道；
第一轴向减震器，所述第一轴向减震器被构造成与所述壳体的所述第一端和所述底座机械连通；以及
第二轴向减震器，所述第二轴向减震器被构造成与所述壳体的所述第二端和所述底座机械连通。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括：
缓冲对所述伽马检测器工具的侧向冲击。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括：
通过所述闪烁晶体从地层接收伽马辐射；和
将所述伽马辐射转换为表示伽马计数的信号。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，在钻井操作期间执行对所述轴向冲击的所述缓冲。
30.根据权利要求1所述的设备，其中，所述连续通道被构造成允许电线从所述侧向减震器的所述第一端通到所述侧向减震器的所述第二端。
31.根据权利要求14所述的设备，其中，所述凹进部分被构造成允许电线从所述套管的所述第一端通到所述套管的所述第二端。
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