CN102360703B - 一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，该磁体结构与井轴共轴设置，其包含永磁体磁块和铁磁材料磁块，所述的永磁体磁块和铁磁材料磁块沿井轴方向共轴连接。本发明结构简单，稳定性高，其所产生的静态匀强磁场具有很深的探测深度和足够的磁场强度，可以在井下不同深度产生多个核磁探测区域，一次下井就能同时获得多个不同深度的地层核磁信息，能够满足石油井下核磁共振探测的需要，适用于现代石油勘探钻井的需求。

Description

一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构
技术领域
本发明涉及一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，属于石油钻井现场地质录井工程技术。
背景技术
核磁共振是研究物质结构的一个重要工具。该项技术是在1946年由哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫两个研究小组首次各自独立观察到核磁共振信号而正式诞生。20世纪50年代初就有了连续波核磁共振谱仪，到了60年代出现了脉冲傅里叶变换NMR（核磁共振）技术和磁场超导化技术。随着核磁共振理论的不断发展和完善，再加上计算机技术的飞速发展，到了70年代后期和80年代则又有了多维核磁共振技术和其它许多新的实验方法。核磁共振技术在物理、化学、生物、医学、材料等领域中均有广泛的应用。
在石油勘探中，核磁共振技术也被广泛用于地层物理性质的检测。目前，核磁共振技术是国外被认为检测储层孔隙度、含水量、含油量等重要参数最为有效的方法之一。
在过去的近二十年中，岩石物理学家对所推出的脉冲式NMR测井仪在解决高难度地层评价问题上的能力表示赞赏。各公司持续不断的投入相当大的研究力量以改进NMR的测井结果。这就使得所述的脉冲式NMR测井仪不断得到改进，并不断的产生新用途。20世纪90年代中期，所述脉冲式NMR测井仪采用了高速脉冲技术，扩大了其鉴别流体流动性的能力。随着该脉冲式NMR测井仪的数据采集能力的提高，其测井速度也有很大的提高。
NMR测井仪的根本优点在于其能提供前所未有的广泛的储层信息。NMR测井仪所测得的数据可以解决勘探与开发业界几乎每一个人（包括油藏工程师、完井工程师、地质学家、岩石物理学家等）的许多关键问题。例如，完井工程师应用NMR测井仪的测井结果来设计水力压裂处理措施使油层增产。油藏工程师利用NMR测井仪所测得的高分别率NMR数据评价岩石性质，以找出纵向上的非渗透阻挡层位置和改善生产管理。地质学家和岩石物理学家可以更清楚了解孔隙的几何形状，从而根据衰减时间分布进行趁机分析。通过对NMR测井仪所测得的测井资料和其它测井资料的综合解释还可以提高对油气特性的鉴别，从而更准确的评价油井产能。
随着核磁共振技术自身的发展以及核磁共振测井研究人员几十年的努力，已经有多种核磁共振测井仪的探头磁体结构的设计方案被提出并在工程上实现，使得核磁共振测井技术不断完善，并作为商业化应用在全球范围。
Halliburton公司的MRIL方案是在1985年，由Schmuel Shtrikman和Zvi Taicher等人提出的一种新的磁体和天线结构发展起来的，如图1a所示。1990年，其核磁共振测井仪正式投入油田商业服务，并很快在全球范围内得到成功应用。至今，已经发展出了MRIL-B、MRIL-C、MRIL-C/TP、MRIL-Prime、MRIL-XL 等5个型号的仪器。其中，MRIL-P是一种居中型核磁共振测井仪，该仪器探头的磁铁由多个小磁体组成，整个磁体呈圆柱状。
CMR是Schlumberger公司于上世纪90年代发展起来的可组合核磁共振测井仪。该核磁共振测井仪探头的永久磁体和天线都固定在贴井壁的滑板上，3块磁铁平行放置在探头内部，磁铁的方向与井轴方向相垂直，如图1b所示。这种特殊结构的磁体设计，使得探头在距离井壁约2.54cm处能够形成一个均匀的磁场区域，调节射频场频率可以选择磁场均匀区为共振区域。CMR仪器系列到目前为止共发展了CMR-A、CMR-200、CMR-Plus 3个型号。
Baker Hughes公司的核磁共振测井仪称为MREx，该仪器采用了一种偏心型探头。该探头的静磁场由一大一小2个磁体组合产生，这2块磁体的极性方向一致，共同产生磁场，如图1c所示。
Schlumberger公司最新一代的电缆核磁共振测井仪称为MR Scanner。该仪器工作时采用贴井壁测量方式，其永磁体结构与MRIL-P型探头磁体相似，是一个圆柱形磁体，磁极方向与井轴方向相垂直，在地层中产生一个梯度磁场，如图1d所示。该仪器可以进行多频测量，这样就可以在地层中观测到多个探测深度的切片。探头共振区域开角为60°，最小探测深度为3.175 cm；最大探测深度为10.160 cm。
以上4种均为目前国际主流的核磁共振测井仪，配合单频或多频天线，可以对不同探测深度的地层进行核磁共振测量。但是，这些核磁共振测井仪的磁体结构相对非常复杂，由多个磁体组合而成，对于加工精度的要求非常高。
发明内容
本发明的目的是提供一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其所产生的静态匀强磁场具有很深的探测深度和足够的磁场强度，可实现对井下不同深度的地层进行核磁共振的探测和测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，该磁体结构与井轴共轴设置，其包含永磁体磁块和铁磁材料磁块，所述的永磁体磁块和铁磁材料磁块沿井轴方向共轴连接。
所述的磁体结构为柱形或管形。所述的永磁体磁块和铁磁材料磁块具有相同形状和大小的截面。
所述的永磁体磁块采用铝镍钴合金，或钕铁硼合金，或钐钴合金。
所述的铁磁材料磁块采用软铁，或磁钢，或铁镍合金。
在靠近所述的磁体结构的区域，即距离井壁较浅的探测区域，所述的磁体结构产生一个磁场梯度变化小的静态匀强磁场，该磁场的磁力线方向与所述磁体结构的共轴方向、即井轴方向相垂直。
在远离所述的磁体结构的区域，即距离井壁较深的探测区域，所述的磁体结构产生一个磁场梯度变化小的静态匀强磁场，该磁场的磁力线方向与所述磁体结构的共轴方向、即井轴方向相平行。
本发明所提供的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，设计简单，稳定性高，其所产生的静态匀强磁场具有很深的探测深度和足够的磁场强度，可以在井下不同深度产生多个核磁探测区域，一次下井就能同时获得多个不同深度的地层核磁信息，能够满足石油井下核磁共振探测的需要，适用于现代石油勘探钻井的需求。
附图说明
图1a～图1d为4种目前国际主流的核磁共振测井仪磁体结构的示意图；
图2为本发明中的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构的示意图；
图3为本发明中的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构的磁场分布示意图；
图4为利用本发明进行石油井下核磁共振测试时，随探测深度增加，磁场强度和磁场梯度的关系图。
具体实施方式
以下结合图2～图4，详细说明本发明的一个优选的实施例。
如图2所示，为本发明所提供的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构的示意图。该磁体结构1与井轴（即如图2中所示的z轴）共轴设置，其包含永磁体磁块11和铁磁材料磁块12，所述的永磁体磁块11和铁磁材料磁块12沿井轴（即z轴）方向共轴，并通过螺栓、粘合剂等紧密连接。
所述的磁体结构1为柱形或管形。所述的永磁体磁块11和铁磁材料磁块12具有相同形状和大小的截面。例如，当永磁体磁块11和铁磁材料磁块12的截面为圆形时，所形成的磁体结构1为圆柱形。当永磁体磁块11和铁磁材料磁块12的截面为圆环形时，所形成的磁体结构1为圆管形。
如图2所示，本实施例中，所述的磁体结构1为圆管形，所述的永磁体磁块11和铁磁材料磁块12的截面为圆环形。可根据实际石油井下核磁共振测试时的井眼尺寸大小及其他因素，对该磁体结构1的长度及圆环形截面大小进行调整。本实施例中，采用圆管形的磁体结构1具有可以减轻整体磁体重量、且节省磁体材料的优点，同时方便钻井液的流通。
所述的永磁体磁块11采用具有高磁场强度的材料，如AlNiCo（铝镍钴）、NdFeB（钕铁硼）、SmCo（钐钴）等合金材料，其磁场强度可达1T（特斯拉）以上。
所述的铁磁材料磁块12采用具有大于100的高磁导率的材料，如软铁、磁钢、铁镍合金等。
本发明所提供的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，采用了居中式梯度磁场设计，其产生的静态匀强磁场如图3所示。在靠近该磁体结构1的区域，即沿x轴方向距井壁较浅的探测深度区域，该静态匀强磁场的磁力线方向与井轴方向（z轴方向）垂直，形成向外辐射分布的、且磁场梯度变化很小的静态匀强磁场。
在远离该磁体结构1的区域，即沿x轴方向距井壁较深的探测深度区域，该静态匀强磁场的磁力线方向与井轴方向（z轴方向）平行，形成磁场梯度变化很小的静态匀强磁场。
由图3可看出，位于磁体结构1附近的磁力线分布均匀且密集，是井下核磁共振探测的敏感区域。利用本发明提供的石油井下核磁共振随钻测井仪的新型磁体结构，通过调整永磁体磁块11和铁磁材料磁块12的长度、截面大小及形状，能构建出所需的静态匀强磁场。再配合多组核磁共振天线，可以在井下不同深度产生多个核磁探测区域，一次下井就能同时获得多个不同深度的地层核磁信息，从而得到诸如孔隙度、含水量、含油量等有价值的储层信息，为石油探测和开采做好充分的准备工作。
如图4所示，是利用本发明的新型磁体结构进行石油井下核磁共振测试时，随探测深度的变化，磁场强度和磁场梯度之间的关系图。由图4可看出，采用本发明的新型磁体结构的井下核磁共振测井仪在x轴方向上具有很深的探测范围，其有效的探测深度可达1～14.5cm。磁场强度范围为350Gauss（高斯）至100Gauss。同时，磁场梯度变化很小，平均小于50Gauss/cm。
因此，本发明所提供的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，设计简单，稳定性高，其所产生的静态匀强磁场具有很深的探测深度和足够的磁场强度，可以在井下不同深度产生多个核磁探测区域，一次下井就能同时获得多个不同深度的地层核磁信息，能够满足石油井下核磁共振探测的需要，适用于现代石油勘探钻井的需求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其与井轴共轴设置，特征在于：
所述磁体结构（1）包含永磁体磁块（11）和铁磁材料磁块（12）；
所述的永磁体磁块（11）和铁磁材料磁块（12）沿井轴方向共轴连接；
所述的永磁体磁块（11）和铁磁材料磁块（12）具有相同形状和大小的截面。
2.如权利要求1所述的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其特征在于，所述的磁体结构（1）为柱形或管形。
3.如权利要求2所述的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其特征在于，所述的永磁体磁块（11）采用铝镍钴合金，或钕铁硼合金，或钐钴合金。
4.如权利要求2所述的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其特征在于，所述的铁磁材料磁块（12）采用软铁，或磁钢，或铁镍合金。
5.如权利要求1所述的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其特征在于，在靠近所述的磁体结构（1）的区域，即距离井壁较浅的探测区域，所述的磁体结构（1）产生一个磁场梯度变化小的静态匀强磁场，该磁场的磁力线方向与所述磁体结构（1）的共轴方向、即井轴方向相垂直。
6.如权利要求5所述的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构，其特征在于，在远离所述的磁体结构（1）的区域，即距离井壁较深的探测区域，所述的磁体结构（1）产生一个磁场梯度变化小的静态匀强磁场，该磁场的磁力线方向与所述磁体结构（1）的共轴方向、即井轴方向相平行。
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