NO344379B1 - Gammastråledetektorer med asimutsensitivitet for utføring av målinger i brønnhull - Google Patents

Description

KRYSSREFERANSE TIL BESLEKTEDE SØKNADER OG PRIORITETSKRAV [0001] Denne søknaden tar prioritet, i medhold av 35 U.S.C. § 119(e), fra den foreløpige US-søknaden 61/229,888 med tittelen "GAMMA RAY DETECTORS HAVING AZIMUTHAL SENSITIVITY", innlevert 30. juli 2009, som inntas her som referanse i sin helhet.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Oppfinnelsens område

[0002] Oppfinnelsen som beskrives her vedrører leting etter olje og gass, og spesielt gammadetektorer tilpasset for et nedihullsinstrument.

2. Beskrivelse av beslektet teknikk

[0003] Ved leting etter olje og gass er det nødvendig å bore et brønnhull inn i undergrunnen. Selv om boring av brønnhullet gjør det mulig for enkeltpersoner og selskaper å vurdere undergrunnsmaterialer og utvinne ønskede hydrokarboner, møtes mange problemer.

[0004] Betrakt instrumenter som gjør bruk av strålingsdetektorer. Strålingsdetektorene er typisk innlemmet i disse instrumentene for å bestemme sammensetningen til de omkringliggende undergrunnsmaterialene og geologiske formasjonene. I noen utførelser kan strålingskilder være innlemmet i instrumentet for å avgi et strålingssignal. I andre utførelser overvåker strålingsdetektorene kun bakgrunnsstråling eller naturlig stråling. Ett eksempel på en type strålingsdetektor er en gammascintillator. En gammascintillator er typisk sylindrisk og tilpasset for et sylindrisk fotomultiplikatorrør (PMT - Photo Multiplier Tube).

[0005] Vanlige strålingsdetektorer som blir anvendt i dag, så som gammascintillatoren omtalt over, har ikke retningssensitivitet. Det er derfor vanskelig for operatører å bestemme retninger av interesse når et verktøy befinner seg nede i brønnhullet (også omtalt som "nedihulls"). For å imøtekomme dette problemet har produsenter innlemmet strålingsskjerming, som gir en viss grad av ønsket retningssensitivitet. Spesielt for instrumenter som anvender strålingskilder med høy energi, kan imidlertid avskjermingen som kreves være stor og gir derfor ingen god utnyttelse av plassen inne i instrumentet. US 2002/0153481 A1 vedrører et system og en metode for detek tering av strålingsfenomener i et område rundt et borehull som traverserer en formasjon. Et loggeinstrument er utstyrt med kombinerte strålingsdetektorer for å tilveiebringe flere målinger ved den samme aksiale posisjon langs instrumentaksen, uten bruk av roterende deler i instrumentet. Skjermede eller segmenterte detektorer tilveiebringer azimutfokusert detektorsensitivitet. En kontrollerbar strålingskilde er eventuelt anordnet på instrumentet for undergrunnsbestråling. Det er også beskrevet bruk av radioaktive materialer i samklang med loggeinstrumentet for å bestemme undergrunnsstrømning og reservoaregenskaper.

[0006] Det er behov for fremgangsmåter og anordninger egnet for å gi nedihulls strålingsdetektorer retningssensitivitet. Fortrinnsvis bør fremgangsmåtene og anordningene gjøre det mulig å redusere eller fjerne bruken av avskjermingssystemer.

KORT OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

[0007] Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelse fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkrav. I en utførelsesform omfatter oppfinnelsen en strålingsdetektor for å utføre målinger nede i et brønnhull, der detektoren omfatter: en strålingsscintillator med en form som er tilpasset for å tilveiebringe asimutsensitivitet i forhold til brønnhullet for deteksjon av stråling nedihulls.

[0008] I en annen utførelsesform omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for å tilvirke en strålingsdetektor for å gjøre eller utføre en måling nede i et brønnhull, der fremgangsmåten omfatter å: velge et strålingsscintillatormateriale for utforming som en strålingsdetektor; bestemme en optimal form for en strålingsscintillator som er tilpasset for å tilveiebringe asimutsensitivitet i forhold til brønnhullet for deteksjon av stråling nedihulls; og utforme materialet til den optimale formen for å tilveiebringe asimutsensitiviteten i forhold til brønnhullet for deteksjon av stråling nedihulls.

[0009] Videre er oppfinnelsen relatert til et dataprogramprodukt som er lagret på datamaskinlesbare medier og som omfatter datamaskineksekverbare instruksjoner for å evaluere signaler fra flere strålingsdetektorer, der instruksjonene omfatter instruksjoner for å: motta flere deteksjonshendelser fra hver scintillator i en strålingsdetektor som omfatter flere strålingsscintillatorer, der hver scintillator har en form som er tilpasset for strålingsdetektoren for å tilveiebringe asimutsensitivitet i forhold til brønnhullet for deteksjon av stråling nedihulls; minst én av å utelate og kombinere utvalgte av strålingsdeteksjonshendelsene fra en utmating for å frembringe en justert utmating; og formidle den justerte utmatingen til en bruker.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0010] Gjenstanden, som anses som oppfinnelsen, er spesifikt angitt og krevet beskyttelse for i kravene som følger beskrivelsen. De foregående og andre trekk og fordeler med oppfinnelsen vil tydeliggjøres av den følgende detaljerte beskrivelsen sett sammen med med de vedlagte tegningene, der:

[0011] Figur 1 illustrerer et eksempel på utførelse av en borestreng som omfatter et loggeinstrument;

[0012] Figur 2 illustrerer et eksempel på utførelse for brønnlogging med et instrument utplassert av en kabel;

[0013] Figur 3 viser aspekter ved et brønnloggingsinstrument som omfatter en pulset nøytronkilde og flere spektraldetektorer;

[0014] Figurene 4A og 4B, kollektivt omtalt her som figur 4, illustrerer strålingsdetektorer i tilknytning til brønnhullet og et deteksjonsområde, henholdsvis for en kabelbasert utførelse og en "måling-under-boring"-utførelse;

[0015] Figurene 5A, 5B og 5C, kollektivt omtalt her som figur 5, viser aspekter ved scintillatorkrystaller med hensyn til innkommende gammastråler, og viser tilhørende responskurver for hver orientering;

[0016] Figur 6 viser en utførelsesform av en strålingsdetektor med asimutsensitivitet;

[0017] Figurene 7A og 7B, kollektivt omtalt her som figur 7, illustrerer aspekter ved et modellsystem av et tynt skall med radius r med kilder for gammastråler med energi hν.

Figur 7A viser aspekter ved den ikke-sylindriske gammastråledetektoren i midten av brønnhullet; mens Figur 7B viser et tilhørende gammastrålespektrum målt av detektoren;

[0018] Figurene 8A og 8B, kollektivt omtalt her som figur 8, illustrerer et eksempel på utførelse av en seksjonsinndelt detektor. Figur 8A viser et tverrsnitt sett fra siden; mens figur 8B viser et tverrsnitt sett ovenfra;

[0019] Figur 9 viser spektre ved mulige scenarier for gammastrålevekselvirkninger med detektoren og hvordan de observeres i pulssignalene som kommer fra scintillator A og scintillator B; og

[0020] Figur 10 er en fremstilling som viser de forskjellige trinn under strålingsdeteksjon med bruk av en scintillasjonsdetektor.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0021] Det beskrives her forskjellige utførelser av strålingsdeteksjonsanordninger innrettet for bruk i et nedihullsmiljø. Strålingsdeteksjonsanordningene gir en høy grad av retningssensitivitet, slik at brukere kan samle inn spesifikke data vedrørende omkringliggende materialer. For å gi en ramme for strålingsdeteksjonsanordningene og fremgangsmåtene for bruk av disse vil det først bli gitt litt bakgrunnsinformasjon og noen definisjoner.

[0022] Det henvises nå til figur 1, der aspekter ved en anordning for å bore et brønnhull 1 (også omtalt som et "borehull") er vist. Som en konvensjon er dypet i brønnhullet 1 beskrevet langs en Z-akse, mens et tverrsnitt er vist i et plan definert av en X-akse og en Y-akse.

[0023] I dette eksempelet blir brønnhullet 1 boret inn i grunnen 2 ved hjelp av en borestreng 11 drevet av en borerigg (ikke vist) som, blant annet, forsyner rotasjonsenergi og nedoverrettet kraft. Brønnhullet 1 krysser i alminnelighet gjennom undergrunnsmateriale, som kan omfatte forskjellige formasjoner 3 (vist som formasjoner 3 A, 3B, 3C). Fagmannen vil vite at de forskjellige geologiske trekkene som kan møtes i et undergrunnsmiljø gjerne omtales som "formasjoner", og at de forskjellige materialene nedover i borehullet (dvs. nedihulls) gjerne omtales som "undergrunnsmaterialer". Nærmere bestemt utgjøres formasjonene 3 av undergrunnsmateriale. Som den anvendes her må det således forstås at selv om betegnelsen "formasjon" i alminnelighet henviser til geologiske formasjoner og "undergrunnsmateriale", omfatter hvilke som helst materialer, og kan omfatte materiale så som faste stoffer, fluider, gasser, væsker og liknende.

[0024] I dette eksempelet omfatter borestrengen 11 lengder av borerør 12 som driver en borkrone 14. Borkronen 14 forsyner også en strømning av et borefluid 4, så som boreslam. Borefluidet 4 blir ofte pumpet til borkronen 14 gjennom borerøret 12, der fluidet strømmer ut i brønnhullet 1. Dette resulterer i en oppoverrettet strømning av borefluid 4 inne i brønnhullet 1. Den oppoverrettede strømningen tjener i alminnelighet til å kjøle borestrengen 11 og komponenter i denne, føre vekk borespon fra borkronen 14 og hindre utblåsning av trykksatte hydrokarboner 5.

[0025] Borefluidet 4 (også omtalt som "boreslam") inneholder som regel en blanding av væsker, så som vann, borefluid, slam, olje, gasser og formasjonsfluider som kan forekomme naturlig i miljøet. Selv om borefluid 4 kan bli tilført for boreoperasjoner, er bruk eller tilstedeværelse av borefluidet 4 hverken nødvendig for eller nødvendigvis til hinder for brønnloggingsoperasjoner. Normalt vil det forefinnes et lag av materiale mellom den utvendige overflaten av borestrengen 11 og veggen i brønnhullet 1.

Dette laget omtales som et "standoff-lag" og har en tykkelse, omtalt som "standoff, S".

[0026] Borestrengen 11 inneholder i alminnelighet utstyr for å utføre "måling-underboring" (MWD), også omtalt som "logging-under-boring" (LWD). Utførelse av MWD-eller LWD-operasjoner krever i alminnelighet aktivering av et loggeinstrument 10 som er innlemmet i borestrengen 11 og konstruert for å bli aktivert under boring. I alminnelighet er loggeinstrumentet 10 for utførelse av MWD koblet til en elektronikkpakke som også befinner seg på borestrengen 11, og derfor omtales som "nedihullselektronikk 13". Nedihullselektronikken 13 sørger i alminnelighet for minst én av driftsstyring og dataanalyse. Loggeinstrumentet 10 og nedihullselektronikken 13 er ofte koblet til overflateutstyr 7. Overflateutstyret 7 kan være innlemmet for ytterligere å styre driften, for å muliggjøre bedre analysefunksjoner samt for datalogging og liknende. En kommunikasjonskanal (ikke vist) kan muliggjøre kommunikasjon til overflateutstyret 7, og kan være basert på pulset slam, kabeltrukne rør og andre teknologier som er kjent for fagmannen.

[0027] Generelt vil data fra MWD-anordningen gi brukere økte muligheter og utvidet funksjonalitet. For eksempel kan data som blir gjort tilgjengelig fra MWD-operasjoner være nyttige som innmating for geostyring (dvs. styring av retningen til borestrengen 11 under boreprosessen) og liknende.

[0028] Figur 2 viser et eksempel på et loggeinstrument 10 for kabellogging av brønnhullet 1. Som en konvensjon er dybden i brønnhullet 1 angitt langs en Z-akse, mens et tverrsnitt er vist i et plan definert av en X-akse og en Y-akse. Før brønnlogging med loggeinstrumentet 10 blir brønnhullet 1 boret inn i grunnen 2 ved hjelp av en boreanordning, så som den vist i figur 1.

[0029] I noen utførelsesformer er brønnhullet 1 fylt, i hvert fall til en hvis grad, med borefluid 4. Borefluidet 4 (også omtalt som "boreslam") inneholder i alminnelighet en blanding av væsker, så som vann, borefluid, slam, olje, gasser og formasjonsfluider som kan forekomme naturlig i miljøet. Selv om borefluid 4 kan bli tilført for boreoperasjoner, er bruk eller tilstedeværelse av borefluidet 4 hverken nødvendig for eller nødvendigvis til hinder for loggeoperasjoner under kabellogging. I alminnelighet vil det forefinnes et lag av materiale mellom den utvendige overflaten av loggeinstrumentet 10 og veggen i brønnhullet 1. Dette laget omtales som et "standoff-lag" og har en tykkelse, omtalt som "standoff, S".

[0030] Loggeinstrumentet 10 blir i alminnelighet senket inn i brønnhullet 1 med bruk av en kabel 8 som kjøres ut fra et boretårn 6 eller tilsvarende utstyr. Normalt omfatter kabelen 8 en opphengsanordning, så som en lastbærende kabel, i tillegg til andre anordninger. De andre anordningene kan omfatte en kraftforsyning, en kommunikasjonsforbindelse (for eksempel kabelbasert eller optisk) og annet slikt utstyr. Kabelen 8 blir som regel ført ut fra en servicevogn 9 eller en annen tilsvarende anordning (så som en servicestasjon, en basestasjon, osv.). Kabelen 8 er gjerne koblet til overflateutstyr 7. Overflateutstyret 7 kan forsyne kraft til loggeinstrumentet 10 og tilveiebringe databehandlings- og prosesseringsressurser for minst én av driftsstyring og dataanalyse.

[0031] Loggeinstrumentet 10 omfatter vanligvis en anordning for å utføre målinger "nedihulls", eller nede i brønnhullet 1. Denne anordningen kan, for eksempel, omfatte en rekke forskjellige undersøkelseskomponenter 15. Eksempler på undersøkelseskomponenter 15 kan omfatte strålingsdetektorer, strålingsskjermer og liknende.

Komponentene 15 kan kommunisere med nedihullselektronikk 13 som nødvendig. Målingene og andre sekvenser som kan bli utført ved hjelp av loggeinstrumentet 10 blir i alminnelighet utført for å fastslå og kvalifisere en forekomst av hydrokarboner 5.

[0032] Når det gjelder utførelser av undersøkelseskomponenter 15 omtalt her kan komponentene 15 omfatte minst én strålingsdetektor. Strålingsdetektoren kan omfatte delkomponenter, så som et volum av et scintillasjonsmateriale, minst én fotodetektor, minst én forforsterker, en kraftforsyning, et datagrensesnitt, en monteringsanordning og liknende. En ikke-begrensende utførelsesform av fotodetektoren er et fotomultiplikatorrør.

[0033] Med betegnelser som "gammastråledetektor", "strålingsdetektor" og andre beslektede betegnelser menes her instrumenter som måler gammastrålingen som kommer inn i instrumentet 10. For eksempel kan gammastråledetektoren anvende et scintillatormateriale som vekselvirker med gammastråling og genererer lysfotoner, som igjen blir detektert av en fotodetektor koblet til elektronikk. Eksempler på gammastråledetektorer omfatter, uten begrensning, natriumjodid (NaI), lantanbromider (LaBr3), cesiumjodid (CsI), vismut-germinat (BGO), thalliumjodid (TlI) og andre organiske krystaller, uorganiske krystaller, plastmaterialer, halvlederbaserte detektorer og kombinasjoner av dette.

[0034] Med "karakteriseringsdata" menes her generelt et radiologisk profil (f.eks. et gammautsendingsprofil) for formasjonen 3. Mer spesifikt vil undergrunnsmaterialene utvise bestemte radiologiske trekk. I forskjellige utførelsesformer er disse trekkene et resultat av bestråling med gammastråler, røntgenstråler, nøytroner eller andre former for stråling generert i instrumentet 10, der bestrålingen til syvende og sist kan resultere i spredning eller utsending av gammastråler i formasjonen 3, eller disse trekkene kan bli generert av strålingskilder som forekommer naturlig i formasjonen.

[0035] Med "detektorgeometri" menes utformingen av gammastråledetektoren(e). Detektorgeometri kan omfatte størrelsen og formen til scintillatormaterialet, en fotodetektor eller en hvilken som helst annen komponent i en gitt strålingsdetektor. Med et "høyde/bredde-forhold" menes generelt en dimensjon av strålingsdetektoren (så som dimensjonen til scintillatormaterialet) i forhold til en annen dimensjon. For eksempel vil tverrsnittet av detektoren (sett langs x-aksen og y-aksen) ha et gitt høyde/bredde-forhold, som kan bestemmes som forholdet mellom x-dimensjonen og y-dimensjonen. Med "plasseringsgeometri" menes relativ plassering av en gammastråledetektor inne i loggeinstrumentet eller i forhold til det omkringliggende volumet. Med "logging-under-boring" (LWD) menes måling av parametere fra brønnhullet 1 mens boring pågår.

[0036] Forskjellige typer vekselvirkninger innebærer enten absorbsjon eller avgivelse av gammastråling. Hovedtyper (listet etter økende energi) omfatter fotoelektrisk effekt, comptonspredning og pardannelse. Som en konvensjon vedrører "fotoelektrisk effekt" vekselvirkninger der elektroner blir sendt ut fra materie etter absorbsjon av en gammastråle. De utsendte elektronene kan omtales som "fotoelektroner". Den fotoelektriske effekten kan opptre med fotoner med en energi på omtrent noen få eV eller mer. Dersom et foton har høy nok energi, kan det oppstå comptonspredning eller pardannelse. Comptonspredning er knyttet til reduksjon av energien (økning av bølgelengden) til et gammastrålefoton når fotonet vekselvirker med materie. Ved pardannelse kan fotoner med høyere energi vekselvirke med et mål og gjøre at det dannes et elektron og positronpar.

[0037] Som beskrevet her kan deteksjon av gammafotoner bli sortert etter antall deteksjonshendelser i henhold til energi. Følgelig kan en distinkt eller gjenkjennelig gruppe av deteksjonshendelser bli omtalt med betegnelser så som en "linje", en "topp" og med andre slike betegnelser som er kjent for fagmannen. Det erkjennes at slike energigrupper ikke nødvendigvis faktisk opptrer som en "linje" i en spektralgraf. Nærmere bestemt erkjennes det, for eksempel, at energigrupper ikke alltid er distinkte, for eksempel når en betrakter en type strålingsdetektor i sammenlikning med en annen. Følgelig er tolkning av tilstedeværelse av en energigruppe gjenstand for forskjellige teknikker for kvalifisering av spektraldata. Ettersom tolkning av spektraldata i sin alminnelighet er kjent for fagmannen, er ikke dette aspektet beskrevet mer i detalj her; imidlertid må det forstås at aspekter ved spektralanalyse kan involvere komplisert og også subjektiv tolkning.

[0038] Figur 3 viser aspekter ved en strålingsdetektor 30 anordnet inne i instrumentet 10. I dette, ikke-begrensende, eksempelet omfatter strålingsdetektoren 30 et materiale som er en scintillator 31. Scintillatoren 31 har en sylindrisk form og kjennetegnes ved en radius R. Scintillatoren 31 er i alminnelighet omgitt av et hus 32, som gir fysisk beskyttelse. Scintillatoren 31 er optisk koblet til en fotodetektor 33 som mottar lyspulser generert av scintillatoren 31 som følge av strålingsvekselvirkninger inne i scintillatoren 31. En forforsterker 34 forsterker signaler fra fotodetektoren 33, som kan være et fotomultiplikatorrør (også omtalt som et PMT-rør). Forforsterkeren 34 leverer utmating til elektronikkenheten 13 via en grensesnittskabel 35. Grensesnittskabelen 35 forsyner vanligvis også kraft til strålingsdetektoren 30. I dette eksempelet er en strålingsskjerm 36 anordnet rundt en indre andel av strålingsdetektoren 30. Utførelsen og plasseringen av strålingsskjermen 36 (for eksempel av bly eller wolfram) er innrettet for å hindre eller undertrykke deteksjon av stråling som kommer fra andre retninger enn fra de omkringliggende undergrunnsmaterialene. Følgelig kan strålingsskjermen 36 i hvert fall delvis omgi scintillatoren 31.

[0039] Med støtte i figur 4 vil nå aspekter ved retningssensitivitet for strålingsdetektoren 30 bli beskrevet. For det første, som angitt i forbindelse med figur 3, involverer scintillatormaterialer som blir anvendt i loggeverktøy 10 for kabel- og MWD-anvendelser i alminnelighet scintillasjonskrystaller med sylindriske former. En sylindrisk form blir ofte valgt som den mest hensiktsmessige formen for scintillatoren 31 ettersom denne muliggjør optisk kobling med PMT-rør og fordi en slik form gir sylindrisk symmetri eller aksesymmetri i detektorresponsfunksjonen og gjør detektorens sensitivitet uavhengig av asimutvinkel θ.

[0040] Den sylindriske symmetrien til detektorresponsen betyr at sannsynligheten for å detektere gammastråler ikke avhenger av asimutretningen. Som følge av dette, for loggeverktøyet for kabellogging (figur 4A), inneholder det målte gammastrålespekteret både signaler generert av gammastrålekildene som befinner seg i formasjonen 3 (sektor A) og de i brønnhullet 1 (sektor B). Følgelig må det forstås at gammastrålesignalet fanget opp av detektorutførelsen i figur 4A omfatter en "borehullspåvirkning" (enten gjennom ekstra signalbidrag eller som følge av fordreining av formasjonssignalet gjennom dempningen av dette i borehullet). Fordreiningen kommer hovedsakelig fra sektor B mens sektor A gir et "renere" formasjonssignal. For loggeverktøyet 10 innrettet for MWD (figur 4B) vil legemet av loggeverktøyet 10 effektivt skjerme av sektor B for hver detektor fra gammastråler som inneholder formasjonssignal.

[0041] De målte gammastrålespektrene som har minimal påvirkning fra borehullet gir i alminnelighet brukere mer relevant informasjon (f.eks. har konsentrasjone av forskjellige grunnstoffer i formasjonen oppnådd fra disse spektrene i alminnelighet lavere usikkerhet som følge av redusert borehullspåvirkning). For kabelførte verktøy er det derfor ønskelig med en gammastråledetektor som er i stand til å måle spektre med en asimutvinkelavhengig responsfunksjon der responsen er lav eller betydelig lavere for sektor B enn responsen for sektor A.

[0042] Aspekter ved utforming av gammastråledetektoren kan således betrakte forskjellige egenskaper. Noen av disse aspektene er vist i en skjematisk illustrasjon med en tilhørende responsfunksjon i figur 5. Egenskaper som kan bli betraktet (brukt som grunnlag for utformingen) kan for eksempel omfatte strålingsskjermen 36 som skal blokkere gammastråler som kommer fra uønskede retninger og gi detektoren kollimering i en bestemt retning (se figur 5A); en ikke-sylindrisk utforming av scintillasjonskrystallet (se figur 5B); en seksjonsinndelt detektor med et "antikoinsidensskjema" for analyse av pulser detektert i forskjellige seksjoner kan bli anvendt (se figur 5C). Disse aspektene, forskjellige kombinasjoner av disse aspektene og andre egenskaper kan bli tatt i betraktning.

[0043] Figur 5 (figurene 5 A - 5C) illustrerer forskjellige teknikker for å konstruere gammastråledetektorer med en asimutvinkelavhengig responsfunksjon basert på: bruk av strålingsskjermen/kollimatoren (a); styring av formen til scintillasjonskrystallet (f.eks. tilveiebringelse av en ikke-sylindrisk form) (b); og bruk av en seksjonsinndelt detektor for å tilveiebringe et "antikoinsidensskjema", der analyse av pulser detektert i forskjellige seksjoner blir analysert separat og sammenliknet (c). I hvert av eksemplene er en tilnærmet form for en tilhørende responsfunksjon for hvert tilfelle vist. I alle tilfeller er detektorens form speilsymmetrisk for å lette beskrivelsen. Som en konvensjon vedrører betegnelsen "type A-gammastråler" ("γ-stråle A") gammastråler av interesse (deres retninger svarer til de verdiene for asimutvinkelen θ som ligger innenfor området av interesse). Betegnelsen "type B-gammastråler" ("γ-stråle B") vedrører gammastråler som har et signalbidrag som skal utelates fra det målte spekteret (med retninger svarende til asimutvinkelverdiene i området).

[0044] Betrakt nå figur 5A mer i detalj. Dette eksempelet illustrerer detektoren 30 med strålingsskjermen rundt scintillasjonskrystallet. I dette eksempelet er strålingsskjermen laget av et materiale med høy tetthet og har en tykkelse som setter den i stand til å adsorbere mesteparten av gammastrålene som kommer gjennom den (type B-gammastråler). Strålingsskjermen har en åpning eller et vindu, og som følge av dette er type A-gammastråler som kommer til detektoren gjennom dette i alminnelighet ikke påvirket av adsorpsjon i strålingsskjermen. Asimutavhengigheten til detektorresponsfunksjonen er basert på variasjonen i adsorpsjon av gammastråler i strålingsskjermen med asimutvinkel, θ. Siden adsorpsjon av gammastråler involverer en statistisk prosess er det alltid i hvert fall en viss sannsynlighet for at en gammastråle passerer strålingsskjermen enten uten vekselvirkning eller med energiverdien redusert som følge av comptonspredning. Verdien til responsfunksjonen er derfor alltid større enn null (0) for enhver verdi for asimutvinkelen θ, og avhenger blant annet av gammastråledempningsegenskapene til materialene i strålingsskjermen og strålingsskjermens tykkelse. Ett materiale med høy tetthet som er egnet for bruk er wolfram (ρ=19,25 g/cm3), som utviser en dempningslengde for gammastråler med en energi på 3 MeV (totalt spredningstverrsnitt (σtotal) er nær minimumsverdien ved denne energiverdien) som er lik Lr= 1,28 cm. I dette eksempelet er den strålingsskjermtykkelsen som vil gi en dempning på omtrent 90% av gammastrålene 2,8 cm, og for 95% dempning er tykkelsen omtrent 3,9 cm. Det skal også understrekes at fordi σtotai(hv) ≠ konstant innenfor energiområdet av interesse (fra omtrent 0,1 MeV til omtrent 10 MeV), intensiteten til borehullssignalet som passerer gjennom strålingsskjermen og forefinnes i det målte spekteret vil avhenge av gammastråleenergien. Tatt i betraktning den begrensede mengden plass tilgjengelig inne i et kabelverktøy for detektoren, så vel som geometrien til målingene som bestemmer de forskjellige andelene av borehullssignalet som kommer fra forskjellige retninger som følge av avhengigheten til tykkelsen til laget av borehullsfluid av asimutvinkel, Θ, velges en tverrsnittsform for detektorkrystallet og strålingsskjermen som vil gi en balanse mellom deteksjonseffektivitet (scintillasjonskrystallets volum) og dempning av borehullssignalet (strålingsskjermens tykkelse). Et eksempel på en resulterende utførelse er vist i figur 6, der både krystallets tykkelse, Wc, og strålingsskjermens asimuttykkelse, Wsh, avhenger av asimutvinkelen θ. I dette tilfellet har scintillasjonskrystallet en generell ikke-sylindrisk form (i dette eksempelet er krystallets horisontale tverrsnittsform elliptisk). Denne formen muliggjør blant annet en god utnyttelse av den tilgjengelige plassen inne i verktøyet.

[0045] Figur 5B illustrerer også aspekter ved en utførelsesform av scintillasjonskrystallet som har en ikke-sylindrisk form. Sannsynligheten for vekselvirkning med mediene (dvs. sannsynligheten for avgivelse av energi i krystallet) for gammastrålen er definert ved:

p ~ 1-exp{-x/Lγ) (1);

derX representerer lengden til gammastrålens bane i mediene. For detektoren med den ikke-sylindriske krystallformen møter gammastråler som kommer fra forskjellige asimutretninger forskjellige tykkelser av scintillasjonsmateriale. Som følge av dette er sannsynligheten for gammastråle A-vekselvirkning i detektoren høyere enn sannsynligheten for en gammastråle B-vekselvirkning. Nærmere bestemt, som vist i figur 5B, så er xA> xB.Det skal bemerkes at til første ordens tilnærming, som ikke tar hensyn til flere spredningshendelser, avhengigheten er symmetrisk om θ=ττ/2 (R(θ)=R(TT-θ)). Det kan antas, i hvert fall delvis, at spredning av gammastråler ikke avhenger av retningen for denne utførelsesformen.

[0046] Flere typer vekselvirkninger kan forårsake avgivelse av noe av eller all energien i en gammastråle i scintillasjonsmaterialet. For eksempel, for en gammastråle med en forholdsvis høy energi, kan det opptre én eller to pardannelseshendelser. I tillegg kan også flere comptonspredningshendelser finne sted og redusere energien i en slik grad at det vil kunne oppstå en fotoelektrisk adsorpsjonsvekselvirkning. Hver av vekselvirkningshendelsene reduserer energien i gammastrålen med en verdi Δhvi, skaper sitt eget "varme" elektron og i et slikt scenario vil det detekterte lysutbruddet dannes av de synlige fotonene utsendt under relaksasjon av alle "varme" elektroner dannet inne i krystallet. Gammastrålevekselvirkningen og relaksasjonsprosessen for "varme" elektroner er mye raskere enn utsendelsen av synlig lys i relaksasjonsprosessen for lavenergielektroner, slik at alle forskjellige vekselvirkninger danner det samme "gammastråle-bidragssignalet" til den samme pulsen som detekteres av fotomultiplikatorrør.

[0047] For flertrinnsscenariet med gammastrålevekselvirkning med scintillatorer er det en sannsynlighet større enn null for at en gammastråle forlater scintillasjonskrystallet før all dens energi er avgitt. I dette tilfellet blir i stedet pulsen svarende til hv energi pulsen svarende til ΣΔhνi <hv detektert, der Δhvier energien avgitt til krystallet etter i-te gammastrålevekselvirkning. Som følge av dette inneholder det målte spekteret til den monokromatiske gammastrålefluksen bortsett fra fotoelektriske topper svarende til gammastråleenergien hv en intensitet svarende til gammastråleenergier mindre enn hv. Intensiteten utenfor fotoelektriske topper fordreier spektralformen og vanskeliggjør tolkning og kvantitativ analyse av denne (intensiteten utenfor fotoelektriske topper gjør det umulig å bestemme intensiteten innenfor fotoelektriske topper med høy presisjon og virker inn på bakgrunnen for det nyttige fotoelektriske peak-signalet). Forholdet mellom maksimal fotoelektrisk peakintensitet lphog intensiteter ved energier lavere enn hv, angitt som lCTldefineres av den effektive tykkelsen til scintillasjonsmaterialet det vekselvirkes med og øker med tykkelsen (sannsynligheten for avgivelse av all gammastråleenergi øker med den mulige økningen av lengden til gammastrålebanen i henhold til likning (1) over).

[0048] Nå med henvisning til figur 7, i dette eksempelet, når den ikke-sylindriske detektoren befinner seg i midten av et tynt skall med radius r (der r >> xA), der det tynne skallet inneholder kilder for gammastråler med energi hv, er den fotoelektriske peak-intensiteten, lph, definert som:

der x(θ) representerer banen til gammastrålen som kommer fra asimutretning θ i krystallet. Siden verdien til χ(θ) er mye høyere for området

enn for resten av asimutvinklene, utgjøres hovedbidraget til den fotoelektriske peak-intensiteten lphav gammastråler som kommer fra retninger innenfor sektoren . Den samme konklusjonen kan ikke trekkes for signaler detektert ved energier lavere enn hv. Intensiteten til denne "halen" (ICT) vil kunne ha sammenliknbare bidrag fra gammastråler som kommer fra alle mulige retninger, og avhengigheten til I'CT(θ) av asimutvinkelen θ bør defineres fra Monte Carlo-modelleringsresultater, der en "spesifikk" "hale"-intensitet for en asimutvinkel kan beskrives av likn. (3):

[0049] Det ovenfor beskrevne problemet med tilstedeværelse i spekteret av det sterke "ikke-kollimerte" bakgrunnssignalet ICTog dets forstyrrelse av det "kollimerte" signalet i fotoelektriske topper kan reduseres, og, i hvert fall i noen tilfeller, i praksis fjernes ved å anvende en seksjonsinndelt detektorutførelse vist i figur 8.

[0050] Med henvisning til figur 8 anvender den seksjonsinndelte detektorutførelsen generelt et "antikoinsidensskjema" for analyse av pulser detektert i forskjellige detektorseksjoner. I disse utførelsesformene omfatter detektoren flere atskilte scintillatorseksjoner. Figur 8A viser den seksjonsinndelte (eller "seksjonerte") strålingsdetektoren 80. I dette eksempelet omfatter den seksjonsinndelte strålingsdetektoren 80 en første scintillator (scintillator A - 86) og en andre scintillator (scintillator B - 87). Det må forstås at flere scintillatorer kan bli anvendt om det anses hensiktsmessig. De forskjellige scintillatorene 86, 87 atskilles av en reflekterende kledning 81. Den reflekterende kledningen 81 kan være et hvilket som helst materiale som vil sørge for optisk atskillelse av lyshendelser innenfor hver av de respektive scintillatorene.

Eksempler omfatter speilende metaller så som aluminum, polymerer så som Teflon, og forskjellige oksider, og kan være anordnet i en tynn kledning slik at den kun har ubetydelig innvirkning på strålingsdempning. På passende steder, i dette tilfellet på motsatte ender, er hver av scintillatorene 86, 87 koblet til en respektiv fotodetektor 83, 84, så som et fotomultiplikatorrør (PMT). En tverrsnittsskisse sett ovenfra er vist i figur 8B, som også omfatter avskjerming rundt en andel av den seksjonsinndelte strålingsdetektoren 80.

[0051] Generelt må diameteren til fotomultiplikatorrøret eller en annen fotodetektor for scintillator A være stor nok til å dekke over hele arealet til scintillator A, eller en spesialkonstruert optisk kobler må bli anvendt. For scintillator B kan et "gulv" av fotodioder bli anvendt som fotodetektor.

[0052] Selv om beskrivelsen henviser til utførelsesformen vist i figur 8, må det forstås at en hvilken som helst av en rekke forskjellige mulige utførelser kan bli anvendt. Nærmere bestemt, og som et ikke-begrensende eksempel, kan den første detektoren omgi hele den andre detektoren. Den første detektoren kan omgi den andre detektoren bare delvis. Den første detektoren kan være anordnet nær ved og i kontakt med den andre detektoren (kun atskilt av den reflekterende kledningen eller reflekterende materiale). De tilhørende fotodetektorene kan være anordnet på passende måte. Med bruk av ytterligere detektorer kan ytterligere geometrier oppnås, som alle faller innenfor idéene her.

[0053] Gitt en seksjonsinndelt strålingsdetektor 80 utført i samsvar med den viste utførelsesformen, er følgende scenarier med vekselvirkninger av type A- og type B-gammastråler mulig:

1. Gammastråle A avgir all sin energi, hν, i scintillator A (ΔhνAA= hν og ΔhνAB= 0); 2. Gammastråle A avgir en del av sin energi hν i scintillator A og ingen energi blir avgitt i scintillator B (ΔhνAA< hν og ΔhνAB= 0);

3. Gammastråle A avgir en del av sin energi hν i scintillator A og en del av sin energi i scintillator B (ΔhνAA< hν og ΔhνAB< hν);

4. Gammastråle A avgir ingen energi i scintillator A og en del av dens energi eller all dens energi blir avgitt i scintillator B (ΔhνAA= 0 og ΔhνAB≤ hν);

5. Gammastråle B avgir all eller en del av sin energi hν i scintillator B og ingen energi blir avgitt i scintillator A (ΔhνAA= 0 og ΔhνBB≤ hν);

6. Gammastråle B avgir en del av sin energi hν i scintillator B og en del av sin energi i scintillator A (ΔhνAA< hν og ΔhνBB< hν);

7. Gammastråle B avgir en del av sin energi hν eller all sin energi i scintillator A og ingen energi blir avgitt i scintillator B (ΔhνAA≤ hν og ΔhνBB= 0).

[0054] Figur 9 illustrerer hvordan disse scenariene (SC1 til SC7) gjenspeiles i pulssignalene som kommer fra seksjonene med scintillator A og scintillator B i den seksjonsinndelte strålingsdetektoren 80. For å oppnå et spektrum som har høy fotoelektrisk peak-intensitet Iphog lav intensitet for bakgrunnssignalet lCT, må sannsynligheten for SC1-hendelser maksimeres samtidig som sannsynlighetene for SC2-, SC3-, SC6- og SC7-hendelser må minimeres. Alternativt må pulsene svarende til disse scenariene fra scintillator A sitt signal utelates (hendelser svarende til SC4 og SC5 skjer kun i scintillator B og bidrar ikke til scintillator A sitt signal). Fra figur 9 kan det sees at pulser dannet for SC3- og SC6-hendelser kan fjernes fra scintillator A sitt signal ved å sammenlikne det med signalet til Scintillator B. Dersom pulser i scintillator A og scintillator B sine signaler sammenfaller i tid, må scintillator A sin puls utelates fordi den ble generert som et resultat av gammastrålevekselvirkning med detektoren i henhold til scenariene SC3 og SC6. Denne metoden for å analysere pulssignaler som kommer fra forskjellige kanaler er kjent som "antikoinsidensanalyse". For den seksjonsinndelte strålingsdetektoren 80 gjør bruk av antikoinsidenstelling det mulig for brukere å fjerne pulser dannet ved SC3- og SC6-hendelser.

[0055] Sannsynligheten for SC2- og SC7-hendelsene kan minimeres ved å maksimere sannsynligheten for gammastrålevekselvirkning med scintillator B ved å maksimere dens gammastråledempningsegenskaper. Dette kan oppnås enten ved å bruke scintillator B sin form til å skape en lengre effektiv gammastrålebane inne i denne delen av detektoren for de fleste θ-verdier eller ved å anvende scintillasjonsmateriale med høyere tetthet, eller med begge metoder. Den geometriske formen til scintillator B kan utformes basert på resultater fra Monte Carlo-basert modellering.

[0056] Det skal bemerkes at i noen utførelsesformer, pulssignalet fra scintillator B kun blir anvendt for å "rense" scintillator A sitt signal for SC3- og SC6-pulser, og det er ikke behov for høy presisjon i målingen av scintillator B sin signalpulsamplitude. Nærmere bestemt har brukere i alminnelighet behov for å kunne påvise tilstedeværelse av pulsen ved tiden t i signalet, men har ikke behov for å kjenne amplitudeverdien med høy grad av presisjon. Som følge av dette kan materialet i scintillator B være forskjellig fra materialet i Scintillator A. Scintillator B kan for eksempel være av et scintillasjonsmateriale som har høy tetthet og lav oppløsning, så som for eksempel CdWO4eller BGO, og valgt for å fungere uavhengig av driftstemperaturen (temperaturpåvirkninger på lysutbyttet og som følge av dette på oppløsningen til de målte spektrene for BGO) kan bli anvendt for Scintillator B. I stedet for et fotomultiplikatorrør kan med hell en fotodiode bli brukt som fotodetektor for Scintillator B.

[0057] For å gi et mer detaljert eksempel omfatter detektoren, i en utførelsesform, scintillatoren, to fotomultiplikatorrør (PMT) eller dioder, forforsterkere, en hurtig tokanals analog-til-digital omformer (ADC) og en tokanals signalprosessor. Scincillatoren omfatter to krystaller, det ene innsatt i det andre. Det største (ytre) krystallet er laget av BGO-materiale og har en sylindrisk form og en sylindrisk gjennomgående kanal koaksielt med hovedaksen. Det minste (indre) krystallet er laget av et LaBr3(Ce)-materiale, har en sylindrisk form der den utvendige diameteren er lik den innvendige diameteren til kanalen i det ytre krystallet og har samme lengde som lengden til det ytre krystallet og er innsatt i det ytre BGO-krystallet. Det ytre og det indre krystallet er optisk isolert fra hverandre. Fotomultiplikatorrørene er optisk koblet til de motsatte ytterendene av scintillatoren på en slik måte at det ene fotomultiplikatorrøret kun fanger opp lys fra det ytre krystallet og det andre fotomultiplikatorrøret fanger opp lys fra det indre krystallet.

[0058] BGO-materialet har høyere tetthet enn LaBr3(Ce), og som følge av dette har BGO-detektoren høyere deteksjonseffektivitet. LaBr3(Ce)-materialet har mye lavere halveringstid og bedre oppløsning for gammastråler med lav energi. I noen utførelsesformer inneholder det resulterende gammaspekteret mye flere linjer i lavenergidelen av spekteret, noe som muliggjør dataanalyse av høy kvalitet. Høyenergidelen av spekteret inneholder færre topper, og som følge av dette (på grunn av mindre overlapp mellom topper) er ikke statistikken og oppløsningen like viktig for spektralanalyse og dekonvolvering av spekteret. Ved å prosessere spektrene målt av det ytre og det indre krystallet separat kan kvaliteten til totalanalysen forbedres.

[0059] Som angitt nedenfor og andre steder her kan den aktuelle utførelsen av scintillatoren bli optimert ved hjelp av Monte Carlo-simuleringer for å styre ytelsen. Simuleringene kan ta hensyn til krav fra brukere, så som hvilke deler av energiområdet som skal inneha best oppløsning/statistikk. For eksempel vil ytelsen være bedre dersom det ytre krystallet er laget av LaBr3(Ce) og det indre krystallet er av BGO. Et problem her er imidlertid at LaBr3(Ce) er mye dyrere enn BGO, slik at den omvendte scintillatoroppbygningen kan bli anvendt for å begrense systemkostnaden.

[0060] En annen ytelsesforbedring involverer bruk av sammenfallende hendelsesanalyse, som blir anvendt på signalene innhentet fra det ytre og det indre krystallet. Som nevnt over er halveringstiden til LaBr3(Ce) omtrent 20 ns, mens halveringstiden til BGO er omtrent 300 ns. Halveringstiden definerer dødtiden (maksimal tellehastig het) for den monolittiske detektoren. I denne utførelsesformen er dødtiden for detektoren lik dødtiden til det største av de ytre og indre krystallene. For å redusere dødtiden til BGO-krystallet kan et heldigitalt signalbehandlingssystem bli anvendt. Etter forforsterkning blir PMT-signalet digitalisert av den hurtige A/D-omformeren (samplingsrate > 100 MHz, oppløsning > 4096 kanaler) og det frembragte digitale signalet blir behandlet av en FPGA-basert prosessor. Dersom formen til pulsen generert av fotomultiplikatorrøret for BGO-krystallet er kjent, er online digital dekonvolvering av signalet mulig. Som følge av dette kan pulsene bli oppløst også dersom det er stor overlapp mellom nabopulser og den effektive dødtiden til detektoren kan reduseres til under BGO-materialets halveringstid. Signalprosesseringsalgoritmen (dekonvolveringsalgoritmen) avhenger av pulsens form og må velges slik at en oppnår best mulig ytelse for detektoren. Samme prosessor kan bli anvendt for å utføre sammenfallende hendelsesanalyse av signalene fra ytre og indre krystaller.

[0061] Igjen med henvisning til figur 5 skal det bemerkes at R(E,E',θ) er symmetrisk om θ = π/2 (se fig. 5B, 5C) fordi den effektive banen til gammastrålen i detektoren er uavhengig av gammastrålens retning. Som følge av dette, både for den ikkesylindriske strålingsdetektoren (figur 6) og den seksjonsinndelte strålingsdetektoren (figur 8), kan en viss avskjerming være nødvendig for å "filtrere" sektoren

) fra gammastrålene som kommer fra retningene innenfor dette

området av asimutvinkler (se figur 7A). Den eksakte formen til denne strålingsskjermen kan bli bestemt ved hjelp av resultater av Monte Carlo-modelleringen.

[0062] For LWD-målinger kan en gammastråledetektor med en "fokusert" eller "kollimert" responsfunksjon bli anvendt for å utføre gammastrålingsspektermålinger passende for å bygge opp bilder av borehullet. Detektorer med en smalt kollimert responsfunksjon kan bli anvendt for å bygge opp bilder både for spektralmålinger av naturlig gammastråling og spektralmålinger av prompt gammastråling og innfangningsgammastråling. Det skal bemerkes at det for LWD-målinger fra én side er enklere å bestemme asimutvinkelavhengigheten for R(E, Ε',θ), ettersom verktøyhuset fungerer som en effektiv strålingsskjerm, men fra den andre siden er det vanskeligere som følge av mindre ledig plass inne i verktøyet til scintillasjonsmateriale (som et resultat av dette kan detektorens effektivitet være lav). I noen utførelsesformer av LWD-detektoren må videre "vinkelbredden" til detektoren R(E,E',6) (området av Θverdier der R(0) ≠ 0) ikke være mer enn for å tilveiebringe minst 12 sektorer

eller punkter i bildet. I noen utførelsesformer av detektorer for kabelbaserte målinger er hovedhensikten med en kollimert responsfunksjon å redusere påvirkning av det målte spekteret fra stråling fra borehullet. Detektorkollimeringen blir anvendt for å begrense gammastråleoppfangningsområdet mot formasjonen. I dette tilfellet kan

"vinkelbredden" til R(E,E',0) være sa stor som eller mer avhengig av forholdet

mellom borehullets og verktøyets diameter.

[0063] Basert på de ovenfor beskrevne aspekter ved nedihulls strålingsdetektorer med asimutisk sensitivitet (dvs. retningssensitivitet) vil vi nå beskrive ytterligere aspekter for å tilveiebringe forbedrede utførelser. I dette avsnittet er bestemte ytterligere betegnelser eller konvensjoner presentert for beskrivelsesformål. Disse betegnelsene er naturligvis ikke ment å være begrensende, og er gitt for å beskrive en fremgangsmåte for å forbedre utformingen av den scintillasjonsbaserte gammastråledetektoren med asimutavhengighet beskrevet av responsfunksjonen.

[0064] Altså, som en oppsummering, en gammastråle med energi hv vekselvirker med scintillasjonsmateriale og forårsaker opptreden av et "varmt" elektron som innledningsvis har en energi lik Ehe= ahv, der 0 < a < 1 , men Ehe>» Eb(energigap for scintillatoren) (dette omtales som et "trinn tr1"). Det "varme" elektronet blir konvertert til mange (tusenvis av) lavenergielektroner innenfor scintillatorens ledningsbånd (Ele~ Eb) gjennom hovedsakelig Auger-prosesser (trinn ίτ2). Relaksasjonen av disse lavenergielektronene skjer med utsending av synlige lysfotoner (Eph~ Eb) (trinn tr3). Lyset som blir sendt ut som følge av gammastrålens vekselvirkning med scintillasjonsmaterialet blir fanget opp (trinn tr4) av en katode i fotomultiplikatorrøret (PMT). PMT-røret konverterer signalet for hvert foton til en kaskade av elektroner, og prosessen med omdannelse av fotonet til elektroner defineres av en multiplikasjonskoeffisient β (antallet elektroner som dannes fra en enkelt fotonvekselvirkning). Hver elektronkaskade dannet av de innfangede fotonene bidrar til den elektriske ladningen Q som dannes ved PMT-anoden (trinn tr5) og detekteres i form av en elektrisk puls (trinn tr6) med den generelle formen

der λ er reduksjonskonstanten til PMT-anodens signal

som defineres av scintillasjonsmaterialets halveringstid, C og R er kapsasitans og motstand for den parallelle kretsen som er ekvivalent med fotomultiplikatorrøret,

. Pulsamplituden antas å være proporsjonal med energien hv til

den detekterte gammastrålen.

[0065] Figur 10 viser en fremstilling av disse forskjellige trinnene. Fra figur 10 kan det sees at flere fysiske prosesser er involvert i deteksjonen av gammastråler. Disse prosessene og tilhørende omdannelseskoeffisienter (a, k, I, m, osv.) avhenger av forskjellige egenskaper ved scintillasjonsmaterialet.

[0066] Trinnet angitt som "trinn tr1" defineres av detektorens effektivitet (detektorens evne til å avgi gammastråleenergien inne i scintillasjonskrystallet). Detektorens effektivitet defineres i sin tur av scintillasjonskrystallets form og scintillasjonsmaterialets stoppekraft for gammastråler

> , der σi(hv) er tverrsnittet til den tilhørende gammastrålevekselvirkningen med elektroner i i-te grunnstoffatom som danner scintillasjonsmaterialet. Som en første tilnærming antas det at tverrsnittet til den tilhørende gammastrålevekselvirkningen med elektroner i i-te grunnstoffatom er ekvivalent med atomnummeret eller antallet elektroner i atomet (σi(hv) ~ Z, som er ekvivalent med den antagelse at LY(hv) ~ p (scintillasjonsmaterialets tetthet). Det bemerkes at "stoppekraften" definerer sannsynligheten for gammastrålevekselvirkning med

materialet på veien gjennom en materialplate med tykkelse . For en plate

med tykkelse x er det mer hensiktsmessig å anvende forholdet mellom fluksene av gammastråler ved inngangen til platen linog etter platen (ved utgangen fra platen) lout

og For detektorer som har samme form, men er laget av forskjellig

scintillasjonsmateriale vil derfor scintillatoren med høyest tetthet gi høyest effektivitet. Det skal bemerkes at trinnet tr1 i scintillasjonsprosessen er statistisk av natur og at verdiene til koeffisienten α er fordelt mellom 1 og 0 i henhold til R(hv, E'), dvs. detektorens responsfunksjon.

[0067] Trinnene tr2 og tr3 defineres av scintillasjonsmaterialets lysutbytte, LY. Denne parameteren beskriver hvor mange synlige lysfotoner som blir generert som følge av gammastrålevekselvirkningen med scintillasjonsmaterialet for hver keV gammastråleenergi som avgis i scintillasjonskrystallet. Lysutbyttet LY til scintillatoren bestemmer oppløsningen av det målte spekteret som følge av den statistiske naturen til denne prosessen. Gammastrålene med energi hv blir konvertert til lysutbrudd med det gjennomsnittlige antall synlige lysfotoner i utbruddet lik nph= hv[keV] LY. Som regel er nphgaussisk fordelt med et standardavvik lik

[0068] Trinnet tr4 avhenger av detektorens optiske struktur og dens evne til å fange opp lyset ved PMT-katoden. Lysinnfangningseffektiviteten defineres av detektorens geometri, detektormaterialets lysadsorpsjonskoeffisient, refleksjonskoeffisienten til detektorens overflate og kvaliteten (adsorpsjons- og spredningsegenskapene) til den optiske kontakten mellom vinduet i PMT-røret og krystallet. I det generelle tilfellet kan den beskrives ved sannsynligheten for å fange opp en bestemt andel α av lyset ut-

sendt i lysutbruddet p(a), der 0 < α < 1 og p(a) kan finnes fra likningene

α = f\(r) og p = fY(r), der f\(r) definerer detektorens lysinnfangningsegenskaper (avhengigheten av mengden av oppfanget lys fra utbruddet i punktet r i utbruddet inne i detektoren) og fy(r)) er sannsynligheten for at lysutbruddet (gammastrålens vekselvirkning med scintillasjonsmateriale) skjer i punktet r.

[0069] Trinnet tr5 defineres av fotomultiplikatorrørets evne til å konvertere det innkommende synlige lysfotonet til kaskaden av elektroner ved PMT-anoden. Dette trinnet omfatter omdannelse av et synlig foton til fotoelektroner ved PMT-katoden og multiplisering av fotoelektronet. Omdannelsen fra foton til fotoelektron defineres av katodematerialet og dets tykkelse samt fotonenergien. Denne prosessen kjennetegnes i sin tur av fotomultiplikatorrørets kvanteeffekt Q (forholdet mellom utgående fotoelektroner og innkommende fotoner), som for typiske fotomultiplikatorer er lik ~ 0,25. Elektronmultipliseringsprosessen bestemmes av antallet dynoder og akselerasjonsspenning og kjennetegnes ved forsterkningen G (antallet elektroner ved anoden med opphav i ett fotoelektron), som er lik ~ 10<5>-10<6>.

[0070] Detektoroppløsningen (eller den relative feilen i malingen av gamma-

stråleenergien) ved gammastråleenergien hv bestemmes altså av de relative feilene i transformasjonene i trinnene tr2 - tr5, som defineres av standardavvikene til de

aktuelle prosessene. beskrives av likning (4):

der aavrepresenterer en gjennomsnittsverdi for , definert av fordelingen

p(a), Oprepresenterer standardavviket til ρ(α) og

(gjennomsnittlig antall fotoelektroner "sparket" ut av PMT-katoden av lysutbruddet)

[0071] For nesten alle moderne fotomultiplikatorrør kan bidraget til den totale

oppløsningen sees bort i fra fordi G ~ 10<5>- 10<6>og Q defineres av foto-

multiplikatorens oppbygning og er ~ 0,25 (for vanlige utførelser av fotomultiplikatorrør). hv[keV] LY defineres av de indre egenskapene til scintillasjonsmaterialet (for Nal(TI) er LY = 38; for Csl(TI) er LY = 54; for BGO er LY = 8-10; for LnBr3(Ce) er LY

= 63; for (Lu-Y)AI03(Ce) er LY ~ 12 - 16). Resten av oppløsningen utgjøres

således i alminneliget av bidraget fra p(a). For scintillasjonsdetektoren med et sylindrisk formet krystall, et fotomultiplikatorrør med en tilpasset diameter, et minimalt antall optiske grenseflater og "høykvalitets" optisk kontakt mellom fotomultiplikatorrør og krystall, er det totale bidraget fra p(a) til oppløsningen typisk i størrelsesorden fra

avhengig av krystallets høyde/bredde-

forhold og scintillatorens adsorpsjonskoeffisient for synlig lys.

[0072] Den ikke-sylindriske formen til scintillasjonskrystallet gir detektorresponsfunksjonen nye egenskaper. For eksempel kan den gjøres "kollimert" (R(E,E',0) er høyere for noen verdier av asimutvinkelen θ enn for andre). Samtidig er lysinnfangningen ved PMT-vinduet mindre optimal inne i det ikke-sylindriske volumet enn inne i det sylindriske på grunn av lysstråler som følger mer kompliserte baner. Som et resultat av dette er p(a) bredere (oper større) for krystallet med ikke-sylindrisk form.

Dette gjør at spektraloppløsningen til detektoren som anvender scintillatoren

med ikke-sylindrisk form reduseres. En annen vanskelighet forbundet med utførelsen med en ikke-sylindrisk scintillator er knyttet til dens optiske kobling med fotomultiplikatorrør som kan dannes enten ved å anvende fotomultiplikatorrør med en diameter som er større enn alle vinduer i krystallet (PMT-sirkelen dekker vinduet helt) eller ved å anvende spesiallagede optiske koblere (det transparente optiske elementet med den reflekterende kledningen kobler et fotomultiplikatorrør med liten diameter og et vindu i et krystall ved å tilveiebringe lysbanen), som også vil påvirke detektor-

. .

oppløsningen

[0073] Basert på betraktningen over kan det konkluderes at valget av form for scintillasjonskrystallet i gammastråledetektoren bør være en iterativ prosess, der følgende beregninger kan bli utført i hver iterasjon: Trinn 1 : den foreslåtte formen blir analysert med henblikk på gammastrålevekselvirkning ved hjelp av Monte Carlomodelleringsmetoder og p = fy(r) og R(E,E',θ) blir beregnet; i trinn 2 kan den foreslåtte formen, herunder fotomultiplikatorrøret optiske koblerelement, bli analysert med henblikk på lysinnfangningsegenskaper ved hjelp av Monte Carlo-basert stråle-

sporing og α = f\(r) blir beregnet; og i trinn 3 kan p(a) og bli beregnet.

[0074] Basert på de oppnådde resultatene (R(E,E',θ) og kan formen til

krystallet bli modifisert og beregninger av R(E,E',θ) og kan bli gjentatt.

[0075] Som en oppsummering er konseptuelle utførelser av scintillasjonsbaserte gammastråledetektorer med kollimert responsfunksjon basert på forskjellige kollimeringsprinsipper (strålingsskjerming, ikke-sylindrisk form på scintillatoren og bruk av detektorer med to eller flere legemer med egne deteksjonskjemaer) beskrevet her. Disse detektorene utviser varierende sensitivitet for gammastråler som kommer fra retninger med asimutvinkelverdi innenfor et smalt område. For kabelførte kjerneverktøy vil bruken av kollimerte detektorer gjøre det mulig for brukere å fjerne borehullssignal fra målte gammastrålespektre. For LWD-verktøy vil bruken av kollimerte detektorer muliggjøre avbildningsfunksjonalitet basert på deteksjon av gammastrålesignaler (generert av nøytroner, ved spredning eller ved naturlig avgivelse).

[0076] Noen definisjoner av utvalgte betegnelser omtalt her vil nå bli gitt for å lette forståelsen. Disse definisjonene er ikke ment å være begrensende eller uttømmende for bruken her, og er generelt gitt som en veiledning og for å sette ting i perspektiv. Med en "bærer" menes her generelt en hvilken som helst anordning, anordningskomponent, kombinasjon av anordninger, medium og/eller struktur som kan bli anvendt for å frakte, inneholde, støtte eller på annen måte lette bruk av en annen anordning, anordningskomponent, kombinasjon av anordninger, medium og/eller struktur. Ikke-begrensende eksempler på bærere omfatter borestrenger av kveilrørtypen, av skjøterørtypen og en hvilken som helst kombinasjon eller andel av disse. Andre eksempler på bærere omfatter fôringsrør, kabler, kabelsonder, stålvaiersonder, droppkuler, nedihullskomponenter, bunnhullsenheter, borestrenginnsatser, borestrengmoduler, indre hus og andeler av dette. Med en "informasjonsbehandlingsanordning" menes her en hvilken som helst anordning som sender ut, mottar, manipulerer, konverterer, beregner, modulerer, omdanner, bærer, lagrer eller på annen måte anvender informasjon. I flere ikke-begrensende aspekter ved oppfinnelsen omfatter en informasjonsbehandlingsanordning en datamaskin som eksekverer programmerte instruksjoner for å utføre forskjellige fremgangsmåter. "Elektromagnetisk informasjon" omfatter, men er ikke begrenset til, én eller flere eller enhver kombinasjon av analoge signaler, digitale signaler, registrerte data, datastrukturer, databaseinformasjon, parametere vedrørende utstyr og/eller miljø og/eller formasjoner på overflaten eller nede i hullet.

[0077] I støtte for idéene her kan forskjellige analysekomponenter bli anvendt, herunder et digitalt system og/eller et analogt system. Systemet/systemene kan ha komponenter så som en prosessor, lagringsmedier, minne, innmating, utmating, kommunikasjonsforbindelser (kabelbaserte, trådløse, pulset slam, optiske eller andre), brukergrensesnitt, programvare og fastvareprogrammer, signalprosessorer (digitale eller analoge) og andre slike komponenter (så som resistorer, kondensatorer, induktorer og annet) for å muliggjøre bruk av og analyse med anordningene og fremgangsmåtene vist her på en hvilken som helst av flere mulige måter velkjent for fagmannen. Det anses at disse idéene kan, men ikke trenger å bli realisert i forbindelse med et sett av datamaskin-eksekverbare instruksjoner lagret på et datamaskinlesbart medium, herunder minne (ROM, RAM), optiske (CD-ROM) eller magnetiske (platelagre, harddisker) eller hvilke som helst andre typer medier, som når de blir eksekvert bevirker en datamaskin til å utføre fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse. Disse instruksjonene kan sørge for aktivering av utstyr, styring, innsamling og analyse av data og andre funksjoner som anses som relevante av en utvikler, eier eller bruker av systemet eller annet slikt personale, i tillegg til funksjonene beskrevet her.

[0078] Fagmannen vil se at de forskjellige komponenter eller teknologier kan muliggjøre bestemte nødvendige eller nyttige funksjoner eller trekk. Disse funksjonene og trekkene, som kan være nødvendige i støtte for de vedføyde kravene og variasjoner av disse, skal således forstås som naturlig omfattet som en del av idéene her og en del av den viste oppfinnelsen.

[0079] Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet med støtte i eksempler på utførelser, vil fagmannen forstå at forskjellige endringer kan gjøres og at ekvivalenter kan bli anvendt i stedet for elementer i disse uten å fjerne seg fra oppfinnelsens ramme definert av de vedføyde kravene. Videre vil mange modifikasjoner sees av fagmannen for å tilpasse et gitt instrument, scenario eller materiale til oppfinnelsen uten å fjerne seg fra dennes ramme definert av de vedføyde kravene. Det er derfor ikke meningen at oppfinnelsen skal begrenses til den konkrete utførelsesformen beskrevet her som den forventet beste måte å realisere denne oppfinnelsen, men at oppfinnelsen skal omfatte alle utførelsesformer som faller innenfor rammen definert av de vedføyde kravene.

Claims (13)

PATENTKRAV

1. Strålingsdetektor (30) for utføring av målinger nede i et brønnhull (1), omfattende:

et fleratll av strålingsscintillatorer (31), der minst én strålingsscintillator (31) i flertallet omfatter en form som har en tykkelse som varierer med asimut for å tilveiebringe asimutsensitivitet i forhold til brønnhullet (1) for deteksjon av stråling nedihulls, hvor hver scintillator (31) i flertallet omfatter en optisk kobling til en respektiv fotodetektor (33) som mottar et pulssignal på grunn av deteksjon av en gammastråle i den respektive scintillatoren (31); og

en prosessor som er konfigurert til å motta pulssignaler fra hver respektiv fotodetektor (33) og til å tilveiebringe antikoinsidenstelling som utelukker redundante pulssignaler som er mottatt på grunn av at den samme gammastråle er detektert i to eller flere scintillatorer (31) i flertallet.

2. Strålingsdetektor ifølge krav 1, der formen er en ikke-sylindrisk form.

3. Strålingsdetektor ifølge krav 1, videre omfattende en strålingsskjerm (36) som er anordnet rundt i hvert fall en del av flertallet av strålingsscintillatorer (31).

4. Strålingsdetektor ifølge krav 1, der en respons fra en scintillator (31) i flertallet er betydelig høyere for stråling utsendt i en formasjon (3) i en retning av interesse enn for stråling utsendt i eller omkring brønnhullet (1).

5. Strålingsdetektor ifølge krav 1, der tykkelsen til den minst ene scintillatoren (31) i flertallet, Wc, og en strålingsskjerm (36), Wsh, er valgt i henhold til en asimutvinkel, θ.

6. Strålingsdetektor ifølge krav 1, der hver scintillator (31) i flertallet er atskilt av et reflekterende materiale (81) som er anordnet mellom scintillatorene.

7. Strålingsdetektor ifølge krav 1, der formen til hver scintillator (31) er bestemt i henhold til en Monte Carlo-modelleringsmetode.

8. Fremgangsmåte for å tilvirke en strålingsdetektor (30) for å utføre en måling nede i et brønnhull (1), der fremgangsmåten omfatter trinn med å:

velge et strålingsscintillatormateriale for utforming som en strålingsdetektor (30) som har et fletall av strålingsscintillatorer (31);

bestemme en optimal form for hver strålingsscintillator (31) i flertallet som er konfigurert til å tilveiebringe asimutsensitivitet i forhold til brønnhullet (1) for deteksjon av stråling nedihulls;

utforme materialet til den optimale formen for hver scintillator (31) i flertallet for å tilveiebringe asimutsensitiviteten i forhold til brønnhullet (1) for deteksjon av stråling nedihulls;

optisk koble hver scintillator (31) i flertallet til en respektiv fotodetektor (33) som mottar et pulssignal på grunn av deteksjon av en gammastråle i den respektive scintillatoren (31); og

koble en prosessor til hver respektiv fotodetektor (33), der prosessoren er konfigurert til å tilveiebringe antikoinsidenstelling som utelukker redundante pulssignaler som er mottatt på grunn av at den samme gammastråle blir detektert i to eller flere scintillatorer (31) i flertallet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, der materialet som velges omfatter minst én av natriumjodid (NaI), lantanbromid (LaBr3), cesiumjodid (CsI), vismut-germinat (BGO), et organisk krystall, et uorganisk krystall og en kombinasjon av hvilke som helst av de ovennevnte.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, videre omfattende trinnet med å bestemme formen i henhold til minst én av en dempningskoeffisient for materialet, en stoppekraft for materialet, en energi i stråling av interesse og geometrien til et nedihullsinstrument (10) tilpasset for å bære strålingsdetektoren (30).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, videre omfattende trinnet med å anordne et reflekterende materiale (81) mellom materialet og et annet strålingsscintillatormateriale.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8, der den respektive fotodetektoren (33) omfatter én av: et fotomultiplikatorrør og en fotodiode.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 8, videre omfattende trinnet med å anordne en avskjerming (36) rundt i hvert fall en del av strålingsdetektoren (30).