CN100399479C - 适于便携式核磁共振装置使用的永磁体 - Google Patents

Abstract

适于便携式核磁共振装置用的永磁体，由多块轭铁组成长方体形状轭铁体；一对永磁磁块安装在相对的上、下轭铁上，该对永磁磁块彼此相对的表面上分别安装极板，极板的另一表面装有匀场环。永磁磁块由钐钴永磁材料制成，极板和匀场环外缘均为等大的矩形形状。侧面轭铁中间部分被切除，形成通孔。也可省略部分轭铁，以最大限度地减轻磁体重量。采用矩形形状的极板，可在相同的空间范围内增大极板的面积，并最大限度地增大匀场区的体积，以利消除边缘效应，特别是采用温度特性优良的钐钴永磁材料，进一步增强磁场的均匀性。本永磁体适于油田等现场勘探或开发用的核磁共振测井和岩心分析。

Description

适于便携式核磁共振装置使用的永磁体

技术领域

本发明涉及核磁共振装置的结构部件，具体地说，涉及一种适于诸如钻井或测井现场实施石油岩心分析测试的便携式核磁共振仪中所用的永磁体。

背景技术

在采掘、探矿现场，实现快速获取岩心样品之物理化学测试有其实际意义。譬如，石油开采中在线获取石油岩样的渗透率、孔隙度等物性参数，对于认识油藏品质，评估油田设计以及提高勘探开发效果都有重要意义。

目前通用的方法是先钻井取得岩心样品，再将岩样送回实验室进行岩心分析，如核磁共振谱的测试和分析。这种方法固有的缺陷在于获取岩样所需费用极高，并且分析岩心所需的时间过长(一般约需一个月)，以致所得分析结果因其时效性差，不能有效地应用于指导对油田的勘探和开发。而且，这种方法还大大增加运送、保存岩样过程中的人力与资源的耗费。由此，一种在油田生产现场直接实施测试，以获取所需岩心样品之物性参数的分析方法具有广泛的实际需求，进而直接促进对适于探矿、采掘等现场使用的便携式仪器的研制。

实际上，在石油勘探开发的钻井过程中，通常可以收集到大量岩屑，比如直径约为5mm的岩石碎片。迄今，尚未见开发从这类岩屑中获取油矿岩石之孔隙度、渗透率、核磁共振驰豫时间等油层物理信息。如能从这类岩屑中获得这些物性参数，则不仅可以大大减少取心量，进而大幅度降低勘探开发成本，特别还能给地质工程师和油藏工程师及时提供大量的物性参数，极大地提高沉积相分析、油藏描述等方面的分析精度和水平。

采用核磁共振技术测量岩石内流体分布及流体与岩石骨架表面的相互作用，将与岩石是否破碎无关，并且测量过程具有无损、非侵入、无需加压和其它处理等独特的优点。因此，将其用于石油岩心，特别是岩屑分析，可快速和准确地从现场钻井岩屑中获得孔隙度、渗透率等重要物性参数。

迄今，制约核磁共振仪器得以有效地适于油田勘探或开采等现场应用的重要原因在于，目前所用的核磁共振仪器整体体积大、重量大，而且对工作环境要求高。这当中作为核磁共振仪器重要组成部分的磁体是造成上述缺点的直接原因。现有核磁共振仪中使用的磁体均为钕铁硼永磁体，其磁场温度稳定性不好。而且，现有核磁共振仪中的磁体均取圆形极板，不利于最大限度地增加磁场均匀区的体积。为获得尽可能大的均匀磁场区域，只能加大磁体的尺寸。

为了保证核磁共振仪器具有较高的灵敏度、信噪比和稳定性，并具有较大的磁场强度、磁场均匀性和稳定性，还要求有尽可能大的均匀磁场区域。但为了适于现场使用，必然对整个仪器，进而仪器其中的磁体重量和体积提出要求。

中国专利CN96239872.1记载的《核磁共振分析仪永磁体》系将钕铁硼材料制成的磁钢粘固在轭铁上，并在磁钢上设置圆形极板，所述圆形极板周围设置匀场环，藉以提高磁体间隙内的磁场均匀度。但为了减小磁体的体积和重量，却不得不将磁体间隙与磁体极板直径之比由通常的1∶7减低为1∶3。这势将大大减小均匀磁场的范围，而直接导致整个仪器磁场强度、磁场均匀性和稳定性都大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于便携式核磁共振分析仪器使用的、重量轻且体积小的永磁体，具有较大的磁场强度、较大的均匀磁场区域，并且磁场稳定性好。

为实现上述目的，本发明提供一种适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，包括多块轭铁，它们组成长方体形状的轭铁体；一对永磁磁块被安装在两块上、下轭铁上，所述一对永磁磁块彼此相对的表面上分别安装极板，所述极板的另一表面上装有与其外缘形状相同的匀场环；其中，所述永磁磁块由钐钴永磁材料制成，所述极板和匀场环的外缘均为矩形形状，并且除安装所述永磁磁块的轭铁以外的侧面轭铁的中间部分被切除，形成对称几何图形形状的通孔。

作为一种优选的方式，构成轭铁体的两块侧面轭铁的中心分别被切割有一个矩形形状的通孔，并且其中的匀场环是由薄金属条组成的矩形。这样，既保证所述各轭铁形成所需磁路，具有足够的导磁能力，又能大大减轻整个磁体的重量。

作为优选，上述轭铁体中所述安装有永磁磁块和极板的两块上、下轭铁的长度与邻接的侧面轭铁的邻接边长之比约为2∶1。

作为上述优选方式的进一步改型，构成轭铁体的一块侧面轭铁的中心部分被切割有一个菱形形状的通孔，而与之相对另一个侧面的轭铁改用两根细金属棒代替，并支撑所述安装有永磁磁块和极板的两块上、下轭铁对应的端角部分，实现对该二轭铁的磁路连接。从而，既保证该二金属棒与其它轭铁形成磁路，具有足够的导磁能力，又最大限度地减轻整个磁体的重量。

作为优选，上述实施例中所述安装有永磁磁块和极板的两块上、下轭铁的长度与所述侧面轭铁邻接边的边长之比为2.1∶1。

作为前述优选方式的又一种改型，系省去构成轭铁体的两块侧面轭铁中的一块轭铁，并且所述安装有永磁磁块和极板的两块正面轭铁的长度与所述侧面轭铁与之邻接边的边长之比为2.2∶1。从而仍可保持两块极板之间的均匀磁场，并极大地减轻整个磁体的重量。

采用本发明结构的核磁共振装置使用的永磁体，由于使用矩形形状的极板，因而在相同限度的空间范围内能够获得比圆形极板增大了的极板面积，从而，增大了匀场区的体积，最大限度地在极板间隙范围内形成均匀磁场。从另一方面看，要产生同样强度的均匀磁场，按照本发明结构的磁体，可以使用更小体积的这种磁体。又因使用钐钴材料制成所需的磁钢，因为钐钴材料的温度特性优于钕铁硼材料，因此可使磁场的稳定性大大提高。特别是，按照本发明结构的核磁共振装置使用的永磁体，其中，侧面轭铁中心部分形成呈对称几何形状的中空切口，这极为有效地减轻了整个磁体的重量，进而为制成重量轻、体积小、适于便携移动使用的核磁共振装置提供保证条件。它的直接意义在于，使用安装本发明结构永磁体的核磁共振装置，能够实现在采掘和探矿现场的现场测试，实现对岩样的实时方向和测试。

图面说明

从以下参照附图对优选实施例的详细描述，将使本发明适于便携式核磁共振装置使用的永磁体的结构和特点变得愈为清晰。其中：

图1是表示本发明第一种实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体结构的分解透视图；

图2是表示图1所示永磁体结构的装配透视图；

图3是表示本发明第二种实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体结构的分解透视图；

图4是表示图3所示永磁体结构的装配透视图；

图5是表示本发明第三种实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体结构的分解透视图；

图6是表示图5所示永磁体结构的装配透视图。

具体实施方式

以下参照附图描述实现本发明适于便携式核磁共振装置使用的永磁体的实施例。相应附图中具有相同功能的部件使用相同或类似的附图标记予以表示。

以下参照图1-2描述本发明第一优选实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体的结构。

如图1所示为该第一实施例之永磁体结构的分解透视图。其中，上轭铁1和下轭铁9以及两块侧面轭铁5和14，通过螺钉11′-13′、11-13、10′、10以及15′-16′(相应的螺钉15-16图中未示出)连接，组成一个整体成长方体形状的轭铁体；作为整个磁体的主体。所述轭铁采用电工磁纯铁(型号DT4C，下同)制造，所述各连接螺钉采用不锈钢材料。

如果以面对图2的纸面方向观看，上、下轭铁1和9的长度为200mm，宽度为160mm，并且它们互相相对内表面上分别用市售强力胶(商品名325厌氧胶，下同)粘结钐钴合金(Sm₂Co₁₇)材料制成的永磁磁块2和8，并使钐钴永磁磁块2和8各自在所述轭铁1和9上排列成相反的极性。每个侧面轭铁5和14与相邻上、下轭铁1和9的邻接边的边长为100mm，而与该邻接边垂直的另一边的边长为160mm，即等于所述上、下轭铁1和9的宽度。从而形成相邻的上、下轭铁与侧面轭铁的长度之比为200mm∶100mm＝2∶1。每一块轭铁1、9和5、14的厚度均为10mm。

在所述钐钴永磁磁块2和8互相相对内表面上分别用上述强力胶粘结呈矩形形状的极板3和7。

使二极板3和7的相对内表面之间形成宽度58mm空气隙，从而在该间隙内形成均匀磁场。

图2为图1所示实施例永磁体结构对应的整体装配透视图。图中示出，本实施例永磁体的两个侧面轭铁5和114的中心均被切割成矩形形状的通孔。该矩形通孔的尺寸约为长100mm，宽50mm，从而保证整个磁体有足够的导磁能力，并使如此构成的磁体重量约为10公斤，仅为同样线度之普通永磁体重量的五分之一左右。

再回到图1，一对极环4和6分别用强力胶粘结在极板3和7上，极环4或6为矩形结构，由电工磁纯铁加工成的薄片组成，并且其外部周缘与所依附的极板外缘等大。极板3或7为电工磁纯铁加工成矩形结构，这种结构在相同的空间范围内增大了极板和及极环的面积，更有利于聚磁和消除边缘效应，从而达到最大限度地提高磁场强度均匀性的目的。

采用上述结构，在图2所示磁体的中心区域形成了一个恒定磁场。为进一步提高磁场的均匀性，在极板3和7上粘有薄的、尺寸不等的硅钢片(图中未示出)。按照本实施例，以上述结构磁体的几何中心为中心，在直径约25mm、轴向长约30mm的柱形范围内，形成强度达到880GS的恒定磁场，并且磁场均匀度优于100ppm。

图3和4示出本发明第二种实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体结构的分解透视图。按照本实施例，如图3所示，所述轭铁体由上、下轭铁1和9和一块侧面轭铁5，以及与侧面轭铁5相对设置的两根不锈钢棒15和16组成；整体通过螺钉11′-13′、11-13、10′、10以及14′、14连接形成长方体形状。所述二不锈钢棒15和16各自通过螺钉对10′、10以及14′、14连接在所述上、下轭铁1和9之间。各轭铁采用电工磁纯铁制造，各连接用的螺钉均采用不锈钢材料制成。

钐钴永磁磁块2和8分别用市售强力胶粘结在所述上、下轭铁1和9上，并使所述钐钴永磁磁块各自在上、下轭铁1和9上排列成相反极性。所述上、下轭铁1和9的长度约为210毫米，宽度约为160。所述侧面轭铁5与相邻上、下轭铁1和9的邻接边的边长为100mm，而与该邻接边垂直的另一边的边长为160mm，即等于所述上、下轭铁1和9的宽度。从而形成上、下轭铁与侧面轭铁的长度之比为210mm∶100mm＝2.1∶1。在钐钴永磁磁块2和8的相对外表面上用上述强力胶分别粘结有矩形极板3和7。

图4为与图3所示第二实施例磁体结构对应的整体装配透视图。图中示出两根不锈钢棒15和16分别通过两组螺钉连接在上、下轭铁1和9的相应边角部分，这种结构进一步减轻了磁体重量。与第一实施例的磁体相比，这种结构进一步大大减轻了磁体的重量。以同样外形尺寸的两种结构磁体，采用本实施例结构，其整体重量进一步较前述第一实施例的减轻约1公斤。该图示出，侧面轭铁5的中部开有边长为45mm的菱形通孔。

再参照图3和4，在所述极板3和7的周缘部分上分别用上述强力胶粘结有矩形极环4和6。并且所述极环4和6的周缘与相应极板3和7的周缘等大。本实施例磁体中的极板3和7由电工磁纯铁制成，其上所附极环4和6系由宽度约为10mm的电工磁纯铁材料制成的薄片拼合成矩形结构。由第一实施例相同，所述极板间3和7形成宽度58毫米的空气隙。

与现有技术通常使用的圆形极板和极环相比，在相同的空间范围内，本实施例磁体中的极板和及极环面积可分别增大20％-50％，更加有利于聚磁和消除边缘效应，从而达到最大限度地提高磁场强度的均匀性的目的。

通过上述结构，在图4所示的磁体的中心区域内，直径为25毫米、轴向长为30毫米柱形范围内形成强度达到880高斯，并且磁场均匀度优于100ppm的恒定磁场。为进一步提高磁场的均匀性，在极板3和7上粘有薄的、尺寸不等的硅钢片(图中未示出)。

采用本实施例的永磁体，整体重量仅为约9-10公斤，尤其适于安装到核磁共振装置内，实现整个仪器的便携移动，完全满足野外现场分析岩心、原油等的物理、化学性质。

以下参照图5和6描述本发明第三实施例适于便携式核磁共振装置使用之永磁体结构。如图5所示，本实施例中，上、下两块轭铁1和9和一块侧面轭铁5，通过螺钉10′-12′、10-12连接形成整体成横向“∏”字形状的轭铁体。本实施例的轭铁体一侧(图中示出为右侧)与前述第一和第二实施例相同，只是另一侧面放置轭铁为悬空布置，即省去一侧(图中示出为左侧)的侧面轭铁。与前述两个实施例中的情况相同，所述轭铁均采用电工磁纯铁制造，以及连接螺钉均采用不锈钢材料制成。上、下轭铁1和9上同样用强力胶分别粘结钐钴永磁磁块2和8，并且所述二钐钴永磁磁块各自在正面轭铁1和9上被布置成极性相反。极板3和7分别用强力胶粘结在钐钴永磁磁块2和8上。

图6示出与图5所示第三实施例永磁体结构对应的整体装配透视图。从图中可以看出，整个轭铁体的一个侧面被完全悬空，这种结构进一步减轻了磁体重量。为保证整个轭铁体的机械强度，本实施例中所述上、下轭铁1和9的尺寸为150mm×160mm(同样是面对图纸的方向观察)，而所留存一侧的侧面轭铁5与相邻上、下轭铁1和9的邻接边的边长为68mm，而与该邻接边垂直的另一边的边长为160mm，即等于所述上、下轭铁1和9的宽度。从而使所述上、下轭铁与侧面轭铁的长度比约为2.2∶1。省去一侧的轭铁，仍可在轭铁1、9、5围成的气隙中形成磁路。如图6中所示，所余侧面轭铁5的中央部位开有直径为40mm的圆形通孔。

再参照图5，其中，在极板3和7上分别用强力胶粘结有由电工磁纯铁制成的薄片围合成的极环4和6，并且极环4和6为矩形形状。所述极板3和7也为电工磁纯铁加工成矩形结构。并且所述极环4和6的周缘与相应极板3和7的周缘等大。组成极环的薄片宽度为10mm。从而，按照本实施例结构构成的磁体，其整体重量仅在5-7kg范围内。

本例中的永磁体中所述二极板3和7之间形成的空气隙宽度约为36mm。在以磁体几何中心为中心，直径为10毫米、轴向长为20毫米的范围内，形成一个强度达到880高斯的恒定磁场，并且磁场均匀度优于100ppm。采用这样的永磁体尤其适于装配成岩屑录井场合所用的便携式核磁共振仪。

按照上述本实施例的结构，在相同的空间范围内增大了极板和及环的面积，更有利于聚磁和消除边缘效应，从而达到最大限度地提高磁场强度的均匀性的目的。通过上述结构，在图6所示磁体的中心区域形成一个恒定磁场。为进一步提高磁场的均匀性，在极板3和7上粘有薄的、尺寸不等的硅钢片(图中未示出)，用以补偿磁场的局部不均匀。

采用本发明结构的永磁体，与相应的电子线路配合可组成便携式核磁共振分析仪器。使用了本发明结构的永磁体，因永磁磁体具有优良的磁场稳定性，因而可使核磁共振分析仪器工作稳定。如果对仪器上配置自动温度控制系统，更可提高核磁共振仪器在诸如油田等现场恶劣使用环境的适应能力。发明人对磁体的稳定性进行了测试，即在磁体温度达到35摄氏度稳定的条件下对磁体分析测试。在仪器连续开机24小时后，用高斯计测量磁体中心磁场7次，每3小时测量一次，其结果被表示于表1中。

表1.磁体稳定性测量

测试序号	1	2	3	4	5	6	7
								B<sub>0</sub>(高斯)	904.85	904.85	904.87	904.85	904.86	904.86	904.85

表中的B₀表示磁体中均匀区中心的磁场强度。由表1可见，在24小时内被测磁场强度漂移仅为0.02高斯，相当于0.92ppm/小时的稳定度，表明磁体在一定稳定温度下稳定性很好。

测量结果的重复性是分析仪器的重要技术特性，因而，这也是检测永磁体性能的重要技术指标。发明人选取我国北方油田的多块具有一定分布的已知孔隙度、渗透率的岩心为试样，对采用本发明永磁体的核磁共振岩样分析仪的测量重复性进行了实际检测。在仪器稳定的条件下，对每一块岩心连续进行核磁共振分析。完成多次重复性测量后，对比分析核磁共振孔隙度、渗透率及可动流体含量的分析结果。表2明确示出对其中1号样品的测量结果，可以看出重复性非常好。

表2连续5次核磁共振分析结果(1号样品)

序号	孔隙度(％)	渗透率(um<sup>2</sup>)	可动流体(％)
				1	4.56	0.017	18.43
2	4.64	0.018	18.45
				3	4.59	0.016	17.96
4	4.60	0.017	17.96
				5	4.61	0.016	17.44

虽然已经通过一些具体实施例进一步说明本发明，但这仅是用于举例的方式。熟悉本领域的人可以理解，可对上述实施例作出各种改型和变换，而不致脱离由所附各权利要求限定的本发明精髓和范围。

Claims (9)

1.一种适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，包括多块轭铁，它们组成长方体形状轭铁体；一对永磁磁块被安装在两块相对的上、下轭铁上，所述一对永磁磁块彼此相对的表面上分别安装极板，所述极板的另一表面上装有与其外缘形状相同的匀场环；其特征在于：所述永磁磁块由钐钴永磁材料制成，所述极板和匀场环的外缘均为矩形形状，并且除安装所述永磁磁块的上、下轭铁以外的侧面轭铁的中间部分被切除，形成对称几何图形形状的通孔。

2.如权利要求1所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，构成所述轭铁体的两块侧面轭铁的中心分别被切割有一个长方形的孔，并且所述匀场环是由薄金属条组成的矩形。

3.如权利要求2所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，所述安装有永磁磁块和极板的上、下轭铁长度为200毫米，并且与相邻侧面轭铁之邻接边的边长之比为2∶1。

4.如权利要求2或3所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，所述极板间形成宽度58毫米的空气隙。

5.如权利要求1所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，构成所述轭铁体的一块侧面轭铁的中心部分被切割有一个菱形通孔，而另一个相对的侧面布置两根细金属棒支撑所述安装有永磁磁块和极板的上、下轭铁的边角部分。

6.如权利要求5所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，所述安装有永磁磁块和极板的上、下轭铁长度为210毫米，并与所述相邻侧面轭铁之邻接边的边长之比为2.1∶1。

7.如权利要求5或6所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，所述极板间形成宽度58毫米的空气隙。

8.如权利要求1所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，构成轭铁体的一个侧面有侧面轭铁，该侧面轭铁的中央部位开有直径为40mm的圆形通孔，并且所述安装有永磁磁块和极板的上、下正面轭铁的长度与所述侧面轭铁邻接边的边长之比为2.2∶1。

9.如权利要求8所述的适于便携式核磁共振装置使用的永磁体，其特征在于，所述极板间形成宽度36mm的空气隙。

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