CN110612463B

CN110612463B - 具有采用铊基的闪烁体材料的至少一个伽马射线闪烁检测器的核测井工具

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Publication number: CN110612463B
Application number: CN201880030127.4A
Authority: CN
Inventors: M.贝雷德; C.休伊祖恩
Original assignee: Schlumberger Technology Corp
Current assignee: Schlumberger Technology Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: WO2018183006A1; EP3602145A1; EP3602145A4; CN110612463A; US20180275309A1; US10591630B2

Abstract

可部署在穿过地层的井孔中的地下测井工具包括具有铊基的闪烁体材料的伽马射线闪烁检测器。闪烁体材料适用于高温井下环境(即70℃以上)。因而，与使用其他材料相比时，闪烁体材料可改善70℃以上且至少高达175℃温度下的油田测量的性能。闪烁体材料可以具有至少六十的有效原子序数。闪烁体材料可以具有化学式Tl₂LiY_1‑xCe_xCl₆，其中x为0至1。锂(Li)可以被另一种碱金属或铟(In)部分或完全代替。钇(Y)被另一种稀土元素部分或完全替代。氯(Cl)被另一种卤化物部分或完全替代。

Description

具有采用铊基的闪烁体材料的至少一个伽马射线闪烁检测器的核测井工具

技术领域

本公开涉及包括一个或多个伽马射线闪烁检测器的核测井工具。

背景技术

来自核测井作业的数据的谱分析可以提供与井眼周围的地质构造有关的定量或定性信息。在地层评估的上下文中，术语“地层”是指通过在井眼中进行的测量(例如在测井或试井中)所看到的岩石体积。这些测量值表明该体积的物理特性。

可以在钻井过程期间或之后收集有关井下状况和钻井组件的运动的数据。通过在钻井过程中收集和处理此类信息，钻机可以修改或纠正操作的关键步骤，以优化井位。在钻井操作期间用于收集井下状况和钻井组件的运动的数据的方案通常被称为随钻测量(“MWD”)。更侧重于钻井过程中地层参数测量的类似技术通常称为随钻测井(“LWD”)。然而，术语MWD和LWD 通常可互换使用，并且在本公开中，对术语中的任一个的使用将被理解为包括地层和井眼信息的收集以及钻井组件的运动和布置的数据。电缆测井工具可以通过电缆、钻杆、连续油管、牵引车或其他合适的工具输送装置在井眼中输送。

例如，地层可以散射由核测井工具人工引入的辐射。具体地，核测井工具可以包括中子源，该中子源用中子轰击地层，所述中子与地层中的核相互作用以产生伽马射线辐射。该工具还包括一个或多个伽马射线闪烁检测器，这些检测器测量来自地层的伽马射线辐射量及其能谱随时间的变化。该工具还可包括一个或多个中子检测器，这些检测器测量来自地层的热中子辐射量及其能谱随时间的变化。这些测量可以提供定量信息，这些信息表征了地层的岩石物理特性(例如地层或堆积密度、地层孔隙度、地层的西格玛或宏观热中子俘获截面、光刻和水饱和度)。

此外，地层本身可包含自然发射辐射的材料。在这种情况下，该工具的伽马射线闪烁检测器可用于测量地层自然发射的核辐射(例如，伽马射线) 的谱。可以使用测得的谱(或本底谱)来识别地层的岩石物理特性。还可以从地层中子轰击产生的测量谱中减去本底谱，以便从测量中消除自然发射的伽马射线的影响。

核测井工具的伽马射线闪烁检测器包括与电子光传感器联接的闪烁体，所述电子光传感器诸如光电倍增管(PMT)、光电二极管或硅光电倍增管。闪烁体是一种当被入射的伽马射线辐射活化时具有闪烁-发光的特性的材料。发光材料在被入射粒子撞击时会吸收其能量并闪烁(即，以光的形式重新发射一部分吸收的能量)。有时，活化态是亚稳态的，因此从活化态回落到较低态的弛豫被延迟了(根据材料，需要从几纳秒到数小时不等)。然后，该过程对应于两种现象之一，这取决于过渡的类型以及所发射的光学光子的波长：延迟的荧光或磷光，也称为余辉。

PMT吸收闪烁体发出的光，并通过光电效应以电子形式重新发射。这些电子的后续倍增(有时称为光电子)产生电脉冲，然后可以对该电脉冲进行分析，并产生有关最初撞击闪烁体的粒子的有意义的信息。因此，当来自地层的伽马射线辐射撞击伽马射线闪烁检测器时，伽马射线闪烁检测器可以产生与入射伽马射线辐射的能量相对应的电信号。

闪烁体材料的各种特性可能有益于它们在伽马射线闪烁检测器中的使用，例如高密度、快速的操作速度、低成本、辐射硬度、生产能力和操作参数的耐久性。

高密度闪烁体材料可以减小用于高能伽马射线的闪烁检测器的尺寸。通过使用高密度闪烁体材料，用于低能伽马射线的康普顿散射光子的范围也减小了。这导致检测器的高度分割，并导致更好的空间分辨率。高密度闪烁体材料在晶格中也可能有重离子(例如铅，镉)，这会大大增加光分数。增加的光分数对于某些应用是有关的，例如正电子发射断层扫描(PET)。用于电离辐射的电磁分量的高制动功率需要更大的光分数，这可能会使检测器更紧凑。

工作速度会影响闪烁体的谱分辨率。例如，由于避免了“堆积”，因此高操作速度可能有益于提高谱的分辨率。如果单个脉冲中测量的能量堆积在前一个脉冲的尾部，则该能量将变得不准确。因此，优选地，平均而言，闪烁脉冲在另一个脉冲到达之前衰减。另外，信号可以带有时间标签，因此更适合快速响应。例如，对于某些类型的测量(例如，“西格玛”)，在时间直方图中以短至1微秒的时间段来获取数据。因此，例如，优选的是，测量西格玛的检测器具有小于1微秒的相当短的响应时间。

良好的闪烁体材料还需要其他一些属性，包括将入射辐射的能量转换为闪烁光子的高效率、对自身闪烁光的透明性(用于良好的光收集)、正在研究的辐射的有效检测、高制功率、在广泛的能量范围内具有良好的线性度、用于快速定时应用(例如，一致性测量)的上升时间短、减少检测器停滞时间并适应高事件发生率的短衰减时间、在谱范围内匹配现有PMT的谱灵敏度(尽管有时可以使用波长移动器)的发射，以及接近玻璃(≈1.5)或蓝宝石以实现与PMT窗口的最佳联接的折射率。

在上面列出的属性中，光输出可以影响伽马射线闪烁检测器的效率和分辨率。能量分辨率定义为给定能量峰的半峰全宽与峰位置的比率，通常以百分比表示。光输出是入射粒子或光子类型及其能量的强大函数，因此强烈影响要用于特定应用的闪烁材料的类型。通常将光输出量化为每MeV沉积能量产生的闪烁光子数。典型的数字是(当入射粒子是电子时)：NaI(Tl)约为40,000光子/MeV，塑料闪烁体约为10,000光子/MeV，锗酸铋(BGO)约为8,000光子/MeV。猝灭效应的存在导致光输出降低(即，闪烁效率降低)。淬灭是指所有无辐射去激励过程，其中活化主要降级为热量。

各种电子中子源在测井工具中用于中子轰击地层，但是由于尺寸和功耗的限制，强度通常受到限制。为了补偿上述测井工具中可用的有限中子源强度，用于油田应用的核测井工具的伽马射线闪烁检测器可以受益于具有高检测效率。检测器的检测效率可以取决于不同的参数。在这方面，文献中使用效率的各种定义来关联这些不同的参数中的一些：(i)绝对效率是伽马射线闪烁检测器记录的计数数量与所述源(在所有方向上)发射的伽马射线的数量之比；(ii)固有效率是伽马射线闪烁检测器记录的脉冲数与撞击伽马射线闪烁检测器的伽马射线数之比；(iii)全能峰值(或光峰)效率是用于产生全能峰值脉冲而不是任何大小的仅用于伽马射线脉冲的效率。由于油田测量工具内的空间有限，因此检测器包装的尺寸也可能受到限制(例如，取决于应用，直径大约为13至76mm，长度大约为13至200mm)，这可能会使实现高检测效率更具挑战性。

然而，伽马射线闪烁检测器的整体信号产生效率还部分取决于PMT的量子效率(对于室温PMT，峰值通常约为30％，对于高温PMT约为20％)，以及取决于光传输和收集的效率(取决于覆盖闪烁体和光导的反射器材料的类型、光导的长度/形状、任何光吸收等)。

此外，对于伽马射线闪烁检测器的性能的其他考虑因素包括工作温度和振动容限。联接的PMT还展示出温度敏感性，如果受到机械冲击，可能会损坏。在油田使用的情况下，闪烁检测器可能会经受一定范围的工作温度(例如-40℃至175℃)，以及高振动或冲击。对于许多闪烁体，光输出和闪烁衰减时间取决于闪烁体所经历的环境温度。对于室温应用(即在实验室环境中)，这种依赖性通常会被忽略，因为在室温附近的较小温度范围内，这种依赖性通常很小。

闪烁体材料的上述特性以及伽马射线闪烁检测器可以在其中操作的井下环境条件的范围导致了很少选择的伽马射线闪烁检测器。

Tl-活化的碘化钠(NaI(Tl))已经在一些核测井工具的伽马射线闪烁检测器中用作闪烁体材料。NaI(Tl)的闪烁衰减相当快，在室温(25℃)下的主要时间常数约为230ns。而且，NaI(Tl)的光产率还可以合理地耐受温度的升高，从而使NaI(Tl)在井下环境中可用于高达175℃的温度，对于某些应用甚至高达200℃的温度。

Ce-活化的原硅酸Ox(GSO)和自活化的锗酸铋(BGO)已被用作某些核测井工具的伽马射线闪烁检测器中的闪烁体材料。GSO和BGO的机械强度和化学稳定性均高于NaI(Tl)。另外，由于GSO和BGO具有更高的密度和更高的有效原子序数(Z_eff)，因此它们比NaI(Tl)在伽马射线探测方面的效率更高。但是，常见的是，除了NaI(Tl)以外的高原子序数材料(例如GSO和BGO)即使在室温下仍显示出较低的光产率[Kob2007]和/或它们的光输出随温度升高而显着下降[Boa2013]。例如，BGO[Boa2013]、硅酸铋 (BSO)[Kob1983]和钨酸铅(PWO或PbWO4)[Kob2007]的室温光产率均低于1500ph/MeV[Kob2007]，但BGO表现出以下特点：在室温下约为6,000 ph/MeV[Kob2007]。这些是文献中高原子序数材料的最高室温光产率值。但是，随着温度的升高，BGO的光输出迅速下降。例如，在70℃下，BGO的光产率是室温下的光产率的一半。

上述在较高温度下光输出的降低导致能量分辨率在较高温度下降低，这继而降低了信噪比并增加了由闪烁检测器获得的辐射测量的统计不确定性。因此，这种对温度敏感的闪烁体材料，例如GSO和BGO，被认为不适合(在没有对闪烁体检测器进行辅助冷却的情况下)用于打算在150℃以上的温度下长时间使用的闪烁体检测器。温度限制也适用于未在井下使用的市售固态伽马检测器(例如高纯锗(HPGe)或碲化镉锌(CZT))。

最近，铈激活的溴化镧(LaBr₃)和铈激活的钛酸铝钇(YAP)被用作某些核测井工具的伽马射线闪烁检测器中的闪烁体材料，特别是由于它们的衰减时间少于30纳秒而导致的高计数率应用。然而，即使在密封检测器内部，掺Ce的LaBr₃对污染物也极为敏感，并且当闪烁体在高温(即高于70℃) 下工作时，灵敏度甚至会进一步恶化。

尽管可以采用变通方法来避免上述温度对闪烁检测器的影响，但是变通方法可能不方便且成本很高。例如，一种变通方法是通过将闪烁检测器放置在杜瓦瓶中来被动冷却闪烁检测器。但是，这种冷却是有时间限制的，并且增加了工具的成本和复杂性。

另外，在实验室条件下使用的许多商用闪烁体材料的发光谱不利于与通常用于油田闪烁检测器的PMT配合使用，而这些油田闪烁检测器在深紫和紫外(UV)范围内最敏感。因此，这种商用闪烁体材料可能需要其他PMT，这可能会增加闪烁检测器的复杂性和成本。

发明内容

根据一个方面，在下文中描述了其进一步的细节，提供了一种地下测井工具，其可在横穿地层的井孔中部署。测井工具包括被构造为在井孔内并沿着井孔运动的工具壳体，以及容纳在工具壳体中的伽马射线闪烁检测器。伽马射线闪烁检测器包括适用于高温井下环境(即高于70℃)的铊基的闪烁体材料。因此，与使用其他上述闪烁体材料相比时，铊基的闪烁体材料可改善在70℃以上且至少高达175℃的温度下的油田测量性能。铊基的闪烁体材料可以是Ce-激活的氯化铊锂钇(TLYC,Ce:TLYC)，主体材料的化学式为 Tl₂LiYCl₆。以下描述将仅通过其主体名TLYC引用Ce:TLYC，以指示该激活可能还依赖于痕量杂质，并且可能会受到其他激活元素的辅助。伽马射线闪烁检测器可以包括上述其他特征，包括光电倍增管(PMT)以及测量电子设备。

闪烁体材料可以具有化学式Tl₂LiY_1-xCe_xCl₆，其中x为0至1。锂(Li) 可以被另一种碱金属或铟(In)部分或完全代替。钇(Y)被另一种稀土元素部分或完全替代。氯(Cl)被另一种卤化物部分或完全替代。

可以特别地定制伽马射线闪烁检测器的操作，以通过考虑所测量的辐射谱中的次级X射线峰来提供增益控制，该次级X射线峰已发现是与从与 TLYC材料结合使用的稳定源检测到的伽马射线发射峰相伴随的。如将在下面进一步详细描述的，增益控制装置和方法可以包括正在检测由地层或井眼发出或从其中返回的X射线和伽马射线辐射时，将放射性源例如具有明确定义的伽马射线能量的铯(Cs)源，放置在伽马射线闪烁检测器(例如，在检测工具的外壳中)。此后，可以将来自稳定源的检测到的谱中的伽马射线峰用作用于确定和稳定伽马射线闪烁检测器的增益的参考。

在公开的测井工具的伽马射线闪烁检测器中使用的闪烁体材料可以具有至少六十的有效原子序数。当在高达100℃的温度下操作时，闪烁体材料的最小光输出为4,500ph/MeV。当在125℃的温度下操作时，闪烁体材料的最小光输出为4,000ph/MeV。当在150℃的温度下操作时，闪烁体材料的最小光输出为3500ph/MeV。当在175℃的温度下操作时，闪烁体材料的最小光输出为3,000ph/MeV。在200℃的温度下操作时，闪烁体材料的最小光输出为2500ph/MeV。

伽马射线闪烁检测器可以被构造为测量来自地层的自然发射的辐射。另外，闪烁检测器可以包括被构造为发射伽马射线的伽马射线源，并且工具可以被构造为测量工具在其中部署的地层的伽马-伽马密度。而且，所公开的测井工具可以包括中子源，该中子源被构造为将中子从工具发射到地层中以诱发伽马射线，并且该工具可以被构造为从地层测量中子诱发的伽马射线。

闪烁体材料可以由未掺杂的TLYC材料形成。闪烁体材料也可以由Ce 浓度为0.01％至约100％的Ce掺杂的TLYC材料形成。闪烁体可以是晶体或多晶形式。

测井工具可以包括联接至闪烁检测器的电压源。电压源被构造为向闪烁检测器供应电压。可以基于反馈信号来稳定闪烁检测器的增益，以控制由电压源提供给闪烁检测器的电压。而且，测井工具可以包括稳定电路，该稳定电路可以被构造为接收闪烁检测器的输出并且将反馈信号输出到电压源。反馈信号可以基于由闪烁检测器输出的测量谱的光峰和逃逸峰中的至少一个。

测井工具可以包括联接至闪烁检测器的事件鉴别器。事件鉴别器可以被构造为分析闪烁检测器的输出并且基于该输出实现脉冲状鉴别以区分伽马射线事件和中子检测事件。

附图说明

图1是实施根据本公开的示例性随钻测井(LWD)系统的井场的示意图；

图2示出了LWD系统的测井工具的示意性横截面；

图3示出了图2中的测井工具的电子封装件和检测器的框图；

图4示出了在各种实验温度下从闪烁体样品发出的光的曲线图；

图5示出了使用两种不同的闪烁体材料测得的实验谱图的曲线图；

图6示出了对于闪烁体样品的相对光峰位置与温度的曲线图；

图7示出了对于具有不同掺杂剂浓度的两个闪烁体样品的相对光峰位置与温度的曲线图；

图8A示出了对于铊基的闪烁体的闪烁衰减时间与温度的关系图；

图8B示出了对于铊基的闪烁体的衰减分量的相对分数与温度的关系图；

图9示出了根据本公开的一方面的利用铊基的闪烁检测器获取的¹³⁷Cs 伽马射线的脉冲高度谱；

图10示出了用于要测量的三种不同闪烁体材料和三种不同同位素(K， Th和U)的等效测井速度与钍分辨率的三个图示；

图11是根据本公开的一方面的示意性计算系统。

具体实施方式

如本文所用的，“井眼”是指井孔，包括井的裸眼或无套管的部分。另外，如本文所用的，“钻柱”是指钻杆、包括钻头和测井工具的井底钻具组合以及用于使钻头在井孔的底部转动的任何其他工具的组合。此外，如本文所用的，“地层”是指围绕井眼的岩石。在地层评估的上下文中，术语“地层”是指通过在井眼中进行的测量(例如在测井或试井中)所看到的岩石体积。这些测量值表明该体积的物理特性。同样，如本文所使用的，术语“井下”是指在井眼中的地面下方的位置。

图1示出一个井场，其中可以采用公开的井下测井工具135。井场可以在陆上或海上。在该示例性系统中，以公知的方式通过定向旋转钻孔在地下地层储层111中形成井眼或井孔11。钻柱12/102悬挂在井孔11内。井底钻具组合(BHA)105刚性地联接到钻柱102的下端，并通过钻柱12/102在井孔11内输送。BHA105在其下端包括钻头。地面系统包括位于井孔11上方的平台和井架组件100，其中组件100包括旋转台16、方钻杆17、钩子18 和旋转接头19，它们共同作用以将旋转运动施加到钻柱12/102和BHA105 的钻头。钻柱12/102的上端刚性地连接至方钻杆17。方钻杆17由旋转台16 旋转，并通过未示出的装置通电，该旋转台向钻柱12/102和钻头施加旋转运动。方钻杆17和钻柱12/102从由钩子18支撑的旋转接头19上悬挂下来。旋转接头19允许方钻杆17和钻柱12/102相对于钩子18旋转。众所周知，可以替代地使用顶部驱动系统或井下马达。

图1的井场还包括存储在井坑27中的钻井液或泥浆26。泵29通过旋转接头19中的端口将钻井液26输送到钻柱12/102的内部，从而导致钻井液 26向下流动穿过钻柱12，如方向箭头8所示。钻井液26通过BHA105钻头中的端口排出，然后向上循环通过钻柱102/12外部和井孔11的壁13之间的环形区域，如方向箭头9所示。以这种已知的方式，钻井液26润滑钻头，并将地层岩屑带到地表。可以在将钻井液返回至井坑27进行再循环之前将其从钻井液中去除。

BHA105包括多个随钻测井(LWD)模块，它们可一起操作随钻测井工具的一部分，可能还包括一个或多个随钻测量(MWD)模块，以及控制钻头的钻孔方向的旋转可导向系统。示例BHA105在图2中示出。LDW工具的LWD模块可以容纳在本领域中已知的特殊类型的钻铤中。LWD工具的 LWD模块包括用于测量和存储对BHA105附近地层的方向电阻率敏感的电磁响应数据的功能。MWD模块也可以容纳在特殊类型的钻铤中，如本领域中已知的。MWD模块包括用于测量、处理和存储表征钻柱102和BHA105 的钻头的位置和方向以及其他钻井测量值(例如钻压、扭矩和冲击和/或振动) 的信息的功能。

BHA105还包括井下遥测子系统，该井下遥测子系统通过电子子系统30 在BHA105的部件(包括LWD工具的LWD模块)与地面测井和控制单元4 之间传送数据信号和控制信号。井下遥测子系统可以采用多种遥测方法，例如有线遥测方法(例如，结合了遥测电缆或光纤电缆的钻杆)和无线遥测方法(例如，泥浆脉冲遥测方法、电磁遥测方法以及声学遥测方法)。井下遥测子系统还可以提供由位于地面的电源生成的电源信号，以提供给BHA105 的部件。BHA105还可以包括电源变压器/调节器，用于将将位于地面的电源提供的电源信号转换为由BHA105的部件使用的适当水平。在替代实施例中，BHA105可以包括用于产生电力以供应给BHA部件的设备，例如由钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机。可以采用其他电源和/或电池系统。

图1的井场还可以包括位于地面的测井和控制单元4，该测井和控制单元4通过到网络(例如互联网200)的数据通信链路(显示为带有箭头的双向虚线)连接到远程(例如，基于云的)高性能计算机中心203。地理导向控制模块204可以通过数据通信链接(如带箭头的双向虚线所示)连接到测井和控制单元4以及高性能计算机中心203。位于地面的部件之间的数据通信链路可以利用经由一条或多条通信线路的有线和/或无线连接。这些位于地面的部件之间的通信拓扑可以是点对点、点对多点或多点对点。有线连接可以采用多种电缆类型或使用各种有线协议(串行、有线以太网、光纤通道等) 的电线。无线连接可以采用各种不同的无线协议(例如IEEE 802.11、蓝牙、 Zigbee或任何非标准RF或光通信技术)。

高性能计算机中心203可以构造为执行本文所述的谱分析和测量，这些谱分析和测量用于表征钻井过程中的地层。公开的方法、技术和系统可以增强在钻井操作期间表征地层的能力。此外，本文公开的方法、技术和系统可以用作钻井后分析和模型优化的一部分，以改善储层特征。

BHA105的LWD模块可以包括核测井工具135，该核测井工具在图2 中以横截面示意性地示出。核测井工具135包括布置在外壳212与内壳之间的壳体225。测井工具135还包括中子源215、伽马射线闪烁检测器240、伽马射线源220(其可用于伽马射线闪烁检测器240的增益稳定)，以及电子封装件250，它们都被容纳在壳体225中。核测井工具135由钻柱102/12沿着井孔11传送，以便如下所述获得在工具135附近的地层的测量值。

中子源215被构造为发射穿透到并因此轰击地层111的中子。这种中子可以与地层111中的核相互作用以产生伽马射线辐射。这样的伽马射线可以返回到工具135，并通过窗口235到达伽马射线闪烁检测器240。虽然在工具135中示出了中子源215，但是根据所执行的测井的类型，中子源215可能无法使用。例如，当测井工具135用于测量由地层发射的、而不是由中子轰击地层发射的自然伽马射线辐射时，可以不使用中子源。在那种情况下，由地层111发射的自然发生的伽马射线辐射仍可以通过窗口235到达伽马射线闪烁检测器240。核测井工具135还可以包括其他部件(例如中子检测器和或伽马射线源)，其是公知的并且为简化说明起见未示出。

如上所述，伽马射线闪烁检测器240的增益可能随温度漂移。为了帮助稳定伽马射线闪烁检测器240的增益，可以将伽马射线源220(在本文中也称为稳定源220)放置成非常靠近(例如，邻近)伽马射线闪烁检测器240。稳定源220可以是诸如¹³⁷Cs之类的放射性材料，其发射非常好理解的伽马射线辐射谱，可以将其与伽马射线闪烁检测器240的输出测量结果进行比较，以校正和稳定增益，如在下面更详细地描述的。稳定源220可以被放置在伽马射线闪烁检测器240的壳体(未示出)内。稳定源220可以被构造为使得伽马射线向地层111的发射被禁止或被最小化，因此其可以减小由于中子源 215对地层的中子轰击而检测到的对散射辐射的影响。相反，稳定源220可以构造为主要在伽马射线闪烁检测器240处发射伽马射线辐射以稳定伽马射线闪烁检测器240的增益，如下面将更详细描述的。

在图2所示的测井工具135的实施例中，伽马射线闪烁检测器240可以被屏蔽245所屏蔽，并且工具135包括可以处理由伽马射线闪烁检测器240 产生的信号的电子封装件250。如下面更详细地描述的，伽马射线闪烁检测器240包括闪烁体240A(图3)，当接收到伽马射线辐射时该闪烁体可以发射光子。电子封装件250处理从伽马射线闪烁检测器240发射的光子信号。

图3示出了图2所示的电子封装件250和伽马射线闪烁检测器240的更多细节。如图3所示，伽马射线闪烁检测器240可包括闪烁体240A和联接到闪烁体240A的光电倍增管(“PMT”)240B。PMT 240B可以联接到分压器240C和高压源240D。高电压源240D可以通过分压器240C联接到PMT 240B，使得高电压源240D的输出可以用于控制PMT 240B的增益，如下面更详细地描述的。

PMT 240B接收由闪烁体240A发射的光子，并进而为撞击到闪烁体 240A的每个伽马射线产生电流脉冲。电流脉冲的大小与撞击伽马射线的能量有关。在一个实施例中，PMT240B可以由另一种类型的光电检测器代替，该光电检测器对撞击闪烁体240A的每个伽马射线产生电流脉冲，或者通过对本文所述的其他电路进行适当的调整，产生电压脉冲。

在图3所示的实施例中，PMT 240B联接到前置放大器320。前置放大器320将PMT240B中由进入闪烁体240A的辐射引起的电流脉冲转换为电压脉冲。放大器325联接到前置放大器320的输出端，并且可以提供来自前置放大器320的信号的可调节的放大。可调节的放大将可调节的衰减器与放大器相结合。在另一个实施例中，放大器325的放大可以是直接可调的。

放大器325的输出是一系列电压脉冲。每个电压脉冲对应于伽马射线辐射对闪烁体240A的冲击，并且每个电压脉冲的幅度对应于由发起脉冲的伽马射线辐射在闪烁体240A中沉积(或产生)的能量。模数转换器(“ADC”) 330联接到放大器325的输出端。ADC330对在放大器325的输出处产生的信号进行采样，并将其转换为表示采样信号的数字数据。

处理器335接收由ADC330产生的数字数据，并对这些数字数据进行处理以获得代表不同通道中检测到的伽马射线计数的伽马射线谱(其中，这些通道基于所检测到的伽马射线的脉冲幅度或高度)。请注意，入射到闪烁体 240A上的中子会产生光子和相应的电脉冲，这些光子和相应的电脉冲是从放大器325输出的采样信号的一部分，因此是ADC 330产生的数字数据的一部分。在这种情况下，处理器335可以实现脉冲型鉴别器350，用于区分由伽马射线产生的电脉冲和由中子产生的电脉冲。脉冲类型鉴别器350可以采用本领域众所周知的脉冲形状鉴别算法。处理器335还可以实现如下所述的增益调节器355，该增益调节器355调节伽马射线闪烁体检测器240的增益。

处理器335随时间推移获得的伽玛射线谱可以通过遥测模块340传送到位于地面的HPC203。HPC203可以存储和处理由LWD工具135获得的这样的伽玛射线谱以给出表征与地层中的井深或位置有关的地层岩石物理特性的定量信息(例如地层或堆积密度、地层孔隙度、地层的西格玛(西格玛) 或宏观热中子俘获截面、光刻和水饱和度)。这些信息可以作为与地层中的井深或位置有关的岩石物理特性测井的一部分进行存储和显示。

关于PMT，PMT通常用于检测弱光水平。PMT通常由光敏阴极、称为倍增极的二次发射电极链和称为阳极的输出电极组成，其间布置有电势。

PMT的操作原理如下。光通量射向阴极，阴极将光子转换成自由电子。施加的电压将自由电子导向第一倍增极。一个电子在称为二次发射的过程中从第一倍增极中释放出几个二次电子。这些二次电子又被引向下一个倍增极，其中也发生二次发射过程。在每个倍增极上重复这些步骤。

光电倍增器的增益定义为阳极电流与阴极电流之比。取决于倍增极的数量、倍增极间电压和倍增极材料，增益通常为102至108。优选地，增益应当在操作期间保持稳定，以便为光检测装置产生理想的性能。遗憾地是，这通常无法实现，因为PMT的增益会随着PMT的工作温度、随着可变的光通量以及随着PMT的老化而漂移。

如上所述的，伽马射线闪烁检测器240的壳体可以包括具有已知伽马射线能量(例如，如图5所示的¹³⁷Cs在662keV具有完整的能量峰值)的稳定源220以发射闪烁体240A处的伽马射线辐射，使得可以与地层111的伽马射线测量值一起测量稳定源220的谱。具体来说，稳定源220的谱标准(其代表如从稳定源220发射的在不同通道中检测到的伽马射线脉冲的计数)可被测量并被存储在处理器335可以访问的计算机存储器中。处理器335可以访问此谱标准并将其用作参考以与来自地层111的测量的伽玛射线谱进行比较。具体而言，在从地层111获得的测量谱中的稳定源220的伽马射线峰相对于在稳定源220的预定谱标准中的稳定源220的伽马射线峰的偏差可以由增益调节器355使用以生成到高电压源240D的反馈信号，以调节输入到 PMT 240B的电压，这将又影响伽马射线闪烁检测器240的增益。此外，如下面将更详细描述的，由于所公开的闪烁体240A的独特特性，在两个谱标准和从地层测得的伽马射线谱中都可能存在一个附加的X射线逃逸峰。在这种情况下，可以使用与稳定源220相关联的X射线逃逸峰和伽马射线峰的组合(或单独的X射线逃逸峰)来稳定伽马射线闪烁检测器240的增益。

如上所述，由电子封装件250处理的每个电压脉冲的幅度对应于通过引发电压脉冲的伽马射线辐射在闪烁体240A中沉积(或产生)的能量。可以制作此类电压脉冲的直方图，以示出各种大小或幅度的电压脉冲的“计数”。一系列脉冲幅度可以在通道中分组。这种计数的直方图被称为“谱”，如图5 和9所示。该直方图可以包括由多个辐射源(例如，来自地层111和稳定源 220的反向散射辐射)引起的计数。然而，在稳定源220的情况下，其能量水平可以选择为比来自地层111的预期的反向散射能量高得多，使得与稳定源220相关的计数可以在测量数据中稍微隔离开。当稳定源220通过发射伽马射线照射闪烁体240A时，闪烁体240A吸收并主要将接收到的能量转换成光子，该光子具有相对于该能量和来自地层的反向散射能量计数的较大的振幅(能量)和在这样高的振幅(高分辨率)下的计数，如图5和9所示。由于振幅大且计数大，以直方图形式绘制时，与光子相关的数据显示为峰值，其可以称为检测到的伽马射线的全能量峰或光峰。

此外，在一个或多个实施例中，所选择的稳定源220(例如¹³⁷Cs)的能量可以是稳定源220的众所周知的特性并且被认为是不变的。在此，其谱可以用作模型或标准，其可以叠加在工具135的测量数据上以校正所有测量的谱数据。例如，预期¹³⁷Cs源的光峰将位于662keV处。因此，如果谱的测量数据表明光峰在能量上移动了较高或较低，则这表明工具135的增益已经移动了光峰的标准能量值与光峰的测量到的能量值之间的差。

此外，对于基于Tl的闪烁体材料，可能有一些撞击到闪烁体240A上的伽马射线能量可能会活化钛原子的核，因此被闪烁体240A转换为较低能量的X-射线。X射线可以逃逸闪烁体240A，仅留下总伽马能量的一小部分以产生光子，从而在闪烁检测器240的输出端产生电压脉冲。这些低于全能峰的电压脉冲的计数是来自闪烁检测器240的输出的伽马射线谱的一部分，并且被称为X射线逃逸峰。X射线逃逸峰相对于全能量峰的相对强度是基于 Tl的闪烁体材料和闪烁体的几何形状的特征，并且在测井测量期间不改变。在这种情况下，在来自地层的所测量的伽马射线谱中的X射线逃逸峰和光峰的特征(例如计数比和通道间距)或单独的X射线峰的特征(例如X射线逃逸峰的计数数和通道)还可以用于测量伽马射线闪烁检测器240的增益的偏移并且校正相对于预定的谱标准的这种增益偏移。例如，在预定的谱标准和从地层测得的伽马射线谱之间的光峰和X射线逃逸峰的通道(或能量值) 的变化可用于测量伽马射线闪烁检测器240的增益偏移并校正这种增益偏移。可替代地，由于当存在X射线逃逸时可以提取两个峰位置，而不是仅当可获得全部能量峰时仅提取一个峰位置，因此可以确定附加参数，例如通道偏移或检测器非线性。因此，附加的X射线逃逸峰可用于通过平均两次测量 (X射线峰和全能量峰的实验值与标准值)的增益偏移来获得总体上更好的增益稳定性。此外，附加的X射线逃逸峰允许一个峰(X射线或全能量峰) 用于确定增益因子，而另一个峰可以用于确定能量校准中的另一个参数，例如通道偏移或检测器非线性。

如上所述，闪烁体240A是响应于受到伽马射线辐射(或可能的中子辐射)的影响而能够发射光子的材料。所公开的闪烁体240A是铊基的高温闪烁体材料，其可以是晶体形式或非晶体形式。尽管在2016年10月6日公布的美国专利申请公开号US2016/0291169中描述了用于室温应用的铊基的闪烁体，但现已发现，铊基的闪烁体在至少-40℃至200℃的温度范围内在井下伽玛射线闪烁检测器中也显示出合适的光用途。

优选地，所公开的基于Tl的闪烁体材料使用Ce活化的氯化铊锂钇 (TLYC,Ce:TLYC)，其具有Tl₂LiYCl₆主体材料的化学式。以下描述将 Ce:TLYC称为“TLYC”，以指示主体材料的活化也可能依赖于痕量杂质，并且可能会受到铈(Ce)以外的活化剂元素的辅助。

尽管优选Tl₂LiYCl₆，但应理解，来自弹性云母家族的许多与TLYC相似的材料也可以适当地用作用于井下检测器的闪烁体材料。

TLYC材料公式可以更一般地用下面的式(1)表示：

Tl₂MAX₆ (1)

其中“Tl”是铊；

其中“M”是碱金属(例如，锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)或铯 (Cs)或铟(In))；

其中“A”是稀土元素(例如，钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)，钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)或镥(Lu))；和

其中“Ha”是卤化物(例如氯(Cl)(例如氟(F)、溴(Br)或碘(I))。

因此，根据式(1)和前述替代物的替代闪烁体材料的示例包括溴化钇锂铊(TLYB)、氯化铊锂镧(TLLC)、溴化镧锂铊(TLLB)或这些材料或用少量其他元素代替一种成分的类似材料的混合物。还应理解，元素比例(例如，T:L:Y:C)的实际测量值可能不完全是2:1:1:6，并且在材料制备和分析中可能会有小的波动。

还可以用活化剂或光学活性元素掺杂所公开的闪烁体材料。活化剂“Dp”可以替代基质中的“A”，其浓度范围可以从0％到100％，如下式2所示。

Tl₂MA_1-xDp_xHa₆ (2)

其中“Dp”是稀土材料(例如铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)或镝(Dy))和

其中“x”是介于0和1之间的数字。

附加的掺杂(例如，锶(Sr)、钙(Ca)、钡(Ba)、镁(Mg)或镉(Cd)) 也可以用于改善诸如稳定性和与闪烁不直接相关的其他特性的特性。

在一更具体的实施例中，TLYC材料公式可以用下面的公式(3)表示：

Tl₂LiY_1-xCe_xCl₆ (3)

其中“x”是介于0和1之间的数字。

为了比较，在下面的表1中示出了TLYC和上述闪烁体材料的一些材料特性。

表1

此外，为了比较，在下面的表2中示出了掺Ce的TLYC和其他闪烁体材料的一些闪烁特性。

表2

如上所述，中子伽马能谱法可用于测量井下的地球化学和其他地层特性。在进行该测量时，中子源215可用于活化地层111中某些元素的特征伽马射线。然后，地层111中的元素可通过其特征伽马射线来识别。然而，被活化的元素发射的特征性伽马射线在被检测之前受到它们在到工具135的路径上的散射和吸收的影响。这种衰减和谱变化可能是由于地层111、井眼11 或工具135中的相互作用所致。

在实践中，由伽马射线闪烁检测器240测量的测量伽马射线谱被认为是在对测量值进行某些校正之后每个元素的标准谱(谱标准)的线性组合。校正分为两类：取决于外部(相对于工具)环境参数，例如密度、孔隙率或井眼效应的那些；以及直接影响检测器响应的参数的那些，所述参数是材料特性、电子效应和温度。因此，有利的是，每个元素的检测器响应是唯一的(即，分析中使用的标准几乎是正交的)，使得不同标准之间的相关性是小的。同样有利的是，温度响应不会变化很大，或者至少非常可预测，因此可以在分析中对其进行校正。

如以上表1所示，与上述在油田井下环境中使用的大多数闪烁体材料 (BGO除外)相比，TLYC具有更好的(更大的)有效原子序数(Z_eff)。实际上，铊(Tl)在铋(Bi)和铅(Pb)之后是具有最高原子序数且不具有放射性的天然元素。使用TLYC的一个优点是，如表1所示，TLYC的高Z_eff和高密度使TLYC的元素标准比包括NaI(Tl)在内的许多其他闪烁体材料的元素标准更加独特，因此协变性较小。与例如基于NaI(Tl)的闪烁检测器相比，这导致基于TLYC的检测器的谱处理的更好的准确性和精确度。在必须在井下工具中检测MeV伽马射线的情况下，检测器的尺寸通常不理想。在这种情况下，TLYC的效率至少是相同大小的NaI(T1)闪烁体的两倍。如上所述，效率的提高是与NaI(Tl)相比更高的有效原子序数(Z_eff)和更高的TLYC密度的直接结果。

在井下环境中使用基于Tl的闪烁体材料相对于上面讨论的使用传统高 Z材料是一显著优势，传统的高Z材料在70℃以上的温度下都会经历低于 3000ph/MeV的光输出。例如，BGO仅与笨重的杜瓦瓶一起用于井下工具中。在各种实施例中，闪烁体240A中使用的铊基的-的TLYC材料可以无限期地用于高温(即，高于100℃)的井下环境中，而无需上述被动冷却(例如，杜瓦(Dewar))。例如，TLYC在高达100℃的光输出至少为4,500ph/MeV，在125℃下为4,000ph/MeV，在150℃下为3,500ph/MeV，在175℃下为 3,000ph/MeV，以及在200℃下为2,500ph/MeV。因此，当与上面已在油田伽马射线检测器中使用的上述其他闪烁体材料相比时，TLYC闪烁体材料可以改善在70℃以上且至少高达175℃的温度下油田谱测量的性能。

使用TLYC作为闪烁体的另一个特征是TLYC发射谱在430nm附近达到峰值(参见，例如，表2和图4)，这比BGO更适合于井下测井工具中使用的标准高温PMT。图4示出了当样品处于不同温度下时被X射线活化的具有3％Ce浓度的TLYC样品的强度随波长的变化曲线图。具体地，针对样品的每个测试温度示出了由X射线活化的发光谱(放射线发光)。相对于总稀土含量，样品包含3％的Ce。从室温下约430nm到200℃下约420nm的最大发射中稍微转变为蓝色是有利的，因为其改善了与上述高温PMT阴极的匹配。另一方面，例如，BGO的发射谱在480nm附近达到峰值，这可能需要特殊的PMT，该PMT在更长的波长处具有扩展的灵敏度。当暴露在高温下时，这种特殊的PMT可能会被不可逆地损坏。而且，与BGO不同，TLYC 不需要笨重的杜瓦瓶来延长在更高温度下操作检测器的时间。

由于其在高温下的能量分辨率，TLYC还有利于井下使用。例如，如图 5所示，TLYC具有比大多数其他相同尺寸的其他闪烁体材料更好的能量分辨率，例如NaI(Tl)、Ce掺杂的GSO或BGO，并在70℃以上的温度下保持了这一优势。

例如，关于BGO，虽然与TLYC相比，BGO具有更高的Z_eff和更高的密度，并且与TLYC相比，BGO的辐射长度更短，但是使用TLYC作为闪烁体材料的一个优点是检测器使用TLYC闪烁体材料的能量分辨率比BGO 好得多。这在很大程度上弥补了TLYC在像谱伽玛射线测量的测量中相对于 BGO较低的效率。同样，在这方面，尽管TLYC的密度小于GSO，但GSO 的有效原子序数较低，并且GSO的辐射长度比TLYC的短。值得注意的是， TLYC的能量分辨率比GSO更好，因此，对于相同尺寸的闪烁体晶体，TLYC 的性能在谱伽马射线(SGR)测量的精度方面比GSO更好。

此外，关于温度对闪烁体性能的影响，图6示出了具有3％Ce活化剂掺杂剂浓度的大约1cm³TLYC样品的光输出随温度的变化图。通过Cs-137全能量峰值的峰位置的变化，在光导装置上评估光输出。样品晶体位于与室温 PMT连接的光导上。然后将样品TLYC晶体加热到一定的测试温度，并稳定约一小时。通过已知方法获得Cs谱，并通过高斯函数拟合光峰以准确确定其位置。然后将峰位置作为光产率的代表，对温度作图。与NaI(Tl)相比，已确定室温下的光产率参照为至少24,000ph/MeV。如图6所示，测试中样品晶体的光产率在150℃时降至约68％，在175℃时降至约50％。当考虑到光导测试装置和多通道分析仪装置上的整形时间的相应设定以进行谱比较时，可以从图6中估算出光产率结果。这些结果对应于这种特殊测试的TLYC晶体在150℃下的光产率至少为8,100ph/MeV，在175℃下的光产率至少为6,000ph/MeV。

此外，与上述GSO和BGO相比，仅在适度升高的温度下，高达175℃的TLYC样品的性能优于GSO和BGO的。特别是，GSO在高于150℃的温度下基本上无法使用，而BGO在高于70℃的温度下基本上无法使用，而 TLYC仍可在高达至少175℃的温度下使用。工具的较高温度范围使其可以在井下油田环境中使用，而无需附加的冷却装置，例如上述的被动冷却(例如杜瓦瓶)。在这方面，将TLYC晶体用作闪烁体材料可允许在MWD和LWD 应用中使用伽马射线闪烁检测器，在这些情况下，由于保持时间(在电缆中 LWD测量可能要花费数天而不是数小时)和振动敏感性的缘故，被动冷却检测器的使用会限制其使用。

还针对用作闪烁体240A的TLYC闪烁体晶体测试了使用不同Ce掺杂剂浓度对光产率的影响。TLYC晶体上各种掺杂物浓度的测试结果如下图7 和表3所示。

Ce浓度(％)	估计的光产率(ph/MeV)
		0(痕量)	18
0.5	27
		3	27
5	32
		9	26

表3

实验结果表明，一旦达到约0.5％Ce的最小浓度，光产率(LY)对掺杂剂浓度的依赖性就很弱。在图7中示出了两个不同TYLC晶体样品的数据，一个样品的Ce浓度为3％，另一个样品的Ce浓度为2％。与每个TLYC样品的数据相关的拟合曲线示出，相对光产率随温度略有差异。然而，总的来说，两个样品均示出随温度升高而降低的光产率，这仍然适用于井下闪烁检测器，即使即使光产率的降低大于用于井下闪烁检测器中通常使用的可比的 NaI(Tl)闪烁体的。注意，相对于组合物中的总稀土(在这种情况下为Y 和Ce的总和)测量Ce浓度。另外，由于Ce替代Y，即使在高Ce浓度下 Z_eff也不会下降。因此，可以改变Ce活化剂的浓度，以满足给定应用的其他特定需求，例如高温下的光产率、衰减时间和有效原子序数。

对于伽马射线闪烁检测器，响应时间基于闪烁体衰减时间，该时间通常在纳秒至微秒的范围内，并且是伽马射线闪烁检测器中使用的闪烁体材料的特性。较短的衰减时间对于避免高计数率应用中的脉冲堆积以及时间间隔的测量是非常重要的。

通常可以通过指数衰减的线性叠加来描述单个闪烁事件中发射的闪烁光子数的时间演变。例如，对于TLYC，衰减可以用至少4微秒范围内的三个指数来描述：慢速分量；中间分量；和快速分量。图8A示出了用于TLYC 闪烁体的闪烁衰减时间与温度的关系图。还示出了通过数据指导眼睛的简单线性或多项式拟合(不是基于物理学的模型)。在图示中，三个时间分量是可区分的(测量范围为4微秒)，它们都随温度而变化：快速分量在大约 60-80ns的范围内，中间分量在190-430ns的范围内，慢速分量为410至820ns。如图8A所示，还示出了总光输出的平均加权分数，它从室温下的570ns线性下降到175℃下的210ns。因此，闪烁体平均随着温度的升高而变得更快。图8B中所示的三个衰减分量的相对分数表明，在高达150℃的温度下，衰减由中间和慢速分量主导，而在高于150℃的温度下，衰减由快速分量主导。

当测量它们的响应时，带电粒子和γ量子可能具有不同的上升和衰减时间。因此，闪烁体可用于识别混合辐射通量中的各种类型的辐射(γ量子、粒子)。在一个实施例中，由闪烁体240A响应于受到伽马射线的影响而产生的信号可与响应于闪烁体240A受到中子的影响而产生的信号区区分开(在锂上的中子俘获将导致带电粒子的产生)，中子快速散射会产生原子核反冲，这也是带电粒子)。可以使用脉冲形状鉴别(PSD)来区分信号。当TLYC 用作闪烁体材料时，可以区分伽马射线探测事件和中子探测事件。可以在谱分析过程中利用TLYC的这一特性来减少伽马射线谱下的中子信号，在检测伽马射线的同时对热中子进行计数，并同时利用伽马射线谱对快速中子本底进行检测。在一个实施例中，TLYC闪烁体240A可以包裹在吸收中子的材料(例如硼橡胶)中，以减小伽马射线谱中的中子本底。此外，可以用富集或贫化Li-6的Li来生产TLYC，并且Li-6的含量可以从0％到100％变化。因此，可以使闪烁体材料的中子灵敏度适应测量的需要。

使用TLYC作为闪烁体材料对于采用增益稳定的伽马射线闪烁检测器 240也可能具有优势。众所周知，电子设备(例如PMT 240B)可能会受到温度的影响，因此，在使用工具135期间，测量的增益可能会发生变化。如上所述，伽马射线稳定源220可以是用于在变化的环境条件下产生谱以控制和稳定检测器240的增益。可以将增益稳定化应用于稳定化源220的光峰，对于¹³⁷Cs稳定化源，该光峰是有据可查的662keV峰。TLYC的一个特征是其有效原子序数比NaI(Tl)的高38％，其密度大25％。由于光峰效率与原子序数的四次幂成比例，并且与密度成线性关系，因此具有相同尺寸的NaI (Tl)闪烁体的TLYC闪烁体的光峰效率比NaI(Tl)的高4.5倍以上。因此，对于与NaI(Tl)闪烁体相同的光源强度和闪烁体尺寸，使用TLYC闪烁体时的增益稳定度可以收敛得更快。例如，在LWD中，通常要求检测器在通电后的一分钟后或更短的时间内才能运行。快速收敛到稳定增益的检测器是有利的，因为它更可靠、更准确。

图5示出了Ce掺杂的TLYC晶体与尺寸大于TLYC晶体的NaI(Tl)晶体之间的脉冲高度谱比较。在该示例中，使用¹³⁷Cs作为稳定源220。在图5 中，已对TLYC谱进行了增益调整，以覆盖NaI(Tl)谱在光峰位置(右侧)。对于TLYC比对于NaI(Tl)，光峰与谱其余部分之间的计数比明显更大。TLYC 谱的峰宽仅为NaI(Tl)峰宽的80％，表明能量分辨率得到了提高。TLYC 谱在低通道数下显示出不同的非比例性。与其他闪烁体材料相比，提高的能量分辨率还可改善增益稳定性。

增益稳定通常基于比较对称地放置在脉冲高度能量谱的光峰的标称中心周围的窗口中的计数率。给定时间段内计数的比率或差可用于计算形状因子，该形状因子用于校正关联的光电倍增管240B的高压源240D的高压输出(并因此校正增益)。使用TLYC作为伽马射线闪烁检测器240的闪烁体材料的优点在于，由于其显示出高能量分辨率和较窄的光峰(与NaI(Tl) 相比)，即使保持了与具有相同属性的检测器相同的计数率，也可以使窗口更窄，但能量分辨率较差。结果，与上述在井下检测器中使用的其他闪烁体材料相比，当将TLYC用作闪烁体材料时，可以使伽马射线闪烁检测器240 的增益稳定化更加准确。更准确的增益稳定度可以更准确地测量地层特性。更高的检测器分辨率的优势还在于可以使用较小的(较低活性)稳定源。由于稳定源而导致的较低的所产生的本底谱导致改进的测量精度。

可用于增益稳定的图5和9中的TLYC脉冲高度谱的另一个特征是，有一个X射线逃逸峰伴随着光峰。X射线逃逸峰被很好地定义并且相对于光峰具有相对振幅和能量，这是TLYC材料的特征。可以对TLYC谱中可见的X 射线逃逸峰进行建模和校正。因此，由于X射线峰和光峰的特征性相对位置，一个或两个峰可用于增益稳定。

将TLYC用作伽马射线闪烁检测器240的闪烁体材料对于其他密度测量 (例如使用伽马射线源的伽马-伽马密度测量)也可能是有利的。例如，GSO 有时用作密度检测器。在上述的分辨率和温度性能方面，TLYC优于GSO的优势也适用于密度检测器。在此申请中，与GSO相比，TLYC的另一个优点是TLYC的中子截面确实较小。在辐射场中存在热中子的情况下，与TLYC 相比，GSO在伽马谱下将检测到更多的本底。这尤其适用于现代的LWD工具，其中闪烁体240A可以被放置成紧邻中子源(即源215)。

而且，与其他闪烁体材料相比，使用TLYC可以减小闪烁体材料及其所放置的工具的尺寸和重量，并且可以在不降低由使用较小闪烁体的检测器获得的测量结果的精度的情况下进行这种尺寸和重量的减小。由于高能伽马射线通常会产生快速(所谓的热的)电子，因此辐射长度很好地近似了材料在给定距离内阻止伽马射线的“效率”或有效性。如上面的表1中所示，TLYC 的辐射长度比NaI(Tl)的辐射长度短40％以上，这可以提供一个估计，即TLYC闪烁体240A的尺寸(例如直径)可以减小大约一半，与具有相同效率的类似NaI(Tl)闪烁体相比。另外，TLYC的辐射长度短于LaBr的辐射长度，使得，随着在相同效率的LaBr和TLYC闪烁体晶体之间，TLYC闪烁体晶体可以具有较小的尺寸(例如直径)。

减小直径的闪烁体可能是有利的，因为它使得整体上更小的检测器直径成为可能，这又使得更小的工具直径成为可能。较小的工具直径是有利的，因为测井工具必须装配到受井眼、套管或油管尺寸限制的小直径中。因此，如果可以减小工具的直径，则该工具可能能够装配到较小直径的井中，从而使该工具可能用于更多的井。较小直径的检测器在需要具有方位灵敏度的伽马射线闪烁检测器的MWD/LWD应用中也可能是有利的，这通常是通过在检测器的背面增加屏蔽层、限制可用的晶体直径来实现的。通过减小伽马射线闪烁检测器的尺寸，可以增加附加的屏蔽，而不会使工具的整体尺寸太大而无法安装在井中。

另外，可以在闪烁体240A和稳定源220之间放置附加的屏蔽，这可以减少采取通过工具而不是通过地层的路径的工具本底辐射，并且可以减少由泥浆散射产生的辐射对井眼的影响和减少影响地层信号。减少本底辐射可以提高工具的测量精度，因为否则本底辐射会增加伽玛射线测量的统计不确定性。本底辐射的减少还可以提高精度，因为工具的本底辐射或泥浆属性可能是可变的，并且这些属性的变化可能不容易追踪，从而在伽马射线测量中留下未知的偏差。

此外，由于使用较小的TLYC闪烁体材料而在工具中释放的任何可用空间也可能允许放置至少一个附加的伽马射线闪烁体检测器(例如，以闪烁体检测器阵列)放置在测井工具中，它可以提供附加的日志记录信息，例如有关入侵或泥饼的信息。在这样的实施例中，附加检测器的测量结果可以用于校正井眼、泥饼或侵入效应的其他测量结果。

除了减小尺寸之外，较小的基于TLYC的闪烁检测器可以具有与具有相同效率的较大的基于NaI(Tl)的闪烁检测器至少相同的统计精度。换句话说，在井下工具的受限几何形状中的两个伽马射线检测器之间的比较中，一个检测器是带有一定尺寸的闪烁体晶体的基于NaI(Tl)的检测器，另一个是带有相同尺寸的闪烁体晶体的基于TLYC的检测器，由基于TLYC的检测器获得的伽马射线测量结果的统计精度将比基于NaI(Tl)的检测器提高至少1.4倍。同样，TLYC在更具成本效益和更少的反应性方面也优于其他高分辨率材料(例如掺Ce的LaBr₃和CeBr₃)，这可以防止降级并简化闪烁体材料在工具中的包装。

与使用前述其他闪烁体材料相比，由于使用TLYC闪烁体而导致的伽马射线测量精度的提高可以实现更快的测井速度。例如，基于TLYC的闪烁检测器的测井速度可能是具有与基于TLYC检测器的TLYC闪烁体相同尺寸的检测器NaI(Tl)闪烁体的可比的基于NaI(Tl)的闪烁检测器的测井速度的两倍。较快的测井速度是操作优势，因为与使用其他闪烁体材料的检测器进行测井相比，测井操作可以在更短的时间段内完成和/或具有更高的精度。反过来，提高测井速度可以为客户节省宝贵的钻机时间，并可以为测井公司节省运营成本。

图10示出了在通用的伽马射线检测器工具中使用相同尺寸的TLYC对 BGO和NaI(Tl)闪烁体可获得的等效测井速度的比较。示出的是检测器可能的不同能量分辨率范围的图，该范围随材料而变化。如这三幅图所示，在任何实际预期的能量分辨率以及在自然伽马射线测量中检测到的3种同位素中的任何一种，TLYC材料的性能均优于NaI(Tl)。同样，尽管BGO显示出具有比TLYC快的测井速度，但预期这种效果是受时间限制的，因为对于 BGO而言，分辨率会在高温下迅速下降。因此，预期在每种测井工作中，在测井开始的一定时间之后，当两种材料都在典型的升高的井下温度下使用延长的时间段，则TLYC的性能将优于BGO。

减小闪烁体240A的尺寸还有其他机械优点。例如，闪烁体240A可以安装在安装件上，在工具运动期间力被传递到该安装件上。通过减小闪烁体 240A的尺寸，可以减小闪烁体240A的总重量，并且此外，可以使用于晶体安装件的杠杆臂更短。因此，当检测器受到冲击或振动时，施加在检测器安装件上的力可以减小，从而降低了工具故障的可能性。因此，可以通过减小闪烁体晶体的尺寸来提高检测器的可靠性。

此外，一些闪烁体材料需要仔细的包装和密封以保护它们免受环境的影响。例如，LaBr比TLYC具有显著更高的反应性，因此，LaBr的密封对其作为闪烁体的性能至关重要。另一方面，TLYC在反应性气氛的影响下不易降级，因此，使用TLYC代替LaBr的优点在于，与LaBr的密封包装相比，可以简化TLYC闪烁体材料的气密包装，并使其更具成本效益。

注意，尽管在井下环境中在升高的温度下使用时，虽然可能不需要被动冷却来保持TLYC材料的闪烁性能，但是出于不同的目的，被动冷却(例如，杜瓦瓶)的使用仍然可以与其他形式的绝热一起采用，例如保护闪烁体晶体免受机械应力例如热冲击事件的影响。

图11示出了可以用于实现图1的高性能计算中心203或其一部分的示例计算系统1100。计算系统1100可以是单独的计算机系统1101A或分布式计算机系统的布置。计算机系统1101A包括一个或多个分析模块1103(计算机可执行指令和相关数据的程序)，其可以被构造为根据一些实施例执行各种任务，例如上述任务。为了执行这些各种任务，分析模块1103在一个或多个连接到一个或多个存储介质1107的处理器1105上执行。处理器1105 也连接到网络接口1109，以允许计算机系统1101A通过数据网络1111与一个或多个其他计算机系统和/或计算系统(例如1101B，1101C和/或1101D) 进行通信。注意，计算机系统1101B，1101C和/或1101D可以或可以不共享与计算机系统1101A相同的架构，并且可以位于不同的物理位置。

处理器1105可以至少包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列、数字信号处理器(DSP)或另一个控制或计算设备。

存储介质1107可以被实现为一种或多种非暂时性计算机可读或机器可读的存储介质。注意，尽管在图11的实施例中，存储介质1107被描绘为在计算机系统1101A内，但是在一些实施例中，存储介质1107可以分布在计算系统1101A和/或附加的计算系统的多个内部和/或外部外壳之内和/或之间。存储介质1107可以包括一种或多种不同形式的存储器，包括半导体存储设备，例如动态或静态随机存取存储器(DRAM或SRAM)、可擦除和可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)和闪存；磁盘，例如硬盘、软盘和可移动磁盘；其他磁性介质，包括磁带；光学介质，例如光盘(CD)或数字视频磁盘(DVD)；或其他类型的存储设备。注意，分析模块1103的计算机可执行指令和相关数据可以被提供在存储介质1107的一个计算机可读或机器可读存储介质上，或者可以被提供在在可能具有多个节点的大型系统中分布的多个计算机可读或机器可读的存储介质上。这样的计算机可读或机器可读存储介质被认为是物品(或制造物品) 的一部分。物品或制造物品可以指任何制造的单个组件或多个组件。一个或多个存储介质可以位于运行机器可读指令的机器中，也可以位于可以通过网络下载机器可读指令以执行的远程站点。

应当理解，计算系统1100仅是计算系统的一个示例，并且计算系统1100 可以具有比所示出的更多或更少的组件，可以结合在图11的实施例中未示出的附加组件，和/或计算系统1100可以具有图11中描绘的组件的不同构造或布置。图11中示出的各种组件可以以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现，包括一个或多个信号处理和/或或专用集成电路。

此外，可以通过在诸如通用处理器或诸如ASIC、FPGA、PLD、SOC或其他适当的设备的专用芯片之类的信息处理装置中运行一个或多个功能模块来实现本文所述的高性能计算中心203的操作。这些模块、这些模块的组合和/或它们与通用硬件的组合都包括在本公开的范围内。

在一个实施例中，可以通过在基于云的信息处理设备中运行一个或多个功能模块来实现如本文所述的高性能计算中心203的操作。

在其他又一些实施例中，本文所述的高性能计算中心203的操作可以通过运行位于井场处或附近的信息处理设备中和/或是井下工具的BHA的一部分的信息处理设备中的一个或多个功能模块来实现。

分析(例如，谱分析)伽马射线闪烁检测器的输出的上述方法和过程可以由处理系统执行。该处理系统可以包括单个处理器、多个处理器或计算机系统。在处理系统包括多个处理器的情况下，多个处理器可以设置在单个设备上或相对于彼此设置在相同或远程位置处的不同设备上。一个或多个处理器可以包括一个或多个用于执行上述任何方法和过程中的任一个的计算机处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机)。该计算机系统可以进一步包括诸如半导体存储设备(例如，RAM、ROM、 PROM、EEPROM或闪存可编程RAM)的存储器、磁存储设备(例如，软盘或固定盘)、光学存储设备(例如CD-ROM)、PC卡(例如PCMCIA卡) 或其他存储设备。

因此，上述方法和过程可以被实现为与计算机处理器一起使用的计算机程序逻辑。可以以各种形式来实施计算机程序逻辑，包括源代码形式或计算机可执行形式。源代码可以包括以各种编程语言(例如，目标代码、汇编语言或诸如C、C++、Matlab、JAVA或其他语言或环境的高级语言)的一系列计算机程序指令。可以将这样的计算机指令存储在非暂时性计算机可读介质 (例如，存储器)中，并由计算机处理器执行。计算机指令可以以任何形式作为可移动存储介质以及随附的印刷或电子文档(例如，压缩打包软件)进行分发，预装计算机系统(例如，在系统ROM或固定盘上)或通过通信系统(例如互联网或万维网)从服务器或电子公告板分发。

替代地或附加地，处理系统可以包括联接至印刷电路板、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC))和/或可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列(FPGA))的分立电子组件。可以使用这样的逻辑设备来实现上述任何方法和过程。

还将理解的是，如本文所述，伽马射线测量可以实施在电缆测井工具中，如本领域所公知的，该电缆测井工具被输送到井孔内部以确定地层的特性。电缆测井工具可以通过电缆、钻杆、连续油管、牵引车或其他合适的工具输送装置在井孔中输送。

在本说明书和权利要求书中使用的范围内，以“[a]和[b]中的至少一个”的一般形式的叙述应被解释为是选言的。例如，对“[a]，[b]和[c]中的至少一个”的叙述将包括单独的[a]，单独的[b]，单独的[c]或[a]，[b]和[c]的任意组合。

尽管以上已经详细描述了一些示例实施例，但是本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本文公开的实施例的情况下，可以对示例实施例进行许多修改。因此，所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims

1.一种可部署在穿过地层的井孔中的地下测井工具，该测井工具包括：

工具壳体，该工具壳体被构造为在井孔内并沿井孔运动；

容纳在所述工具壳体中的闪烁检测器，其中所述闪烁检测器包括铊基的闪烁体材料，该闪烁体材料具有当在125℃的温度下操作时的4,000ph/MeV的最小光输出，并且其中，所述闪烁检测器是伽马射线闪烁检测器；

联接到所述伽马射线闪烁检测器的电压源，其中所述伽马射线闪烁检测器的增益是基于反馈信号稳定的，以控制由所述电压源向所述伽马射线闪烁检测器提供的电压；和

稳定电路，该稳定电路被构造为接收伽马射线闪烁检测器的输出并将反馈信号输出到电压源，其中该反馈信号基于对由闪烁检测器输出的测量谱的分析；并且

其中，所述稳定电路基于分析参考谱和测量谱二者中的逃逸峰和光峰的特性来确定所述反馈信号。

2.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有至少60的有效原子序数。

3.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有当在高达100℃的温度下操作时的4,500ph/MeV的最小光输出。

4.根据权利要求3所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有当在150℃的温度下操作时的3,500ph/MeV的最小光输出。

5.根据权利要求4所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有当在175℃的温度下操作时的3,000ph/MeV的最小光输出。

6.根据权利要求5所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有当在200℃的温度下操作时的2,500ph/MeV的最小光输出。

7.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述检测器被构造为测量来自地层的自然发射的辐射。

8.根据权利要求1所述的测井工具，还包括：

伽马射线源，该伽马射线源构造为发射伽马射线，其中，伽马射线闪烁检测器构造为测量地层的伽马-伽马密度。

9.根据权利要求1所述的测井工具，还包括：

中子源，该中子源被构造成将中子从工具发射到地层中以诱发伽马射线，其中所述伽马射线闪烁检测器被构造为测量来自所述地层的中子诱发的伽马射线。

10.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料由未掺杂的TLYC材料形成。

11.根据权利要求10所述的测井工具，其中，所述TLYC材料包括富集或贫化Li-6的Li。

12.根据权利要求1所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料为晶体或多晶形式。

13.根据权利要求1所述的测井工具，还包括：

联接到所述伽马射线闪烁检测器的事件鉴别器，其中，所述事件鉴别器被构造为分析所述伽马射线闪烁检测器的输出，并且基于该输出执行脉冲状的鉴别以区分伽马射线事件和中子检测事件。

14.根据权利要求1所述的测井工具，

其中所述闪烁体材料具有化学式：Tl₂MAHa₆；

其中“Tl”是铊；

其中“M”是锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和铟(In)中的至少一种；

其中“A”是钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)，钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)中的至少一种；和

其中“Ha”是氯(Cl)、氟(F)、溴(Br)和碘(I)中的至少一种。

15.根据权利要求14所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有化学式：Tl₂LiYCl₆。

16.根据权利要求1所述的测井工具，

其中所述闪烁体材料具有化学式：Tl₂MA_1-xDp_xHa₆；

其中“Tl”是铊；

其中“A”是钇(Y)、镧(La)、镨(Pr)，钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb) 和镥(Lu)中的至少一种；和

其中“Ha”是氯(Cl)、氟(F)、溴(Br)和碘(I)中的至少一种；

其中“Dp”是铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)或镝(Dy)中的至少一种；和

其中“x”是介于0和1之间的数字。

17.根据权利要求16所述的测井工具，其中，所述闪烁体材料具有化学式：Tl₂LiY_1- _xCe_xCl₆。

18.一种可部署在穿过地层的井孔中的地下测井工具，该测井工具包括：

工具壳体，该工具壳体构造为在井孔内并沿井孔运动；

伽马射线闪烁检测器，该伽马射线闪烁检测器容纳在工具壳体中，其中，伽马射线闪烁检测器包括铊基的闪烁体材料；

电压源，该电压源联接至所述伽马射线闪烁检测器，其中，所述伽马射线闪烁检测器的增益基于反馈信号稳定，以控制由所述电压源提供给所述伽马射线闪烁检测器的电压；和

稳定电路，该稳定电路被构造为接收伽马射线闪烁检测器的输出，并将反馈信号输出到电压源，其中，稳定电路基于对参考谱和测量谱二者中的逃逸峰和光峰的特征的分析来确定反馈信号。