CN113514897B - 一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器，包括自动扫描系统，自动扫描系统具有支撑台、设置在支撑台上的探测装置、样品盒和动力装置，其中，动力装置能驱动样品盒移动以穿过探测装置，从而使得探测装置对样品盒内的样品进行扫描测量；与自动扫描系统连接的测控模块，以用于控制动力装置和探测装置，并采集相关的测量参数；与测控模块连接的测量上位机，上位机用于下发测量指令，并采集、运算、显示和存储测控模块所采集的测量参数，该仪器兼容钻井现场和实验室，兼容钻井岩屑测量和岩心测量，且操作简单，测量精度高。

Description

一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器

技术领域

本发明属于地质分析技术领域，主要为用于扫描测量岩样(如岩心、岩屑等)的自然伽马和伽马能谱的仪器。

背景技术

钻井是钻探油气的最重要的作业。钻井过程中，所获取的地层岩样主要包括岩心和岩屑。钻井获得的地下岩样是为了研究井下地层的岩石物理性质、沉积特性、含烃丰度、岩性、岩石力学特性等关键地球物理和地质信息，是研究地层和油气信息的第一手宝贵资料，同时对岩心的测量也是对井下测量仪器(如电阻率、伽马仪器等)进行校正的重要手段。

钻井所获得的岩心和岩屑的测量包括了多种测量参数，其中自然伽马和能谱测量是测量的最重要的参数之一，也是最基本的测量参数之一。测量岩样的自然伽马和能谱可以掌握当前钻井地层岩石不同的岩性组成、沉积环境和油气生成的条件，评价和掌握井下当前地层的演化等；另外，实际岩样的测量也是对井下随钻仪器进行校正的有效方法，对准确测量井下地层参数具有重要作用。在页岩地层等难以使用肉眼进行描述和评价的地层，自然伽马和能谱的测量显得尤其重要。

但是，当前对岩样的自然伽马和能谱测量技术的主要局限在于：

1、目前测量仪器对岩屑或岩心的测量主要采用单个样品的测量方法，将单个样品一个一个地放入测量仪器中进行测量，岩屑和岩心的测量采用不同结构的仪器进行测量，测量效率不高；

2、一些测量岩石伽马和能谱的仪器其屏蔽体结构体积大，有的用于测量伽马能谱的仪器甚至重达到吨级，这限制了仪器的使用范围，只能在实验室进行测量。不能满足需要实时测量样品的要求；

3、目前公开的专利和文献中所记述岩心伽马测量方法，将岩心排在地面，利用人工拉动仪器进行测量，导致在测量过程中，人工拉动仪器不能保证仪器匀速运动，因此测量受到的人为影响因素大。另外，地面环境的伽马射线具有很强的本底数据，使得测量过程中受到环境影响，测量误差极大。

因此，需要设计一种新的测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器以解决上述的至少部分技术问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器。该仪器兼容钻井现场和实验室，兼容钻井岩屑测量和岩心测量，且操作简单，测量精度高。

为了实现以上发明目的，本发明提出了一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器，包括：

自动扫描系统，自动扫描系统具有支撑台、设置在支撑台上的探测装置、样品盒和动力装置，其中，动力装置能驱动样品盒移动以穿过探测装置，从而使得探测装置对样品盒内的样品进行扫描测量，

与自动扫描系统连接的测控模块，以用于控制动力装置和探测装置，并采集相关的测量参数，

与测控模块连接的测量上位机，上位机用于下发测量指令，并采集、运算、显示和存储测控模块所采集的测量参数。

在一个实施例中，探测装置具有：

屏蔽筒，

套设在屏蔽筒内的检测外筒，

套设在检测外筒的内腔中的检测内筒，检测内筒的内腔用于样品盒穿过，

固定设置在检测内筒与检测外筒之间的测量电路系统，

固定设置在检测内筒与检测外筒之间的伽马探测器，伽马探测器与测量电路系统连接，以将采集的自然伽马计数和伽马能谱数据传递到测量电路系统进行处理，

设置在屏蔽筒的两端的用于封堵检测内筒与屏蔽筒之间的环空的屏蔽端盖。

在一个实施例中，在检测内筒与检测外筒之间设置多个伽马探测器，并且伽马探测器处于环状接近地面的位置。

在一个实施例中，屏蔽筒为轴向上的分体式结构，且相邻的分体之间通过凹凸配合的方式搭接。

在一个实施例中，样品盒包括截面为半圆的盛放槽，在盛放槽的壁上设置有用于度量长度的标尺。

在一个实施例中，样品盒还包括分别设置在盛放槽两端的定位筒以使得样品盒的部分包围于检测内筒的内腔之中。

在一个实施例中，动力装置包括：

两个轴向相对式分布的支架，

设置在回退侧的支架的外侧的动力源，

转动式设置在支架之间的丝杠，丝杠的一端与动力源的输出轴连接，

与丝杠匹配式连接的滑块，滑块与样品盒连接，以使得动力源在驱动丝杠转动时，滑块直线移动以带动样品盒沿着轴向运动。

在一个实施例中，在两个支架之间固定设置轴向延伸的定位杆，滑块穿过定位杆可滑动式连接。

在一个实施例中，支撑台为分体式构造，并包括处于第一端的第一支撑台和处于第二端的与第一支撑台可拆卸式连接的第二支撑台，探测装置和动力装置均设置在第二支撑台上，并在支撑台上设置称重装置。

在一个实施例中，在第一支撑台上设置能为样品盒导向的支撑槽。

与现有技术相比，本发明的优点在于：该仪器具有自动扫描系统，并具有测控模块和测量上位机，能在实现自动化测量的基础上，实现精准控制以及数据的存储以及运算等。另外，该仪器通过动力装置驱动样品盒运作，能实现自动化以及标准化测量，减少了人为影响因素，并有助于减少测量时间，提高测量效率；该仪器结构简单，移动性很强以能适应钻井现场和实验室的使用，并且，该样品盒式结构能兼容岩心和岩屑测量。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器的效果图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的样品盒；

图3显示了根据本发明的一个实施例的探测装置；

图4显示了根据本发明的一个实施例的动力装置。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

本发明提出了一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器。如图1所示，该仪器包括自动扫描系统100、测控模块200和测量上位机300。并且，自动扫描系统100包括支撑台、探测装置8、样品盒6和动力装置7。其中，支撑台包括底座支架1和底座平面2，该底座支架1主要起到支撑作用，用于支撑底座平面2。底座平面2作为工作台面，并用于安装探测装置8以及动力装置7等。样品盒6中用于放置待测量样品。探测装置8设置在支撑台上，用于对样品进行自然伽马和伽马能谱的扫描测量。动力装置7用于为测量样品盒6提供动力，以驱动样品盒6穿过探测装置8，从而最终完成样品盒6内的样品的扫描测量工作。测控模块200包括防爆箱及其安装在内的测控电路及器件，主要用以控制自动扫描系统100的动作，向其提供电源，并采集相关测量参数。测量上位机300安装测量控制软件系统，与测控模块200通过网线连接，用以下发测量指令，采集、运算、显示和存储测控模块200采集的测量参数等。

在轴向上，支撑台为分体式结构，并包括第一支撑台101和第二支撑台102。该第一支撑台101位于第一端方向(图1中的左端方向)，而第二支撑台102位于第二端方向(图1中的右端方向)，并能与第一支撑台101形成可拆卸式连接。两个支撑台101,102对接后要保证底座平面2满足工作要求，例如，保证底座平面2处于同一水平面内。在使用时，第一支撑台101通过连接装置3与第二支撑台102对接。而不需要工作时，将第一支撑台101和第二支撑台102之间的连接拆除，以方便进行收纳。本申请的探测装置8和动力装置7等均构造在第二支撑台102上。这种分体式的支撑台结构能相对减小仪器体积，增加仪器的可移动性能，方便仪器在现场和实验室应用，提高仪器应用范围和应用条件。

例如，连接装置3可以包括分别设置在第一支撑台101和第二支撑台102上的连接叶片(图中未示出)，以在需要连接时，将第一支撑台101和第二支撑台102对接，然后通过螺栓穿过连接叶片，以将第一支撑台101和第二支撑台102固定在一起。同时，连接叶片上的螺纹孔可以构造为长条孔以用于调节第一支撑台101和第二支撑台102在高度方向上的相对位置，用于保证检测要求，例如，第一支撑台101和第二支撑台102的上平面处于同一水平面内。优选地，在第一支撑台101上设置调节组件，比如，调节组件可以构造为顶升螺钉，用于顶升第一支撑台101的台面相对于支架1升高或者降低。这种调节方式简单，操作容易，有助于保证第一支撑台101的台面和第二支撑台102的台面满足检测要求。例如，第二支撑台102的轴向长度可以为1.5m，而第一支撑台101的轴向长度可以为1.1m，则分拆后的整体的运输长度为1.5m，这样方便进行运输，适用于钻井现场等检测，有效提高检测实时性。

如图2所示，样品盒6包括盛放槽61、定位筒62和标尺63。其中，盛放槽61呈半圆弧状，以用来盛放样品，该盛放槽61不限于样品的形状和尺寸，既可以盛放岩屑也可以盛放岩心。定位筒62分别设置在盛放槽61的两端，并背离中心沿着轴向向两端方向延伸。样品盒6通过设置定位筒62，无论是在检测过程中，还是检测完毕后，其至少一部分位于检测内筒82的内腔(后面详细论述)之中，从而保证样品盒6能沿直线运动，不偏离检测内筒82的内腔，进而保证检测顺利进行。可以在盛放槽61的内壁和外壁上均设置标尺63，用于实时测量放入岩样盛放槽61内的每段岩心的长度、不同岩样之间的放置的距离等，使在连续测量时保证岩样归位准确，提高自动测量计算的准确度。优选地，样品盒6由硬质PVC管材制成，有效降低了重量和伽马检测的抗干扰性。

如图3所示，探测装置8包括底座81、检测内筒82、检测外筒89、屏蔽筒83、屏蔽端盖84、伽马探测器86和测量电路系统87。底座81主要起支撑连接作用，用于将该探测装置8安装于第二支撑台102的底座平面2上，其可以与屏蔽筒83为一体式构件。检测内筒82的内腔构造为用于样品盒6穿过的通道。并且检测外筒89套设在检测内筒82的外壁上，并与检测内筒82形成环空空间，以用于放置伽马探测器86和测量电路系统87等。例如，在安装过程中，检测外筒89与检测内筒82可以通过径向设置的连接件等部件固定连接，以将检测外筒89与检测内筒82连接为一体，并收纳伽马探测器86和测量电路系统87等，便于检测操作的顺利进行。屏蔽筒83套设在检测外筒89的外壁上，用于保证测量精度。伽马探测器86设置在检测外筒89与检测内筒82之间的环空内，并与检测内筒82或检测外筒89固定连接。测量电路系统87也设置在检测外筒89与检测内筒82之间的环空内，并与伽马探测器86连接，以在伽马探测器86采集到自然伽马计数和伽马能谱数据后，通过测量电路系统87实时处理。该测量电路系统87并将该数据通过测控模块200上传至上位计算机300。屏蔽端盖84设置在屏蔽筒83的两端，用于盖合并封堵屏蔽筒83与检测内筒82之间的环空，从而使屏蔽筒83实现对外的完全屏蔽，为安装在内的伽马探测器86隔绝了绝大部分外界环境伽马射线，保证检测的准确性。例如，屏蔽端盖84可以与相对应侧的屏蔽筒83固定连接，用于方便检测时的安装操作，并且屏蔽端盖84的外壁至少地与屏蔽筒83的外壁在同一柱面上。

优选的，屏蔽筒83由铅或钨镍铁合金等屏蔽材料制成。由于自然伽马测量的屏蔽筒83质量都非常大，可以在轴向上将屏蔽筒83分为多个分体式构件，并且相邻的分体之间通过凹凸配合的方式搭接，比如，一分体的端壁上突出式设置环形的凸出环，相邻的分体的端壁上设置环形的内凹槽，在连接过程中，凸出环插入到内凹槽以实现两者的部分搭接式的有效连接。这种分体式的屏蔽筒83在使用时组合对接，而在运输时拆分，用于使得操作更加灵活。另外，在每个分体的小环屏蔽筒都有一组屏蔽筒安装把手85，用于方便安装和拆卸操作。

优选地，可以设置多个(例如2-6个)伽马探测器86，伽马探测器86设置越多，采用阵列的探测方式使其探测效率成倍提高，可以有效提高检测效率，缩短检测时间，提高检测速度，但相应地成本也会增高，因此在实际应用中，可根据检测岩样的需求设置伽马探测器86的数量，实现效率和效益的协调。同时，伽马探测器86安装在检测外筒89内的环形底部以更加接近地面，这种设置在保证对检测内筒82内的岩样检测的同时，能有效减少大地环境伽马射线在检测内筒82内的影响，有效地提高了检测的准确性。

本申请的动力装置7可以构造为丝杠传动装置，以促动样品盒6直线运动。具体地，如图4所示，动力装置7包括轴向间隔式分布的支架72、设置在第二端的所述支架72的外侧的动力源71、转动式设置在所述支架72之间的丝杠73、与所述丝杠73匹配式连接的滑块74。动力源71的输出轴与丝杠73固定连接，以在动力源71驱动下，丝杠73相对于支架72旋转，在丝杠73旋转过程中，驱动滑块74沿着丝杠73的轴向直线运动。该样品盒6的第二端通过诸如螺栓连接到滑块74上，则在动力源71驱动下，该滑块74带动样品盒6做直线运动，用于将样品盒6推入到检测内筒82中。通过丝杠这种传动方式，可以保证样品盒6的匀速运动，并可以通过调整动力源71的功率而调整运动速度，从而保证测量的有序进行。

优选地，在支架72之间还固定设置有定位杆75，该滑块74穿过定位杆75，且两者滑动式连接，用于限定滑块74的水平移动，保证其按照轴向进给或者回退过程中不发生偏转，保证样品盒6平稳移动。测量过程中，根据测量要求确定样品盒6移动速度，根据动力源71的减速比以及丝杠73的螺距确定动力源71的转速，上位计算机300控制下发设置的测量转速，测控模块200控制动力源71产生精确转速，提供旋转动力，确保检测时样品盒6匀速运动。动力源可以包括步进电机和与电机连接的减速机，该减速机可以降低步进电机的转速，提高输出扭矩，使样品盒6按设置检测速度进行移动，通过移动速度和样品的记录长度对检测值进行归位。丝杠73的螺距可以确定动力源71的减速机输出轴每旋转一圈样品盒6移动的距离。

在支撑台上还设置有称重装置4，用于称量岩石样品。尤其是，由于岩心、岩屑或岩块不是整体，每放置一次，测量上位机300可以控制测控模块200采集一次样品质量，通过设置称重装置4方便样品按块(包)等进行单次测量，用以校正计算自动扫描过程中的测量值，大大提高了岩石样品的测量精度。

在第一支撑台101上还设置有滑道5。该滑到5的自身结构与样品盒6匹配，以用于为样品盒6进行导向和承托。

下面根据图1到4详细论述仪器的工作过程。

在钻井现场或室内，通过连接装置3将第一支撑台101和第二支撑台102组合。并在现场安装屏蔽筒83到检测外筒89的外壁面，同时安装屏蔽端盖84，连接测控模块200和测量上位机300，形成整体仪器。

测量时，首先使称重装置4将上覆载荷动力装置7、样品盒6和滑道5的重量置零，保证岩样样品的称重准确性。将岩样放入样品盒6内，每放置一个样品，进行一次称重，并记录本段岩样长度，长度用于归位测量伽马结果，使之与岩样测量点对应，对于地层，进一步准确归位到准确的井深位置，适应页岩等肉眼难以归位的地层。这些数据通过操作上位计算机300上的软件进行自动采集和输入。待岩样样品放置满样品盒6后，操作上位计算机300发送指令给测控模块200，测控模块200控制动力装置7推动样品盒6进入探测装置8，开始进行测量。定位筒62可以确保样品盒6在探测器8内顺利移动。样品盒6通过探测装置8，进入滑道5，直至盛放槽61完全通过探测装置8。探测装置8内的伽马探测器86采集到的自然伽马计数和伽马能谱数据，该数据通过测量电路系统87实时处理后，由测控模块200上传至上位计算机300内进行处理和最终计算、处理、解释和成图。完成一次测量。

下一次测量前，先将样品盒6内的已经检测过的样品取出，再在样品盒6内装入待测岩样样品，每装一次记录长度和重量，装置完后操作上位计算机300进行测量。使得测控模块200控制动力装置7推动样品盒6回退，以反向进入探测装置8，进行自然伽马计数和伽马能谱测量。

样品盒6往返一次可进行两次测量，大大提高了作业效率。该仪器适合于整块岩心、岩屑、碎块岩心等测量。

在测量完成后，可以将仪器的第一支撑台101与第二支撑台102进行分离，并拆除屏蔽筒83，将仪器分散化，使得独立的部分体积变小、变轻，方便运输和存储。

本申请的仪器采用自动测量方式，应用程序对岩石自动进样，能充分保障测量的精度；屏蔽筒83的设置能有效降低自然环境的伽马本底数据影响，有效提高了测量的准确性；仪器采用的结构可移动性强，能够使用钻井现场或应用于实验室环境，有效提升了仪器的应用范围；仪器可以兼容岩心和岩屑的测量，对碎块岩心也能准确测量，兼容了岩心测量的整体性；另外该仪器采用了精确的称重系统和测量算法，在提升测量兼容性的同时，有效降低了测量误差。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于扫描测量岩样的自然伽马和伽马能谱的仪器，其特征在于，包括：

自动扫描系统，所述自动扫描系统具有支撑台、设置在所述支撑台上的探测装置、样品盒和动力装置，其中，所述动力装置能驱动所述样品盒移动以穿过所述探测装置，从而使得所述探测装置对所述样品盒内的样品进行扫描测量，

与所述自动扫描系统连接的测控模块，以用于控制所述动力装置和所述探测装置，并采集相关的测量参数，

与所述测控模块连接的测量上位机，所述上位机用于下发测量指令，并采集、运算、显示和存储所述测控模块所采集的测量参数，其中，

所述探测装置具有：

屏蔽筒，

套设在所述屏蔽筒内的检测外筒，

套设在所述检测外筒的内腔中的检测内筒，所述检测内筒的内腔用于所述样品盒穿过，

设置在所述屏蔽筒的两端的用于封堵所述检测内筒与所述屏蔽筒之间的环空的屏蔽端盖，

固定设置在所述检测内筒与所述检测外筒之间的伽马探测器，所述伽马探测器处于环形底部位置。

2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述探测装置具有：

固定设置在所述检测内筒与所述检测外筒之间的测量电路系统，

所述伽马探测器与所述测量电路系统连接，以将采集的自然伽马计数和伽马能谱数据传递到所述测量电路系统进行处理。

3.根据权利要求2所述的仪器，其特征在于，在所述检测内筒与所述检测外筒之间设置多个所述伽马探测器。

4.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述屏蔽筒为轴向上的分体式结构，且相邻的分体之间通过凹凸配合的方式搭接。

5.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述样品盒包括截面为半圆的盛放槽，在所述盛放槽的壁上设置有用于度量长度的标尺。

6.根据权利要求5所述的仪器，其特征在于，所述样品盒还包括分别设置在所述盛放槽两端的定位筒以使得所述样品盒的部分包围于所述检测内筒的内腔之中。

7.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述动力装置包括：

两个轴向相对式分布的支架，

设置在回退侧的所述支架的外侧的动力源，

转动式设置在所述支架之间的丝杠，所述丝杠的一端与所述动力源的输出轴连接，与所述丝杠匹配式连接的滑块，所述滑块与所述样品盒连接，以使得所述动力源在驱动所述丝杠转动时，所述滑块直线移动以带动所述样品盒沿着轴向运动。

8.根据权利要求7所述的仪器，其特征在于，在两个所述支架之间固定设置轴向延伸的定位杆，所述滑块穿过所述定位杆可滑动式连接。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的仪器，其特征在于，所述支撑台为分体式构造，并包括处于第一端的第一支撑台和处于第二端的与所述第一支撑台可拆卸式连接的第二支撑台，所述探测装置和所述动力装置均设置在所述第二支撑台上，并在所述支撑台上设置称重装置。

10.根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，在所述第一支撑台上设置能为所述样品盒导向的支撑槽。