用于测井应用的纳米结构的中子灵敏材料的制作方法

文档序号:9872338阅读:450来源:国知局
用于测井应用的纳米结构的中子灵敏材料的制作方法
【专利说明】用于测井应用的纳米结构的中子灵敏材料
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年9月13日提交的美国申请第14/026506号的权益,该申请通过 引用以其全部内容并入本文中。
【背景技术】
[0003] 地质地层被用于多种目的,诸如烃生产、地热生产和二氧化碳隔离。通常,地层被 表征以确定该地层是否适用于其预期使用的目的。
[0004]表征地层的一种方法是将井下工具运送通过穿透地层的钻孔。该工具被配置成在 钻孔中于各个深度处执行地层的一种或多种性质的测量以建立测量测井。
[0005] 多种类型的测井可被用于表征地层。在被称为中子测井的一种测井类型中,中子 源和中子探测器被设置在井下工具中。中子源被用来照射地层,并且用中子探测器探测产 生自与地层原子的相互作用的中子。从探测到的中子可确定地层性质,诸如密度或孔隙度。 可以理解的是,提高中子探测器的灵敏度可提高地层表征的准确度。

【发明内容】

[0006] 本发明公开了一种用于估计被钻孔穿透的地层的性质的装置。所述装置包括:载 体,其配置为被运送通过钻孔;中子源,其设置于载体上并且配置为用中子照射地层;中子 探测器,其设置于载体上并包括中子探测材料,所述中子探测材料包括透光材料,其具有多 个纳米微晶,其中多个纳米微晶中的每个纳米微晶具有直径或尺寸小于1000 nm的周期性晶 体结构,并包括中子相互作用材料的原子和激活体材料的原子,所述中子相互作用材料的 原子通过吸收所接收的中子而发射带电粒子,所述激活体材料的原子通过与带电粒子相互 作用而提供闪烁以发射光子,其中中子相互作用材料的原子以及激活体材料的原子的位置 在多个纳米微晶中的每个纳米微晶的周期性晶体结构中;光电探测器,其光耦合至中子探 测材料,并且配置为探测从闪烁中发射出的光子并提供与所探测到的光子相关的信号;以 及处理器,其配置为使用所述信号来估计性质。
[0007] 本发明还公开了一种用于估计被钻孔穿透的地层的性质的方法。该方法包括:运 送载体通过钻孔;用中子源发射的中子照射地层;使用中子探测器接收中子,所述中子由发 射的中子与地层相互作用而产生,所述中子探测器包括中子探测材料,所述中子探测材料 包括透光材料,其具有多个纳米微晶,其中多个纳米微晶中的每个纳米微晶都具有直径或 尺寸小于1000 nm的周期性晶体结构,并包括中子相互作用材料的原子和激活体材料的原 子,中子相互作用材料的原子通过吸收所接收的中子发射带电粒子,激活体材料的原子通 过与带电粒子相互作用提供闪烁发射光子,其中中子相互作用材料的原子和激活体材料的 原子的位置在多个纳米微晶中的每个纳米微晶的周期性晶体结构中;使用光电探测器接收 由闪烁发射的光子以产生信号;以及使用接收信号的处理器来估计性质。
[0008] 本发明进一步公开了一种用于制造用于估计被钻孔穿透的地层的性质的装置的 方法。所述方法包括:将中子源设置在载体上,所述中子源配置为用中子照射地层,所述载 体配置为被运送通过钻孔;将中子探测器设置在载体上,所述中子探测器包括中子探测材 料,所述中子探测材料包括透光材料,其具有多个纳米微晶,其中多个纳米微晶中的每个纳 米微晶具有直径或尺寸小于1000 nm的周期性晶体结构,并包括中子相互作用材料的原子和 激活体材料的原子,中子相互作用材料的原子通过吸收所接收的中子发射带电粒子,激活 体材料的原子通过与带电粒子相互作用提供闪烁发射光子,其中中子相互作用材料的原子 和激活体材料的原子的位置在多个纳米微晶中的每个纳米微晶的周期性晶体结构中;将光 探测器设置在载体上,所述光探测器光耦合至中子探测材料,并且配置为探测从闪烁发射 的光子并提供与所探测到的光子相关的信号;以及将处理器耦合至光探测器,所述处理器 配置为接收信号并使用该信号来估计性质。具有多个纳米微晶的中子探测器材料可采用以 下方法制造,该方法包括:将透光材料、中子相互作用材料,以及激活体材料混合在一起形 成混合物;以及对混合物进行热处理工艺,所述热处理工艺包括多个具有相应温度曲线的 时间间隔。
【附图说明】
[0009]以下描述无论如何都不应视作限制性的。参照附图,相同的元件编号相同:
[0010]图1示出了设置在穿透地层的钻孔中的井下中子工具的示例性实施例;
[0011] 图2描绘了设置在井下中子工具处的闪烁探测器的方面;
[0012] 图3描绘了 3H和4He核子的平均路径长度与介质的原子数的相关性的各方面;
[0013] 图4描绘了在含有Ce3+闪烁离子的晶粒材料中的闪烁过程发展的各方面;
[0014] 图5描绘了纳米微晶中子探测器材料的示意性结构的各方面;
[0015] 图6描述了在温度处理之前在玻璃中测量的室温发光和发光激发光谱的各方面;
[0016] 图7描述了在温度处理之后在玻璃中测量的室温发光和发光激发光谱的各方面;
[0017] 图8描述了用于合成玻璃陶瓷的温度程序的各方面;
[0018] 图9是用于评估地层性质的方法的流程图;以及
[0019] 图10是用于制造用于估计被钻孔穿透的地层的性质的装置的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明公开了用于探测的井下工具中的中子的装置和方法,其具有提高的灵敏 度,并且因此准确度提高。在一个或多个实施例中,在中子油井测井操作期间探测的中子被 用于使用本领域已知的处理技术来估计地层的性质,诸如密度或孔隙率。
[0021] 参照附图,在此通过举例而非限制的方式提供所公开装置和方法的一个或多个实 施例的详细说明。
[0022] 图1示出了设置在穿透了地表3的钻孔2中的井下中子工具10的示例性实施例,地 表3包括地层4。地层4表示任何目标下层物质。井下工具10由载体4运送通过钻孔2。在图1的 实施例中,载体14为钻柱5。钻头6设置在钻柱5的远端。钻机7被配置成进行钻井操作,诸如 旋转钻柱5并从而旋转钻头6以钻入钻孔2。当钻孔2被钻探时或在被称为随钻测井(LWD)的 应用的钻探中的临时停止期间,中子工具10被配置成执行地层测量。在被称为电缆测井的 备选测井应用中,载体14为铠装钢丝绳,其被配置为将中子工具10运送通过钻孔2。
[0023] 仍参照图1,井下中子工具10包括中子源8,中子源8被配置成以中子通量照射地层 4。在一个或多个实施例中,中子源8包括化学中子源。中子工具10还包括中子探测器9,中子 探测器9被配置成探测因中子通量与地层4中原子的相互作用所产生的中子。由探测从相互 作用中产生的中子看出,如本领域技术人员所知的,可以采用来自中子探测器的输出信号 来测定一种或多种性质,诸如密度或孔隙率。
[0024] 仍参照图1,中子探测器9被耦合至井下电子仪器11。井下电子仪器11被配置成操 作井下工具10、处理来自地层测量的数据、和/或提供界面用于经由遥测系统将数据传输至 地面计算机处理系统12。在一个或多个实施例中,井下电子仪器11可向中子探测器9提供操 作电压并测量或计算从中子探测中产生的电流脉冲。处理功能,诸如计算所探测的中子或 测定地层性质,可以通过井下电子仪器11或地面计算机处理系统12执行。
[0025] 现在可以参照图2,其描述了中子探测器9的方面。中子探测器9是用于将所探测的 中子转换为电压或电流的脉冲(其可以由电子仪器诸如井下电子仪器11记录)的装置。这种 转换包括两个阶段。在第一阶段,所探测的中子被吸附在中子相互作用材料20中,一旦吸附 中子,该中子相互作用材料20便发射带电粒子。在第二阶段,由带电粒子携带的能量被转换 成电流/电压脉冲。在一个或多个实施例中,当中子与中子相互作用材料中的6Li同位素的 原子核相互作用以发射带电粒子时,中子探测过程的第一阶段可以利用以下核子反应:
[0026] n+6Li^3H(2.75MeV)+4He(2.05MeV) ; σ = 520b
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