СКВАЖИННЫЙ ГАММА-ДЕТЕКТОР
DOWNHOLE GAMMA DETECTOR

Изобретение относится к устройствам для регистрации ионизирующих излучений, в частности гамма-излучения, применяемым при проведении геофизических исследований скважин. Устройство предназначено для определения положения бурового инструмента относительно кровли и подошвы разбуриваемого пласта и может быть использовано в скважинных приборах телеметрических систем.
Гамма-детекторы в общем случае содержат сцинтилляционный кристалл, улавливающий радиоактивное излучение из окружающей среды и преобразующий его в световое излучение, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преобразующий световые импульсы в электрические, которые передаются в измерительную систему.
Эксплуатация скважинных гамма-детекторов протекает в условиях высоких температур (до 120°) при значительных ударных и вибрационных нагрузках. Существующие системы амортизации ударов и виброизоляции обычно состоят из защитного колпака из эластичного или вспененного материала, надетого на детектор и амортизирующих элементов, установленных по торцам детектора или/и вдоль его оси.
В патенте США №4158773, МПК G01T 1/20, приоритет 29.07.1977 для защиты сцинтилляционного кристалла от механических воздействий используют рукав из эластичного материала, отформованного с многочисленными выступами. С торца кристалла установлена эластичная амортизирующая прокладка.
В патенте США №8217356, МПК G01T 1/202, приоритет 10.07.2012 для защиты от внешнего воздействия используют волновые пружины, установленные по оси кристалла.
Прототипом выбран детектор гамма-каротажа по патенту США №5753919, МПК G01T 1/20, G01V 5/06, приоритет 19.05.1998. Детектор включает в себя сцинтилляционный кристалл, ФЭУ и делитель напряжения. От действия вибрации элементы детектора защищены двумя кожухами - первым из полиэфирэфиркетона (РЕЕК), вторым из силиконового каучука - и металлической втулкой. Вся сборка герметично установлена во внешний корпус. Кожух из РЕЕК и металлическая втулка имеют продольные прорези, обеспечивающие компенсацию термических расширений в радиальном направлении. Для защиты от вибрационных и ударных нагрузок и компенсации тепловых деформаций в продольном направлении по торцам сборки в корпусе установлены пружины.
При монтаже датчика соединяют кристалл и ФЭУ оптическим интерфейсом, затем присоединяют делитель напряжения. Полученную сборку вставляют в кожух из РЕЕК, затем в кожух из силиконового каучука, затем во втулку из нержавеющей стали и устанавливают на пружинах во внешний корпус.
Недостатком конструкции является неоптимальное использование объема детектора (соотношение радиальных размеров кристалла и корпуса). Значительная часть объема корпуса отводится под демпфирующие и компенсирующие элементы. При этом занижается диаметр кристалла, увеличивается соотношение длина-диаметр и уменьшается эффективность светосбора, максимум которого достигается при равенстве длины и диаметра кристалла. Последующая установка многослойной сборки в корпус при неосторожном обращении может привести к нарушению связи между ФЭУ и кристаллом. Использование пружин для компенсации тепловых изменений в продольном направлении создает возможность перемещений элементов системы относительно корпуса, что снижает механическую прочность детектора.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности детектора и его стойкости к механическим воздействиям в широком температурном интервале.
Решение поставленной задачи достигнуто тем, что корпус скважинного гамма-детектора, содержащего сцинтилляционный кристалл, ФЭУ и делитель напряжения, выполнен из материала, коэффициент теплового расширения которого обеспечивает превышение величины удлинения корпуса по сравнению с суммарным удлинением кристалла и ФЭУ при нагревании. Компенсатор термических колебаний выполнен в виде втулки из материала, коэффициент теплового расширения которого меньше, чем у материала корпуса. Кристалл и ФЭУ совместно установлены в корпус, а оставшееся свободное пространство корпуса заполнено полимерным материалом, залитым под вакуумом с последующей полимеризацией. На наружной поверхности ФЭУ и кристалла установлены центрирующие накладки, формирующие не менее двух центрирующих поясков на каждом элементе сборки и расположенные таким образом, чтобы обеспечить свободное прохождение заливочной массы.
На чертеже представлена конструкция скважинного гамма-детектора.
Скважинный гамма-детектор включает сцинтилляционный кристалл 1, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 2 и делитель напряжения 3, установленные в корпусе 4.
Определяющим фактором при выборе материала корпуса 4 являются его тепловые свойства. Коэффициент теплового расширения материала должен быть таким, чтобы при нагревании удлинение корпуса 4 превышало суммарное удлинение кристалла 1 и ФЭУ 2.
вт
Для компенсации разности величин удлинения корпуса и суммарного удлинения кристалла и ФЭУ в корпусе установлена втулка 5, выполненная из материала, имеющего коэффициент теплового расширения меньший, чем у материала корпуса. Длина втулки l рассчитывается по формуле
кор
где ΔL - удлинение корпуса при нагревании до заданной температуры
кр
ΔL - удлинение кристалла при нагревании до заданной температуры
ФЭУ
ΔL - удлинение ФЭУ при нагревании до заданной температуры
вт
α - коэффициент теплового расширения материала втулки
кор
где l - длина корпуса
кор
α - коэффициент теплового расширения материала корпуса
кр
l - длина кристалла
кр
α - коэффициент теплового расширения кристалла
кр
l - длина ФЭУ
кр
α - коэффициент теплового расширения ФЭУ.
Торец кристалла упирается в установочную шайбу 6. Часть корпуса, в которой установлены кристалл и ФЭУ, герметизирована прокладками 7, 8 и уплотнительными кольцами 9. На наружной поверхности ФЭА и кристалла установлены центрирующие накладки 10, формирующие не менее двух центрирующих поясков на каждом элементе сборки и расположенные таким образом, чтобы обеспечить свободное прохождение заливочной массы. Кристалл и ФЭУ совместно установлены в корпус. Оставшееся в корпусе свободное пространство заполнено полимерным материалом 11.
Сборку скважинного гамма-детектора проводят в следующей последовательности.
Подготавливают корпус детектора. Для этого внутри него устанавливают шайбу 6 и технологические втулки для проведения операции вакуумного заполнения корпуса полимерным материалом (одну вместо прокладки 7 и компенсирующей втулки 5, другую на место прокладки 8). Соединяют ФЭУ 2 и делитель напряжения 3. Поверхность кристалла матируют, например, окисью алюминия и оборачивают фторопластовой лентой для создания светоотражающего слоя. К наружной поверхности ФЭУ и кристалла приклеивают центрирующие накладки 10 для установки в корпус. Размеры и расположение накладок подбирают таким образом, чтобы перекрытие поперечного сечения было минимальным для обеспечения свободного прохождения заливочной массы. Сцинтилляционный кристалл 1 и ФЭУ 2 соединяют между собой механически и оптически с помощью иммерсионного оптического геля. Помещают сборку кристалл-ФЭУ в корпус 4 до упора торца кристалла в установочную шайбу 6. Устанавливают детектор на стенд, вакуумируют внутреннюю полость и заполняют ее полимерным материалом 11. Проводят полимеризацию заливочной массы. Извлекают технологические втулки, устанавливают прокладки 7, 8 с уплотнительными кольцами 9 и компенсирующую втулку 5.
Примером конкретного исполнения может служить гамма-детектор в корпусе 4 из алюминиевого сплава, внутренняя полость которого заполнена прозрачным анаэробным силиконовым компаундом 11, с компенсирующей втулкой 5 из титанового сплава.
Использование компенсирующей втулки обеспечивает постоянство усилия осевого сжатия кристалла и ФЭУ во всем интервале рабочих температур, а также придает жесткость всей системе, исключает подвижность, имеющуюся в случае использования пружин.
При совместной установке ФЭУ и кристалла в корпус и заполнении всех пустот корпуса заливкой под вакуумом полимерного материала с последующей его полимеризацией образуется монолитная конструкция, исключающая возможность перемещений при вибрации. В результате обеспечивается сохранность оптического контакта ФЭУ-кристалл и повышается механическая прочность детектора в целом.
Заливка под вакуумом обеспечивает гарантированное заполнение всех пустот корпуса полимерным материалом и позволяет минимизировать толщину слоя между элементами детектора и корпусом. Благодаря этому увеличен диаметр кристалла и обеспечено повышение чувствительности прибора.
Увеличение диаметра кристалла позволяет уменьшить его длину, сохранив объем детектирующего вещества, что повышает механическую прочность кристалла.
Разработанная конструкция позволяет повысить чувствительность детектора и его стойкость к механическим воздействиям в широком температурном интервале.