JP4137787B2 - 可撓性動的ハウジング - Google Patents

Description

核検出器は石油掘削業全般にわたり様々な目的で使用される。ある場合には、ガンマ検出器又は中性子検出器が鉱井に下ろされて構造を記録する。掘削中測定及び掘削中記録動作において、ガンマ又は中性子検出器を含む様々な機器が掘削工具内のキャビティに取り付けられ、掘削中のリアルタイムでの臨界測定に使用される。これらの用途のほとんど全ての場合において、機器の設置に利用可能な空間は非常に限られている。これまでの特許では、シンチレーションパッケージなどのガンマ検出要素内の空間をより効果的に利用することによって、利用可能な空間内により大きな検出構成要素を提供してきた。しかしながら、従来の設計では、掘削工具及び採掘機器に検出器を設置する重要な態様を完全には解決していない。特に、検出器組立体一式から衝撃及び振動を分離すること、工具内のキャビティの形状に機械的コンプライアンスを与えること、最小限の空間でこれらが行われることに対する必要性がある。

石油掘削工具の構造及び動作要件により、掘削工具の核検出器及び他の機器パッケージの典型的な構造は円筒形である。円筒型の光電子倍増管は、円形の光学窓が比較的容易に設置できることや他のことも考慮して、円筒型の検出器が好まれることが多い。近年の傾向では、掘削工具の直径が縮小してきており、その結果、検出器に利用可能な空間が減少する。最も直接的に影響するのは、センサーパッケージ及び付属する電子機器の直径の縮小が必要となることである。検出器の感度をできるだけ大きく保持するために、ガンマ線の検出に利用可能な表面及び容積を増大させるようシンチレーション要素の長さを大きくする場合もある。空間の減少は同様に、検出器に付随する計測器及びコンピュータモジュールの大きさに対する制約を与える。従って、機械的コンプライアンス、熱コンプライアンス、及び動的懸架を維持しながら、一般的により多くの機能をより小さな空間に統合可能にする必要性がある。

掘削工具又は採掘機械内の利用可能な空間の最良の活用は、核検出器組立体又は他の機器パッケージを工具又は機械内の利用可能なキャビティと実質的に同じ大きさで作ることにより達成される。しかしながら、このような方法は、キャビティの大きさと形及び検出器の大きさと形を高度に制御する必要がある。この機械設備に対する制約は費用がかかり、互換性を制限する可能性がある。更に、対策がなされない限り、熱膨張の違いにより機械設備が損傷する恐れがある。

従来の方法は、エラストマー材料をブーツ、パッド、又はＯリングの形で検出器組立体の周囲に使用することであった。エラストマー材料が高温での熱膨張にも適応しながら、要求された目的を満たす十分な動きを与えるためには、より広い空間を使用する厚いエラストマー材料が必要となる。厚いエラストマー材料は、支持組立体の共振周波数を低くする傾向があり、従って高レベルの振動が機器に伝達される。多くの場合、高レベルの誘導振動又は誘導衝撃の周波数に近い固有共振周波数を生じることなく動的分離を行うことが望ましい。

通常の方法においてバネを適用することに対する主な欠点は、バネが高レベルの減衰を示さず、その結果、共振周波数において動的応答が高くなることである。金属製のバネよりも高い減衰特性を有するエラストマー材料でさえも相当大きな「Ｑ」値を有し、これは共振周波数に近い周波数を有する振動が検出器組立体に入った場合、共振応答を損なう結果となる。

拡大されたシンチレーション要素又は光電子倍増管を可能にするために、平坦又はわずかに成形された細長い放射状バネを利用することにより良好な動的分離と高レベルの減衰をもたらす、より空間効率の良い方法が必要であるとこれまで考えられてきた。これは、検出器、センサー、及び電子組立体の内部では効果的であることが証明された。しかしながら、物理的制約と操作の配慮から、場合によっては、ガンマ検出器組立体一式又は機器パッケージの周囲にこのようなバネを設置することは不可能ではないにしても困難である。

石油掘削工具は通常、計測器システムの個々の要素のための個別の圧力キャビティを備え、平方インチあたり最大２５，０００ポンド（ｐｓｉ）又はそれ以上の高圧力から機器を保護している。これらのキャビティ内の計測器要素は、配線により相互接続され信号を交換している。場合によっては、計測器の各部分がモジュールに統合されて単一の圧力キャビティに封入されることもある。工具の空間を最大限に利用するため、単一のモジュールにより多くの電子機器要素を統合する必要がある。機器モジュール内要素の効果的な動的懸架と該モジュール周囲の動的懸架は、内部構成部品の信頼性を向上させるためにどちらも重要とすることができる。

本発明は、上述の問題に対する重要で実質的な解決法を提供する。

本発明は、例えば石油掘削又は固体鉱物採掘作業など、過酷な状況下での放射線の検出及び計量に使用される、電子光学装置や他の電子機器及び計測器に関する。より具体的には、本発明は、核検出装置又は他の計測器装置の設置に利用可能な空間を最大限に使用することに関する。本明細書で説明される可撓性動的ハウジングは、設置されるべきキャビティの幾何形状及び熱力学に装置を対応させることが可能となり、その結果、装置が振動及び衝撃の損傷から効果的に分離される。設置をより容易にし、且つより信頼性のあるものにする。このような方法で支持された設備は、これらが柔軟に配置されるため、動作寿命がより長くなることを期待することができる。

可撓性の動的ハウジングは、予測可能で繰り返し可能な機械的特性を備えた金属バネを使用している。このようなバネは、エラストマーが必要とするよりも非常に薄くされ、同等の動的分離を与える。更に、バネはエラストマーほど温度による影響をあまり受けない。温度が摂氏１５０度から２００度の範囲又はそれ以上に上昇すると、エラストマーは膨張してその収容されていた空間内で圧縮され、結果として動的特性が変化する。可撓性動的ハウジングに使用される金属バネの特性は、温度変化による影響がかなり小さく、温度での時間に伴う劣化又は固着がない。

掘削工具、及び例えば採掘用途など他の特定の用途において、核検出器組立体又は計測器パッケージの典型的な形は円筒形である。線形バネを検出器の長さに沿って検出器と該検出器が配置されているキャビティとの間に設置することは、既知の問題の幾つかを解決する効果的な方法である。このようなバネは望ましい衝撃分離及び振動分離をもたらし、検出器又はキャビティの形状の小さな振動間のコンプライアンスを与え、温度膨張の違いに起因する幾何形状変化に関してコンプライアンスを与える。可撓性動的ハウジングの別の利点は、支持がパッケージの長さに沿って分配され、大きな衝撃及び振動の間の撓み及び剪断力を低減する。

これら並びに他の利点及び特徴は、添付の図面と関連して与えられる本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

図１を参照すると、ガンマ検出器組立体１１は、２つの主要組立体であるシンチレーション組立体１２と電子機器モジュール１３とを含む。光学窓４は、シンチレーション組立体１２で形成されたシンチレーションからの光が電子機器モジュール１３へ通過することを可能にする。電気パルスが電子機器モジュール１３で形成され、このパルスは、調整、測定、エネルギーレベルによる分離、計数、分析がなされて、論理的決定がケーブル１４を通じてオペレータや採掘設備の他の装置へ送られる。図のように、既知の光電子倍増管５及び既知の電子機器パッケージ６は、電子機器モジュール１３の一部であり、密閉剛性電子機器モジュールハウジング８によって周囲から保護されている。通常、グランド９を圧縮して出力ケーブル１４の周囲で密閉する圧力シールがナット１０に形成される。電子機器モジュール１３の外側に内側可撓性動的ハウジング組立体２３が配置され、該組立体は複数のバネ２１と、内側可撓性ハウジング３５を含む（図３）。内側動的ハウジング組立体２３は、密閉剛性電子機器モジュールハウジング８と剛性ハウジング２２の間に配置されている。

この実施形態において、ガンマ検出器組立体１１は、図２から図３により明確に示されているように剛性ハウジング２２内に設置されている。次に、剛性ハウジング２２は、バネ２１と外側可撓性ハウジング２７を含む外側可撓性動的ハウジング組立体２０内に設置されている。図２及び図４に示された窓開口部２９は工具３６内に設けられ、ガンマ線３１がシンチレーション組立体１２に入射できるようにする。剛性ハウジング２２の特有の窓開口部４５は、工具３６の窓開口部２９と一致するよう位置合わせされ、ガンマ線３１が剛性ハウジング２２の厚い壁を透過する必要性を排除している。バネ２１はシンチレーション組立体１２のこの領域では同じ理由、すなわち、シンチレーション組立体１２と入射ガンマ線３１間の金属量を最小にするために除外される。

シンチレーション組立体１２は、密閉剛性シンチレーションハウジング３７に収容されるシンチレーション結晶１、又は放射線からシンチレーション可能な他の装置を含む（図２）。剛性シンチレーションハウジング３７は窓開口部２９と一致する窓４０を有する。密閉ハウジング３７内でシンチレーション結晶１を直接取り囲むのは、反射性包体並びに、エラストマー材料、製陶材料、又は他の既知の支持媒体とすることができる。シンチレーション結晶１、並びに反射性包体、エラストマー材料、又は他の支持媒体は、剛性シンチレーションハウジング３７内に密閉されている。

密閉剛性シンチレーションハウジング３７と剛性ハウジング２２の間には、内側可撓性動的ハウジング組立体２３がある。図２を参照すると、窓開口部２９上のハウジング２７及び３５の一部は実際にはそれぞれ、剛性ハウジング２２及び密閉剛性シンチレーションハウジング３７に接触しているのが分るが、これはこの領域にはハウジング２７と３５を支持するバネ２１がないためである。

最近のガンマ検出器で空間が制限されるような厳しい環境で使用されるものは、同時に複数の、多くの場合は競合する要求を満足しなければならない。空間を最小限にし、ガンマ線が検出器ハウジングを通じてシンチレーション要素に透過するまでの障害を最小にするため、ハウジングは可能な限り薄く保つのが望ましい。しかしながら、ハウジングが薄い場合には、ハウジングの外部に対して荷重が集中的に又は不均一に加わらないようにすることが重要であり、これはハウジングが変形し、シンチレーション要素を損傷し、又は衝撃や振動によりシンチレーション要素に損傷を与える可能性があるためである。シンチレーション要素又は光電子倍増管の周りの支持システムの歪みは、動的支持特性を悪化させ、該要素に対する性能の喪失及び／又は損傷を引き起こす。これらの要因は、ガンマ検出器が採掘設備の外装組立体又は掘削工具に設置されている場合、特に重要になる。誘発された衝撃が構成要素に損傷を与え、及び／又は出力にノイズを生じさせることから、検出器は与えられたキャビティ内で緩まないことが必要である。しかし、検出器が堅固に適合する場合には、検出器の全寸法とキャビティの全寸法とが正確でなければならない。温度変化、特に急激な変化は温度膨張の差を生じ、その結果、検出器と該検出器が設置される構造体とが同じ割合で膨張せず、従ってクリアランス変化を生じる。これらの要因の全ては、関連する設置の考慮事項とともに、検出器と該検出器が設置されているキャビティ間の機械的コンプライアンスに関して与えられることを表している。

前述のように、外側可撓性ハウジング２７は、検出器又は他の円筒型機器が円筒型キャビティ３３に設置されるまでは、バネ２１の形状をとる傾向にあり、この時に、外側可撓性ハウジング２７はキャビティ３３の形をとる。キャビティ３３の直径が外側可撓性ハウジング２７よりもわずかに大きい位置にあると、ハウジング２７とキャビティ３３の壁との間に小さなギャップができる。このギャップは重要ではない。バネ２１がガンマ検出器組立体１１とこれが設置されている機械の間の機械的変動に適応する結果となる。設置されると、バネ２１は既知で予測可能な機械的及び動的特性を示す。バネ２１はその特性を長期間にわたって保持し、更に、該特性は、油井掘削の適用で直面する広範な温度範囲にわたって本質的に一定のままである。

ガンマ検出器組立体１１を工具３６に設置する典型的な方法は、ハッチカバーの使用によるものである。図４及び図５は、このような装置が示されている。工具３６の一部、上部３２は、下部３４に接触して配置される。半円筒部が各部３２と３４内にフライス加工され、２つの部分が一緒になって工具３６内の円筒形キャビティ３３を形成する。

外側可撓性動的ハウジング組立体２０は、ガンマ検出器組立体１１のほぼ全長にわたって延在する線型バネ２１のセットと、バネ２１を取り囲む外側可撓性ハウジング２７とを含む。内側可撓性動的ハウジング組立体２３は、シンチレーション組立体１２及び電子機器モジュール１３の長さに延びる。このバネ２１及び可撓性ハウジング２７と３５は、通常ステンレス鋼で作られている。可撓性ハウジング２７及び３５の構造は、厚さ０．００１５インチのステンレス鋼シートを巻いて、合計で２つの完全な層を作ることを含む。この層は高温接着剤で接着され、装置が使用される環境に好適である。バネ２１は通常、採掘又は石油掘削用途のガンマ検出器パッケージ向けに２００から６００ヘルツの範囲の共振周波数が得られるように選択される。他の用途については、検出器内に誘導される振動の周波数に応じて他の周波数を選択することができる。直径１インチの検出器組立体１１では、１つの構成は厚さ０．００６インチ、幅０．３７５インチのバネ２１を含むことができる。他の大きさが選択されると、外側可撓性動的ハウジング組立体２０の共振周波数と機械的特性とが変化する。ある厳しい環境では、バネ２１によって検出器組立体１１に印加される何百ポンドかの力が必要となることに留意されたい。しかしながら、このような大きな力が検出器組立体１１の長さに沿ってバネ２１によって均等に分配されると、これらの力は薄い壁の組立体にさえ損傷を与えることはない。

検出器組立体１１の第２主要部分は、電子機器モジュール１３である。この電子機器モジュール１３に含まれるのは、光電子倍増管などの既知の光感知装置５と、電源装置、増幅器、弁別回路、メモリーチップ、センサー、及び／又はプログラム可能論理モジュールなどの既知の付属電子機器パッケージ６である（図１、５）。この図において、電子機器及び通常ガンマ検出器に関連する制御機能は、統合されたガンマ検出器組立体１１の一部である電子機器パッケージ６に統合されている。その結果小型のガンマ検出器組立体１１となり、ガンマ検出器に関連する電子機能は全て含み、別個の支持モジュールは必要ではない。これらの電子要素の全ては、可撓性動的ハウジング２０によって、これらが設置されていた工具から動的に分離される。

本発明の実施形態に基づいて構成された可撓性動的ハウジング内のガンマ検出器の横断面図。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。 機械又は工具のキャビティに収容された可撓性動的ハウジング内の図２のシンチレーション組立体の断面図。 機械又は工具のキャビティに収容された可撓性動的ハウジング内の図１の電子機器パッケージの断面図。

符号の説明

４ 光学窓
５ 光電子倍増管
６ 電子機器パッケージ
８ 密閉剛性電子機器モジュールハウジング
１１ ガンマ検出器組立体
１２ シンチレーション組立体
１３ 電子機器モジュール

Claims (14)

1. 構造体内に取り付けられた時にほぼ円筒型の外形を有するガンマ検出器組立体であって、
   剛性シンチレーションハウジング（ 37 ）内に密封されたシンチレーション要素（ 1 ）と窓（ 4 ）とを含むシンチレーション要素組立体（ 12 ）と、
   剛性電子機器モジュールハウジング（ 8 ）内に収容された光電子倍増管（ 5 ）を含み、前記窓（ 4 ）を通じて前記シンチレーション要素（ 1 ）と光学的に結合された電子機器モジュール（ 13 ）と、
   前記剛性シンチレーションハウジング（ 37 ）及び前記剛性電子機器モジュールハウジング（ 8 ）を囲う複数の別個の細長いバネ（ 21 ）と、
   前記内側にある複数の別個の細長いバネを囲む内側可撓性ハウジング（ 35 ）と、
   を備え、
   前記細長いバネは、前記内側可撓性ハウジング（ 35 ）の内側にあり、前記剛性シンチレーションハウジング（ 37 ）及び前記剛性電子機器モジュールハウジング（ 8 ）のほぼ全長にわたって縦方向に各々が延在するガンマ検出器組立体。
2. 前記細長いバネ（ 21 ）が平らであることを特徴とする請求項１に記載のガンマ検出器組立体。
3. 前記細長いバネ（ 21 ）がカップ状であることを特徴とする請求項１に記載のガンマ検出器組立体。
4. 前記構造体が採掘機械であって、前記ガンマ検出器組立体が取り付けられるほぼ円筒型のキャビティ（ 33 ）を有することを特徴とする請求項１に記載のガンマ検出器組立体。
5. 前記構造体が掘削工具であって、前記ガンマ検出器組立体が取り付けられているほぼ円筒型のキャビティ（ 33 ）を有することを特徴とする請求項１に記載のガンマ検出器組立体。
6. 前記内側可撓性ハウジング（ 35 ）を取り囲む外側剛性ハウジング（ 22 ）を更に備える請求項１に記載のガンマ検出器組立体。
7. 前記外側剛性ハウジング（ 22 ）を取り囲む外側可撓性ハウジング組立体（ 20 ）を更に備える請求項６に記載のガンマ検出器組立体。
8. 前記外側可撓性ハウジング組立体（ 20 ）が、外側可撓性ハウジング（ 27 ）と前記外側剛性ハウジング（ 22 ）の外側にある複数の別個の細長いバネ（ 21 ）とを含み、前記細長いバネの各々が前記外側剛性ハウジングのほぼ全長にわたって縦方向に延在することを特徴とする請求項７に記載のガンマ検出器組立体。
9. 円筒型剛性ハウジング（ 37 ）内に収容される機器パッケージであって、前記剛性ハウジング（ 37 ）が該剛性ハウジングを取り囲む一連の細長い平らなバネ（ 21 ）で支持されており、前記バネ（ 21 ）の各々が、前記剛性ハウジング（ 37 ）のほぼ全長にわたって縦方向に延在し、可撓性ハウジング（ 35 ）内に囲まれていることを特徴とする機器パッケージ。
10. 前記パッケージが、採掘機械のキャビティ（ 33 ）内に設置されるように適合されていることを特徴とする請求項９に記載の機器パッケージ。
11. 前記パッケージが、掘削工具のキャビティ（ 33 ）内に設置されるように適合されていることを特徴とする請求項９に記載の機器パッケージ。
12. 前記剛性ハウジング（ 37 ）は、ガンマ線（ 31 ）を入射させる窓開口部（ 29 ）を備え、
    前記バネ（ 21 ）が、該バネの２つの間の間隙が前記窓開口部（ 29 ）と一致するように設置され、前記窓開口部（ 29 ）と一致する位置でガンマ線が前記バネ（ 21 ）を透過する必要を排除することを特徴とする請求項９に記載の機器パッケージ。
13. 前記剛性ハウジング（ 37 ）内に密閉されたシンチレーション要素組立体を更に備える請求項９に記載の機器パッケージ。
14. 前記剛性ハウジング（ 37 ）内に密閉され、前記シンチレーション要素組立体と光学的に結合された電子機器モジュールを更に備える請求項１３に記載の機器パッケージ。

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