CN109782362B

CN109782362B - 井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器

Info

Publication number: CN109782362B
Application number: CN201811522274.1A
Authority: CN
Inventors: 肖立志; 廖广志; 孙哲; 王轶凡; 李新; 罗嗣慧
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109782362A

Abstract

本发明提供一种井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器，本发明的井下随钻核磁共振仪器磁体静磁场分布在径向的磁场梯度减小，使得静磁场更加均匀，可使产生核磁共振的敏感区域在径向的延伸长度得到显著增加，从而增加敏感区域体积并提高信噪比，进而提高测量精度。

Description

井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器

技术领域

本发明涉及核磁共振测井技术领域，尤其涉及一种井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器。

背景技术

核磁共振测井仪是利用核磁共振原理测量油井周围的地层情况，从而探测地层中与油气特征相关的信息，其主要通过探头形成磁场并采集共振信号，进而根据共振信号对赋存在地层岩石孔隙中的流体进行分析，以直接测量储层流体中氢核的密度，并可将利用核磁共振信号获得的核磁数据直接转换为视含水孔隙度，还可以确定储层中不同流体的存在、含量及流体的相关特性。

其中，探头是油气井下激发核磁共振现象和接收核磁共振信号的关键部件，探头的结构设计决定了测井仪的测量方式、产生核磁共振的共振区域及核磁共振信号强度等关键性能。探头主要包括磁体和天线，磁体用于在井眼周围的地层中产生静磁场，以对地层中的液态油气水中的氢原子进行激发；天线用于向地层发射射频脉冲以形成射频磁场，通过该射频磁场激发地层中已经被所述静磁场极化的氢原子产生核磁共振现象，同时还用于接收和采集地层的氢原子产生的核磁共振信号。

现有技术中的随钻核磁共振测井仪探头静磁场径向分布示意图如图1所示，现有技术的随钻核磁共振测井仪探头磁体产生的静磁场径向磁场梯度较大，因而，当仪器振动程度较剧烈时，核磁共振产生的径向敏感探测区域厚度就会很薄，使得敏感区域体积变小，从而使测量得到的信号强度减小，即信噪比降低，影响测量精度。

发明内容

本发明提供一种井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器，以达到降低可产生随钻核磁共振测井仪探头磁体的静磁场的径向磁场梯度，提高核磁共振产生的径向敏感探测区域厚度，提高敏感区域体积，从而提高信号强度，提高信噪比，进而提高测量精度。

本发明的一个方面是提供一种井下随钻核磁共振仪器磁体，包括：第一主磁体、第二主磁体和至少一对聚焦磁体；

所述第一主磁体、所述第二主磁体和所述聚焦磁体设置于柱状探头骨架的容置腔内，所述第一主磁体、所述第二主磁体和所述聚焦磁体的中心均设置有通孔，分别用于套设在所述柱状探头骨架中心轴处穿设的供钻井液流通的泥浆管上，且所述聚焦磁体设置于所述第一主磁体和所述第二主磁体之间，所述第一主磁体、所述第二主磁体和所述聚焦磁体与所述柱状探头骨架相对固定设置；

所述第一主磁体和所述第二主磁体的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反；所述聚焦磁体充磁方向为轴向充磁。

进一步的，所述第一主磁体的充磁方向沿径向由泥浆管中心向外充磁；

所述第二主磁体的充磁方向沿径向由外向泥浆管中心充磁。

进一步的，所述第一主磁体、所述第二主磁体和所述聚焦磁体为多边形柱状磁体，所述第一主磁体和所述第二主磁体尺寸相同。

进一步的，所述第一主磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述第二主磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成。

进一步的，所述第一主磁体由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述第二主磁体由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少两个环状磁体沿轴向组合而成。

进一步的，所述环状磁体由多个水平截面为正方形的分磁体沿环形阵列拼接而成。

进一步的，所述聚焦磁体设置有至少两对，各聚焦磁体等间隔排布。

进一步的，所述聚焦磁体以预定规则进行排布，以实现聚焦作用和匀场作用。

本发明的另一个方面是提供一种井下随钻核磁共振仪器探头，包括如第一方面所述的井下随钻核磁共振仪器磁体。

本发明的另一个方面是提供一种随钻核磁共振仪器，包括如第二方面所述的井下随钻核磁共振仪器探头。

本发明提供的井下随钻核磁共振仪器磁体、探头以及随钻核磁共振仪器，静磁场分布在径向的磁场梯度减小，使得静磁场更加均匀，可使产生核磁共振的敏感区域在径向的延伸长度得到显著增加，从而增加敏感区域体积并提高信噪比，进而提高测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的井下随钻核磁共振仪器探头静磁场径向分布示意图；

图2为本发明实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体中第一主磁体和第二主磁体的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的环状磁体的结构示意图；

图6为由图5所示环状磁体构成的聚焦磁体的结构示意图；

图7为本发明另一实施例提供的聚焦磁体的结构示意图；

图8为本发明另一实施例提供的聚焦磁体的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体中第一主磁体和第二主磁体的实施例的充磁方向的示意图；

图10(1)为本发明实施例提供的井下随钻核磁共振仪器探头磁体所形成的静磁场强度分布示意图；

图10(2)为本发明实施例另一提供的井下随钻核磁共振仪器探头磁体所形成的静磁场强度分布示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

在本申请的描述中，随钻核磁共振测井仪可以用于垂直井、倾斜井，甚至是水平井中。因此，随钻核磁共振测井仪的钻进方向为探头骨架的中心轴延伸方向，即“轴向”，但并不一定为垂向；但为说明方便，在实施例中，将以用于垂直井为例进行阐述，也就是说，在下述实施例中“轴向”即为垂向，而“径向”即为垂直于轴向。但是，本实施例的内容并不是对本发明的限定。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

图2为本发明实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体的结构示意图；图3为本发明另一实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体的结构示意图。本实施例提供了一种井下随钻核磁共振仪器磁体，包括：第一主磁体11、第二主磁体12和至少一对聚焦磁体13。

其中，所述第一主磁体11、所述第二主磁体12和所述聚焦磁体13设置于柱状探头骨架的容置腔内，所述第一主磁体11、所述第二主磁体12和所述聚焦磁体13的中心均设置有通孔，分别用于套设在所述柱状探头骨架中心轴处穿设的供钻井液流通的泥浆管上，且所述聚焦磁体13设置于所述第一主磁体11和所述第二主磁体12之间，所述第一主磁体11、所述第二主磁体12和所述聚焦磁体13与所述柱状探头骨架相对固定设置；所述第一主磁体11和所述第二主磁体12的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反；所述聚焦磁体13充磁方向为轴向充磁。

在本实施例中，井下随钻核磁共振测井仪器探头包括沿轴向延伸的柱状探头骨架，柱状探头骨架具有容置腔，且柱状探头骨架的中心轴处穿设有供钻井液流通的泥浆管，具体的，柱状的探头骨架的中心轴处可设有通孔，将该通孔内固定嵌设一个十六边形的柱状的、上下延伸的泥浆管；在柱状探头骨架容置腔内、且在泥浆管上同轴套设第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13，也即泥浆管分别穿设于第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13的中心设置的通孔中；聚焦磁体13设置于第一主磁体11和第二主磁体12之间，第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13与探头骨架相对固定设置。柱状探头骨架用于容置第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13的容置腔可以大于上述各部件的体积，以保证在钻进过程中，第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13的相对位置固定不变。

本实施例中，所述第一主磁体11、所述第二主磁体12和所述聚焦磁体13为多边形柱状磁体，所述第一主磁体11和所述第二主磁体12尺寸相同。

本实施例中，如图9所示，第一主磁体11和第二主磁体12的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反，具体的，第一主磁体11的充磁方向沿径向由泥浆管中心向外充磁；第二主磁体12的充磁方向沿径向由外向泥浆管中心充磁，即，第一主磁体11的内环面和外环面分别为N极和S极，第二主磁体12的内环面和外环面分别为S极和N极；聚焦磁体13充磁方向为轴向充磁，即，聚焦磁体13的顶端可以为N极、底端可以为S极，或聚焦磁体13的顶端可以为S极、底端可以为N极。

当第一主磁体11的内环面和外环面分别为N极和S极，第二主磁体12的内环面和外环面分别为S极和N极时，聚焦磁体13的顶端为N极，底端为S极，这种情况下，主磁体产生的磁场方向和聚焦磁体13产生的磁场方向相同，因而，产生的静磁场强度增大，探测深度增大；当第一主磁体11的内环面和外环面分别为N极和S极，第二主磁体12的内环面和外环面分别为S极和N极时，聚焦磁体13的顶端为S极，底端为N极，这种情况下，产生类似于CMR(Combinable Magnetic Resonance，组合式磁共振仪)的低梯度、近似均匀的静磁场。

优选地，聚焦磁体13可以为多对，例如两对，可以套设在泥浆管上并等间隔分布；且聚焦磁体13的直径也可以小于或等于第一主磁体11和第二主磁体12的直径，方便后期天线的放置。

所述聚焦磁体13以预定规则进行排布，以实现聚焦作用和匀场作用。

本实施例中，聚焦磁体13的排布与主磁体存在最优关系，从而能够同时实现聚焦作用和匀场作用。聚焦磁体13由于采用的磁体结构和磁体数量不同，对于主磁体产生的磁场的聚焦效果也不一样，这种最优关系需要详细的数值模拟才能确定具体的参数设定。具体的，主磁体的高度、宽度以及间距，聚焦磁体的高度、宽度以及间距，都需要详细的数值模拟才能确定最终的最优关系。

本实施例的随钻核磁共振测井仪探头磁体的第一主磁体11、第二主磁体12和聚焦磁体13的设置，产生的静磁场磁感应强度分布如图10(1)和图10(2)所示，探头的外侧面与垂直井的井壁形成间隙，探头的中心轴同时代表了泥浆管的延伸方向。由图10(1)可以看出，主磁体的磁场方向与聚焦磁体13的磁场方向相反，得到的静磁场的磁场强度没有很强，但会使得产生的静磁场的磁场梯度小，也就使得产生的静磁场均匀分布，也就达到了匀场的作用。这种匀场的作用和下面要提到的聚焦的作用是互斥的。聚焦产生的静磁场强度大，由于地层的各向异性，磁场衰减就会很快，也就是会使得静磁场梯度增大，就达不到匀场的作用。因此，主磁体和聚焦磁体的磁场方向相同与否要看目标是什么，要是希望得到静磁场强度大的，即，探测深度大的，就需要主磁体和聚焦磁体磁场方向相同，要是希望得到静磁场均匀分布的，就需要主磁体和聚焦磁体磁场方向相反的。因此，对应探头中间处，磁感应强度沿径向延伸且较均匀分布，即径向磁场梯度较小，从而使得可形成核磁共振的敏感区域在径向的延伸长度得到显著增加，即切片厚度得到大幅度提高。由图10(2)可以看出，主磁体的磁场方向与聚焦磁体13的磁场方向一致，使得主磁体产生的静磁场强度增大，也就因此达到了静磁场聚焦的作用，使得产生的磁场沿着径向方向辐射的更远，探测到地层的深度就更大。因而，对应探头中间处，磁感应强度沿径向延伸增大，从而使得可形成核磁共振的敏感区域在径向的探测深度增大。图10(1)和图10(2)中表明的径向方向只是一个相对的深度。图10(1)和图10(2)中黑色的长方形就表示切片，即，切片越厚，得到的敏感区域的厚度越大，得到的有效信号量对多，从而产生的信噪比越高。

另外，多个聚焦磁体13的设置可以提高静磁场强度，从而提高所接收到的核磁共振信号强度。

由于第一主磁体11和第二主磁体12之间设置了至少一对聚焦磁体13，因此，所形成的静磁场强度得到提高。共振频率可通过下式确定：

其中，γ为旋磁比，对于氢核

f₀为产生核磁共振的共振频率；

B₀为静磁场强度。

通过上述公式，可以知道静磁场和射频场在达到共振时候的频率是多少，以便于后期磁体制作完成之后，用天线对磁体进行调试从而达到共振。

进一步的，在上述实施例的基础上，本实施例中的所述第一主磁体11由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述第二主磁体12由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体13由至少一个环状磁体沿轴向组合而成。

在本实施例中，第一主磁体11由至少一个环状磁体沿轴向排布拼接而成，也即第一主磁体11至少具有一层磁体；和/或第二主磁体12由至少一个环状磁体沿轴向排布拼接而成，也即第二主磁体12至少具有一层磁体；和/或聚焦磁体13由至少一个环状磁体沿轴向排布拼接而成，也即聚焦磁体13至少具有一层磁体。本实施例通过环状磁体拼接，从而方便磁体的加工和后期磁体的组装。

优选的，如图4所示，所述第一主磁体11由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或所述第二主磁体12由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或所述聚焦磁体13由至少两个环状磁体沿轴向组合而成。本实施例中，主磁体由至少六个环状磁体组合而成是为了达到静磁场强度，聚焦磁体13由至少两个环状磁体组合而成是为了达到更好的聚焦效果。

在上述实施例中，如图5所示，每一环状磁体由多个水平截面为正方形的分磁体沿环形阵列拼接而成，其中由该种环状磁体构成的聚焦磁体13可如图6所示。本实施例中环状磁体通过分磁体拼接而成是为了磁体加工方便和后期的磁体组装方便，阵列排布是为了产生的静磁场在空间360°分布均匀。

此外，环状磁体也可采用一体结构的磁体，由该种环状磁体构成的聚焦磁体13可如图7所示；或者，每一环状磁体也可由多个水平截面为梯形的分磁体沿环形阵列拼接而成，其中由该种环状磁体构成的聚焦磁体13可如图8所示。当然，环状磁体也可采用由多个水平截面为扇形的分磁体沿环形阵列拼接而成。此外，第一主磁体11、第二主磁体12以及聚焦磁体13也可分别采用一体结构的磁体。

进一步的，当第一主磁体11、第二主磁体12以及聚焦磁体13由多个环状磁体构成时，多个环状磁体的外环面需要相互匹配，也即如图所示，各环状磁体的平面或沟槽能沿轴向延伸。

本实施例提供的井下随钻核磁共振仪器磁体，静磁场分布在径向的磁场梯度减小，使得静磁场更加均匀，可使产生核磁共振的敏感区域在径向的延伸长度得到显著增加，从而增加敏感区域体积并提高信噪比，进而提高测量精度。

本发明另一实施例提供了一种井下随钻核磁共振仪器探头，包括上述实施例所述的井下随钻核磁共振仪器磁体。

此外，井下随钻核磁共振测井仪器探头还包括沿轴向延伸的柱状探头骨架，柱状探头骨架具有容置腔，且柱状探头骨架的中心轴处穿设有供钻井液流通的泥浆管，具体的，柱状的探头骨架的中心轴处可设有通孔，将该通孔内固定嵌设一个十六边形的柱状的、上下延伸的泥浆管；在柱状探头骨架容置腔内、且在泥浆管上同轴套设第一主磁体、第二主磁体和聚焦磁体，也即泥浆管分别穿设于第一主磁体、第二主磁体和聚焦磁体的中心设置的通孔中；聚焦磁体设置于第一主磁体和第二主磁体之间，第一主磁体、第二主磁体和聚焦磁体与探头骨架相对固定设置。柱状探头骨架用于容置第一主磁体、第二主磁体和聚焦磁体的容置腔可以大于上述各部件的体积，以保证在钻进过程中，第一主磁体、第二主磁体和聚焦磁体的相对位置固定不变。所述第一主磁体和所述第二主磁体的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反；所述聚焦磁体充磁方向为轴向充磁。

所述第二主磁体的充磁方向沿径向由外向泥浆管中心充磁。

所述第二主磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成。

所述第二主磁体由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少两个环状磁体沿轴向组合而成。

本实施例提供的井下随钻核磁共振仪器探头，静磁场分布在径向的磁场梯度减小，使得静磁场更加均匀，可使产生核磁共振的敏感区域在径向的延伸长度得到显著增加，从而增加敏感区域体积并提高信噪比，进而提高测量精度。

本发明另一实施例提供了一种随钻核磁共振仪器，包括如上述实施例所述的井下随钻核磁共振仪器探头。

本实施例的随钻核磁共振仪器具体可以包括井下钻具及井上信号处理设备，所述的井下钻具的钻铤中固定设置有如上实施例所述的随钻核磁共振测井仪器探头磁体。

本实施例提供的随钻核磁共振仪器的原理和技术效果同上述实施例，此处不再赘述。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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

1.一种井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，包括：第一主磁体、第二主磁体和至少一对聚焦磁体；

所述第一主磁体和所述第二主磁体的充磁方向均为径向充磁，且充磁方向相反；所述聚焦磁体充磁方向为轴向充磁；

所述第一主磁体的充磁方向沿径向由泥浆管中心向外充磁；所述第二主磁体的充磁方向沿径向由外向泥浆管中心充磁；

所述聚焦磁体顶端为N极，底端为S极，使主磁体和聚焦磁体磁场方向相同，以增大静磁场强度，增大探测深度；或者

所述聚焦磁体顶端为S极，底端为N极，使主磁体和聚焦磁体磁场方向相反，以减小静磁场梯度，均匀静磁场分布。

2.根据权利要求1所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述第一主磁体、所述第二主磁体和所述聚焦磁体为多边形柱状磁体，所述第一主磁体和所述第二主磁体尺寸相同。

3.根据权利要求2所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述第一主磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述第二主磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少一个环状磁体沿轴向组合而成。

4.根据权利要求3所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述第一主磁体由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述第二主磁体由至少六个环状磁体沿轴向组合而成；和/或

所述聚焦磁体由至少两个环状磁体沿轴向组合而成。

5.根据权利要求3或4所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述环状磁体由多个水平截面为正方形的分磁体沿环形阵列拼接而成。

6.根据权利要求1所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述聚焦磁体设置有至少两对，各聚焦磁体等间隔排布。

7.根据权利要求6所述的井下随钻核磁共振仪器磁体，其特征在于，

所述聚焦磁体以预定规则进行排布，以实现聚焦作用和匀场作用。

8.一种井下随钻核磁共振仪器探头，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的井下随钻核磁共振仪器磁体。

9.一种随钻核磁共振仪器，其特征在于，包括：包括如权利要求8所述的井下随钻核磁共振仪器探头。