DE10197175B3

DE10197175B3 - Verfahren der Bohrlochmessung mittels kernmagnetischer Resonanz und Vorrichtung zur Verwirklichung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10197175B3
Application number: DE10197175.3T
Authority: DE
Inventors: Ewgenij Michajlowitsch Mitjuschin; Vadim Jurjewitsch Barljaew; Rafis Takiewitsch Chamatdinow
Original assignee: AG Geschlossenen Typs Wissenschaftliche Produktionsfirma fur Geophysikalische und Geookologische Arbeiten "karotasch"; Geschlossenen Typs Wissenschaftliche Produktions fur Geophysikalische und Geookologische Arbeiten Ka
Current assignee: AG Geschlossenen Typs Wissenschaftliche Produktionsfirma fur Geophysikalische und Geookologische Arbeiten "karotasch"; Geschlossenen Typs Wissenschaftliche Produktions fur Geophysikalische und Geookologische Arbeiten Ka
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: RU2181901C1; GB2387233A8; CA2432230C; US7075298B2; WO2002057809A1; GB0311513D0; NO334392B1; DE10197175T1; GB2387233B; CA2432230A1; US20040052116A1; GB2387233A; NO20033271D0; NO20033271L

Abstract

Verfahren zur Bohrlochmessung unter Anwendung der kernmagnetischen Resonanz, wobei ein statisches Magnetfeld in einem Bohrloch in einem Untersuchungsbereich (9) mittels mindestens eines länglichen Magneten (5) erzeugt wird, wobei der mindestens eine Magnet (5) eine Magnetisierungsrichtung aufweist, welche senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Magneten (5) verläuft, wobei ein Radiofrequenzfeld in dem Untersuchungsbereich (9) erzeugt wird, welches eine Richtung sowohl senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Magneten (5) als auch senkrecht zum statischen Magnetfeld aufweist, und wobei das Signal der kernmagnetischen Resonanz detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (5) aus leitendem Seltenerdmaterial besteht und dass zusätzlich ein Kompensationsradiofrequenzfeld erzeugt wird, welches das Radiofrequenzfeld im Bereich des mindestens einen Magneten (5) kompensiert.

Description

Die Erfindung gehört zu den geophysikalischen Methoden der Bohrlochuntersuchungen, insbesondere zur kernmagnetischen Messung (nuclear magnetic resonance – NMR), welche bei den Untersuchungen von Erdöl- und Gasbohrungen angewandt wird.
Aus den Druckschriften US 3,667,035 A und US 4,350,955 A sind Verfahren zur kernmagnetischen Messung bekannt, welche starke Zylindermagnete zur Erzeugung des statischen Magnetfelds in dem Bereich verwenden, der sich in der Nähe der Bohrlochwand befindet. Es wird in diesem Bereich ein Radiofrequenzfeld hauptsächlich senkrecht zum statischen Magnetfeld erzeugt. Die Verfahren beinhalten weiterhin den Empfang von kernmagnetischen Resonanzsignalen. Diese Methoden haben jedoch keine breite Anwendung gefunden.
Aus der Druckschrift US 5,055,787 A ist ein Verfahren der kernmagnetischen Messung bekannt, welches ein homogenes statisches Magnetfeld mittels Fokussiermagnetsystemen in dem Bereich erzeugt, welcher sich gegenüber den Magnetsystemen in unmittelbarer Nähe von der Bohrlochwand befindet. In diesem Bereich wird ein Radiofrequenzfeld erzeugt, wobei die Richtung des Radiofrequenzfeldes vorwiegend senkrecht zum statischen Magnetfeld ist. Es wird das kernmagnetische Resonanzsignal aus dem angegebenen Bereich detektiert.
Der Nachteil dieser Methode ist die geringe Tiefe des Untersuchungsbereichs, welcher sich ca. 3 cm von der Sondenwand entfernt befindet. In Bohrlöchern mit Kavernen befindet sich der Untersuchungsbereich im Bohrlochbereich, was zu falschen Ergebnissen führt.
Als nächstliegender Stand der Technik wird das aus der Druckschrift US 4,710,713 A bekannte Verfahren der kernmagnetischen Messung betrachtet, welches die Erzeugung eines statischen Gradientenmagnetfeldes in der Nähe des Bohrloches befindlichen zu untersuchenden Bereich beschreibt, mit Hilfe mindestens eines Magneten mit einer Längsachse und einer Magnetisierungsrichtung, die hauptsächlich senkrecht zur oben genannten Achse verläuft. Das Verfahren umfasst weiterhin die Erzeugung eines Radiofrequenzfeldes zur Atomkernanregung des zu analysierenden Materials in dem oben erwähnten Bereich mittels mindestens einer Spule. Die Spule ist so gewickelt, dass die Spulenwicklungen in den Flächen liegen, die hauptsächlich parallel zur oben genannten Magnetisierungsrichtung und der oben genannten waagerechten Achse verlaufen. Um Informationen über die Eigenschaften des zu analysierenden Materials zu erhalten, werden kernmagnetische Resonanzsignale von den angeregten Kernen detektiert.
Die Vorrichtung für dieses Verfahren besteht aus einem kreiszylindrischen Magneten aus Ferrit, der senkrecht zur seiner Längsachse magnetisiert ist. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Radiofrequenzspule, die direkt auf den Magneten aufgewickelt ist, wobei die Spulenwicklungen hauptsächlich in der Ebene liegen, die durch die Magnetachse und die Richtung seiner Magnetisierung hindurchgeht. Die Vorrichtung weist einen Radiofrequenzimpulsgenerator, einen Detektor für die Signale der kernmagnetischen Resonanz und einen Sender-/Empfänger-Anpassungsschaltkreis auf, deren erster Eingang mit dem einen Ende der Radiofrequenzspule verbunden ist. Das andere Ende der Radiofrequenzspule ist mit dem Masseanschluss des Anpassungsschaltkreises verbunden. Der zweite Eingang des Anpassungsschaltkreises ist an den Ausgang des Radiofrequenzimpulsgenerators angeschlossen. Der Ausgang des Anpassungsschaltkreises ist mit dem Eingang des Signalempfängers der kernmagnetischen Resonanz verbunden.
Die Vorzüge dieser Methode und der Vorrichtung bestehen darin, dass der Untersuchungsbereich in einem dünnen (ca. 1 mm) zylindrischen Bereich koaxial zur Sondenachse in beträchtlicher Entfernung zur Sondenachse liegt. Bei einer Sonde mit einem Durchmesser von 152 mm befindet sich der Untersuchungsbereich in einer Entfernung von 175 mm von der Sondenachse und fällt praktisch nie in den Bereich des Bohrlochs mit einem Standarddurchmesser von 200 mm (siehe Druckschrift ”Improved Log Quality With a Dual-Frequency Pulsed NMR Tool” von R. N. Chandler, E. O. Drak, M. N. Miller and M. G. Prammer, SPE 28365 präsentiert auf der 69^th Jährlichen Konferenz und Ausstellung von SPE, 1994).
Aus der Druckschrift ”Improved Log Quality With a Dual-Frequency Pulsed NMR Tool” von R. N. Chandler, E. O. Drak, M. N. Miller and M. G. Prammer, SPE 28365 präsentiert auf der 69^th Jährlichen Konferenz und Ausstellung von SPE, 1994 geht als Nachteil hervor, dass sich bei kleineren Sondendurchmessern, zum Beispiel bis 114 mm, die Sondenempfindlichkeit und der Radius des Untersuchungsbereichs verringern, so dass in diesem Fall nur eine Arbeit in Bohrlöchern mit kleinem Durchmesser möglich ist. Dieser Nachteil ist dadurch bedingt, dass in der in der Druckschrift US 4,710,713 A dargestellten Vorrichtung ein kreiszylindrischer, nichtleitender Ferritmagnet verwendet wird und die Radiofrequenzspule direkt auf die Magnetoberfläche gewickelt ist.
Aus der Druckschrift WO 01/07937 A1 ist eine Vorrichtung zum Bohren eines Bohrlochs und zur Bestimmung der interessierenden Parameter der das Bohrloch umgebenden Zusammensetzung bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine NMR-Messeinrichtung, die mittels zweier in einem Abstand in axialer Richtung angeordneter Magneten, die entgegengesetzt gepolt sind, ein zeitunabhängiges Magnetfeld erzeugt. Ein ebenfalls zur Messeinrichtung gehöriges Radiofrequenz-System (RF-System) weist drei Ferrit-Magnete auf, die axial zwischen den beiden Magneten, die das statische Magnetfeld erzeugen, angeordnet sind. Die drei Ferrit-Magnete bestehen aus sogenanntem weichen Ferrit, das eine Permeabilität μ_i von etwa 100 bis 10000 aufweist. Die Ferrit-Magneten koppeln an die RF-Magnetfelder der Sende- und Empfangsantennen und schirmen die Antennen von Wirbelströmen im metallischen Sensorgehäuse ab. Sie erhöhen des Weiteren die Empfindlichkeit der Antennen.
Eine ähnliche Vorrichtung ist in der Druckschrift WO 00/14576 A1 offenbart. Für NMR-Messungen ist ein zylindrischer Permanentmagnet vorgesehen, welcher das statische Magnetfeld parallel zur Achse des Magneten erzeugt. Das von Antennen erzeugte RF-Feld verläuft senkrecht zum statischen Magnetfeld. Eine gleichorientierte Antenne wird als Empfänger für die Kernsignale der das Bohrloch umgebenden Zusammensetzung genutzt. Auf dem Umfang des Permanentmagneten sind Ferritstreifen angeordnet, die entlang des Umfangs verlaufen und in Richtung der RF-Dipolachse beabstandet sind. Die Verwendung von Ferritstreifen ermöglicht den Einsatz von elektrisch leitenden Permanentmagneten. Als Materialien für einen leitenden Permanentmagneten werden SmCo- oder NdFe-Materialien angeführt.
Ein anderes NMR-Messgerät zur Vermessung von Bohrlöchern ist aus der Druckschrift GB 2 343 521 A bekannt. Dem statischen Magnetfeld und dem RF-Feld ist in diesem Messgerät ein magnetisches Feld mit einem Gradienten überlagert.
Das aus der Druckschrift GB 2 325 981 A bekannte NMR-Messgerät zur Vermessung von Bohrlöchern weist eine Einrichtung zur Generierung des RF-Magnetfelds auf, die aus einem linearen elektrischen Leiter besteht. Der elektrische Leiter ist derart parallel zur longitudinalen Achse entlang des Bohrloches angeordnet, dass bei der Applikation eines Stromes mit einer Frequenz im RF-Bereich ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches senkrecht zum statischen Magnetfeld ist.
Ein weiteres NMR-Messgerät wird in der Druckschrift US 6,118,272 A vorgestellt. Dieses weist einen elektrisch nichtleitenden Permanentmagneten zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes auf. Die RF-Sender-/Empfänger-Spulen sind innerhalb eines Loches des Permanentmagneten angeordnet, wobei die Spulenwicklungen im Wesentlichen parallel zu Ebenen senkrecht zur Achse des Permanentmagneten und des Bohrloches verlaufen. Innerhalb der RF-Sender-/Empfänger-Spulenwicklungen kann ein Ferritstab angeordnet sein. Das Messgerät kann zusätzliche Empfängerspulen außerhalb des Permanentmagneten aufweisen.
Mit der vorgelegten Erfindung wird die Aufgabe der Erhöhung der Untersuchungsempfindlichkeit und der Untersuchungstiefe mittels einer kernmagnetischen Messung durch Sonden mit kleinem Durchmesser gelöst.
Die gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und eine Vorrichtung mit den in Anspruch 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren zur kernmagnetischen Messung beinhaltet die Erzeugung eines statischen Magnetfelds in einem Bohrloch in einem zu analysierenden Bereich mit Hilfe von einem oder mehreren Magneten aus leitendem Seltenerdmaterial. Der Magnet oder die Magnete weist/weisen eine Längsachse und eine Magnetisierungsrichtung auf, die hauptsächlich senkrecht zur Längsachse steht. Das anregende Radiofrequenzfeld in dem zu analysierenden Bereich wird in der Richtung erzeugt, die sowohl senkrecht zur Längsachse als auch senkrecht zum statischen Magnetfeld steht. Die Signale der kernmagnetischen Resonanz der angeregten Kerne werden detektiert. Zusätzlich wird ein Kompensationsradiofrequenzfeld im Bereich des Magneten erzeugt.
Die kernmagnetische Messvorrichtung besteht mindestens aus einem langen Magneten, der senkrecht zur Längsachse magnetisiert ist, und aus der Radiofrequenzspule, die ein Feld senkrecht zum Magnetfeld bildet. Die Messvorrichtung besteht weiterhin aus einem Radiofrequenzimpulsgenerator, aus einem Detektor für Signale der kernmagnetischen Resonanz und einer Anpassungsvorrichtung. Das eine Ende der Radiofrequenzspule ist mit einem ersten Eingang und das zweite Ende mit einem Masseanschluss der Anpassungsvorrichtung verbunden. Der zweite Eingang der Anpassungsvorrichtung ist an den Ausgang des Radiofrequenzimpulsgenerators angeschlossen und der Ausgang der Anpassungsvorrichtung ist mit dem Eingang des Signalempfängers der kernmagnetischen Resonanz verbunden. Der Magnet ist aus leitendem Seltenerdmaterial in Form eines langen Parallelepipeds hergestellt und senkrecht zu seiner Längsachse und zu seiner breiten Seitenoberfläche magnetisiert, wobei die Breite des Magneten zweimal so groß wie seine schmale Seite ist. Die Radiofrequenzspule ist auf einen Zylinder gewickelt, dessen Durchmesser mindestens so groß wie die Diagonale des Querschnitts des Magneten ist, der sich im Zylinder befindet. Die Spulenwicklungen liegen in den Ebenen, die parallel zur Magnetlängsachse und senkrecht zur schmalen Magnetseite liegen und in symmetrischen Sektoren angeordnet sind, die sich gegenüber der breiten Magnetseitenfläche befinden. Entlang der breiten Magnetseitenfläche parallel zu seiner Längsachse befindet sich die Kompensationsvorrichtung.
Die Kompensationsvorrichtung stellt eine Spule dar, deren Anfang mit dem Masseanschluss der Anpassungsvorrichtung und deren Ende mit dem Ende der Radiofrequenzspule verbunden ist, wobei das Verhältnis der Wicklungen der Radiofrequenzspule und der Kompensationsspule gleich dem Verhältnis des Durchmessers der Radiofrequenzspule zur Dicke des Magneten ist. Außerdem stellt die Kompensationsvorrichtung eine Kurzschlusswicklung dar, die aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand kleiner als 2.5 × 10^–8 Ohm × m gefertigt ist.
Neu an der Methode der kernmagnetischen Messung im Vergleich zu der Lösung in der Druckschrift US 4,710,713 A ist, dass das Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten kompensiert wird, wozu zusätzlich ein Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten erzeugt wird, welches entgegengesetzt gerichtet und in der Stärke gleich dem anregenden Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten ist.
Neu an der Konstruktion der kernmagnetischen Messeinrichtung ist, dass der Magnet aus leitendem Seltenerdmaterial, in Form eines langen Parallelepipeds gefertigt ist, welcher senkrecht zu seiner Längsachse und der breiten Seitenoberfläche magnetisiert ist. Hierbei ist die Breite des Magneten zweimal so groß wie seine schmale Seite. Die Radiofrequenzspule ist auf einen Zylinder gewickelt, dessen Durchmesser nicht kleiner als die Diagonale des Querschnitts des Magneten ist, der sich im Zylinder befindet. Hierbei liegen die Spulenwicklungen in den Ebenen, die parallel zur Längsachse des Magneten und senkrecht zu seiner schmalen Seite sind, in symmetrischen Sektoren, die sich gegenüber der breiten Seitenoberfläche des Magneten befinden. Entlang der breiten Oberfläche des Magneten parallel zu seiner Längsachse befindet sich die Kompensationsvorrichtung.
Außerdem ist neu, dass die Kompensationsvorrichtung eine Spule aufweist, deren Anfang mit dem Masseanschluss der Anpassungsvorrichtung und deren Ende mit dem Ende der Radiofrequenzspule verbunden ist, wobei das Verhältnis der Wicklungen der Radiofrequenzspule und der Kompensationsspule gleich dem Verhältnis des Durchmessers der Radiofrequenzspule und der Dicke des Magneten ist.
Darüber hinaus ist neu, dass die Kompensationsvorrichtung eine Kurzschlusswicklung aufweist, die aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand kleiner als 2.5 × 10^–8 Ohm × m hergestellt ist.
In den bekannten Vorrichtungen und in der naheliegendsten Lösung der US 4,710,713 A fehlt ein zusätzliches Feld, welches das Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten kompensiert. Daher wird in der Druckschrift mehrfach betont, dass der Magnet in Form eines langen Kreiszylinders aus Ferrit gefertigt ist, welcher nichtleitend ist und wobei die Wicklungen der Radiofrequenzspule direkt auf den Magneten gewickelt sind. Die Verletzung dieser Bedingungen führt zur Arbeitsunfähigkeit der bekannten Vorrichtung.
Beliebige Materialien, außer Isolatoren, eingebaut im Inneren der Radiofrequenzspule führen zu Verlusten in der Radiofrequenzspule. Dies äußert sich in der Reduzierung der Spulengüte bei der Resonanzfrequenz und folglich in der Reduzierung des Signal/Rausch-Verhältnisses am Ausgang der Vorrichtung. Daher wird in der Vorrichtung nach der US 4,710,713 A ein Ferritmagnet benutzt, der nichtleitend ist.
Da der Ferritmagnet über eine geringe Restmagnetisierung verfügt, wird er rund hergestellt, um die maximale Feldspannung zu erzielen.
Der lange kreiszylindrische Magnet erzeugt ein statisches Magnetfeld, dessen Feldstärke und Richtung in jedem Punkt des ihn einschließenden Raums aus der folgenden Formel bestimmt werden können (siehe V. A. Govorkov. „Elektricheskie i magnitnie polya” („Elektrische und magnetische Felder”), Moskau, Energia Verlag, 1968, Seite 488 und R. V. Grechishkin, L. E. Afanasieva, Yu. G. Pastushenkov und N. N. Maksimov, „Analysis of a linear position sensor with a Hall effect element”, Meas. Sci. Technol., 1994, Seiten 853–860): H_r = H₀·[( R / r)²·SIN(φ) – 1 / 3( R / r)⁴·SIN(3φ) + 1 / 5( R / r)⁶·SIN(5φ) + ...] H_φ = –H₀·[( R / r)²·COS(φ) – 1 / 3( R / r)⁴·COS(3φ) + 1 / 5( R / r)⁶·COS(5φ) + ...] (1), wobei H_r, H_φ – die Radial- und Tangentialkomponenten des Magnetfeldes im Punkt mit den Koordinaten r, φ im zylindrischen Koordinatensystem sind. Die Achse des zylindrischen Koordinatensystems stimmt mit der Achse des Magneten überein. H₀ ist die Feldstärke auf der Oberfläche des Magneten mit dem Radius R.
In der Entfernung r ≥ 2R von der Achse enthält das Magnetfeld praktisch nur die erste Harmonische aus der Formel (1). Für einen festen Radius r_p ist das Feld in azimutaler Richtung homogen (in der Größe).
Die Größe H₀ ist direkt proportional zur Größe der Restmagnetisierung B_r des Materials des Magneten. Das Ferrit besitzt eine Restmagnetisierung B_r = 3–4 Vsm^–2, und das Seltenerdmaterial NdFeB eine Restmagnetisierung von B_r = 10–11 Vsm^–2.
Zur Durchführung der kernmagnetischen Messung wählt man gewöhnlich einen Untersuchungsbereich mit einem Abstand r_p = 170–180 mm von der Sondenachse und einer Feldstärke von, in der Regel, 0,165–0,170 Vsm^–2 in diesem Untersuchungsbereich. Um in dem angegebenen Bereich die angegebene Feldstärke zu erzielen, benötigt man einen Ferritmagneten mit einem Durchmesser von 120 mm. Dem gegenüber kann der Magnet, hergestellt aus NdFeB, einen Durchmesser von 65–70 mm haben. Daher schafft der Wechsel zu einem Magneten aus NdFeB die Voraussetzung für die Herstellung einer kernmagnetischen Messsonde mit kleinerem Durchmesser, ohne den Radius des Untersuchungsbereichs zu verkleinern.
Der aus Ferrit hergestellte Magnet ist nichtleitend. Die Radiofrequenzspule, die auf die Oberfläche des Ferriten aufgewickelt ist, hat einen Gütewert von ca. 100.
Dem gegenüber weist ein Magnet hergestellt aus NdFeB eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf und eine auf seine Oberfläche gewickelte Radiofrequenzspule würde einen Gütewert von nicht mehr als 20 haben. Um die Verluste in der Radiofrequenzspule zu reduzieren, muss die Querschnittsfläche des in das Innere der Radiofrequenzspule eingebauten Materials, welches vom elektromagnetischen Fluss der Radiofrequenzspule durchdrungen wird, verkleinert und das Radiofrequenzfeld aus dem Bereich des im Spuleninneren eingebauten Materials ausgeschlossen werden.
Um diese zusätzlichen Verluste auszuschließen, die durch die Veränderung des Magnetmaterials bedingt sind, wird vorgeschlagen, das Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten zu kompensieren.
Die Feldkompensation im Magnetbereich führt jedoch zur Verringerung des anregenden Radiofrequenzfeldes im Bereich der zu analysierenden Substanz. Bei gleichem Radius der Radiofrequenzspule und der Kompensationsspule würde es kein Feld im Bereich des Magneten aber auch kein Feld in dem zu untersuchenden Bereich geben.
Deshalb ist man bestrebt, den Querschnitt des vom Radiofrequenzfeld durchdrungenen Magneten im Vergleich zum Radius der Radiofrequenzspule zu verringern.
Es wird deshalb vorgeschlagen, die Form des Magneten zu ändern. Die neue Form des Magneten weist eine in der zur Flussrichtung der Radiofrequenzspule senkrechten Fläche kleinere Ausdehnung und eine in Richtung der Magnetisierung des Magneten größere Ausdehnung auf.
Das Feld des in Form eines langen Parallelepipeds ausgeführten Magneten wird durch eine Formel, ähnlich wie bei (1) beschrieben. Vor jedem Summand der Reihe (1) erscheinen jedoch Formkoeffizienten, die vom Verhältnis der breiten zur schmalen Magnetseite abhängig sind. Für die erste Harmonische des Feldes, die von Interesse ist, hat dieses Verhältnis in einer Entfernung r folgende Form: H_r = H₀· h / D·( R / r)²·SIN(φ) H_φ = –H₀· h / D·( R / r)²·COS(φ) (2) wobei h die Abmessung der schmalen Seitenoberfläche des Magneten;
D die Abmessung der breiten Seitenoberfläche des Magneten und
H₀ die Feldstärke des Magneten auf seiner schmalen Seitenoberfläche ist.
Bei einer breiten Seitenoberfläche, die zweimal so groß ist wie die schmale Seitenoberfläche, wird die Feldstärke in dem Untersuchungsbereich zweimal so groß sein wie beim kreiszylindrischen Magneten mit einem Durchmesser, welcher der schmalen Seitenoberfläche entspricht. Die gleiche Feldstärke kann für einem kreiszylindrischen Magneten mit einem Durchmesser erreicht werden, der √2 mal größer als die Breite der schmalen Seitenoberfläche eines rechteckigen Magneten aus demselben Material ist.
Wenn man also einen Magneten aus NdFeB in der Form eines Parallelepipeds mit einer schmalen Seite mit einer Abmessung von 40 mm, einer breiten Seite mit einer Abmessung von 80 mm und einer Längsachse mit einer Abmessung von 1000 mm ausführt und der Magnet senkrecht zur Längsachse und breiten Seite magnetisiert wird, so weist ein derartiger Magnet im Untersuchungsbereich mit einem Abstand von r_p = 170–180 mm von der Längsachse eine Feldstärke auf, die der eines kreiszylindrischen Magneten aus Ferrit mit einem Durchmesser von 120 mm und gleicher Länge entspricht.
Die Radiofrequenzspule einer Sonde mit einem Magneten in Form eines Parallelepipeds ist auf einem Zylinder angeordnet, dessen Durchmesser mindestens so groß wie die Diagonale des Querschnitts des rechteckigen Magneten ist.
Die Spulenwicklungen sind auf der Seitenlinie des Zylinders entlang seiner Längsachse in symmetrischen Sektoren mit einem Winkel 2δ angeordnet, welche sich gegenüber der breiten Seite des rechteckigen Magneten befinden.
Die Feldstärke und Feldrichtung der Radiofrequenzspule kann aus der Formel (1) ermittelt werden:
wobei H1_r, H1_φ die Radial- und Tangentialkomponenten der Feldstärke der Radiofrequenzspule im Punkt mit den Koordinaten r, φ sind, wobei die Achse des zylindrischen Koordinatensystems mit der Achse des Magneten übereinstimmt.
Die Richtung des Feldes der Radiofrequenzspule ist in allen Punkten des umgebenen Raums um 90° zur Richtung des Feldes des Magneten gedreht.
H1₀ ist die Radiofrequenzfeldstärke auf der Oberfläche der Radiofrequenzspule. H1₀ = I·W / π·δ·R, (4), wobei I / π·δ die Stromdichte durch die Radiofrequenzspule mit dem Radius R und der Wicklungsanzahl W ist. Da bei 2δ = 120° die zweite Harmonische der Formel (3) gleich Null ist, arbeitet die Radiofrequenzspule am effektivsten bei einer Wicklungsverteilung in einem Sektor von 120° auf dem Zylinder.
Daher ist das Radiofrequenzfeld in einer azimutalen Richtung und auf einem Radius r_p des Untersuchungsbereichs praktisch homogen. Außerdem wird die Energie des Radiofrequenzimpulsgenerators hauptsächlich für die Bildung der ersten Harmonischen des Radiofrequenzfeldes aufgewendet.
Wenn in die Radiofrequenzspule ein flacher Magnet oder ein zylindrischer Magnet mit einem Durchmesser gleich der schmalen Seite des flachen Magneten eingebaut wird, dann werden die Verluste in der Radiofrequenzspule gleich sein. Die Feldspannung beim flachen Magnet ist zweimal größer.
Die Differenz im Durchmesser der Radiofrequenzspule und der Dicke des flachen Magneten erlauben den Einsatz einer Kompensationsspule, die direkt auf den Magnet in der Ebene parallel zu seiner schmalen Seite gewickelt wird. Die Kompensationsspule wird entgegengesetzt zu der Haupt- (Radiofrequenz)spule geschaltet. Dabei muss zur vollständigen Kompensation des Radiofrequenzfeldes im Bereich des Magneten, wie dies aus der Formel (4) ersichtlich ist, das Verhältnis der Kompensationsspulenwicklungen und Radiofrequenzspulenwicklungen gleich dem Verhältnis ihrer Radien sein. Das Fehlen eines Radiofrequenzfeldes im Bereich des Magneten führt dazu, dass im Innern der Radiofrequenzspule keine Verluste bedingt durch die Anwesenheit des Magneten auftreten. Die Feldstärke des nützlichen Radiofrequenzfeldes im Untersuchungsbereich verringert sich dabei unwesentlich, wie dies in der 4 dargestellt ist. Beispielsweise wird bei einer Magnetdicke von 40 mm und einem Durchmesser der Radiofrequenzspule von 100 mm das Radiofrequenzfeld im Arbeitsbereich der Sonde nur um 16% fallen.
Die für die Verlustkompensation in der Radiofrequenzspule vorgeschlagene Vorrichtung arbeitet effektiv, ist aber in einer Reihe von Fällen nicht die beste Lösung. Bei einer Nutzung der NMR-Sonde bei hohen Frequenzen ist die Anzahl der Wicklungen in der Radiofrequenzspule gering. Daher ist es schwierig, die Wicklungen der Kompensationsspule zu realisieren. In diesem Fall setzt man eine Kurzschlusswicklung auf den Magneten. Die Rolle der Kurzschlusswicklung erfüllt eine Abschirmung aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit, welche auf die Magnetoberfläche aufgetragen wird. Zum Beispiel ist dies eine Abschirmung aus einer Kupferfolie. Dies ist durch Versuchsdaten belegt, welche in 5 angeführt sind. Die Abschirmung arbeitet anlog zur Kompensationsspule. In der Abschirmung werden Ströme von der Radiofrequenzspule induziert, welche das Radiofrequenzfeld im Bereich des Magneten kompensieren.
Somit ermöglicht die Gesamtheit der Merkmale, nämlich Änderung der Form und des Magnetmaterials, der Radiofrequenzspulenkonstruktion und die Einführung einer Kompensationsvorrichtung, eine neue Qualität zu bekommen, die darin besteht, dass bei einem kleineren Sondendurchmesser der Untersuchungsbereich und die Gerätempfindlichkeit unverändert bleiben.
Der technische Erfindungskern wird durch Zeichnungen erklärt, worin
1 das Blockschema der NMR-Vorrichtung zeigt;
2 die Gesamtansicht der NMR-Sonde zeigt;
3 den Querschnitt der NMR-Sonde zeigt;
4 die Veränderungen der Feldstärke der Radiofrequenzspule, der Kompensationsspule und des Summen-Radiofrequenzfeldes in Abhängigkeit von der Entfernung von der schmalen Oberfläche des Magneten zeigt,
5 die Versuchsdaten zeigt, die bei der Frequenz von 500 kHz auf einer Radiofrequenzspule mit einem Durchmesser von 100 mm, mit 4 Wicklungen erzielt wurden.
Im Inneren der Radiofrequenzspule wurden Magnete aus NdFeB unterschiedlicher Dicke mit verschiedenen Abschirmungen angeordnet.
Die kernmagnetische Messvorrichtung ist auf die im Folgenden ausgeführte Weise gebaut. Sie beinhaltet eine kernmagnetische Messsonde 1, eine Anpassungsvorrichtung 2, einen Radiofrequenzimpulsgenerator 3 und einen Empfänger 4. Die kernmagnetische Messsonde 1 besteht aus einem langen Magneten 5 in Form eines Parallelepipeds, welcher senkrecht zur seiner Längsachse und breiten Seite magnetisiert ist. Der Magnet befindet sich in einem Zylindergehäuse 6, auf welches die Wicklungen der Radiofrequenzspule 7 gewickelt sind. Die Spulenwicklung befindet sich in symmetrischen Sektoren 2δ von jeweils 120°, welche gegenüber der breiten Seite des Magneten 5 angeordnet sind. Die Wicklungen der Radiofrequenzspule 7 befinden sich in Ebenen, die parallel zur schmalen Seite des Magneten 5 sind. Auf den Magneten 5 ist die Kompensationsspule 8 aufgewickelt, deren Wicklungen parallel zu den Wicklungen der Radiofrequenzspule 7 sind. Das eine Ende der Radiofrequenzspule 7 ist auf den ersten Eingang der Anpassungsvorrichtung 2 geschaltet, und das andere Ende ist mit dem einen Ende der Kompensationsspule 8 verbunden. Das andere Ende der Kompensationsspule ist an den Masseanschluss der Anpassungsvorrichtung 2 angeschlossen. An den zweiten Eingang der Anpassungsvorrichtung ist der Ausgang des Radiofrequenzimpulsgenerators 3 angeschlossen, und der Ausgang der Anpassungsvorrichtung ist mit dem Eingang des Empfängers 4 verbunden.
Der Magnet ist aus NdFeB gefertigt in Form eines Parallelepipeds mit einer Länge von 1000 mm, einer Breite von 80 mm und einer schmalen Seitenfläche von 40 mm. Der Magnet ist senkrecht zur Längsachse und breiten Seitenoberfläche magnetisiert. Auf der Magnetoberfläche ist eine Abschirmung aus Kupferblech mit einer Dicke von 0,5 mm angeordnet, wobei die Seitenoberflächen des Magneten in seiner Gesamtlänge betroffen sind.
Die Radiofrequenzspule ist auf einem Glashartgewebezylinder mit einer Länge von 800 mm mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einem Außendurchmesser von 102 mm angeordnet. Die Spulenwicklungen sind auf der äußeren Zylinderoberfläche entlang seiner Länge in symmetrischen Sektoren 2δ von je 120° angebracht. Die Vorderteile der Wicklungen liegen ebenfalls auf der äußeren Zylinderseite. Die Radiofrequenzspule ist an den Eingang der Anpassungsvorrichtung angeschlossen. In das Innere der Radiofrequenzspule ist der Magnet derart eingebaut, dass die Spulenwicklungen gegenüber der breiten Seitenoberfläche des Magneten liegen.
Die kernmagnetische Messvorrichtung funktioniert folgendermaßen.
Der Magnet 5 erzeugt in einer Entfernung r_p von der Achse des Magneten das ebene, parallele und statische Magnetfeld mit einer Größe H0. Der Betrag des Magnetfelds H0 ist auf dem gesamten Umfang mit dem Radius r_p gleich. Die Richtung dieses Feldes ist unterschiedlich in unterschiedlichen Punkten des Umfangs. Die Radiofrequenzspule 7 erzeugt gemeinsam mit der Kompensationsspule 8 das ebene und parallele Gesamtradiofrequenzfeld H1, welches auf dem Radius r_p ebenso einen konstanten Betrag hat. Die Richtung des Radiofrequenzfeldes H1 ist in jedem Punkt des Umfangs mit dem Radius r_p senkrecht zum Feld H0. Bei der Koinzidenz der Frequenz des Radiofrequenzfeldes H1 mit der Präzessionsfrequenz der Wasserstoffkerne im Feld H0 im Untersuchungsbereich 9 tritt der kernmagnetische Resonanzeffekt auf. Das Signal der kernmagnetischen Resonanz wird mit der Radiofrequenzspule 7 auch detektiert. Das Gesamtradiofrequenzfeld 10 ist zusammengesetzt aus dem Feld der Radiofrequenzspule 11 und dem Feld der Kompensationsspule 12. Im Bereich des Magneten ist kein Radiofrequenzfeld vorhanden und in dem Untersuchungsbereich 9 verändert es sich nur unwesentlich.
Die Rolle der Kompensationsspule kann eine Abschirmung aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit übernehmen, welche auf die Oberfläche des Magneten aufgetragen ist. Analog zu 10 geht das Feld einer derartigen Kompensationsspule in das Gesamtradiofrequenzfeld ein. Die Güteänderung der Radiofrequenzspule in Abhängigkeit vom Material des Schirms und seiner Dicke sind dargestellt in 5, wobei
13 – ein Magnet aus NdFeB ohne Abschirmung;
14 – eine Abschirmung aus Stahl mit einem spezifischen Widerstand von 42 × 10^–8 Ohm × m;
15 – eine Abschirmung aus Aluminium mit 2,5 × 10^–8 Ohm × m und
16 – eine Abschirmung aus Kupfer mit 1,55 × 10^–8 Ohm × m ist.
Wie in 5 zu sehen, sind die Güteänderungen am kleinsten, wenn das Material mit dem spezifischen Widerstand kleiner als 2,5 × 10^–8 Ohm × m in das Spuleninnere eingebaut wird. Die Güteänderungen sind am größten beim Einbau eines Magneten aus NdFeB ohne Abschirmung in die Spule. Wenn man den Magnet aus NdFeB mit einer Kupferfolie beschichtet, so wird die Radiofrequenzspule nur die Kupferfolie spüren.
Ein fehlendes Radiofrequenzfeld im Magnetbereich erlaubt es, für den Magneten beliebige Materialien einzusetzen, darunter auch leitende Seltenerdmaterialien, zum Beispiel NdFeB. Da Seltenerdmagnete eine wesentlich höhere Restmagnetisierung im Vergleich zu Ferrit besitzen, so kann die kernmagnetische Messsonde mit einem kleineren Durchmesser hergestellt werden, wobei der Untersuchungsradius hierbei unverändert bleibt. Die Sonde für die kernmagnetische Messung wurde in Bohrlöchern mit einer Tiefe von bis zu 4500 m und einer Temperatur von bis zu 120°C getestet. Die Anwendung der Erfindung ist in Bohrungen mit hoher Temperatur möglich.

Claims

Verfahren zur Bohrlochmessung unter Anwendung der kernmagnetischen Resonanz, wobei ein statisches Magnetfeld in einem Bohrloch in einem Untersuchungsbereich (9) mittels mindestens eines länglichen Magneten (5) erzeugt wird, wobei der mindestens eine Magnet (5) eine Magnetisierungsrichtung aufweist, welche senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Magneten (5) verläuft, wobei ein Radiofrequenzfeld in dem Untersuchungsbereich (9) erzeugt wird, welches eine Richtung sowohl senkrecht zur Längsachse des mindestens einen Magneten (5) als auch senkrecht zum statischen Magnetfeld aufweist, und wobei das Signal der kernmagnetischen Resonanz detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (5) aus leitendem Seltenerdmaterial besteht und dass zusätzlich ein Kompensationsradiofrequenzfeld erzeugt wird, welches das Radiofrequenzfeld im Bereich des mindestens einen Magneten (5) kompensiert.
Vorrichtung zur Bohrlochmessung unter Anwendung der kernmagnetischen Resonanz mit mindestens einem länglichen Magneten (5), der senkrecht zu seiner Längsachse magnetisiert ist und ein statisches Magnetfeld in einem Untersuchungsbereich (9) erzeugt, mit mindestens einer Radiofrequenzspule (7), wobei die Spulenwicklungen der mindestens einen Radiofrequenzspule (7) in Ebenen angeordnet sind, die parallel zur Längsachse des mindestens einen Magneten (5) und zu seiner Magnetisierungsrichtung liegen, und mit einer Anpassungsvorrichtung (2), einem Radiofrequenzimpulsgenerator (3) und einem Empfänger (4) der Signale kernmagnetischer Resonanz, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (5) aus leitendem Seltenerdmaterial hergestellt und mit einer Kompensationsvorrichtung versehen ist, welche das Radiofrequenzfeld im Bereich des mindestens einen Magneten (5) kompensiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Radiofrequenzspule (7) mit dem ersten Eingang der Anpassungsvorrichtung (2) verbunden und der zweite Eingang der Anpassungsvorrichtung (2) an den Ausgang des Radiofrequenzimpulsgenerators (3) angeschlossen ist, wobei der Ausgang der Anpassungsvorrichtung (2) mit dem Eingang des Empfängers (4) der Signale kernmagnetischer Resonanz verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (5) die Form eines länglichen Parallelepipeds aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnet (5) eine breite Seite (D) und eine schmale Seite (h) aufweist und senkrecht zur Oberfläche seiner breiten Seite (D) magnetisiert ist und die breite Seite (D) des mindestens einen Magneten (5) mindestens zweimal so groß wie seine schmale Seite (h) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Radiofrequenzspule (7) auf ein zylindrisches Gestell aufgewickelt ist, dessen Durchmesser mindestens so groß ist wie die Diagonale des Querschnitts des mindestens einen Magneten (5), wobei dieser sich im Innern des zylindrischen Gestells befindet und wobei die Spulenwicklungen der mindestens einen Radiofrequenzspule (7) in symmetrischen Sektoren angeordnet sind, die sich gegenüber der breiten Seite (D) des mindestens einen Magneten (5) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsvorrichtung, welche das Radiofrequenzfeld im Bereich des mindestens einen Magneten (5) kompensiert, eine Kompensationsspule (8) aufweist, die auf den mindestens einen Magnet (5) aufgewickelt ist, wobei ihre Wicklungen in Ebenen parallel zur schmalen Seite (h) des mindestens einen Magneten liegen, wobei das eine Ende der Kompensationsspule (8) an einen Masseanschluss der Anpassungsvorrichtung (2) angeschlossen ist und das andere Ende mit dem Ende der mindestens einen Radiofrequenzspule (7) verbunden ist, wobei das Verhältnis der Wicklungsanzahl der mindestens einen Radiofrequenzspule (7) und der Kompensationsspule (8) gleich dem Verhältnis des Durchmessers der mindestens einen Radiofrequenzspule (7) zur Dicke des mindestens einen Magneten (5) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsvorrichtung eine Kurzschlusswicklung aufweist, die aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit hergestellt ist.