BR112017021223B1

BR112017021223B1 - aparelho de ressonância magnética nuclear e método para estimar propriedades de uma formação de terra

Info

Publication number: BR112017021223B1
Application number: BR112017021223-4A
Authority: BR
Inventors: Marc Stephen Ramirez; Stanislav Wilhelm Forgang
Original assignee: Baker Hughes, A Ge Company, Llc
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2021-02-23
Also published as: US10082594B2; BR112017021223A2; EP3281001A4; EP3281001B1; US20160299249A1; EP3281001A1; WO2016164441A1; CN107438777A; CN107438777B

Abstract

Aparelhos e métodos de ressonância magnética nuclear para estimar propriedades de uma formação de terra são fornecidos. Um aparelho inclui um transportador configurado para ser implantado em um poço, pelo menos um conjunto de transmissão configurado para gerar um campo magnético oscilante em um volume de interesse dentro da formação de terra, pelo menos um conjunto de recepção configurado para detectar um sinal de ressonância magnética nuclear (NMR) originado no volume de interesse; e um conjunto de ímã configurado para gerar um campo magnético estático na formação a partir de um lado primário do conjunto de ímã. O conjunto de ímã inclui uma disposição de ímãs alongados longitudinalmente tendo um padrão de rotação de orientações magnéticas, a matriz configurada para gerar o campo magnético estático no volume de interesse e a intensidade de campo magnético estático é mais alta no lado primário do que a intensidade de campo em um lado do conjunto de ímã que é oposto ao lado primário.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido US14/680254,depositado em 7 de abril de 2015 o qual é aqui incorporado por referência na sua totalidade.

FUNDAMENTOS

[0002] A compreensão das características de formações geológicas e de fluidos localizados nas mesmas é importante para a exploração e produção eficazes de hidrocarbonetos. A avaliação da formação depende de interpretação petrofísica precisa derivada de um conjunto diversificado de tecnologias de perfilagem. Uma dessas tecnologias, a ressonância magnética nuclear (NMR), pode ser usada para estimar características de formação, tal como porosidade independente de mineralogia e permeabilidade de rochas, para realizar tipagem de fluido e determinar volumes de fluido e estimar características de fluidos, tal como viscosidade. O projeto de ferramentas de perfilagem de NMR é crucial para alcançar alto desempenho, alta precisão de medição e confiabilidade suficiente em ambientes de alta pressão, alta temperatura extremas. Ferramentas baseadas em NMR podem ser transportadas para um poço durante a perfuração (por exemplo, perfilagem durante perfuração) ou após perfuração (por exemplo, perfilagem de cabo de aço).

SUMÁRIO

[0003] Uma modalidade de um aparelho de ressonância magnética nuclear para estimar propriedades de uma formação de terra inclui:um transportador configurado para ser implantado em um poço na formação de terra; pelo menos um conjunto de transmissão disposto no transportador e configurado para gerar um campo magnético oscilante num volume de interesse dentro da formação de terra; pelo menos um conjunto de recepção disposto no transportador e configurado para detectar um sinal de ressonância magnética nuclear (NMR) originado no volume de interesse; e um conjunto de ímã disposto no transportador e configurado para gerar um campo magnético estático na formação a partir de um lado primário do conjunto de ímã, o conjunto de ímã incluindo uma matriz de ímãs alongados longitudinalmente tendo um padrão rotativo de orientações magnéticas, a matriz configurada para gerar o campo magnético estático no volume de interesse, a intensidade do campo magnético estático sendo mais alta no lado primário do que a intensidade do campo magnético em um lado do conjunto de ímã que é oposto ao lado primário.

[0004] Uma modalidade de um método para estimar propriedades de uma formação de terra inclui: implementar um transportador em um poço na formação de terra; gerar um campo magnético oscilante em um volume de interesse dentro da formação de terra por pelo menos um conjunto de transmissão disposto no transportador; gerar um campo magnético estático por um conjunto de ímã disposto no transportador, o campo magnético estático gerado de um lado primário do conjunto de ímã no volume de interesse, o conjunto de ímã incluindo uma matriz de ímãs alongados longitudinalmente tendo um padrão rotativo de orientações magnéticas, a intensidade do campo magnético estático sendo mais alta no lado primário do que a intensidade do campo magnético em um lado do conjunto de ímã que é oposto ao lado primário; detectar um sinal de ressonância magnética nuclear (NMR) por pelo menos um conjunto de recepção; e estimar as propriedades da formação de terra com base no sinal detectado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0005] O assunto o qual é considerado como a invenção é particularmente salientado e distintamente reivindicado nas reivindicações na conclusão do relatório descritivo. As características e vantagens anteriores e outras da invenção são evidentes a partir da seguinte descrição detalha tomada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

[0006] A FIG. 1 representa uma modalidade de um sistema de medição de formação que inclui um aparelho de medição de ressonância magnética nuclear (NMR) para perfilagem durante perfuração;

[0007] A FIG. 2 representa uma modalidade de um aparelho de medição de NMR para perfilagem de cabo de aço;

[0008] A FIG. 3 representa conjuntos de matriz de ímã exemplars configurados para gerar um campo magnético estático para medições de NMR juntamente com exemplos de seus campos associados;

[0009] A FIG. 4 representa componentes de uma modalidade de um aparelho de medição de NMR incluindo um conjunto de matriz de ímã e um conjunto de antena de transmissão/recepção (por exemplo, uma bobina de radiofrequência (RF)) configurados para gerar um campo magnético oscilante na formação e realizar a recepção de sinal;

[00010] A FIG. 5 representa componentes de outra modalidade de um aparelho de medição de NMR incluindo um conjunto de ímã e um conjunto de antena de transmissão/recepção;

[00011] A FIG. 6 representa componentes de uma modalidade de um aparelho de medição de NMR que inclui uma matriz de antenas para transmissão e recepção em combinação com uma matriz de ímãs para gerar um campo estático na formação; e

[00012] A FIG. 7 representa mapas de campo magnético estático resultantes de conjuntos de matriz de ímã exemplares e uma ilustração dos locais de campo em relação ao poço e ao volume de formação de interesse.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00013] Aparelhos e métodos para medir características de uma formação de terra usando técnicas de ressonância magnética são aqui descritos. As modalidades de um aparelho ou ferramenta de ressonância magnética nuclear (NMR) incluem conjuntos de ímãs configurados para gerar campos magnéticos estáticos, conjuntos de transmissores configurados para gerar campos magnéticos oscilantes e conjuntos de recepção configurados para detectar sinais de NMR que emanam da formação. O aparelho de NMR, em uma modalidade, é um dispositivo de cabo de aço ou de perfilagem durante perfuração (LWD) configurado para fazer medições numa série de profundidades ou localizações.

[00014] Modalidades de um conjunto de ímã incluem uma matriz de ímãs distintos (por exemplo, ímãs permanentes), com cada ímã tendo uma orientação magnética selecionada que é diferente da orientação de imãs adjacentes. A matriz forma um padrão de orientações que resulta em um campo magnético estático que é relativamente forte em um lado do conjunto do ímã (por exemplo, o lado dirigido para a formação durante as medições) e relativamente fraco ou mínimo em outro lado (por exemplo, oposto) do conjunto de ímã (por exemplo, o lado que está mais proximal à maior porção desocupada do poço durante medições). Um padrão exemplar de orientações é um padrão rotativo, semelhante aos encontrados nas matrizes de ímã Halbach.

[00015] Quando implantada em um poço e atuada para fazer medições de NMR de uma formação, a matriz de ímã gera um campo magnético externo estático que se estende para um volume de interesse na formação e que é mais fraco ou mínimo no lado adjacente ao poço de porção desocupada. Modalidades aqui descritas fornecem vários benefícios, tal como elevada profundidade de investigação para a formação e elevada razão sinal para ruído (SNR) dos dados de formação coletados, o que poderia permitir perfilagem mais rápida e resoluções verticais mais altas limitando o número de vezes que os dados devem ser mediados para obter SNR adequada para pós- processamento posterior. Um benefício adicional, devido à redução ou minimização dos campos magnéticos estáticos em direção ao espaço de poço desocupado (isto é, espaço desocupado pelo aparelho ou ferramenta), é a eliminação da necessidade de incluir antenas de RF adicionais para estragar o sinal de NMR originário do poço, assim reduzindo a complexidade e melhorando a confiabilidade do aparelho de NMR.

[00016] A matriz de ímã pode ser uma matriz linear, uma matriz circunferencial ou uma matriz parcialmente circunferencial de ímãs que geram um campo magnético forte em um lado primário com uma intensidade de campo magnético fraca ou mínima em um lado oposto (ou adjacente) em relação à localização do campo primário. Em modalidades que incluem uma matriz circunferencial ou semicircunferencial, a matriz é configurada de modo que o campo magnético seja mais forte em direção a uma área externa da matriz embora sendo mais fraco ou mínimo na região interna e/ou no centro da matriz. Algumas configurações circunferenciais ou semicircunferenciais podem ser consideradas para formar uma matriz de ímã "Halbach invertida", em que a intensidade de campo magnético é maior em um volume externo em relação à matriz, o que está em contraste com outros arranjos Halbach circunferenciais configurados para criar campos magnéticos fortes e homogêneos dentro da matriz circundante (por exemplo, para análise de amostra ou imageamento de ressonância magnética).

[00017] A FIG. 1 ilustra uma modalidade exemplar de um sistema de medição, aquisição de dados e/ou análise de fundo de poço 10 que inclui dispositivos ou sistemas para medição in situ de características de uma formação de terra 12. O sistema 10 inclui um aparelho de ressonância magnética, tal como uma ferramenta de NMR 14. Um exemplo do aparelho de ressonância magnética é uma ferramenta de ressonância magnética de perfilagem durante perfuração (LWD). A ferramenta 14 é configurada para gerar dados de ressonância magnética para uso na estimativa de características de uma formação, tal como porosidade, saturação de água irredutível, permeabilidade, teor de hidrocarboneto e viscosidade de fluido.

[00018] Uma ferramenta exemplar 14 inclui uma fonte de campo magnético estático 16 que magnetiza materiais de formação e um conjunto de transmissão 18 (por exemplo, uma antena ou conjunto de antena) que transmite energia de RF ou energia pulsada que fornece um campo magnético oscilante na formação. O conjunto transmissor 18 pode também servir a função de recepção ou antenas receptoras distintas podem ser utilizadas para esse fim. Pode ser apreciado que a ferramenta 14 pode incluir uma variedade de componentes e configurações como conhecido na técnica de ressonância magnética nuclear ou imageamento de ressonância magnética.

[00019] A ferramenta 14 pode ser configurada como um componente de vários sistemas subterrâneos, tal como sistemas de perfilagem de poço de cabo de aço e LWD. Por exemplo, a ferramenta 14 pode ser incorporada dentro de uma coluna de perfuração 20 incluindo uma broca de perfuração 22 ou outro transportador adequado e implantada no fundo de poço, por exemplo, a partir de uma sonda de perfuração 24 num poço 26 durante uma operação de perfuração. A ferramenta 14 não está limitada às modalidades aqui descritas e pode ser implantada em um transportador com métodos de transporte alternativos. Um "transportador", conforme descrito neste documento, significa qualquer dispositivo, componente de dispositivo, combinação de dispositivos, meios e/ou elementos que podem ser usados para transportar, alojar, suportar ou de outro modo facilitar o uso de outro dispositivo, componente de dispositivo, combinação de dispositivos, meios e/ou elementos. Transportadores não limitantes exemplares incluem colunas de perfuração do tipo de tubo em espiral, do tipo de tubo articulado e qualquer combinação ou porção das mesmas. Outros exemplos de transportadores incluem tubos de revestimento, cabos de aço, sonda de cabo de aço, sondas de cabo liso, cargas explosivas de queda, subs de fundo de poço, composições de fundo e colunas de perfuração.

[00020] Numa modalidade, a ferramenta 14 e/ou outros componentes de fundo de poço são equipados com equipamento de transmissão para comunicar finalmente com uma unidade de processamento de superfície 28. Tal equipamento de transmissão pode assumir qualquer forma desejada e podem ser utilizados diferentes meios e métodos de transmissão, tal como métodos de transmissão com fios, fibra óptica e/ou sem fios. Unidades de processamento adicionais podem ser implantadas com o transportador. Por exemplo, uma unidade eletrônica de fundo de poço 30 inclui vários componentes eletrônicos para facilitar a recepção de sinais e coleta de dados, a transmissão de dados e comandos e/ou o processamento de dados de fundo de poço. A unidade de processamento de superfície 28, os eletrônicos 30, a ferramenta 14 e/ou outros componentes do sistema 10 incluem dispositivos como necessário para fornecer armazenamento e/ou processamento de dados coletados da ferramenta 14 e outros componentes do sistema 10. Dispositivos exemplares incluem, sem limitação, pelo menos um processador, armazenamento, memória, dispositivos de entrada, dispositivos de saída e semelhantes.

[00021] Numa modalidade, medições de ressonância magnética são realizadas por uma ferramenta de ressonância magnética nuclear a qual gera um campo magnético estático (B0) num volume dentro da formação utilizando um ou mais ímãs (por exemplo, a fonte de campo magnético 16). Um campo magnético oscilante (por exemplo, RF) (B1), que é pelo menos substancialmente perpendicular ao campo magnético estático, é gerado no volume com uma antena de RF.

[00022] Um conjunto de recepção detecta o sinal de NMR excitado e captura sua relaxação de volta ao equilíbrio térmico. O sinal se origina da magnetização líquida resultante da superposição do sinal dos prótons de hidrogênio individuais no fluido de formação. Estes sinais são formados usando uma série de ecos de rotação (isto é, resultando em um trem de eco), que são detectados pela ferramenta, processados numericamente e, em última instância, exibidos em perfis de NMR. A amplitude destes ecos de rotação é detectada em função do tempo, permitindo a detecção tanto da amplitude inicial (isto é, para medição de porosidade) quanto do decaimento de sinal, o que pode ser usado para derivar outras características de formação e fluido após o procedimento de inversão de dados.

[00023] Quando os momentos magnéticos de % de núcleos de rotação, tal como aqueles de núcleos de hidrogênio, são expostos a um campo magnético estático, eles se orientam em dois ângulos (isto é, dois níveis de energia) em relação ao campo magnético estático e precessam em torno da direção do campo magnético estático aplicado. Nos campos magnéticos estáticos relativamente baixos e a altas temperaturas, típicas para uma ferramenta de perfilagem de NMR em uma formação de terra, os dois níveis de energia têm apenas populações ligeiramente diferentes, resultando em uma magnetização líquida muito pequena. Infelizmente, a magnetização líquida (estática) ao longo do campo magnético estático não pode ser detectada e requer a aplicação de um campo de RF ortogonal ao campo estático para "sugerir" a magnetização líquida no plano transversal, onde ela precessa e gera um campo magnético alternativo pequeno que pode ser detectado após a aplicação de pulsos de refaseamento (também chamados de pulsos de refocalização). A taxa à qual o equilíbrio é estabelecido na magnetização líquida mediante provisão de um campo magnético estático é caracterizada pelo parâmetro T1, também referido como constante de tempo de relaxação rotação-estrutura. Outro parâmetro é a constante de tempo de relaxação rotação-rotação, T2. Ambos, T1 e T2, são amplamente usados para caracterizar a formação e os vários fluidos contidos dentro da formação.

[00024] A FIG. 2 ilustra um exemplo de um aparelho de medição configurado como uma ferramenta de NMR 40 para perfilar uma formação previamente perfurada. A ferramenta 40 neste exemplo é configurada como uma ferramenta de cabo de aço que pode ser implantada em um poço aberto 42. A fonte de campo magnético estático inclui uma ou mais conjuntos de ímã 44. Os conjuntos de ímã 44 descritos em modalidades aqui são ímãs permanentes, mas não são tão limitados. Numa modalidade, os conjuntos de ímãs incluem eletroímãs, uma combinação de ímãs permanentes e eletroímãs, ou ímãs em combinação com materiais magnéticos macios. Uma ou mais antenas de transmissor e/ou receptor estão dispostas proximal a cada conjunto de ímã permanente 44. Neste exemplo, a ferramenta 40 inclui um conjunto de transmissor que inclui uma antena na forma de uma bobina de circuito de transmissão 46 e uma antena de recepção na forma de uma bobina de circuito de recepção 48. As configurações de antena não estão limitadas àquelas descritas aqui. Por exemplo, as antenas podem ser enroladas circunferencialmente em torno do conjunto de ímã ou ter uma forma ou orientação diferente. Em outros exemplos, uma única bobina ou grupo de bobinas pode ser configurado como ambos um dispositivo de transmissão e de recepção.

[00025] Outros componentes da ferramenta incluem, por exemplo, uma sonda 50 ou outro transportador e uma unidade eletrônica 52 conectada às bobinas 46 e 48 e/ou ao conjunto de ímã 44. A unidade eletrônica 52 e/ou as bobinas estão conectadas a uma localização de superfície através de um cabo de aço 54 ou outro sistema de telemetria adequado.

[00026] Neste exemplo, a ferramenta 40 é uma ferramenta direcional colocada contra a parede do poço e configurada para gerar campos magnéticos fortes em um volume de interesse dentro da formação. O conjunto de ímã 44 é orientado de modo que os campos magnéticos estáticos estejam geralmente no plano transversal (isto é, x-y) perpendicular ao comprimento do poço e ao eixo de ferramenta longitudinal (o eixo z neste exemplo) e é orientado geralmente em direção ao volume de interesse. A bobina de transmissão 46 neste exemplo é orientada geralmente em um plano perpendicular ao eixo x e emite um campo magnético oscilante pelo menos substancialmente ao longo do eixo x. A bobina de recepção 48 é orientada na mesma direção que a bobina de transmissão 46. As bobinas são de "aparência lateral" em que elas estão orientadas para emitir um campo magnético em uma região angular específica em torno do eixo de poço longitudinal (dirigido para z). Componentes tais como um braço extensível 56 podem ser incluídos e atuados para impulsionar o lado emissor da ferramenta 40 em direção à parede do poço, para aumentar a intensidade de campo no volume de interesse e para reduzir ou eliminar a influência de fluídos de poço no sinal adquirido.

[00027] A FIG. 3 ilustra várias modalidades de um conjunto de matriz de ímã configurado para gerar um campo magnético estático para medições de ressonância magnética. Cada modalidade pode ser incorporada num aparelho de medição de NMR, por exemplo, como o conjunto de ímã 44, ou em qualquer outro dispositivo de ressonância magnética de fundo de poço ou outro dispositivo que envolva gerar um campo magnético numa formação ou poço. Cada conjunto de ímã inclui uma matriz de ímãs permanentes 60, eletroímãs ou uma combinação de permanentes e/ou eletroímãs e seções de núcleo feitas de materiais magnéticos macios. A matriz de ímã 60 é configurada para gerar um campo magnético externo estático, B0 na formação.

[00028] Cada matriz tem um padrão de orientações de campo magnético que resulta em um campo magnético relativamente forte em um lado da matriz (um lado primário) e um campo magnético relativamente fraco ou mínimo em um lado oposto ou adjacente da matriz. Vários exemplos deste padrão rotativo estão ilustrados na FIG. 3, que mostra uma seção transversal em um plano x-y perpendicular ao eixo longitudinal (eixo z) do aparelho de medição. A orientação do campo magnético neste plano é mostrada para cada ímã ou segmento de ímã 60 por uma seta. À medida que se progride ao longo de cada imã adjacente 60 na matriz (seja linearmente ou ao longo de um caminho circunferencial), a direção angular ou fase de cada orientação de ímã muda de acordo com um padrão selecionado. Numa modalidade, a matriz tem um padrão rotativo de orientações semelhante àquele de uma matriz Halbach.

[00029] Os padrões exemplares da matriz de ímã são mostrados na FIG. 3. A geometria da matriz, as orientações magnéticas e campos associados B0 são mostrados para cada padrão de exemplo. Embora os conjuntos mostrados aqui sejam cilíndricos ou semicilíndricos, podem ser utilizadas outras formas e seções transversais. Em uma modalidade, conforme mostrado na FIG. 3, os ímãs 60 na matriz são colocados em contato entre si e fixados entre si por quaisquer meios adequados. Em alguns exemplos, os ímãs 60 formam uma matriz que é enrolada em torno de um centro do conjunto ao longo de um caminho circunferencial que pode ser definido pela periferia 62 da ferramenta.

[00030] Um primeiro conjunto de ímã exemplar 64 inclui uma matriz de ímãs em forma de cunha ou torta 60 formando um cilindro completo ou parcial. Quando a matriz 64 progride em uma direção angular ao longo da circunferência do cilindro, a direção de orientação de cada ímã 60 gira de modo que cada segmento de matriz de ímã tenha uma orientação que tenha um ângulo diferente (de segmentos de matriz de ímã adjacentes) em relação a uma direção radial de referência (por exemplo, o eixo x). Numa modalidade, a matriz é parcial, deixando uma região da matriz oposta ao lado emissor vazia ou contendo um material magnético macio para conter os campos e fornecer suporte estrutural para o conjunto (por exemplo, uma seção de espinha dorsal de ferro).

[00031] Um segundo conjunto 66 inclui uma matriz de ímãs 60 disposta em um padrão semicircular em torno de uma porção central vazia a qual pode ser usada como um conduto para rotear cabos ou fluido, ou usada para proporcionar espaço para material que oferece suporte estrutural. Neste exemplo, ímãs alternados 60 na matriz (isto é, ímã sim ímã não) têm uma orientação que está na direção radial em direção ou para longe do centro do conjunto 66, e o padrão de campo B0 global sai da ferramenta e entra na formação ao longo de uma direção principalmente radial.

[00032] Um terceiro conjunto 68, referido como um conjunto azimutal, também inclui uma matriz de ímãs em forma de cunha (embora também possam ser usadas formas de torta ou semelhantes) dispostas em uma matriz semicircular em torno de um segmento central não magnético. Este conjunto também tem um segmento de matriz que é feito de material magnético macio, fornecendo suporte estrutural e fornecendo um caminho magnético para conter os campos. Neste exemplo, o campo primário gerado B0 na frente da ferramenta atravessa um caminho que é azimutal para a ferramenta no volume de formação de interesse, isto é, tangencial ao caminho circular da matriz e complementar àquele produzido no conjunto 66.

[00033] A FIG. 3 também mostra modalidades de uma matriz linear de ímãs 60. Os conjuntos 70, 72 e 74 incluem cada um uma matriz de ímãs formando um cilindro sólido, embora configurações semelhantes com materiais magnéticos macios, espaços vazios e/ou materiais que fornecem suporte estrutural possam ser empregadas. A matriz de ímãs 60 progride linearmente (por exemplo, ao longo do eixo y) e a orientação do ímã 60 na matriz gira quando os ímãs 60 progridem de uma extremidade da matriz para a outra.

[00034] Em cada modalidade mostrada na FIG. 3, o conjunto de ímã está configurado para gerar um campo magnético estático B0 que é relativamente forte e/ou tem uma área maior no lado do aparelho de medição de NMR que é dirigido em direção ao volume de interesse. Desta forma, o campo pode ser aplicado a uma região da parede de poço e/ou formação, embora gerando uma intensidade de campo magnético menor ou mínima adjacente ao campo primário ou dirigida em direção à porção desocupada maior do poço.

[00035] Como uma ilustração, a FIG. 3 mostra os campos magnéticos B0 gerados por cada matriz, que são sombreados para mostrar a intensidade relativa do campo magnético. Uma legenda indicando a intensidade de campo relativa é incluída para mostrar os gradientes de campo magnético variando de uma intensidade de campo magnético mais alta até uma intensidade de campo progressivamente mais fraca. Os mapas de campo magnético 84, 86, 88, 90, 92 e 94 representam o campo magnético dos conjuntos 64, 66, 68, 70, 72 e 74, respectivamente. Em uma modalidade, cada conjunto está disposto num poço 96 numa formação 98 como mostrado na FIG. 3, embora os conjuntos possam ser posicionados no poço 96 em outros locais ou em outras posições.

[00036] Como mostrado, tanto a área coberta pelo campo magnético estático B0 quanto a intensidade do campo B0 são significativamente maiores em um lado da matriz do que em um lado oposto da matriz. Além disso, os conjuntos de matrizes 64, 66 e 68 mostram cada qual uma intensidade de campo magnético diminuída ou mínima em regiões vazias de material magnético, tal como regiões em torno do eixo de rotação dos segmentos de matriz e adjacentes à região principal do espaço de poço desocupado. Estas configurações de conjunto de ímã permitem que aparelhos ou ferramentas de NMR sejam atuados para gerar um campo magnético forte em um volume de interesse fora de um poço na formação, embora gerando um campo magnético relativamente fraco ou mínimo nas regiões internas do poço.

[00037] A FIG. 4 e a FIG. 5 mostram modalidades de componentes de uma ferramenta de ressonância magnética 100 incluindo uma matriz de ímã permanente 102 e pelo menos um conjunto de antena de RF configurado para transmitir e/ou receber sinais de ressonância magnética. A FIG. 4 mostra um exemplo de uma matriz Halbach azimutal e a FIG. 5 mostra um exemplo de uma matriz Halbach de torta. As matrizes de ímãs permanentes 102 geram um campo magnético B0 tendo um fluxo magnético na direção azimutal na frente da ferramenta e no plano x-y, com idealmente nenhum campo ou mínimo na direção z. As orientações de campo magnético são mostradas na FIG. 4 e a FIG. 5 como uma série de setas.

[00038] O conjunto de antena de RF está configurado para emitir um campo magnético oscilante B1 dentro de uma dada faixa de frequência. Numa modalidade, a ferramenta 100 inclui uma antena configurada como uma bobina de circuito 104 tendo um caminho retangular e geralmente se conformando à superfície externa do lado da matriz 102 (perpendicular ao plano x-y). A bobina de circuito 104 emite um campo magnético B1 que é geralmente orientado em uma direção radial ao longo do eixo da bobina central. As direções dos campos B1 são mostradas com gráficos de setas na FIG. 4 e na FIG 5.

[00039] Numa modalidade, a antena inclui uma combinação de uma ou mais bobinas de circuito estendidas ao longo do comprimento da matriz de ímã 102 (isto é, a direção longitudinal). A FIG. 6 mostra uma configuração exemplar de um aparelho de NMR incluindo uma matriz de ímã permanente e um conjunto de antena de RF usado para estender a sensibilidade.

[00040] A FIG. 4 e a FIG. 5 mostram modalidades de um aparelho de NMR que inclui um conjunto de ímã tendo uma matriz de ímãs numa configuração semicilíndrica e tendo uma orientação de campo estático azimutal na frente da ferramenta, isto é, voltada para o volume de formação em interesse. O conjunto de antena inclui uma bobina de circuito 104, a qual é posicionada azimutalmente, de modo que o campo magnético interno da bobina de circuito seja dirigido para um volume de interesse dentro da formação. Os campos magnéticos B0 das matrizes de ímãs têm direções que são grandemente ortogonais àquelas produzidas pelas antenas de RF.

[00041] Os vários componentes do conjunto de antena podem ser dispostos de diferentes maneiras, dependendo de considerações tais como direcionalidade e a distribuição do campo B0 . Por exemplo, uma configuração de antena alternativa seria necessária para produzir campos ortogonais àqueles mostrados na modalidade 66 da FIG. 3.

[00042] Aparelhos de medição de ressonância magnética podem incluir uma matriz de conjuntos de antenas distribuídos em torno da circunferência da ferramenta. Cada conjunto de antena pode ser usado para gerar campos B1 de modo que um maior volume de interesse possa ser interrogado e melhorar a resolução vertical e ou a SNR da medição.

[00043] Por exemplo, a FIG. 6 mostra uma estrutura de antena de elementos múltiplos distribuída ao longo do comprimento de um conjunto de matriz de ímã. A estrutura de elementos múltiplos proporciona sensibilidades únicas ao longo do aparelho de medição. A estrutura da matriz de antena de RF pode incluir conjuntos de transmissão, conjuntos de recepção ou conjuntos distintos adequados para transmissão e recepção.

[00044] A FIG. 7 inclui mapas de campo que mostram os campos estáticos produzidos por várias modalidades e demonstra vários aspectos vantajosos de tais modalidades. Foram comparadas múltiplas matrizes de ímãs circulares e lineares com ímãs unidirecionais convencionais de área de seção transversal equivalente em termos de intensidade de campo no volume de formação de interesse (campos mais altos são melhores) e no poço (campos mais baixos preferidos). Os mapas também são mostrados em relação a um poço 116 e um volume de interesse 118 numa região de uma formação circundando o poço 116. A fila 120 mostra um mapa de campo B0 associado a uma ferramenta tendo um conjunto de ímã unidirecional e é fornecido para fins de comparação. As filas 122, 124 e 126 mostram mapas de campo para ferramentas incluindo a matriz em forma de torta 64, a matriz radial 66, a matriz azimutal 68, respectivamente. As filas 128, 130 e 132 mostram mapas de campo para ferramentas incluindo as matrizes lineares 70, 72 e 74,respectivamente.

[00045] Os resultados indicaram que as ferramentas tendo modalidades de matriz de ímã aqui descritas são superiores a outras configurações de ímã (por exemplo, conjuntos unidirecionais) em termos de sua aplicabilidade para intensificar a sensibilidade global de medições de NMR na perfilagem de poço de NMR. Como mostrado na FIG. 7, tais modalidades têm uma intensidade B0 significativamente reduzida em direção à maior área de poço desocupada em relação à configuração unidirecional, bem como uma intensidade de campo magnético maior no volume de formação de interesse.

[00046] Embora as modalidades aqui descritas sejam principalmente compreendidas de ímãs permanentes, está previsto que campos magnéticos externos de alta intensidade também podem ser produzidos por eletroímãs montados em uma matriz de ímã de outro modo similar.

[00047] Os aparelhos de medição e os conjuntos de ímã aqui descritos podem ser usados em vários métodos para estimar características de formação. Um método exemplar inclui fazer medições de NMR de fundo de poço como parte da operação de perfilagem de poço e/ou LWD. O método pode ser realizado em conjunto com o sistema 10 e/ou modalidades do aparelho de NMR, mas não está limitado a ele. O método inclui um ou mais estágios descritos abaixo. Numa modalidade, o método inclui a execução de todos os estágios na ordem descrita. No entanto, certos estágios podem ser omitidos, estágios podem ser adicionados ou a ordem dos estágios mudada.

[00048] Num primeiro estágio, uma ferramenta de medição de NMR ou outra ferramenta de medição de ressonância magnética é implantada em um poço. Numa modalidade, a ferramenta (por exemplo, a ferramenta 14) é implementada como parte de uma operação de cabo de aço de furo aberto, ou durante a perfuração como parte de uma operação LWD. A ferramenta inclui uma matriz de ímã permanente tendo um padrão de rotação ou alternância de orientações como descrito acima.

[00049] Em um segundo estágio, um campo magnético estático B0 é gerado no volume de formação circundante e um sinal de radiofrequência (RF) ou outro sinal pulsado é transmitido de pelo menos uma antena de transmissão a qual, por sua vez, gera um campo magnético oscilante B1 no volume de interesse. Pelo menos uma antena de recepção detecta sinais de NMR do volume em resposta à interação entre as rotações nucleares de interesse e os campos magnéticos estáticos e oscilantes e gera dados de NMR brutos. Os dados de NMR brutos incluem trens de eco de rotação medidos em uma pluralidade de profundidades. Os dados de NMR são gerados em profundidades múltiplas, durante as quais a ferramenta pode estar em movimento ou estacionária. Em uma modalidade, os dados são gerados em um número suficiente de profundidades de modo que um perfil de NMR contínuo ou quase contínuo possa ser gerado.

[00050] Em um terceiro estágio, os dados de NMR são analisados para estimar características da formação. Por exemplo, os dados de eco de rotação são convertidos em uma distribuição de tempos de relaxação T2 . Distribuições de T2 podem, então, ser usadas para estimar propriedades de permeabilidade e fluido, ou para realizar tipagem de fluido ou análises petrofísicas mais avançadas.

[00051] Os aparelhos, sistemas e métodos aqui descritos têm várias vantagens em relação aos aparelhos e as técnicas da técnica anterior, incluindo elevada SNR de medição, resolução vertical melhorada e elevada velocidade de perfilagem.

[00052] Por exemplo, modalidades do aparelho de medição aqui descrito melhoram a intensidade de campo magnético B0 em um volume de formação de interesse, embora minimizando o campo B0 no poço no qual o aparelho é implantado. Outras vantagens incluem a capacidade de construir ferramentas de menor diâmetro com desempenho consistente com ferramentas tendo diâmetros externos padrão da indústria maiores para perfilagem de NMR de cabo de aço. Ferramentas menores poderiam dar acesso a mais poços e reduzir o potencial para prisão de ferramenta.

[00053] Reservatórios não convencionais, caracterizados por rochas de baixa permeabilidade e relaxação T2 rápida são o alvo de muitas operações de perfilagem e exploração e a exploração de tais reservatórios é esperada aumentar no futuro. Modalidades descritas aqui exibem elevada sensibilidade em relação às técnicas da técnica anterior, o que pode facilitar a avaliação precisa de reservatórios não convencionais e intensificar as capacidades de tipagem de fluido.

[00054] A velocidade de perfilagem é uma especificação de desempenho importante devido à sua relação com custo. A velocidade de perfilagem é limitada diretamente pela SNR, uma vez que qualidade de dados insuficiente deve ser compensada por empilhamento de sinal (média), o que melhora a SNR de acordo com a raiz quadrada do número de conjuntos de dados empilhados, mas substancialmente sacrifica a eficiência em termos de velocidade de perfilagem. A SNR melhorada gerada pelas modalidades aqui descritas é ainda vantajosa em que ela permite aumentos na velocidade de perfilagem.

[00055] A profundidade de investigação (DOI) é limitada por uma combinação de intensidade de ímã permanente e sensibilidade de antena. Modalidades aqui descritas proporcionam campos magnéticos que poderiam melhorar a DOI em um volume de interesse (mostrado na FIG. 7), o que pode ajudar a reduzir a influência de uma zona de invasão de filtrado de lama. As modalidades podem assim facilitar a medição (por exemplo, de porosidade e permeabilidade) com precisão mais alta em formações contendo filtrado de lama, em relação às configurações da técnica anterior que têm uma DOI mais rasa. A tipagem de fluido bidimensional também é intensificada no alto B0 gradiente de campo proximal aos campos primários gerados pela matriz de ímãs.

[00056] Em conexão com os ensinamentos deste documento, podem ser usadas várias análises e/ou componentes analíticos, incluindo sistemas digitais e/ou analógicos. O sistema pode ter componentes tais como processador, meio de armazenamento, memória, entrada, saída, enlace de comunicação (com fio, sem fio, lama pulsada, óptico ou outro), interfaces de usuário, programas de software, processadores de sinais e outros componentes (tais como resistores, capacitores, indutores, etc.) para fornecer operação e análises do aparelho e métodos aqui divulgados em qualquer de várias maneiras bem apreciadas na técnica. É considerado que estes ensinamentos podem ser, mas não precisam ser, implementados em conjunto com um conjunto de instruções executáveis por computador armazenadas num meio legível por computador, incluindo memória (ROMs, RAMs), ópticas (CD-ROMs) ou magnéticas (discos, discos rígidos), ou qualquer outro tipo, que quando executadas fazem um computador implementar o método da presente invenção. Estas instruções podem fornecer operação de equipamento, controle, coleta e análise de dados e outras funções consideradas relevantes por um projetista, proprietário, usuário de sistema ou outro pessoal, além das funções descritas nesta divulgação.

[00057] Um versado na técnica reconhecerá que os vários componentes ou tecnologias podem fornecer certa funcionalidade ou certas características necessárias ou benéficas. Por conseguinte, estas funções e características, quando puderem ser necessárias em suporte das reivindicações anexas e variações das mesmas, são reconhecidas como sendo inerentemente incluídas como uma parte dos ensinamentos deste documento e uma parte da invenção divulgada.

[00058] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a modalidades exemplares, será compreendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser usados em lugar de elementos da mesma sem afastamento do escopo da invenção. Em adição, muitas modificações serão apreciadas pelos versados na técnica para adaptar um instrumento, uma situação ou um material particular aos ensinamentos da invenção sem afastamento do escopo essencial da mesma. Portanto, pretende- se que a invenção não seja limitada à modalidade específica divulgada como o melhor modo contemplado para a realização desta invenção.

Claims

1. Aparelho de ressonância magnética nuclear para estimar propriedades de uma formação de terra (12), o aparelho caracterizado pelo fato de que compreende: um transportador configurado para ser implantado em um poço (26) na formação de terra (12); pelo menos um conjunto de transmissão (18) disposto no transportador e configurado para gerar um campo magnético oscilante num volume de interesse dentro da formação de terra (12); pelo menos um conjunto de recepção disposto no transportador e configurado para detectar um sinal de ressonância magnética nuclear (NMR) originado no volume de interesse; e um conjunto de ímã (44) disposto no transportador e configurado para gerar um campo magnético estático na formação a partir de um lado primário do conjunto de ímã (44), o conjunto de ímã (44) incluindo uma matriz de ímãs alongados longitudinalmente tendo um padrão de rotação de orientações magnéticas, em que as orientações magnéticas das adjacentes dos ímãs longitudinalmente alongados (60) diferem em menos de 180 graus, a matriz configurada para gerar o campo magnético estático no volume de interesse, a intensidade do campo magnético estático sendo mais alta no lado primário do conjunto magnético (44), que está em um primeiro lado de uma superfície externa da matriz de ímãs longitudinalmente alongados do conjunto magnético (44), do que a intensidade de campo magnético em um lado do conjunto de ímã (44) que é o oposto ao lado primário e está em um segundo lado, oposto ao primeiro lado, da superfície externa da matriz de ímãs longitudinalmente alongados do conjunto magnético (44).

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímãs alongados longitudinalmente tem um padrão de rotação de orientações magnéticas num plano transversal perpendicular a um eixo longitudinal do conjunto de ímã (44).

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímã (44) é uma estrutura cilíndrica ou semicilíndrica e a matriz é uma matriz linear dos ímãs longitudinalmente alongados que formam a estrutura.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz é uma matriz circunferencial dos ímãs alongados longitudinalmente, a matriz seguindo um caminho circular ou semicircular, o padrão de rotação de orientações magnéticas configurado para gerar um campo magnético estático forte em torno da superfície externa da matriz e um campo magnético fraco ou mínimo no centro da matriz.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímã inclui um padrão de segmentos de ímã alternados que produz uma orientação de campo magnético estático primário dirigida radialmente em direção ou para longe do conjunto de ímã (44).

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímã inclui um padrão de segmentos de ímã alternados que produz uma orientação de campo magnético estático primário dirigida ao longo de um caminho que é tangencial à circunferência circular ou semicircular do perímetro do conjunto de ímã (44).

7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz inclui pelo menos uma de uma matriz de ímãs permanentes e uma matriz de eletroímãs.

8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matriz inclui uma pluralidade de segmentos, a pluralidade de segmentos incluindo uma pluralidade de segmentos de ímã e pelo menos um segmento é pelo menos um de um material magnético macio, um espaço vazio e um material não magnético.

9. Método para estimar propriedades de uma formação de terra (12), o método caracterizado pelo fato de que compreende: implantar um transportador em um poço (26) na formação de terra (12); gerar um campo magnético oscilante em um volume de interesse dentro da formação de terra (12) por pelo menos um conjunto de transmissão (18) disposto no transportador; e gerar um campo magnético estático por um conjunto de ímã (44) disposto no transportador, o campo magnético estático gerado de um lado primário do conjunto de ímã (44) para o volume de interesse, o conjunto de ímã (44) incluindo uma matriz de ímãs alongados longitudinalmente tendo um padrão de rotação de orientações magnéticas, em que as orientações magnéticas das adjacentes dos ímãs longitudinalmente alongados (60) diferem em menos de 180 graus, a intensidade do campo magnético estático sendo mais alta no lado primário do conjunto magnético (44), que está em um primeiro lado de uma superfície externa da matriz de ímãs longitudinalmente alongados do conjunto magnético (44), do que a intensidade de campo magnético em um lado do conjunto de ímã (44) que é o oposto ao lado primário e está em um segundo lado, oposto ao primeiro lado, da superfície externa da matriz de ímãs longitudinalmente alongados do conjunto magnético (44); detectar um sinal de ressonância magnética nuclear (NMR) por pelo menos um conjunto de receptor; e estimar as propriedades da formação de terra (12) com base no sinal detectado.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímãs alongados longitudinalmente tem um padrão de rotação de orientações magnéticas num plano transversal perpendicular a um eixo longitudinal do conjunto de ímã (44).

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o conjunto de ímã (44) é uma estrutura cilíndrica ou semicilíndrica e a matriz é uma matriz linear dos ímãs longitudinalmente alongados que formam a estrutura.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a matriz é uma matriz circunferencial dos ímãs alongados longitudinalmente, a matriz seguindo um caminho circular ou semicircular, o padrão de rotação de orientações magnéticas configurado para gerar um campo magnético estático forte em torno de uma superfície externa da matriz e um campo magnético fraco ou mínimo no centro da matriz.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímã inclui um padrão de segmentos de ímã alternados que produz uma orientação de campo magnético estático primário dirigida radialmente em direção ou para longe do conjunto de ímã (44).

14. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a matriz de ímã inclui um padrão de segmentos de ímã alternados que produz uma orientação de campo magnético estático primário dirigida ao longo de um caminho que é tangencial à circunferência circular ou semicircular do perímetro do conjunto de ímã (44).

15. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a geração do campo magnético oscilante inclui a geração de campos magnéticos ortogonalmente orientados por uma bobina de antena no pelo menos um conjunto de transmissão (18).