CN101460860B - 井下微型磁共振分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在井眼中使用的井下微型磁共振分析仪，它具有：微型样品管、接近所述微型样品管(16)的微型射频线圈(14)、和设置在所述微型样品管(16)周围的一个或多个磁体(12)。微型磁共振分析仪可用于核磁共振或电子字旋共振试验，以确定地层特性和化学组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种在井眼中使用的井下核磁共振测井仪器，特别是一种小型井下核磁共振测井仪器。
背景技术
井下核磁共振测井仪器在石油和天然气开采中经常被使用，比如，为了查明或推断出井眼周围的地下地层的特性。井下核磁共振测井仪器可在钻井眼时使用，或者钻后例如在电缆上插入井眼中。使用井下核磁共振测井仪器能够测量各种储层流体特性。可以对地层中的储层流体进行测量，也可以对从地层或井眼抽出的储层流体进行测量。核磁共振装置可以是单机装置，也可以作为模块组装在流体取样装置中，就像授予Kleinberg的美国专利US6346813B1。地层流体检测装置的例子是施伦贝格尔科技公司(Houston，TX)销售的商标为MDTTM的模块化地层动态检测器。
井下核磁共振测井仪器一般包括磁体，磁体能在流体样品体积上产生静态磁场。核磁共振装置还包括能产生射频脉冲的线圈或天线。射频天线的磁偶极矩与静态磁场的磁偶极矩大体垂直。另外，核磁共振装置可包括一个或多个梯度线圈。
一般来说，由于井下核磁共振测井仪器的静态磁场太不均匀而不能很好的允许核磁共振波谱来完成测量。不均匀是因为包括磁体的磁性材料和磁体配置的变化。因此，样品体积的静态磁场的不均匀性太大而不能完成核磁共振波谱，但一般来说对于常规的核磁共振测量比如弛豫时间和扩散是可接受的。
发明内容
一种在井眼中使用的井下微型磁共振分析仪，具有微型样品管、接近所述微型样品管的微型射频线圈、和设置在所述微型样品管周围的一个或多个磁体。微型磁共振分析仪可用于核磁共振或者电子自璇共振试验，以确定地层特性和化学组成。
附图说明
图1显示了根据本发明制造的微型核磁共振分析仪的一个实施例；
图2显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的样品传输半个通道的一个实施例；
图3显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的预极化长度的一个实施例；
图4显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的螺旋线圈的一个实施例；
图5显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的亥姆霍兹线圈的一个实施例；
图6显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的螺线管线圈的一个实施例；
图7显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪的开槽微带的一个实施例；
图8显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪以产生Z轴(dBz/dZ)梯度线圈的结构；
图9显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪以产生Y轴(dBz/dY)梯度线圈的结构；
图10显示了可用于图1所示的微型核磁共振分析仪以产生X轴(dBz/dX)梯度线圈的结构；
图11显示了使用永久磁体的图1的微型核磁共振分析仪的一个实施例；以及
图12显示了使用电磁铁的图1的微型核磁共振分析仪的一个实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种在基片上的实验室/微型磁共振分析仪及其使用方法。微型磁共振分析仪(微型MR分析仪)能够测量核自旋或电子自旋。能够测量核自旋的微型磁共振分析仪称作微型核磁共振分析仪，能够测量电子自旋的微型磁共振分析仪称作微型电子自旋共振分析仪。虽然下面讨论的着眼点主要在核磁共振分析仪，但是它同样也适用于微型电子自旋共振分析仪。
如图1所示，微型核磁共振分析仪10具有微型或大的磁体12、微型射频线圈14、微型样品管16、和可选择的微型梯度线圈18。微型射频线圈天线14(线圈直径小于1毫米)通过微加工技术制成。由于微型射频线圈14(或探针)很小，所以核磁共振敏感区也很小，在这个区域上静态磁场不均匀性也很小。结果，即使在更大尺寸上考虑时静态磁场是非均匀的，可用微型核磁共振分析仪10进行核磁共振测量。由于用微型射频线圈14激发核磁共振自旋所需的电功率很小，可建造小型化的磁共振波谱仪。梯度线圈18也可以通过包括电镀技术的微加工技术制成。微加工技术可为装置组件有效地建立精确几何形状和优良机械稳定性。
图1显示了用于井下流体分析的微型核磁共振分析仪，它相对于现有核磁共振分析装置更小。微型核磁共振分析仪10被连接到用于激发和数据采集的支撑电子器件(未示出)。支撑电子器件对于电子自旋共振分析仪可能不同，但是它们的目的是相同的。微型核磁共振分析仪通过对很少流体样品体积测量，以获得各种流体特性，比如，粘性、自旋晶格弛豫时间(T1)、自旋-自旋弛豫时间(T2)、分子扩散、分子组成、含氢指数(HI)、以及水饱和度。微型核磁共振分析仪10可以单独使用，或者与施伦贝格尔模块化动态测试仪(MDT)或类似采样装置一起使用。
图2部分地显示了样品管16的一个实施例。在这个实施例中样品管16由两件不导电材料构成，其中，不导电材料例如为玻璃、陶瓷、或聚合物。图2为两件不导电材料中的一件。这两件不导电材料中例如通过蚀刻技术开有槽道20。当这两件不导电材料被放在一起时，两个槽道20对齐形成具有所需横截面形状的通道。样品管16的横截面尺寸有助于确定流速，并且是对系统设计者而言可用的设计参数。由于使用微加工技术，样品管16的路径和横截面面积可被很好地控制，并且允许复杂的设计选择。可使用两件以上的不导电材料形成样品管16。替代地，毛细管也可以作为样品管16。
为了在流体进入测量区之前预极化流体，细长样品传输通道22可增加到样品管16上。样品传输通道22可以是如上所述的直线段通道，或者优选地是在测量区附近经过弯曲或螺旋路径的通道，如图3所示。后一种方法可减小产生预极化所需的磁体的尺寸。取决于预极化通道长度，核磁共振测量可以低速率进行或者在流体被停止的模式(停止模式)下进行。
除了为核磁共振测量产生B0以外，相当长的直流(即，静态)磁场段对于预极化是必需的。优选地具有尽可能大的预极化磁场。但是，在预极化区域的均匀性要求不像在核磁共振测量区域那样严格，下文将进一步论述。
其中，核磁共振的信噪比与B0 7/4成比例。因此，理想地是在核磁共振分析仪中使用尽可能大的B0场。磁场设计所考虑最重要的第一参数是磁体12的强度，磁体的强度应尽可能大。这主要通过保证样品尽可能接近磁体12来实现。第二个参数是磁场的均匀性，磁场应尽可能均匀。当需要更大磁场时，总是会意识到空间限制和其它几何形状约束以及温度考虑可能限制磁体选择。
磁场可以通过在线圈中流通的直流电产生、或者通过使用诸如钐钴(SmCo)的永久磁性材料产生。对于给定的磁体尺寸，超导电磁体的磁场强度比永久磁体的磁场强度大，永久磁体的磁场强度又比非超导丝制成的电磁体的磁场强度大。三种磁体设计都是可行的并且在本发明的范围之内。磁体的选择取决于不同的因素，比如仪器的复杂性和成本。例如，超导磁体可产生最大并且最均匀的磁场，可是需要低温以及维护。永久磁体却不需要考虑这些，但材料的变化可能导致多多少少不均匀的磁场，不均匀的磁场对于一些应用可能有损装置的性能。
优选的实施例使用永久磁体12。使用微型制造方法，磁体12可被直接设置在“芯片”或包括样品管16的基体材料13上。使用常规的加工方法，永久磁体12能很容易地制造。就像本领域所知的一样，两个平行磁体可形成相当均匀的磁场。永久磁体12形成的磁场会因为磁体材料的变化而变化。磁场的这些变化与用于构建磁体12的更小块体的尺寸成比例。然而，与样品尺寸成比例的核磁共振测量区很小、并可制成比相关块体的尺寸更小。因此，它可在大体均匀的区域进行核磁共振测量。由于样品管16和微型射频线圈14可制成非常小，两个永久磁体12可被放置成相互非常接近，因此增大透过样品区的磁场。核磁共振敏感区的小尺寸有助于B0均匀性要求，从而允许使用产生静态磁场的任何方法。在另一实施例中，可以使用多于两个的磁体12产生B0。在本领域公知的是按照特定的场方位布置六个或更多磁体可形成非常适合该用途的圆柱形均匀磁场。
不同实施例的微型射频线圈14可被使用在本发明中。尽管优选的频率是在射频范围内，本发明不限制于这些频率。在空间受限制的地方，使用一些扁平状态的线圈是很理想的。在一个实施例中，本发明包括亥姆霍兹(Helmholtz)线圈，即，使两个线圈布置成使它们的平面平行、并相隔等于线圈直径的距离。这样的线圈设置在两个线圈之间的空间产生非常均匀的磁场，并且对当前应用来说是非常理想的。为了节省空间和易于通过微加工技术制造，可将两个线圈做成如图4所示的螺旋形状。线圈14的螺旋部分可被蚀刻在印刷电路板上并安装到样品管16上，但是优选实施例是将线圈14直接蚀刻在样品管16上。包括螺旋部分的导体材料(如，铜)的厚度和宽度可很小(例如，小于1毫米)。两个线圈14可被放在样品管16的相反两侧，如图5所示。线圈直径/间距应选择成在整个样品区产生均匀磁场，并且优选地尽可能地最接近样品管16。
如图6所示的螺旋管形微型线圈14可以被使用在本发明中。就像上述的亥姆霍兹线圈实施例一样，螺旋射频线圈14的直径可相对小(例如，小于1毫米)。线圈14被缠绕在样品管16上，但优选地通过卷绕直接设置在样品管16上被微型制造。这可以更好的控制磁场均匀性并有助于减小声共振。该实施例对于用作样品管16的毛细管是特别有用的。同样，线圈14也优选地尽可能地最接近样品区。这样的构造在样品区产生大体均匀的磁场，并且优化了线圈14“填充因子”(被样品占据的线圈内部的百分比)。
微型射频线圈14的另外实施例包括常规微带线24，其具有设置在介电材料28顶部上的第一传导线路26，介电材料28安装在接地层30(第二传导线路)上。阻抗由第一传导线路26的宽度、介电材料28的介电常数、和两个传导线路26、30之间的间距决定。常规微带线24可被机加工或蚀刻以形成穿过微带线24的小(即，<<一个波长)槽道32(图7所示)。槽道32产生的通道形成样品管16。如前所述，这个实施例也可以通过微加工技术制成。
梯度线圈18可用于研究扩散并且用于成像。由于梯度线圈18的平面特性，它们也能够通过使用微加工技术加工而成，并不需要占据太大的空间。对流体样品的自扩散研究需要在仅仅一个方向上的梯度。产生不同梯度的不同线圈设置如图8、9、10。诸如成像的其它更复杂测量可能需要其它更复杂的梯度。上述不同线圈设置的结合可用于提供更复杂的梯度。
如图11所示的实施例包括设置在样品管16两侧的两个相对的永久磁体12。磁体可以放置在芯片的表面上或者它们可以是放置在这些表面附近的大的永久磁体体。可渗透的磁极件(如图12所示)也可用于集中磁场，从而增强磁体的均匀性。磁场强度取决于磁性材料的特性和磁体的尺寸。这种结构可用于在流动过程中以及在停止模式下进行核磁共振研究。磁体12比微型射频线圈14长，从而允许在探测以前进行自旋的预极化。微型射频线圈14被微型制造在芯片的与磁体12正交的两个表面上。在射频范围内可操作的可渗透磁性材料也可用于提高微型射频线圈14的磁场。可渗透磁性材料也可用于提高梯度线圈18的性能。
图12所示的实施例使用了电磁体34。静态B0场利用形成C型磁体的可渗透磁杆36被集中在检测(测量)空间。所示的设计在停止模式下执行核磁共振测量，因为没有对流体自旋的自旋预极化。然而，预极化可以被增加。B1场可被微型射频线圈14提供，或者，可选择地，可在侧表面上制造亥姆霍兹型线圈。
上述的二维或三维的核磁共振技术能够通过使用核磁共振测井设备用于表征储层流体的特性。典型的核磁共振分子动态参数如T1、T2和D就能通过本发明测量。此外，储层流体的化学位移或者核磁共振波谱信息也可以通过本发明测出，就像可以测出样品管中流动流体的速率分布一样。
尽管质子通常是核磁共振试验中所关心的自旋，也可使用其它的自旋。例如，某些碳、磷、氟的同位素具有可产生核磁共振响应的自旋。本发明可适用于对含有能够产生核磁共振响应的自旋的任何样品进行核磁共振试验。
例如，当原子具有不成对的电子时，发生电子自旋共振(ESR，电子顺磁共振，EPR)。它也可对诸如氧气的顺磁化合物和诸如氯原子的自由基发生。诸如钒的一些金属也与有机化合物结合使得稳定地存在不成对电子。可对具有ESR的样品进行磁共振试验，而且本发明允许在井下进行这种实验。
多个微型核磁共振分析仪能被同时地或相继地使用。这允许调查研究不同的自旋或成分，并且产生多个数据点。这与现有的井下核磁共振仪器不同，现有的核磁共振仪器不能靠近另一核磁共振仪器使用一个核磁共振仪器。
本发明可通过微加工技术制造使整个设备构建在芯片13上。可选择地，设备的一部分可制作在芯片13上。对样品管16和微型射频线圈14尤其是这样的。磁体12可以或者不可以直接制造在芯片13上。
尽管本发明已经参照上述有限实施例被描述，了解上述公开内容的本领域技术人员可以认识到也能设想其它实施例而不脱离本发明所要保护的范围。因此，本发明通过所附的权利要求来限制所要保护的范围。
Claims (18)
1.一种在井眼中使用的井下微型磁共振分析仪，包括：
与井眼采样装置连接的微型样品管，所述微型样品管包括基体，所述基体具有形成在其中的通道以便输送储层流体；
接近所述微型样品管的微型射频线圈，其中，所述微型射频线圈的至少一部分被直接蚀刻在所述微型样品管上；和
一个或多个磁体，通过将至少一个磁体直接设置在包括所述微型样品管的基体上来微型制造所述一个或多个磁体，所述一个或多个磁体在所述微型样品管中产生磁场。
2.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，所述微型磁共振分析仪是微型核磁共振分析仪或微型电子自旋共振分析仪。
3.如权利要求1所述的用于井下的磁共振分析仪，其特征在于，所述微型射频线圈具有螺旋部分，所述螺旋部分被蚀刻在印刷电路板上并被安装到所述微型样品管上。
4.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，还包括流体地连接到所述微型样品管的样品传输通道，所述样品传输通道包括在所述样品传输通道中产生静态磁场以便在储层流体进入所述微型样品管之前预极化储层流体的至少一部分。
5.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，还包括与所述微型样品管流体连通的样品传输通道。
6.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，所述一个或多个磁体是永久磁体。
7.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，所述微型射频线圈包括亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈具有两个线圈，所述两个线圈布置成使它们的平面平行、并相隔等于所述线圈的直径的距离。
8.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，所述微型射频线圈是螺旋形、大体平坦的线圈。
9.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，还包括一个或多个梯度线圈。
10.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，还包括可穿透磁性材料。
11.如权利要求1所述的井下微型磁共振分析仪，其特征在于，所述分析仪的全部利用微加工技术建造在芯片上。
12.一种在井眼中使用的微型磁共振分析仪系统，包括微型磁共振分析仪，所述微型磁共振分析仪包括：
微型射频线圈，所述微型射频线圈包括微带线，所述微带线具有设置在介电材料上的第一传导线路，所述介电材料被安装在第二传导线路上；
穿过所述微带线以形成微型样品管的槽道；
设置在所述微型样品管周围的磁铁，所述微型样品管被连接到井眼采样装置以便输送储层流体。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，两个微型磁共振分析仪被相继地或同时使用以确定不同的自旋或成分。
14.一种在井眼中进行磁共振试验的方法，包括：
通过井眼采样装置对储层流体取样；
将储层流体输送到在井眼中的井下微型磁共振分析仪，所述微型磁共振分析仪包括：
微型样品管；
接近所述微型样品管的微型射频线圈，所述微型射频线圈被蚀刻在印刷电路板上并被安装到所述微型样品管上；和
设置在所述微型样品管周围以便在所述微型样品管中产生磁场的一个或多个磁体；
在所述微型样品管中获得一部分储层流体；
通过所述一个或多个磁体极化所述一部分储层流体；
通过来自所述微型射频线圈的射频信号辐射所述流体样品；和
测量来自所述流体样品的磁共振响应。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括给一个或多个梯度线圈通电。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括预极化所述流体样品。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述测量磁共振响应包括测量自旋晶格弛豫时间、自旋-自旋弛豫时间、扩散、分子组成、含氢指数、水饱和度、化学位移、波谱、或者这些测量的任意组合。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述测量磁共振响应包括测量来自质子自旋或除质子自旋之外的自旋的核磁共振响应。
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Granted publication date: 20130306 Termination date: 20190502 |
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