JP2724178B2 - Nuclear magnetic logging - Google Patents

Nuclear magnetic logging

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JP2724178B2
JP2724178B2 JP63278485A JP27848588A JP2724178B2 JP 2724178 B2 JP2724178 B2 JP 2724178B2 JP 63278485 A JP63278485 A JP 63278485A JP 27848588 A JP27848588 A JP 27848588A JP 2724178 B2 JP2724178 B2 JP 2724178B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/18Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
    • G01V3/32Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with electron or nuclear magnetic resonance

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は鑿井において使用される装置、特に地中鑿井
で使用される核磁気検層装置に係る。
The present invention relates to an apparatus used in a well, particularly to a nuclear magnetic logging apparatus used in an underground well.

地層中の残留油の飽和率及び浸透率を測定するための
最も正確で使用し易い鑿井検層装置は核磁気ロガー(NM
L)である。この検層器においては、ソレノイドコイル
から生成された磁場を利用し検層器に隣接の地層に内蔵
された流体中の陽子を分極させる。次にソレノイドコイ
ルをオフに切り替える。このとき、ソレノイドコイルの
磁場の影響を受けた可動陽子は夫々のラーモア周波数で
地磁場の周囲で歳差運動を行なう。この歳差運動が、検
層器の別の検出コイルに誘導された減衰正弦電圧として
測定される。誘導電圧は典型的には20〜50ミリ秒のオー
ダで急速に減衰する。その理由は、これらの流体のスピ
ン−スピンまたは横方向(transverse)緩和時間T2*が
極めて短いためである。
The most accurate and easy-to-use well logging device for measuring saturation and permeability of residual oil in the formation is the Nuclear Magnetic Logger (NM
L). In this logging device, a magnetic field generated from a solenoid coil is used to polarize protons in a fluid contained in a formation adjacent to the logging device. Next, the solenoid coil is turned off. At this time, the movable protons affected by the magnetic field of the solenoid coil precess around the geomagnetic field at each Larmor frequency. This precession is measured as a damped sinusoidal voltage induced in another sensing coil of the logging instrument. The induced voltage decays rapidly, typically on the order of 20-50 milliseconds. The reason is that these fluids spin - spin or transverse direction (Transverse) relaxation time T 2 * is for extremely short.

核磁気信号の初期振幅は、検層器に隣接の地層中の
「遊離流体」、即ち産出性流体に比例する。掘削泥水に
Mn−EDTAを添加して地層に導入すると、検層器に隣接の
地層中のいかなる油相からも残留核磁気信号だけが得ら
れる。従って、NMLのログ−インゼクト−ログ(log−in
ject−log)手順によって、地層中の残留油飽和率の極
めて正確な測定値が得られる。
The initial amplitude of the nuclear magnetic signal is proportional to the "free fluid", or productive fluid, in the formation adjacent to the well. Drilling mud
When Mn-EDTA is added and introduced into the formation, only the residual nuclear magnetic signal is obtained from any oil phase in the formation adjacent to the well. Therefore, NML log-inject-log (log-in
The ject-log) procedure provides a very accurate measurement of residual oil saturation in the formation.

地層中の流体のスピン−格子時間即ち長手方向(long
itudinal)緩和時間T1は、流体が侵入した気孔の(1種
類以上の)サイズ(及び気孔の分布)に関連する。これ
らの気孔のサイズ及び分布を毛細管圧力曲線に関連さ
せ、この曲線を公知の方法で地層の浸透率と関連させ
る。
Spin-lattice time of the fluid in the formation
Itudinal) relaxation time T 1 is associated with (one or more) pore size of the fluid has invaded (and pore distribution). The size and distribution of these pores is related to a capillary pressure curve, which in a known manner is related to the permeability of the formation.

NMLは、順次延長された分極時間で分極サイクルを反
復することによってT1を測定する方法である。T1は正弦
減衰時間T2*よりもはるかに長いので、ただ1回の測定
によって正弦減衰曲線からT1を直接決定することはでき
ない。
NML is a method for measuring T 1 by repeating the polarization cycle sequentially extended polarization time. T 1 is so much longer than the sine decay time T 2 *, just can not be determined directly T 1 from the sinusoidal decay curve by one measurement.

NML検層器は極めて有用であるが欠点もいくつかあ
る。NMLの主な欠点の1つは、信号対雑音比が悪く連続
検層作業中の正確度が孔隙率の1の位の程度に制限され
ることである。遊離流体指数の測定にはこの正確度で十
分である。しかしながら、残留油飽和率は典型的には総
孔隙率の1/3以下であるため、高い油回収率を得るため
に必要な正確度で残留油飽和率を測定するためにはNML
を静止状態で使用する必要がある。典型的には、1つの
鑿井位置で約15分間データを収集し、残留油飽和率を1
%以上の正確度で得るために前記データを平均化する。
しかしながら、検層器をこのような長時間にわたって静
止状態に維持する場合、地層全体のデータ収集に時間が
かかりまた検層器が鑿井に粘着するおそれもある。
NML logging is extremely useful but has some drawbacks. One of the major disadvantages of NML is that the signal-to-noise ratio is poor and the accuracy during continuous logging operations is limited to the order of magnitude of porosity. This accuracy is sufficient for measuring the free fluid index. However, because residual oil saturation is typically less than one-third of the total porosity, NML is required to measure residual oil saturation with the accuracy required to achieve high oil recovery.
Must be used in a stationary state. Typically, data is collected at one well location for approximately 15 minutes to reduce residual oil saturation to 1
The data is averaged to obtain at least% accuracy.
However, if the logging device is kept stationary for such a long time, it takes time to collect the data of the whole formation, and the logging device may stick to the well.

NMLの別の欠点は、地層中の探査深度が浅いことであ
る。また、信号対雑音比がよくないため、鑿井の壁上数
センチメートルの場所からの信号しか検出できない。
Another disadvantage of NML is that the depth of exploration in the formation is shallow. Also, due to the poor signal-to-noise ratio, only signals from a few centimeters above the wellbore wall can be detected.

さらに別の欠点は、T1減衰曲線の不連続な複数の測定
値を得るために分極サイクルの反復を必要とすることで
ある。このため測定所要時間が更に延長される。また少
数の測定値しか得られないためT1減衰曲線の形状が極め
て不正確であり、このT1減衰曲線は地層中の気孔のサイ
ズ及びその分布に関して不正確な情報を含むことになる
(従ってこれに基づいて決定される毛細管圧力または浸
透率も不正確である)。これがNML検層器の重大な欠点
である。
A further disadvantage is that it requires the repetition of polarization cycles in order to obtain a plurality of discontinuous measurements of T 1 decay curve. Therefore, the time required for measurement is further extended. Also an extremely inaccurate shape of T 1 decay curve since only a small number of measurements can not be obtained, the T 1 decay curve will contain incorrect information about the size and distribution of the pores in the formation (hence The capillary pressure or permeability determined on this basis is also inaccurate). This is a serious drawback of NML logging.

従来技術の核磁気検層器のデテクタとして超伝導量子
干渉デバイス(SQUID)を使用する改良が提案されてい
る。この提案では、鑿井内の探査深度を増すために対向
する2つの超伝導磁石を従来の分極ソレノイドに代替し
て使用するように検層器が改良されている。しかしなが
ら、坑内検層器のデテクタとしてのSQUIDの使用はまだ
実用化されていない。その理由は、鑿井環境で液体ヘリ
ウムを使用するときの極低温及び安全の問題にある。よ
り詳細には、液体ヘリウムは蒸発によって600倍以上も
膨張するので坑内に安全に通気することができないとい
う問題が1つある。また、坑内の高温環境で適当な坑内
作業時間を与えるのが難しいという問題がある。これら
の問題が核磁気検層器のデテクタとしてSQUIDを使用す
ることの障害となっている。
Improvements have been proposed for using superconducting quantum interference devices (SQUIDs) as detectors in prior art nuclear magnetic logging instruments. In this proposal, the logging device was modified to use two opposing superconducting magnets in place of conventional polarization solenoids to increase the depth of search in the wellbore. However, the use of SQUIDs as underground log detectors has not yet been put to practical use. The reason is cryogenic and safety issues when using liquid helium in a well environment. More specifically, there is one problem that liquid helium cannot be safely vented downhole because it expands more than 600 times by evaporation. Further, there is a problem that it is difficult to provide an appropriate underground operation time in a high temperature environment in the underground. These problems have hampered the use of SQUIDs as detectors in nuclear magnetic logging instruments.

しかしながら本発明は、従来技術の上記のごとき制約
及び欠点を克服し、地下鑿井の正弦磁場及び緩徐に変動
する磁場を検出し得るデテクタを備えた核磁気検層装置
を提供する。
However, the present invention overcomes the above-mentioned limitations and disadvantages of the prior art and provides a nuclear magnetic logging device with a detector capable of detecting a sinusoidal magnetic field and a slowly varying magnetic field of an underground well.

本発明は、地磁場の周囲の可動核の歳差運動から生じ
た正弦磁場及び緩徐に変動する磁場を実質的に同時に検
出し得る1つ以上のデテクタを使用して地層の核磁気応
答を測定する検層装置を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention measures the nuclear magnetic response of a formation using one or more detectors that can detect simultaneously a sinusoidal magnetic field and a slowly varying magnetic field resulting from the precession of a movable nucleus around the geomagnetic field. A logging device is provided.

本発明装置は、 −予め選択された制御信号に応じて励磁または消磁され
得る磁場を生成する手段と、 −前記磁場生成手段が消磁されたときに磁場の正弦変化
及び緩徐に変動する変化を検出し該変化を表示する信号
を出力するデテクタ手段と、 −前記予め選択された制御信号を発生しかつ前記デテク
タ手段から信号を受信する電子素子パッケージとを含
む。
Means for generating a magnetic field that can be excited or degaussed in response to a preselected control signal; detecting sinusoidal and slowly fluctuating changes in the magnetic field when said magnetic field generating means is demagnetized Detector means for outputting a signal indicating the change; and an electronic element package for generating the preselected control signal and receiving a signal from the detector means.

好ましくは本発明装置のデテクタは、高温超伝導量子
干渉デバイス(SQUID)である。または、1つまたは複
数のレーザポンプ型ヘリウム磁力計をデテクタとして使
用してもよい。本発明装置の好ましい実施態様では、超
小型ジュール−トムソン冷却器または熱電気的に冷却さ
れるペルチエエモジュールが使用される。これらは任意
の高温SQUIDをその超伝導転移温度より低温に維持すべ
くSQUIDと同じウェーハ上に一体的に設けられる。更
に、(1つまたは複数の)SQUIDは、運動誘発性の磁場
ノイズをできるだけ抑制するために軸方向階層的測定構
造(axial gradiometer configuration)に磁束結合さ
れていてもよい。
Preferably, the detector of the apparatus of the present invention is a high temperature superconducting quantum interference device (SQUID). Alternatively, one or more laser-pumped helium magnetometers may be used as detectors. In a preferred embodiment of the device according to the invention, a micro Joule-Thomson cooler or a thermoelectrically cooled Peltier module is used. These are integrated on the same wafer as the SQUID to keep any high-temperature SQUID below its superconducting transition temperature. Further, the SQUID (s) may be flux-coupled to an axial gradiometer configuration to minimize motion-induced magnetic field noise.

本発明装置の好ましい実施態様によれば、極低温液体
冷却を全く要せずに核磁気検層器中でSQUIDセンサを使
用する手段が提供される。非限定例として例えば希土類
−バリウム−酸化銅材料、例えばイットリウム−バリウ
ム−酸化銅(YBa2Cu3O7)のごとき、90Kを上回る温度で
超伝導性を示す高温超伝導材料から1つまたは複数のSQ
UIDを製造する。SQUIDはSrTiO3またはMgOのごとき熱伝
導性の高い基板にエピタキシャル成長によって堆積され
る。次にウェーハ基板を約80Kまで冷却し、超小型ジュ
ール−トムソン冷却器(またはより高温の超伝導材料の
場合はペルチエモジュール)の冷却段に接着する。SQUI
D及びウェーハをG−10ファイバガラスのごとき非金属
構造の真空ケーシングで包囲して断熱し、熱負荷を低減
し、冷却器の冷却段をSQUID材料の超伝導転移温度より
低温に維持する。
According to a preferred embodiment of the device of the present invention, there is provided a means of using a SQUID sensor in a nuclear magnetic log recorder without any need for cryogenic liquid cooling. Non-limiting examples of such as rare earth - barium - copper oxide material, for example yttrium - barium - such as copper oxide (YBa 2 Cu 3 O 7) , one of the high-temperature superconducting materials that exhibit superconducting at temperatures above 90K or more SQ
Manufacture UID. SQUID is deposited by epitaxial growth on a substrate with high thermal conductivity, such as SrTiO 3 or MgO. The wafer substrate is then cooled to about 80K and bonded to the cooling stage of a micro Joule-Thomson cooler (or Peltier module for higher temperature superconducting materials). SQUI
D and the wafer are surrounded and insulated by a vacuum casing of non-metallic structure such as G-10 fiber glass to reduce heat load and keep the cooling stage of the cooler below the superconducting transition temperature of the SQUID material.

SQUIDデテクタ及びレーザポンプ型ヘリウム磁力計はD
Cまでのすべての周波数に応答するが、従来技術による
現行のNMLで使用される共振コイルデテクタの応答は狭
い周波数範囲に限定され、DCでは応答零である。従っ
て、SQUIDデテクタ及びレーザポンプ型ヘリウム磁力計
は、単一NML検層器内のT2*及びT1の双方の減衰を1回
の測定で実質的に同時且つ直接に測定し得る。
SQUID detector and laser pump type helium magnetometer are D
Responding to all frequencies up to C, the response of the resonant coil detector used in current NMLs according to the prior art is limited to a narrow frequency range, with zero response at DC. Thus, SQUID detector and laser-pumped helium magnetometer may be measured substantially simultaneously and directly the attenuation of both the T 2 * and T 1 of a single NML logging instrument in a single measurement.

SQUIDエレメントに加えて、SQUID電子素子を冷却器の
冷却段に熱交換的に固定してもよい。これによりノイズ
が低減し性能が更に向上する。
In addition to the SQUID element, the SQUID electronic element may be heat-exchangeably fixed to the cooling stage of the cooler. This reduces noise and further improves performance.

1つまたは複数のSQUIDデテクタは軸方向階層的測定
構造の超伝導性検出コイルに磁束結合されてもよい。こ
のコイルはまた、高温超伝導材料から製造されてもよ
く、冷却器の冷却段に熱交換的に固定されてもよい。検
出ループの機能は、デテクタの磁束感度を増加すること
である。軸方向階層的測定構造は、坑内に配置された検
層器が地磁場内で運動することによって生じる磁束ノイ
ズを低減するための好ましい構造である。この構造の場
合、階層的測定コイルの1つのループを分極コイルの内
部に心合わせし、逆巻きの第2のループを分極コイルの
外部まで延ばす。従って、内部ループは地層中の分極陽
子から全信号を検出し、外部ループは陽子信号を実質的
に検出しない。地磁場のごとき均一磁場は各ループに逆
向きの等しい磁束を生成し、従って地磁場は事実上相殺
される。同様に、レーザポンプ型ヘリウム磁力計は、一
方が分極コイル内部、他方が分極コイル外部に固定され
た差動対として使用され得る。
One or more SQUID detectors may be flux coupled to the superconducting sensing coil of the axially hierarchical measurement structure. The coil may also be manufactured from a high temperature superconducting material and may be heat exchange fixed to the cooling stage of the cooler. The function of the detection loop is to increase the magnetic flux sensitivity of the detector. The axial hierarchical measurement structure is a preferred structure for reducing magnetic flux noise caused by the movement of a well-located well in a geomagnetic field. In this configuration, one loop of the hierarchical measuring coil is centered inside the polarizing coil, and a second, counter-wound loop extends outside the polarizing coil. Thus, the inner loop detects all signals from polarized protons in the formation and the outer loop does not substantially detect proton signals. A uniform magnetic field, such as a geomagnetic field, produces an equal and opposite magnetic flux in each loop, thus effectively canceling the geomagnetic field. Similarly, a laser-pumped helium magnetometer can be used as a differential pair, one fixed inside the polarization coil and the other outside the polarization coil.

従って本発明の好ましい実施態様によれば、極低温液
体が不要な坑内検層器で使用できるSQUID検出モジュー
ルが提供され、核磁気検層の信号対雑音比が改良され、
地層のT1減衰曲線の直接測定が可能になる。
Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, there is provided a SQUID detection module that can be used in a wellbore logging vessel that does not require cryogenic liquid, which improves the signal-to-noise ratio of nuclear magnetic logging,
It is possible to direct measurement of T 1 decay curve of the formation.

即ち本発明の目的は、従来技術による現行のNMLに比
較して信号対雑音比が数桁改良された核磁気検層装置を
提供することである。
That is, an object of the present invention is to provide a nuclear magnetic logging apparatus in which the signal-to-noise ratio is improved by several orders of magnitude compared to the current NML according to the prior art.

本発明の別の目的は、連続的な複数の分極サイクルを
要せずに地層の全T1減衰曲線を直接測定し得るNMLデバ
イスを提供することである。
Another object of the present invention is to provide a NML device capable of measuring the total T 1 decay curve of the formation directly without requiring a continuous plurality of polarization cycles.

本発明の上記及びその他の利点及び目的は添付図面に
基づく以下の詳細な記載より明らかにされるであろう。
The above and other advantages and objects of the present invention will be apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings.

第1図は、地層20に掘削された鑿井10とケーブル9に
よって該鑿井に配置された核磁気検層器11とを示す。検
層器11はソレノイドコイル12を内蔵し、該コイルは検層
器に隣接の地層中で分極磁場ベクトル13を生成する。地
磁場(He)14は分極陽子スピンを示す磁化ベクトル(M
o)15に対して角θを成す。分極磁場をオフに切り替え
ると陽子スピン15は図示のごとく地磁場14の周囲で歳差
運動を行なう。デテクタがラーモア周波数に同調した共
振コイル17の場合、該デテクタは歳差運動する陽子スピ
ンMoを検出する。計測パッケージ19は約1Kwの電力を分
極コイル12に供給し、歳差運動するスピン15によって共
振コイル17内に誘導された電圧が検出される。
FIG. 1 shows a well 10 drilled in a formation 20 and a nuclear magnetic log 11 placed in the well by a cable 9. The logarithm 11 contains a solenoid coil 12, which generates a polarizing magnetic field vector 13 in the formation adjacent to the logarithm. The geomagnetic field (He) 14 is the magnetization vector (M
o) Form an angle θ with 15. When the polarization field is switched off, the proton spin 15 precesses around the geomagnetic field 14 as shown. If the detector is a resonant coil 17 tuned to the Larmor frequency, it will detect the precessing proton spin Mo. The measurement package 19 supplies power of about 1 Kw to the polarization coil 12 and detects a voltage induced in the resonance coil 17 by the precessing spin 15.

第2図は、歳差運動する陽子スピン15によって共振コ
イル17内での検出が予想される典型的な信号16を示す。
信号は、T1よりはるかに短い時定数T2*でラーモア周波
数で正弦的に減衰する。T2*は正弦信号のエンベロープ
の減衰の時定数を示す。歳差運動のラーモア周波数は、
γ×He〔式中、陽子に対するγは4.26kHz/g〕である。T
1減衰が1秒のオーダであり共振コイルの同調ラーモア
周波数2000Hzとの隔たりが大きいので、T1の減衰が観察
されないことに注目されたい。第2図はまた、後述する
測定遅延を示し、検層器に隣接の地層中の遊離流体が占
める孔隙率φFを示す時点t0までもどった信号エンベロ
ープの延長を(点線で)示す。
FIG. 2 shows a typical signal 16 expected to be detected in a resonant coil 17 by a precessing proton spin 15.
Signal is sinusoidally decaying at the Larmor frequency at a much shorter time constant T 2 * than T 1. T 2 * indicates the time constant of the sine signal envelope attenuation. The Larmor frequency of precession is
γ × He [where γ for protons is 4.26 kHz / g]. T
Since 1 attenuation is large gap between the tuning Larmor frequency 2000Hz for is resonant coil of the order of 1 second should be noted that the attenuation of T 1 is not observed. Figure 2 also shows the measurement delay, which will be described later, shows an extension of the signal envelope back to the point t 0 indicating a porosity φF of the logging instrument occupied free fluid in the adjacent formation (in phantom).

実験室では従来の共振コイルに比較してSQUIDデテク
タがNMR信号の検出に有利であることが判明した。SQUID
は検出ループを連結する磁場(より正確には全磁束)を
検出するが、従来のNMRコイルはループ内に誘導された
電圧(磁束変化レート)を検出する。従って、SQUIDはD
Cまでの全周波数に応答するが(即ち極めて広範囲の周
波数応答をもつが)、共振コイルの応答は、(コイルの
Qで規定される)狭い周波数範囲に限定され、DCでは応
答零である。デテクタとして使用したときの共振コイル
に比較したSQUIDの優越性は、NMR周波数が低いとき、ス
ピン光子緩和時間T1が長いとき及び横方向緩和時間T2
が短いときに最大に発揮される。更に、DCまたはDC近傍
を測定でき且つ広範囲の周波数応答をもつその他の非SQ
UID型デテクタ、例えばレーザポンプ型ヘリウム磁力計
も、T2*正弦減衰及び緩徐に変動するT1減衰の双方の検
出のためにデテクタとして使用することが可能である。
In the laboratory, the SQUID detector was found to be more advantageous for detecting NMR signals than the conventional resonant coil. SQUID
Detects the magnetic field (more precisely, the total magnetic flux) that connects the detection loop, whereas conventional NMR coils detect the voltage (flux change rate) induced in the loop. Therefore, SQUID is D
Responding to all frequencies up to C (ie, having a very wide frequency response), the response of the resonant coil is limited to a narrow frequency range (defined by the Q of the coil), with zero response at DC. The superiority of the SQUID compared to the resonant coil when used as a detector is when the NMR frequency is low, when the spin photon relaxation time T 1 is long, and when the transverse relaxation time T 2 *
Is maximized when is short. In addition, other non-SQs that can measure DC or near DC and have a wide frequency response
UID type detector, for example, laser-pumped helium magnetometer also can be used as a detector for the detection of both T 1 attenuation that varies T 2 * sine attenuation and slow.

地層の坑内核磁気検層を行なうときには、T1時間が長
くT2*時間が短いという状態が現実に生じる。第一に、
地磁場の陽子のラーモア周波数は約2000Hzであり、これ
は実験室のNMRスペクトロメータで使用される10〜500MH
zに比較して極めて低い。第二に、各地層のT1緩和時間
はかなり長く典型的には約1.0秒であるが、T2*緩和時
間は短く典型的には約20〜50ミリ秒である。坑内核磁気
検層のときにこのような高いT1/T2*比が観察されるの
で、SQUIDまたは同様に高感度の広範囲周波数応答をも
つデテクタが従来の共振コイルデテクタに比較して有利
であるという結論が得られる。
When performing downhole nuclear magnetic logging of the formation, the state of time T 1 is longer T 2 * time short occurs in reality. Primarily,
The Larmor frequency of the proton in the geomagnetic field is about 2000 Hz, which is 10-500 MHZ used in laboratory NMR spectrometers.
Extremely low compared to z. Second, the T 1 relaxation time of the local layer is fairly long and typically about 1.0 second, T 2 * relaxation times are short typically about 20 to 50 milliseconds. Since such a high T 1 / T 2 * ratio when the downhole nuclear magnetic logging is observed, advantageously detector having a wide frequency response of the SQUID, or similar high sensitivity as compared with the conventional resonance coil detector The conclusion is that there is.

SQUIDデテクタ及び共振コイルデテクタの信号対雑音
(S/N)比を比較し、改良の程度を測定する方法が、R.
A.Webbの論文「New Technique For Improved Low−Temp
erature SQUID NMR Measure−ments」、(Rev.Sci.Inst
rum.、Vol.48、No.12、pp.1585〜1594、1977年12月)に
発表されている。
The method of comparing the signal-to-noise (S / N) ratio of the SQUID detector and the resonant coil detector and measuring the degree of improvement is described in R.
A. Webb's paper `` New Technique For Improved Low-Temp
erature SQUID NMR Measure-ments ”, (Rev. Sci. Inst
rum., Vol. 48, No. 12, pp. 1585-1594, December 1977).

SQUID雑音指数及びコイルQ等には典型的実験値を用
いる。
Typical experimental values are used for the SQUID noise figure, coil Q, and the like.

地層中の典型的な値T1=100ミリ秒、T2*=20ミリ
秒、ω=2*π*(2×103)=1.26×104を使用する
と、SQUIDのS/NはコイルのS/Nの139倍以上である。
Using typical values in the formation T 1 = 100 ms, T 2 * = 20 ms, ω 0 = 2 * π * (2 × 10 3 ) = 1.26 × 10 4 , the S / N of the SQUID is It is more than 139 times the S / N of the coil.

NML検層の場合には、共振コイルデテクタに比較したS
QUIDデテクタのS/Nの改良は更に大きい。その理由は、
従来のNMLが分極磁場のオフ切換後約25ミリ秒の不動時
間をもつからである。この測定遅延即ち不動時間は、分
極コイルとその回路との間及び検出コイルとその回路と
の間の結合及び呼出に起因する。この遅延が第2図に示
されている。遅延即ち不動時間がT2*減衰のかなりの部
分を占めるので大部分の信号がNMLの記録開始前に減衰
する。例えば、T2*が25ミリ秒でNML不動時間が25ミリ
秒のとき、信号の1/eが検出開始以前に減衰する。
In the case of NML logging, S compared to the resonant coil detector
The S / N improvement of the QUID detector is even greater. The reason is,
This is because the conventional NML has a dead time of about 25 ms after the polarization magnetic field is switched off. This measurement delay or dead time is due to the coupling and calling between the polarizing coil and its circuit and between the detection coil and its circuit. This delay is shown in FIG. Since the delay or dead time is a significant portion of the T 2 * decay majority of the signal is attenuated before the start of recording NML. For example, when T 2 * is 25 ms and the NML immobility time is 25 ms, 1 / e of the signal attenuates before detection starts.

SQUID及び同様のデテクタではこのような問題が生じ
ない。ラーモア周波数で核スピン(T2*)の高速の横方
向位相ずれにのみ敏感でDCに敏感でない共振コイルと違
って、SQUIDまたは同様のデテクタはDCまでの周波数で
磁化のz成分を測定する。従って、25ミリ秒のオーダの
計器の不動時間はSQUIDまたは同様のデテクタの信号レ
ベルを有意に低下させない。上記の同様のデテクタの例
は、DCまたはDC近傍を測定し得る非SQUID型デテクタ、
例えばレーザポンプ型ヘリウム磁力計である。かかる磁
力計もT2*正弦減衰と緩徐に変動するT1減衰との双方を
実質的に同時に検出するデテクタとして使用され得る。
SQUID and similar detectors do not have this problem. Unlike at the Larmor frequency as fast lateral phase shift resonant coil is not only sensitive to the sensitive and DC to the nuclear spin (T 2 *), SQUID, or similar detector measures the z component of the magnetization at a frequency to DC. Thus, instrument dead times on the order of 25 milliseconds do not significantly reduce the signal level of a SQUID or similar detector. Examples of similar detectors above are non-SQUID detectors that can measure DC or near DC,
For example, a laser pump type helium magnetometer is used. Such a magnetometer can also be used both the T 1 attenuation that varies T 2 * sine attenuation and slow as detector for detecting substantially simultaneously.

一般に、光ポンプ型磁力計は、アルカリ金属またはヘ
リウムを収容したランプまたはレーザを使用し、その光
は同じ元素の蒸気を収容したセルを通過し蒸気セルの反
対側の光デテクタに衝突する。光ポンプ型磁力計は、磁
場の強さを連続的に測定するために、このアルカリ蒸気
ガスまたは準安定ヘリウム中の電子集団を利用する。光
デテクタの出力が増幅され、蒸気セルを包囲するコイル
に供給される。この電子光学システムは磁場の強さに正
比例する振動数をもつ発振器である。磁力計は光ポンピ
ングを利用して、NMLが陽子歳差運動を生起したのと同
様に原子または電子スピン歳差運動を生起する。種々の
または特定の共振線のエネルギの共振吸収及び再放射が
磁場の強さの関数である。
In general, optical pump magnetometers use a lamp or laser containing alkali metal or helium, the light of which passes through a cell containing vapor of the same element and impinges on a photodetector on the other side of the vapor cell. Optical pump magnetometers utilize this electron population in alkali vapor gas or metastable helium to continuously measure the strength of the magnetic field. The output of the photodetector is amplified and provided to a coil surrounding the vapor cell. This electro-optical system is an oscillator having a frequency that is directly proportional to the strength of the magnetic field. Magnetometers use optical pumping to produce atomic or electron spin precession, much like NML produced proton precession. Resonant absorption and re-radiation of the energy of various or specific resonance lines is a function of the strength of the magnetic field.

坑内の核磁気検層に使用されるSQUIDまたは同様のデ
テクタの別の重要な利点は、T1減衰曲線を直接測定でき
ることである。気孔サイズ及び浸透率の測定に必要なT1
減衰曲線を得るために分極サイクルを反復する必要がな
い。T1は典型的には1秒のオーダであるから、T1減衰曲
線を直接測定するためにはデテクタが1Hz以下のVLF(超
長波)で応答する必要がある。従って、SQUIDまたは同
様のデテクタはスピンの横方向位相ずれ及び熱緩和T1
双方に敏感でなければならない。地層中でT1は典型的に
はT2の50倍であるから、SQUIDまたは同様のデテクタは
より長いスピン格子緩和時間T1の場合にも信号を検出し
得る。
Another important advantage of the SQUID or similar detector used in nuclear magnetic logging downhole is to be able to directly measure T 1 decay curve. T 1 required for measuring pore size and permeability
There is no need to repeat the polarization cycle to obtain a decay curve. Since T 1 is typically on the order of one second, direct measurement of the T 1 decay curve requires that the detector respond with a VLF (Very Long Wave) of 1 Hz or less. Thus, SQUID, or similar detector must be sensitive to both the lateral phase shift and thermal relaxation T 1 of the spin. Since T 1 is typically 50 times T 2 in the formation, a SQUID or similar detector may detect a signal even with a longer spin lattice relaxation time T 1 .

第3図は、第1図の共振コイル17をSQUIDデテクタ18
で代替したときに検出が予想される信号の典型的な形態
を示す。この信号は、Mo Sin2θに比例する時定数T2
で減衰するラーモア周波数の正弦信号成分と、Mo Cos2
θに比例する時定数T1で減衰する非正弦信号成分とから
成る。正弦成分のT2*減衰は地磁場Heに垂直な分極核ス
ピンの成分に起因し、T1成分は地磁場Heに平行に整列し
た核スピン成分に起因する。電子素子から成る低域フィ
ルタ、銅から成る渦電流コンテナを検出コイル周囲の遮
蔽として使用するかまたはリアルタイムもしくは後処理
ソフトウェアによって記録データに作用するディジタル
フィルタを使用して、ラーモア周波数の正弦T2*減衰を
DC近傍のT1減衰から分離し得る。より長いT1減衰はコイ
ル17では測定できないが、SQUID18は正弦T2*減衰とT1
減衰との双方を実質的に同時に測定する。また、正弦T2
*減衰と緩徐に変動するT1減衰との双方を実質的に同時
に検出するデテクタとして、レーザポンプ型ヘリウム磁
力計のごときDCまたはDC近傍の測定が可能な別の非SQUI
D型デテクタを使用してもよい。
FIG. 3 shows the resonance coil 17 of FIG.
Shows a typical form of a signal that is expected to be detected when substituting with. This signal has a time constant T 2 * proportional to Mo Sin 2 θ
A sine component of the Larmor frequency to attenuate in, Mo Cos 2
consisting of a non-sinusoidal signal component attenuated by constant T 1 time proportional to theta. The sine component T 2 * decay is due to the component of the polarized nuclear spin perpendicular to the geomagnetic field He, and the T 1 component is due to the nuclear spin component aligned parallel to the geomagnetic field He. The Larmor frequency sine T 2 *, using a low-pass filter made of electronic elements, using an eddy current container made of copper as a shield around the sensing coil, or using a digital filter that acts on the recorded data in real time or by post-processing software. Damping
It may be separated from the T 1 attenuation near DC. Although longer T 1 decay can not be measured in coil 17, SQUID18 sine T 2 * decay and T 1
Both the decay and the decay are measured substantially simultaneously. Also, the sine T 2
* Decay and both the T 1 attenuation that varies slowly as a detector to detect substantially simultaneously, unmeasured is another possible such DC or near-DC laser-pumped helium magnetometer SQUI
D-type detectors may be used.

第4A図は基板30の上のSQUIDデテクタ20と冷却モジュ
ール21とを示す。冷却モジュールは好ましくは超小型ジ
ュール−トムソン冷却器である。第4A図では1つのSQUI
Dデテクタ20だけが図示されているが、2つ以上のかか
るSQUIDデテクタを基板30に設けることが可能である。
基板30自体がジュール−トムソン冷却器の冷却段として
使用される。このためSQUIDと冷却段との間で良好な熱
交換接触が行なわれる。SQUIDを可能最低温度にしてSQU
IDの雑音指数を最適にするためにかかる熱交換接触が必
要である。可能な最大冷却を確保するためにSQUIDは基
板上でジュール−トムソン熱源にできるだけ近接して製
造される。SQUIDはRFバイアス型またはDCバイアス型の
いずれでもよいがここではDCバイアス型だけを説明す
る。SQUIDは例えば希土類−バリウム−酸化銅材料のご
とき高温超伝導材料から製造される。ただしこれはSQUI
D材料の非限定例にすぎない。本文中で使用される「高
温超伝導材料」なる用語は、液体窒素の沸点(即ち〜77
K)より高温の超伝導転移温度をもつ材料を意味する。
FIG. 4A shows the SQUID detector 20 and the cooling module 21 on the substrate 30. The cooling module is preferably a micro Joule-Thomson cooler. In Fig. 4A, one SQUI
Although only the D detector 20 is shown, more than one such SQUID detector can be provided on the substrate 30.
The substrate 30 itself is used as a cooling stage of a Joule-Thomson cooler. Therefore, good heat exchange contact is made between the SQUID and the cooling stage. SQU with SQUID at the lowest possible temperature
Such heat exchange contacts are needed to optimize the noise figure of the ID. The SQUID is manufactured on the substrate as close as possible to the Joule-Thomson heat source to ensure the maximum possible cooling. The SQUID may be either an RF bias type or a DC bias type, but only the DC bias type will be described here. SQUID is manufactured from a high temperature superconducting material, such as a rare earth-barium-copper oxide material. But this is SQUI
It is only a non-limiting example of a D material. As used herein, the term "high temperature superconducting material" refers to the boiling point of liquid nitrogen (i.e., ~ 77).
K) means a material with a higher superconducting transition temperature.

第4B図によれば、DC SQUIDは、適当な基板にYBa2Cu3O
7のごとき希土類−バリウム−酸化銅材料をエピタキシ
ャル成長させることによって形成された2つの粒状弱結
合から成る。粒状弱結合は長さ約15μで厚み1μであ
り、絶縁ギャップ47,48によって規定されている。弱結
合が実際には、弱くジョセフソン結合した半導体粒子間
に存在するので、「粒状」なる用語で形容した。弱結合
が過度に狭いとき(<<15μ)、中央絶縁部分46の周囲
の電流が過度に高くなり超伝導材料を急冷するのでSQUI
Dが作動しない。第4B図の部分46は正方形であるが別の
幾何学形も使用し得る。また、弱結合が過度に広いと
き、過度の電流が流れその結果SQUIDの「階層的」動作
特性が得られない。従ってSQUIDが適切に機能しない。
According to FIG. 4B, the DC SQUID is made of YBa 2 Cu 3 O
7 consists of two granular weak bonds formed by epitaxially growing a rare earth-barium-copper oxide material. The granular weak bond is about 15μ long and 1μ thick and is defined by insulating gaps 47,48. Weak bonds are actually described between weakly Josephson-bonded semiconductor particles and are therefore described by the term "granular". If the weak coupling is too narrow (<< 15μ), the current around the central insulation 46 will be too high and will quench the superconducting material, thus reducing the SQUI.
D does not work. The portion 46 of FIG. 4B is square, but other geometries may be used. Also, when the weak coupling is too wide, excessive current will flow, resulting in a "hierarchical" operating characteristic of the SQUID. Therefore SQUID does not work properly.

本文中ではSQUIDの好ましい製造材料としてYBa2Cu3O7
を記載した。しかしながら、酸素欠損ペロブスカイト構
造をもつ任意の高温超伝導材料の使用が可能である。YB
a2Cu3O7を使用する場合、エピタキシャル成長を行わせ
るために基板はYBa2Cu3O7と同様の分子構造をもつ必要
があり(いかなる材料をSQUID材料として使用する場合
にも基板はSQUID材料と同様の分子構造をもつ必要があ
る)、また冷却モジュール21との間で良好な熱交換を行
なうために基板は液体窒素の近傍の温度で熱の良導体で
なければならない。かかる基板の非限定例はSrTiO3また
はMgOである。例えばSrTiO3の「a」格子定数は3.9Åで
あり、YBa2Cu3O7の対応する格子定数は3.83Åである。Y
Ba2Cu3O7超伝導体中で可能な最大臨界磁場及び電流を得
るためには配向された結晶のエピタキシャル成長が重要
である。(1キロガウスを上回る磁場の作用を受けると
き)SQUIDが分極サイクル中に超伝導性を維持するのが
好ましい。SQUIDは予想されるいかなる分極磁場も上回
る強さの臨界磁場をもつのが好ましい。
In the text, YBa 2 Cu 3 O 7
Was described. However, any high temperature superconducting material having an oxygen deficient perovskite structure can be used. YB
When a 2 Cu 3 O 7 is used, the substrate must have the same molecular structure as YBa 2 Cu 3 O 7 in order to perform epitaxial growth. The substrate must have a molecular structure similar to that of the material), and the substrate must be a good conductor of heat at a temperature near liquid nitrogen in order to achieve good heat exchange with the cooling module 21. A non-limiting example of such a substrate is SrTiO 3 or MgO. For example, the “a” lattice constant of SrTiO 3 is 3.9 ° and the corresponding lattice constant of YBa 2 Cu 3 O 7 is 3.83 °. Y
Epitaxial growth of oriented crystals is important to obtain the maximum critical magnetic field and current possible in Ba 2 Cu 3 O 7 superconductors. Preferably, the SQUID remains superconducting during the polarization cycle (when subjected to magnetic fields above 1 kilogauss). Preferably, the SQUID has a critical magnetic field strength greater than any expected polarization field.

SrTiO3基板上のSQUID材料のエピタキシャル成長は、
分子ビームエピタキシー、電子ビーム蒸着、単一及び多
数ターゲットからのスパッタリング、パルス型エクシマ
レーザによる単一ターゲットの溶発、ゾル・ゲル、プラ
ズマ酸化のごとき当業者に公知の種々の技術によって行
なわれる。例えば分子ビームエピタキシーを使用すると
きは、まずY−Ba−Cuの薄層(〜20μ)を正確な化学量
論でSrTiO3基板に蒸着し次に酸化してYBa2Cu3O7にす
る。次に、YBa2Cu3O7層に金の薄層をデポジットする。
最後に、金層にホトレジスト層を載せホトリソグラフィ
で設計図通りに描画する。次にSQUID設計図の内部のホ
トレジスト及び金をイオンミリングする。即ち、第4B図
の中央部分46とギャップ47,48を被覆しているレジスト
及び金を除去する。従って超伝導性を維持するように設
計された層の部分には金及びレジストが残存している。
次に、超伝導性を維持するように設計された部分を金で
保護しておき、0.3〜3MeVの酸素イオンビームを使用し
て中央部分46及びギャップ47,48の露出したYBa2Cu3O7
酸素を打ち込みこれらを絶縁体領域とする。最後に、残
りの金をイオンミリングで除去し完全なプレーナ形構造
を形成する。
Epitaxial growth of SQUID material on SrTiO 3 substrate
It is performed by various techniques known to those skilled in the art, such as molecular beam epitaxy, electron beam evaporation, sputtering from single and multiple targets, ablation of a single target with a pulsed excimer laser, sol-gel, plasma oxidation. For example, when using molecular beam epitaxy, a thin layer (〜20 μ) of Y—Ba—Cu is first deposited on a SrTiO 3 substrate with accurate stoichiometry and then oxidized to YBa 2 Cu 3 O 7 . Next, a thin layer of gold is deposited on the YBa 2 Cu 3 O 7 layer.
Finally, a photoresist layer is placed on the gold layer, and the pattern is drawn according to the design drawing by photolithography. Next, ion milling is performed on the photoresist and gold inside the SQUID design drawing. That is, the resist and the gold covering the central portion 46 and the gaps 47 and 48 in FIG. 4B are removed. Thus, gold and resist remain in those portions of the layer that are designed to maintain superconductivity.
Next, the portion designed to maintain superconductivity is protected by gold, and the exposed YBa 2 Cu 3 O of the central portion 46 and the gaps 47, 48 using a 0.3 to 3 MeV oxygen ion beam. Oxygen is implanted into 7 to make them insulator regions. Finally, the remaining gold is removed by ion milling to form a complete planar structure.

上記の方法で基板に複数のSQUIDセンサを形成し得
る。複数のセンサの利点は、各センサのSQUIDノイズが
ランダムであり相関性がないのでSQUID出力の加算によ
って信号対雑音比が更に改良されることである。
A plurality of SQUID sensors may be formed on a substrate in the manner described above. The advantage of multiple sensors is that adding the SQUID output further improves the signal to noise ratio because the SQUID noise of each sensor is random and uncorrelated.

超小型冷却器は窒素のごとき作動気体のジュール−ト
ムソン膨張によって機能する。極低温流体または移動部
材が全く存在しないので振動が極めて少なく従ってノイ
ズが少ない。超小型ジュール−トムソン冷却器は市販さ
れており、例えばMMR Technologies,Inc.,Mountain Vie
w,CaliforniaのSystem I冷却器がある。しかしながらこ
れらのMMR Technologiesの冷却器はガラスまたはシリコ
ンから製造されており、YBa2Cu3O7 SQUIDのエピタキシ
ャル基板として使用することができない。第4A図に示す
ごとく、超小型ジュール−トムソン冷却器40は3つの主
要部、即ち交換器41と膨張毛細管42と液体リザーバ43と
から構成されている。冷却器は光加工技術によってSrTi
O3ウェーハ30から製造されてもよい。光加工技術を使用
した場合、例えば第4A図に示すような冷却器部分のマス
クをまず製造する。次に重クロム酸アンモニウムで活性
化したゼラチンの粘性水溶液をウェーハ30に塗布する。
ウェーハ30に塗布した溶液を乾燥させ、マスクで被覆
し、マスクの開孔から紫外光を照射し、温水中で現像す
る。このレジストは乾燥後に粉末Al2O3による研摩エッ
チングに耐性の強靭な弾力性皮膜を形成する。非照射ゼ
ラチンを温水で洗い落とし非保護SrTiO3パターンを残
す。
Microcoolers work by Joule-Thomson expansion of a working gas, such as nitrogen. Since there is no cryogenic fluid or moving parts, there is very little vibration and therefore little noise. Micro Joule-Thomson coolers are commercially available, e.g., MMR Technologies, Inc., Mountain Vie.
w, there is a California System I cooler. However, these MMR Technologies coolers are made from glass or silicon and cannot be used as epitaxial substrates for YBa 2 Cu 3 O 7 SQUID. As shown in FIG. 4A, the micro Joule-Thomson cooler 40 is comprised of three main parts: an exchanger 41, an expanding capillary 42, and a liquid reservoir 43. Cooler is SrTi by optical processing technology
It may be manufactured from an O 3 wafer 30. When the optical processing technique is used, for example, a mask for a cooler portion as shown in FIG. 4A is first manufactured. Next, a viscous aqueous solution of gelatin activated with ammonium bichromate is applied to the wafer 30.
The solution applied to the wafer 30 is dried, covered with a mask, irradiated with ultraviolet light through openings in the mask, and developed in warm water. After drying, this resist forms a tough elastic film that is resistant to abrasive etching with powdered Al 2 O 3 . Unirradiated gelatin is washed away with warm water, leaving an unprotected SrTiO 3 pattern.

研摩エッチングは、レジストで部分的に被覆されたウ
ェーハに、粒度範囲10〜30μで十分な硬さをもつAl2O3
またはその他の粉末を噴射することによって行なわれ
る。この噴射によってウェーハの表面全体が掃引され
る。この結果、2〜100μの範囲の精密調整された深さ
をもちほぼ鉛直な側壁をもつ溝がウェーハ30にエッチン
グされる。残りのレジストはゼラチンの化学溶液によっ
て除去される。
Abrasive etching is performed on a wafer partially coated with resist, with Al 2 O 3 having sufficient hardness in a particle size range of 10 to 30 μm.
Alternatively, it is performed by injecting another powder. This spray sweeps the entire surface of the wafer. As a result, trenches having substantially vertical sidewalls with a precisely adjusted depth in the range of 2-100 microns are etched into the wafer 30. The remaining resist is removed by a chemical solution of gelatin.

冷却器部分を完成するために、低温エポキシのごとき
使用可能な種々の接着剤を用い、エッチングされたウェ
ーハにカバープレートを接着する。接着剤がミクロンサ
イズの溝に流入しないようになんらかの配慮が必要であ
る。
To complete the cooler portion, the cover plate is bonded to the etched wafer using various adhesives available such as low temperature epoxy. Some care must be taken to prevent the adhesive from flowing into the micron-sized grooves.

冷却器の作動気体は、典型的には圧力140バールの加
圧タンクに収容されており、ジュール−トムソン冷却器
で膨張して検層器内部の(図示しない)より大きい低圧
収集タンクに流入する。収集タンクは加圧タンクの複数
倍(典型的には少なくとも10倍)の大きさをもち、従っ
て膨張した気体は高圧にならないので冷却機能は低下し
ない。冷却器の運転時間は圧力140バールの窒素ガス1
で典型的には約12時間である。または、気体の閉サイ
クル圧縮機を使用することもできるが、かかる可動部材
は振動の原因になり信号対雑音比(S/N)を低下させ
る。また、180Kより高温の超伝導転移温度をもつ材料か
らSQUIDを製造したときは、冷却モジュール21としてペ
ルチエモジュールを使用することも可能である。その理
由は、現行のペルチエモジュールが約180Kの冷却温度を
もつからである。
The cooler working gas is contained in a pressurized tank, typically at 140 bar pressure, and expands in a Joule-Thomson cooler into a larger, lower pressure collection tank (not shown) inside the well. . The collection tank is several times larger (typically at least 10 times) as large as the pressurized tank, so that the expanded gas does not reach high pressure so that the cooling function is not reduced. The operating time of the cooler is 140 bar nitrogen gas 1
Typically about 12 hours. Alternatively, a closed gas cycle compressor can be used, but such moving members cause vibration and reduce the signal-to-noise ratio (S / N). When the SQUID is manufactured from a material having a superconducting transition temperature higher than 180 K, a Peltier module can be used as the cooling module 21. The reason is that current Peltier modules have a cooling temperature of about 180K.

冷却器冷却段及びSQUIDが(図示しない)真空容器に
よって包囲される。真空容器は冷却段及びSQUIDセンサ
内への熱リークを低減するのに必要な真空スペースを与
える。真空容器は、液体窒素の温度で熱伝導率が低い任
意の非金属性及び非磁性材料から構成され得る。SQUID
の断熱性を改良するために真空スペース内部に超絶縁薄
片(例えばアルミ化マイラ)を付加し得る。しかしなが
らこの超絶縁薄片は、超絶縁内部の渦電流を低減するた
めに垂直に裁断される必要がある。
The cooler cooling stage and the SQUID are surrounded by a vacuum vessel (not shown). The vacuum vessel provides the necessary vacuum space to reduce heat leakage into the cooling stage and the SQUID sensor. The vacuum vessel may be composed of any non-metallic and non-magnetic material that has a low thermal conductivity at the temperature of liquid nitrogen. SQUID
A super-insulating flake (for example, aluminized mylar) may be added inside the vacuum space to improve the heat insulation of the device. However, the super-insulating flakes need to be cut vertically to reduce eddy currents inside the super-insulation.

第5図は本発明の実施に使用される軸方向階層的測定
コイルを示す。これらのコイルの機能は、磁束感度を改
良し地磁場内の検層器の運動に起因する磁気ノイズを低
減することである。感知コイル51,52は同軸で逆巻きで
ありその結果コイル内の均一磁場が正確に相殺される。
一方の感知コイル51は分極コイル12の内部に心合わせさ
れ他方のコイル52は分極コイルの実質的に外部に配置さ
れている。分極コイル12の内部に心合わせされた感知コ
イル51は地層20から最大信号を検出し、分極コイルの外
部の感知コイル52は地層から信号を実質的に全く検出し
ない。これらのコイルは1つまたは複数のSQUIDに磁束
結合されてもよく、または各SQUIDがそれ自体のコイル
群をもっていてもよい。
FIG. 5 shows an axial hierarchical measuring coil used in the practice of the present invention. The function of these coils is to improve the magnetic flux sensitivity and reduce magnetic noise due to the movement of the logging instrument in the geomagnetic field. The sensing coils 51, 52 are coaxial and counter-wound so that the uniform magnetic field in the coils is accurately canceled.
One sensing coil 51 is centered inside the polarizing coil 12 and the other coil 52 is located substantially outside the polarizing coil. A sensing coil 51 centered inside the polarizing coil 12 detects a maximum signal from the formation 20, and a sensing coil 52 outside the polarizing coil detects substantially no signal from the formation. These coils may be flux coupled to one or more SQUIDs, or each SQUID may have its own coil group.

しかしながら、検層器においてSQUID自体が磁束セン
サとして機能し、振動を抑制するために検層器が鑿井の
壁に固定されてもよい。磁束結合されたコイルを使用す
る場合、SQUIDセンサはSQUIDを包囲するYBa2Cu3O7の超
伝導遮蔽によって磁場から遮蔽される。コイルに達する
超伝導リードは超伝導遮蔽の小さい開孔に挿通される。
However, the SQUID itself may function as a magnetic flux sensor in the logging device, and the logging device may be fixed to the wellbore wall to suppress vibration. When using a flux-coupled coil, the SQUID sensor is shielded from the magnetic field by a superconducting shield of YBa 2 Cu 3 O 7 surrounding the SQUID. The superconducting lead reaching the coil is inserted through a small opening in the superconducting shield.

階層的測定コイルはSQUID製造と同様にしてSrTiO3
板に堆積されたエピタキシャル薄膜でもよい。または、
コイルが短い複数の超伝導YBa2Cu3O7ワイヤから製造さ
れてもよい。このワイヤはYBa2Cu3O7の圧縮粉末を詰め
た金または銀の管から製造され得る。管をシールし、小
直径にスエージ加工し、900℃以上に再加熱し、徐冷
(〜20時間)する。このようにして製造されたワイヤは
達成可能な最大臨界電流をもたないが磁場零で1000A/cm
2及び1000ガウス以上で200A/cm2を上回る値をもち得
る。
The hierarchical measurement coil may be an epitaxial thin film deposited on a SrTiO 3 substrate in a manner similar to SQUID fabrication. Or
The coil may be manufactured from a plurality of short superconducting YBa 2 Cu 3 O 7 wires. This wire can be manufactured from a gold or silver tube packed with a compacted powder of YBa 2 Cu 3 O 7 . The tube is sealed, swaged to a small diameter, reheated to 900 ° C or higher, and slowly cooled (~ 20 hours). The wire produced in this way has no maximum achievable critical current, but 1000 A / cm at zero magnetic field
It can have values above 200 A / cm 2 above 2 and 1000 Gauss.

同様に、レーザポンプ型ヘリウム磁力計から成るデテ
クタは、一対ずつ使用され一方の磁力計が分極コイルの
内部に配置され他方の磁力計が分極コイルの外部に配置
される。これらの2つの磁力計はまた、地磁場内での運
動から生じる信号を排除するために差動的に結合され
る。
Similarly, a detector consisting of a laser-pumped helium magnetometer is used in pairs, one magnetometer being located inside the polarization coil and the other magnetometer being located outside the polarization coil. These two magnetometers are also differentially combined to reject signals arising from motion in the earth's magnetic field.

上記ではDC粒状弱結合薄膜型SQUIDを説明したが本発
明の教示に従ってその他の型のSQUIDを製造することも
可能である。その例としては、トンネル接合SQUID(超
伝導体−絶縁体−超伝導体、超伝導体−標準金属−超伝
導体及び超伝導体−半導体−超伝導体)、薄膜弱結合例
えばDayem及びGrimeの結合、点接触SQUID及び薄膜と点
接触SQUIDとの種々の混成組み合わせがある。同様に、S
QUIDは単接合RFバイアス型でもよくまたは複接合DC SQU
IDでもよい。
Although a DC granular weakly coupled thin film SQUID has been described above, other types of SQUIDs can be manufactured in accordance with the teachings of the present invention. Examples include tunnel junction SQUIDs (superconductor-insulator-superconductor, superconductor-standard metal-superconductor and superconductor-semiconductor-superconductor), thin film weak couplings such as Dayem and Grime's There are various hybrid combinations of bonding, point contact SQUID and thin film and point contact SQUID. Similarly, S
QUID may be single-junction RF biased or double-junction DC SQU
It may be an ID.

第6図は、当業界で公知のDC SQUID620を差動させる
ために必要な電子素子のブロック図である。電子素子
は、バイアス電流源610と増幅手段600,601,602と変調手
段603,604,605とフィードバック手段607,608とフィルタ
手段606とモニタ手段609とゼロオフセット612とから成
る。現在では、DC SQUIDをフィードバックモードで作動
させ、バイアス電流によって選択されるに伴ってSQUID
の階段状の電流対電圧動作特性曲線の鋭角頂点にSQUID
が維持されるのが好ましい。変調及びフィードバック
は、電子素子が検層器の磁場のいかなる変化も追跡でき
るような任意の周波数で行なう。第6図は100kHz変調発
振器604を示す。
FIG. 6 is a block diagram of the electronic components required to make the DC SQUID 620 known in the art differentiate. The electronic device comprises a bias current source 610, amplification means 600, 601, 602, modulation means 603, 604, 605, feedback means 607, 608, filter means 606, monitor means 609, and zero offset 612. Now, DC SQUIDs operate in feedback mode and SQUID as selected by bias current.
SQUID at the apex of the sharp current-voltage operating characteristic curve
Is preferably maintained. Modulation and feedback occur at any frequency such that the electronic element can track any change in the magnetic field of the log. FIG. 6 shows a 100 kHz modulation oscillator 604.

より詳細には、検出される信号が入力コイル621を介
してSQUID620に磁束結合される。SQUID620自体がデテク
タのとき、入力コイル621は存在せず、検出された磁束
はSQUIDの絶縁中央部分(例えば第4B図の部分46)を通
過する磁束である。SQUIDは変調及びフィードバックコ
イル622によって電子素子が磁場のいかなる変化も追跡
し得るに十分な周波数で変調発振器622によって変調さ
れる。この周波数は100kHzが好ましい。移相器603が前
記発振器に接続されている。SQUIDは磁場の変化を感知
するときに階段状動作特性曲線に沿って(バイアス電流
によって選択された)選択作動点を鉛直方向で上下に移
動させる。増幅手段600,601,602はこの変化を増幅し、
これがフィルタ手段606で過され、フィードバック手
段607,608と変調及びフィードバックコイル622を介して
非変調フィードバックがSQUID620に与えられる。特に増
幅手段は、増幅率が×100の増幅器600と、増幅率が×10
0で品質Q〜3をもつ同調増幅器601と、増幅率が×0〜
300の広帯域増幅器602とを含む。広帯域増幅器602は増
幅器611に接続されている。更に詳細にはフィルタ手段6
06が100及び200kHzのトラップを含むことに注目された
い。フィードバックはSQUIDを選択された作動点に維持
する。フィードバックの量及びタイプはモニタ手段バッ
ファ増幅器609によって検出され、SQUIDによって感知さ
れた磁場変化を表示する出力として与えられる。
More specifically, the detected signal is magnetically coupled to the SQUID 620 via the input coil 621. When the SQUID 620 is itself a detector, the input coil 621 is not present and the detected magnetic flux is the magnetic flux passing through the insulated central portion of the SQUID (eg, portion 46 in FIG. 4B). The SQUID is modulated by the modulation and feedback coil 622 by the modulation oscillator 622 at a frequency sufficient to allow the electronic element to track any changes in the magnetic field. This frequency is preferably 100 kHz. A phase shifter 603 is connected to the oscillator. SQUID moves the selected operating point (selected by the bias current) vertically up and down along a stepped operating characteristic curve when sensing a change in the magnetic field. The amplification means 600,601,602 amplify this change,
This is filtered by the filter means 606 and unmodulated feedback is provided to the SQUID 620 via the feedback means 607, 608 and the modulation and feedback coil 622. In particular, the amplification means includes an amplifier 600 having an amplification factor of × 100 and an amplification factor of × 10
A tuned amplifier 601 having a quality of Q〜3 at 0 and an amplification factor of × 0
And 300 broadband amplifiers 602. Broadband amplifier 602 is connected to amplifier 611. More specifically, filter means 6
Note that 06 includes 100 and 200 kHz traps. Feedback maintains the SQUID at the selected operating point. The amount and type of feedback is detected by monitor means buffer amplifier 609 and provided as an output indicating the magnetic field change sensed by the SQUID.

上記本文中に記載した装置及び記述に関して本発明の
範囲内で多くの変更及び変形が可能であることは当業者
に理解されよう。従って、添付図面に示し本文中で説明
した装置及び方法は非限定的な記載であり本発明の範囲
がこれらの記載に限定されないことも明らかであろう。
It will be appreciated by those skilled in the art that many modifications and variations are possible within the scope of the present invention with respect to the devices and descriptions described herein. Accordingly, it will be apparent that the devices and methods illustrated in the accompanying drawings and described herein are non-limiting descriptions and the scope of the invention is not limited to these descriptions.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は核磁気検層器を関連磁場ベクトル及び該磁場ベ
クトルと地磁場との関係と共に示す核磁気検層器の概略
説明図、第2図はラーモア周波数に同調した共振コイル
を使用して検出された典型的なNML信号の図、第3図は
共振コイルに代替してSQUIDをデテクタとして使用して
検出された典型的なNML信号の図、第4A図は、同一ウェ
ーハ基板に一体的に設けられたSQUIDデテクタと超小型
ジュール−トムソン冷却器との説明図、第4B図はSQUID
デテクタの詳細図、第5図は本発明で使用され得るSQUI
Dに磁束結合された超伝導コイルの軸方向階層的測定構
造を示す説明図、第6図はSQUIDデテクタ用の典型的な
測定電子素子の説明図である。 9……ケーブル、10……鑿井、11……検層器、12……ソ
レノイドコイル、13……分極磁場ベクトル、14……地磁
場、15……陽子スピン、17……共振コイル、19……計測
パッケージ、20……地層。
FIG. 1 is a schematic illustration of a nuclear magnetic logging device showing a nuclear magnetic logging device with an associated magnetic field vector and the relationship between the magnetic field vector and the geomagnetic field, and FIG. 2 uses a resonant coil tuned to the Larmor frequency. Fig. 3 shows a typical NML signal detected, Fig. 3 shows a typical NML signal detected using a SQUID as a detector instead of a resonance coil, and Fig. 4A shows an integrated NML signal on the same wafer substrate. Explanatory drawing of SQUID detector and microminiature Joule-Thomson cooler provided in Fig. 4B is SQUID
Fig. 5 shows the details of the SQUI that can be used in the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an axial hierarchical measurement structure of a superconducting coil flux-coupled to D. FIG. 6 is an explanatory diagram of a typical measurement electronic element for a SQUID detector. 9 ... cable, 10 ... well, 11 ... logarithm, 12 ... solenoid coil, 13 ... polarization magnetic field vector, 14 ... geomagnetic field, 15 ... proton spin, 17 ... resonance coil, 19 …… Measurement package, 20 …… Stratum.

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】予め選択された制御信号に応じて励磁また
は消磁され得る磁場を生成する手段と、 前記磁場生成手段が消磁されたときに磁場の正弦変化及
び緩徐に変動する変化を検出し該変化を表示する信号を
出力する、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)であるデ
テクタ手段と、 前記予め選択された制御信号を発生しかつ前記デテクタ
手段から信号を受信する電子素子パッケージと、 前記SQUIDに磁束結合され軸方向階層的測定を行なう一
対の超伝導性検出コイルとを含み、前記コイルの一方が
磁場生成手段に内蔵され他方のコイルが磁場生成手段の
外部に配置されている核磁気検層器。
A means for generating a magnetic field which can be excited or demagnetized according to a preselected control signal; and detecting a sine change and a slowly changing change of the magnetic field when the magnetic field generating means is demagnetized. A detector means being a superconducting quantum interference device (SQUID) for outputting a signal indicating a change; an electronic element package for generating the preselected control signal and receiving a signal from the detector means; A pair of superconducting detection coils for performing flux-coupled axial hierarchical measurements, one of said coils being incorporated in the magnetic field generating means and the other being disposed outside the magnetic field generating means. vessel.
【請求項2】更に、前記SQUIDデテクタ手段をその超伝
導材料の超伝導転移温度より低温に維持すべく、該SQUI
Dデテクタ手段の冷却手段を含むことを特徴とする請求
項1に記載の核磁気検層器。
2. The SQUID detector means for maintaining the SQUID detector means at a temperature lower than the superconducting transition temperature of the superconducting material.
2. The nuclear magnetic logging device according to claim 1, further comprising cooling means for the D detector means.
【請求項3】前記磁場生成手段がソレノイドコイルであ
ることを特徴とする請求項1に記載の核磁気検層器。
3. The nuclear magnetic logging device according to claim 1, wherein said magnetic field generating means is a solenoid coil.
【請求項4】前記SQUIDが高温超伝導材料を使用してい
ることを特徴とする請求項1に記載の核磁気検層器。
4. The nuclear magnetic logging device according to claim 1, wherein said SQUID uses a high-temperature superconducting material.
【請求項5】前記冷却手段がジュール−トムソン冷却サ
イクルを利用していることを特徴とする請求項2に記載
の核磁気検層器。
5. The nuclear magnetic logging device according to claim 2, wherein said cooling means uses a Joule-Thomson cooling cycle.
【請求項6】前記高温超伝導材料が実質的に酸素欠損型
ペロブスカイトであることを特徴とする請求項4に記載
の核磁気検層器。
6. The nuclear magnetic logging device according to claim 4, wherein the high-temperature superconducting material is substantially an oxygen-deficient perovskite.
【請求項7】前記高温超伝導材料が実質的にYBa2Cu3O7
であることを特徴とする請求項6に記載の核磁気検層
器。
7. The high temperature superconducting material is substantially YBa 2 Cu 3 O 7
The nuclear magnetic logging device according to claim 6, wherein
【請求項8】更に、前記SQUIDの周囲に配置された超伝
導遮蔽を含むことを特徴とする請求項1に記載の核磁気
検層器。
8. The nuclear magnetic logging device according to claim 1, further comprising a superconducting shield disposed around said SQUID.
【請求項9】前記SQUID及び冷却手段が熱伝導性基板の
上に互いに隣接して設けられていることを特徴とする請
求項2に記載の核磁気検層器。
9. The nuclear magnetic logging device according to claim 2, wherein said SQUID and said cooling means are provided adjacent to each other on a thermally conductive substrate.
【請求項10】前記基板がSrTiO3であることを特徴とす
る請求項9に記載の核磁気検層器。
10. The nuclear magnetic logging system according to claim 9, wherein said substrate is SrTiO 3 .
【請求項11】前記基板がMgOであることを特徴とする
請求項9に記載の核磁気検層器。
11. The nuclear magnetic logging device according to claim 9, wherein said substrate is made of MgO.
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