DE69319890T2

DE69319890T2 - Bestimmung von gesteinkern-charakteristiken

Info

Publication number: DE69319890T2
Application number: DE69319890T
Authority: DE
Inventors: Peter Western Lodge Gloucestershire Gl15 4Jq Hanley; David John Oxon Ox14 4Hy Hemsley; Ian Leitch 16 Lees Heights Oxon Ox8 1Tl Mcdougall
Original assignee: Oxford Instruments UK Ltd
Current assignee: Oxford Instruments UK Ltd
Priority date: 1992-01-13
Filing date: 1993-01-12
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2013-01-13
Also published as: CA2127889A1; NO942616L; US5525904A; JPH07502818A; ATE168783T1; NO306428B1; EP0621954A1; CA2127889C; WO1993014413A1; DE69319890D1; NO942616D0; EP0621954B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen von Kennwerten von Gesteins-Bohrkernen, um z. B. die Bewertung von Kennwerten ölführender Gesteine zu ermöglichen.
Es ist gut bekannt, daß Kennwerte bei ölführenden Gesteinen, wie Porosität, durch den Einsatz Magnetischer Kernresonanz- (nuclear magnetic resonance = NMR)-Techniken überwacht werden können. Üblicherweise werden Proben von Gesteins-Bohrkernen von dem Bohrkopf entnommen und dann zur Analyse zu einem fernliegenden Labor geschickt. Dieser Vorgang ist jedoch zeitraubend, und es besteht die Gefahr, daß der Gesteins-Bohrkern vor dem Analysieren beschädigt wird. Demzufolge ist es vorgeschlagen worden, NMR-Analyse an Gesteins-Bohrkernen an der Bohrstelle selbst auszuführen. Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung dieser Art ist in US-A-4 885 540 beschrieben. In diesem Fall werden Gesteins-Bohrkernproben in Einzeltröge oder -Fächer eingesetzt und durch Förderwalzen zwischen die Pole eines Elektromagneten und durch eine HF-Spule geführt. Die Spule wird in üblicher Weise impulsförmig beaufschlagt und als eine Empfangsspule zur Ausführung verschiedener üblicher NMR-Analysevorgänge an den Gesteins-Bohrkernproben benutzt.
Bei dieser bekannten Vorgehensweise entsteht eine Anzahl von Problemen. Ein bestimmtes Problem besteht darin, daß durch den Magneten große Streufelder erzeugt werden, was besonders unerwünscht ist, wenn die Vorrichtung an der Bohrstelle benutzt wird. In dieser Situation besteht die Wahrscheinlichkeit, daß große Eisenkörper in der Nähe der Einrichtung vorhanden sind, welche das Streufeld erfahren und damit die Gleichmäßigkeit des Feldes in dem Arbeitsbereich bedeutsam verringern, während auch noch empfindliche Instrumentierung in der Nähe vorhanden ist, die durch das Streufeld beeinflußt wird.
Ein anderes bei der üblichen Vorgehensweise entstehendes Problem ist, daß die NMR-Analyse über den vollen Querschnitt der Gesteins-Bohrkerne ausgeführt wird, was zu fehlerhaften Ergebnissen führen kann, da wahrscheinlich in den Oberflächenbereichen Beschädigungen vorhanden sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Überwachen von Kennwerten von Gesteins-Bohrkernen Mittel zum Erzeugen eines zum Durchführen einer NMR-Untersuchung ausreichend gleichmäßigen Magnetfeldes in einem Arbeitsvolumen; Mittel zum Fördern von Gesteins-Bohrkernen längs eines Pfades, um welchen die Magnetfeld-Erzeugungsmittel angeordnet sind, wobei die Kerne durch das Arbeitsvolumen des Magnetfeldes hindurchtreten; und Mittel zum Durchführen einer NMR-Untersuchung an dem in dem Arbeitsvolumen befindlichen Anteil des Gesteins-Bohrkernes, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungsmittel einen abgedeckten Permanentmagneten umfassen; daß der Magnet ein Magnetfeld erzeugt, welches ein Sattelprofil bestimmt, wobei das Arbeitsvolumen um eine Minimumstelle des Sattelprofils angelegt ist; und daß die Fördermittel Gesteins-Bohrkerne längs eines zu dem Sattelprofil orthogonalen Pfades fördern.
Mit dieser neuen und verbesserten Vorgehensweise haben wir das Problem der Streufelder gelöst und eine Vorrichtung geschaffen, die fähig ist, kleine zentrale Abschnitte der Gesteins-Bohrkerne zu analysieren, und bei der die beschädigten Außenbereiche vermieden werden.
Abgedeckte Permanentmagnetstrukturen für Kernmagnetresonanz- Abbildung wurden schon früher auf diesem Fachgebiet beschrieben. Man sehe z. B. US-A-4 953 555 und EP-A-0 170 318. Die kompaktesten und im Materialverbrauch wirtschaftlichsten von diesen sind die durch E. Potenziani und H. A. Leupold in IEEE Transactions on Magnetics Mag-22, Seiten 1078-1080, 1986 beschriebenen, die "Abdeckungsmagneten" einsetzen, um der magnetomotorischen Kraft (magnetomotive force = mmf) um die Außenseite der Struktur entgegenzuwirken. Das hat die Auswirkung, daß ein Austreten oder Auslecken des Flusses verhindert wird, um so das Permanentmagnet-Material am wirksamsten auszunützen und eine gute Gleichförmigkeit des Feldes in dem Arbeitsvolumen zu erhalten. Diese früheren Konstruktionen wurden jedoch nicht auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung, nämlich der Gesteins-Bohrkernanalyse, eingesetzt, und es ist sicher noch nicht erkannt worden, daß umhüllte Permanentmagneten sowohl die Vorteile des kleinen Streufeldes als auch die Fähigkeit, eine NMR-Analyse an zentralen Bohrkernbereichen zu erhalten, schaffen können.
Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt der Magnet eine Kastenform und diese ist besonders vorteilhaft, da es möglich ist, ein Magnetfeldprofil innerhalb des Kernes des Magneten zu erzielen, das eine sich längs der Magnetachse, in Welcher die Gesteins-Bohrkerne gefördert werden, erstreckende Sattelregion besitzt, wobei diese Sattelregion mit der Oberfläche der Gesteins-Bohrkerne ausrichtbar ist und es so ermöglicht, die NMR in dem Zentralbereich des Gesteins-Bohrkernes auszuführen.

Abdeckungsmagnete

Der Zweck der Abdeckungsmagnete ist, den Fluß durch Erzeugen einer entgegenwirkenden magnetomotorischen Kraft dorthin zu "stoßen", wo Wir ihn fließen lassen wollen. Sie erzeugen selbst nicht irgendein Feld in dem Arbeitsvolumen, sondern verhindern das Abwandern des Flusses und verbessern sowohl die Feldstärke wie auch die Feldgleichmäßigkeit, die durch den Hauptmagnet und die Polstückanordnung erzeugt werden.
Innerhalb des Abdeckungsmagneten ist B = 0, so daß
Hm = Hc.
In dem Spalt ist die mmf, der entgegenzuwirken ist,
HgLg = Bg Lg,
so daß die Dicke des Abdeckungsmagneten
Lclad = LgBg/Hc wird.
Wenn es auch nicht wesentlich ist, so wird in der bevorzugten Ausführung doch ein ferromagnetisches Polstück längs der dem Arbeitsvolumen zugewendeten Fläche des Permanentmagneten vorge sehen. Die Verwendung eines Polstücks hilft, die Ungleichmäßigkeit innerhalb des Arbeitsvolumens infolge von Veränderungen im Permanentmagneten auszugleichen.
Das Polstück kann eine planare Form besitzen, ist jedoch vorzugsweise geformt, beispielsweise mit einem dreieckigen Querschnitt, um so durch Einstellen der Permeanz unterschiedlicher Flußpfade durch den Spalt noch weitere Beeinflußung der Feldgleichmäßigkeit zu schaffen.
Die Mittel zum Fördern der Gesteins-Bohrkerne können von jeder geeigneten Form sein, beispielsweise von der Art, wie sie in US-A-4 885 540 beschrieben ist, d. h. Förderbänder oder dergleichen.
Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung ist;
Fig. 2-5 jeweils ein Querschnitt durch eine Mittelebene, ein Teillängsschnitt, ein Querschnitt bzw. ein Längsschnitt eines Kastenmagneten zur Verwendung in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist;
Fig. 6 und 7 graphisch die Veränderung bei dem Feldprofil innerhalb des in Fig. 2 bis 5 gezeigten Kastenmagneten erläutern; und
Fig. 8A und 8B dreidimensionale Auftragungen sind, die das Magnetfeld-Profil innerhalb des Kastenmagneten der Fig. 2 bis 5 in der Y-Richtung zeigen.
Fig. 1 stellt sehr schematisch die Vorrichtung zur Behandlung von Gesteins-Bohrkernen an der Bohrung dar. Ein Satz von Walzen 1 ist vorgesehen, über welchen Reihen von Förderbändern 2 geschlungen sind, die so bewegt werden, daß sie Gesteins- Bohrkerne 3 in Richtung des Pfeiles 4 fördern. Jeder Gesteins- Bohrkern besitzt einen Durchmesser von 5,08 bis 8,89 cm (2 bis 3,5 inch). Ein Permanentmagnet ist bei dem Zentralförderer 2 so angesetzt, daß er in einem (nachstehend zu beschreibenden) Arbeitsvolumen, durch welches die Gesteins-Bohrkerne 3 gefördert werden, ein Magnetfeld erzeugt. Die typische Feldstärke für das Magnetfeld innerhalb des Arbeitsvolumens beträgt 4,7 · 106T (470 Gauß) mit einer Stabilität von 10 ppm während einer Dauer von einer Stunde. Die Homogenität des Arbeitsvolumens beträgt etwa 100 ppm bei Benutzung von RT-Ausgleichsscheiben. Ein zylindrischer Former 6 hält (nicht dargestellte) Gradientenspulen, um einen Gradienten parallel zur Hauptmagnetfeldrichtung (die, wie in Fig. 1 gezeigt, vertikal verläuft) zu erzeugen, wobei die maximale Stärke der Gradientenspulen 0,2 · 106 T/cm (20 Gauss/cm) beträgt. Das System wird durch ein Steuersystem gesteuert, welches u. a. das Pulsieren der Gradientenfelder, den Ausgleich des Hauptfeldes, das Senden und Empfangen von HF-Impulsen und die Verarbeitung der NMR-Daten steuert. Das Steuersystem ist eng auf dem von der Firma Oxford Instruments hergestellten und verkauften QP20-NMR-Analysator begründet und wird so nicht im einzelnen beschrieben.
Um die notwendige NMR-Untersuchung auszuführen, wird eine HF- Sonde oder -Spule an dem Former 6 koaxial mit der Mittelachse der längs der Förderer 2 durchlaufenden Gesteins-Bohrkerne 3 angebracht. Die Spule wirkt sowohl als eine Sende- und als eine Empfangsspule.
Der Magnet 5 kann eine Vielzahl von Formen annehmen, ist in der bevorzugten Ausführung jedoch ein Kastenmagnet, wie in den Fig. 2 bis 5 dargestellt. Der Kastenmagnet umfaßt zwei Schichten 10, 11 aus Permanentmagneten, die an gegenüberliegenden Seiten des Magneten angebracht sind, wobei die Magnetisierungsrichtung jedes Magneten 10, 11 in der -Y-Richtung liegt, wie in Fig. 2 zu sehen. Die Magneten 10 sind an ihren Innenflächen durch jeweilige Seitenstücke 12 begrenzt. Ein Paar von Abgleichspulenträgern 13, welche im Gebrauch Hauptfeld-Abgleichspulen tragen, erstrecken sich zwischen den Seitenstücken 12 und wird durch Sätze von Abstandsschrauben 14 gehalten. Eiserne Abgleichstücke 15 sind auch hinter den Abgleichspulenträgern 13 angesetzt.
Ein Paar Weicheisen-Polstücke 16 erstreckt sich zwischen den Sätzen von Permanentmagneten 10, 11 und bestimmt mit den Magneten 10, 11 den Haupt-Kastenmagneten.
Jedes Polstück 16 trägt einen Satz Permanent-Abdeckungsmagnete 17, wobei die Magnetisierungsrichtungen einiger derselben in den Zeichnungen dargestellt ist. Weiter sind geformte Abdeckungsmagnete 18 an den Oberflächen der Magneten 11 vorgesehen. Die Abdeckungsmagnete werden durch Endplatten 19 aus einer Aluminiumlegierung an ihrem Ort gehalten.
Die Längsenden des Magneten werden durch jeweilige aus Aluminiumlegierung bestehende End-Abdeckungsträger 20 abgeschlossen.
Fig. 4 und 5 stellen den Kastenmagneten in einer weiter schematisierten Form dar.
Fig. 6 stellt die Veränderung der Y-Komponente des Feldes in der Y/Z-Ebene mit Ursprung am Zentrum des Arbeitsbereiches (wie in Fig. 2 und 3 gezeigt) dar, und es ist zu sehen, daß die Magnetfeldveränderung einen Sattel bei einem Radius von etwa 12 cm vom Ursprung zeigt.
Fig. 7 stellt die Feldveränderung in der X/Y-Ebene dar.
Die Sattelform des Feldes kann klarer in Fig. 8A erkannt werden. Im Betrieb liegt ein Gesteins-Bohrkern so, wie in Fig. 8B gezeigt, relativ zum Feldprofil, wobei das Arbeitsvolumen bei 101 gezeigt ist.
Im Falle des in den Fig. 2-5 gezeigten Kastenmagneten verlegt die Erzeugung der Sattelform für das Magnetfeld die auf die NMR-Untersuchung reagierenden Kerne (Nuklei) in einem gewissen Ausmaß zur Mitte des Gesteins-Bohrkerns hin. Das überwindet deshalb einige der Probleme des Standes der Technik, indem die möglicherweise beschädigte Außenfläche des Kernes umgangen wird. Eine weitere Festlegung kann erreicht werden durch Benutzen üblicher örtlicher Magnetresonanz (topical magnet resonance = t.m.r.), wie beispielsweise in dem Lehrbuch "Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine and Biology" von Peter G. Morris, Abschnitt 3.2.2 beschrieben.
Die benutzte Impulsfolge kann von üblicher Form sein, wie sie beispielsweise an dem durch Oxford Instruments Ltd. hergestellten QP20-Analysator durchgeführt wird. Andere geeignete Impulsfolgen werden in US-A-4 885 540 beschrieben und sind auf jeden Fall für auf diesem Fachgebiet Erfahrene offensichtlich.

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen von Kennwerten von Gesteins- Bohrkernen, welche Vorrichtung Mittel (5) zum Erzeugen eines zum Durchführen einer NMR-Untersuchung ausreichend gleichmäßigen Magnetfeldes in einem Arbeitsvolumen (101); Mittel (2) zum Fördern von Gesteins-Bohrkernen längs eines Pfades, um welchen die Magnetfeld-Erzeugungsmittel angeordnet sind, wobei die Kerne durch das Arbeitsvolumen des Magnetfeldes hindurchtreten; und Mittel zum Durchführen einer NMR-Untersuchung an dem in dem Arbeitsvolumen befindlichen Anteil des Gesteins-Bohrkernes umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Erzeugungsmittel einen umhüllten Permanentmagneten (5) umfassen; daß der Magnet (5) ein Magnetfeld erzeugt, welches ein Sattelprofil bestimmt, wobei das Arbeitsvolumen um eine Minimumstelle des Sattelprofils angelegt ist; und daß die Fördermittel (2) Gesteins-Bohrkerne längs eines zu dem Sattelprofil orthogonalen Pfades fördern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Magnet (5) kastenförmig ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Mittel (2) zum Fördern der Gesteins-Bohrkerne Förderbänder umfassen.