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DE102011118827A1 - Kernspinresonanzwerkzeug mit beweglichen Magneten - Google Patents

Kernspinresonanzwerkzeug mit beweglichen Magneten

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Publication number
DE102011118827A1
DE102011118827A1 DE201110118827 DE102011118827A DE102011118827A1 DE 102011118827 A1 DE102011118827 A1 DE 102011118827A1 DE 201110118827 DE201110118827 DE 201110118827 DE 102011118827 A DE102011118827 A DE 102011118827A DE 102011118827 A1 DE102011118827 A1 DE 102011118827A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
magnet
306a
distance
characterized
306b
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE201110118827
Other languages
English (en)
Inventor
Luis E. Depavia
Timothy Hopper
David T. Oliver
Yi-Qiao Song
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gemalto Terminals Ltd
Schlumberger Holdings Ltd
Original Assignee
Gemalto Terminals Ltd
Schlumberger Holdings Ltd
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Filing date
Publication date
Priority to US41540710P priority Critical
Priority to US61/415,407 priority
Priority to US41817210P priority
Priority to US61/418,172 priority
Priority to US13/288,508 priority
Priority to US13/288,508 priority patent/US8860413B2/en
Application filed by Gemalto Terminals Ltd, Schlumberger Holdings Ltd filed Critical Gemalto Terminals Ltd
Publication of DE102011118827A1 publication Critical patent/DE102011118827A1/de
Application status is Pending legal-status Critical

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/18Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging
    • G01V3/32Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for well-logging operating with electron or nuclear magnetic resonance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/3808Magnet assemblies for single-sided MR wherein the magnet assembly is located on one side of a subject only; Magnet assemblies for inside-out MR, e.g. for MR in a borehole or in a blood vessel, or magnet assemblies for fringe-field MR

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme geschaffen, die ermöglichen, dass NMR-Messungen zur Bohrlochvermessung während des Bohrens mit einem Werkzeug mit Magneten (306A, B) mit Positionen durchgeführt werden, die relativ zueinander einstellbar oder beweglich sind. Eine solche Bewegung kann die Untersuchungstiefe des NMR-Werkzeugs beeinflussen. Eine Vielfalt von Bewegungsanordnungen kann verwendet werden, um die Bewegung zu bewirken, was entweder an der Oberfläche oder untertage durchgeführt werden kann. Das Werkzeug kann auch ein magnetisch permeables Element (312) umfassen, um den Magnetfeldgradienten zu steuern.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität zur vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/415407 mit dem Titel ”NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE TOOL WITH EXTERNAL MAGNETS”, eingereicht am 19. November 2010; Nr. 61/418172 mit dem Titel ”NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE TOOL WITH MOVABLE MAGNETS”, eingereicht am 30. November 2010; und Nr. 61/488265 mit dem Titel ”NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE TOOL WITH EXTERNAL MAGNETS”, eingereicht am 20. Mai 2011, deren gesamte Offenbarungen hiermit durch den Hinweis hier aufgenommen werden.
  • Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Kernspinresonanzwerkzeugen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Kernspinresonanzwerkzeuge mit Magneten, die beweglich sind, um die Untersuchungstiefe für die Werkzeuge zu steuern.
  • Die Kernspinresonanz (NMR) kann verwendet werden, um verschiedene Eigenschaften von unterirdischen Formationen und/oder Proben zu bestimmen. NMR-Bohrlochvermessungswerkzeuge können untertage verwendet werden, um diese Eigenschaften zu erhalten, die dann verwendet werden können, um bei der Bestimmung beispielsweise der Anwesenheit, Abwesenheit und/oder des Orts von Kohlenwasserstoffen in einer gegebenen Formation oder Probe zu helfen.
  • Die herkömmliche NMR-Bohrlochvermessung, die im Stand der Technik bekannt ist, beinhaltet im Allgemeinen das Ausbringen eines NMR-Instruments in ein Bohrloch, das Magnetfelder verendet, um verschiedene HF-Signale zu erzeugen und von Kernen in einer Formation oder Probe zu detektieren. Bestimmte beispielhafte NMR-Techniken sind im US-Patent Nr. 6,232,778 beschrieben, das auf Schlumberger Technology Corp. übertragen worden ist und dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
  • Insbesondere beinhaltet die NMR die Störung von Spinsystemen mit einem Hochfrequenzfeld (HF-Feld) in Gegenwart eines polarisierenden statischen Magnetfeldes Bo. Die Betriebsfrequenz wird hinsichtlich der Larmor-Frequenz (ω_0) definiert, wobei ω_0 = γB_0. Das Bo-Feld ist durch die Magnetgeometrie definiert und ist typischerweise an der Stelle fest. Ein HF-Impuls B1 wird dann angelegt, um das Spinsystem durch Aufbringen von Energie mit der Resonanzbedingung und senkrecht zu Bo zu stören. Das Oszillationssignal wird dann durch dieselbe oder eine andere Spule empfangen und die NMR-Eigenschaften der Probe können berechnet werden.
  • Die NMR zur Bohrlochvermessung während des Bohrens verendet typischereise nur eine Betriebsfrequenz. Diese Frequenz entspricht einer Untersuchungstiefe innerhalb der Formation. Verschiedene drahtgebundene NMR-Werkzeuge haben gezeigt, dass sie mit der Erfassung von Daten in mehreren Tiefen eine genaue Messung der Eindringung von Bohrfluiden in die Formation ermöglichen. Außerdem umfassen herkömmliche NMR-Werkzeuge zur Bohrlochvermessung während des Bohrens (LWD) Permanentmagnete, die im Allgemeinen in einer relativ festen Position angebracht sind, die keine Bewegung ermöglicht.
  • Aufgrund der Begrenzungen von herkömmlichen LWD-NMR-Systemen ist es äußerst schwierig, Daten in mehreren Untersuchungstiefen zu erfassen. Folglich besteht auf dem Fachgebiet ein Bedarf an Verfahren und Systemen zum Erhalten von NMR-Messungen, die einen oder mehrere der Mängel, die bei herkämmlichen Verfahren existieren, beseitigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Bedarf zu erfüllen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst.
  • In einem Aspekt wird eine Kernspinresonanzvorrichtung geschaffen. Die Vorrichtung kann einen ersten Magneten, der in die Schwerstange eingebettet ist, einen zweiten Magneten in einem Abstand vom ersten Magneten und eine Bewegungsanordnung zum Steuern des Abstandes zwischen dem zweiten Magneten und dem ersten Magneten umfassen.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Vermessen einer Formation geschaffen. Das Verfahren kann das Anordnen eines Kernspinresonanzwerkzeugs in einem Bohrloch in der Formation, wobei das Kernspinresonanzwerkzeug einen ersten Magneten, der in Bezug auf einen zweiten Magneten beweglich ist, umfasst, wobei der erste Magnet und der zweite Magnet um einen ersten Abstand getrennt sind, und das Erhalten einer ersten Kernspinresonanzmessung vom Kernspinresonanzwerkzeug, während der erste Magnet und der zweite Magnet um den ersten Abstand getrennt sind, umfassen.
  • In einem weiteren Aspekt wird die Bewegung der Permanentmagnete, die in einer NMR-Vorrichtung verwendet werden, um die Magnetfeldeigenschaften zu ändern, offenbart. Im Fall eines Ölfeldformationsauswertungswerkzeugs kann dies durchgeführt werden, bevor das Werkzeug untertage gebracht wird, oder während des Verlaufs der Untertagevermessungsarbeit erreicht werden. Diese Änderungen können durch die Verwendung von mechanischen Aktuatoren erreicht werden, um die Magnetpositionen relativ zueinander oder zu anderen Strukturelementen (oder weichmagnetischen Elementen) zu bewegen, um die Stärke des statischen Magnetfeldes zu ändern. Die Magnetposition könnte im Fall von festen Positionen vor der Verwendung geändert werden oder sie könnte während der Bohrlochvermessung mit einer Steuerleitung zu einem mechanischen Aktuator geändert werden.
  • In einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines mechanischen Aktuators, um die Struktur eines magnetisch permeablen Materials, das um die Permanentmagneten angeordnet ist, zu ändern, offenbart. Durch Ändern der Form und Position von solchen permeablen Materialstücken wird die Änderung des statischen Magnetfeldes und anschließend des Magnetfeldgradienten ermöglicht. Die Formung des Magnetfeldes unter Verwendung einer Reihe von permeablen Ringen ist ein weiterer Aspekt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Abbildungen ersichtlich.
  • 1 stellt ein Bohrstellensystem, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, gemäß einer Beispielausführungsform dar.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines Typs einer Vorrichtung für die Formationsauswertung während des Bohrens unter Verwendung von NMR gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm, das bewegliche Magneten an einer NMR-Anordnung gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 4 ist ein Diagramm von zwei Magneten, die an einem Satz von Achsen abgebildet sind, gemäß einer Beispielausführungsform.
  • 5 ist ein Diagramm, das das Feldprofil entlang der radialen Richtung der Magnetanordnung von 4 gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 6 ist ein Diagramm, das einen Effekt des Magnetabstandes auf die Magnetfeldstärke gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 7 ist ein Diagramm, das den Effekt des Magnetabstandes auf den Magnetfeldgradienten gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 8 stellt ein magnetisch permeables Element, das zwischen zwei Magneten angeordnet ist, gemäß einer Beispielausführungsform dar.
  • 9A stellt ein magnetisch permeables Element, das in Ringe aufgeteilt ist, die zwischen zwei Magneten angeordnet sind, gemäß einer Beispielausführungsform dar.
  • 9B ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil entlang der radialen Richtung der Magnetanordnung von 9A gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 10 ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien der Magnetanordnung von 9A gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 11A ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien einer dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 11B ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien einer weiteren dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element, das kürzer ist als jenes von 11A, darstellt.
  • 11C ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 11A gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • 11D ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 11B gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • 12A ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien einer dargestellten Magnetanordnung mit mehreren permeablen Ringen gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 12B ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien einer weiteren dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element und einem kürzeren Magnetabstand als jenem vom 12A darstellt.
  • 12C ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 12A gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • 12D ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 12B gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • Die Erfindung schafft Systeme und Verfahren, die ermöglichen, dass NMR-Messungen mit Magneten durchgeführt werden, die bewegt werden können, wodurch die Untersuchungstiefe des NMR-Werkzeugs beeinflusst wird. Verschiedene Beispielverfahren und –systeme werden nun mit Bezug auf 112 beschrieben, die repräsentative oder erläuternde Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
  • 1 stellt ein Bohrstellensystem, in dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, gemäß einer Beispielausführungsform dar. Die Bohrstelle kann sich an Land oder auf See befinden. in diesem Beispielsystem wird ein Bohrloch 11 in unterirdischen Formationen 106 durch Rotationsbahren in einer Weise ausgebildet, die gut bekannt ist. Ausführungsformen der Erfindung können auch Richtungsbahren verwenden, wie nachstehend beschrieben wird.
  • Ein Bohrstrang 12 ist innerhalb des Bohrlochs 11 aufgehängt und weist eine Bohrlochsohlenanordnung 100 auf, die eine Bohrkrone 105 an ihrem unteren Ende umfasst. Das Oberflächensystem umfasst eine Plattform- und Bohrturmanordnung 10, die über dem Bohrloch 11 positioniert ist, wobei die Anordnung 10 einen Drehtisch 16, eine Spülstange 17, einen Haken 18 und ein Drehlager 19 umfasst. Der Bohrstrang 12 wird durch den Drehtisch 16 gedreht, der durch nicht gezeigte Mittel angetrieben wird, die mit der Spülstange 17 am oberen Ende des Bohrstrangs in Eingriff stehen. Der Bohrstrang 12 ist an einem Haken 18, der an einem Laufblock (auch nicht gezeigt) befestigt ist, durch die Spülstange 17 und ein Drehlager 19 aufgehängt, das eine Drehung des Bohrstrangs relativ zum Haken ermöglicht. Wie gut bekannt ist, könnte alternativ ein oberes Antriebssystem verwendet werden.
  • In dem Beispiel dieser Ausführungsform umfasst das Oberflächensystem ferner Bohrfluid oder Bohrschlamm 26, das/der in einer Grube 27 gelagert ist, die an der Bohrstelle gebildet ist. Eine Pumpe 29 führt das Bohrfluid 26 in das Innere des Bohrstrangs 12 über eine Öffnung im Lager 19 zu, was bewirkt, dass das Bohrfluid durch den Bohrstrang 12 nach unten strömt, wie durch den Richtungspfeil 8 angegeben. Das Bohrfluid verlässt den Bohrstrang 12 über Öffnungen in der Bohrkrone 105 und zirkuliert dann durch den ringförmigen Bereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs und der Wand des Bohrlochs 11 nach oben, wie durch die Richtungspfeile 9 angegeben. In dieser gut bekannten Weise schmiert das Bohrfluid die Bohrkrone 105 und trägt Bohrklein der Formation 106 nach oben zur Oberfläche, wenn es zur Rückführung zur Grube 27 zurückgeführt wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können die hier offenbarten Systeme und Verfahren mit einem beliebigen Beförderungsmittel, das dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, verwendet werden. Die hier offenbarten Systeme und Verfahren können beispielsweise mit einem NMR-Werkzeug verwendet werden, das durch eine Drahtleitungs-, Messdraht-, Bohrrohrbeförderungs-, Rohrwendelbohrschnittstelle und/oder eine Schnittstelle zur Beförderung während des Bohrens befördert wird. Nur für einen Beispielzweck stellt 1 eine Schnittstelle für Vorgänge während des Bohrens dar. Die hier offenbarten Systeme und Verfahren könnten jedoch gleichermaßen für Drahtleitungs- oder beliebige andere geeignete Beförderungsmittel gelten. Die Bohrlochsohlenanordnung 100 der dargestellten Ausführungsform umfasst ein Modul 120 zur Bohrlochvermessung während des Bohrens (LWD), ein Modul 130 zur Messung während des Bohrens (MWD), ein drehlenkbares System und einen Motor und eine Bohrkrone 105.
  • Das LWD-Modul 120 ist in einem speziellen Typ von Schwerstange aufgenommen, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, und kann einen oder mehrere bekannte Typen von Bohrlochvermessungswerkzeugen enthalten. Selbstverständlich kann auch mehr als ein LWD- und/oder MWD-Modul verwendet werden, z. B. wie bei 120A dargestellt. (Durchweg können Bezugnahmen auf ein Modul in der Position von 120 alternativ ebenso ein Modul in der Position von 120A bedeuten). Das LWD-Modul umfasst Fähigkeiten zum Messen, Verarbeiten und Speichern von Informationen ebenso wie zur Kommunikation mit der Oberflächenausrüstung. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das LWD-Modul eine Kernspinresonanzmessvorrichtung.
  • Das MWD-Modul 130 ist ferner in einem speziellen Typ von Schwerstange aufgenommen, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, und kann eine oder mehrere Vorrichtungen zum Messen von Eigenschaften des Bohrstrangs und der Bohrkrone enthalten. Das MWD-Werkzeug umfasst weiterhin eine Vorrichtung (nicht dargestellt) zum Erzeugen von elektrischer Leistung für das System im Bohrloch. Dies kann typischerweise einen Schlammturbinengenerator umfassen, der durch die Strömung des Bohrfluids angetrieben wird, wobei selbstverständlich andere Leistungs- und/oder Batteriesysteme verwendet werden können. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst das MWD-Modul einen oder mehrere der folgenden Typen von Messvorrichtungen: eine Messvorrichtung für das Gewicht an der Krone, eine Drehmomentmessvorrichtung, eine Schwingungsmessvorrichtung, eine Stoßmessvorrichtung, eine Haftgleitmessvorrichtung, eine Richtungsmessvorrichtung und eine Neigungsmessvorrichtung.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines Typs einer Vorrichtung für die Formationsauswertung während des Bohrens unter Verwendung von NMR, wobei selbstverständlich andere Typen von NMR/LWD-Werkzeugen auch als LWD-Werkzeug 120 oder Teil einer LWD-Werkzeuggarnitur 120A verwendet werden können. Mit Bezug auf 2 umfasst in einer Beispielausführungsform der Erfindung, die nachstehend als Ausführung mit niedrigem Gradienten bezeichnet wird, eine Magnetanordnung einen oberen Magneten 232, der axial von einem unteren Magneten 234 getrennt ist. Der Bereich zwischen den Magneten 232, 234 ist zum Aufnehmen von Elementen wie z. B. elektronischen Komponenten, einer HF-Antenne und anderen ähnlichen Gegenständen geeignet. Beide Magneten 232, 234 umgeben eine Hülse 228.
  • Die Magneten 232, 234 können in einer zur Längsachse des Werkzeugs 210 parallelen Richtung polarisiert sein, wobei gleiche Magnetpole einander zugewandt sind. Für jeden Magneten 232, 234 verlaufen die Magnetfeldlinien von einem Ende des Magneten 232, 234 nach außen in die Formation, um ein statisches Feld parallel zur Achse des Werkzeugs 210 zu erzeugen, und verlaufen nach innen zum anderen Ende des Magneten 232, 234. In dem Bereich zwischen dem oberen Magneten 232 und dem unteren Magneten 234 verkaufen die Magnetfeldlinien von der Mitte nach außen in die Formation, wobei sie ein statisches Feld in der zur Achse des Werkzeugs 210 senkrechten Richtung erzeugen. Die Magnetfeldlinien verlaufen dann nach innen symmetrisch oberhalb dem oberen Magneten 232 und unterhalb dem unteren Magneten 234 und konvergieren in der Längsrichtung innerhalb der Hülse 228.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm, das bewegliche Magneten 306A, B an einer NMR-Anordnung gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. Wie in 3 gezeigt, kann die NMR-Anordnung eine Schwerstange 304 und eine Vielfalt von darin angeordneten Komponenten umfassen. Die Schwerstange 304 kann beispielsweise Verbindungen mit einem oberen Gestell 302A und einem unteren Gestell 302B umfassen, wobei die Elektronik 303 für die NMR-Anordnung nahe dem oberen Gestell 302A angeordnet ist. Außerdem kann die Schwerstange 304 zwei Magneten 306A, B umfassen, wobei eine Antenne 308 dazwischen angeordnet ist. Obwohl die in 3 gezeigten Magneten 306A, B innerhalb der Schwerstange 304 angeordnet sind, können die Magneten 306A, B in einigen Ausführungsformen an der Außenseite der Stange 304 angeordnet sein. Wie von einem Fachmann auf dem Gebiet, der von der vorliegenden Offenbarung profitiert, erkannt werden kann, sind andere geeignete Anordnungen und Konfigurationen der Komponenten der NMR-Anordnung auch möglich.
  • Die in 3 gezeigte Beispielanordnung kann ferner Mechanismen zum Bewegen und/oder Einstellen der Magneten 306A, B und/oder des Abstandes dazwischen umfassen. Wie in 3 gezeigt, können die Magneten 306A, B beispielsweise in der Stange 304 derart angeordnet sein, dass sie symmetrisch um die Antenne 308 angeordnet sind. Die Antriebsspindel 309 kann mit einem ersten Magneten 306A mit Rechtsgewinden 311A und mit einem zweiten Magneten 306B mit Linksgewinden 311B koppeln oder anderweitig in Eingriff stehen. Die Drehung der Antriebsspindel 309 durch einen Ringmotor 305 und eine Motorausgangswelle 307, die mit der Antriebsspindel 309 verbunden ist, kann die Magneten 306A, B in entgegengesetzten Richtungen bewegen, um den Magnetabstand entweder zu vergrößern oder zu verkleinern. Der Ringmotor 305 kann durch die Elektronik 303, die am oberen Gestell 302A angeordnet ist, gesteuert werden. Die Elektronik 303 kann diejenigen Komponenten umfassen, die zum Koppeln mit der Antenne 308 für NMR-Funktionen und dem Rest des Werkzeugs für die Steuerung, das Datenmanagement und die Telemetrie erforderlich sind. Das obere Gestell 302A kann auf das untere Gestell 302B mit einer Dichtung 313 treffen, wobei ein Schlammströmungskanal 310 durch das Innere des Gestells 302A, 302B vorgesehen ist.
  • Eine ähnliche mechanische Einrichtung kann dazu ausgelegt sein, jeden Magneten 306A, B unabhängig zu bewegen. In einigen Ausführungsformen kann die Mechanik verwendet werden, um die Magnetpositionen vorzugeben, bevor das Werkzeug untertage ausgefahren wird, oder um die Magnetpositionen während des Bohrlochvermessungsvorgangs einzustellen und zurückzusetzen.
  • Diese Anordnung ist insofern vorteilhaft, als sie die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Magneten 306A, B immer in ungefähr gleichen Abständen von der Antenne 308 angeordnet sind, die Verdrahtungskomplexität minimiert und die Teilezahl und mechanische Komplexität minimiert. Alternativ könnte die Implementierung einen separaten Motor 305 und/oder eine separate Antriebsspindel 309 für jeden Magneten enthalten.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können die vorstehend beschriebenen Beispielmechanismen – oder andere geeignete Mechanismen zum Bewegen und/oder Einstellen der relativen Position der Magneten 306A, B – in einer Anzahl von Weisen aktiviert werden. Der Ringmotor 305, der die Antriebsspindel 309 steuert und der durch die Elektronik 303 im oberen Gestell 302A gesteuert wird, kann beispielsweise aktiviert werden, wenn sich das Werkzeug an einem Oberflächenort befindet. Alternativ kann der Ringmotor 305 aktiviert werden, während sich das Werkzeug untertage befindet, wie z. B. durch Befehle, die über Telemetrie oder andere Kommunikationsmittel gesendet werden. In dieser Weise können die relativen Positionen der Magneten 306A, B dynamisch eingestellt werden (d. h. während sich das Werkzeug untertage befindet), wodurch ermöglicht wird, dass die Untersuchungstiefe für das Werkzeug untertage geändert wird. Außerdem kann in bestimmten Ausführungsformen der Abstand zwischen den Magneten 306A, B durch einen Rückkopplungsmechanismus auf der Basis einer Tastermessung der Bohrlochgröße geändert werden. Durch Änderung auf der Basis der Bohrlochgröße kann die Untersuchungstiefe für eine gegebene Bohrlochgröße optimiert werden, wodurch der Rauschabstand während Abschnitten der Vermessung verbessert wird, während Ausspülungen vermieden oder verringert werden. Folglich kann das Werkzeug in Beispielausführungsformen NMR-Messungen untertage in mehreren Untersuchungstiefen schaffen. Andere Mechaniken und Anordnungen zum Bewegen der Magneten 306A, B sind auch möglich. Hydraulische, pneumatische und/oder elektronische Kurbeln, Riemenscheiben, Kolben, Zahnräder und dergleichen können beispielsweise verwendet werden.
  • Wie nachstehend näher erläutert wird, kann der Abstand zwischen den Magneten 306A, B die Stärke, Größe und den Gradienten eines erzeugten Magnetfeldes beeinflussen. 4 ist ein Diagramm von zwei Magneten 306A, B, die an einem Satz von Achsen abgebildet sind, gemäß einer Beispielausführungsform. In der dargestellten Ausführungsform stellen die Zylinder zwei Permanentmagneten 306A, B dar, wobei ihre gleichen Magnetpole einander zugewandt sind. Dieser Typ von Magnetanordnung wird häufig in LWD-NMR-Werkzeugen verwendet.
  • Für eine Magnetanordnung, die zu der in 4 gezeigten ähnlich ist, können sich das Feld und der Feldgradient als Funktion des Magnetabstandes ändern. Diese Änderungen sind in 56 zu sehen. 5 ist ein Diagramm, das das Feldprofil entlang der radialen Richtung der Magnetanordnung von 4 gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. 5 zeigt Bo entlang der radialen Richtung von der Mitte des Dorns. Dies kann eine Gradientenfeldausführung genannt werden. Diese Linie verläuft von der Mitte des Raums zwischen den zwei Magneten 306A, B, wobei sie sich orthogonal zur Längsachse der Magneten 306A, B nach außen erstreckt. Die Mitte der Magneten 306A, B in der Bohrlochvermessungsvorrichtung liegt bei x = 0''. In der dargestellten Ausführungsform nimmt das Feld an einem Punkt, der bei 1'' von der Mittelllinie des Werkzeugs angeordnet ist, auf ein Maximum zu und nimmt dann als Funktion des Abstandes von der Bohrlochvermessungsvorrichtung ab.
  • Jede Untersuchungstiefe weist eine spezielle Resonanzfrequenz auf und diese Frequenz nimmt mit der Bewegung von der Mitte des Magnetsystems weg ab. Es gibt multiple Typen von Magnetfeldkonfigurationen, die erzeugt werden können. Ein Beispieltyp ist eine Gradientenfeldauslegung, von der ein Beispiel in 4 gezeigt ist, da die Auslegung ein abklingendes Feld außerhalb des Werkzeugs aufweist. Eine weitere Beispielkonfiguration ist ein Sattelpunkttyp. In einigen Ausführungsformen kann eine Sattelpunktfeldkonfiguration definiert werden, indem sie eine maximale Feldstärke an einem Punkt außerhalb des Werkzeugs, das die Magneten 306A, B enthält, aufweist, und dann in einem weiteren oder kürzeren Abstand vom Werkzeugzentrum abfällt. Ungeachtet der speziellen Konfiguration wird die Abklingrate an jedem Punkt Magnetfeldgradient genannt.
  • Der Magnetfeldgradient ist ein Konzept, das bei mehreren Anwendungen von Untertage-NMR verwendet wird. Der Gradient kann beispielsweise verwendet werden, um Messungen der molekularen Diffusion (die beispielsweise für Fluidtypisierung verwendet werden können) zu erhalten, und steht auch mit der maximalen anregbaren Hüllendicke und anschließenden Bewegungseffekten in Beziehung. Insbesondere bei der LWD-NMR kann eine signifikante seitliche Bewegung des Werkzeugs während des Bohrprozesses bestehen. Diese Bewegung kann die NMR-Empfangsscheibe (den räumlichen Bereich, der zum NMR-Signalempfang beiträgt) aus der NMR-Anregungsscheibe (dem räumlichen Bereich, in dem die HF-Impulse NMR-Spindynamik anregen und das NMR-Signal erzeugen) bewegen. Wenn sich die Empfangs- und Anregungsscheiben während der Zeit der Anregung und des Empfangs relativ zueinander bewegen, kann das NMR-Signal einen Abfall aufgrund einer solchen Bewegung aufweisen. Für eine spezielle Größe der Bewegung ist die Menge des entsprechenden Abfalls zur Überlappung der Empfangsscheibe und der Anregungsscheibe proportional. Folglich ist der Abfall klein, wenn die Scheibenfläche viel größer ist als das Ausmaß der Bewegung. Die Größe der Empfangsscheibe im Vergleich zur angeregten Scheibe ist bei Bewegungsbetrachtungen fundamental wichtig. Bei einigen Verwendungen und in einigen Ausführungsformen kann es folglich erwünscht sein, eine große Anregungs- und Empfangsscheibe im Vergleich zur erwarteten Werkzeugbewegung zu haben.
  • Ein geringer Gradient kann die Empfindlichkeit gegen die Bewegung verringern. Wenn beispielsweise ein Anregungsfeld von 1 G mit einer gegebenen DOI verwendet wird und der Gradient 1 G/cm ist, dann wird eine 1 cm dicke Hülle angeregt. Wenn der Gradient 10 G/cm ist, dann wird eine 0,1 cm dicke Hülle angeregt.
  • Die Diffusionsbearbeitung ist eine Technik, die verwendet wird, um Fluide mit denselben T2- oder T1-Werten zu unterscheiden. Verschiedene Kohlenwasserstoffkettenlängen diffundieren im Allgemeinen mit verschiedenen Raten. Diese Messung kann unter Verwendung eines Magnetfeldgradienten durchgeführt werden, um die Dämpfung des Signals durch Diffusionseffekte zu erhöhen. Durch Anwenden einer T90-T180-Impulssequenz vor einer CPMG kann die Zeit, die die Spins zum Diffundieren haben, verändert werden. Zusätzlich zu dieser anfänglichen Echozeit (Te) kann die Diffusion durch die Gradientenstärke stark beeinflusst werden. Je größer der Gradient ist, desto größer ist im Allgemeinen in einigen Ausführungsformen der Diffusionseffekt. Durch Ändern der anfänglichen Echo-Codierzeiten kann eine D-T2- oder D-T1-Karte (T1 oder T2 stammen von den CPMG-Daten nach dem Diffusionscodierschritt und D stellt die Diffusion dar) erzeugt werden. Der Signalverlust von den Diffusionsmaßstäben sind te3 und G2 (wobei G der Gradient ist). Je größer der Gradient ist, desto kürzer muss folglich die Codierzeit sein. Dies führt zu einer robusteren Messung gegenüber ewegungseffekten.
  • Für eine LWD-Porositätsmessung kann es vorteilhaft sein, einen niedrigen Gradienten zu haben, um den empfindlichen Bereich zu erhöhen. Wenn jedoch versucht wird, eine Diffusionsbearbeitungsmessung durchzuführen, kann ein höherer Gradient vorteilhaft sein, da es im Allgemeinen die Verringerung der Messzeiten ermöglichen würde. Folglich kann ein Beispielsystem, das zum Bewegen von einem niedrigen zu einem hohen Gradienten in Abhängigkeit vom Messziel geändert werden kann, sehr vorteilhaft für ein Untertage-NMR-Bohrlochvermessungswerkzeug sein. Folglich verursacht eine Änderung des Abstandes zwischen den Magneten 306A, B im Allgemeinen, dass sich sowohl das Magnetfeld als auch die Magnetfeldgradienten in einer gegebenen Untersuchungstiefe (DOI) ändern.
  • 6 und 7 zeigen nachstehend beide den Effekt der Änderung des Abstandes zwischen den Magneten 306A, B auf das Magnetfeld und den Gradienten. 6 ist ein Diagramm, das einen Effekt des Magnetabstandes auf die Magnetfeldstärke gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. Für die in 6 gezeigten Werte wird die Feldstärke in einer Tiefe von 7'' vom Werkzeugzentrum berechnet, obwohl die im Diagramm gezeigten Prinzipien und Beziehungen nicht auf irgendeine spezielle Tiefe begrenzt sind. Der Magnetabstand ist vom Ende eines Magneten zum Ende des anderen. 7 ist ein Diagramm, das den Effekt des Magnetabstandes auf den Magnetfeldgradienten gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. Wie bei 6 werden die Werte für die Feldstärke in einer Tiefe von 7'' vom Werkzeugzentrum berechnet. Wie zu sehen ist, kann der Gradient von ~ 1 G/cm bis 22 G/cm durch Ändern des Magnetabstandes von 10'' bis 6'' variieren.
  • 8 stellt ein magnetisch permeables Element 312, das zwischen zwei Magneten 306A, 306B angeordnet ist, gemäß einer Beispielausführungsform dar. Die Ausführungsform von 8 ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Erhöhen der Magnetfeldstärke in der Untersuchungstiefe – d. h. zum Einfügen eines magnetisch permeablen Elements 312 mit hoher Permeabilität (wie z. B. 50) zwischen die zwei Permanentmagneten 306A, 306B. In einer Beispielausführungsform führt dieses permeable Element 312 den Magnetfluss von den Magneten 306A, 306B in das Elementstück und schiebt dann das Magnetfeld radial nach außen um das Zentrum des Elements, wobei folglich das Magnetfeld verstärkt wird. Gleichzeitig erhöht das magnetisch permeable Element 312 den Magnetfeldgradienten. In Beispielausführungsformen wie z. B. in 8 kann das permeable Element 312 ein massiver permeabler Dorn sein, der axial zwischen den zwei Magneten 306A, 306B angeordnet ist.
  • 9A stellt ein magnetisch permeables Element 312, das in Ringe 912A–C aufgeteilt ist, die zwischen zwei Magneten 306A, 306B angeordnet sind, gemäß einer Beispielausführungsform dar. Wie in 9A gezeigt, ist das magnetisch permeable Element 312 in drei Ringe 912A–C aufgeteilt, wobei der mittlere Ring 912A länger ist als die äußeren zwei Ringe 912B, 912C mit gleicher Seite. In verschiedenen Ausführungsformen ist eine Vielfalt von anderen Anordnungen möglich (z. B. in eine beliebige Anzahl von Ringen 912 aufgeteilt, wobei die Ringe 912 eine Vielfalt von Größen oder gleichmäßigen Größen aufweisen, usw.). Dieses permeable Element 312 kann weiter in kleinere Ringe 912 aufgeteilt werden, um das Magnetfeldprofil zu ändern. Diese Ringe 912A–C können auch axial bewegt werden und dies kann die Magnetfeldkonfiguration (z. B. Magnetfeldstärke und Feldgradient) weiter ändern. Durch Ändern der Verteilung des magnetischen Materials werden das Magnetfeld und der Magnetfeldgradient geändert, da das Magnetfeld und der Magnetfeldgradient zumindest teilweise von der Verteilung des magnetischen Materials abhängen.
  • 9B ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil entlang der radialen Richtung der Magnetanordnung von 9A gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. 10 ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien 918 der Magnetanordnung von 9A gemäß einer Beispielausführungsform darstellt.
  • 11A–D stellen andere Beispiele des Effekts der Änderung der Größe des permeablen Elements 312 auf das Magnetfeld dar. 11A ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien 1118 einer dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element 312 gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. 11B ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien 1118 einer weiteren dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element 312 darstellt, das kürzer ist als jenes von 11A. 11A und 11B basieren auf einem Magnetabstand von 40 cm, wobei 11A auf einem SW von 20 cm basiert und 11B auf einem SW von 20 cm basiert. 11C ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 11A gezeigten Magnetanordnung darstellt. 11D ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 11B gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • Durch Untersuchen von 11A–D ist zu sehen, dass, wenn die permeablen Elemente 312 bei einem festen Magnetabstand verkleinert werden, das Feldprofil und der Gradient sich ändern. Es gibt einen Punkt, an dem sich die Konstruktion von einem Gradientenwerkzeug zu einer Sattelpunktausführung bewegt. In Beispielausführungsformen können zum Wechseln der permeablen Elemente 312, die zwischen den zwei Magneten 306A, 306B sitzen, magnetische und nicht magnetische Stücke zusammengeschweißt werden, um einen Einsatz in die Strömungsleitung 310 zu erzeugen. Dieses Stück kann mit anderen ähnlichen Stücken austauschbar sein, die dazu konfiguriert sind, ein gewünschtes Magnetfeld und einen gewünschten Magnetfeldgradienten zu erzeugen.
  • In Beispielausführungsformen kann der Abstand zwischen den permeablen Ringen 312A–C oder anderen Stücken, die zwischen den Magneten 306A, B angeordnet sind, durch eine Vielfalt von Mechanismen geändert werden. In einer Ausführungsform können nicht magnetische Gleitringe zwischen permeablen Ringen 312A–C verwendet werden. Diese Gleitringe können sich ausdehnen oder zusammenziehen, wobei somit die permeablen Ringe 312A–C in Bezug auf die Mitte des Magnetanordnungssystems einwärts und auswärts bewegt werden.
  • In Beispielausführungsformen kann eine mechanische Implementierung ähnlich zu den vorstehend mit Bezug auf 3 beschriebenen Beispielimplementierungen für das Verschieben der permeablen Ringe 312A–C verwendet werden. Der Ringmotor 305 kann sich auch an beiden Enden des Systems befinden. In Kombination damit oder separat kann der Magnetabstand verändert werden. Im Fall einer kombinierten Konstruktion mit aufgeteiltem Dorn ändert die Veränderung des Magnetabstandes sowohl das Bo-Maximum als auch den Feldgradienten in einer speziellen Untersuchungstiefe.
  • In einigen Ausführungsformen kann, wenn der Magnetabstand zur gleichen Zeit, wie die Ringe bewegt werden, geändert wird, dann dieselbe Magnetfeldstärke mit einem höheren oder niedrigeren Gradienten erzeugt werden. Durch die Fähigkeit, sowohl die Magneten 306A, B als auch die permeablen Elemente 312 zu bewegen, können die Magnetfeldstärke und der Gradient besser zugeschnitten werden.
  • 12A–D stellen andere Beispiele des Effekts der Änderung des Magnetabstandes mit permeablen Ringen 1212A–D auf den Magnetfeldgradienten dar. Das Ändern des Magnetabstandes kann das Feld und den Gradienten verringern. 12A ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien 1218 einer dargestellten Magnetanordnung mit mehreren permeablen Ringen 1212A–D gemäß einer Beispielausführungsform darstellt. 12B ist ein Diagramm, das magnetische Isopotentiallinien 1218 einer weiteren dargestellten Magnetanordnung mit einem permeablen Element 312 und einem kürzeren Magnetabstand als jenem von 12A darstellt. 12A und 12B basieren auf einem SW von 20 cm und einem Ausschnitt von 3 × 5 cm, wobei 12A auf einem Magnetabstand von 50 cm basiert und 12B auf einem Magnetabstand von 46 cm basiert. 12C ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 12A gezeigten Magnetanordnung darstellt. 12D ist ein Diagramm, das das Magnetfeldprofil der in 12B gezeigten Magnetanordnung darstellt.
  • Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung vorstehend im Einzelnen beschrieben wurden, dient die Beschreibung lediglich für Erläuterungszwecke. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Aspekte der beispielhaften Ausführungsformen und äquivalente Schritte, die diesen entsprechen, können zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen vom Fachmann auf dem Gebiet durchgeführt werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen, deren Schutzbereich die breiteste Interpretation zugestanden werden sollte, um solche Modifikationen und äquivalente Strukturen einzuschließen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6232778 [0004]

Claims (20)

  1. Kernspinresonanzvorrichtung, die umfasst: einen ersten Magneten (306A); einen zweiten Magneten (306B) in einem Abstand vom ersten Magneten; und eine Bewegungsanordnung zum Steuern des Abstandes.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnung eine Spindel (309) umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnung eine Spindel (309) umfasst, die mit einem ersten Abschnitt mit Rechtsgewinden (311A) und einem zweiten Abschnitt mit Linksgewinden (311B) verbindet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsanordnung eine Spindel (309) umfasst, die mit einem ersten Abschnitt mit Rechtsgewinden (311A) und einem zweiten Abschnitt mit Linksgewinden (311B) verbindet, und der erste Magnet (306A) mit dem ersten Abschnitt koppelt und der zweite Magnet (306B) mit dem zweiten Abschnitt koppelt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Motor (305), um die Spindel (309) zu drehen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Motor. (305), um die Spindel (309) zu drehen, wobei der Motor mit einem Oberflächenort in Kommunikation steht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Antenne (308), die zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein magnetisch permeables Element (312), das zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Ringe (912), die zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) angeordnet sind, wobei die mehreren Ringe ein magnetisch permeables Material umfassen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch permeable Element (312) eine Stärke eines durch den ersten Magneten (306A) und den zweiten Magneten (306B) erzeugten Magnetfeldes beeinflusst.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch permeable Element (312) einen Gradienten eines durch den ersten Magneten (306A) und den zweiten Magneten (306B) erzeugten Magnetfeldes beeinflusst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne (308) und mehrere Ringe (912) mit einem magnetisch permeablen Material, die zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) angeordnet sind, vorgesehen sind und die mehreren Ringe (912) eine Stärke und einen Gradienten eines durch den ersten Magneten (306A) und den zweiten Magneten (306B) erzeugten Magnetfeldes beeinflussen.
  13. Verfahren zum Vermessen einer Formation mit den folgenden Schritten: Anordnen eines Kernspinresonanzwerkzeugs in einem Bohrloch in der Formation, wobei das Kernspinresonanzwerkzeug einen ersten Magneten (306A) umfasst, der in Bezug auf einen zweiten Magneten (306B) beweglich ist, wobei der erste Magnet und der zweite Magnet durch einen ersten Abstand getrennt sind; und Erhalten einer ersten Kernspinresonanzmessung vom Kernspinresonanzwerkzeug, während der erste Magnet und der zweite Magnet durch den ersten Abstand getrennt sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Einstellen eines Abstandes zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) derart, dass der erste Magnet und der zweite Magnet um einen zweiten Abstand getrennt sind; und Erhalten einer zweiten Kernspinresonanzmessung vom Kernspinresonanzwerkzeug, während der erste Magnet und der zweite Magnet um den zweiten Abstand getrennt sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Abstandes zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B) den Schritt des Betätigens eines Motors (305) zum Drehen einer Spindel (309), die mit dem ersten Magneten und/oder dem zweiten Magneten koppelt, umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigen des Motors (305) das Übertragen eines Befehls von einem Oberflächenort zum Betätigen des Motors umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch das Ändern einer Magnetfeldstärke durch Einfügen eines magnetisch permeablen Elements (312) axial zwischen dem ersten Magneten (306A) und dem zweiten Magneten (306B).
  18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet (306A) und der zweite Magnet (306B) ein Magnetfeld mit einer Magnetfeldstärke erzeugen, und das Einstellen des Abstandes zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten die Magnetfeldstärke beeinflusst.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch das Erhöhen der Magnetfeldstärke des ersten Magneten (306A) und des zweiten Magneten (306B) durch Verringern eines Abstandes zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch das Erhöhen eines Magnetfeldgradienten des ersten Magneten (306A) und des zweiten Magneten (306B) durch Verringern eines Abstandes zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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