专利名称：不使用放射性化学同位素的可控井下产生离子辐射的设备和方法
不使用放射性化学同位素的可控井下产生离子辐射的设备
和方法描述了一种用于可控井下产生离子辐射的设备，更具体地，其特征在于该设备包括至少一个热离子发射器，该至少一个热离子发射器被布置在电绝缘真空容器的第一端部；以及轻子靶(target)，该轻子靶被布置在电绝缘真空容器的第二端部；热离子发射器连接到一系列串联连接的负电势增加元件，所述电势增加元件中的每一个被布置为通过转换施加的驱动电压来增加施加的直流电势，并且将增加的负直流电势以及所述驱动电压传输到所述一系列串联连接的元件中的下一个单元，并且离子辐射超过200keV，该离子辐射的能谱分布的主要部分位于康普顿范围内。在对于井下材料组成的井眼测井和数据获取中，现在广泛使用放射性同位素。利用现有技术，不能够使用能够产生代替在井眼的测井操作等中使用的传统放射性同位素的发射的能量所需的光子能量的非放射性系统，也就是说，不能使用具有大于200keV的X射线/伽马辐射并且被布置为在具有小于4" (IOlmm)的直径的外壳内的设备。如今，容纳测井设备的外壳的典型的最大直径处于35/8" (92mm)或者更小的量级。同位素的发射速率以及强度与其放射性半衰期相关。为了减少记录在统计上可靠的检测到的次级光子的量所需要的时间，同位素必须具有相应短的半衰期，尽可能地使用更大量的材料来增加输出。这导致成本和安全性上难以平衡；测井操作的时间越长，与设施相关的成本(诸如钻井机时间)和/或生产的损耗越高；并且测井操作的时间越短，与所使用的同位素相关的风险越大，并且当处理同位素时，必须采用更加更广泛的安全预防措施。本发明的目的在于补偿或者减少现有技术中的至少一个缺陷，并且至少提供对于现有技术的有用的替代。通过在以下的描述和其后的权利要求书中描述的技术特征实现该目的。在密集测井、钻井时的测井、钻井时的测量期间以及井操作的测井期间，在不使用高放射性化学同位素的情况下在井眼等中“根据需要”产生X射线/伽马辐射形式的高能量辐射的能力在石油和天然气工业中将是非常有利的。在下文中，将使用术语“轻子”。轻子来源于希腊语λ ε π τ ν其意指“小”或者 “薄”。在物理学中，如果粒子具有1/2自旋，并且不经历色能(colour power)，则该粒子是轻子。轻子形成基本粒子的族。已知12种类型的轻子，其中3种是物质粒子(电子、μ子和tau轻子)，三种中微子，以及它们相应的6种反粒子。所有已知的带电轻子具有单个负电荷或者单个正电荷(取决于其是粒子还是反粒子)并且所有中微子和反中微子是电中性的。通常，同一类型的轻子的数量(电子和电子中微子；μ子和μ中微子；tau子和tau中微子)在粒子相互作用时仍保持相同。这已知为轻子数守恒。在石油和天然气工业中与放射性同位素相关联的当前控制、后勤、处理和安全措施需要高成本，并且不需要使用放射性化学同位素而是可以“根据需要”产生等效辐射的系统将消除与处理同位素相关的很多控制和后勤成本。作为由于引入了反恐预防使得对高放射性化学同位素的储存、使用和移动施加更加全面的控制的结果，与工业中日常使用的数千种同位素材料相关的安全和后勤的成本极大地增加。本发明提供一种设备和方法，其使得能够通过在相反极化的高电势的两个电极之间加速轻子，利用辐射输出产生具有康普顿范围内的能谱分量的X射线/伽马辐射，其中每个电极通过电势增加级系统而被维持在可控电势处，所述级被布置为允许在具有小于 4" (IOlmm)的截面大小的电接地的并且优选地为筒状的外壳中产生和控制非常高的电压 (高于100000V)。因此，系统的输出比发射伽马的同位素的输出大很多倍，这导致了在测井操作期间测量满意量的数据所需的时间的显著减�。沟谜迨奔湎暮统杀径嫉玫郊跣�。系统没有使用高放射性同位素，从而消除了与放射性同位素相关的控制、处理和安全例程的需要。所述设备设置有被布置为在不使用诸如钴60或者铯137的高放射性化学同位素的情况下在钻井环境中在需要时产生离子辐射的组件。所述设备包括以下主要组件·�？榛低常糜谠诰哂邢喽孕〉闹本兜慕拥氐挠叛∥沧吹耐饪侵胁涂刂聘叩缡疲龈叩缡瓢ㄕ缡坪透旱缡�。 用于保持高电势和地之间电分离的系统，该系统包括场控制几何结构、加压气体电绝缘材料和爬电抑制支撑几何结构。·使用由偶极子电势形成的电场来朝向轻子靶加速轻子的系统。·靶和轻子流几何结构，该结构使得以围绕设备的纵向轴旋转对称的径向发射方式产生离子辐射。本发明更具体地涉及一种用于可控井下产生离子辐射的设备，其特征在于，该设备包括至少一热离子发射器，该至少一热离子发射器被布置在电绝缘真空容器的第一端部中，以及轻子靶，该轻子靶被布置在电绝缘真空容器的第二端部中；该热离子发射器连接到一系列串联连接的负电势增加元件，所述电势增加元件中的每一个被布置为通过转换施加的驱动电压增加施加的直流电势，并且将增加的负直流电势以及驱动电压传输到所述一系列串联连接的元件中的下一个单元，并且离子辐射超过200keV，并且该离子辐射的能谱分布的主要部分位于康普顿范围内。真空容器可以是真空管。这极大地减小了真空容器的发射阻力。轻子靶可以形成为旋转对称形状。这改善了从所述设备向外的所有方向上的辐射分布。轻子靶可以形成为锥形。其优点在于热离子发射的随机散射将导致所述设备的整个周围均勻分布的辐射。轻子靶可以基本上由从钨、钽、铪、钛、钼、铜以及呈现出大于55的原子数的元素的非放射性同位素组成的组中选取的材料、合金或者合成物来提供。这实现了辐射能谱的有利部分中更高程度的输出。轻子靶可以连接到一系列串联连接的正电势增加元件，所述电势增加元件中的每
4一个被布置为通过转换施加的高频驱动电压增加施加的直流电势，并且将增加的正直流电势以及所述交流电压传输到所述一系列串联连接的元件中的下一个单元。这改善了对电压场几何结构的控制。驱动电压可以是具有高于60Hz的频率的交流电压。由此，能够在对于电流承载组件的较低容量要求的情况下生成给定的能量。可以布置能谱硬化滤波器以从产生的离子辐射中消除部分低能量辐射。由此，滤波从辐射输出中移除噪声。能谱硬化滤波器可以由从铜、铑、锆、银和铝构成的组中选取的材料、合金或者合成物来形成。可以由此生成想要的能谱区域内的辐射。在轻子靶处，可以布置束屏蔽部，该束屏蔽部具有被布置为生成定向控制辐射的一个或者多个孔。由此，可以根据需要对辐射进行定向控制。所述设备可以包括外壳，该外壳被布置为被利用气体形式的电绝缘物质来加压。 这减小了发火花和电闪络的风险。电绝缘物质可以是六氟化硫。六氟化硫具有良好的绝缘性质。外壳可以呈现出不超过101mnK4〃)的截面大小。设备由此良好地适用于所有井下测井环境。每个电势增加元件可以包括被布置为将与其自身的输入电势相等的输入电势施加到下一个电势增加元件的装置。在下文中，将描述在附图中示出的优选实施方式的示例，在附图中
图1示出了穿过根据本发明的设备的第一双极性示例性实施方式的纵向截面，热离子发射器和轻子靶被连接到各系列电势增加元件，并且图1示出了显示在增加元件系列中的每个级的电势的曲线图；图2中的a)示出了铯137化学同位素的典型发射能谱；图2中的b)示出了当-350000V的电流电势施加到热离子发射器并且+350000V 的电流电势施加到轻子靶时，根据本发明的设备的典型输出；图2中的C)示出了与图2中的b)中相同的结果，但是使用了纯铜的能谱滤波器；图2中的d)示出了由铜、铑和锆组成的合成物制成的能谱滤波器的效果；图3以比图1更大的比例尺示出了根据本发明的各种设备的一种变型例的纵向截面的截面图，具有生成定向控制的辐射的孔的束屏蔽部被布置在轻子靶周围；图4示出了穿过根据本发明的设备的第二单极性示例性实施方式的纵向截面，其中，热离子发射器连接到一系列电势增加元件，并且在接地的真空容器中，在从接地的锥形轻子靶的径向方向上生成离子辐射；图5示出了穿过根据本发明的设备的第三单极性示例性实施方式的纵向截面，其中，热离子发射器连接到一系列电势增加元件，并且在接地的真空容器中，在远离轻子靶的轴向方向上生成离子辐射。在附图中，附图标记1指示流体密封的筒状外壳，其具有不超过4" (IOlmm)的外直径。外壳1围绕纵向轴旋转对称，并且被布置为电接地。外壳1优选地被布置为利用气体形式的电绝缘物质15来加压，该电绝缘物质15在一个实施方式中为六氟化硫。热离子发射器6、轻子靶被布置在通过形成管7c的封闭端部的两个电绝缘帽7a、7b提供的筒状真空容器9中，所述管7c电连接到包封外壳1，所述容器9由此形成电接地支撑结构以及电场
聚焦菅。在优选实施方式中，在用于在测井操作期间辅助数据获取的设备中不包括检测器系统，但是如果需要，则诸如基于碘化钠或者碘化铯的检测器系统的屏蔽光子检测器或者其他类型的检测器可以放置在筒状真空容器9的外周围，所述筒状真空容器9被放置在接地的筒状外壳1的外部直径内，而没有对检测器的电子系统产生高电势场影响。在优选实施方式中，利用离子发射器11来产生轻子8，但是也可以使用射频和冷阴极方法。通过在此示出的两个或者更多负电势增加元件IU即四个负电势增加元件 H1-Hn)的串联连接系统，热离子发射器11保温，并且保持在相对于接地外壳1的高负电势。提供串联连接系统内的第一电势增加的初始增加元件H1通过电控制部2来供电，该电控制部2被馈送有从远程电源(未示出)提供的通常在300到400V之间的直流电流或者交流电流。控制部2输出高于60Hz (优选高达65kHz或者更高)的频率的驱动交流电压Vac， 并且负电势增加元件H1-H4被配置为每个级内的变压器线圈的系统用于相对于包围外壳 1的接地电势增加交流电流的负电势SV1, δν1+2, δν1+2+3, δν1+2+3+4，使得所述一系列负电势增加元件H1-H4逐步将电势增加到超过-100000V的整体电平。通过由具有高介电电阻和良好热导性的材料或者材料的复合物制成的旋转对称支撑结构3，将每个负电势增加元件^厂丨^居中布置并支撑在电接地外壳1内。在优选实施方式中，使用聚醚醚酮(polyacryletheretherketone)和氮化硼的混合物，但是也可以使用具有高介电电阻的任何材料。旋转对称支撑结构3被配置为，使得电能需要沿着支撑结构3的表面或者通过支撑结构3的材料从负电势增加元件H1-H4覆盖到接地的包围外壳1的距离比在负电势增加元件H1-H4和外壳1之间的物理径向距离大很多，从而抑制了具有较大的电压差的导体之间的闪络或者火花。为了确保负电势增加元件H1-H4的表面上的电势的分布保持连续，以便于防止可能导致火花或者闪络的可能的干扰，筒状场控制器4被布置在每个负电势增加元件H1-H4的外部，以确保在负电势增加元件H1-H4的整个轴向范围上，每个负电势增加元件H1-H4与包封外壳1之间的径向电势保持恒定，由此形成朝向地的均勻�。还芴囟ǖ母旱缡圃黾釉﨟1-H4的电势δ V1, δνι+2, δ V1+2+3, δ V1+2+3+4如何。替代使用仅一个单级负电势增加元件，使用多级负电势增加元件H1-H4确保了在级的各端之间的总电势能够减少到每级最小可控电势(参见图1中的电势差曲线)， 以便于确保各级内的组件之间或者组件上的电势差不会因在电路中通常使用的短距离而导致火花或者闪络。来自电控制部2的输出功率可以增加或者减小，由此控制负电势增加元件H1-H4 的输出的大小。但是使得在系统中的各级可以包括用于增加提供的总电势的装置的任何结构都可以在本发明的范围内。例如，可以在这样的系统中使用基于二极管/基于电容器的电压乘法器或者半波串行乘法器或者格莱纳赫/维拉德系统。 热离子发射器驱动器5对高电势交流电流进行整流，以向热离子发射器11递送整流后的高电压电流。由此提供了用于驱动热离子发射器11并且将热离子发射器11保持在超过-100000V的电势差的电流。因为在串联连接的负电势增加元件H1-H4的系统的每个级中，交流电压的差保持不变，所以仅直流电流分量变化。
在优选实施方式中，每个变压器线圈将被布置为相对于主绕组的1 1比率的第三绕组被电感地耦合，使得任何级的组件故障都不会导致串联连接的系统上的高电势的输出故障，因为通过下一个负电势增加元件14承载交流电流分量，而与直流电压电平是否提
筒无关。热离子发射器驱动器5能够由来自负电势增加元件H1-H4的输出的整流后的交流电流分量来供电。热离子发射器驱动器5和负电控制驱动器加以无线的方式来进行通信，以确保负电势增加元件H1-H4的输出能够被整流，同时不需要在两个驱动器加、5之间的仪器布线。在优选实施方式中，使用无线电通信，其中天线被布置在热离子发射器驱动器 5上和负电控制驱动器加上，但是也可以借助于直线视线通过在所述一系列负电势增加元件H1-H4中的光学窗口和孔的对准来使用激光。类似地，布置其功能与负电势增加元件H1-H4类似的正电势增加元件H1-H4的串联连接的系统。这些正电势增加元件口^口‘被布置为使得输出经由轻子靶驱动器16连接到轻子靶6，从而每个级逐步增加电势，以从正电势增加元件H1-H4的串联连接的系统的输出提供高正电势SV1+2+3+4。轻子靶驱动器16对来自正电势增加元件输出的正交流电流进行整流，以将轻子靶6保持在超过+100000V的电势差。轻子靶驱动器16和正电控制驱动器2b以无线的方式来进行通信，以确保正电势增加元件17厂174的输出能够被整流，而不需要在两个驱动器2b、16之间的仪器布线。在优选实施方式中，使用无线电通信，其中天线被布置在轻子靶驱动器16上和正电控制驱动器 2b上，但是也可以借助于直线视线通过在所述一系列正电势增加元件H1-H4中的光学窗口和孔的对准来使用激光。在由热离子发射器11的高负电势和轻子靶6的高正电势生成的强偶极子电场内加速的轻子8不衰减地以流的形式通过容器9的真空10，并且以高速度与轻子靶6碰撞。 在与轻子靶6碰撞时，因为动能的突然损失，使得通过在热离子发射器11和轻子靶6之间生成的电场中的加速而增大的轻子8的动能被释放为离子辐射12。由于轻子靶6保持其高正电势，因此通过正电势增加元件17，轻子8被朝向正控制驱动器2b电输送远离轻子靶6。在优选实施方式中，轻子靶6是由钨形成的锥结构，但是可以使用钨、钽、铪、钛、 钼和铜的合金和合成物，以及呈现出高原子数(高于5 的元素的任何非放射性同位素。轻子靶6也可以形成为任何旋转对称的形状，诸如筒状或者圆形双曲面，或者呈现旋转对称的任何变化。轻子8在热离子发射器11和轻子靶6之间传输时发散的本性趋势导致在轻子靶 6上的轻子8的碰撞区域中形成围绕锥体的顶点的环形场。一部分由轻子靶6遮挡的产生的初级离子辐射12通常以类似扁球面的分布散射。效果是离子辐射12在围绕设备的纵向轴旋转对称的所有方向上行进，由此同时照射所有的周围基板或者井眼结构。离子辐射12 的最大输出能量与热离子发射器11和轻子靶6之间的电势差成正比。如果热离子发射器 11呈现出-331000V的电势，并且与具有-331000V的电势的轻子靶6耦合，这将导致在热离子发射器11和轻子靶6之间的662000V的电势差，这将导致处于662000eV的量级的输出离子辐射12的峰值能量，该能量对应于在地质密度测井操作中通常使用的铯137的初级输出能量。通过在几何结构和功能上类似于旋转对称支撑结构4的不导电的热导体结构13， 通过轻子8和轻子靶6的相互作用产生的热能被传导到电接地的包封外壳1，但是在优选实施方式中，以更高体积百分比的方式来使用氮化硼以提供更高效率的热传导。可以有意地或者因为级故障而使得热离子发射器11和轻子靶6的电势独立地变化。在热离子发射器11和轻子靶6之间的整体电势差继续为两个电势的和。在最优选的实施方式中，利用如在此描述的双极性来配置设备，但是所述设备也可以在单极性模式中工作，其中，通过连接到包封筒状外壳1，轻子靶6具有电接地电势，并且轻子靶6具有如下配置其可以输出基本上定向在设备的轴向方向或者径向方向上的辐射，如图4和5中所示。为了更好地模拟通常与化学同位素相关的输出能谱，可以使用包封轻子靶6的径向输出的筒状能谱硬化滤波器18(参见图幻。在优选实施方式中，使用铜和铑的能谱硬化滤波器18，但是也可以使用对离子辐射进行滤波的诸如铜、铑、锆、银和铝的任何材料或者其合成物。能谱硬化滤波器18具有移除低能量辐射和与轻子靶6的辐射输出相关的特征能谱的效果，这朝向更高的光子能量增加整个发射能谱的平均能量，参见图的曲线图。 也可以使用若干滤波器18的组合。在优选实施方式中，能谱硬化滤波器18被布置为其能够进入或者离开辐射，由此实现可变的能谱滤波。也可以使用固定的滤波器或者若干滤波器固定组合。在需要获得来自轻子靶6的定向受控发射的情况下，可以在轻子靶6的输出周围布置具有一个或者多个孔的可旋转或者固定筒状束屏蔽部20，这导致定向受控辐射19 (参见图3)。该设备和方法提供与施加到系统的电势相关的离子辐射。因此，系统的输出比使用同位素实现的输出大很多倍，导致显著地减小了在测井操作期间对适量数据进行测井所需要的时间，这减少了时间消耗和成本。因为系统的输入电势可以变化，这导致可以相应地增加或者减小初级辐射的能量，因此同一系统能够仅通过将施加的能量调整到辐射的特定需求来替代每个均具有特定输出光子能量的多种的化学同位素。由于在设备中提供并控制产生离子辐射所需的高电压，因此�？榛缡颇芰吭黾酉低呈迪至私偷缪沟缌魈峁┑骄壑械纳璞�。例如，系统没有使用诸如钴60和铯137的放射性化学同位素，并且这消除了当处理放射性同位素时与控制、后勤、环境措施和安全措施相关的所有缺点。此外，井眼技术需要将放射性化学同位素放置在底孔(bottom-hole)组件的部分中，使得在在钻孔操作期间底孔组件丢失的情况下能够尽可能容易地从钻柱取回同位素。 为此，同位素可能需要被放置在钻柱连接到底孔组件的地方并且距离钻头最多50米。不包含放射性物质的并且因此可以被抛弃的设备不需要在考虑取回的情况下进行放置。因此， 辐射发射装置，并且因此检测系统可以被放置为更加靠近钻头，以便于来自井眼的更实时的反馈。辐射源的变型例还可以呈现如下的优点，其能够在不必从井眼移除来进行调整的情况下以不同的能量级别进行多个测井操作，这使得操作员能够在较短的时间中获取更大量的数据。
权利要求
1.一种用于可控井下产生超过200keV的离子辐射(1 的设备，所述离子辐射的能谱分布的主要部分处于康普顿范围内，其特征在于，所述设备包括至少一热离子发射器(11)，该至少一热离子发射器(11)被布置在电绝缘真空容器(9) 的第一端部(7a)中，以及轻子靶(6)，该轻子靶(6)被布置在所述电绝缘真空容器(9)的第二端部(7b)中；所述热离子发射器(11)连接到一系列串联连接的负电势增加元件(HpH2U^Ul),并且所述电势增加元件(HpH2UlH4)中的每一个被布置为通过转换施加的驱动电压 (Vac)来增加施加的直流电势(δ V0, δ V1, δ V1+2, . . .，δ V1+2+3)，并且将增加的负直流电势 (δ V1, δ V1+2, . . .，δ V1+2+3+4)以及所述驱动电压(Vac)传输到在所述一系列串联连接的元件中的下一个单元。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述真空容器(9)是真空管。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轻子靶(6)形成为旋转对称的形状。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述轻子靶(6)形成为锥形状。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轻子靶(6)基本上由从钨、钽、铪、钛、 钼、铜以及呈现出大于55的原子数的元素的任何非放射性同位素组成的组中选取的材料、 合金或者合成物来提供。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述轻子靶(6)连接到一系列串联连接的正电势增加元件(17^17^17^17^，并且所述电势增加元件(17^17^17^17^中的每一个被布置为通过转换高频驱动电压 (Vac)来增加施加的直流电势(δ V0, δ V1, δ V1+2, . . .，δ V1+2+3)，并且将增加的正直流电势 (δ V1, δνι+2，...，δ V1+2+3+4)以及所述驱动电压(Vac)传输到所述一系列串联连接的元件 (17^17^17^17^16)中的下一个单元。
7.根据权利要求1或者6所述的设备，其特征在于，所述驱动电压(VA。)是具有高于 60Hz的频率的高频交流电流。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，布置有能谱硬化滤波器(18)以从产生的离子辐射(12)中消除部分低能量辐射。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，能谱硬化滤波器(18)由从铜、铑、锆、银和铝构成的组中选取的材料、合金或者合成物来形成。
10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述轻子靶(6)处布置有束屏蔽部 (20)，该束屏蔽部00)具有被布置为生成定向控制辐射(10)的一个或者多个孔。
11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括外壳(1)，该外壳(1)被布置为利用气体形式的电绝缘物质(1 来对该外壳(1)进行加压。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述电绝缘物质(1 是六氟化硫。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述外壳(1)呈现出不超过 10 W4")的截面大小。
14.根据权利要求1或者6所述的设备，其特征在于，各电势增加元件(HpHyHy 144 ； 172、173、174)包括被布置为将与其自身的输入电势相等的输入电势施加到下一个电势增加元件(14^14^14^144 :17^17^17^174)的装置。
全文摘要
一种用于可控井下产生离子辐射(12)的设备，该设备包括被布置在电绝缘真空容器(9)的第一端部(7a)中的至少一热离子发射器(11)，以及被布置在电绝缘真空容器(9)的第二端部(7b)中的轻子靶(6)；热离子发射器(11)被连接到一系列串联连接的负电势增加元件(141、142、143、144)，所述电势增加元件(141、142、143、144)中的每一个被布置为通过转换施加的驱动电压(VAC)来增加施加的直流电势(δV0，δV1，δV1+2，...，δV1+2+3)，并且将增加的负直流电势(δV1，δV1+2，...，δV1+2+3+4)以及驱动电压(VAC)传输到一系列串联连接的元件(141、142、143、144、5)中的下一个单元，并且离子辐射(12)超过200keV且其能谱分布的主要部分处于康普顿范围内。
文档编号G01V5/12GK102597812SQ201080047569
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月23日
发明者菲尔·蒂格 申请人:拉滕特公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
