專利名稱：具有半導(dǎo)體中子檢測(cè)池的中子孔隙度測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題的實(shí)施例通常涉及用于油氣工業(yè)的中子孔隙度測(cè)量裝置，更具體地，涉及這樣的裝置，其包括布置成允許以方位角范圍來聚集數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)個(gè)半導(dǎo)體中子檢測(cè)池(detection cell)以及實(shí)現(xiàn)通過考慮不同配置評(píng)估孔隙度。
背景技術(shù)：
在油氣工業(yè)中，測(cè)井(或鉆孔測(cè)井)是用于關(guān)于鉆孔所穿透的地質(zhì)層組的地理性質(zhì)作出的詳細(xì)記錄的術(shù)語。該記錄包括多種結(jié)果和有時(shí)使用降入到井中的工具執(zhí)行的復(fù)雜測(cè)量或帶到表面的樣本。特別感興趣的是所述層組的流體含量和滲透性、孔隙度的測(cè)量。
孔隙度是在可能含有油和氣的巖石內(nèi)發(fā)現(xiàn)的流體填滿的空間的比例，以及是油和氣可能含量的指示符。配置成提供孔隙度測(cè)量的測(cè)井工具可采用多種技術(shù)(例如，聲波的和核磁共振)，但使用中子是最頻繁使用的方法。所述測(cè)井工具可能必須在高達(dá)175°C以及有時(shí)甚至更高的溫度來操作。圖I是使用中子源10和兩個(gè)檢測(cè)器(“近”中子檢測(cè)器20和“遠(yuǎn)”中子檢測(cè)器30)執(zhí)行的常規(guī)井下(down-hole)孔隙度測(cè)量設(shè)置的軸向截面，“近”中子檢測(cè)器20和“遠(yuǎn)”中子檢測(cè)器30離中子源10不同距離來定位。所述中子源10和中子檢測(cè)器20和30通常被封裝在機(jī)殼40中。所述機(jī)殼40被降入到穿透地質(zhì)層組60的鉆孔50中。中子源10發(fā)射的中子中的一些朝向所述層組60、釋放能量(即，被“熱化”)以及由于與所述層組60中的原子核相互作用或碰撞，被偏轉(zhuǎn)朝向所述中子檢測(cè)器20和30。檢測(cè)器20和30檢測(cè)偏轉(zhuǎn)朝向檢測(cè)器的具有較低能量(熱能)的中子的一些(取決于每個(gè)檢測(cè)器的效率)。兩個(gè)檢測(cè)器20和30中的計(jì)數(shù)率的比(即，檢測(cè)的中子數(shù)量/時(shí)間)與所述層組60的孔隙度是直接有關(guān)的。中子和原子核的相互作用(即，核反應(yīng))的可能性能夠通過相互作用(即，反應(yīng))的截面來被描述。檢測(cè)器的效率是與在中子進(jìn)入檢測(cè)器的容積(volume)時(shí)發(fā)生的相互作用的可能性成比例的?；跓嶂凶优c三個(gè)原子核(氦(3He)、鋰(6Li)或硼(kiB))中的一個(gè)一起被俘獲(即，相互作用/反應(yīng))的大的可能性(即，截面)來建造中子檢測(cè)器。其它粒
子(諸如，α粒子(24 )和質(zhì)子(Ip ))由所述熱中子與這些元素的反應(yīng)產(chǎn)生?？捎?jì)算量
的能量(Q)被發(fā)射作為中子俘獲反應(yīng)的結(jié)果。該發(fā)射的能量可以是作為結(jié)果的粒子或伽馬射線的動(dòng)能。所述能量通過電離被耗散，也就是，電子和正電性粒子的對(duì)的形成。這些對(duì)能夠例如在電場(chǎng)中被收集，以及因此，生成可辨認(rèn)為中子俘獲反應(yīng)的簽名的信號(hào)。發(fā)射的能量越大，則簽名信號(hào)的振幅越大。除作為目標(biāo)的中子之外，一些其它粒子(例如伽馬射線)可以跨越檢測(cè)器并且同時(shí)被檢測(cè)。良好的檢測(cè)器應(yīng)該展示如下特性其將允許在熱中子的俘獲和可能發(fā)生的其它非作為目標(biāo)的核反應(yīng)之間的辨別。為了促進(jìn)中子俘獲反應(yīng)和伽馬射線之間的辨別，中子俘獲反應(yīng)中發(fā)射的能量(Q)應(yīng)該盡可能高。表I中示出用于中子檢測(cè)的三種最常見的中子俘獲反應(yīng)
表I
權(quán)利要求
1.一種中子孔隙度測(cè)量裝置(300、400)，包括 中子源(340)，其配置成發(fā)射具有第一能量的中子； 分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器(330、200)，其包括配置成檢測(cè)具有比所述第一能量小的第二能量的中子的多個(gè)半導(dǎo)體中子檢測(cè)池(210、410、100)，所述池在離所述中子源(340)的第一距離和第二距離之間以共面子集(R1-R8)來布置， 其中，所述中子檢測(cè)池(210、410、100)中的一個(gè)或更多配置成獨(dú)立于所述中子檢測(cè)池中的一個(gè)或更多其它池來采集與檢測(cè)的中子有關(guān)的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求I所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池中的每個(gè)包括 半導(dǎo)體襯底，其摻雜以形成pn結(jié),并具有形成從第一表面延伸到所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi) 的中子反應(yīng)材料的微結(jié)構(gòu)；以及 電極，其中的一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體襯底的所述第一表面相接觸而其中的另一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體襯底的第二表面相接觸，所述第二表面與所述第一表面相對(duì)，所述電極配置成當(dāng)中子在所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)被俘獲時(shí)發(fā)生采集電信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述微結(jié)構(gòu)是所述中子反應(yīng)材料的溝或柱。
4.如權(quán)利要求2所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述中子反應(yīng)材料包括kiB或6Li。
5.如權(quán)利要求2所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，從所述第一表面到所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)的中子反應(yīng)材料的所述微結(jié)構(gòu)的厚度在50 μ m到200 μ m之間。
6.如權(quán)利要求2所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述半導(dǎo)體襯底是碳化硅。
7.如權(quán)利要求2所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池中的每個(gè)還包括 電子器件，其配置成處理和計(jì)數(shù)接收自所述電極的所述電信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池和所述電子器件配置成在高達(dá)250°C的溫度下操作。
9.如權(quán)利要求7所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述電子器件配置成將電位差提供到相應(yīng)的半導(dǎo)體中子檢測(cè)池的所述電極。
10.如權(quán)利要求I所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，還包括 處理單元，其配置成在對(duì)所有所述池相同的時(shí)間間隔期間、基于在所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池中檢測(cè)的中子數(shù)量來評(píng)估所述裝置外部的層組的孔隙度值。
11.如權(quán)利要求10所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述處理單元基于第一半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池中檢測(cè)的中子數(shù)量的第一總和與第二半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池中檢測(cè)的中子數(shù)量的第二總和的至少一個(gè)比來評(píng)估所述孔隙度值，所述第二半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池比所述第一半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池離所述中子源更遠(yuǎn)地定位。
12.如權(quán)利要求10所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述處理單元還配置成在離所述中子源的相同距離處、通過比較具有不同位置的池中檢測(cè)的中子數(shù)量來對(duì)未從所述層組被反沖的所述池中檢測(cè)的中子進(jìn)行校正。
13.如權(quán)利要求10所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，還包括 存儲(chǔ)器，其配置成存儲(chǔ)接收自所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池和所述處理單元的數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求10所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述處理單元配置成將接收自所述中子檢測(cè)池的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程裝置。
15.如權(quán)利要求I所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中 所述中子源和所述分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器沿著軸被布置；以及 所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池在離所述中子源的不同距離的行集合中相對(duì)于所述軸被對(duì)稱地布置，相同行中的池在離所述中子源的相同距離處。
16.如權(quán)利要求I所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，還包括 機(jī)殼，其封裝所述中子源和所述分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器。
17.如權(quán)利要求16所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述機(jī)殼具有配置成接納可移除中子化學(xué)源或永久中子發(fā)生器裝置的腔。
18.如權(quán)利要求I所述的中子孔隙度測(cè)量裝置，其中，所述中子孔隙度測(cè)量裝置配置成當(dāng)鉆井時(shí)被使用以及具有穿過所述中子孔隙度測(cè)量裝置中的泥漿通道，所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池在鄰接所述泥漿通道的內(nèi)壁和外壁之間成圓形地布置。
19.一種中子孔隙度測(cè)量工具(300、400)，包括 中子源(340)，其配置成發(fā)射具有第一能量的中子； 分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器(330、200)，其包括配置成檢測(cè)具有比所述第一能量小的第二能量的中子的多個(gè)半導(dǎo)體中子檢測(cè)池(210、410、100)，所述池在離所述中子源(340)的第一距離和第二距離之間以共面子集(R1-R8)來布置，以及所述中子檢測(cè)池(210、410、100)中的一個(gè)或更多配置成獨(dú)立于所述中子檢測(cè)的池中的一個(gè)或更多其它池來采集與檢測(cè)的中子有關(guān)的數(shù)據(jù)，所述池中的每個(gè)包括 半導(dǎo)體襯底(120)，其摻雜形成pn結(jié)，并具有形成從第一表面延伸到所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)的中子反應(yīng)材料的微結(jié)構(gòu)(110)； 電極(130、140)，其中的一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體襯底的所述第一表面相接觸，而其中的另一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體襯底的第二表面相接觸，所述第二表面與所述第一表面相對(duì)，所述電極配置成當(dāng)中子在所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)被俘獲時(shí)發(fā)生采集電信號(hào)；以及電子器件(150)，其配置成處理和計(jì)數(shù)接收自所述電極的所述電信號(hào)；以及處理單元(380)，其連接到所述分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器以及配置成在對(duì)所有所述池相同的時(shí)間間隔期間、基于在所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池中檢測(cè)的中子數(shù)量來評(píng)估孔隙度值。
20.一種制造中子孔隙度測(cè)量裝置的方法(500)，包括 將中子源(340)和分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器(200、330)安裝(S510)到機(jī)殼(350)之內(nèi)，所述中子源(340)配置成發(fā)射具有第一能量的中子，所述分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器(200、330)包括配置成檢測(cè)具有比所述第一能量小的第二能量的中子的多個(gè)半導(dǎo)體中子檢測(cè)池(210、.410、100)，所述池在離所述中子源(340)的第一距離和第二距離之間以共面子集(R1-R8)來布置；以及 將所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)池(210、410、100)連接(S520)到處理單元(380)，所述處理單元(380)配置成在對(duì)所有所述池相同的時(shí)間間隔期間、基于在所述半導(dǎo)體中子檢測(cè)器池(210,410,100)中檢測(cè)的中子數(shù)量來評(píng)估孔隙度值，其中，所述池中的每個(gè)包括 半導(dǎo)體襯底(120)，其摻雜成形成pn結(jié)，并具有形成從第一表面延伸到所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)的中子反應(yīng)材料的微結(jié)構(gòu)；電極(130、140)，其中的一個(gè)電極與所述半導(dǎo)體襯底的所述第一表面相接觸，以及其中的另一個(gè)電極 與所述半導(dǎo)體襯底的第二表面相接觸，所述第二表面與所述第一表面相對(duì)，所述電極配置成當(dāng)中子在所述半導(dǎo)體襯底之內(nèi)被俘獲時(shí)發(fā)生采集電信號(hào)；以及電子器件(150)，其配置成處理和計(jì)數(shù)接收自所述電極的所述電信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“具有半導(dǎo)體中子檢測(cè)池的中子孔隙度測(cè)量裝置和方法”。一種中子孔隙度測(cè)量裝置，包括中子源，配置成發(fā)射具有第一能量的中子；以及分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器，其離所述中子源一預(yù)定距離來定位。所述分段的半導(dǎo)體檢測(cè)器包括配置成檢測(cè)具有比所述第一能量小的第二能量的中子的多個(gè)半導(dǎo)體中子檢測(cè)池。所述池在離所述中子源的第一距離和第二距離之間以共面子集來布置。所述中子檢測(cè)池中的一個(gè)或更多配置成獨(dú)立于所述中子檢測(cè)池中的一個(gè)或更多其它池來采集與檢測(cè)的中子有關(guān)的數(shù)據(jù)。還提供了制造該中子孔隙度測(cè)量裝置的方法。
文檔編號(hào)E21B47/00GK102966343SQ20121043319
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者H·C·克利門, J·麥欽尼斯 申請(qǐng)人:桑德克斯有線有限公司