CN103299215A - 具有外部磁体的核磁共振工具 - Google Patents

Abstract

提供能够在将磁体放置于钻铤和可渗透构件外部以控制磁场梯度的情况下完成随钻测井NMR测量的系统和方法。一组磁体可以被设置在和/或嵌入在钻铤上，天线被轴向地设置在它们之间。可替代地，一组磁体和设置在它们之间的天线可以被设置在套筒上，套筒在钻铤的凹部上滑动。另外，可渗透构件可以被轴向地放置在该组磁体之间，以影响研究深度。

Description

具有外部磁体的核磁共振工具

相关申请的交叉引用

本申请要求的优先权如下：2010年11月19日提出的申请号为61/415407、发明名称为“具有外部磁体的核磁共振工具”的美国临时专利申请；2010年11月29日提出的申请号为61/418172、发明名称为“具有可移动磁体的核磁共振工具”的美国临时专利申请；2011年5月20日提出的申请号为61/488265、发明名称为“具有外部磁体的核磁共振工具”的美国临时专利申请。上述申请案的整体公开内容以引用的方式并入本文中。

对联邦政府资助的研究或发展的声明

不适用。

本发明的背景

技术领域

本发明通常涉及核磁共振工具领域。更具体地，本发明涉及随钻测井核磁共振工具，其具有位于钻铤外部的磁体和可渗透构件，以控制磁场梯度。

背景技术

核磁共振（NMR）可以被用于确定地下地层和/或样本的各种特征。NRM测井工具可以被用于井下以获得这些特征，这些特征进而可以被用于协助在指定的地层或样本确定例如碳氢化合物是否存在和/或碳氢化合物的位置。

本领域中众所周知，传统的NMR测井通常包括在井眼中部署NMR仪器，其使用磁场来产生和检测来自地层或者样本中的原子核的各种RF信号。Schlumberger科技公司提出的专利号为6,232,778的美国专利描述了某些NMR技术的例子，其整体公开内容以引用的方式并入本文中。

NMR测量通常通过引起地层中的原子核的磁矩绕着轴进动来实现。原子核进动所绕的轴可以通过将强偏振静态磁场B₀应用到地层来建立，例如通过永磁体的使用。

在传统的随钻测井（LWD）NMR工具中，这些永磁体通常放置在钻铤内，钻铤为磁体或NMR工具的其他部件提供保护外罩。这样的保护可以有助于减小来自于钻井过程中的冲击和磨损下的损坏风险。这样的传统工具可以将磁体建造到外罩中，从而为磁体提供框架，将磁体装在其上。这个框架可以减小可以被使用的磁性材料的体积。这对于NMR很关键，因为信噪比（SNR）作为磁场强度和磁场梯度的函数而改变。其他的劣势，例如磁体和其他NMR工具部件的繁琐可达性也存在于将NMR磁体组件放置于钻铤内的传统LWD系统。

因此，本领域中需要获取NMR测量的方法和系统，克服传统方法所存在的一个或多个不足之处。

发明内容

在一个方面，提供一种核磁共振装置。所述装置可以包括钻铤、嵌入于所述钻铤的第一磁体、与所述第一磁体轴向分离的第二磁体，以及设置于所述第一磁体和第二磁体之间的天线。

在另一个方面，提供一种核磁共振装置。所述装置可以包括具有凹部的钻铤、配置成在所述凹部上滑动的套筒、设置在所述套筒上的第一磁体、设置在所述套筒上的第二磁体，以及设置于所述第一磁体和第二磁体之间的天线。

根据以下的描述和随附的权利要求，本发明的其他方面和优势将会显而易见。

附图说明

图1显示了根据示例性实施例的可以应用本发明的井场系统。

图2显示了使用NMR钻井时用于地层评估的一种设备的实施例。

图3是根据示例性实施例的嵌入在钻铤上的磁体的示意图。

图4是根据示例性实施例的设置在钻铤上的套筒上的磁体和天线的示意图。

图4A是根据示例性实施例的具有位于流动管线中的磁性和非磁性件的图4的磁体组件的示意图。

图5是根据示例性实施例的沿着坐标轴复制的两个磁体的示意图。

图6是根据示例性实施例显示磁体截面对磁场强度的影响（通过推理、体积）的示意图。

图7是根据示例性实施例的沿着图5的所述磁体组件径向分布的磁场的示意图。

图8显示了根据示例性实施例的设置于两个磁体之间的可渗透构件。

图9A显示了根据示例性实施例的设置于两个磁体之间的拆分为环的可渗透构件。

图9B是根据示例性实施例的沿着图9A的磁体组件的径向分布的磁场的示意图。

图9C是根据示例性实施例的图9A的磁体组件的磁等势线的示意图。

图10显示了根据示例性实施例的由例如图9A的磁体构件产生的磁场的模拟NMR片。

图11A是根据示例性实施例的具有可渗透构件的所示磁体组件的磁等势线的示意图。

图11B是根据示例性实施例的具有比图11A的可渗透构件短的另一个可渗透构件的所示磁体构件的磁等势线的示意图。

图11C是图11A中所示的磁体组件的磁场分布的示意图。

图11D是图11B中所示的磁体组件的磁场分布的示意图。

具体实施方式

本发明提供能够在将磁体放置于钻铤和可渗透构件外部以控制磁场梯度的情况下完成随钻测井NMR测量的系统和方法。各种示例方法和系统将根据图1-10来描述，图1-10描述本发明的代表性或说明性的实施例。

图1显示根据示例性实施例的可以应用本发明的井场系统。该井场系统可以是陆上的或者海上的。在这个示例系统中，以公知的方式，通过旋转钻井，在地下地层106中形成井眼11。本发明的实施例还可以使用定向钻井，这将在下文中来描述。

钻柱12悬在井眼11内，具有井底组件100，井底组件包括位于其下端的钻头105。地面系统包括位于井眼11之上的平台和井架组件10，组件10包括转盘16、方钻杆17、挂钩18和旋转接头19。钻柱12被转盘16旋转，转盘16由未示出的装置供给能量，转盘16与在钻柱上端的方钻杆17接合。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19而悬挂于挂钩18，挂钩18连接到游动滑车（也未示出），旋转接头19允许钻柱相对于挂钩旋转。众所周知，作为替代，可以使用顶部驱动系统。

在这个实施例的例子中，地面系统进一步包括存储于在井场中形成的坑27中的钻井液或者泥浆26。泵29将钻井液26通过旋转接头19的接口传送到钻柱12的内部，使钻井液向下流动通过钻柱12，如指示箭头8所示。钻井液通过钻头105中的接口流出钻柱12，然后向上通过位于钻柱外部和井眼11侧壁之间的环空区域循环，如指示箭头9所示。在这个众所周知的方式中，当钻井液返回到坑27以便再循环时，钻井液润滑钻头105并将地层106岩屑带上地面。

在各种实施例中，本文所公开的系统和方法可以与本领域普通技术人员已知的任何传送装置一起使用。例如，本文所公开的系统和方法可以与由电缆、钢丝、有线钻杆和/或随钻传送接口传送的NMR工具一起使用。仅仅为了举例，图1描述了随钻接口。但是，本文所公开的系统和方法同样可以适用于电缆或者任何其他适合的传送装置。所示实施例的井底组件100包括随钻测井（LWD）模件120、随钻测量（MWD）模件130、旋转导向系统和电机，以及钻头105。

LWD模件120安装在本领域公知的特殊类型的钻铤中，其可以包含一个或多个已知类型的测井工具。应当理解，可以使用一个以上的LWD和/或MWD模件，如120A所示。（遍及全文，提到120位置上的模件也可以指在120A位置上的模件。）LWD模件包括测量、处理和储存信息，以及与地面设备通信的能力。在本实施例中，LWD模件包括核磁共振测量设备。

MWD模件130也安装在本领域公知的一种特殊类型的钻铤中，其可以包含一个或多个用于测量钻杆和钻头特性的设备。MWD工具进一步包括用于为井下系统生发电的装置（未示出）。这通常包括由钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机，应当理解，可以使用其它动力和/或电池系统。在本实施例中，MWD模件包括一个或多个以下类型的测量装置：钻压测量设备、扭矩测量设备、振动测量装置、冲击测量装置，粘滑测量设备、定向测量设备和倾角测量设备。

图2显示了钻井时使用NMR用于地层评估的设备的实施例，应当理解，其他类型的NMR/LWD工具也可以被用来作为LWD工具120或者作为LWD工具套件120A的一部分。参照图2，在本发明的一个实施例中，以下称之为低梯度设计，磁体阵列包括与下磁体234轴向分离的上磁体232。磁体232、234之间的区域适合容纳例如电子元器件、RF天线和其他类似部件的元件。两个磁体232，234都围绕套筒228。

磁体232、234可在与工具210的纵轴平行的方向上被极化，使同性磁极相互面对。对于每个磁体232、234，感应磁力线从磁体232、234的一端向外传导进入地层，以形成与工具210的轴平行的静态场，并且感应磁力线向内传导到磁体232、234的另一端。在上磁体232和下磁体234之间的区域，感应磁力线从中心向外传导进入地层，在垂直于工具210轴线方向上形成静态场。然后，感应磁力线在上磁体232上方和下磁体234下方对称向内传导，并且在套筒228内在轴向上交会。

图3是根据示例性实施例的嵌入在钻铤304上的磁体306A、306B的示意图。在一些实施例中，磁体306A、306B可以类似于图2中的磁体232、234。在一些实施例中，磁体306A、306B可以被嵌入，以至于磁体306A、306B的整个外表面暴露在外。如图3所示，两个磁体306A、306B可以被嵌入在钻铤304上，彼此轴向间隔。RF天线308也可以被放置在两个磁体306A、306B之间的轴向空间里，以产生需要执行NMR的B1场。在示例性实施例中，钻铤可以包括凹部以容纳一个或多个磁体306A、306B和天线308。电子机架302也可以被设置在钻铤304内，并且可以接触或接近流动管线310（即，用于泥浆或其它液体在其中流动）或设置在钻铤304的通道内。

可渗透构件312也可以被插入流动管线310中，并且通常可以被轴向插入两个永磁体306A、306B之间。此处所用的术语“可渗透”大体是指导磁性。在一个示例性实施例中，如图3所示，可渗透构件312可以插入到流动管线310内，使可渗透构件312与每个永磁体306A、306B轴向交叠，从而占据两个永磁体306A、306B之间的整个轴向空间。在一些实施例中，可渗透构件312可以从一个永磁体306A轴向延伸到另一个永磁体306B，但不需要与永磁体306A、306B中的一个或两个交叠。在另一个替代实施例中，可渗透构件312可以不占用两个永磁体306A、306B之间的整个轴向空间。在各种实施例中，可渗透构件312可以由任何具有非零导磁率的材料制成。例如，其可以包括1010钢或者15_5不锈钢。此外，如图3所示，可渗透构件312也可以被轴向设置和/或接触流动管线310的剩余部分，流动管线310可以由非磁性可渗透构件312制成。

在示例性实施例中，可渗透构件312可以包括位于工具内部的流动管线310中的可渗透芯轴，其可以用来形成磁场。该芯轴可分成许多可渗透和非可渗透的环，从而形成磁场B₀和磁场梯度g。可渗透构件312对所产生的磁场的形状的某些影响在专利号为6,400,149的美国专利中公开，上述申请案的整体公开内容以引用的方式并入本文中。此外，可渗透构件312和磁体间距对磁场和磁场梯度的影响将在下面更详细地讨论。

图4是根据示例性实施例的设置在钻铤304上的套筒416上的磁体306A、306B和天线308的示意图。在示例性实施例中，钻铤304可由上部钻铤404A和下部钻铤404B制成。在上部钻铤404A和下部钻铤404B之间可以是凹部414，套筒416可以被滑设到凹部414上并且可选地被锁定在位。套筒416可以包括两个永磁体306A、306B和天线308，其中每一个可在套筒416上滑动。另外，套筒416可以包括可渗透构件和/或由可渗透材料制成，其与图3中设置于流动管线310中的可渗透构件312的组成和功能相似。在一些实施例中，可渗透构件（未示出）可以被包含在流动管线310中，如图3所示。通过将磁体306A、306B和天线308构成在LWD钻铤304上滑动的套筒416，可以单独地针对套筒416进行检修或更换，而不用针对整个钻铤304进行检修或更换。

图4A是根据示例性实施例的具有位于流动管线中的磁性和非磁性件的图4的磁体组件的示意图。如图4A所示，在一些实施例中，流动管线310可以包括磁性件419和非磁性件417的组合。在各种实施例中，流动管线310的多个不同部分可以包括磁性件419。在流动管线310中使用磁性件419可以改变静态磁场的形状。磁性件419和非磁性件417可以被用于制造流动管线310，用于与图3所示的实施例类似的实施例和图4所示的实施例类似的实施例，以及与本公开一致的其他实施例。在一些实施例中磁性件419和非磁性件417可以被焊接在一起。用于将件417和419连接到一起的其他方法可以包括将件417和419螺纹连接在一起，或者是本领域技术人员公知的具有本公开优点的其他合适的方法。同时使用磁性件和非磁性件制造流动管线310可以允许进一步的磁场成型和/或磁场垫补。

图5是根据示例性实施例的沿着坐标轴复制的两个磁体306A、306B的示意图。如图5所示，没有可渗透（软）磁性材料被设置在磁体306A、306B之间。在所示实施例中，圆柱体表示两个永磁体306A、306B，它们相同的磁极相互面对。

在两个磁体306A、306B之间是否设置可渗透构件312，由两个磁体306A、306B产生的场和场梯度可以随着图4-6中所示的磁体间距和体积的变化而变化。在一些实施例中，对于磁体306A、306B之间具有固定距离的磁体材料的体积，场以相似的方式变化。这种类型的磁铁组件通常被用于LWD NMR工具。

图6是显示根据示例性实施例的磁体截面对磁场强度的影响（通过推理、体积）的示意图。该图显示了位于工具外的研究深度处的磁场强度（例如，在磁体二等分线上，在径向上与磁体组件的纵向轴线之间某个距离的位置）。该图显示，对于固定磁体间距和固定研究深度，如果磁体的截面面积（因此体积）增大，能够获得NMR操作频率的大幅改善。

图7是根据示例性实施例的沿着图5的所述磁体组件径向的场分布的示意图。换句话说，该图显示从芯轴的中心沿着径向的场分布B₀。这可以被称为梯度场设计。这条线是从两个磁体306A、306B之间的空间中心向外延伸，与磁体306A、306B的长轴正交。测井设备中的磁体306A、306B的中心是在x=0”。场在距离工具的中心线为1”的点上增加到最大值，然后随着到测井设备的距离的变化而下降。

可以产生多种类型的磁场配置。一种示例类型是梯度场设计，其例子如图7所示，该设计在工具之外具有衰减场。另一个示例配置是鞍点型。在一些实施例中，鞍点场配置可以通过在包含磁体306A、306B的工具外的点上具有最大场强度来定义，然后在距离工具中心更远或更短的距离处衰减。不考虑特定的配置，每个点的衰减率通常被称为磁场梯度。

磁场梯度是用于井下NMR几种应用的概念。例如，梯度可被用于获得分子扩散测量（例如，其可被用于流体性质识别），并且与最大可激发地壳厚度和随后的运动效果相关。特别在LWD NMR中，在钻井过程中工具会产生显著的横向运动。该运动可以将NMR接收片（有助于核磁共振信号接收的空间区域）移动到NMR激发片（RF脉冲激发NMR自旋动力和产生NMR信号的空间区域）之外。当在激发和接收期间接收和激发片之间相对运动时，由于这样的运动NMR信号可能会表现出衰减。对于特定量级的运动，相应的衰减量与接收片和激发片的交叠成比例。因此，当片面积比运动量大很多的时候，衰减将变小。在运动考虑方面，接收片相对于激发片的大小是非常重要的。因此，在某些应用和一些实施例中，与预期的工具运动相比，最好具有更大的激发和接收片。

低梯度可以降低对运动的灵敏度。作为一个例子，如果在给定的DOI使用1G的激发场，并且梯度为1G/cm，则激发一个1cm厚的地壳。如果梯度为10G/cm，则激发一个0.1cm厚的地壳。

扩散编辑是用于区分具有相同T2或T1值的流体的技术。不同的烃链长度一般以不同的速率扩散。这种测量可以通过使用磁场梯度以通过扩散效应来增加信号衰减而完成。通过在CPMG之前施加T90-T180脉冲序列，自旋扩散的时间可以是不同的。除了这个初始回波时间（Te），扩散可以被梯度强度强烈影响。在一些实施例中，梯度越大，扩散效应通常就越大。通过改变初始回波编码的时间，可以产生D-T2或D-Tl地图（T1或T2来自扩散编码步骤后的CPMG数据，D代表扩散）。来自扩散尺度的信号损耗是te³和G²（其中G为梯度）。因此，梯度越大，需要编码的时间越短。这导致对运动效应更鲁棒的测量结果。

对LWD孔隙度测量而言，低梯度更有利，因为低梯度可以增加敏感区域。然而，当试图执行一个扩散编辑测量时，最好具有较高的梯度，因为它通常会使测量次数变少。因此，一个可以根据测量对象改变以从低梯度移动到高梯度的示例系统，对于井下NMR测井工具是非常有益的。

磁场成型也可以通过改变磁体的间距来完成。如果磁体306A、306B之间的间距被改变，两个磁场和磁场梯度将在研究深度（DOI）处发生变化。

图8显示了根据示例性实施例的设置于两个磁体306A、306B之间的可渗透构件312。图8的实施例是一个示例方法，增大研究深度处磁场强度-即在两个永磁体306A、306B之间插入高可渗透率（例如50）的可渗透构件312。在示例性实施例中，该可渗透构件312引导磁通量从磁体306A、306B进入元件，然后将磁场绕着元件中心沿着径向对外推出，从而增大磁场。与此同时，可渗透构件312增大了磁场梯度。在示例性实施例中，如图8所示，可渗透构件312可以是轴向设置于两个磁体之间的固体可渗透心轴。

图9A显示了根据示例性实施例的设置于两个磁体306A、306B之间的拆分为环912A-C的可渗透构件312。如图9A所示，可渗透构件312拆分为三个环912A-C，中间环912A比外部两个相等侧边的环912B和912C更长。在各种实施例中，各种其他的设置都是可以的（例如，分割成任何数量的环912，环912具有不同大小或统一大小，等等）。可渗透构件312可以进一步分成更小的环912，从而改变磁场分布。这些环912a-c也可以轴向移动，并且这样可以进一步改变磁场的配置（例如，磁场强度和磁场梯度）。因为磁场和梯度至少部分地依赖于磁性材料的分布，所以通过改变磁性材料的分布，从而改变磁场和磁场梯度。

图9B是显示根据示例性实施例的沿着图9A的磁体组件的径向分布的磁场的示意图。图9C是显示根据示例性实施例的图9A的磁体组件的磁等势线918的示意图。

图10A-D显示了改变可渗透构件312的大小对磁场的影响的其他示例。图10A是根据示范性实施例的具有可渗透构件312的所示磁体组件的磁等势线1118的示意图。图10B是根据示范性实施例的具有比图10A的可渗透构件短的可渗透构件312的所示磁体组件的磁等势线1118的示意图。图10A和11B是基于40cm的磁体间距，图10A是基于20cm的SW，图10B也是基于20cm的SW。图10C显示了图10A所示的磁体组件的磁场分布图。图10D显示了图10B所示的磁体组件的磁场分布图。

通过检查图10A-D，可以看出，对于固定的磁体间距，如果可渗透件的尺寸减小，场分布和梯度发生变化。有一个点，设计从梯度工具变为鞍点设计。在示例性实施例中，为了改变位于两个磁体306A、306B之间的可渗透件，磁性和非磁性件可以被焊接在一起，以形成插入流动管线310的插入件。该件可以与被配置成产生所需要的磁场和磁场梯度的其他相似件互换。

尽管在上面详细描述了本发明的特定实施例，但说明书仅仅是为了说明的目的。除了那些上面已经描述的之外，所公开的示范性实施例的各个方面的各种修改和相应的等同步骤，可以由本领域技术人员在不违背由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下实现，权利要求的范围被给予最广泛的解释，以便包括这些修改和等同结构。

Claims (20)

1.一种核磁共振装置，包括：

钻铤；

嵌入在所述钻铤中的第一磁体；

与所述第一磁体轴向分离的第二磁体；以及

设置在所述第一磁体和第二磁体之间的天线。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括设置于所述钻铤内的流动管线。

3.如权利要求2所述的装置，进一步包括设置于所述流动管线内的可渗透构件。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述可渗透构件的至少一部分轴向地位于所述第一磁体和所述第二磁体之间。

5.如权利要求2所述的装置，其中，所述流动管线包括磁性材料。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述流动管线进一步包括非磁性材料。

7.如权利要求2所述的装置，其中，所述流动管线包括磁性材料，以塑造由所述装置产生的静态磁场的形状。

8.如权利要求4所述的装置，其中，所述流动管线包括磁性材料，以塑造由所述装置产生的静态磁场的形状，以及所述流动管线还包括非磁性材料；以及

其中所述可渗透构件包括多个导磁环。

9.一种核磁共振装置，包括：

具有凹部的钻铤；

配置成在所述凹部上滑动的套筒；

设置在所述套筒上的第一磁体；

设置在所述套筒上的第二磁体；以及

设置在所述第一磁体和第二磁体之间的天线。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述套筒包括设置在所述第一磁体和所述第二磁体之间的可渗透构件。

11.如权利要求9所述的装置，其中，所述天线被设置在设置于所述套筒上的可渗透构件上。

12.如权利要求9所述的装置，进一步包括设置在所述钻铤内的流动管线。

13.如权利要求12所述的装置，进一步包括设置在所述流动管线内的可渗透构件。

14.如权利要求13所述的装置，其中，所述可渗透构件的至少一部分轴向地位于所述第一磁体和第二磁体之间。

15.如权利要求14所述的装置，其中，所述流动管线包括磁性材料，以塑造由所述装置产生的静态磁场的形状。

16.一种方法，包括：

在临近地层的井眼内设置核磁共振测井工具；

测量所述地层的核磁共振特性；

其中，所述核磁共振测井工具包括钻铤、天线、第一磁体和与第一磁体轴向分离的第二磁体，所述第一磁体和所述第二磁体被设置在所述钻铤外部，所述天线被轴向地设置在所述第一磁体和所述第二磁体之间。

17.如权利要求11所述的方法，其中所述第一磁体和所述第二磁体被嵌入到所述钻铤中。

18.如权利要求11所述的方法，其中所述第一磁体和所述第二磁体被放置在套筒上，所述套筒被配置成在所述钻铤中的凹部上滑动。

19.如权利要求11所述的方法，其中所述核磁共振测井工具进一步包括设置在所述钻铤内的流动管线。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述核磁共振测井工具进一步包括设置在所述流动管线内的可渗透构件。

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