CN107525819A - 核磁共振流体分析仪探头以及核磁共振流体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种核磁共振流体分析仪探头以及核磁共振流体分析仪。该核磁共振流体分析仪探头具有供流体流通的流体管，该流体管外同轴地依次套设有磁体和高导磁外壳；磁体具有沿流体管的轴向方向依次同轴设置的过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段；过极化磁体段的磁场强度大于测量磁体段的磁场强度，欠极化磁体段的磁场强度小于测量磁体段的磁场强度，稳定极化磁体段的磁场强度等于测量磁体段的磁场强度；测量磁体段与流体管之间设置有天线，天线套设在流体管的外壁上。本发明提供的核磁共振流体分析仪探头，能够使得到的磁场更加均匀，预极化磁化矢量更接近目标磁化矢量，因而能够更加准确的进行流体识别。

Description

核磁共振流体分析仪探头以及核磁共振流体分析仪

技术领域

本发明涉及一种核磁共振流体分析仪探头以及核磁共振流体分析仪，属于流体识别技术领域。

背景技术

核磁共振流体分析仪是基于核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)原理对流体进行识别的仪器，具有实时、快速和准确的优点，因而得到了广泛的应用。

阿特拉斯公司于2000年提出通过NMR波谱学原理分析地层流体属性，确定地层流体性质的流体分析系统方案。当流体流经核磁共振探测区域时，检测流体¹³C的核磁共振信号，然后对检测到的核磁共振信号进行傅里叶变换，通过得到的流体化学位移谱图对流体性质进行识别。壳牌公司研制的核磁共振流体分析系统采用多层halbach环磁体结构，主要用于测量多相流。当流体流经该系统后，可以得到多相流的流速以及含量等信息。哈里伯顿公司研制的核磁共振流体分析系统以核磁共振弛豫测量为基础，测量流体的横向弛豫时间，纵向弛豫时间以及扩散系数等信息，通过得到的核磁共振信息可以得到流体类型以及含量等信息。中国石油大学(北京)核磁共振实验室于2012年及2014年初步完成了两套可在地面实验室内使用的核磁共振流体分析样机，通过双天线结构的设计可以得到在流体流动时完成对流体弛豫时间的测量。

核磁共振流体分析仪包括核磁共振流体分析仪探头和配套的电路，其中，核磁共振流体分析仪探头是核磁共振流体分析仪的核心部件，主要包括磁体和天线，其中磁体用于在核磁共振流体分析仪的流体管腔体内部产生静磁场，以对流体管腔体内流体的氢原子进行极化；天线用于向流体发射射频脉冲以形成脉冲磁场，激发已被静磁场极化的氢原子产生核磁共振，还用于接收和采集被激发的氢原子产生的核磁共振信号。

图1为现有核磁共振流体分析仪探头中的磁体结构示意图。如图1所示，目前核磁共振流体分析仪探头通常采用三段式的磁体结构，其中A段为过极化磁体段，B段是欠极化磁体段，C段是测量磁体段，并且每个磁体段都是由两个以上的磁环构成，磁环的结构示意图参见图2。其中，过极化磁体段的场强远远大于目标场强，以对流体进行快速极化，使流体在经过过极化磁体段的极化后，磁化矢量高于测量磁体段的目标磁化矢量。欠极化磁体段的中心场强明显低于测量磁体段的场强，其目的是将经过过极化磁体段极化后的磁化矢量快速“拉下来”，使流体在进入测量磁体段时的磁化矢量接近目标磁化矢量。

研究发现，目前的核磁共振流体分析仪，仅对部分流体具有很好的预极化效果，而对于井下流体等储层流体，其纵向弛豫时间T1大多集中在0.1～4s、流体流经预极化磁体的流速小于4cm/s，经现有核磁共振流体分析仪探头的预极化磁体预极化后，磁化矢量不能达到目标磁化矢量，因而不能对流体进行准确识别。

发明内容

本发明提供一种核磁共振流体分析仪探头以及核磁共振流体分析仪，该核磁共振流体分析仪探头的磁体部分采用四段式的磁体段结构，能够使流体的预极化磁化矢量更加接近目标磁化矢量，因而能够对流体进行准确识别。

本发明还提供上述核磁共振流体分析仪在储层流体及地面流体识别中的应用以及一种储层流体识别方法。

本发明首先提供一种核磁共振流体分析仪探头，具有供流体流通的流体管，该流体管外同轴地依次套设有磁体和高导磁外壳；磁体具有沿流体管的轴向方向依次同轴设置的过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段；过极化磁体段的磁场强度大于测量磁体段的磁场强度，欠极化磁体段的磁场强度小于测量磁体段的磁场强度，稳定极化磁体段的磁场强度等于测量磁体段的磁场强度；测量磁体段与流体管之间设置有天线，天线套设在流体管的外壁上。

进一步的，过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段分别由一个以上的磁环沿流体管的轴向方向依次组合而成。

进一步的，每个磁环的外周面上沿轴向设有至少一平面或沟槽，所有磁环依次组合后，各磁环上的平面或沟槽能沿轴向呈连续延伸。

进一步的，高导磁外壳的内壁设有能与磁环外周面上的至少一平面或沟槽相配合的固定部，防止两者之间的相对转动。

进一步的，天线至少具有能够测量流体扩散系数的第一线圈、能够测量流体弛豫时间的第二线圈和能够测量流动流体核磁参数的第三线圈；第一线圈设置在测量磁体段上，远离稳定极化磁体段的一端；第三线圈设置在测量磁体段的另一端；第二线圈设置在测量磁体段的中部。

进一步的，第一线圈、第二线圈和第三线圈分别独立的连接有电路。

进一步的，第一线圈、第二线圈和第三线圈连接在同一电路上，电路上设有能够控制第一线圈、第二线圈和第三线圈工作状态的开关选择电路模块。

本发明其次提供一种核磁共振流体分析仪，其具有上述核磁共振流体分析仪探头。

本发明还提供上述核磁共振流体分析仪在储层流体及地面流体识别中的应用。

本发明最后提供一种储层流体识别方法，包括：使用上述核磁共振流体分析仪对储层流体及地面流体进行测试。

本发明提供了一种核磁共振流体分析仪探头和核磁共振流体分析仪，其磁体部分采用过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段的四段式的磁体段结构，能够使流体到达测量磁体段的预极化磁化矢量更加接近目标磁化矢量，因而能够更准确的对流体进行识别，增加了核磁共振流体分析仪的使用范围。

本发明还提供了上述核磁共振流体分析仪在储层流体及地面流体识别中的应用。由于该核磁共振流体分析仪能够对流体进行准确识别，因而能够更好的用于储层流体及地面流体的识别。

本发明还提供了一种储层流体识别方法，包括采用上述核磁共振流体分析仪对储层流体及地面流体进行测试，以对流体进行识别，并得到准确的识别结果。

附图说明

图1为现有核磁共振流体分析仪探头中的磁体结构示意图；

图2为现有磁环的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的横截面结构剖视图；

图4为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的纵截面结构剖视图；

图5为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的磁体结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的磁环结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的磁体结构主视图；

图8为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的壳体与磁体安装结构示意图。

附图标记说明：

1-流体管； 2-磁体； 20-磁环；

21-过极化磁体段； 22-欠极化磁体段； 23-稳定极化磁体段；

24-测量磁体段； 25-平面； 3-高导磁外壳；

4-天线； 41-第一线圈； 42-第二线圈；

43-第三线圈。

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做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。

图3和图4分别为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的横截面结构剖视图和纵截面结构剖视图；图5为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的磁体结构示意图，箭头的方向表示流体流动的方向。请参考图3至图5，本实施例提供的核磁共振流体分析仪探头，具有供流体流通的流体管1，该流体管1外同轴地依次套设有磁体2和高导磁外壳3；磁体2具有沿流体管1的轴向方向依次同轴设置的过极化磁体段21、欠极化磁体段22、稳定极化磁体段23和测量磁体段24；过极化磁体段21的磁场强度大于测量磁体段24的磁场强度，欠极化磁体段22的磁场强度小于测量磁体段24的磁场强度；稳定极化磁体段23的磁场强度等于测量磁体段24的磁场强度；测量磁体段24与流体管1之间设置有天线4，天线4套设在流体管1的外壁上。

具体的，流体管1为流体提供通路，具体可以由耐高温、耐高压、高硬度的材料制成，比如采用聚醚醚酮树脂材料制成，该材料具有机械强度高、耐高温高压且膨胀系数小等优良特性，本实施例中，流体管1的内径为5mm～30mm，以使磁体2在该流体管1内形成均匀、稳定的静磁场。磁体2可以采用钐-钴材料制作而成，能够形成与流体管1的中心轴垂直的静磁场，该静磁场将通过流体管1内的流体极化。在流体管1和磁体2的径向上通常存在一定的间隙，该间隙内可以设置有平衡液体，以平衡石油井下压力。高导磁外壳3作为屏蔽罩以屏蔽磁体2的磁场向外辐射，其一般为水平截面为圆环形的柱状结构，具体由高导磁材料制成，比如可以是软磁铁或高导磁铁。通常情况下，还可以在高导磁外壳3的外壁上进一步套设玻璃钢外壳，以保护整个探头。

本实施例中，磁体2采用四段式磁体结构，即，沿流体流动方向依次设置的过极化磁体段21、欠极化磁体段22、稳定极化磁体段23和测量磁体段24。在流体识别和测试过程中，首先使流体管1中的流体过极化，然后磁化矢量衰减后再进行稳定极化，从而使流体在进入测量磁体段24时达到目标磁化矢量。

具体的，过极化磁体段21、欠极化磁体段22和稳定极化磁体段23为预极化磁体，当流体流经流体管1时，首先经过过极化磁体段21，由于过极化磁体段21的磁场强度大于测量磁体段24的磁场强度，在过极化磁体段21较强静磁场作用下，可使流体的氢核磁化矢量远大于目标磁化矢量；然后经过欠极化磁体段22，由于其磁场强度小于测量磁体段24的磁场强度，因而使流经欠极化磁体段22流体的磁化矢量迅速降低；其次经过稳定极化磁体段23，其磁场强度与测量磁体段24的磁场强度相同，使流体的磁化矢量达到并稳定在目标磁化矢量；最后，流体进入测量磁体段24，设置在测量磁体段24与流体管1之间的天线4产生交变磁场，从而使流经测量磁体段24的流体产生核磁共振，进而实现对流体的测量，以获得相关测量参数。由上可知，本实施例提供的核磁共振流体分析仪探头，能够使流体经磁体2经预极化后，达到预设目标磁化矢量，因而能够对流体进行准确识别。

本领域技术人员可以理解，为了对流动流体进行测量，达到预设目标磁化矢量，可根据需要将过极化磁体段21、欠极化磁体段22、稳定极化磁体段23和测量磁体段24设置合适的磁场强度以及长度。

进一步的，过极化磁体段21、欠极化磁体段22、稳定极化磁体段23和测量磁体段24分别由至少一个磁环20沿流体管1的轴向方向依次组合而成。具体的，上述各磁体段均可以由两个以上的磁环20通过粘结等方式制作而成。并且，不同磁体段的磁环20的厚度也不同，即磁环20的内径不同，从而使各磁体段可达到所需要的磁场强度。

具体的，本实施例中的磁环20，可以采用现有技术中常用的圆环形磁环20结构，如图2所示。图6为本发明一实施例提供的磁环结构示意图，图7为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的磁体结构主视图。请参考图6，每个磁环20的外周面上沿轴向设有至少一个或多个平面25，即磁环20为削边圆环结构，所有磁环20依次组合后，各磁环20上的平面25能沿轴向呈连续延伸，如图7所示。或者，还可以在每个磁环20的外周面上沿轴向设有一个或多个沟槽(未图示)，当所有磁环20依次组合完成后，形成的磁体2的外周面上形成一个或多个平行于轴向的沟槽。通过上述磁环20的结构设计，能够避免磁环20组合安装时的扭曲问题，使磁体2产生较为均匀的磁场。

本领域技术人员可以理解，无论是在磁环外周面上设置平面25还是沟槽，均应该以不影响磁环20的磁场强度和磁场均匀性为宜，比如磁环20的径向厚度为5～20mm，则沟槽沿磁环20径向的深度最好不超过2mm。当然，如果沟槽或平面25的数量为2个以上，则最好在磁环20的外周面上均匀分布。

图8为本发明一实施例提供的核磁共振流体分析仪探头的壳体与磁体安装结构示意图。如图8所示，还可以进一步在高导磁外壳3的内壁设有能与磁环20外周面上的至少一平面25或沟槽相配合的固定部(未图示)。该固定部的形状与平面25或沟槽的形状相适配，比如磁环20的外周面上设有一个或多个轴向延伸的平面25，则该固定部可以是设置在高导磁外壳3内壁相应位置上的凸台，该凸台的数量与平面25的数量一致。该凸台朝向磁环20突起，并且该凸台具有与该平面25平行的固定面；或者磁环20的外周面上设有一个或多个沿轴向延伸的沟槽，则该固定部可以是设置在高导磁外壳3内壁相应位置上、并能够被该沟槽所容纳的凸筋。上述结构的设置，使磁体2能够被高导磁外壳3所固定，避免相邻磁环20之间发生扭曲，从而使形成的磁场更加均匀。

天线4设置在流体管1与测量磁体段24之间，在进行流体参数测量时，天线4形成的交变磁场方向平行于流体管1的中心轴，以满足核磁共振测量所需的共振条件。本实施例对设置在流体管1外壁上的天线4不做特别限定，可根据实际测试需求合理设置，比如可以分别在流体管1外壁上套设用于发射射频脉冲以形成脉冲磁场的发射天线，以及用于采集和接收核磁共振信号的接收天线。

优选的，如图4所示，天线4至少包括能够测量流体扩散系数的第一线圈41、能够测量流体弛豫时间的第二线圈42和能够测量流动流体核磁参数的第三线圈43；第一线圈41设置在测量磁体段24上，远离稳定极化磁体段的一端，该位置存在一磁场梯度，满足扩散系数的测量条件要求；第三线圈43设置在测量磁体段24的另一端，即靠近稳定极化磁体段的一端，第三线圈43可相对较长，以实现流体流动时的核磁参数测量，比如其轴向长度可以大于10cm；第二线圈42设置在测量磁体段24的中部，该位置的磁场强度最为均匀，能够实现弛豫时间T1的准确测量。采用上述三个分立的第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43分别对流体的扩散系数、弛豫时间及核磁参数进行测量。当然，还可以根据实际需求，合理设置其他线圈。

并且，上述每个线圈均可采用螺线管线圈或马鞍型线圈等多种线圈形式，本实施例不做过多限定。

本实施例采用天线4选择电路来选择激发或接收的线圈，通过电路激发天线4产生脉冲，以产生核磁共振信号，然后通过天线4接收核磁共振信号，实现对流体参数的测量。也就是说，上述第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43分别同时作为发射线圈和接收线圈，以有效降低测量时的能耗，使测量结果准确可靠。

并且，由于本实施例所提供的核磁共振流体分析仪探头具有包括过极化磁体段21、欠极化磁体段22和稳定极化磁体段23在内的预极化磁体，使流动流体在测试之前经过了预极化并使流体的预极化磁化矢量达到并稳定在目标磁化矢量，因而能够获得更为准确的测量结果。

可选的，上述第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43分别独立的连接有电路(未图示)。在进行流体识别时，可分别控制各线圈所对应的电路，实现对相应流体参数的测量。这样当某一线圈对应的流体处于预极化状态时，可以通过激发其它线圈内的流体以实现相应参数的测量，从而提高流体测量效率。

或者，第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43连接在同一电路上，该电路上设有能够控制第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43工作状态的开关选择电路模块。通过上述开关选择电路模块，控制第一线圈41、第二线圈42和第三线圈43是否工作，以实现对应流体参数的测量，因而在流体第一次测量完成之后，无需等待流体完全极化恢复后才能进行第二次测量，提高测量效率。

本实施例其次提供一种核磁共振流体分析仪，其具有上述核磁共振流体分析仪探头以及电路。具体的，该核磁共振流体分析仪具有四段式磁体结构、多天线设计以及相匹配的天线选择电路。

本实施例还提供上述核磁共振流体分析仪在储层流体及地面流体识别中的应用。由于本实施例中提供的核磁共振流体分析仪探头采用了上述四段式的磁体段结构，能够使预极化磁化矢量更加接近目标磁化矢量，尤其对于流动流体，其测量和分析结果更加完整和准确，因而能够对流体进行精确测试与识别。

本实施例最后提供一种储层流体识别方法，包括：使用上述核磁共振流体分析仪对储层流体及地面流体进行测试。

储层流体是指储存于油(气)藏中的石油、天然气和地层水。本实施例采用上述核磁共振流体分析仪对储层流体进行测试，以获取储层流体的相关参数，比如扩散系数、弛豫时间及核磁参数等，从而对储层流体进行准确识别。

地面流体具体可以为钻井液流体，也可以为已经开采出的原油样品等。本实施例采用上述核磁共振流体分析仪对地面流体进行测试，以获取钻井液流体及原油样品参数，比如扩散系数、弛豫时间及核磁参数等，从而对钻井液及原油性质进行准确识别。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，具有供流体流通的流体管，该流体管外同轴地依次套设有磁体和高导磁外壳；

所述磁体具有沿所述流体管的轴向方向依次同轴设置的过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段；

所述过极化磁体段的磁场强度大于所述测量磁体段的磁场强度，所述欠极化磁体段的磁场强度小于所述测量磁体段的磁场强度，所述稳定极化磁体段的磁场强度等于所述测量磁体段的磁场强度；

所述测量磁体段与所述流体管之间设置有天线，所述天线套设在所述流体管的外壁上。

2.根据权利要求1所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，所述过极化磁体段、欠极化磁体段、稳定极化磁体段和测量磁体段分别由一个以上的磁环沿所述流体管的轴向方向依次组合而成。

3.根据权利要求2所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，每个所述磁环的外周面上沿轴向设有至少一平面或沟槽，所有磁环依次组合后，各磁环上的所述平面或沟槽能沿轴向呈连续延伸。

4.根据权利要求3所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，所述高导磁外壳的内壁设有能与所述磁环外周面上的至少一平面或沟槽相配合的固定部。

5.根据权利要求1所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，所述天线至少具有能够测量流体扩散系数的第一线圈、能够测量流体弛豫时间的第二线圈和能够测量流动流体核磁参数的第三线圈；

所述第一线圈设置在所述测量磁体段上，远离所述稳定极化磁体段的一端；所述第三线圈设置在所述测量磁体段的另一端；所述第二线圈设置在所述测量磁体段的中部。

6.根据权利要求5所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈分别独立的连接有电路。

7.根据权利要求5所述的核磁共振流体分析仪探头，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈连接在同一电路上，所述电路上设有能够控制所述第一线圈、第二线圈和第三线圈工作状态的开关选择电路模块。

8.一种核磁共振流体分析仪，其特征在于，具有权利要求1-7任一项所述的核磁共振流体分析仪探头。

9.权利要求8所述的核磁共振流体分析仪在储层流体及地面流体识别中的应用。

10.一种储层流体识别方法，其特征在于，包括：使用权利要求8所述的核磁共振流体分析仪对储层流体及地面流体进行测试。