CN115788421B - 一种集成式自然γ能谱测井仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成式自然γ能谱测井仪，属于自然γ能谱测量领域，集成式自然γ能谱测井仪包括：井下仪器和地面仪器；井下仪器包括晶体及γ能谱测井芯片；γ能谱测井芯片包括衬底、像素阵列、数据处理单元及存储单元；像素阵列、数据处理单元及存储单元采用三阱CMOS工艺集成在衬底上；晶体用于与γ射线发生相互作用产生光信号；像素阵列用于将光信号转换为电脉冲信号；数据处理单元用于根据电脉冲信号确定γ能谱测井曲线；存储单元用于存储γ能谱测井曲线；地面仪器用于根据γ能谱测井曲线确定测井数据。在保证γ能谱测量精度的同时，降低了γ能谱测井仪的体积，能够适用于小口径的测井。

Description

一种集成式自然γ能谱测井仪

技术领域

本发明涉及自然γ能谱测量领域，特别是涉及一种集成式自然γ能谱测井仪。

背景技术

自然伽马测井根据不同地层伽马射线强度不同划分地质层位、确定砂岩泥质含量和定性判断岩层渗透率，是三类核测井方法之一，是油田勘探开发中研究沉积环境、分析含放射性岩石矿物成分的重要手段。它是用自然γ测井仪沿钻孔测量岩石和矿石的天然γ射线照射量率(或计数率)，根据γ场的分布确定钻孔所穿过的放射性矿床的位置、厚度以及其中放射性元素的含量。自然γ测井仪是测量地层中天然放射性同位素发射γ射线总量的石油探测仪器。自然γ射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将γ射线转化为电脉冲信号，经放大、整形、计数后经通讯接口由电缆送至地面系统，形成自然γ测井曲线。

目前，γ能谱测井仪在石油工业的应用主要是通过自然γ能谱测井所测量的铀（U）、钍（Th）、钾（K）含量来识别岩性、研究沉积环境、生油层、寻找储集层、确定粘土含量等目的，特点是含量测量范围小、测井仪直径大，不适宜中小口径、高放射性、存储式测井的施工要求。

一方面，一些热液型铀矿床属于铀、钍混合型矿床，对于此类矿床需要采用γ能谱测井方法分别测定矿石的铀、钍含量，才能准确计算铀的储量，且钻孔裸眼直径都为60mm，因此需要开发小口径γ能谱测井仪。另一方面，由于测井电缆的数据传输速率受限，单位时间内传输到地面的数据是有限的，所以需要对井下数据进行预处理，并且将处理后的数据存于存储器中。而井眼孔径限制导致测井仪口径受限，仪器内空间小，探测器的有效探测体积变小，需要重新设计结构以解决探测器变小带来的探测效率降低，伽马射线计数率偏低，造成统计起伏误差大的问题。

传统自然γ能谱测井仪采用PMT(Photomultiplier Tube，光电倍增管)采集光信号。随着更多超深井、水平井等复杂油井的发现，面临的地质状况更加复杂、储层物性更差，对测井的要求更高，只有提高测井仪器的精度和可靠性，才能满足恶劣地质情况下对油气层的准确识别。光电倍增管的耐热稳定性差，在高温条件下工作时，光阴极的发射效率将大大降低，结果导致脉冲幅度下降。通常，由室温升至100°C时，光电倍增管输出脉冲幅度约下降50%。同时，随环境温度升高，热噪声增加，会产生更多的干扰脉冲。因此，光电倍增管用于γ测井仪中，高温条件下测量精度也会受到影响。为了保持温度稳定，传统γ能谱测井仪一般使用保温瓶结构，这样不可避免地会增加测井仪体积，导致应用场合受限，不适用于小口径测井。而且随着测井精度的进一步提升，对自然γ探测器的精度、速度要求越来越高，需要更多数量的光电倍增管、更高性能的信号处理电路。而基于测井仪口径限制，光电倍增管加上各类信号处理单元芯片、存储电路，导致探测器体积过大。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成式自然γ能谱测井仪，可减小γ能谱测井仪的体积。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种集成式自然γ能谱测井仪，包括：井下仪器和地面仪器；所述井下仪器设置在井下，所述地面仪器设置在地面，且所述井下仪器与所述地面仪器连接；

所述井下仪器包括晶体及γ能谱测井芯片；

所述γ能谱测井芯片包括衬底、像素阵列、数据处理单元及存储单元；所述像素阵列、所述数据处理单元及所述存储单元采用三阱CMOS工艺集成在所述衬底上；

所述晶体用于与γ射线发生相互作用，产生光信号；

所述像素阵列用于将所述光信号转换为电脉冲信号；

所述数据处理单元与所述像素阵列连接，所述数据处理单元用于根据所述电脉冲信号确定γ能谱测井曲线；

所述存储单元与所述数据处理单元连接，所述存储单元用于存储所述γ能谱测井曲线；

所述地面仪器与所述存储单元连接，所述地面仪器用于根据所述γ能谱测井曲线确定测井数据。

可选地，所述晶体为碘化钠晶体。

可选地，所述光信号通过光导和光学耦合剂到达所述像素阵列。

可选地，所述衬底为硅衬底。

可选地，所述像素阵列为光二极管。

可选地，所述像素阵列位于所述衬底与深N阱之间。

可选地，所述数据处理单元包括：

放大器，与所述像素阵列连接，用于对所述电脉冲信号进行放大处理，得到放大电脉冲信号；

甄别器，与所述放大器连接，用于排除所述放大电脉冲信号的干扰信号，得到无干扰电脉冲信号；

整形器，与所述甄别器连接，用于对所述无干扰电脉冲信号进行整形，得到整形电脉冲信号；

编码器，与所述整形器连接，用于对所述整形电脉冲信号进行编码，得到归一化电脉冲信号；

信号处理电路，与所述编码器连接，用于将所述归一化电脉冲信号转换为与单位时间内脉冲数成正比的电位差，并连续记录所述电位差，得到γ能谱测井曲线。

可选地，所述放大器、所述甄别器、所述整形器、所述编码器及所述信号处理电路均包括多个N型金属-氧化物-半导体和多个P型金属-氧化物-半导体；

各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体均集成在所述衬底上，且各N型金属-氧化物-半导体位于深N阱上。

可选地，各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体的栅极均为环形栅。

可选地，所述存储单元是由磁隧道结MTJ组成的磁性随机存储器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过将像素阵列、数据处理单元及存储单元采用三阱CMOS工艺集成在衬底上，形成γ能谱测井芯片，在保证γ能谱测量精度的同时，降低了γ能谱测井仪的体积，能够适用于小口径的γ能谱测井。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明集成式自然γ能谱测井仪的示意图；

图2为γ能谱测井芯片的示意图；

图3为γ能谱测井芯片的版图布局示意图。

符号说明：

井下仪器-1，碘化钠晶体-11，γ能谱测井芯片-12，像素阵列-121，放大器-122，甄别器-123，整形器-124，编码器-125，信号处理电路-126，磁性随机存储器-127，第一层金属-128，第二层金属-129，栅极-13，地面仪器-2。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种集成式自然γ能谱测井仪，采用三阱CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺将像素阵列、数据处理单元及存储单元集成在一块芯片上，在保证γ能谱测量精度的同时，降低γ能谱测井仪的体积，以适用于小口径的测井。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明集成式自然γ能谱测井仪包括：井下仪器1和地面仪器2。所述井下仪器1设置在井下，所述地面仪器2设置在地面，且所述井下仪器1与所述地面仪器2连接。具体地，井下仪器1与地面仪器2通过传输电缆连接。

所述井下仪器1包括晶体及γ能谱测井芯片12。

所述γ能谱测井芯片12包括衬底、像素阵列121、数据处理单元及存储单元。在本实施例中，所述衬底为硅衬底。进一步地，衬底包括P型衬底和P型外延层。所述像素阵列121为光二极管。所述像素阵列121、所述数据处理单元及所述存储单元采用三阱CMOS工艺集成在所述衬底上。

具体地，所述像素阵列121位于所述衬底与深N阱之间。采用三阱高压工艺制作像素阵列121提高了测井仪的抗辐射性能。像素阵列121通过金属与数据处理单元连接。

所述晶体用于与γ射线发生相互作用，产生光信号。优选地，所述晶体为碘化钠晶体11。γ射线照射到碘化钠晶体11上，与之发生相互作用，碘化钠晶体11的原子、分子被电离和激发，退激时发射出闪烁光子（光信号）。

所述像素阵列121用于将所述光信号转换为电脉冲信号（每一道γ射线变换成一个电脉冲信号）。具体地，所述光信号通过光导和光学耦合剂到达所述像素阵列121。在本实施例中，使用高阻衬底材料制作像素阵列121，以使其信噪比更高，能够将总厚度减薄至50μm或更薄，并且具有更快的读出速度。

所述数据处理单元与所述像素阵列121连接，所述数据处理单元用于根据所述电脉冲信号确定γ能谱测井曲线。

具体地，所述数据处理单元包括：依次连接的放大器122、甄别器123、整形器124、编码器125及信号处理电路126。

放大器122用于对电脉冲信号进行放大处理，得到放大电脉冲信号。

甄别器123用于排除所述放大电脉冲信号的干扰信号，得到无干扰电脉冲信号。

整形器124用于对无干扰电脉冲信号进行整形，得到整形电脉冲信号。

编码器125用于对整形电脉冲信号进行编码，得到归一化电脉冲信号。

信号处理电路126用于将归一化电脉冲信号转换为与单位时间内脉冲数成正比的电位差，并连续记录所述电位差，得到γ能谱测井曲线。具体地，信号处理电路126可以采用计数率计电路。

所述放大器122、所述甄别器123、所述整形器124、所述编码器125及所述信号处理电路126均包括多个N型金属-氧化物-半导体和多个P型金属-氧化物-半导体。各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体均集成在所述衬底上，且各N型金属-氧化物-半导体位于深N阱上。

各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体的栅极13均为环形栅。通过将晶体管的栅极由直线型转变为环形结构，降低场泄漏，使晶体管除源漏端相连以外，与其他电流路径进行了隔离，使其结构稳定，保障器件的稳定性，以增强抗辐射性能。

此外，放大器122、所述甄别器123、所述整形器124、所述编码器125及所述信号处理电路126除NMOS和PMOS外，还包括各自具体的处理电路，如放大器122包括放大电路等等，在此不再赘述。

所述存储单元与数据处理单元连接，所述存储单元用于存储所述γ能谱测井曲线。在本实施例中，所述存储单元为由MTJ（magnetic tunnel junction，磁隧道结）组成的磁性随机存储器。磁性随机存储器127由两层CoFeB和一层MgO组成，MgO位于两层CoFeB之间。磁性随机存储器127通过金属线与芯片中的其他电路相连。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面具体介绍γ能谱测井芯片的组成部分。

如图2所示，γ能谱测井芯片12包括第一层金属128、磁性随机存储器127、第二层金属129、P型衬底、P型外延层、N阱、P阱和深N阱。其中，P阱位于深N井内。像素阵列121由深N阱和P型衬底之间形成的P-N的二极管组成。数据处理单元（放大器122、整形器124、甄别器123、编码器125、信号处理电路126等）位于P型外延层上。深N阱中的P阱和N型有源区(N+)构成通路，通过金属线连接其他读出电路。N阱和P型有源区(P+)用于制作PMOS晶体管，P阱和N型有源区(N+)用于制作NMOS管。磁性随机存储器127在制作时位于CMOS工艺的第一层金属128和第二层金属129之间。磁性随机存储器127通过第一层金属128与数据处理单元连接，通过第二层金属129与电缆连接。

为了满足井下特殊环境的需求，需要对γ能谱测井芯片进行抗高温、高压、抗辐射设计。一般地温的梯度为3℃/100m。而一般的油田深度在4000米以内，再加上地面的温度，所以要求γ能谱测井芯片的耐温达到125-175℃。同时还要经受住一定的冲击和振动，还要具有一定的抗辐射性能。

因此，本发明采用三阱高压CMOS工艺将磁性随机存储阵列、像素阵列、信号处理电路等集成在一块芯片上，保证了γ能谱测井芯片的抗辐射性能，以保证输出信号的准确性和完整性。采用环形栅和/或Flared晶体管保证了γ能谱测井芯片的抗辐照性能。由于辐射损伤主要是降低阈值电压和减小增益，多晶硅在场氧两端通常比较小，当阈值电压降低的时候，器件容易被击穿。Flared晶体管（把晶体管栅极做成类似喇叭或者裙摆的形状）加固技术采用长的沟道长度，能够有效减小击穿效应，Flared结构的MOS管的辐照后暗电流远小于普通MOS管。同时，为了保证γ能谱测井芯片在高温下可靠工作，本发明从电路设计和版图设计两个方面出发优化和提升芯片性能，具体来说，一方面通过降噪技术来提高测井仪的精度，另一方面采用版图优化方法降低高温器件失配引起的噪声，γ能谱测井芯片的版图布局如图3所示。

本发明的γ能谱测井芯片采用耐高温高压的硅像素阵列探测伽马射线的强度，探测信号的硅像素阵列具有极高的空间分辨率、计数能力、探测效率以及较好的抗辐射能力。基于CMOS VLSI（Very Large Scale Integration Circuit，超大规模集成电路）工艺，将伽马射线探测、数据处理单元、存储单元等集成到一块同一块硅衬底上，生产成本低、更新研发周期短，可以大幅度减少测井仪的体积、减少测井数据量，从而可以应用于小口径γ能谱测井，实现大范围测井，同时缓解电缆数据传输受限以及存储难题，显著提高了测井仪器的灵敏度和速度。

所述地面仪器2与所述存储单元连接，所述地面仪器2用于根据所述γ能谱测井曲线确定测井数据。

具体地，地面仪器2包括输入整形单元、微处理器、键盘输入单元、显示单元、警报单元、输出接口、供电单元、放大器等。

输入整形单元用于对γ能谱测井曲线进行整形。通过键盘输入控制指令，微处理器对输入整形单元输出的信号进行管理，得到测井数据。当测井数据异常时通过警报单元发出警报信号，通过输出接口输出测井数据到其他设备。

本发明提供的应用于高温高压条件下的CMOS像素阵列具有检测范围大、灵敏度高、速度快、抗辐射、集成度高、耐高温等优异性能，能够满足伽马测井需求。因此，采用基于半导体技术的γ能谱测井芯片具有无可替代的优势。尤其针对大范围伽马射线探测，能够体现出更多优势，如果采用大尺寸像素，能够在保证速度和抗辐射前提下，有效降低功耗。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种集成式自然γ能谱测井仪，其特征在于，所述集成式自然γ能谱测井仪包括：井下仪器和地面仪器；所述井下仪器设置在井下，所述地面仪器设置在地面，且所述井下仪器与所述地面仪器连接；

所述井下仪器包括晶体及γ能谱测井芯片；

所述γ能谱测井芯片包括第一层金属、第二层金属、衬底、P型外延层、N阱、P阱、深N阱、像素阵列、数据处理单元及存储单元；其中，P阱位于深N阱内；所述衬底为P型衬底；所述像素阵列、所述数据处理单元及所述存储单元采用三阱CMOS工艺集成在所述衬底上；像素阵列由深N阱和P型衬底之间形成的P-N的二极管组成；数据处理单元位于P型外延层上；深N阱中的P阱和N型有源区构成通路，通过金属线连接其他读出电路；N阱和P型有源区用于制作PMOS管，P阱和N型有源区用于制作NMOS管；

所述晶体用于与γ射线发生相互作用，产生光信号；

所述像素阵列用于将所述光信号转换为电脉冲信号；

所述数据处理单元与所述像素阵列连接，所述数据处理单元用于根据所述电脉冲信号确定γ能谱测井曲线；

所述数据处理单元包括：

放大器，与所述像素阵列连接，用于对所述电脉冲信号进行放大处理，得到放大电脉冲信号；

甄别器，与所述放大器连接，用于排除所述放大电脉冲信号的干扰信号，得到无干扰电脉冲信号；

整形器，与所述甄别器连接，用于对所述无干扰电脉冲信号进行整形，得到整形电脉冲信号；

编码器，与所述整形器连接，用于对所述整形电脉冲信号进行编码，得到归一化电脉冲信号；

信号处理电路，与所述编码器连接，用于将所述归一化电脉冲信号转换为与单位时间内脉冲数成正比的电位差，并连续记录所述电位差，得到γ能谱测井曲线；

所述放大器、所述甄别器、所述整形器、所述编码器及所述信号处理电路均包括多个N型金属-氧化物-半导体和多个P型金属-氧化物-半导体；各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体均集成在所述衬底上，且各N型金属-氧化物-半导体位于深N阱上；各N型金属-氧化物-半导体和各P型金属-氧化物-半导体的栅极均为环形栅；

所述存储单元与所述数据处理单元连接，所述存储单元用于存储所述γ能谱测井曲线；所述存储单元是由磁隧道结MTJ组成的磁性随机存储器；磁性随机存储器由两层CoFeB和一层MgO组成，MgO位于两层CoFeB之间；磁性随机存储器在制作时位于CMOS工艺的第一层金属和第二层金属之间；磁性随机存储器通过第一层金属与数据处理单元连接，通过第二层金属与电缆连接；

所述地面仪器与所述存储单元连接，所述地面仪器用于根据所述γ能谱测井曲线确定测井数据。

2.根据权利要求1所述的集成式自然γ能谱测井仪，其特征在于，所述晶体为碘化钠晶体。

3.根据权利要求1所述的集成式自然γ能谱测井仪，其特征在于，所述光信号通过光导和光学耦合剂到达所述像素阵列。

4.根据权利要求1所述的集成式自然γ能谱测井仪，其特征在于，所述衬底为硅衬底。

5.根据权利要求1所述的集成式自然γ能谱测井仪，其特征在于，所述像素阵列为光二极管。

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