本发明涉及一种在石油钻井工程中用于伽马/方位伽马/伽马成像仪器标定和测试装置。
背景技术：
岩石中含有天然的放射性核素，钻井行业所用到的自然伽马随钻测量(naturalgammaraylog)，是用伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方法。
传统的随钻或电缆伽马测井仪器往往是利用刻度井或刻度器来实现伽马计数率与伽马api单位之间的刻度。发表于1985年spwla上的“anewmeasurement-while-drillinggammaraylogcalibrator”、1988年spwla的“apipitcalibrationofmwdgammaraytools”以及2011年universityofhouston大学发布的“uh(api)nuclearloggingcalibrationfacility“等文献分别揭示了几种伽马刻度装置和刻度方法，发表于1999年石油仪器第13卷4期的“自然伽马测井刻度的论述”也详细讨论了刻度的物理原理和刻度方法，对伽马刻度提出了具体的实施步骤和操作措施。
然而，上述文献有如下缺陷，第一，只专注于对伽马仪器进行api单位刻度，未提及伽马扇区或井周方向上的方位响应，更没有提及对伽马仪器的方位响应进行刻度。第二，伽马刻度井实施严格苛刻，制作成本高昂，不利于推广应用。第三，刻度井井眼尺寸较小，其内径小于5英寸，而大多数mwd/lwd伽马工具的外径尺寸为6英寸至12英寸，无法满足随钻伽马的标定和测量。
为了实现多扇区方位伽马测量或方位伽马成像，与之相对应的伽马/方位伽马/伽马成像仪器刻度和测试装置及测试方法等都是必须的。
发表于《steroids》,2002，题为“design,calibration,characterization,andfieldexperienceofnewhigh-temperature,azimuthal,andspectralgammaraylogging-while-drillingtools“公布了一种高温方位能谱随钻伽马测井工具的设计，标定，特性和现场实验，揭示了高温方位能谱随钻伽马测井工具与常规电缆伽马工具的异同，尤其指明了用常规休斯顿大学的一级api刻度井进行lwd工具刻度的局限性与不适性。该文献为了克服api刻度的局限性，特意设计了两种刻度标准，一种标准针对外径为4.75英寸的伽马仪器，另一种标准针对外径为6.75英寸的伽马仪器，而未提及其他外径尺寸的仪器，这种利用刻度系数进行校正的方法只能看作是当外径尺寸变化不大时的一种折衷，不能彻底解决各种仪器尺寸的影响。另外，该文献仅是利用api刻度装置，未提及对其有任何改进。
上述文献主要涉及自然伽马仪器的放射性强度刻度，实际上，由于随钻测井仪器中的晶体大小受到严格制约，当划分为多个方位扇区进行测量时，每一个扇区的伽马计数较低，能够测量到的涨落误差较大，致使整体测量精度降低。发表于2009年的spe118328，题为”anewazimuthalgammaatbitimagingtoolforgeosteeringthinreservoirs”公示了一种用于伽马实验室测试的花岗岩地层以及用于测量的花岗岩源，但是没有提到伽马仪器的测试方法，也未提及该测试装置的具体尺寸和具体的使用步骤。另外，halliburton,weatherfordandschlumberger等公司也多有提到采用点放射源来模拟不同方位的放射性地层，虽然可以较好的显示仪器方位响应，但是放射源的使用受到环保部门的严格管控，同时，不同伽马仪器结构不同，径向尺寸差别大，受放射源的放射位置、放射强度，介质等因素影响，用同一个点源测量所有的伽马仪器显然是不现实的。
综上所述，随着伽马工具种类增多，方位成像难度加深，早期的刻度装置越来越不适应现代随钻伽马仪器的标定和刻度，对于测试方法简单、应用面广，测量快速准确的装置的需求增大。
技术实现要素：
本发明的伽马标定和测试装置为了克服上述一个或多个不足或缺陷，设计了定点扇区放置高放射性地层，从而实现对该扇区的方位伽马测井响应的测试。
本发明的技术方案包括：
一种伽马标定和测试装置，包括：用于支撑伽马钻铤或伽马仪器的支撑坐架；支撑坐架为环空结构，内部轴心向上固定有伽马钻挺支撑轴，支撑坐架外围带有环状支架，环状支架上部放置测试骨架；测试骨架为轴向通孔的环状结构，测试骨架的通孔与伽马钻铤或伽马仪器构成套装间隙配合；测试骨架沿轴向通孔向外划分有2的整数倍数个扇区，扇区内用于存放岩性填充单元，测试骨架的顶面设置刻度对焦码盘，刻度对焦码盘上设有与每个扇区对应的连续数字标记，在刻度对焦码盘上部的伽马钻铤或伽马仪器上固定有与单一扇区对应的对焦指针；所述刻度对焦码盘为一个光扫描装置，与待测伽马钻铤或伽马仪器的零线同轴或同步。
所述伽马钻挺支撑轴与支撑坐架通过轴承构成旋转配合。
伽马钻挺支撑轴与驱动电机联动驱动。
伽马钻挺支撑轴与驱动电机通过齿轮啮合组件联动驱动。
所述一个岩性填充单元至少为一种单一岩性，其材质为自然界存在的岩石，包括页岩或砂岩，用于生成具有特定岩性特征的地层。
所述岩性填充单元为具有一定弧度的弧环柱形结构，且具有一定厚度。
所述岩性填充单元具有不同尺寸，且具有组合能力，即几种不同尺寸的岩性填充单元可组合使用。
将所述具有某个岩性的填充单元放入骨架扇区1位置，将其余骨架扇区2-32位置装入具有不同岩性特征的岩性填充单元，使整个测试装置只在扇区1位置具有特定岩性，而在其余扇区位置具有另外一种岩性。
所述测试骨架划分为32个扇区，所述扇区顺时针或逆时针标为1，2，3…,32，并具有包括刻度线、色标及同步线标志。
相比较在用的各种伽马标定和测试装置，在实验室生成含有特定岩性特征的地层具有下列实用意义：首先，装置结构简单操作性好，方便方位伽马或成像伽马工具的标定和测试，提供稳定可靠的实验数据，其次，装置灵活可调节，利用其方位响应灵敏性，解耦计算井周每个扇区地层对于仪器响应的贡献。其三适用于不同尺寸和规格的方位伽马或成像伽马工具标定和测试，数据采集用于分析比较，便于刻度。
通过采用本发明所述的测试装置，不但能够实时提供具有一定放射特征的模拟地层，用于伽马仪器测试，还能够提供准确的伽马取样，用于伽马仪器标定。
附图说明
图1示出了根据本发明优选实施例的伽马标定和测试装置平面图；
图2a-c分别示出了几种根据本发明的伽马标定和测试骨架结构及组成；
图3a-b分别示出了两种根据本发明优选实施例的伽马标定和测试装置扇区分配及刻度读取装置；
图4示出了根据本发明优选实施例的伽马标定和测试装置装配组成；
图5示出了根据本发明优选实施例的伽马标定和测试装置下随钻方位伽马解耦刻度方法。
图中：1是岩性填充单元，2是测试骨架，3是伽马钻挺，4是刻度对焦码盘，5是刻度对焦码盘对焦指针，6是伽马钻挺支撑轴，7是齿轮啮合组件，8是驱动电机，9是支撑坐架，11是光电刻度对焦码盘，10是方位伽马定位，12是单个1/16扇区，13是光电刻度对焦码盘内壁，14是伽马钻铤外间隙，15是支撑轴齿轮。
具体实施方式
下面结合优选实施例和说明书附图对本发明作进一步描述。
图1示出了根据本发明优选实施例的一种伽马标定和测试装置，其包括测试骨架2、多个岩性填充单元1、伽马钻挺3、光电刻度对焦码盘4、刻度对焦码盘对焦指针5、伽马钻挺支撑轴6、齿轮啮合组件7、驱动电机8、支撑坐架9及相应固定件。
如图1中所示，伽马测试骨架2优选为不锈钢或不锈钢槽钢焊接制成，也可为不锈钢条或不锈钢板焊接，也可不焊接而用铜螺丝固定。本专利不限定一种金属材质，其余与岩性填充单元材质相差较大的材料如木质或聚酯也可选用。伽马测试骨架2内面有卡槽（图中未示出），用于嵌置各种不同的岩性填充单元。
在图1所示出的优选实施例中，伽马测试骨架2按圆周均匀分为32个分区，顺时针编为1、2、3……32个扇区。伽马测试骨架2也可设置为16、8、4个分区，或64个及以上分区。
如图1及图2所示，岩性填充单元1为具有特定岩性特征的岩石样快，有不同规格，其尺寸范围为3～12英寸，其厚度在3～8英寸，高度在20～100英寸。
在图1所示出的优选实施例中，刻度对焦码盘4沿圆周被均匀分为32个分区，为了易于区分，不同的分区会被涂以不同颜色。刻度对焦码盘4固定在伽马测试骨架2上，且每个刻度分区与伽马测试骨架2的分区数目一致且对齐。刻度对焦码盘4与伽马测试骨架2类似，也可根据需要制成16、8、4个分区，或64个及以上分区。
如图1及图4所示，刻度对焦码盘对焦指针5安装在伽马钻挺3的外壁，且与伽马钻挺仪器轴线垂直。在本实施例中，刻度对焦码盘对焦指针5的安装角度被优选地（但不仅限于）设置为11.25゜。
如图1及图3a所示，伽马刻度对焦码盘4、刻度对焦码盘对焦指针5和光电刻度读取器（图中未示出）构成伽马信号采集。
如图1及图4所示，伽马钻挺支撑轴6垂直固定安装在伽马测试支撑坐架9上，使用时，将要测试的伽马仪器套在钻挺支撑轴6上。
如图1及图4所示，齿轮啮合组件7、驱动电机8、钻挺支撑轴6、支撑坐架9及相应固定件完成伽马仪器转动。其中，齿轮啮合组件7的一个齿轮安装在伽马钻挺外壁，另一个齿轮安装在驱动电机轴上。驱动电机8优选为步进电机，其步距角优选为（但不仅限于）11.25゜。
如图2a～c所示了一种伽马标定和测试装置中，示例性（但不仅限于）展示了其岩性填充单元1在伽马测试骨架2中的几种不同的安装形式，其中优选实施例为8个扇区分区的伽马测试骨架。图2a左图所示两个岩性填充单元（其一标示为1，另一个未标出）相邻安装在伽马测试骨架2中，该安装形式可完成4扇区的伽马测试。图2a右图所示四个岩性填充单元（其一标示为1，其余未标出）间隔安装在伽马测试骨架2中，该安装形式可完成组合地层测试及伽马测试补偿或修定。图2b所示的岩性填充单元1相邻安装在伽马测试骨架1中，与图2a相比，图2b所示的岩性填充单元较薄，且安装在伽马测试骨架2的最外壁，该图2b所示的伽马测试骨架2为两层组装形式，内层骨架可拆卸（图中未标出），此种安装结构可实现大直径伽马仪器测试，相邻安装的岩性填充单元可用作较小分区的伽马测试。图2c中所示的伽马测试骨架2中分别安装了两个岩性填充单元，称作内岩性填充单元和外岩性填充单元，内岩性填充单元和外岩性填充单元联用作为小直径伽马仪器测试，单独安装外岩性填充单元则变为图2b所示，作为大直径伽马仪器测试，与前述图3中其他a-b中的安装模式一致，若相邻两个或多个扇区安装组合岩性填充单元1，作为小扇区分区例如4或2扇区的伽马仪器测试。
优选地，根据本发明的伽马标定和测试装置，所采用的光电刻度对焦系统为32个扇区分区。
下面，将结合附图来详细描述根据本发明的测井装置所采用的光电刻度读码系统及伽马测试方法。
如图3a所示，该图为一个16扇区分区的光电刻度对焦系统示例，包括一个光电刻度对焦码盘11、单个1/16扇区12、光电刻度对焦码盘内壁13、刻度对焦码盘对焦指针5、方位伽马定位10、伽马钻挺3、伽马钻挺支撑轴6及一个光电刻度读取器（图中未示出）。光电刻度对焦码盘11的每个1/16扇区12之下对应一个同样16扇区分区的一个岩性填充单元（图中未示出），光电刻度对焦码盘内壁13与岩性填充单元的内壁对齐。
将待测伽马仪器（即伽马钻铤3）固定在钻挺支撑轴6上，伽马钻铤3的外壁与光电刻度对焦码盘11之间有间隙14，通常不做具体要求，在不产生摩擦情况下，尽量减小。
调整伽马仪器方位10，使定位装置的销子刚好落在伽马钻挺支撑轴6与伽马对焦指针5所构成的夹角内，且居中，伽马对焦指针5的两条长针与光电刻度对焦码盘11的一个扇区的两边重合。
初始测试时，通常将伽马对焦指针5的两条长针与光电刻度对焦码盘11的初始扇区的两边重合。
如图3b所示，该图为一个32扇区分区的光电刻度对焦系统进行测试时的实例，包括一个光电刻度对焦码盘4、对焦指针5、伽马钻挺3、齿轮啮合组件7和钻挺支撑坐架9。齿轮啮合组件7中的支撑轴齿轮15带动伽马仪器转动到光电刻度对焦码盘4的第8个扇区测量。
如图4所示，该图为一个32扇区分区的伽马标定和测试装置装配示例，其组成包括：一个伽马测试骨架2、16个内置填充单元1、一个光电刻度对焦码盘4、一个伽马钻挺支撑轴6、固定在伽马钻挺外壁上的一付对焦指针5、一套齿轮啮合组件7、一个驱动电机8和一个钻挺支撑坐架9。
仪器标定时，将待测伽马仪器固定在图4所示的钻挺支撑坐架上，依次固定伽马测试骨架，按要求置入内置填充单元，调整伽马仪器驱动装置使步进速度和步长满足测试要求，调节光电刻度对焦码盘使伽马仪器的零线、测量线、标定线处于初始测量位置，开始测量并记录数据。
参照图5，利用本发明优选实施例的伽马标定和测试装置下随钻方位伽马解耦刻度方法。具体步骤为：建立一种简单高效的具有1/32扇区高放射性、剩余扇区为低放射性的地层模型，利用其方位响应灵敏性，解耦计算井周每个扇区地层对于仪器响应的贡献。该标定装置和测试方法能够更加精确描述仪器的响应区域及特征，且结构简单，测量快速，具有可实施性。