CN86108715A - γ射线光谱等测井方法和装置 - Google Patents

Abstract

改良的测井方法和检测及测定来自地层的光子和其它辐射用的装置。该辐射可以是天然辐射；由一个辐射源产生并用与地层组分的相互作用加以修正；在中子辐射与地层组分相互作用过程中或之后产生；或通过事先用中子激活从而具有人工放射性的组分的衰变产生。辐射采用闪烁体和光电倍增管检测，闪烁体则包括一个或多个含掺铈的原硅酸钆的晶体。这种检测器具有相当高的检测效率和能量分辨率，可以在井下环境中工作而无需采取防污染或温度影响的保护措施。

Description

本发明涉及在通过地层的井孔中用γ射线等高能光子进行测井的方法和装置。

应用检测诸如γ射线和X射线等高能光子的方法（经或不经过光谱分析）测井是发现和开发地下烃类藏量的一个重要方法。通常，井孔钻好之后就把细长测井工具或探测仪放在一根具有若干在地面设备和探测仪之间传输电能和信号的导线的铠装电缆上并降下到井底，然后用绞车提升电缆，将探测仪在井孔中提起，用探测仪中的检测器检测地层中放射性元素（例如铀、钍和钾）自然放射的高能光子辐射，或用探测仪中的辐射源发出的穿透性辐射进行照射所产生的高能光子辐射。

若设有辐射源，则辐射可取如下的各种形式：例如，中子、γ射线或X射线，也可以是由放射性物质中的原子衰变（包括核转变或原子跃迁）产生的或用电动加速器人工产生的。可作为辐射源的例子有：在衰变过程中能连续放射出γ射线而形成钡的铯-137，和专利权授与古特曼的美国专利3，461，291号和专利权授与费伦特劳普的美国专利3，546，512号所介绍的中子加速器。该加速器，视操作情况而定，能连续或以脉冲形式放射出中子。探测仪放射出的射线与探测仪附近的物质（例如，井孔中的物质和/或构成地层的物质）相互作用，视该等物质的特性而定，按一定的形式变换。探测仪中的检测器能检测出辐射源为光子源时的散射或衰减光子辐射（γ或X射线），或与中子源产生的中子相互作用所诱发出的γ辐射。还有另一种可能是检测出在地层中用中子照射法人工诱发出的放射性同位素在衰变时所产生的γ激活辐射;这种激活辐射一般在中子照射之后持续若干分钟。

γ射线和X射线之类的高能光子井下检测器一般使用一种特殊生长的闪烁晶体，高能光子与构成这种闪烁晶体的原子相互作用时，闪烁晶体产生一闪出现的可见光子或接近可见的光子（即能级相对地低的光子）。此闪光为处在闪烁晶体附近的光电倍增器所检测后产生表示闪光强度的电信号，此闪光强度与入射高能光子的能量有关。

检测出的γ射线或X射线的诸参数，例如，它们的能量和/或出现率，经测定后，其测量结果经铠装电缆传送到地面设备记录下来。通过分析，例如，分析所检测出的高能光子辐射的时间和/或能谱分布，可以推定出有关地下情况的数据，有助于地下烃类储层的探测与开发。

井下环境，包括潮湿或腐蚀性的环境和可能出现的高压、高温等都能危害电气和机械设备。因此测井探测仪应设计得结实牢固。此外井下空间非常狭窄-测井探测仪需要通过开采导管时，其外径要限制在1    11/16英寸（42.9毫米）。这些要求使测井探测仪在材料和结构上严受限制。此外，钻井装置的维修和操作，花费是非常大的，因此应尽量减少实际钻井以外的其它活动（例如，测井）的时间。

闪烁晶体的选用是井下高能光子检测器设计中的一个特殊问题。理想的闪烁晶体应具有若干特殊性能，例如，密度高，以使高能光子和闪烁体材料之间的相互作用尽可能大，从而尽量提高对这类透过晶体的光子的检测效率;有效原子序数大，使晶体具有高的光峰效率，即，使所希望有的光电相互作用尽可能大，以使起不希望有的降低γ射线和X射线能量的作用和降低引入光子能量测定精确度作用的康普顿散射尽可能小;γ射线或X射线相互作用之后的闪烁过程衰变快，余辉小;输出的高闪烁光应与引入的光子能量成线性关系，使晶体具有良好的能量分辨率并能精确测定能量;透明度高，尽量使闪光体材料产生的闪光衰减慢;闪烁过程不应受温度变化的影响;性能不受井下环境中一般物质的影响，机械强度高;体积尺寸的长短和直径在若干厘米范围内。有许多可作为井下闪烁晶体的材料都不具备上述一种或多种性能。

目前测井闪烁体最常用的材料是掺铊的碘化钠。这种材料具有若干对测井操作起不希望有的限制作用的缺点：它的密度低，所以检测效率低;闪烁过程衰变慢，因而限制了它对高能光子相互作用的响应速率;余辉大，而且在光子与晶体相互作用之后长时间持续下去;具有吸湿性，因而必须装进密封外壳中。虽然碘化钠具有一些有益的性能，包括：光输出大、能量分辨率良好，可以制成较大的体积，而且要补偿其对温度变化的敏感性比较容易，但它的应用在某些方面却限制了测井操作，例如，测井速度慢、测量的统计可靠性差和不能密封等。

最近有人研究出了另一种材料-锗酸铋。锗酸铋比碘化钠的密度大得多，铋的存在使其有效原子序数高。锗酸铋还不吸湿。遗憾的是锗酸铋的光输出远小于碘化钠（约低88%），而且随温度的升高急剧下降，因此需要采取一些热稳定措施，例如将闪烁体快速冷却或封装在杜瓦瓶中。可惜的是，这种杜瓦瓶壁中的物质对进来的射线起不希望有的衰减作用，而且占空间，因而限制了晶体的最大尺寸，从而限制了测井速率、统计可靠性等。这使锗酸铋很难或不可能装进实际所用的细长测井工具中。此外，其光输出的光谱与现行通用的光电倍增管很不相称，因此要全面利用其性能和补偿其固有的光输出低的影响就需要研究新的光电倍增技术。锗酸铋的折射率相当高，这使问题变得更槽，因为光线会因此在内部全反射过程中具有被晶体所吸收的倾向。此外，锗酸铋的闪烁衰变时间甚至比碘化钠的还长，这带来了更大的问题-脉冲堆积问题。

本发明的一个目的是提供能部分解决在测井的困难和不利环境中使用闪烁材料等有关问题的γ射线光谱和诸如此类测量用的方法和装置。

因此本发明即提供采用适用于在井下移动的探测仪勘测地下地层的装置和方法。视待测定地层的特性或诸特性而定，探测仪中可装天然辐射源或人工辐射源，用以用γ射线、X射线或中子等穿透辐射照射地层。不然也可用探测仪测定地层的天然放射性辐射，这时探测仪中就不装辐射源。无论是天然的辐射或因照射引起的辐射都通过采用含钆的闪烁体（例如，掺铈的原硅酸钆晶体）的探测仪来检测。这种闪烁体比起碘化钠，密度大，闪烁衰变时间短，有效原子序数高，而且不吸湿。此外，这种闪烁体还有一种对测井非常重要的性能，即其光输出在测井操作中一般遇到的温度范围内的变化情况可与碘化钠媲美，这样就无需在温度变化方面采取另外的特殊措施。

闪烁体响应所检测到的辐射时所产生的光系用以发出一种表示该射线的至少一种特性的信号。此信号被记录下来。通过对信号的分析，可以获得关于地层和有关诸如烃类等宝贵资源是否存在以及是否可以开采等的宝贵资料。

采用含钆闪烁体给测井工具的设计和制造、测井速率和测井精确性带来显著的好处。特别是，可以不用密封和/或采用温度调节器，从而简化了测井工具，使它变得更可靠，而且腾出的空间可用以装更大的晶体，在更短的时间内即可完成规定精确度的测定工作，或在相同的时间内达到更高的精确度。

阅读下列对本发明诸实施例的详细说明并参照附图即可了解本发明的其它目的和特点。附图中：

图1是本发明装置探测仪部分的示意图;

图2是一些闪烁体材料的光输出随温度变化的关系曲线图;

图3是三种闪烁体材料的光输出随温度而变化的关系曲线;

图4是形成图1探测仪一部分的检测器的剖面图;

图5是沿图4Ⅴ-Ⅴ线截取的检测器剖面图;

图6是另一种形式检测器的剖面示意图;

图7表示在检测器中加一层铅时的影响曲线图;

图8是与检测器有关的线路方框示意图;

图9是用于天然γ射线测井的另一种检测器的示意图。

众所周知，用γ射线光谱等高能光子测井有各种不同的技术，这些技术对所检测出的辐射和其与井孔和/或地层成分的相互作用方面都采用了各种不同的原则。本发明的方法和装置都适用于所有这些技术，我们将结合实例予以介绍。虽然这里特别加以介绍的是地层γ射线光谱测定法，不言而喻，本发明也适用于采用能辐射出象X射线等他种光子辐射的闪烁体进行检测和测量的场合，而且这里“高能光子”一词系指所有具有γ射线和X射线之类能量的光子辐射。又，本发明适宜检测和测定来自井孔区任何地方（例如，来自井孔有流体的部分）的这类辐射，而不仅仅是来自井孔周围地层的辐射。

参看附图。从图1中可以看到探测仪10。探测仪10用以感测用高能中子轰击地层所产生的γ射线，并用以检测以后用以进行光谱分析用的辐射能量。探测仪10用多芯铠装电缆14吊在井孔12中。穿过地层16的井孔12可以是不加套管的，如图所示;也可以是加套管的，井孔中充有流体18。下面即将谈到的探测仪10可以按专利权授与小赫尔佐等人的美国专利4，317，993号（该专利已转让给本专利的申请人）进行制造。其它适用于实现本发明用的探测仪是熟悉本专业的人士所熟知的。探测仪10用地面设备24中的绞车下列井中：通过滑轮20和深度计22先是把电缆放开，然后回卷到一定的深度。实际测井过程通常是在探测仪10在井孔12中回升时进行的，但在某些情况下则可以在下吊的过程中进行或上下过程中都进行。

探测仪10包括一个脉冲中子源26和一个辐射检测器28。脉冲中子源26用以产生初级辐射，以便探测仪在井孔中往上提时用快速中子轰击地层16。辐射检测器28用以检测由此在井孔12和地层16中诱发的次级（γ）辐射。中子源26最好是专利权授与古特曼的美国专利3，461，291号和专利权授与费伦特劳普的美国专利3，546，512号（该两专利均属本申请所有）介绍的脉冲加速器式的那一种。这种中子源特别适宜产生持续时间和重复率可以控制的高能或快速中子（例如14兆电子伏特）离散脉冲串。

检测器28是适用于检测γ射线并能产生对应于各检测出来的γ射线、其大小表示γ射线能量的电信号的那一种检测器。为此，检测器28有一个与光电倍增管32光学耦合的闪烁晶体30。美国新泽西州普林斯敦EMR光电工程公司（EMR    Photoelectric）制造有适用的光电倍增管。晶体30由适当掺以，例如，铈以便使其激化作为闪烁体用的原硅酸钆构成。铈的量在原子数方面一般为钆量的0.1%至1%左右。有关此闪烁体材料更为详细的资料，包括其生长方法，见《应用物理通讯》一九八三年元月一日第42卷，第一期，第43～45页，高木和正和福泽德海写的题为《铈激活Gd    SiO单晶闪烁体”的文章和申请号为3303166的西德专利申请书。这种闪烁体晶体日立化学有限公司有制造。

中子防护屏34安置在辐射源26和检测器28之间用以减少辐射源26的中子对检测器28的直接轰击，从而防止检测器28因受这种直接照射而饱和。此外，特别是在测定所捕获的γ辐射时，探测仪10还可以套上一个含有碳化硼的外套36，外套的位置是在辐射源26和检测器28附近。此外套的作用是置换检测器28部位的井孔流体和吸收地层散射到检测器28的中子的，同时不致于大大削弱自地层射来的γ射线。总的效果是减少中子与井孔内容物及探测仪10在检测器28附近的物质相互作用的可能性，不然，如果没有外套36的话就会有大到可检测出来的γ射线产生，从而干扰所要求的对γ射线的测定，这是我们所不希望的。

探测仪10的电源由地面设备24通过电缆14供应。探测仪10包括在适当的电压和电流电平下馈电给辐射源26的电源调节电路（图中未示出）、检测器28和其它井下电路。这些电路包括放大器38和接收光电倍增管32的输出脉冲的有关线路。放大后的脉冲被加到脉冲振幅分析器40上。脉冲振幅分析器40包括一个模拟/数字转换器，该转换器可以是任何一般类型的，例如单斜波式（韦尔金森缩减式）的。γ射线能量区的分析还可采用其它适当的模拟/数字转换器。也可以采用线性门电路来控制待分析的检测器信号帧的时间分配。再采用诸如脉冲堆积排除等一般技术以改进探测仪的性能。

脉冲振幅分析器40按检测器脉冲的振幅将各检测器脉冲分配给其中一个预定信道的号码（一般在256至8000的范围内），并产生表示受分析各脉冲的信道和振幅的适当数字信号。脉冲振幅分析器40一般具有存储器，在数字信号中出现的各信道号即累积以在该存储器中形成一个能谱。累积起来的总和则通过缓冲存储器42（在某些情况下可以不用）传送到遥测和电缆接口电路44，经电缆14传送至地面设备24。

在地面上，电缆信号为电缆接口和信号处理电路45所接收。不言而喻，电路44和46可以取任何适当的公知结构用以编码和解码、复合和分离信号、放大或处理信号以便传送给地面设备24并为地面设备24所接收。例如，专利权授与乃里根的美国专利4，012，712号即介绍了这类线路。

探测仪10由地面设备24中主程序器48发到井下的信号进行控制。工具程序器50接收这些信号并把控制信号传送到中子源25和脉冲振幅分析器40。

地面设备24中有各种电子线路，有的用以处理从井下设备收到的数据，有的用以分析检测出来的γ辐射的能谱，有的用以从中提取有关地层16和地层可能蕴藏的任何烃类的资料并在胶片、记录线或记录带上录下部分或全部数据。这些线路可以包括专用硬件或经过适当编程以执行和这类硬件相同的任务的通用电子计算机。有关这些分析项目的细节不属于本发明的一部分，因而这里不作介绍，但可参阅，例如，专利权授与莫然等人的美国专利3，521，064号。

如上所述，检测器28包括掺有原硅酸钆的闪烁晶体30。多年来人们对多种不同的晶体材料进行了探索，想从中物色一种适合各种光子检测应用具有最佳综合性能的材料。但这些研究工作终究是成就有限。特别是在需要满足井下光子检测器那些严格的综合要求方面，要物色一种最佳适合测井要求的闪烁体就更困难了。

迄今为止，光子测井最常用的闪烁体还是首批发现的这类物质中的一种，即掺有铊的碘化钠-NaI（T1）。虽然这种碘化钠具有光输出高、能量分辨率好的优点，但也有极其显著的缺点。特别是由于它的密度小，因而它检测到达晶体上的光子时效率差。这一点是值得考虑的，因为在地层16和晶体30中主要的辐射相互作用过程是属于统计性质的，所以必须记录井孔12中任何给定位置上某些相互作用的最低次数，这样可以减少统计性涨落的影响，确保测量结果和由此得出的资料的可靠性。检测效率低必然延长达到所检测的相互作用容许次数的测定时间，从而限制探测仪10在井下的提升速率和可能要求的静止测量。此外，碘化钠的闪烁衰变时间长，这限制了能明确检测出相互作用的最大速率，因此不能单靠提高辐射源26的中子输出来弥补低检测效率上的不足。另外，碘化钠具有吸湿性，因此必须密封在外壳中，这样就需要占用本来可用以容纳更大的晶体30所需要的空间。

另一种一般所推荐可作为光子测井用的晶体是锗酸铋。虽然锗酸铋不吸湿，密度比碘化钠大，含有促使其有效原子序数高的铋，但它用于测井却带来了相当大的问题。锗酸铋的光输出只有碘化钠的12%，因而其能量分辨率比碘化钠差得多。锗酸铋暴露在光线底下易使晶体损坏，从而进一步降低分辨率和光输出;虽然这可通过加热或延长储存时间的办法使其逆转，但终究在实用上是很不方便的。锗酸铋折射率相当高，因而使光线具有在晶体内在内部全反射过程中被吸收的倾向，从而难以将光引出晶体外。此外，锗酸铋的光输出对温度非常敏感，温度从100℃降到室温时，光输出降低四分之三。

若采用普通型的光电倍增器，则问题更严重了，因为锗酸铋的光输出与这类光电倍增器的光谱响应匹配不好。因此，要在测井环境下有效使用锗酸铋，必须保护锗酸铋晶体使其不受温度升高的影响，而且要研制一种能与锗酸铋配用具有最佳光谱响应的特殊光电倍增器。采取恒温措施，例如采用杜瓦瓶，就涉及到将晶体封装在对进来的γ辐射起衰减作用的材料中的问题。这额外增加的材料所占用的空间也减少了晶体可利用的空间，从而对其体积所作的限制甚至比一般测井工具还甚。在某些情况下，由于尺寸上的这种限制，以致不可能制造一种在测量速度上合乎商业要求的实用可靠的统计式测量工具。

图2是一些公知的闪烁材料的光输出与温度的关系曲线图。图中的实线曲线是俄亥俄州，索伦市哈肖/费尔特劳公司发表的NaI（T1）、锗酸铋和掺有钠或铊的碘化铯的数据曲线;虚线曲线是根据哈肖/费尔特劳公司的R.C.泰勒、O.H.乃斯特和B.乌芝在一九八五年十月在加利福尼亚州旧金山电气与电子工程师协会举办的原子能科学讨论会上和核动力装置讨论会和展览会上发表的掺铈的氟化钡的数据绘制的曲线;点划线则分别根据从本发明的一个发明者那里得到的有关钨酸镉和氟化铯的数据绘制的曲线。应该指出，这些曲线是经过归一化的，因而在一些任意选择的温度下（例如，室温或最大输出下的温度）出现100%的光输出。因此在量的方面对比各曲线时应注意。但显然这些闪烁体材料的光输出有许多是随温度而显著下降的。即使那些在相对于低温的高温下保持其光输出的材料，例如，NaI（Tl）、CsI（Na）、CsF和BaF（Ce），也有诸如密度相当小（CsI、NaI）、绝对光输出极低（CsF、BaF（Ce））、具有吸湿性（CsI、NaI、CsF）和/或与现有的光电倍增管的光匹配差（CsI（Tl））等严重问题。

上述各种闪烁体材料的特性不可避免地影响到各材料（以及许多其它完全显示不出一点闪烁能力的材料）进行加工的那种单调、开销大和费时的工艺和其后对有价值的性能所进行的试验性测定。目前还没有办法事先预测任何给定材料的闪烁性能及其变化。

本发明的诸发明人最近进行的研究结果表明，掺有，例如，铈的原硅酸钆特别适用于光子测井。掺铈的原硅酸钆，密度和锗酸铋类似，由于钆的存在因而有效原子序数较高;采用现行的光电培增管时，其光输出为碘化钠的18%左右，因而比锗酸铋的高，且该输出的光谱与这类光电倍增管在光谱响应方面的匹配因钆的存在而比锗酸铋好。掺铈的原硅酸钆的折射率适中，便于引出光线。掺铈原硅酸钆闪烁过程的衰变时间极短，在70毫微秒的数量级，且该材料不吸湿，暴露在可见光或接近可见光下不易损伤。

此外，本发明人在本发明受让人的试验室试验过程中所做的测定表明，掺铈原硅酸钆的闪烁过程对温度变化的敏感性相当小，因而它是适用于高温成为重要问题的测井工作可选用的材料。图3是从上述测量结果得到的曲线，表示NaI（Tl），锗酸铋和掺铈原硅酸钆的光输出随温度的变化情况。图中各材料的测定值是经过归一化了的，因而光输出值在25℃时为1。可以看出，虽然掺铈原硅酸钆的光输出是随温度的上升而下降，但其下降方式可与NaI（Tl）媲美，而且对温度的敏感性比锗酸铋低。因此在150℃下，其光输出仍为在25℃下的60%，而锗酸铋在100℃时的光输出则已下降到其在25℃下时光输出的20%。

原硅酸钆确实有一些最好不出现在光子测井闪烁体中的特性：其光输出低于NaI（Tl）;它容易沿晶面（100）裂开，因而受到猛烈冲击时有可能断裂，但相信这个风险并不比碘化钠的大多少，因而可以通过妥善装配予以抵销;钆的存在使得晶体用中子照射的过程中晶体本身会在内部产生γ射线，但在晶体周围加适当的中子屏蔽或当用地面设备24处理时，将得出的信号作为背景信号处理然后予以除去是可以减少或消除这种γ射线的。

现在参看图4和图5。这是检测器28更详细的示意图，原硅酸钆晶体30用熟悉本专业的人士周知的方式覆以反射上带、箔、纸、粉末或漆52，以防闪烁光通过晶体表面散失掉。然后最好用能吸收低能γ射线的薄层54（例如，铅板）包住材料52，以便对可能会污染所测定的光谱的低能γ射线（低于1兆电子伏特）起屏蔽作用。其它可采用的材料还有钨或钨合金、贫化铀或铋。

包好的体封装在由，例如，铝或聚甲基丙烯酸甲酯之类的塑料制成的筒形外壳56中。铅板54和外壳56之间的空间充以，例如，硼-10粉层58，如上所述，起中子屏蔽的作用，也作晶体30的多角形到外壳56的圆形的良好过渡。粉层58也是保护晶体30免受冲击的一个措施。除硼-10外，还可以采用锂-6、碳化硼或用发射β粒子或其它会被铅板54所吸收的辐射的方法进行衰变的人工同位素。铅板54的厚度的硼-10粉层58在其最薄处的厚度一样，选用两毫米左右。选用如此厚度的硼-10，其目的是为使热中子微观俘获截面至少为100靶。晶体30采用光学油脂或粘合剂60用熟悉本专业人士周知的方法与光电倍增管32表面光学耦合。

不然晶体30也可与光电倍增管32制成一个整体，如图6的示意图所示。参看图6。图中光电倍增管光阴极100（例如由双碱金属材料制成）系在晶体30的一个面上淀积制成的，光阴极100后面就是环形电极102。然后将晶体30与聚焦电极106、倍增极构架108和阳极110一起密封在光电倍增管32的外壳104中。晶体管30也可不予封装而融合到外壳104一端的周边上，使晶体30在该端靠近外壳104。

整个检测器28系用任何公知的适当方法装进探测仪10中，最好包括保护晶体管30免受冲击而损伤的器件。

为铅板54所阻挡的低能γ射线是由地层中发生的相互作用和中子在粉层58中与硼-10原子的相互作用产生的。铅板54的作用如图7所示。从图7中可以看到，在带铅板54（虚线）和不带铅板（实线）的情况下，对两个不同的能阈值，非弹性γ射线总相互作用沿纵坐标发生在预定能阈值上方，实际测出的非弹性总相互作用则沿横坐标发生在所选定的较高的能区中。可以看出，在带铅板54的情况下，对给定发生相互作用的次数来说，测出的相互作用量较多，这是由于那些会引起对可接收的较高能量相互作用产生堆积排除作用的低能γ射线为铅板54所吸收所致。

鉴于原硅酸钆晶体易制成正平行管而不易制成圆柱形，所以图4和图5中的晶体30不呈圆柱形。但从图中可以看到，晶体30系沿平行于晶体管30和光电倍增管的公共轴线的四个边截去棱角，使其截面呈八角形。在使晶体30更符合圆柱形的同时，我们偶然发现，这样做，同时改进了晶体30的能量分辨率。因而在一个实例中，由于进行这种截体，能量在662千电子伏特的半宽度分辨率提高了2%左右。在另一个实例中，分辨率提高1%。可以设想，用这种方法，其它多角形（无论是正多角形或非正多角形）也可用以提高分辨率。

没有现成的大小合乎要求的大型单晶体时，可以用若干较小的晶片制成复晶。我们发现，在这种情况下最好将晶片边靠边地靠在光电倍增管32的面上堆积，使各晶片有一个面与光电倍增管32毗邻，形成直接通到光电倍增管的光程。此外，晶片的配置应能给光电倍增管32提供类似的单个光输出，例如可以通过选用匹配的晶体，或在光电倍增管32与光输出较高的晶体之间加适当的起衰减作用的滤光器，例如，灰色玻璃。

适当选用晶体30中晶格裂开面的取向可以至少在某些方向上（例如横过探测仪10轴线的方向）提高晶体30抗机械冲击的性能。例如，检测器28装进探测仪10中时可以将晶面（100）平行于探测仪10的轴线配置。

图8是与图1中放大器38有关的用以处理来自光电倍增管32的脉冲并将其供应给脉冲振幅分析器40的线路实例的方框图。设计这种线路是要使其在处理脉冲方面能比使用碘化钠闪烁体的一般电路具有更快的速度，从而可以利用掺铈原硅酸钆的特性（例如其快速闪烁衰变特性）而具有的较高的计数率。现在参照图8。最初的信号是取自光电倍增管32的阳极62，经前置放大器64和定时滤波（快速）放大器66加到具有低能阈的鉴别器68上。将任何超过此能量的从光电倍增管阳极62收到的脉冲传到电平移动器70，由电平移动器70将脉冲馈给脉冲堆积排除电路72。

另一个信号是从靠近光电倍增器32倍增极链末端的倍增极74经前置放大器76加到其时间常数在几百毫微秒数量级的放大器38（线性放大器）上。此时间常数远小于采用碘化钠检测器时的时间常数，从而可以避免系统的计数率容量受到电子的限制。此放大器的输出则加到提供适当延时以与脉冲堆积排除线路同步化的延迟电路78，电路78则将已延迟的脉冲馈给脉冲振幅分析器40，若脉冲振幅分析器响应脉冲堆积条件的检测时受排除电路72的抑制，则例外。脉冲振幅分析器40除供应能谱输出信号外还给，例如，增益稳定器80一个信号以稳定系统的能量/电压关系，增益稳定器则控制光电倍增管32的电压源以稳定其增益。

连接光电倍增管32接线的布局和所表示的时值是在利用掺铈原硅酸钆固有的快速闪烁衰减的基础上进行选择的。因此该线路能识别和排除发生的时间间隔小到100毫微秒的重叠闪烁相互作用用的信号。用图8所示的线路可以无需兼顾所希望的光谱特性而在计数率远比采用碘化钠时高得多的情况下获得光谱。这里无需详加介绍，熟悉本专业的人士即可理解图8所示线路的设计和制造。

上述相对于NaI（Tl）的18%光输出值是一般现行光电倍增管（具有双碱金属光阴极的滨松R878型光电倍增管）的数据。适当选择光电倍增管的光阴极材料使其与掺杂原硅酸钆所产生的光谱更密切匹配，和其它使光子/电子转化率和电子从光阴极到第一倍增极的迁移率达最大值的步骤一样，可以提高此数值。

如前所述，掺杂原硅酸钆可以用在任何用闪烁体检测光子幅射的测井上。它的好处是既可无需使用密封外壳，也无需采取温度稳定措施（例如杜瓦瓶）。因此可以减少输入的光子辐射（特别是低能级的）的衰减，这在，例如，考虑低能γ射线的场合是有好处的。此外，具有可利用的空间，因而容许采用更大的晶体。这样，在42.9毫米直径的工具（一般内径＝37.6毫米）中，方晶占探测仪内截面积至少1/3的情况是合适的，而用圆柱形晶体时，则至少为该面积的1/2。晶体面积与探测仪内面积A的关系式为：2＊（A/π+t²-2＊√（A/π）＊t）/A，其中t是晶体30和探测仪10的内壁之间52、54和58各层的总厚度。宜采用长度不大于100毫米、宽度至少为长度的1/5的晶体。

如前所述，在掺杂原硅酸钆中，闪烁过程衰变得快。衰变时间随温度而缩短。因此如果想使闪烁过程衰变得特别快，可以在晶体附近设发热元件（例如晶体包以发热元件），使其保持预定的最低温度，例如，高于20℃。由此引起的光输出的减少有时会导致单位计数的统计可靠性变差。但必要时，这可以令辐射源26在较高的辐射输出率下运行进行弥补。

在较高的能量下，可使用的计数率比碘化钠的高，因此可以提高测量的可靠性或者可以在更短的时间内获得同样的统计可靠性。原硅酸钆的密度和有效原子序数都高，因而在实用中可以比当前，例如，通过采管测井在更狭窄的空间约束之下工作。因此，用大小适宜通过该类导管工作的上述工具可以实际测定地层的碳/氧比。

专利权授与钟斯通的美国专利3，890，501号和4，224，516号介绍了另一种测井工具，这种测井工具采用脉冲中子源和γ检测器，中子密度的衰变时间是在中子为地层中心所热化或捕获时进行的。在这种情况下，铅屋54可以制得更薄或干脆去掉，以便检测能量更低的γ辐射。有了掺杂的原硅酸钆可以在堆积效应较少的情况下维持即刻使用的计数率，不然也可以采用更高的计数率改善统计可靠性。在此情况下，掺铈的原硅酸钆快速的衰变时间有助于改善信号。因此可以令辐射源以这样的速率工作，即在一般辐射源/检测器间距和掺杂原硅酸钆所能达到的晶体大小的情况下，该工作速率能在晶体中产生大于200，000次/秒的瞬时闪烁相互作用率。

可采用掺杂原硅酸钆的另一个测量方法是用γ射线，而不是用中子，照射地层，以测定地层的松密度和有效原子序数。专利权授与笛特尔的美国专利3，321，627号和专利权授与艾利斯的美国专利4，048，495号即介绍了这种方法。这种测量方法的辐射源26可用绝-137制成，可取消硼-10粉层58，因为这里不用中子照射，因而在晶体30中不会产生γ射线。此外，铅层54也可以取消，因为在这种情况下希望能测出能量较低的γ射线。专利权授与特高德的美国专利4，034，218号介绍的单散射γ射线的准直检测是这种技术有利采用掺杂原硅酸钆的个别方案。

同样，专利权授与赫早的美国专利2，749，446号和专利权授与席曼的美国专利4，433，240号介绍的用掺杂原硅酸钆测定钾、钍和铀等地层组分天然γ射线的方法中也不使用铅和硼。当然，也不使用辐射源26和屏蔽34。进行这种测量的目的不仅是为了进行光谱分析以确定这些元素的浓度，也是为了利用深度记录在其它测井和开采操作过程中γ射线放射总强度与深度的相互关系。在后一种情况下，掺杂原硅酸钆特别有用，因为可以用较小、尤其是较短的晶体获得灵敏度达规定水平的γ射线。这可以提高规定水平测量统计可靠性下的深度分辨能力和便于制造尺寸严重受空间限制的工具。天然γ射线测井没有了辐射源还便于进行如图9所示的配置：闪烁体可由如上所述的边靠边双层配置的晶体90组成。有两个光电倍增管94和96，个个都靠近晶体90各层末端，由该诸信号导出的光谱经汇总即成为光电倍增管的联合输出信号。这样，无需更大单晶就可以增大晶体的体积。视所要求的测量性质而定，可在各层之前设置由适当吸收材料制成的屏蔽92，以防某一层上的闪烁光穿过另一层，和/或防止γ射线在某一层上部分被检测出来后散射到另一层。在98处有一个滤器，如前所述，用以与各晶体的光输出相匹配。

掺杂原硅酸钆作为测井闪烁体还有另一种应用，即用光子（X射线）照射来分析井下的流体，专利权授与谢华利耶的美国专利4，490，609号介绍的就是这种应用。在此情况下也不用硼-10层58，一般说来，也不用铅层54。应用掺杂原硅酸钆检测至少X射线的另一种方法是将适当屏蔽了的晶体30（可能的话相当小）排列起来，有关的光检测器32围绕和/或沿着探测仪10延伸。

掺杂原硅酸钆还可用以检测用中子照射激活地层组分以产生不稳定放射性同位素所引起的γ辐射;此辐射在进行照射之后一般持继几分钟。美国专利3，665，195号即介绍了这种技术，利用锎-252作为辐射源的一个实例。在这种情况下，由于中子源和晶体30之间的距离相当大，所以晶体30一般无需用料层59来屏蔽中子的照射。是否需要设铅层54取决于待进行的测量的特性，例如，需要测定的最小γ射线能量和因低能量γ射线而产生的脉冲堆积的程度等。

至此，本说明书已介绍和举例说明了本发明的γ射线光等测井方法和装置。虽然介绍了一些个别的实施例，但本发明却不因此而受该诸实施例的限制。因此可以设想晶体30可以用掺杂物为铈以外的熟悉本专业的人士熟知的其它元素的原硅酸钆制造。闪烁光也可用光电倍增管以外的光检测器检测。

也可以设想，用掺杂的原硅酸钆检测高能光子以外的其它形式穿透性辐射，例如，中子。这时，晶体可用钨或其它能吸收γ射线的材料加以屏蔽，以减少其对γ辐射的有效敏感性，为此还可以限制晶体的大小。还有一种可能是采用同一个晶体检测中子和光子。

因此，只要不脱离所附本发明权利要求的范围和精神实质是可以对本发明进行种种更改和修改的，这是熟悉本专业的人士所熟知的。

Claims (24)

1、一种探查地下地层用的装置，其特征在于，该装置包括：

适用于在井孔中上下移动的探测仪；

装在所述探测仪中用以检测辐射的检测器件，包括一个原硅酸钆闪烁体；和

与所述检测器件耦合用以产生和记录表示所述辐射的至少一种特性的器件。

2、权利要求1的装置，其特征在于，所述检测器件包括一层用以吸收能量较低的穿透光子辐射的材料。

3、权利要求2的装置，其特征在于，所述吸收辐射的材料选自下组元素：铅、钨、钨合金、贫化铀和铋。

4、权利要求1的装置，其特征在于，所述闪炼体包括多角形截面的晶体。

5、权利要求1的装置，其特征在于，所述晶体的横截面是八角形。

6、权利要求1的装置，其特征在于，所述闪烁体包括多个晶体。

7、权利要求6的装置，其特征在于，所述多个晶体按双层配置，并包括由两个各与所述各层之一毗邻的光检测器组成的光检测器件。

8、权利要求1的装置，其特征在于，所述检测器件包括检测所述闪烁体产生的闪烁光用的器件，且所述闪烁体与所述光检测器件制成一个整体。

9、权利要求1的装置，其特征在于，所述闪烁体系这样取向：其晶面（100）基本上平行于所述探测仪的纵向轴线。

10、权利要求1的装置，其特征在于，所述烁体系掺杂原硅酸钆。

11、权利要求1的装置，其特征在于，所述闪烁体系掺以铈。

12、权利要求1的装置，其特征在于，该装置包括用以接收来自所述闪烁体的闪烁光并产生在功能上与所述闪烁体有关、脉冲宽度在百毫微秒数量级的脉冲的器件。

13、权利要求1的装置，其特征在于，所述信号发生和记录器件包括用以排除对应于两个或多个在至少100毫微秒内彼此重叠的闪烁相互作用的信号的脉冲堆积排除器件。

14、权利要求1的装置，其特征在于，所述横切所述探测仪纵向轴线的闪烁体，其横截面积占所述横切所述从向轴线的探测仪内部截面积A的一小部分，所述一小部分至少为：

2＊（A/πt²-2＊√（A/π）＊t）/A

其中t为介于闪烁体和探测仪内侧之间的任何材料的厚度。

15、权利要求1的装置，其特征在于，该装置包括用以用能与所述井孔区的物质相互作用的穿透辐射照射所述物质从而使辐射具有能携带有关所述物质的数据的辐射源器件。

16、权利要求15的装置，其特征在于，所述检测器件包括一层吸收中子用的材料。

17、权利要求16的装置，其特征在于，所述吸收辐射的材料呈粉末状。

18、权利要求16的装置，其特征在于，所述吸收辐射的材料选自下组元素：硼-10、锂-6、碳化硼和一种人造同位素。

19、权利要求15的装置，其特征在于，所述检测器件用以检测单散射光子。

20、权利要求15的装置，其特征在于，所述辐射源器件的强度、所述辐射源器件和所述检测器件之间的距离和所述闪烁体的体积是这样选择的，使在所述闪烁体内产生至少每秒200，000次相互作用的闪烁相互作用。

21、一种探查地下地层的方法，其特征在于，该方法包括：将探测仪通入井孔中;

用包括原硅酸钆闪烁体的检测器件检测辐射;和

产生和记录表示所述检测出的辐射的至少一个特性的信号。

22、权利要求21的方法，其特征在于，该方法包括：接收来自所述闪烁体的闪烁光和产生在功能上与所述闪烁体有关、脉冲宽度在百毫微秒数量级的电脉冲信号。

23、权利要求21的方法，其特征在于，该方法包括：排除对应于两个或多个在至少100毫微秒内彼此重叠的闪烁相互作用的信号。

24、权利要求21的方法，其特征在于，该方法包括：照射所述井孔区的物质，使得在所述闪烁体内产生闪烁相互作用的瞬时发生率至少为每秒200，000次相互作用。

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