CN118008282B - 一种随钻方位伽马探管及测井仪器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种随钻方位伽马探管及测井仪器，探管包括外壳、设在外壳上的第一驱动器、设在外壳上的测速传感器、位于外壳内部并与第一驱动器连接的探测壳体、开设在探测壳体上的探测窗口、设在探测壳体内部的半球面探测碗、位于半球面探测碗的内侧的探测晶体、位于半球面探测碗上的至少两个探测管和与探测管电连接的总控制器，测速传感器配置为探测外壳的转速并将转速反馈给第一驱动器，半球面探测碗的轴线与探测壳体的轴线重合。本申请公开的随钻方位伽马探管及测井仪器，通过定向方式获取数据，该种方式提高了数据的方向性精度，同时对数据采取同步验证方式进行筛选，用于去除获取数据中的数据噪声，为后续的数据处理方式提供数据支撑。

Description

一种随钻方位伽马探管及测井仪器

技术领域

本申请涉及井下探测技术领域，尤其是涉及一种随钻方位伽马探管及测井仪器。

背景技术

随钻方位自然伽马原理与传统自然伽马测井原理基本相同，均为测量地层自然伽马放射性强度。地层中放射性元素发射伽马射线，晶体探测到自然伽马射线并产生光子，光子被光电倍增管（PMT）加速后转换成电脉冲，该电脉冲被编码后与井深数据进行匹配得到地层实时伽马曲线，从而判定煤层顶底板，指导钻进轨迹调整，控制钻具有效穿行于煤层最佳位置。

对于随钻方位伽马探管的性能改进，目前主要有材料选择和算法改进两个方面，例如采用以碘化钠为材料的伽马探头，使用钨铜镍合金（密度比铅高，其吸收射线的能力比铅高30%～40%）为屏蔽外壳等。

算法改进主要集中在对得到数据的处理方式上，但是算法改进的前提是获得数据量，考虑到井下环境复杂，温度、转动速度、探测范围等因素均会对获取数据造成影响，同时还会伴随产生数据噪声，对于数据获取方式，还需要进行研究。

发明内容

本申请提供一种随钻方位伽马探管及测井仪器，通过定向方式获取数据，该种方式提高了数据的方向性精度，同时对数据采取同步验证方式进行筛选，用于去除获取数据中的数据噪声，为后续的数据处理方式提供数据支撑。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，本申请提供了一种随钻方位伽马探管，包括：

外壳；

第一驱动器，设在外壳上或者设在外壳内部；

测速传感器，设在外壳上，测速传感器配置为探测外壳的转速并将转速反馈给第一驱动器；

探测壳体，位于外壳内部并与第一驱动器连接，探测壳体上开设有至少一个探测窗口；

半球面探测碗，设在探测壳体内部，半球面探测碗的轴线与探测壳体的轴线重合；

探测晶体，位于半球面探测碗的内侧，探测晶体的轴线与半球面探测碗的轴线重合；

至少两个探测管，均位于半球面探测碗上，第一个探测管的轴线与半球面探测碗的轴线重合，剩余探测管的轴线与半球面探测碗的轴线相交；

总控制器，与探测管电连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括位于探测壳体内部的锥形导光体；

锥形导光体具有多个导光面，导光面的数量与探测窗口的数量相同且一一对应；

探测晶体位于锥形导光体和半球面探测碗之间。

在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括位于探测壳体内部的导光体；

导光体具有多个导入通道和一个导出通道；

多个导入通道均与导出通道连通；

导入通道的数量与探测窗口的数量相同且一一对应；

探测晶体位于导光体和半球面探测碗之间。

在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括用于开启和关闭探测窗口的调整器。

在第一方面的一种可能的实现方式中，调整器包括：

调整环，设在探测壳体内部，调整环上存在多个窗口，窗口的数量与探测窗口的数量相同且一一对应；

第一转动调整环，与调整环转动连接，第一转动调整环上存在多个窗口，窗口的数量与调整环上窗口的数量相同且一一对应；

第二转动调整环，与第二转动调整环转动连接，第二转动调整环上仅存在一个窗口；

第二驱动器，设在调整环上或者探测壳体内部并与第一转动调整环连接；

第三驱动器，设在调整环上或者探测壳体内部并与第二转动调整环连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，每一个探测管的轴线与半球面探测碗的轴线的夹角均不相同。

在第一方面的一种可能的实现方式中，测速传感器包括：

磁环，第一端与外壳连接且位于外壳外部；

检测轴，第一端与探测壳体连接，第二端穿过外壳后伸入到磁环内；

磁环内壁与检测轴之间存在间隙。

在第一方面的一种可能的实现方式中，磁环的第二端或者磁环内壁上设有封闭盲板。

在第一方面的一种可能的实现方式中，磁环外壁和/或封闭盲板上设有屏蔽层。

第二方面，本申请提供了一种测井仪器，包括如第一方面及第一方面任意实现方式中记载的随钻方位伽马探管。

本申请的有益效果为：

本申请公开的随钻方位伽马探管及测井仪器，具有定向数据获取方式与全向数据获取方式，通过两种数据获取方式的结合，提高了数据的方向性精度。同时在获取数据的过程中，会对数据采取同步验证方式进行筛选，用于去除获取数据中的数据噪声，目的是提高数据中有效数据的占比。采用上述方式得到的数据，可以为后续的数据分析过程和算法改进提供数据支撑。

附图说明

图1是本申请提供的一种随钻方位伽马探管的结构性示意图。

图2是基于图1给出的信号传递路径示意图。

图3是本申请提供的一种测速传感器的结构性示意图。

图4是本申请提供的一种锥形导光体上导光面的示意图。

图5是本申请提供的一种导光体的内部结构示意图。

图6是本申请提供的一种调整器的结构性示意图。

图7是本申请提供的一种探测窗口全部开启时的示意图。

图8是本申请提供的一种探测窗口全部关闭时的示意图。

图9是本申请提供的另一种探测窗口全部开启时的示意图。

图10是本申请提供的一种单个探测窗口开启时的示意图。

图11是本申请提供的一种总控制器的控制原理示意框图。

图中，1、外壳，21、第一驱动器，22、测速传感器，31、探测壳体，32、探测窗口，33、半球面探测碗，34、探测晶体，35、探测管，4、总控制器，5、锥形导光体，51、导光面，6、导光体，61、导入通道，62、导出通道，7、调整器，71、调整环，72、第一转动调整环，73、第二转动调整环，74、第二驱动器，75、第三驱动器，221、磁环，222、检测轴，223、封闭盲板，224、屏蔽层。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请中的技术方案作进一步详细说明。

本申请公开了一种随钻方位伽马探管，在一些例子中，请参阅图1，本申请公开的随钻方位伽马探管包括外壳1、第一驱动器21、测速传感器22、探测壳体31，探测窗口32、半球面探测碗33、探测晶体34、探测管35和总控制器4。

第一驱动器21安装在外壳1上或者设在外壳1内部，探测壳体31位于外壳1内部并与第一驱动器21连接，第一驱动器21的作用是驱动探测壳体31转动，使探测壳体31上的探测窗口32在测井仪器工作过程中能够与测井仪器周围的环境保持相对静止。

应理解，如果探测窗口32使用静态设计方式，那么在测井仪器的转动工作过程中，探测窗口32的转动速度会与测井仪器的转动速度保持一致，此时探测窗口32的朝向会持续性的发生变化，这就导致对于同一个方向上的伽马射线，仅能够受到断续的伽马射线信号。

对于上述方式中描述的伽马射线信号采集方式，需要引入探测窗口32转动速度、探测窗口32相对面积和信号变化强度等多个处理参数和计算参数，因为该种方式得到的伽马射线信号不具有持续性，并且还存在频繁波动。

为了解决该问题，本申请采用了探测窗口32与测井仪器周围的环境保持相对静止的伽马射线信号采集方式，该种方式中一个探测窗口32能够对一个固定位置或者说方位处的伽马射线信号进行采集，如图2所示。

该种方式能够得到连续且稳定的伽马射线信号。

测速传感器22安装在外壳1上，测速传感器22配置为探测外壳1的转速并将转速反馈给第一驱动器21，此处需要说明，测速传感器22使用总控制器4进行控制。

在一些例子中，请参阅图3，测速传感器22包括磁环221和检测轴222，磁环221的第一端与外壳1连接且位于外壳1外部，第二端为自由端，检测轴222的第一端与探测壳体31连接，第二端穿过外壳1后伸入到磁环221内，磁环221内壁与检测轴222之间存在间隙。

检测轴222与测速芯片连接，此处的测速方式的原理为霍尔效应，具体的说，当导体（检测轴222）放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体（检测轴222）内的电荷载流子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压），电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。

霍尔电压为零时，说明此时探测壳体31与外壳1相对静止，当霍尔电压不为零时，说明此时探测壳体31与外壳1相对运动，通过霍尔电压值和外壳1的已知转速，可以反向得到外壳1转动时探测壳体31与外壳1周围环境保持相对静止的转动速度。

在一些可能的实现方式中，磁环221的第二端或者磁环221内壁上设有封闭盲板223，目的是避免伽马射线从此处进入到探测壳体31内部。

进一步地，磁环221外壁和/或封闭盲板223上设有屏蔽层224，屏蔽层224可以采用防辐射材料，图3中的屏蔽层 224使用粗实线表示，并且额外增加了缝隙，缝隙的作用是显示屏蔽层 224，实际该缝隙并不存在。

半球面探测碗33位于探测壳体31内部，半球面探测碗33的轴线与探测壳体31的轴线重合，半球面探测碗33的作用是给探测管35提供工作面。探测管35的数量至少为两个，一般而言，探测管35使用两个或者三个。

对于这些探测管35的安装角度，需要第一个探测管35的轴线与半球面探测碗33的轴线重合，剩余探测管35的轴线与半球面探测碗33的轴线相交。

探测管35使用光电倍增管，光电倍增管可以将探测晶体34产生的光信号转换为电信号，总控制器4能够对电信号进行分析，分析内容包括数值大小、数值波动和数值变化等。此处需要额外说明，分析内容需要根据具体的算法确定，此处不再进行探讨。

探测晶体34位于半球面探测碗33的内侧且探测晶体34的轴线与半球面探测碗33的轴线重合，探测晶体34的工作原理是：

探测晶体34探测到自然伽马射线并产生光子，光子被探测管35（光电倍增管）加速后转换成电脉冲，电脉冲转到总控制器4中进行分析。

在前述内容中提到，随钻方位伽马探管的一个改进方式是选择制作伽马探头的合适材料，该材料的一个性能指标就是具备更高的灵敏度，也就是在微弱电磁波的照射下，也能够产生光线。

使用多个探测管35的目的是对探测管35产生信号进行互相验证。

应理解，伽马射线照射到探测晶体34产生的光线，此处假设光线的波长为λ0，此时正对探测晶体34的探测管35会接收到波长为λ0的光线，但是对于其他位置处的探测管35而言，其接收到的光线中，除了有原波长λ0的伽马射线外，还产生了波长λ大于等于λ0 的伽马射线，其波长的增量随散射角的不同而变化。

进一步的描述为，当φ（散射角）≠0（如45°、90°、135°）时，发现存在两种频率的散射光，一种频率与入射光相同，另一种则频率比入射光低，后者随角度增加偏离增大。

对于探测管35而言，会收到两种波长的伽马射线，并且这两种伽马射线的占比与散射角直接关联。随着散射角的增加，探测管35收到的伽马射线就会变软，相应的，其对于探测管35的激发效应也会下降，也就是对于同一束入射光（伽马射线）而言，当探测管35与入射光的相对位置产生变化时，其最终产生的电信号也会出现变化，并且该变化与散射角直接关联。

通过多个探测管35产生的电信号，就能够对这些电信号进行相互验证，例如探测管35的数量为三个，那么对于一束入射光（伽马射线），如果仅有一个或者两个探测管35产生电信号，就需要对此时的入射光（伽马射线）进行舍弃，也就是对这两个探测管35产生的电信号进行舍弃，仅有三个探测管35均产生电信号且与散射角关联时，才保留该入射光（伽马射线）。

在一些可能的实现方式中，每一个探测管35的轴线与半球面探测碗33的轴线的夹角均不相同。

在一些例子中，请参阅图1和图4，在探测壳体31内部增加了锥形导光体5，锥形导光体5的作用是将通过探测窗口32射入的伽马射线引导至探测晶体34处，使用锥形导光体5的优势在于限制了伽马射线的传播路径，使伽马射线经由探测窗口32射入后能够直接进入到探测晶体34。

锥形导光体5具有多个导光面51，导光面51的数量与探测窗口32的数量相同且一一对应，关于锥形导光体5的位置，具体描述是探测晶体34位于锥形导光体5和半球面探测碗33之间。

在一些例子中，请参阅图5，在探测壳体31内部增加一个导光体6，导光体6具有多个导入通道61和一个导出通道62，多个导入通道61均与导出通道62连通。

导入通道61和导出通道62的作用同样是限制伽马射线的传播路径，和锥形导光体5相比，导入通道61和导出通道62的优势在于对伽马射线的传播路径限制更加严格。

导入通道61的数量与探测窗口32的数量相同且一一对应，关于锥形导光体5的位置，具体描述是探测晶体34位于导光体6和半球面探测碗33之间。

在一些可能的实现方式中，导出通道62与导入通道61的连接处设置有一个倾斜段，倾斜段的作用是避免导出通道62间出现相互干扰。

在一些例子中，请参阅图6，还增加了开启和关闭探测窗口32的调整器7，调整器7的作用是实现仅使用某个探测窗口32来进行伽马射线的定向采集。

调整器7包括调整器7、调整环71、第一转动调整环72、第二转动调整环73、第二驱动器74和第三驱动器75，具体地说，调整环71位于探测壳体31内部，调整环71上存在多个窗口，窗口的数量与探测窗口32的数量相同且一一对应。

第一转动调整环72与调整环71转动连接，第一转动调整环72上存在多个窗口，窗口的数量与调整环71上窗口的数量相同且一一对应，第一转动调整环72的作用是实现调整环71上窗口的全部开启和全部关闭，如图7和图8所示。

第二转动调整环73与第二转动调整环73转动连接，第二转动调整环73上仅存在一个窗口，第二转动调整环73的作用是实现调整环71上某个窗口的单独开启，如图9和图10所示。

通过图7至图10可以看到，调整环71上窗口的数量与第一转动调整环72上窗口的数量相同，第二转动调整环73上窗口的数量需要比第一转动调整环72上窗口的数量至少多一个。

第一转动调整环72转动时的动力由第二驱动器74提供，第二驱动器74位于调整环71上或者探测壳体31内部并与第一转动调整环72连接；第一转动调整环72转动时的动力由第三驱动器75提供，第三驱动器75位于调整环71上或者探测壳体31内部并与第二转动调整环73连接。

对于第二驱动器74和第三驱动器75的控制，可以在探测壳体31上部署电池和控制器，或者使用总控制器4来进行控制。测速传感器22需要与第一驱动器21使用同一个控制器进行控制，具体如图11所示。

应理解，总控制器4主要包括与探测管35配套的检测电路、用于控制第二驱动器74和第三驱动器75的控制芯片和与测速传感器22配套的控制芯片，控制器主要包括用于控制第一驱动器21的控制芯片。总控制器4与控制器之间使用无线通讯方式进行数据通讯。

本申请还公开了一种测井仪器，包括上述内容中记载的任意一种随钻方位伽马探管。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种随钻方位伽马探管，其特征在于，包括：

外壳（1）；

第一驱动器（21），设在外壳（1）上或者设在外壳（1）内部；

测速传感器（22），设在外壳（1）上，测速传感器（22）配置为探测外壳（1）的转速并将转速反馈给第一驱动器（21）；

探测壳体（31），位于外壳（1）内部并与第一驱动器（21）连接，探测壳体（31）上开设有至少一个探测窗口（32）；

半球面探测碗（33），设在探测壳体（31）内部，半球面探测碗（33）的轴线与探测壳体（31）的轴线重合；

探测晶体（34），位于半球面探测碗（33）的内侧，探测晶体（34）的轴线与半球面探测碗（33）的轴线重合；

至少两个探测管（35），均位于半球面探测碗（33）上，第一个探测管（35）的轴线与半球面探测碗（33）的轴线重合，剩余探测管（35）的轴线与半球面探测碗（33）的轴线相交；

总控制器（4），与探测管（35）电连接；

还包括位于探测壳体（31）内部的锥形导光体（5）；

锥形导光体（5）具有多个导光面（51），导光面（51）的数量与探测窗口（32）的数量相同且一一对应；

探测晶体（34）位于锥形导光体（5）和半球面探测碗（33）之间；

测速传感器（22）包括：

磁环（221），第一端与外壳（1）连接且位于外壳（1）外部；

检测轴（222），第一端与探测壳体（31）连接，第二端穿过外壳（1）后伸入到磁环（221）内；

磁环（221）内壁与检测轴（222）之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的随钻方位伽马探管，其特征在于，还包括用于开启和关闭探测窗口（32）的调整器（7）。

3.根据权利要求2所述的随钻方位伽马探管，其特征在于，调整器（7）包括：

调整环（71），设在探测壳体（31）内部，调整环（71）上存在多个窗口，窗口的数量与探测窗口（32）的数量相同且一一对应；

第一转动调整环（72），与调整环（71）转动连接，第一转动调整环（72）上存在多个窗口，窗口的数量与调整环（71）上窗口的数量相同且一一对应；

第二转动调整环（73），与第一转动调整环（72）转动连接，第二转动调整环（73）上仅存在一个窗口；

第二驱动器（74），设在调整环（71）上或者探测壳体（31）内部并与第一转动调整环（72）连接；

第三驱动器（75），设在调整环（71）上或者探测壳体（31）内部并与第二转动调整环（73）连接。

4.根据权利要求1所述的随钻方位伽马探管，其特征在于，每一个探测管（35）的轴线与半球面探测碗（33）的轴线的夹角均不相同。

5.根据权利要求1所述的随钻方位伽马探管，其特征在于，磁环（221）的第二端或者磁环（221）内壁上设有封闭盲板（223）。

6.根据权利要求5所述的随钻方位伽马探管，其特征在于，磁环（221）外壁和/或封闭盲板（223）上设有屏蔽层（224）。

7.一种测井仪器，其特征在于，包括如权利要求1至6中任意一项所述的随钻方位伽马探管。