CN101772715A - 井下使用的热稳定磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于估计由钻井穿透的地质构造的特性的测井仪器，所述仪器具有在所述仪器上和/或在所述仪器内设置的磁体，其中所述磁体在该钻井中的温度范围上呈现大小“基本上”恒定的磁场。

Description

井下使用的热稳定磁体

对相关申请的交叉引用

本申请根据37 CFR§1.53(b)和35 U.S.C.§120提交，并要求于2008年8月1日提交的美国临时专利申请No.60/953,242的优先权，该申请的全部内容通过引用特别包含于此。

技术领域

在此公开的发明涉及核磁共振测量。特别地，本发明涉及提供热稳定的磁场。

背景技术

地球物理勘测要求钻孔达到地球内部非常深的地方。这些孔通常称为“钻井”，用来提供测量地质构造的特性的途径。

测井是用于从钻井对地质构造进行测量的技术。在一个实施例中，“测井仪器”在线缆的端部被下放到钻井内。测进仪器通过该线缆将数据发送到地面进行记录。在另一个实施例中，测井仪进行随钻测量，并且不使用线缆。测井仪器的输出可以是多种形式，并且可以被称为“测井记录(log.)”。一种测量涉及使用核磁共振(NMR)来测量地质构造的特性。用于随钻测量(measurement-while-drilling)的NMR测井仪器的实例是德克萨斯州休斯敦的贝克休斯公司(Baker Hughes Incorporated of Houston，Texas)生产的MAGTRAK。

NMR使用磁场来极化原子核以测量原子核的NMR特性。在一个实施例中，通过永磁体来提供该磁场。使用恒定的磁场大小来确保准确的测量结果是有益的。但是，磁场大小可能由于磁体温度的变化而改变。由于钻井深处的温度通常远高于地球表面的温度，所以磁体温度可能发生改变。

标准的永磁体具有负温度系数。负温度系数意味着磁体的磁场大小随着温度的升高而可逆性地减小。有多种途径来对负温度系数进行补偿。

一种方法要求保持磁体温度恒定。一般来说，这种方法要求磁体被加热到比井下预期最高温度更高的温度。使用这种方法有一些缺点。其一是需要额外的设备，如温度控制器。其次是需要为加热提供额外的能量，并且该能量必须分布在磁体周围。另外，磁体的热稳定时间可能会花费几个小时。另一个考虑是，温度稳定需要一定量的隔离材料，对此在井下应用中具有有限的空间。特别是，在执行随钻测量的NMR仪器中空间是有限的。例如在井下NMR应用中，当加热磁体不可行时，可以使用信号补偿。

信号补偿方法要求NMR波谱仪(spectrometer)的参考频率与磁场强度成比例变化。当波谱仪的参考频率与磁场强度成比例时，在地质构造中，NMR共振条件将保持在相同位置。信号补偿方法同样具有一些缺点。一个缺点是要求额外的电子设备，例如可变频率发生器。另一个缺点是，可能需要重新调整NMR传感器的共振器及其他相关的共振器。另外，由于测量条件的变化(例如，改变的谐振脉冲振铃信号或改变的电干扰敏感性)，改变的磁场强度和频率可能会使校准更加困难。

另一试图提供恒定磁场强度的方法要求使用电磁体。该电磁体可以通过绕永磁体缠绕线圈形成。来自线圈的磁场可以补偿变化的永磁体磁场强度。使用电磁体同样有一些缺点。例如，线圈需要额外的电子器件，例如调节线圈电流的控制回路。线圈同样消耗额外的能量和并需要空间，该空间可能无法在井下NMR仪器中获得。

另一种提供温度补偿的技术在美国专利US6,577,125B2中公开，该专利的发明名称为“Temperature Compensated Magnetic Field Apparatus For NMRMeasurements”，于2003年6月10日公布，其后续申请是美国专利US6,803,761B2，该专利的发明名称为“Temperature Compensated Magnetic Circuit”，于2004年10月12日公布。公开了“两个磁体具有带相同符号的不同磁温度系数，并且第一磁体的磁化方向与第二磁体的磁化方向之间的夹角大约为180度。”使用两个相对的磁场的一个缺点是总的磁场大小小于在没有相对磁场情况下可获得的大小。

因此，所需要的是在NMR仪器中提供具有“基本上”恒定的大小的磁场的技术。优选的，该技术不涉及能量消耗或需更具有相对磁场的磁体组件。

发明内容

公开了一种用于估计由钻井穿透的地质构造的特性的测井仪器，所述仪器具有在所述仪器上和/或在所述仪器内设置的磁体，其中所述磁体在该钻井的温度范围上呈现大小“基本上”恒定的磁场。

还公开了一种在钻井内执行核磁共振(NMR)测量的方法，所述方法包括：选择适合在所述钻井内使用的测井仪器，所述仪器包括在所述钻井的温度范围上提供大小“基本上”恒定的磁场的磁体；以及用所述仪器执行所述NMR测量。

进一步公开了一种生产在钻井内执行核磁共振测量的测井仪器的方法，所述方法包括：选择在所述钻井的温度范围上提供大小“基本上”恒定的磁场的磁体；以及将所述磁体设置到所述仪器内。

附图说明

在本说明书结论部分的权利要求书中特别指出并清楚要求保护本发明所涉及的主题。本发明的上述及其他特征和优点将从下面结合附图的详细说明显而易见，在附图中：

图1示出了穿入地层的钻井内的测井仪器的示例性实施例；

统称为图2的图2A和图2B示出了热稳定磁体的示例性实施例；

图3表示在钻井内执行核磁共振测量的示例性方法；以及

图4表示生产测井仪器的示例性方法。

具体实施方式

这些教导提供了一种用于测井仪器中的热稳定的磁体。该磁体在整个温度范围上提供“基本上”恒定的磁场大小。“基本上”在上下文中的含义是变化的大小小于每摄氏度0.02％。在一个实施例中，该磁体呈现“基本上”为0值的温度系数。该磁体对于使用测井仪器执行核磁共振(NMR)测量是有益的。该磁体的好处是，相对于先前利用一般呈现负温度系数的永磁体所获得的测量结果，该磁体提供更加精确的NMR测量结果。

为方便起见，做出如下定义。术语“温度系数”是指一个数学因数，其将磁体的磁场大小变化与该磁体的温度变化相关联。公式(1)以数学项的形式给出了温度系数的一个例子。

B(T)＝B(T₀)(1+αΔT)                                       (1)

其中：B(T)代表了在温度T磁体产生的磁场大小，T₀代表参考温度，α代表温度系数，并且ΔT代表该磁体的温度变化(T-T₀)。

具有负温度系数的磁体随着温度升高呈现减小的磁场大小。相反地，具有正温度系数的磁体随着温度升高呈现增大的磁场大小。关于确定温度系数，可以通过集成的通量计测量该磁体的磁通量。作为选择，可以通过霍尔传感器(Hall sensor)测量测井仪器外部的勘测区域的磁场。虽然此处的这些教导讨论的是磁场，但是术语“磁场”同样也涉及磁通量密度。

术语“热稳定”涉及在用户关注的温度范围上呈现“基本上”为0的温度系数的磁体。热稳定磁体在测井仪器工作的钻井内所预期的温度范围上表现出相对于磁体的温度变化，相关联的磁场的大小变化很小或者没有变化。钻井内的温度通常随着深度而升高。因此，测井仪器被设计为在高达大约175℃或更高的温度下工作。当在此处使用引号内的术语“基本上”时，其指变化的大小小于0.02％每摄氏度。

术语“核磁共振测量”涉及测量地质构造的特性。NMR测量包括测量在极化(polarizing)磁场中的原子核的进动。此处的这些教导提供了用于提供极化磁场的热稳定磁体。

参考图1，示出了测井仪器10，其设置在钻井2中。钻井2钻探穿过地层7并穿透地质构造4，所述地质构造4包括多个地质构造层4A-4E。测井仪器10通过使用配有铠装电缆6或者本技术领域已知的类似运输工具降入到钻井2中以及从钻井2中退出。示出了磁体5，其设置在该测井仪器10内或该测井仪器10上。如在此处所使用的，测井仪器10的非限定的实施例可以包括外壳、底架、电子设备、布线和天线中的至少一个以用于执行核磁共振(NMR)测量。本领域技术人员可以认识到，此处公开的这些技术能够应用到其他实施例中，例如在随钻记录(logging-while-drilling，LWD)或者随钻测量(measurement-while-drilling，MWD)操作。在LWD应用中，测井仪器10是钻头上方的钻柱底部的底部钻具组合(bottom hole assembly，BHA)的一部分。

图2示出了磁体5的示例性实施例。在图2A的实施例中，该磁体5包括中空圆柱形状。根据测井仪器10的类型，磁体5的磁化基本上沿横向20或轴向21。例如，在MAGTRAK NMR LWD仪器中的磁体沿轴向21磁化，从而在地质构造4中提供低的径向场梯度。该MAGTRAK仪器由得克萨斯州休斯敦的贝克休斯公司生产。该磁体5在地质构造4的勘测体积内提供磁化原子核。因此，在钻井2的整个温度范围上，该磁体5在勘测体积内提供“基本上”恒定的磁场大小。

参考图2，磁体5的示例性实施例可以包括钐钴合金(Sm_xCo_y)。某些具有专有权的合金可以使用，包括Sm_xCo_y。这些具有专有权的合金可作为RECOMA

STAB由Precision Magnetics LLC of Valparaiso，Indiana获得，并且使用了Sm₂Co₁₇和SmCo₅中的至少一种。用来构造磁体5的材料的另一个例子是钕铁硼(NdFeB)。可以采用其他使用了Sm_xCo_y、钕铁硼、或其他材料的实施例，其中，这些材料呈现磁体5所需的性能。例如，其他稀有元素，例如钆(Gd)或铽(Tb)，可以用来部分地替换Sm_xCo_y中的Sm。在一个实施例中，百分之五十的Sm被替换为Gd。图2B示出了作为在所关注的温度范围上的磁场大小相对于磁体5的温度的曲线图的斜率的磁体5的示例性温度系数。参考图2B，该温度系数“基本上”为0。

钻井2内的高温可能导致测井仪器10的部件(例如磁体5)热膨胀。热膨胀的结果是在地质构造4的测量位置的磁场大小的损失。在一些实施例中，可以使用正温度系数来构造磁体5，以补偿由于磁体5或测井仪器10的热膨胀而导致的磁场大小的损失。

图3给出了在钻井2中执行NMR测量的示例性方法30。该方法30要求选择31适合在钻井2中使用的测井仪器10。该测井仪器10包括热稳定磁体5。进一步地，该方法30要求执行32使用仪器10的NMR测量。

图4给出了制造在钻井2中执行NMR测量的测井仪器10的示例性实施例40。该方法40要求选择41热稳定磁体5。进一步地，该方法40要求将所述热稳定磁体5设置42到所述测井仪器10中。

上面给出的这些具体实施方式是说明性的而不是要限制到此处的教导。例如，其他实施例可以使用多于一个磁体。进一步地，这些教导包括使用不同形状的磁体。这些例子包括采用圆柱形和矩形形状中的至少一种的磁体。当使用图1中给出的测井仪器10的实施例执行NMR测量时，能够想到在测井仪器10中使用磁体5在钻井2中执行要求磁场在温度范围上具有“基本上”恒定的磁场大小的其他类型的测量或功能。

在提及实施例的元件时使用了冠词“一”或“一个”。这些冠词意图表示具有一个或多个元件。术语“包括”和“具有”及其衍生词意图是包含性的，使得除了所列的这些部件外还可以具有附加的部件。当对于具有至少两个项的列表使用连词“或者”时，意图表示任意项或者这些项的组合。

本领域技术人员将意识到不同的组件或技术可以提供某些必要的或有益的功能或特性。因此，支持所附的权利要求及其变化所需的这些功能和特性，被认为是作为此处教导的一部分和本发明所公开的一部分而被固有地包含。

虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解在不脱离本发明范围的前提下可以进行各种变化，并且等效物可以替换其要素。此外，在不脱离本发明实质范围的前提下，本领域技术人员将认识到多种修改以使特定仪器、情况或材料适应本发明的教导。因此，希望本发明不限于作为实现本发明所预期的最佳实施方式公开的特定实施例，但是本发明应当包括落入所附的权利要求范围内的全部实施例。

Claims (15)

1.一种用于估计由钻井穿透的地质构造的特性的测井仪器，所述仪器包括：

(a)在所述仪器上和/或在所述仪器内设置的磁体，其中所述磁体在所述钻井的温度范围上呈现大小“基本上”恒定的磁场。

2.如权利要求1中所述的仪器，其中所述仪器执行核磁共振NMR测量。

3.如权利要求2中所述的仪器，其中所述磁场施加到所述地质构造的勘测体积。

4.如权利要求1中所述的测井仪器，其中所述范围包括大约0℃到大约200℃。

5.如权利要求4中所述的测井仪器，其中所述范围包括大约20℃到大约175℃。

6.如权利要求5中所述的测井仪器，其中所述范围包括大约40℃到大约150℃。

7.如权利要求1中所述的仪器，其中所述磁体的温度系数被确定为：

B(T)＝B(T₀)(1+αΔT)，

其中：B(T)代表由所述磁体产生的磁场的大小，T代表所述磁体的温度，T₀代表参考温度，α代表所述温度系数，并且ΔT代表所述磁体的温度变化(T-T₀)。

8.如权利要求7中所述的仪器，其中所述温度系数“基本上”为0。

9.如权利要求7中所述的仪器，其中所述温度系数为正数，以补偿所述测井仪器和所述磁体中至少一个的热膨胀。

10.如权利要求1中所述的仪器，其中所述磁体包括合金，该合金包括Sm₂Co₁₇和SmCo₅中的至少一个。

11.如权利要求10中所述的仪器，其中至少一部分的Sm被不同的稀土元素所替代。

12.如权利要求11中所述的仪器，其中所述不同的稀土元素是钆(Gd)和铽(Tb)中的至少一种。

13.如权利要求1中所述的仪器，其中所述磁体包括合金，所述合金包括NdFeB。

14.一种在钻井内执行核磁共振(NMR)测量的方法，所述方法包括：

(a)选择适合在所述钻井内使用的测井仪器，所述仪器包括在所述钻井内的温度范围上提供大小“基本上”恒定的磁场的磁体；以及

(b)使用所述仪器执行所述NMR测量。

15.一种生产在钻井内执行核磁共振测量的测井仪器的方法，所述方法包括：

(a)选择在所述钻井内的温度范围上提供大小“基本上”恒定的磁场的磁体；以及

(b)将所述磁体设置到所述仪器中。

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