CN105298486A - 井下可控的随钻核磁共振测井装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种井下可控的随钻核磁共振测井装置，包括沿轴向竖直布置的装置本体、电子线路部分和测量探头部分，其中，所述装置本体由无磁钻铤(10)承载，上方接有钻头驱动部分(1)，下方接有钻头(11)，并具有沿轴向的供钻井液流通的泥浆通道(3)；其中，所述电子线路部分被容纳在电子线路舱体(2)中，用于接收和处理来自所述测量探头部分的信号，其中，所述测量探头部分包括：主磁体对，其由沿轴向布置的两个磁极相对的主磁体(4a、4b)构成，其中，两个主磁体(4a、4b)在轴向上相对于所述装置本体的轴向中心而对称布置；其中，所述两个主磁体的轴向间距可以改变。

Description

井下可控的随钻核磁共振测井装置

技术领域

本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体涉及一种用于地质勘探开发钻井作业过程中实时测量井眼周围地层地质参数的核磁共振测量方法与仪器。

背景技术

随钻核磁共振测井是指在钻探过程中进行核磁共振测量的方法与技术，可在钻井液侵入发生之前确定束缚水饱和度、渗透率并识别油气。该技术可实时对井眼轨迹所处地层进行综合评价，配合井眼轨迹数据及时调整轨迹走向，保持井眼在目的层内穿行，在提高采收率及高效开发复杂油气藏等方面发挥重要作用。

将核磁共振技术应用于随钻测井的关键难题在于：钻具的震动及底部钻具组合的侧向移动引起共振区与测量区的不一致，影响测量回波信号，进而无法正确获取储层信息。

图1为美国专利文件US6246236(斯伦贝谢公司)中公开的随钻核磁共振测井仪器的示意图，其主要结构为：破岩钻头、泥浆通道、至少3个环形管状永磁体轴向排列以及产生交变磁场并收集回波信号的RF天线。其实现方案为组合N+1个磁体(图1中为3个磁体)，形成N个探测区域(图1中为2个区域)，包含若干低梯度与高梯度磁场区域的组合，结合高梯度磁场的高信噪比及低梯度磁场对运动的低敏感性，校正测量结果。

图2为中国专利文件CN102650208(中国石油大学)中公开的一种随钻核磁共振测井仪探头的结构示意图。其主要结构与斯伦贝谢的方案相似，为提高信噪比和测量精度，在主磁体间增加圆环状的聚焦磁体。

上述现有技术的随钻核磁共振测井仪器需要多组低梯度—高梯度磁场区域组合，因此需要多个磁极相对的主磁体轴向排列，造成仪器串冗长、结构复杂；同时钻进时间增加、钻具组合震动等影响，致使探头主磁体消磁现象明显，敏感区域偏移，测量数据失真。此外，现有的随钻核磁共振测量方法与仪器，仅能测量单深度的信号，不能测量距离井壁深浅不同的地层信息。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种用于探测储层信息并且井下可控的随钻核磁共振测井仪，达到缩小工具尺寸并保持测量敏感区域稳定的目的，从而使测量结果更准确；同时可满足多深度地层信息的获取。

根据本发明的实施例，提供了井下可控的随钻核磁共振测井装置，包括沿轴向竖直布置的装置本体、电子线路部分和测量探头部分，其中，所述装置本体由无磁钻铤(10)承载，上方接有钻头驱动部分(1)，下方接有钻头(11)，并具有沿轴向的供钻井液流通的泥浆通道(3)；其中，所述电子线路部分被容纳在电子线路舱体(2)中，用于接收和处理来自所述测量探头部分的信号，其中，所述测量探头部分包括：主磁体对，其由沿轴向布置的两个磁极相对的主磁体(4a、4b)构成，其中，两个主磁体(4a、4b)在轴向上相对于所述装置本体的轴向中心而对称布置；其中，所述两个主磁体的轴向间距可以改变。

本发明的随钻测量装置是地质导向钻井技术的配套工具，至少具有以下有益效果：

(1)所述装置可用于地质导向钻井系统中，可最大程度减弱钻具的纵向运动及横向振动对测量结果的影响，准确获取原状地层的地质信息，目前国内还没有具有自主知识产权的随钻核磁共振测量仪器，而核磁共振测量技术却能为地质导向钻井系统提供最全面的地层信息。且国外的随钻核磁共振测量工具的软件设计及内置参数，并不完全符合我国的地质情况，因此填补国内空白，其经济效益和社会效益是巨大的。

(2)所述控制模块和驱动装置联合工作，通过磁通计的反馈数据，可以实现主磁场的井下自控制，可将主磁体消磁对测量结果的影响降到最低，增加了工具的使用寿命，节省了钻井时间，提高了钻井效率。

(3)通过磁通计监控主磁场，配以MWD(随钻测量)装置，可实现地面对井下主磁场的主动控制及调节，同时还可以评估测量数据的准确性，及时发现问题并作出应对措施。

(4)工具尺寸更小，现有工具长度均超过10米，本发明所提供工具仅需一对磁体即可实现现有技术多对磁体的功能，可将工具长度控制在3米以内，极大的简化了井下装备的复杂度，并提高了可靠度。

(5)所述装置因其使用寿命得到较大提升，可用于井下长期监测。

附图说明

图1为现有技术的一种随钻核磁共振测井仪器的结构示意图；

图2为现有技术的一种随钻核磁共振测井仪器的结构示意图；

图3为根据本发明的实施例的井下可控的随钻核磁共振测井装置的结构示意图；

图4为根据本发明的实施例的井下可控的随钻核磁共振测井方法的流程图；

图5为根据本发明的实施例的主磁场分布示意图；

图6为根据本发明的实施例的主磁场监测装置位置处磁场强度及径向梯度随主磁体磁极间距变化的关系示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

首先概述本发明的基本结构。根据本发明的实施例的井下可控的随钻核磁共振测井装置主要包括以下功能部分：

承载仪器主体的无磁钻铤；

套在泥浆通道外侧且沿轴向设置的滑动导轨(可选用无磁材料)；

磁极相对并沿导轨轴向排列的两个管状主磁体；

供钻井液流通的泥浆通道；

两主磁体中心处设有磁场监测装置(可选用磁通计等)，用于监测两主磁体所形成静磁场强度；

用于控制主磁体轴向运动的驱动装置；

两主磁体中心处绕有天线，用于发射和接收脉冲信号；

设有数据存储模块，用于存储所获取地层信息；

设有控制模块，可根据磁场监控装置的数据，控制驱动装置，进而控制主磁体在滑轨上运动的方向和距离；

井下数据处理分析模块，可以对测量获取到的回波串数据做指数反演拟合。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图3为根据本发明的实施例的井下可控的随钻核磁共振测井装置的结构示意图。如图3所示，本发明提供一种井下可控的随钻核磁共振测井装置，其主要包括装置本体、电子线路部分和测量探头部分，其中，

所述装置本体由无磁钻铤10承载，上方接有钻头驱动部分1，下方接有钻头11，并具有中空结构，即，供钻井液流通的泥浆通道3；

所述电子线路部分被容纳在电子线路舱体2中，并包括：

发射信号单元，主要由脉冲发射电路、DAC及功放组成；

接收信号单元，主要由前放、信号接收电路，ADC组成。

控制模块，包括：

总控处理电路模块：由执行不同任务的多个微处理器组成，其中一个为主控制器，其他为从控制器，微处理器之间通过内部总线通信；外部数据存储器阵列：用于各种测量参数的存储，采用非易失存储器件；数据与命令通信接口：接收来自上位系统主机的控制命令，发送本单元模块测量数据到上位机；系统供电电路：用于将电源电压转变为各模块所需的电压。

其中，所述测量探头包括：

由主磁体4a、4b构成的主磁体对，其由两磁极相对的钐钴磁体组成，特征为管状、轴向充磁、极性相同的磁极相对放置，可提供稳定梯度静磁场；发射与接收线圈7，其被安装在所述测量探头轴向中心的外侧侧壁，用于提供激励射频信号并接收地层返回回波串；

无磁导轨6a、6b，使每个主磁体4a、4b可沿轴向(上下)滑动，改变主磁体对间距，其可选用无磁材料；

主磁场监测装置9，其被安装在所述测量探头轴向中心的内侧侧壁，用于监测主磁场变化，并将监测数据反馈至控制模块；

磁体滑动驱动装置5a、5b，用于驱动主磁体沿导轨轴向滑动，可考虑选用相应规格的电机。

其中，磁体滑动驱动装置5a、5b及滑轨6a、6b组合可使主磁体对的磁极间距发生改变，其中驱动装置可考虑相应规格的电机，供电方式选用由井下涡轮发电机或电池组，在某些特殊钻井方式中，还可以直接由地面通过电缆供电。而滑轨6a及6b可考虑选用丝杠连接。该种驱动组合方式为电驱，亦可选用液压驱动。

其中，发射与接收线圈7可采用盖板式封装于钻铤外壁，盖板及钻铤均需选用无磁钢。该种封装方式能够将外壁对发射信号及接收信号的干扰降到最低，同时便于钻井现场的拆卸及维修。

本发明提供的井下可控的随钻核磁共振测井装置主要是通过装置中的电子线路和测量探头在嵌入式处理器控制系统的管理下完成的。

在本实施例中，由一对主磁体4a、4b产生静磁场B₀，如图5所示。其中，两主磁体均可沿滑轨6a、6b活动，根据磁极间距的不同，有两种测量模式：

a)当间距较小时，两主磁体可形成高梯度磁场，该种测量模式为停钻或慢速钻进时使用，其优点为测量数据的信噪比高，可获取更多的流体信息；

b)当间距较大时，两主磁体可形成低梯度磁场，使测量数据受仪器轴向及横向运动的影响较小，该种测量模式供旋转钻进时使用。

核磁共振测量是通过施加一个与静磁场B₀相垂直的交变磁场B₁来实现，其中B₁的频率需等于质子相对于B₀的拉莫尔频率。在本实施例中，B₀为梯度磁场，固定探测深度时，其磁场强度由主磁体磁极间距决定，在选用上述两种不同测量模式时，若想保证两种测量模式的探测深度不受主磁体间距改变的影响，可考虑改变射频脉冲B₁的频率来实现。

同时，亦可通过预先设定的程序，不改变B₁的频率，这样在主磁体磁极间距发生改变时，探测敏感区域8距离井壁的深度(横向距离)也会随之增大或减小，可实现多个探测深度的核磁共振测量。

测量敏感区域8的探测深度可由主磁体磁极间距及发射脉冲频率共同决定，其厚度在钻进模式时大约为30mm左右，在停钻模式时大约为5mm左右，两种模式相结合，既可以消除钻进时震动对测量结果的影响，又可在停钻时以较高分辨率探测地层流体信息。

主磁场监测装置9为实时监测主磁场变化情况，其主要功能包括1)监测主磁体消磁情况；2)仪器用于长期监测时，可作为地层对比数据；3)为探测深度控制程序提供校正数据，即在主磁体磁极间距发生变化时，监测该处磁场强度的变化与理论计算结果的偏差，用以校正回波串数据。该装置可选用环状磁通计。图6为监测装置9位置处磁场强度及径向梯度随主磁体磁极间距变化的关系示意图。

下面简述每个测量周期的随钻核磁共振测量方法。首先，上位机发出测量启动信号，或井下主控程序定时开启测量模式，仪器自检查后，判断钻具处于钻进或停钻状态，磁体滑动驱动装置及信号发射电子线路的启/停都是在主控模块的处理器控制下工作的。通过钻进状态的识别，将测量探头置于低梯度或高梯度磁场中发射并收集地层回波信号，每个回波串的数据都将放入指定的存储单元，并在井下按照事先内置的程序对测量数据进行反演计算，计算结果在井下存储或直接发送到上位机。

仪器的通讯模式可设置为三种，包括：1)与地面无通讯，此时所有数据及计算结果均存放于井下存储单元中；2)与地面依靠带宽较小的MWD装置通讯，此时仅上传计算结果，确保最重要的地层信息能够及时提供给钻井工程师，而大量的回波串数据可在停钻或起钻后再从存储单元中读出，供后续更为复杂的资料处理方法使用；3)与地面依靠电缆或光纤通讯，此时可将所有获取的数据同时传送到上位机。

本发明提供的井下可控的随钻核磁共振测井方法与仪器，可根据主磁体的消磁程度，通过控制模块内置程序随时控制驱动装置以调整静磁分布，保证测量敏感区域距离井眼中心的距离不发生改变，进而确保测量数据准确。

本发明提供的随钻核磁共振测井方法与仪器，是采用驱动装置控制一对主磁体之间距离，可形成任意梯度的磁场；现有技术需选用多对主磁体，仪器冗长、结构复杂，且只能形成固定梯度的静磁场。同时，本工具配以MWD装置，可供地面实时调整井下磁场分布，无需停钻、起钻、拆卸、更换磁体、重新装配、下钻等繁琐步骤。

本发明提供的随钻核磁共振测井方法与仪器，通过磁通计等装置随时监测主磁场，保证数据质量；现有技术无法随时获取主磁场信息，导致在主磁体消磁后仍保持测量模式，浪费大量测量数据和宝贵的钻进时间。

本发明提供的随钻核磁共振测井方法与仪器，可在井下进行核磁共振测量数据的反演拟合，可直接向地面传输初步计算得到的孔隙度、渗透率等重要参数，极大的减小了数据传输量，并加强了仪器的实时性；现有方法中，所有的数据处理都需要在地面完成，大量冗余数据的传输增加了通讯装置的负担。

本发明提供的随钻核磁共振测井方法与仪器，通过改变主磁体对的磁极间距，可实现井下多深度地层信息的获取，现有技术仅能获取距离井壁固定深度的地层信息。

最后，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种井下可控的随钻核磁共振测井装置，包括沿轴向竖直布置的装置本体、电子线路部分和测量探头部分，

其中，所述装置本体由无磁钻铤(10)承载，上方接有钻头驱动部分(1)，下方接有钻头(11)，并具有沿轴向的供钻井液流通的泥浆通道(3)；

其中，所述电子线路部分被容纳在电子线路舱体(2)中，用于接收和处理来自所述测量探头部分的信号，

其中，所述测量探头部分包括：

主磁体对，其由沿轴向布置的两个磁极相对的主磁体(4a、4b)构成，其中，两个主磁体(4a、4b)在轴向上相对于所述装置本体的轴向中心而对称布置；

其中，所述两个主磁体的轴向间距可以改变。

2.根据权利要求1所述的随钻核磁共振测井装置，还包括：

无磁导轨(6a、6b)，其分别与每个主磁体(4a、4b)固定连接，用于使每个主磁体(4a、4b)沿轴向滑动，以改变两个主磁体的间距；

发射与接收天线(7)，其被安装在所述装置本体的轴向中心的外侧侧壁，用于发射激励射频信号、以及接收地层返回回波信号；

主磁场监测装置(9)，其被安装在所述装置本体的轴向中心的内侧侧壁，并与所述发射与接收天线(7)相对，用于监测主磁场信号，并将监测数据发送到所述电子线路部分。

3.根据权利要求2所述的随钻核磁共振测井装置，其中，所述两个主磁体由两磁极相对的钐钴磁体组成，其形状为管状。

4.根据权利要求1所述的随钻核磁共振测井装置，其中，所述电子线路部分包括：

发射信号单元，其包括脉冲发射电路；

接收信号单元，其包括信号接收电路，

控制模块，包括：

总控处理电路模块，其包括多个微处理器；

数据存储器，用于存储各种测量参数；

数据与命令通信接口，用于接收来自上位机的控制命令，并发送数据到上位机；

系统供电电路，用于将电源电压转变为工作所需电压。

5.根据权利要求2所述的随钻核磁共振测井装置，还包括：

磁体滑动驱动装置(5a、5b)，其分别与相应的无磁导轨(6a、6b)连接，用于驱动主磁体沿无磁导轨(6a、6b)轴向滑动。

6.根据权利要求2所述的随钻核磁共振测井装置，其中，发射与接收天线(7)采用盖板式封装于无磁钻铤(10)的外壁。