CN105201496A - 具有双层磁体的核磁共振测井仪探头及天线激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有双层磁体的核磁共振测井仪探头及天线激励方法，其中核磁共振测井仪探头包括：探头骨架以及设置在所述探头骨架中的屏蔽层；所述屏蔽层的上方和下方分别设置有多个主磁体；各个主磁体的中心轴线相互平行，且各个主磁体的中心轴线与所述探头骨架中心轴线之间的距离相等；任意两个主磁体的中心轴线之间的距离不小于第一预设值；每个所述主磁体的外侧均设置有天线，多个所述天线各自独立馈电。本发明提供的核磁共振测井仪探头及天线激励方法，可以实现不同方位角的地层信息探测，提高了核磁共振测井仪探头的周向分辨能力，实现了径向、轴向、周向三维尺度下的地层探测。

Description

具有双层磁体的核磁共振测井仪探头及天线激励方法

技术领域

本发明涉及核磁共振测井技术领域，尤其涉及一种核磁共振测井仪探头及天线激励方法。

背景技术

核磁共振(NuclearMagneticResonance，NMR)现象在1946年被发现，之后很快应用在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域。20世纪50年代，核磁共振开始在石油天然气工业中应用，最初应用于油藏岩石物理领域。核磁共振测井仪可以利用核磁共振原理对井眼周围的地层信息的进行探测，具有独特的储层流体的定性识别和定量评价能力。

探头是核磁共振测井仪的重要部件之一，探头的结构决定了仪器的测量方式、核磁共振区域和核磁共振信号强度等关键性能。核磁共振测井仪探头主要包括磁体和天线，磁体能形成用于极化自旋氢质子的静磁场，天线能发射用于扳转自旋氢质子的射频场。撤去射频场后，自旋氢质子开始沿着静磁场发生进动，从而产生核磁共振感应信号，通过探测核磁共振感应信号，可以对地层情况进行分析。

现有的核磁共振测井仪探头多采用柱状体磁体，磁体的圆面两边分别为N极和S极，磁场分布由N极指向S极的闭合磁力线形成，天线环绕在磁体周围，能向井眼四周360°激发极化的地层区域，使得在井眼周围没有探测盲区，可以进行多频多切片测量，但测量得到的信号只能是360°地层中信号的平均信号。因此，现有技术中的核磁共振测井仪探头只能进行径向深度维、轴向深度维的信号检测，不具有周向多方位敏感区域的信号检测能力。

发明内容

本发明提供一种核磁共振测井仪探头及天线激励方法，用以解决现有技术中核磁共振测井仪探头只能进行径向深度维和轴向深度维的信号检测、不具有周向多方位敏感区域的信号检测能力的技术问题。

本发明提供一种核磁共振测井仪探头，包括：探头骨架以及设置在所述探头骨架中的屏蔽层；

所述屏蔽层的上方和下方分别设置有多个主磁体；

各个主磁体的中心轴线相互平行，且各个主磁体的中心轴线与所述探头骨架中心轴线之间的距离相等；

任意两个主磁体的中心轴线之间的距离不小于第一预设值；

每个所述主磁体的外侧均设置有天线，多个所述天线各自独立馈电。

进一步地，所述屏蔽层上方和下方分别均匀设置有四个主磁体，八个所述主磁体沿所述探头骨架的周向均匀分布，且所述屏蔽层上方的主磁体与下方的主磁体交错排布；

所述主磁体呈三棱柱状、且上下底面均为等腰直角三角形；

所述探头骨架的中心轴线和所述主磁体的中心轴线所在的平面为第一平面，所述第一平面与所述主磁体的底面直角边垂直；

所述主磁体的充磁方向为径向。

进一步地，对应主磁体的底面的两个直角边分别设置有辅助磁体，所述辅助磁体与对应的直角边之间的距离不大于第二预设值；

所述辅助磁体呈四棱柱状，所述辅助磁体与所述主磁体高度相等，且两个所述辅助磁体的底面长边分别与所述主磁体的两个直角边平行；

所述辅助磁体沿着底面长边的延伸方向充磁，且所述辅助磁体的充磁方向与所述主磁体的充磁方向相反。

进一步地，所述主磁体和所述辅助磁体分别与所述屏蔽层粘接固定。

进一步地，所述天线由去氧铜皮绕制而成，所述天线呈回型或者蚊香型。

进一步地，所述天线包括N匝去氧铜皮，第1匝与第2匝之间的距离等于第N-1匝与第N匝之间的距离，且第k匝与第k+1匝之间的距离大于第1匝与第2匝之间的距离；

其中，k、N均为自然数，2＜k＜N-1，N＞3。

进一步地，所述探头骨架上开设有多个凹槽，多个所述天线分别固定设置在多个所述凹槽中，且所述凹槽中填充有高导磁材料。

进一步地，所述核磁共振测井仪探头，还包括：用于为天线馈电的天线激励装置；

所述天线激励装置中包括多个激励通道，多个所述天线分别与多个所述激励通道电连接。

进一步地，所述探头骨架中设置有通孔，所述通孔的中心轴线与所述探头骨架的中心轴线重合；

所述通孔中穿设有支撑架，所述支撑架与探头壳体固定连接，或者，所述通孔中穿设有供钻井液流通的导流管，所述导流管通过金属件与所述探头骨架固定连接。

本发明还提供一种基于上述任一项所述的核磁共振测井仪探头的天线激励方法，包括：

激励一个天线，实现井下单方位角的探测；

激励至少两个天线，实现井下多方位角的探测；

激励全部天线，实现井下全方位探测。

本发明提供的核磁共振测井仪探头及天线激励方法中，在探头骨架中设置有上下两层主磁体，每个主磁体的外侧均对应设有独立馈电的天线，通过激励不同的天线，可以实现不同方位角的地层信息探测，提高了核磁共振测井仪探头的周向分辨能力，实现了径向、轴向、周向三维尺度下的地层探测。并且，上下两层主磁体可以分别实现不同方位角的探测，在不增大探头径向尺寸的基础上增加了探头的周向分辨能力，节约了成本，且不会对井下探测工作产生影响。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中主磁体与屏蔽层的结构示意图；

图2为图1中示出的主磁体的俯视图；

图3为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中回型天线的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中蚊香型天线的结构示意图；

图5为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中回型天线与主磁体的位置示意图。

附图标记：

1-屏蔽层21-东部磁体22-南部磁体23-西部磁体

24-北部磁体31-东南磁体32-西南磁体4-辅助磁体

5-回型天线6-蚊香型天线

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供一种核磁共振测井仪探头。本实施例中的核磁共振测井仪探头，可以包括：探头骨架以及设置在探头骨架中的屏蔽层1；

屏蔽层1的上方和下方分别设置有多个主磁体；

各个主磁体的中心轴线相互平行，且各个主磁体的中心轴线与探头骨架中心轴线之间的距离相等；

任意两个主磁体的中心轴线之间的距离不小于第一预设值；

每个主磁体的外侧均设置有天线，多个天线各自独立馈电。

具体地，本实施例中的探头骨架可以为柱状结构，探头骨架中可以设置有容置腔，屏蔽层1和主磁体可以固定在容置腔中。主磁体分为上下两层，分别设置在屏蔽层1的上方和下方，屏蔽层1可以采用高导磁材料制成，能够避免上下两层主磁体产生的磁场相互干扰，主磁体与屏蔽层1之间可以粘接固定。

主磁体可以为柱状结构或者棱锥状结构等。具体地，柱状结构可以为圆柱形或棱柱形。本实施例中，柱状结构的中心轴线是指，上下底面中心点之间的连线所在的直线，棱锥状结构的中心轴线是指，顶点与下底面中心点之间的连线所在的直线。当然主磁体也可以为其它形状，只要保证能够产生激发地层中氢质子的静磁场即可。

图1为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中主磁体与屏蔽层1的结构示意图。如图1所示，屏蔽层1上方和下方分别均匀设置有四个主磁体，当然，主磁体的个数不限于八个，本领域技术人员可以根据实际需要相应地增加或减少主磁体的数量，本实施例中仅以八个为例来进行说明。

为了便于描述，可以按照罗盘方位分别为八个主磁体命名：屏蔽层1上方的四个磁体依次为东部磁体21、南部磁体22、西部磁体23和北部磁体24，屏蔽层1下方的四个磁体依次为东南磁体31、西南磁体32、西北磁体和东北磁体(西北磁体和东北磁体图中未示出)。

其中，各个主磁体的中心轴线相互平行，各个主磁体的中心轴线与探头骨架中心轴线之间的距离相等，以保证各个主磁体距离探头骨架的中心轴线的距离大致相等，这样，在井下相同径向深度上各个主磁体产生的磁场强度也大致相等，便于对地层信息进行探测。

此外，任意两个主磁体的中心轴线之间的距离不小于第一预设值，也就是说，屏蔽层1上方的主磁体与下方的主磁体的中心轴线均不重合，这样，在周向上可以形成八个探测区域，提高了探头周向探测的分辨力。第一预设值可以根据探头、主磁体的尺寸来确定，一般情况下，第一预设值可以在1-5mm之间取值。

每个主磁体的外侧均设置有天线，多个天线各自独立馈电。本实施例中，主磁体的个数可以为八个，相应的，天线个数也可以为八个，八个天线分别设置在八个主磁体的外侧。探头骨架上可以开设有八个凹槽，八个天线可以分别固定设置在相应凹槽中，凹槽中还可以填充有高导磁材料，高导磁材料能够提高天线效率，保证敏感区域的深度。

在实际工作过程中，探头进入井下后，多个主磁体产生的静磁场会激发周向上多个方位角的氢质子，当需要探测某一方位角的地层信息时，可以对该方位角对应的天线发送激励信号，天线产生的射频磁场能够扳转氢质子，停止对天线发送激励信号后，氢质子会沿着静磁场发生进动，产生核磁共振感应信号，通过探测该核磁共振感应信号，可以获取相应单方位角的地层信息。类似的，激励至少两个天线，可以实现井下多方位角的探测，激励全部天线，可以实现井下全方位探测。

在井下探测过程中，通过上提探头、下降探头，可以实现不同轴向深度的地层信息的探测；通过改变天线的激励频率，可以实现不同径向深度的地层信息的探测；通过激励不同的天线，可以实现不同方位角的地层信息的探测。因此，将轴向深度维信号、径向深度维信号、周向方位角度信号结合，可以实现探头的三维尺度下的探测能力。本实施例中，轴向是指井的中心轴线的延伸方向，径向是指井中心沿半径向外延伸的方向，周向是指环绕井中心的延伸方向。

本实施例提供的核磁共振测井仪探头中，在探头骨架中设置有上下两层主磁体，每个主磁体的外侧均对应设有独立馈电的天线，通过激励不同的天线，可以实现不同方位角的地层信息探测，提高了核磁共振测井仪探头的周向分辨能力，实现了径向、轴向、周向三维尺度下的地层探测。并且，上下两层主磁体可以分别实现不同方位角的探测，在不增大探头径向尺寸的基础上增加了探头的周向分辨能力，节约了成本，且不会对井下探测工作产生影响。

进一步地，屏蔽层1上方的主磁体与下方的主磁体可以交错排布。如图1所示，下层的东南磁体31设置在上层的东部磁体21与南部磁体22之间，下层的西南磁体32设置在上层的南部磁体22与西部磁体23之间。并且，八个主磁体沿探头骨架周向均匀分布，即，多个磁体对应的多个中心轴线中，每个中心轴线与相邻的中心轴线在探头骨架的周向上相差45°角。

屏蔽层1上方的四个主磁体可以均匀设置，下方的四个主磁体也可以均匀设置。图2为图1中示出的主磁体的俯视图。如图2所示，东部磁体21、南部磁体22、西部磁体23和北部磁体24均匀设置，每个主磁体与相邻主磁体之间的距离相等。

本实施例中的主磁体可以呈三棱柱状、且上下底面均为等腰直角三角形；对于每一个主磁体来说，探头骨架的中心轴线和该主磁体的中心轴线所在的平面为第一平面，第一平面与该主磁体的底面直角边垂直。主磁体的充磁方向为径向，可以是由内向外，也可以是由外向内，并且，所有主磁体的充磁方向一致，即都是由内向外充磁或者都是由外向内充磁。

本实施例中，屏蔽层1上方的主磁体与下方的主磁体可以均匀地交错排布，每个主磁体可以产生45°角的敏感区域范围，通过激励不同主磁体对应的天线，可以探测不同方位角的井下地层信息。表1示出了本实施例中激励不同天线产生的探测结果。

表1

模式	被激励的天线	敏感区域
			1	东部磁体21对应的天线	东部45°
2	南部磁体22对应的天线	南部45°
			3	西部磁体23对应的天线	西部45°
4	北部磁体24对应的天线	北部45°
			5	东南磁体31对应的天线	东南部45°
6	西南磁体32对应的天线	西南部45°
			7	西北磁体对应的天线	西北部45°
8	东北磁体对应的天线	东北部45°

由表1可以看出，通过激励不同的天线，可以实现不同方位角的地层信息的探测，使核磁共振测井仪探头具有周向分辨能力。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，在主磁体的直角边旁还可以设置有起聚焦作用的辅助磁体4。如图1和图2所示，对应主磁体的底面的两个直角边分别设置有辅助磁体4，辅助磁体4可以呈四棱柱状，且与屏蔽层1粘接固定。辅助磁体4与主磁体高度相等，且两个辅助磁体4的底面长边分别与主磁体的两个直角边平行。

每个主磁体对应的两个辅助磁体4，均设置在相应的直角边附近，即辅助磁体4与对应的直角边之间的距离要小于辅助磁体4与底面斜边之间的距离。此外，为了更好地实现聚焦作用，辅助磁体4与对应的直角边之间的距离不大于第二预设值。第二预设值可以根据主磁体和辅助磁体4的尺寸来确定，例如，第二预设值可以为5mm。

辅助磁体4沿着底面长边的延伸方向充磁，为了实现聚焦作用，辅助磁体4的充磁方向与主磁体的充磁方向可以相反，当主磁体的充磁方向为由内向外时，辅助磁体4的充磁方向可以为由外向内，当主磁体的充磁方向为由外向内时，辅助磁体4的充磁方向可以为由内向外。

本实施例中，在主磁体的两侧设置有辅助磁体4，且辅助磁体4的充磁方向与主磁体相反，能够对主磁体产生的静磁场起调节作用，使静磁场在同一径向深度、不同的方位角上的磁场强度更加均匀，提高了核磁共振测井仪探头的性能。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，天线由去氧铜皮绕制而成，天线呈回型或者蚊香型。图3为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中回型天线的结构示意图。图4为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中蚊香型天线的结构示意图。图5为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中回型天线与主磁体的位置示意图。

如图5所示，多个回型天线5分别位于多个主磁体的外侧，当天线为蚊香型天线6时，蚊香型天线6与主磁体的位置也与此类似。回型天线5和蚊香型天线6产生的射频磁场中，磁力线比较密集，且磁力线与天线所在平面的正交性较好，有利于射频磁场与静磁场进行正交匹配，能够进一步提高核磁共振测井仪探头的性能。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，天线可以包括N匝去氧铜皮，第1匝与第2匝之间的距离等于第N-1匝与第N匝之间的距离，且第k匝与第k+1匝之间的距离大于第1匝与第2匝之间的距离；其中，k、N均为自然数，1＜k＜N-1，N＞3。

在对天线进行馈电时，位于天线半径中间位置的磁场强度较大。例如，当天线中包含十匝线圈时，第四匝至第七匝线圈外侧的磁场强度较大，第一匝和第十匝线圈外侧的磁场强度较小，将天线的中间匝线圈设置得稀疏、最内侧的线圈和最外侧的线圈设置得密集，能够使天线产生的射频磁场更加均匀。

进一步地，本实施例中的核磁共振测井仪探头还可以包括：用于为天线馈电的天线激励装置；天线激励装置中包括多个激励通道，多个天线分别与多个激励通道电连接。通过向不同的天线提供激励信号，可以产生不同方位角的敏感区域切片。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，优选的是，探头骨架中设置有通孔，通孔的中心轴线与探头骨架的中心轴线重合。

对于电缆式核磁共振测井仪来说，通孔中可以穿设有支撑架，支撑架与探头壳体固定连接，用于为探头提供机械支撑；对于随钻式核磁共振测井仪来说，通孔中可以穿设有供钻井液流通的导流管，导流管通过金属件与探头骨架固定连接，能够将钻井过程中产生的钻井液及时抽取到井外。

实施例二

本发明实施例二提供一种基于上述任一项实施例所述的核磁共振测井仪探头的天线激励方法。本实施例中的天线激励方法，可以包括：

激励一个天线，实现井下单方位角的探测；

激励至少两个天线，实现井下多方位角的探测；

激励全部天线，实现井下全方位探测。

本实施例提供的天线激励方法的原理与实施例一类似，此处不再赘述。

本实施例提供的天线激励方法中，通过激励不同的天线，可以实现不同方位角的地层信息探测，提高了核磁共振测井仪探头的周向分辨能力，实现了径向、轴向、周向三维尺度下的地层探测。并且，上下两层主磁体可以分别实现不同方位角的探测，在不增大探头径向尺寸的基础上增加了探头的周向分辨能力，节约了成本，且不会对井下探测工作产生影响。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种核磁共振测井仪探头，其特征在于，包括：探头骨架以及设置在所述探头骨架中的屏蔽层；

所述屏蔽层的上方和下方分别设置有多个主磁体；

各个主磁体的中心轴线相互平行，且各个主磁体的中心轴线与所述探头骨架中心轴线之间的距离相等；

任意两个主磁体的中心轴线之间的距离不小于第一预设值；

每个所述主磁体的外侧均设置有天线，多个所述天线各自独立馈电。

2.根据权利要求1所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，

所述屏蔽层上方和下方分别均匀设置有四个主磁体，八个所述主磁体沿所述探头骨架的周向均匀分布，且所述屏蔽层上方的主磁体与下方的主磁体交错排布；

所述主磁体呈三棱柱状、且上下底面均为等腰直角三角形；

所述探头骨架的中心轴线和所述主磁体的中心轴线所在的平面为第一平面，所述第一平面与所述主磁体的底面直角边垂直；

所述主磁体的充磁方向为径向。

3.根据权利要求2所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，对应主磁体的底面的两个直角边分别设置有辅助磁体，所述辅助磁体与对应的直角边之间的距离不大于第二预设值；

所述辅助磁体呈四棱柱状，所述辅助磁体与所述主磁体高度相等，且两个所述辅助磁体的底面长边分别与所述主磁体的两个直角边平行；

所述辅助磁体沿着底面长边的延伸方向充磁，且所述辅助磁体的充磁方向与所述主磁体的充磁方向相反。

4.根据权利要求3所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，所述主磁体和所述辅助磁体分别与所述屏蔽层粘接固定。

5.根据权利要求1所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，所述天线由去氧铜皮绕制而成，所述天线呈回型或者蚊香型。

6.根据权利要求5所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，所述天线包括N匝去氧铜皮，第1匝与第2匝之间的距离等于第N-1匝与第N匝之间的距离，且第k匝与第k+1匝之间的距离大于第1匝与第2匝之间的距离；

其中，k、N均为自然数，2＜k＜N-1，N＞3。

7.根据权利要求1所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，

所述探头骨架上开设有多个凹槽，多个所述天线分别固定设置在多个所述凹槽中，且所述凹槽中填充有高导磁材料。

8.根据权利要求1所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，还包括：用于为天线馈电的天线激励装置；

所述天线激励装置中包括多个激励通道，多个所述天线分别与多个所述激励通道电连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的核磁共振测井仪探头，其特征在于，所述探头骨架中设置有通孔，所述通孔的中心轴线与所述探头骨架的中心轴线重合；

所述通孔中穿设有支撑架，所述支撑架与探头壳体固定连接，或者，所述通孔中穿设有供钻井液流通的导流管，所述导流管通过金属件与所述探头骨架固定连接。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的核磁共振测井仪探头的天线激励方法，其特征在于，包括：

激励一个天线，实现井下单方位角的探测；

激励至少两个天线，实现井下多方位角的探测；

激励全部天线，实现井下全方位探测。