FR2752946A1

FR2752946A1 - Appareil de diagraphie par r.n.m. et sa methode de mise en oeuvre, adaptes a la mesure simultanee au forage d'un puit de petrole

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Publication number: FR2752946A1
Application number: FR9702388A
Authority: FR
Original assignee: Western Atlas International Inc
Current assignee: Western Atlas International Inc
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-03-06
Anticipated expiration: 2017-02-24
Also published as: NO970704L; GB2310500B; CA2197931C; GB9703389D0; CA2197931A1; US5757186A; FR2752946B1; NO970704D0; NO327804B1; IL120251A; IL120251A0; ID16022A; GB2310500A

Abstract

L'invention a pour objet un appareil d'analyse à résonance magnétique nucléaire (10). Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend: - un aimant (24) pour induire dans les matières à analyser un champ magnétique statique qui est substantiellement symétriques en rotation par rapport à un axe longitudinal (32) dudit aimant (24), qui est substantiellement perpendiculaire audit axe longitudinal (32), et qui a une amplitude substantiellement égale le long dudit axe longitudinal (32), - des moyens (30) pour générer dans lesdites matières à analyser un champ magnétique de fréquence radio (RF) qui a substantiellement une symétrique de rotation par rapport audit axe longitudinal (32), et qui est substantiellement parallèle audit axe longitudinal (32) à l'intérieur d'un volume sensible (28) contenant lesdits matériaux à analyser, et - des moyens (30) de réception du signal de résonance magnétique nucléaire à partir dudit volume sensible (28).

Description

La présente invention est du domaine des appareils et procédés de

détection par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Plus spécifiquement, la présente invention a trait aux appareils de diagraphie RMN et aux procédés de détection RMN à l'intérieur d'un "volume sensible", ou volume de mesure, tel que le volume entourant un puits de forage pénétrant des formations de terrain, ou formations géologiques. La présente invention concerne également des procédés d'utilisation des mesures RMN pour

déterminer les propriétés des formations géologiques entourant le puits de forage.

Les instruments de diagraphie RMN peuvent être utilisés pour déterminer les propriétés de formations géologiques comprenant la fraction de volume des porosités et la fraction de volume du fluide mobile remplissant les porosités de ces formations géologiques. Des procédés d'utilisation de mesures RMN pour déterminer la fraction de volume des porosités et la fraction de volume de fluide mobile sont décrits, par exemple, dans Spin Echo Magnetic Resonance Logging: Porosity and Free Fluid Index Determination, M. N. Miller et al., Society of Petroleum Engineers article n 20561,

Richardson, TX, 1990.

Les instruments de diagraphie pétrolière RMN connus de l'art font, de manière caractéristique, des mesures correspondant à la quantité de temps nécessaire aux noyaux d'hydrogène présents dans les formations géologiques pour réaligner substantiellement leurs axes de rotation (spin), et en conséquence leur aimantation interne, soit avec un champ magnétique appliqué, soit perpendiculairement au champ magnétique appliqué, après une réorientation momentanée des axes de rotation du noyau d'hydrogène, par application d'un champ magnétique orthogonal de fréquence radio (RF). Le champ magnétique appliqué est de manière caractéristique fourni par un aimant permanent disposé dans l'instrument de diagraphie RMN. Les axes de rotation des noyaux d'hydrogène dans la formation géologique, dans l'agrégat, s'alignent avec le champ magnétique appliqué par l'aimant. L'instrument RMN comporte aussi de manière caractéristique une antenne, positionnée près de l'aimant et d'une forme telle qu'une impulsion de puissance de fréquence radioélectrique (RF) acheminée à travers l'antenne induise un champ magnétique RF dans la formation géologique. Le champ magnétique RF est généralement orthogonal au champ appliqué par l'aimant. Cette impulsion RF, appelée de manière caractéristique impulsion à 90 degrés, a une durée et une amplitude prédéterminées si bien que les axes de rotation des noyaux d'hydrogène s'alignent généralement eux-mêmes perpendiculairement à la fois au champ magnétique orthogonal induit par l'impulsion RF et au champ magnétique appliqué par l'aimant. Au terme de l'impulsion de 90 degrés, les moments magnétiques des noyaux d'hydrogène se "relâchent" graduellement, ou reviennent à leur alignement d'origine avec le champ de l'aimant. Le temps que prend ce relâchement est lié à des propriétés pertinentes de

la formation géologique.

Au terme de l'impulsion de 90 degrés, l'antenne est de manière caractéristique connectée électriquement à un récepteur, lequel détecte et mesure les tensions induites dans l'antenne par rotation processionnelle des axes de rotation des noyaux d'hydrogène. La rotation processionnelle génère une énergie RF à une fréquence proportionnelle à la force du champ magnétique appliqué par l'aimant, cette fréquence étant désignée comme "fréquence de Larmor". La constante de proportionnalité de la fréquence de Larmor est connue sous le nom de "rapport gyromagnétique" (yo). Le rapport gyromagnétique est unique pour chacun des différents isotopes élémentaires. Les noyaux d'hydrogène précessionnent individuellement à des taux différents en raison des hétérogénéités du champ magnétique et en raison des différences de l'environnement magnétique et chimique à l'intérieur de la formation géologique. Ce procédé est référencé comme déphasant. Les différences du taux de précession des axes de spin des noyaux d'hydrogène ont pour résultat une diminution rapide de la grandeur des tensions induites dans l'antenne. La diminution rapide de la tension induite est référencée comme décroissance de l'induction libre (FID) Après une période de temps prédéterminée après la FID, une autre impulsion RF est appliquée à l'antenne. Cette impulsion RF a une amplitude et une durée prédéterminées pour réaligner les axes de rotation des noyaux d'hydrogène dans la formation géologique par une rotation axiale de 180 degrés par rapport à leurs orientations immédiatement précédentes. Au terme de l'impulsion RF (appelée aussi impulsion à 180 degrés), les axes des noyaux d'hydrogène qui étaient en précession à une vitesse plus lente sont alors positionnés de telle sorte qu'ils sont "en avance" par rapport aux axes de rotation en précession plus rapide. La réorientation à 180 degrés des axes de rotation des noyaux oblige donc les axes en précession plus rapide, à se réorienter "derrière" les axes en précession plus lente. Les axes en précession plus rapide finissent par "rattraper" les axes en précession plus lente, et s'alignent approximativement avec eux, après la réorientation de degrés. Comme un grand nombre d'axes de rotation s'alignent les uns avec les autres, les précessions axiales des noyaux d'hydrogène sont à nouveau capables d'induire des tensions mesurables dans l'antenne. Les tensions induites à la suite du rephasage des axes des noyaux d'hydrogène les uns avec les autres après une impulsion de 180 degrés sont désignés comme "écho de spin". La tension induite par l'écho de spin est plus petite que la tension d'origine générée après l'arrêt de la première impulsion RF, car l'alignement axial des noyaux d'agrégat, et en conséquence, l'aimantation interne, des noyaux d'hydrogène au moment de l'écho de spin est au moins partiellement réaligné avec le champ de l'aimant et écarté de l'axe sensible de l'antenne. La tension d'écho de spin proprement dite décroît par FID au fur et à mesure que les axes des noyaux plus rapides "se déphasent" rapidement par

rapport aux axes des noyaux en précession plus lente.

Après une autre période de temps, qui est, de manière caractéristique, égale à deux des périodes de temps prédéterminées entre l'impulsion RF de degrés initiale et l'impulsion de 180 degrés, une autre impulsion RF substantiellement de même durée que l'impulsion de 180 degrés est appliquée à l'antenne. Cette impulsion suivante de 180 degrés oblige à nouveau un positionnement des axes de rotation en

précession plus lente en avance sur celui des axes de rotation en précession plus rapide.

Finalement un autre écho de spin se produira et induira des tensions mesurables dans l'antenne. Les tensions induites de cet écho de spin suivant seront, de manière

caractéristique, inférieures en amplitude à celles de l'écho de spin précédent.

Des impulsions RF de 180 degrés successives sont appliquées à l'antenne pour générer des échos de spin successifs, chacun ayant, de manière caractéristique, une amplitude inférieure à celle de l'écho de spin précédent. Le taux auquel l'amplitude de crête des échos de spin décroît est lié aux propriétés pertinentes des formations géologiques. Le nombre d'échos de spin requis pour déterminer le taux de décroissance de l'amplitude de l'écho de spin est lié aux propriétés de la formation géologique; dans certains cas jusqu'à 1000 échos de spin peuvent être requis pour déterminer la décroissance d'amplitude correspondant aux propriétés pertinentes de la

formation géologique.

Des appareils de diagraphie ont été récemment construits comme éléments d'un ensemble utilisé dans le processus de forage des puits dans le but de faire des mesures de diagraphie au fur et à mesure du forage De tels appareils de

diagraphie sont connus de l'art comme appareils de "mesure simultanée au forage" (MWD).

Un appareil de diagraphie MWD pour les mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN) est décrit par exemple dans le brevet US n 5.280.243 délivré à Miller. L'appareil divulgué dans le brevet de Miller '243 comprend un aimant permanent pour induire un champ magnétique statique dans les formations géologiques entourant l'ensemble de forage, une antenne transmettrice disposée à l'extérieur de l'aimant pour induire des champs magnétiques de fréquence radio (RF) dans les formations et pour recevoir le signal RMN à

partir des noyaux excités dans les formations géologiques..

Un inconvénient particulier de l'appareil divulgué dans le brevet Miller '243 est que l'antenne transmettrice et l'aimant doivent avoir une longueur axiale substantielle en rapport avec le diamètre du volume soumis à la mesure, dit "volume sensible" pour maintenir substantielle la symétrie de rotation des amplitudes de champ magnétique statique et RF à une profondeur substantielle radiale dans les formations géologiques. Le volume sensible est la élément de la formation géologique à l'intérieur de laquelle la condition de résonance magnétique nucléaire est générée en adaptant la fréquence RF à la grandeur de champ magnétique statique. Proposer un volume sensible à une distance radiale de l'appareil qui est substantiellement disposé à l'intérieur de la formation du terrain, nécessiterait de très longues longueurs d'antenne et d'aimant. Une très longue antenne, en particulier, peut réduire la résolution verticale de façon à rendre la mesure commercialement inacceptable. En outre, des appareils de MWD sont sujets à des chocs et des vibrations sévères. L'instrument du brevet '243 Miller est particulièrement sujet à une flexion excessive ou même à une cassure de l'élément de l'ensemble de forage dans lequel l'aimant est logé par le fait que l'aimant est typiquement disposé dans un élément de l'ensemble de forage ayant un diamètre extérieur réduit pour loger l'aimant. La longueur axiale nécessaire pour avoir la symétrie de champ magnétique nécessaire dans l'appareil '243 de Miller peut avoir pour conséquence une flexibilité ou une faiblesse inacceptables d'une

partie de l'ensemble de forage.

Un autre inconvénient de l'appareil divulgué dans le brevet Miller '243 est qu'il est sujet à des erreurs de mesures, en particulier parce que les amplitudes des champs magnétiques statique et RF ne sont pas entièrement symétriques par rapport à l'axe de rotation de l'appareil. Un appareil de diagraphie MWD, comme élément de l'ensemble de forage, est soumis à rotation lorsque tourne l'unité de forage typiquement montée à l'extrémité inférieure de l'ensemble de forage. Les vitesses de rotation peuvent aller jusqu'à 200 t/min, et sont plus typiquement dans la gamme des 60-120 t/min (1,0-2,0 t/sec). L'appareil de diagraphie RMN fait une série de mesures d'écho de spin au cours d'un cycle de mesure qui est d'une durée typiquement inférieure à une demi seconde. Au cours du cycle de mesure, l'appareil peut tourner par 1/2 rotation ou davantage. Si les amplitudes des champs magnétiques statique et RF ne sont pas totalement symétriques en rotation, la mesure peut être soumise à une erreur significative, en particulier parce que certaines parties du volume sensible seront localisées, après une certaine rotation, à l'intérieur d'une longueur

de champ magnétique différente qui peut être au-delà de la largeur de bande du récepteur.

Cette partie du volume sensible ne contribuera typiquement pas à l'amplitude totale du signal. Un autre inconvénient de l'appareil décrit dans le brevet Miller '243 est que la directionnalité et le gradient d'amplitude relativement fort des champs magnétiques statique et RF rend les mesures faites par l'appareil extrêmement sensibles aux petits déplacements radiaux. Le brevet US. 5.332.967 délivré à Shporer décrit l'effet de déplacements radiaux même extrêmement petits sur les mesures faites par un appareil de même configuration que celui divulgué dans le brevet Miller '243. En particulier, des déplacements latéraux de la position de l'aimant ont pour résultat des changements dans la distribution d'amplitude du champ magnétique statique, qui à son tour, occasionne les décalage de phase dans la précession magnétique nucléaire. Les déphasages, qui sont de polarité opposée sur des côtés opposés de l'instrument de l'appareil du brevet Miller '243, peuvent conduire à d'importantes variations de l'amplitude du signal RMN, ou même une perte totale du signal RMN pour même de très petits déplacements radiaux de l'appareil. De tels petits déplacements radiaux sont habituels pour un appareil de diagraphie, même utilisé

dans des applications de mesure simultanée au forage.

L'effet sur les mesures RMN du déplacement latéral de l'appareil décrit dans le brevet Shporer '967 est aussi un problème pour l'appareil divulgué dans le brevet Miller '243. Même lorsque l'aimant a plusieurs dizaines de centimètres de long, l'appareil du brevet Miller '243 peut avoir une variation circonférencielle de plusieurs pour-cents dans l'amplitude du champ magnétique statique à n'importe quelle distance radiale constante à partir du centre de l'instrument. Lorsque l'appareil divulgué dans le brevet '243 Miller tourne, les petits changements d'amplitude de champ peuvent occasionner

une erreur semblable de déphasage dans la mesure du signal RMN.

Les problèmes de l'appareil de Miller '243 sont généralement évités par un autre appareil de diagraphie RMN décrit dans le brevet US n 4.350.955 délivré à Jackson et al. L'appareil de Jackson et al '955 comprend une paire d'aimants généralement cylindriques positionnés coaxialement et ayant des pôles se faisant face. Les aimants génèrent un champ magnétique statique symétrique en rotation à volume torique avec une aimantation substantiellement homogène. La disposition de l'aimant dans Jackson et al'955 procure la symétrie en rotation de l'amplitude du champ magnétique statique qui est requise pour faire tourner les mesures RMN, mais un inconvénient particulier de l'appareil de Jackson et al '955 est que le volume torique est typiquement trop petit dans la direction axiale pour permettre à l'appareil RMN d'être utilisé à des vitesses axiales le long du puits de forage ("vitesse de pénétration" ou "vitesse de diagraphie") commercialement acceptables. Au cours du forage du puits, le tête de forage et les instruments incorporés peuvent se déplacer à travers le puits à des vitesses supérieures à plusieurs centimètres par seconde. Dans l'intervalle de temps nécessaire pour faire les mesures RMN, un appareil configuré selon Jackson et al '955 peut se déplacer assez facilement de façon axiale, de sorte que les mesures RMN sont sujettes à des erreurs substantielles. Un appareil de diagraphie RMN divulgué par Clow et al dans le brevet U.S. n 4.629.986 a une structure d'aimant similaire à celle divulguée dans Jackson et al '955, et par conséquent est soumise à des limitations opérationnelles similaires

telles que l'appareil est divulgué dans le brevet Jackson et al '955.

Encore un autre appareil de diagraphie RMN est divulgué dans le brevet U. S.n 4.717.876 délivré à Masi et ai. L'appareil divulgué dans Masi et al '876 comporte une structure d'aimant principal similaire à celle décrite dans le brevet Jackson et al '955, mais l'appareil de Masi et al comprend en outre des sections d'aimant cylindrique annulaire aimantées radialement disposées dans l'intervalle entre les principaux aimants. Les sections d'aimant cylindriques annulaires aimantées radialement fournissent une force accrue du champ magnétique statique et une force de champ plus homogène en comparaison de la structure de l'aimant de Jackson et al '955. L'appareil de Masi et al '876 a encore un champ statique avec seulement une étendue axiale limitée, et est limité quant aux

vitesses de mouvement axial pour lesquelles l'appareil est commercialement utile.

La publication de rOffice Européen des Brevets de la demande n 0.581. 666 A2, déposée par Kleinberg et al. et publiée le 2 février 1994 divulgue un appareil de diagraphie RMN pour utilisation dans des applications de mesure simultanée au forage (MWD). L'appareil divulgué dans la demande de Kleinberg et al. est similaire à l'appareil divulgué dans Jackson et al '955, comprenant deux aimants positionnés avec des pôles se faisant face et une bobine d'antenne disposée entre eux. L'appareil de la demande de Kleinberg et al, étant structuré substantiellement de la même façon que l'appareil de Jackson et al. '955 comporte substantiellement la même limitation que tous les autres appareils de

diagraphie RMN-MWD divulgués ici comme connus de l'art.

L'appareil de diagraphie RMN divulgué dans Masi et al 876, Jackson et al '955 et la demande de brevet Européen publiée sous le n 0.581.666 A2 déposée par Kleinberg et al sont aussi sujettes à erreurs significatives dans les mesures qu'ils font, comme résultat de la structure du champ magnétique statique induit par les aimants, dans chacun de ces appareils de l'art antérieur. Le champ magnétique statique induit par n'importe lequel de ces appareils de l'art antérieur est typiquement conformé substantiellement en tore et a une amplitude de champ magnétique substantiellement uniforme à l'intérieur du tore. La fréquence du champ magnétique RF est établie pour générer une condition de résonance magnétique nucléaire dans le tore, en supposant l'amplitude du champ magnétique intérieure au tore. L'intensité du champ magnétique statique à l'intérieur du tore est soumise à variations causées par, entre autres, l'amplitude du champ magnétique terrestre, et les changements dans la force des aimants lorsqu'ils sont

exposés à des températures ambiantes fortement variables présentes dans le puits de forage.

Si l'amplitude du champ statique à l'intérieur de la bobine torique devient telle que la fréquence du champ RF ne génère plus de condition de résonance substantiellement à l'intérieur du tore, les mesures RMN ainsi faites sont soumises à une importante réduction

du rapport signal/bruit.

En conséquence, un objet de la présente invention est de proposer un appareil de diagraphie RMN qui soit particulièrement adapté pour être utilisé comme appareil de mesure simultanée au forage, à des vitesses commercialement

acceptables.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un appareil de diagraphie RMN qui soit particulièrement adapté pour être utilisé comme

appareil de mesure simultanée au forage tout en faisant des mesures RMN précises.

Un autre objet de la présente invention est de proposer un appareil de diagraphie RMN qui soit particulièrement adapté pour être utilisé comme appareil de mesure simultanée au forage, et qui ne soit pas sujet à réduction significative du signal du bruit causé par les variations de l'intensité du champ magnétique statique ou par les effets du champ magnétique de la terre. La présente invention a pour objet un appareil de détection par résonance magnétique nucléaire comprenant un aimant pour induire un champ magnétique statique à l'intérieur des matières à analyser. Le champ magnétique statique est substantiellement symétrique en rotation autour de, et perpendiculairement à, un axe longitudinal de l'aimant. Le champ magnétique statique a une amplitude substantiellement égale le long de l'axe longitudinal. L'appareil comprend des moyens pour générer un champ magnétique de fréquence radio dans les matières à analyser. Le champ magnétique de fréquence radio est substantiellement symétrique en rotation autour de l'axe longitudinal et est parallèle à l'axe longitudinal à l'intérieur du volume sensible contenant les matières à analyser. L'appareil comprend des moyens de réception d'un signal de résonance magnétique nucléaire à partir du volume sensible. Dans une forme préférée de réalisation, les moyens pour générer et les moyens pour recevoir comprennent une bobine d'antenne enroulée de telle sorte que les tours de la bobine se trouvent dans des plans perpendiculaires à l'axe

longitudinal de l'aimant.

Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, l'aimant comprend un cylindre aimanté radialement disposé sur un manchon de forage

formant élément de l'ensemble de forage.

La présente invention concerne aussi une méthode de mesure par résonance magnétique nucléaire. La méthode de la présente invention comprend les étapes d'induction d'un champ magnétique dans les matières à analyser. Le champ magnétique statique a substantiellement une intensité uniforme le long d'un axe longitudinal et est substantiellement perpendiculaire à l'axe longitudinal. Le champ magnétique statique est également substantiellement symétrique en rotation autour de l'axe longitudinal. La méthode comprend en outre la génération d'un champ magnétique de fréquence radio dans les matières à analyser. Le champ magnétique de fréquence radio est substantiellement symétrique en rotation par rapport à l'axe longitudinal et est substantiellement parallèle à l'axe longitudinal à l'intérieur d'un volume sensible contenant les matières à analyser. La méthode comprend en outre la réception d'un signal de résonance magnétique nucléaire à

partir des matières à analyser.

Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, la méthode peut être réalisée à partir d'un appareil formant élément d'une tête, ou ensemble,

de forage.

La figure 1 représente un instrument de mesure de diagraphie par forage (MWD) tel qu'utilisé typiquement dans le procédé de forage d'un puits

de forage à travers les formations du terrain.

La figure 2 représente, en coupe transversale, un l'appareil selon la forme préférée de réalisation de la présente invention. La figure 3A représente une première forme de

réalisation de l'aimant de la présente invention.

La figure 3B représente une vue de dessus de l'aimant

représenté sur la figure 3A.

La figure 4A représente, en vue de dessus, une seconde

forme de réalisation de l'aimant de la présente invention.

La figure 4B représente en perspective raimant de la

figure 4A.

Sur la figure 1, un instrument de mesure de diagraphie par forage (MWD) est représenté tel qu'utilisé typiquement dans le procédé de mesure des

propriétés des formations géologiques au cours du forage d'un puits de forage 2.

L'instrument, représenté dans sa globalité par 10, est inclus comme élément d'un tête de forage. La tête de forage comprend typiquement une unité de forage 6, des manchons de forage 12 d'un poids élevé, et un tube de forage segmenté 8. L'ensemble peut être soulevé et abaissé dans le puits de forage 2, et peut être mis en rotation depuis la surface du sol au moyen d'un équipement de forage ou un appareil de surface similaire, représenté dans sa globalité par 18. L'équipement de forage 18 comprend typiquement un matériel de pompage (non représenté séparément pour la clarté de l'illustration) pour faire circuler un fluide 4 connu comme "boue de forage" à l'intérieur de la tête de forage et à l'extérieur dans le puits de forage 2 à travers l'extrémité de l'unité de forage 6. La boue de forage 4 circule pour refroidir l'unité 6 et pour nettoyer la coupe des formations géologiques 14 à travers lesquels

l'unité 6 pénètre lorsqu'elle mise en rotation et enfoncée dans le puits 2 au cours du forage.

L'instrument 10 peut comprendre un "pulseur" de pression (non représenté) pour moduler la pression de la boue de forage 4 conformément à un schéma prédéterminé par télémétrie. La pression de la boue de forage modulée peut être détectée et interprétée par un enregistreur de surface 16, de façon à reproduire et enregistrer à la surface du sol, les mesures faites par l'instrument 10. Une telle télémétrie et les systèmes d'enregistrement sont bien connus de l'art et sont décrits, par exemple, dans une brochure de vente intitulée "MWD Services", Integrated Drilling Services, Ltd., Aberdeeen, Scotland AB1 4YA (1995). Alternativement l'instrument peut comporter une mémoire digitale (non représentée séparément sur la figure 1) ou autre appareil d'emmagasinage des données internes pour l'enregistrement des différentes mesures faites par l'instrument 10 lorsqu'il passe à travers les formations géologiques 14. L'instrument 10 peut être doté d'une alimentation électrique soit par des accumulateurs (non représentés) insérés dans l'instrument 10 soit par un appareil, tel qu'une turbine rotative, réagissant à

l'écoulement de la boue de forage 4 à travers l'intérieur de l'instrument 10.

La configuration de l'instrument 10 représentée sur la figure 1 a pour but de proposer une vue d'ensemble des conditions dans lesquelles l'instrument 10 fonctionne, et n'est en aucune façon destinée à limiter le nombre du ou des types de capteurs qui peuvent être compris dans l'instrument 10 de diagraphie MWD de la

présente invention.

La partie élément de l'instrument 10 qui comprend l'appareil de détection pour faire les mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN) de la formation du terrain peut être mieux comprise par référence à la figure 2. La figure 2 représente une section transversale de l'instrument 10 dans laquelle est disposé l'appareil de détection RMN. La partie RMN de l'instrument 10 peut être montée dans une cavité annulaire 13 formée dans un des manchons de forage 12. Le manchon de forage 12 est de préférence fait d'un matériau substantiellement non ferromagnétique tel que le monel. Une "fermeture" de flux 20 est insérée dans la cavité annulaire 13. La fermeture de flux 20 peut être formée de deux parties semi-cylindriques qui lorsqu'elles sont assemblées recouvrent substantiellement la totalité de la circonférence de la cavité annulaire 13 le long de la fermeture de flux 20 La fermeture de flux 20 est disposée de telle sorte qu'un aimant permanent 24, aimanté de façon substantiellement radiale et disposé sur la surface radiale extérieure de la fermeture du flux 20, aura une orientation directionnelle convenable de son champ magnétique. La structure de l'aimant 24 et la nature de son champ magnétique seront

expliqués par la suite.

L'aimant 24 peut être fait d'une ferrite dure ou autre

matériau aimanté permanent non-conducteur. L'aimant 24 peut être formé à partir de demi-

cylindres comme l'est la fermeture de flux 20, ou peut être formé par une pluralité de segments radiaux comrnme cela sera expliqué plus tard. L'aimant 24 peut comprendre une ouverture 23 dans sa surface extérieure. L'ouverture 23 circonscrit substantiellement la surface extérieure de l'aimant 24 et est incluse pour fournir un espace pour le montage d'une

ferrite douce 26 sur celui-ci.

la ferrite douce 26 est formée de préférence d'un matériau ayant une grande perméabilité magnétique. Une bobine d'antenne 30 peut être enroulée autour de la surface extérieure de la ferrite 26. Dans la présente forme de réalisation de l'invention, la cavité annulaire 13, la fermeture du flux 20, l'aimant 24, le ferrite 26 et l'antenne 30 ont de préférence une symétrie d'axe par rapport à l'axe central 32

de l'instrument 10.

La fermeture de flux 20, l'aimant 24, le ferrite 26 et la bobine d'antenne 30 sont de préférence entourés d'un couvercle protecteur 22. Le couvercle 22 est destiné à protéger les composants enfermés, de la détérioration causée par contact avec la boue de forage (4 sur la figure 1) et avec laparoi du puits de forage (2 sur la figure 1). Le couvercle 22 peut être formé d'une résine armée de fibre de verre, de céramique ou autre matériau non-conducteur, non-ferromagnétique et ayant des propriétés mécaniques convenables. La bobine d'antenne 30 peut être reliée au montage (non représenté sur la figure 2) pour être alimentée en impulsions électriques de fréquence radio (RF) et pour recevoir un signal induit RMN généré dans une zone substantiellement cylindrique 28 (appelée ici "volume sensible") de la formation géologique (14 sur la figure 1) séparée radialement de l'axe 32 par une distance prédéterminée dépendant de la fréquence des impulsions RF et de l'amplitude du gradient du champ magnétique induit par l'aimant 24. Le montage qui peut réaliser la production de pulsations RF requise et les fonctions de réception du signal RMN sont décrites, par exemple dans le brevet U.S. n 4.710.713 de Taicher et al. Le montage décrit dans le brevet Taicher et al '713 est destiné à servir seulement comme exemple et n'est pas destiné à la forme de réalisation exclusive du

montage qui réalisera les fonctions requises de la présente invention.

La bobine d'antenne 30 est de préférence enroulée de sorte que les tours de la bobine d'antenne se situent dans des plans substantiellement perpendiculaires à l'axe 32. Lorsque les impulsions RF sont transmises à travers la bobine d'antenne 30, le champ magnétique RF ainsi généré aura une direction d'aimantation substantiellement parallèle à l'axe 32 à l'intérieur du volume sensible 28. Le volume sensible 28, comme expliqué précédemment, est une partie des formations géologiques (14 sur la figure 1) dans laquelle la condition de résonance magnétique nucléaire est établie et à partir de laquelle sont effectuées les mesure NMR. La signification de la direction d'aimantation

du champ magnétique sera expliqué par la suite.

Une meilleure compréhension de la construction de l'aimant 24 conformément à la présente invention peut être obtenue par référence à la figure 3A, qui est une vue de coté de l'aimant 24. L'aimant 24 peut être composé d'une série de cylindres aimantés de façon axiale, représentés par 24A-24F. La direction d'aimantation de chaque cylindre est indiquée par des flèches sur chacun des cylindres. Une caractéristique particulière des cylindres aimantés de façon axiale est telle que l'aimantation de chaque cylindre est proportionnelle en grandeur à sa distance axiale à partir du plan central 24P de l'aimant 24, et l'aimantation est dirigée vers le plan centré 24P. Par exemple, le cylindre du dessus, 24A, est représenté comme ayant une grande aimantation dirigée vers le bas du côté du plan central 24P. En correspondance opposée le cylindre 24F le plus bas a une aimantation d'intensité substantiellement égale au cylindre supérieur 24A, mais dirigée vers le haut en direction du plan central 24P. D'autres paires de cylindres aimantés plus faiblement, telles que 24B/24E et 24C/24D sont disposées successivement de façon plus proche du plan central 24P. L'aimantation totale résultante de l'aimant 24 représenté sur la figure 3A est substantiellement orientée radialement vers l'extérieur (ou vers l'intérieur) de l'axe (représenté par 32 sur la figure 2). Le champ magnétique statique généré par l'aimant 24 a aussi substantiellement une symétrie de rotation autour de l'axe (32 sur la figure 2), et est substantiellement perpendiculaire à l'axe (32 sur la figure 2) et, à des distances radiales plus petites que la longueur axiale de l'aimant, décroît en intensité de champ comme l'inverse de la distance radiale par rapport à l'aimant 24. Le terme "symétrique par rotation"

tel qu'utilisé dans la description de la présente invention indique qu'à n'importe quelle

distance radiale particulière du centre cylindrique de l'aimant 24 (qui est typiquement coaxial de l'axe 32), l'amplitude du champ magnétique est substantiellement la même pour n'importe quelle position angulaire autour du centre de l'aimant 24. En d'autres termes, si à n'importe quelle distance radiale par rapport au centre cylindrique de l'aimant, l'aimant 24 est tourné autour de son centre (coaxial à l'axe 32), l'intensité du champ magnétique ne

change pas de façon appréciable.

La figure 3B représente une vue en plan de chacun des cylindres, tels que 24A. Chaque cylindre est de préférence divisé en demi-cylindres de sorte que le cylindre puisse être assemblé d'une manière commode avec manchon de forage (12 sur la figure 1). L'aimant 24 représenté sur la figure 3A ne requiert pas l'utilisation de la fermeture du flux (20 sur la figure 2) et ainsi peut être assemblé directement à la paroi de

l'évidement (13 sur la figure 1) dans le manchon de forage (12 sur la figure 1).

Une configuration alternative de l'aimant 24 peut être observée par référence à la figure 4A, qui représente une vue en plan de l'aimant alternatif 24. L'aimant 24 peut être construit à partir d'une pluralité de segments de cylindre radiaux 34, lesquels assemblés forment l'aimant annulaire 24 substantiellement cylindrique. Chaque aimant 24 peut être aimanté substantiellement uniformément le long de sa longueur (parallèle à l'axe- 32 sur la figure 2) et dans une direction indiquée par les flèches sur chaque segment 34. La direction d'aimantation de chaque segment 34 peut être substantiellement orientée radialement vers l'extérieur à partir de l'axe (32 sur la figure 2) lorsque les segments 34 sont assemblés pour former un cylindre annulaire. On doit comprendre de façon explicite que le terme "radialement vers l'extérieur" lorsqu'il concerne la direction d'aimantation des

segments 34, est utilisé seulement pour la commodité de cette description de l'aimant 24, et

ne doit pas être interprété comme une limitation sur la structure de l'aimant 24. La direction effective de l'aimantation des segments 34, comme étant radialement vers l'extérieur à partir de, ou radialement à l'intérieur en direction de l'axe 32, n'est pas importante quant à la structure de l'aimant 24. Une vue assemblée de l'aimant alternatif 24 peut être observée en se référant à la figure 4B. Il est important de noter que l'aimant alternatif 24 représenté sur la figure 4B nécessite l'utilisation de la fermeture de flux (représenté par 20 à la figure 2) pour fournir un champ magnétique statique qui soit substantiellement perpendiculaire à l'axe (32 sur la figure 2), substantiellement symétrique par rotation à l'axe (32 sur la figure 2) et a

une intensité de champ substantiellement uniforme le long de l'axe (32 sur la figure 2).

La signification des forme de réalisations de l'aimant 24 et de la bobine d'antenne 30 de la présente invention peuvent être mieux compris en se reportant aux figures. L'appareil 10 comprend l'aimant 24 tel que représenté sur la figure 4B, et par conséquent comporte la fermeture de flux 20, mais il doit être explicitement compris que la fonction de la première forme de réalisation de l'aimant 24, qui ne nécessite

pas la fermeture du flux 20, est aussi expliquée par la discussion suivante.

L'aimant 24 génère, comme précédemment décrit, un champ magnétique statique qui a une intensité de champ substantiellement uniforme le long de l'axe 32, substantiellement radialement symétrique autour de l'axe 32 et substantiellement perpendiculaire à l'axe 32 à l'intérieur du volume sensible 28. La direction d'aimantation du champ magnétique statique est indiquée par les lignes de champ désignées par B0. Lorsque la bobine d'antenne 30 est alimentée par les impulsions électriques RF, un champ magnétique RF est généré. La direction du champ magnétique RF est désignée par Hi Comme le comprennent les hommes de l'art, une condition de résonance magnétique nucléaire est créée lorsque la fréquence de champ magnétique RF s'adapte substantiellement à la fréquence de précession de la rotation du noyau. La fréquence de précession de la rotation du noyau est directement proportionnelle à l'intensité de champ magnétique statique. Dans la présente forme de réalisation de l'invention, la condition de résonance peut être créée à l'intérieur du volume sensible 28. Le rayon du volume sensible 28 peut être sélectionné par un choix approprié de la fréquence du champ magnétique RF de telle sorte que la direction HI du champ magnétique à l'intérieur du volume sensible 28 soit substantiellement parallèle à l'axe 32, et soit par conséquent substantiellement perpendiculaire au champ magnétique statique Bo. Le volume sensible 28 ainsi généré est

substantiellement cylindrique et symétrique par rapport à l'axe 32.

Un avantage particulier de la présente invention par rapport aux appareils de diagraphie RMN de l'art antérieur est que dans la présente invention les champs magnétiques statique et RF, sont symétriques en rotation par rapport à l'axe 32. La symétrie de rotation procure une mesure qui est relativement à l'abri d'erreurs causées par la rotation axiale de l'appareil 10. L'appareil 10 conforme à la présente invention est particulièrement bien adapté à l'utilisation dans les applications de MWD dans lesquelles

l'appareil 10 est fortement susceptible d'être utilisé tout en subissant la rotation axiale.

Il doit être compris que la structure de l'appareil de diagraphie RMN divulgué ici peut être aussi construite sur une sonde adaptée pour être transportée dans le puits de forage à une extrémité d'un câble électrique armé. Ainsi, bien que la forme de réalisation divulguée ici soit particulièrement adaptée à l'utilisation dans un instrument de mesure simultanée au forage, la présente invention peut aussi être adaptée à

l'utilisation avec d'autres types de transports des appareils de diagraphie connus de l'art.

La description de la forme de réalisation divulguée est

donnée à titre d'exemple d'un appareil qui sera conforme à l'esprit de la présente invention.

En conséquence, la portée l'invention ne devrait être limitée que par les revendications qui

suivent.

Claims

REVENDICATIONS

1.-Appareil d'analyse à résonance magnétique nucléaire (10), comprenant: un aimant (24) pour induire un champ magnétique statique dans les matières à analyser, le dit champ magnétique statique étant substantiellement symétriques en rotation par rapport à un axe longitudinal (32) du dit aimant, le dit champ magnétique statique étant substantiellement perpendiculaire au dit axe longitudinal, le dit champ magnétique statique ayant une amplitude substantiellement égale le long du dit axe longitudinal, des moyens pour générer un champ magnétique de fréquence radio (RF) dans les dites matières à analyser, le dit champ magnétique de fréquence radio ayant substantiellement une symétrique de rotation par rapport au dit axe longitudinal, le dit champ magnétique de fréquence radio étant substantiellement parallèle au dit axe longitudinal à l'intérieur d'un volume sensible contenant les dits matériaux à analyser, et des moyens de réception du signal de résonance

magnétique nucléaire à partir du dit volume sensible.

2.-Appareil selon la revendication 1, dans lequel le dit aimant (24) comprend une pluralité de segments de cylindres radiaux (34) rassemblés en un cylindre annulaire (24), les dits segments de cylindre étant aimantés chacun de telle sorte que le dit cylindre annulaire ait une aimantation substantiellement uniforme dans une direction radiale vers l'extérieur à partir du, et substantiellement perpendiculaire au, dit axe longitudinal(32); 3.-Appareil selon la revendication 2, comprenant en outre une "fermeture"(20) du flux à l'intérieur du dit cylindre annulaire (24); 4.-Appareil selon la revendication 1, dans lequel le dit aimant (24) génère un gradient d'aimantation s'accroissant le long du dit axe longitudinal (32) en correspondance avec la distance le long du dit axe longitudinal à partir d'un plan central (24P) du dit aimant; 5.-Appareil selon la revendication 4, dans lequel le dit aimant comprend une pluralité de cylindres annulaires (24A-24F) axialement aimantés disposés le long de l'axe longitudinal du dit aimant, chacun des dits cylindres annulaires aimantés axialement ayant une aimantation en correspondance avec la dite distance à partir du dit plan central de chacun des dits cylindres; 6.-Appareil selon la revendication 1, dans lequel les dits moyens pour générer comprennent une bobine d'antenne (30) enroulée de telle sorte que les tours de la dite bobine s'alignent avec les plans substantiellement perpendiculaires au dit axe longitudinal (32); 7.-Appareil selon la revendication 6, comprenant en outre un ferrite (26) de grande perméabilité magnétique disposée à l'intérieur de la dite bobine d'antenne (30);

8.-Appareil selon la revendication 1, dans lequel le dit aimant, les dits moyens de générer et

les dits moyens de réception sont disposés sur un manchon de forage (12).

9.-Appareil de diagraphie à résonance magnétique nucléaire adapté pour la mesure simultanée au forage, comprenant: un manchon (12) de forage adapté pour être relié à ensemble de forage, un aimant (24) disposé sur le dit manchon de forage pour induire un champ magnétique statique dans des matières à analyser, le dit champ magnétique statique ayant substantiellement une symétrie de rotation par rapport à un axe longitudinal (32) du dit aimant, le dit champ magnétique statique étant substantiellement perpendiculaire au dit axe longitudinal, le dit champ statique magnétique ayant une amplitude substantiellement égale le long du dit axe longitudinal, des moyens (30) pour générer un champ magnétique de fréquence radio dans les dites matières à analyser, ces dits moyens étant disposés sur le dit manchon de forage, le dit champ magnétique de fréquence radio ayant substantiellement une symétrie de rotation autour du dit axe longitudinal longitudinal et étant parallèle au dit axe longitudinal à l'intérieur d'un volume sensible (28) contenant les dits matériaux à analyser, et des moyens (30) pour recevoir un signal de résonance magnétique nucléaire à partir du dit volume sensible; 10.Appareil selon la revendication 9, dans lequel le dit aimant comprend une pluralité de segments de cylindres (34) assemblés dans un cylindre annulaire, chacun des dits segments étant aimantés de sorte que le dit cylindre annulaire génère une aimantation substantiellement uniforme le long du dit axe longitudinal (32) et ayant substantiellement une symétrie rotation autour du dit axe longitudinal; 11 -Appareil selon la revendication 10, comprenant en outre une "fermeture" (20) du flux à l'intérieur du dit cylindre annulaire (24); 12.-Appareil selon la revendication 9, dans lequel le dit aimant (24) génère un gradient d'aimantation s'accroissant le long de l'axe longitudinal en correspondance de la distance le long du dit axe longitudinal à partir d'un plan central (24P) du dit aimant; 13.-Appareil selon la revendication 12 dans lequel le dit aimant comprend une pluralité de cylindres annulaires (24A-24F) aimantés axialement disposés le long du dit axe longitudinal du dit aimant, chacun des dits cylindres annulaires aimantés axialement ayant une aimantation en correspondance avec la distance au dit plan central (24P) de chacun des dits cylindres; 14.Appareil selon la revendication 9, dans lequel les dits moyens pour générer comprennent une bobine d'antenne (30) enroulée de telle sorte que les spires de la dite bobine se situent dans des plans substantiellement perpendiculaires au dit axe longitudinal (32); 15. Appareil selon la revendication 14, comprenant en outre un ferrite de haute perméabilité magnétique disposé à l'intérieur de la dite bobine d'antenne; 16.-Méthode pour la mesure de la résonance magnétique nucléaire, comprenant: l'induction d'un champ magnétique statique dans des matières à analyser, le dit champ magnétique statique ayant une intensité de champ substantiellement uniforme le long d'un axe longitudinal, le dit champ magnétique statique étant substantiellement symétrique en rotation par rapport au dit axe longitudinal, et substantiellement perpendiculaire au dit axe longitudinal, la génération d'un champ magnétique de fréquence radio dans les dites matières à analyser, le dit champ magnétique de fréquence radio étant substantiellement symétrique en rotation par rapport au dit axe longitudinal et substantiellement parallèle au dit axe longitudinal à l'intérieur d'un volume sensible (28) contenant les dites matières à analyser, et la réception d'un signal de résonance magnétique

nucléaire à partir du dit volume sensible.

17.-Méthode selon la revendication 16 dans laquelle les dites matières à analyser comprennent des formations géologiques entourant un puits de forage (2); 18.-Méthode selon la revendication 17, comprenant la répétition des dites étapes de d'induction du champ magnétique statique, de génération du dit champ magnétique de fréquence radio et de réception du dit signal de résonance magnétique nucléaire à une pluralité d'emplacements axiaux le long du dit puits de forage; 19.-Méthode selon la revendication 18, dans laquelle on procure la dite pluralité d'emplacements axiaux en déplaçant un ensemble de forage dans le dit puits de forage

au cours du forage.

20.-Méthode de diagraphie d'un puits de forage destinée à déterminer les propriétés de résonance magnétique nucléaire de la formation géologique entourant le dit puits de forage, comprenant: l'induction d'un champ magnétique statique dans les dites formations géologiques, le dit champ magnétique statique ayant une intensité de champ substantiellement uniforme le long d'un axe longitudinal, le dit champ magnétique statique étant substantiellement symétrique en rotation par rapport au dit axe longitudinal, et substantiellement perpendiculaire au dit axe longitudinal; la génération d'un champ magnétique de fréquence radio dans les dites formations géologiques, le dit champ magnétique de fréquence radio étant substantiellement symétrique en rotation par rapport au dit axe longitudinal et parallèle au dit axe longitudinal dans un volume sensible positionné à l'intérieur des dites formations géologiques, et la réception d'un signal de résonance magnétique nucléaire à partir du dit volume sensible; 21.- Méthode selon la revendication 20, comprenant en outre la répétition des dites étapes d'induction du dit champ magnétique statique, de génération du dit champ magnétique de fréquence radio, et de réception des dits signaux de résonance magnétique nucléaire, en une pluralité d'emplacements axiaux le long du dit puits de forage; 22.-Méthode selon la revendication 21, dans laquelle la dite pluralité d'emplacements axiaux est choisie en déplaçant l'ensemble de forage dans le dit puits de forage au cours du forage; 23.-Méthode selon la revendication 22 comprenant en outre la transmission de signaux correspondant aux mesures faites au cours de la dite étape de réception à l'équipement de la surface du sol par modulation en télémétrie de la pression de la boue de forage; 24.-Méthode selon la revendication 22 comprenant en outre l'enregistrement des signaux correspondant aux mesures faites au cours de la dite étape de réception, la dite étape d'enregistrement étant réalisée en enregistrant l'appareil disposé dans l'ensemble de forage.