FR2761478A1 - RADIAL NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE DRILLING DIAGRAPHY METHOD AND INSTRUMENT - Google Patents
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Abstract
L'invention vise un instrument 42 de détection par résonance magnétique nucléaire, comprenant un aimant 60, 61, 62 pour induire un champ magnétique statique à l'intérieur des matériaux 26 soumis à analyse le long d'un puits de forage. Le champ magnétique statique est sensiblement coaxial à un axe longitudinal 78 de l'instrument. Le champ magnétique est polarisé sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal et est symétrique autour de l'axe. Le champ magnétique statique a un gradient longitudinal maximal qui est inversement relié à une vitesse de déplacement de l'instrument le long de l'axe longitudinal à travers les matériaux à analyser. L'instrument comporte un transmetteur 93, 74, 45, 67 pour générer un champ magnétique en radio fréquence dans les matériaux pour exciter les noyaux dans les matériaux. Le champ magnétique en radiofréquence est sensiblement orthogonal au champ magnétique statique. L'instrument comporte un récepteur 67, 45, 73, 89 pour détecter les signaux de résonance magnétique nucléaire à partir des noyaux excités dans les matériaux. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, l'aimant comporte des cylindres aimantés empilés le long de l'axe longitudinal. L'aimantation de chacun de ces cylindres est proportionnelle à sa distance à partir d'un plan central de l'aimant. Les cylindres sont aimantés parallèlement à l'axe longitudinal et dans la direction du plan central. La forme de réalisation préférée de l'aimant comporte un aimant d'extrémité disposé à chaque extrémité longitudinale des cylindres empilés. Les aimants d'extrémité sont chacun aimantés parallèlement à l'axe longitudinal et dans une direction opposée à l'aimantation d'un cylindre adjacent.The invention relates to an instrument 42 for detection by nuclear magnetic resonance, comprising a magnet 60, 61, 62 for inducing a static magnetic field within the materials 26 subjected to analysis along a wellbore. The static magnetic field is substantially coaxial with a longitudinal axis 78 of the instrument. The magnetic field is polarized substantially perpendicular to the longitudinal axis and is symmetrical around the axis. The static magnetic field has a maximum longitudinal gradient which is inversely related to a speed of movement of the instrument along the longitudinal axis through the materials to be analyzed. The instrument includes a transmitter 93, 74, 45, 67 to generate a radio frequency magnetic field in the materials to excite the nuclei in the materials. The radiofrequency magnetic field is substantially orthogonal to the static magnetic field. The instrument includes a receiver 67, 45, 73, 89 to detect nuclear magnetic resonance signals from excited nuclei in the materials. In a preferred embodiment of the invention, the magnet comprises magnetized cylinders stacked along the longitudinal axis. The magnetization of each of these cylinders is proportional to its distance from a central plane of the magnet. The cylinders are magnetized parallel to the longitudinal axis and in the direction of the central plane. The preferred embodiment of the magnet has an end magnet disposed at each longitudinal end of the stacked cylinders. The end magnets are each magnetized parallel to the longitudinal axis and in a direction opposite to the magnetization of an adjacent cylinder.
Description
!!
La présente invention a trait aux instruments de mesure et aux techniques de détec- The present invention relates to measuring instruments and detection techniques.
tion par Résonance Magnetique Nucléaire (RMN). Plus spécialement, la présente inven- by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). More specifically, the present invention
tion a trait aux instruments de diagraphie RMN et aux techniques de mesure pour sonder les fotbrmations géologiques traversées par un puits de forage. L'invention a trait également s aux procédés d'utilisation de mesures RMN pour déterminer les propriétés des formations géologiques. This relates to NMR logging instruments and measurement techniques for surveying the geological photobiology traversed by a borehole. The invention also relates to methods of using NMR measurements to determine the properties of geological formations.
Les instruments RMN pour diagraphie de puits peuvent être utilisés pour détermi- NMR tools for well logging can be used to determine
ner les propriétés des formations géologiques, comprenant le volume fractionnaire des the properties of geological formations, including the fractional volume of
pores (porosité), le volume fractionnaire du fluide mobile remplissant les pores des forma- pores (porosity), the fractional volume of the mobile fluid filling the pores of the
i0 tions géologiques et d'autres paramètres pétrophysiques. Les méthodes et techniques de mesure RMIN pour déterminer le volume fractionnaire des pores, le volume fractionnaire du fluide mobile et d'autres paramètres pétrophysiques sont décrites, 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) et dans Field Test of an Experimental Pulsed Nuclear Magnetism Tool. C.E. Morriss et al, geological and other petrophysical parameters. RMIN measurement methods and techniques for determining fractional pore volume, fractional volume of the mobile fluid, and other petrophysical parameters are described, for example, in Spin Echo Magnetic Resonance Logging: Porosity and Free Fluid Index Determination, MN Miller, and al. Society of Petroleum Engineers Article No. 20561, Richardson, TX, (1990) and Field Test of an Experimental Pulsed Nuclear Magnetism Tool. C.E. Morriss et al,
SPWLA Logging Symposium Transactions, paper GGG (1993). SPWLA Logging Transactions Symposium, paper GGG (1993).
Les instruments de diagraphie RMN comprennent typiquement un aimant perma- NMR logging instruments typically include a permanent magnet.
nent pour induire un champ magnétique statique dans les formations géologiques et une to induce a static magnetic field in geological formations and a
antenne transmettrice positionnée près de l'aimant et conformée de telle sorte qu'une im- transmitting antenna positioned near the magnet and shaped so that an im-
pulsion de puissance en radio fréquence (RF) acheminée à travers l'antenne induise un Frequency (RF) power pulse routed through the antenna induces a
champ magnétique RF dans les formations géologiques. Le champ magnétique RF est gé- RF magnetic field in geological formations. The RF magnetic field is large
néralement orthogonal au champ magnétique statique. Après une impulsion RF, des ten- only orthogonal to the static magnetic field. After an RF pulse,
sions sont induites dans une antenne réceptrice de l'instrumnent de diagraphie, par rotation are induced in a receiving antenna of the logging instrumnent, by rotation
processionnelle des axes de spin d'hydrogène, ou autres noyaux, autour du champ magnéti- processional hydrogen spin axes, or other nuclei, around the magnetic field
2s que statique. L'antenne réceptrice est typiquement reliée à un circuit récepteur de l'instru- 2s than static. The receiving antenna is typically connected to a receiver circuit of the instrument.
ment qui détecte et mesure les tensions induites. Dans un ensemble de mesure RMN typi- which detects and measures induced voltages. In a typical NMR measurement set
que une séquence d'impulsions RF est appliquée à l'antenne transmettrice et une séquence de tensions est mesurée par l'antenne réceptrice (noter que certains instruments utilisent la même antenne pour la transmission et la réception). L'amplitude des tensions détectées et les vitesses auxquelles les tensions détectées varient avec le temps sont en relation avec that an RF pulse sequence is applied to the transmitting antenna and a sequence of voltages is measured by the receiving antenna (note that some instruments use the same antenna for transmission and reception). The amplitude of the voltages detected and the speeds at which the voltages detected vary with time are related to
certaines propriétés pétrophysiques de la formation géologique. certain petrophysical properties of the geological formation.
Un type d'instrument RMN de diagraphie est décrit, par exemple dans le brevet U.S-3.597.681 (Huckbay et al.). L'instrument décrit dans le brevet '681 de Huckbay et al présente plusieurs inconvénients, dont l'un est qu'une zone de champ magnétique statique unidirectionnelle n'est pas homogène le long de l'axe du puits de forage. De façon pratique, les instruments de diagraphie de puits doivent typiquement pouvoir se déplacer axialement le long du forage tout en effectuant des mesures. Au cours du temps nécessaire pour faire une mesure RMNIN typique le "volume sensible" (partie de la formation dans laquelle la résonance magnétique nucléaire est excitée) généré par l'instrument de diagraphie se sera déplacé le long du puits de forage de telle sorte que l'ensemble de mesure ne peut pas être parachevé. Un autre inconvénient à l'instrument décrit dans le brevet l-luckbay et ai '681 est qu'une partie significative des signaux RMN provient du fluide, appelé "boue de tforage", s remplissant le puits Encore un autre inconvénient de l'instrument décrit dans le brevet '681 (Huckbay et al.) est que son antenne est dirigée depuis un seul côté de l'instrument et par conséquent One type of logging NMR instrument is described, for example, in U.S. Patent 3,597,681 (Huckbay et al.). The instrument described in the '681 patent of Huckbay et al has several disadvantages, one of which is that a unidirectional static magnetic field zone is not homogeneous along the axis of the wellbore. Conveniently, well logging instruments typically need to be able to move axially along the borehole while performing measurements. During the time required to make a typical NMRIN measurement the "sensible volume" (part of the formation in which nuclear magnetic resonance is excited) generated by the logging instrument will have moved along the wellbore such that the measuring set can not be completed. Another disadvantage to the instrument described in the 'Luckbay et al.' Patent is that a significant portion of the NMR signals come from the fluid, referred to as "tillage sludge," filling the well. Still another disadvantage of the instrument described in the '681 patent (Huckbay et al.) is that its antenna is directed from only one side of the instrument and therefore
n'utilise qu'une petite fraction du volume total du champ magnétique statique unidirection- only a small fraction of the total volume of the unidirectional static magnetic field
nel. Cela a pour résultat une utilisation inefficace de l'aimant permanent de l'instrument. nel. This results in inefficient use of the permanent magnet of the instrument.
o10 Encore un autre inconvénient de l'instrument décrit dans le brevet '681 est que Yet another disadvantage of the instrument described in the '681 patent is that
l'antenne est soumise à une importante intensité de champ magnétique statique et, par con- the antenna is subjected to a high static magnetic field strength and,
séquent, peut avoir une quantité inacceptable de résonance magnétoacoustique. sequent, may have an unacceptable amount of magnetoacoustic resonance.
Un autre inconvénient de l'instrument du brevet '681 (Huckbay et al.) est que le champ magnétique RF généré par l'antenne chute en amplitude avec la puissance trois de la distance séparant l'instrument du volume sensible puisque l'antenne de cet instrument est l'équivalent d'un dipôle tridimensionnel. Une telle antenne est couplée dans son voisinage seulement à une petite partie du champ magnétique statique unidirectionnel. Cela a pour Another disadvantage of the '681 patent instrument (Huckbay et al.) Is that the RF magnetic field generated by the antenna drops in amplitude with the power of the distance between the instrument and the sensitive volume being three. this instrument is the equivalent of a three-dimensional dipole. Such an antenna is coupled in its vicinity only to a small portion of the unidirectional static magnetic field. This has for
résultat un rapport signal/bruit extrêmement faible. result an extremely low signal-to-noise ratio.
Un autre type d'instrument RMN de diagraphie de puits est décrit dans le brevet Another type of well logging NMR instrument is described in US Pat.
US-4.350.955 (Jackson et al). L'instrument décrit dans le brevet '955 Jackson et al. com- US-4,350,955 (Jackson et al). The instrument described in the '955 Jackson et al. com-
porte des aimants permanents configurés pour induire dans les formations géologiques un door permanent magnets configured to induce in geological formations a
champ magnétique qui présente dans un volume torique une intensité de champ magnéti- magnetic field which has a magnetic field strength in a toric volume
que sensiblement uniforme. Un inconvénient particulier de l'instrument décrit dans le bre- than substantially uniform. A particular disadvantage of the instrument described in the
vet '955 de Jackson et al. est que l'épaisseur du volume torique est très petite par rapport aux vitesses typiques de déplacement axial des instruments de diagraphie. Les instruments Jackson et al. is that the thickness of the toric volume is very small compared to the typical speeds of axial displacement of the logging instruments. Instruments
de diagraphie, afin de pouvoir être commercialisable, doivent typiquement pouvoir se dé- logging, in order to be marketable, must typically be able to
placer axialement le long du puits de forage à des vitesses au moins égales à environ dix pieds (3,04 m) par minute. Le temps nécessaire pour effectuer un ensemble de mesures par écho de spin RMN typique peut s'élever à plusieurs secondes. L'instrument de diagraphie RMN est donc susceptible de se déplacer sur une distance substantielle au cours d'un cycle de mesures. Les mesures effectuées par l'instrument décrit dans le brevet '955 (Jackson et al). sont donc sujettes à erreur selon la manière dont l'instrument est déplacé au cours des place axially along the wellbore at speeds not less than about ten feet (3.04 m) per minute. The time required to perform a typical NMR spin echo measurement set can be several seconds. The NMR logging instrument is therefore likely to move a substantial distance during a measurement cycle. Measurements made by the instrument described in the '955 patent (Jackson et al). are therefore subject to error depending on how the instrument is moved during the
opérations de diagraphie puisque l'antenne ne serait pas positionnée suffisamment long- logging operations since the antenna would not be positioned long enough
temps pour être sensible au même volume torique qui a été aimanté au début d'un cycle time to be sensitive to the same toric volume that was magnetized at the beginning of a cycle
quelconque de mesures.any measures.
Un autre inconvénient de l'instrument décrit dans le brevet '955 de Jackson et al. est Another disadvantage of the instrument described in the '955 patent of Jackson et al. is
qu'il n'élimine aucun signal RMN provenant du fluide remplissant le puits de forage. it eliminates no NMR signal from the fluid filling the wellbore.
Un autre inconvénient encore de l'instrument décrit dans le brevet '955 de Jackson et al. est que le champ magnétique statique de forme torique est soumis à des changements d'amplitude en même temps que l'instrument est soumis à des variations de la température ambiante et à des variations du champ magnétique terrestre. L'antenne de l'instrument du s brevet '955 de Jaçkson et al. est accordée sur une seule fréquence. Si l'intensité du champ Yet another disadvantage of the instrument described in the '955 patent of Jackson et al. is that the static magnetic field of toric form is subjected to amplitude changes at the same time that the instrument is subjected to variations of the ambient temperature and to variations of the terrestrial magnetic field. The antenna of the '955 patent instrument of Jaçkson et al. is granted on a single frequency. If the intensity of the field
magnétique statique du volume torique varie, l'antenne peut ne plus être sensible aux si- If the static magnet of the toroidal volume varies, the antenna may no longer be sensitive to
gnaux RMN provenant de l'intérieur du volume torique. En utilisant l'instrument du brevet 955 de Jackson et al. il est difficile de compenser la fréquence du champ magnétique RF NMR signals from within the toric volume. Using the instrument of the 955 patent of Jackson et al. it is difficult to compensate for the frequency of the RF magnetic field
en raison des changements de l'intensité du champ magnétique statique à l'intérieur du vo- because of changes in the intensity of the static magnetic field inside the vo-
l0 lume torique.lume toric.
I1 existe des inconvénients supplémentaires à l'instrument décrit dans le brevet Jackson et al '955. Premièrement des pièces polaires magnétiques sont opposées les unes par rapport aux autres. Cela a pour résultat un effet de désaimantation significatif qui exige que le matériau magnétique permanent ait une force coercitive élevée. Cette exigence est opposée directement à l'exigence de la forte aimantation résiduelle et à la forte stabilité en température de l'aimant permanent. Deuxièmement, les pièces polaires aimantées sont espacées l'une de l'autre et éloignées de la zone torique, ce qui rend l'utilisation de l'aimant There are additional disadvantages to the instrument described in Jackson et al. First magnetic pole pieces are opposed to each other. This results in a significant demagnetization effect that requires the permanent magnetic material to have a high coercive force. This requirement is directly opposed to the requirement of the strong residual magnetization and the high temperature stability of the permanent magnet. Secondly, the magnetized pole pieces are spaced from each other and away from the toric area, which makes the use of the magnet
permanent moins efficace. Troisièmement, l'antenne utilisée dans l'instrument '955 Jack- permanent less effective. Third, the antenna used in the instrument '955 Jack-
son a une efficacité moindre en raison du couplage électromagnétique faible entre l'an- its efficiency is lower due to weak electromagnetic coupling between the
tenne et la formation géologique à la fréquence résonante pour l'investigation RMN. Qua- and resonance frequency geology for NMR investigation. QUA
trièmement l'antenne est située dans un champ magnétique statique relativement impor- trially the antenna is located in a relatively large static magnetic field
tant, lequel stimule la résonance magnétoacoustique dans l'antenne. Cinquièmement, pour une technique de mesure RMN, qui utilise un champ magnétique statique homogène, les variations de la position relative de l'instrument par rapport au champ magnétique terrestre which stimulates magnetoacoustic resonance in the antenna. Fifth, for an NMR measurement technique, which uses a homogeneous static magnetic field, the variations of the relative position of the instrument with respect to the Earth's magnetic field
peuvent causer une perturbation significative de l'homogénéité de la zone torique. can cause a significant disturbance in the homogeneity of the toric zone.
Un autre type d'instrument de diagraphie RMN de forage est décrit dans le brevet U.S.-4.717.876 (Masi et al.). L'instrument décrit dans le brevet Masi et al. '876 a amélioré l'homogénéité de la zone torique comparativement à l'instrument décrit dans le brevet Jackson et al' 955, mais a fondamentalement les mêmes inconvénients que l'instrument du Another type of borehole NMR logging instrument is described in U.S.-4,717,876 (Masi et al.). The instrument described in the Masi et al. 876 has improved the homogeneity of the toric zone compared to the instrument described in the Jackson et al patent 955, but has basically the same disadvantages as the
brevet'955.brevet'955.
Un autre type d'instrument RMN de diagraphie de forage est décrit dans le brevet U.S4.629.986 (Clow et al.) Cet instrument fournit un rapport signal/bruit amélioré par rapport à l'instrument de Jackson et al '955 grâce à l'incorporation dans l'antenne, de ferrite Another type of borehole logging NMR instrument is described in U.S. Patent No. 4,629,986 (Clow et al.). This instrument provides an improved signal-to-noise ratio over the Jackson et al 955 instrument through the incorporation into the antenna of ferrite
de forte perméabilité magnétique. Un accroissement de la stabilité est obtenu en accom- high magnetic permeability. An increase in stability is achieved by accom-
plissant des mesures RMN dans un champ magnétique statique qui présente un gradient plucking NMR measurements in a static magnetic field that presents a gradient
d'amplitude. Toutefois, l'instrument décrit dans le brevet Clow et al '986 a plusieurs incon- amplitude. However, the instrument described in the Clow et al.
vénients. Puisque les propriétés magnétiques de la plupart des matériaux à aimantation permanente sont dépendants de la température, le volume sensible n'est stable ni dans sa forme ni dans l'intensité du champ magnétique. Le volume sensible de cet instrument n'a qu'une longueur de quelques pouces (2,5 cm) dans la direction longitudinale, ce qui cxige que cet instrument soit pratiquement stationnaire au cours d'un cycle de mesure RMN. Les pièces polaires aimantées sont sensiblement espacées les unes des autres et sont éloignées s de la zone sensible, ce qui rend inefficace l'utilisation du matériau magnétique permanent vantages. Since the magnetic properties of most permanent magnet materials are temperature dependent, the sensitive volume is stable neither in shape nor in magnetic field strength. The sensitive volume of this instrument is only a few inches (2.5 cm) long in the longitudinal direction, which means that this instrument is substantially stationary during an NMR measurement cycle. The magnetized pole pieces are substantially spaced from each other and are spaced apart from the sensitive area, making the use of the permanent magnetic material inefficient
L'antenne est située dans un champ magnétique relativement fort ce qui stimule la réso- The antenna is located in a relatively strong magnetic field which stimulates the reso-
nance magnétoacoustique de l'antenne. La ferrite de haute perméabilité magnétique de l'antenne est localisée dans un champ magnétique relativement fort, ce qui peut saturer la ferrite et réduire son efficacité. Une ferrite douce disposée dans un champ magnétique statique est également une forte source de résonance magnétostrictive consécutive à une impulsion RF à travers l'antenne. Dans la disposition de l'aimant du brevet Clow et al '986, Magnetoacoustic distribution of the antenna. The ferrite of high magnetic permeability of the antenna is located in a relatively strong magnetic field, which can saturate the ferrite and reduce its efficiency. A soft ferrite disposed in a static magnetic field is also a strong source of magnetostrictive resonance following an RF pulse across the antenna. In the arrangement of the magnet of the Clow et al.
le champ de désaimantation est relativement important, ce qui nécessite un matériau ma- the demagnetization field is relatively large, which requires a material of great
gnétique ayant une force coercitive élevée. Cette exigence est opposée à la forte aimanta- gnetic with high coercive force. This requirement is opposed to the strong magnetism
tion résiduelle et à la forte stabilité de température des propriétés magnétiques également requises du matériau magnétique permanent. Finalement, le champ magnétique statique dans les formations géologiques du volume sensible est seulement d'environ 10 Gauss et tourne à 360 dans un plan perpendiculaire à l'axe du puits de forage. Pour cette amplitude de champ magnétique statique, l'amplitude du champ magnétique terrestre d'environ 0.5 and the high temperature stability of the magnetic properties also required of the permanent magnetic material. Finally, the static magnetic field in the geological formations of the sensitive volume is only about 10 Gauss and rotates 360 in a plane perpendicular to the axis of the wellbore. For this amplitude of static magnetic field, the magnitude of the Earth's magnetic field of about 0.5
Gauss présente une perturbation significative de la force globale du champ. Gauss has a significant disturbance in the overall strength of the field.
Un autre type d'instrument RMN de diagraphie de forage décrit dans le brevet U.S- Another type of borehole logging NMR instrument described in U.S.
4.717.878 (Taicher et al.) prévoit une résolution azimutale par rapport à l'axe du puits de 4,717,878 (Taicher et al.) Provides for azimuthal resolution with respect to the axis of the well of
forage et une réduction des signaux parasites à partir du fluide du puits de forage. Toute- drilling and a reduction of spurious signals from the wellbore fluid. Toute-
fois, l'instrument décrit dans le brevet Taicher et al '878 présente plusieurs inconvénients. The instrument described in the Taicher et al. 878 patent has several disadvantages.
Puisque les propriétés magnétiques du matériau magnétique permanent utilisé dans l'instrument sont dépendantes de la température, la zone sensible n'est stable ni dans sa forme ni dans l'intensité du champ magnétique. L'antenne est située à l'intérieur d'un champ magnétique relativement fort, ce qui stimule la résonance magnétoacoustique de l'antenne. Dans la disposition de l'aimant de l'instrument décrit dans le brevet Taicher et al 878, le champ de désaimantation est très fort, ce qui nécessite un matériau magnétique Since the magnetic properties of the permanent magnetic material used in the instrument are temperature dependent, the sensitive area is stable neither in shape nor in magnetic field strength. The antenna is located inside a relatively strong magnetic field, which stimulates the magnetoacoustic resonance of the antenna. In the arrangement of the magnet of the instrument described in the Taicher et al. 878 patent, the demagnetization field is very strong, which requires a magnetic material
ayant une force coercitive élevée. Cette exigence est directement opposée à une aimanta- having a high coercive force. This requirement is directly opposed to a magnetism
tion résiduelle forte et à une stabilité de température élevée des propriétés magnétiques de residual temperature and high temperature stability of the magnetic properties of
l'aimant permanent d'un instrument de diagraphie de puits. the permanent magnet of a well logging instrument.
En raison des inconvénients des conceptions précédentes des instruments RMN de Due to the disadvantages of previous designs of the NMR instruments of
diagraphie de puits aucun d'eux ne constitue généralement des instruments de puits de dia- well logging none of them are generally well-logging instruments.
graphie acceptés commercialement. Les instruments de diagraphie de puits acceptés com- accepted commercially. Well logging instruments accepted
mercialement en comprennent un qui est décrit dans le brevet U.S-4.710. 713 (Taicher et commercially include one which is described in U.S.-4,710. 713 (Taicher and
ai.). L'instrument décrit dans le brevet '713 Taicher et al. comprend un assemblage d'ai- have.). The instrument described in the '713 Taicher et al. includes an assembly of
mant permanent de forme générale cylindrique qui induit un champ magnétique statique ayant une intensité de champ magnétique sensiblement uniforme à l'intérieur d'un volume permanent mantle of cylindrical general shape which induces a static magnetic field having a substantially uniform magnetic field intensity within a volume
cylindrique annulaire des formations géologiques. L'instrument décrit dans le brevet Tai- cylindrical annular geological formations. The instrument described in the Tai-
cher et al.'713 comporte plusieurs inconvénients, toutetfois. Premièrement l'antenne induit un champ magnétique RF à l'intérieur des formations géologiques entourant l'instrument qui décroît en intensité avec le carré de la distance radiale depuis l'aimant. Parce que le rapport signal/bruit des mesures RMIN faites dans un gradient de champ magnétique est typiquement en rapport avec l'intensité du champ magnétique RF, l'instrument décrit dans le brevet Taicher et al '713 a des exigences en matière de puissance très importantes, et dear et al. 713 has several disadvantages, however. First, the antenna induces an RF magnetic field within the geological formations surrounding the instrument which decreases in intensity with the square of the radial distance from the magnet. Because the signal-to-noise ratio of the RMIN measurements made in a magnetic field gradient is typically related to the intensity of the RF magnetic field, the instrument described in the Taicher et al. 713 patent has very high power requirements. important, and
peut présenter des difficultés pour obtenir des mesures ayant un rapport signal/bruit suffi- may present difficulties in obtaining measurements with a sufficient signal-to-noise ratio.
l0 sant à des distances radiales substantielles depuis l'instrument. 10 at substantial radial distances from the instrument.
Un autre inconvénient de l'instrument du brevet Taicher et al. '713 est que la con- Another disadvantage of the Taicher et al. 713 is that the con-
ception optimale de l'aimant et de l'antenne RF, en vue d'optimiser le rapport signal/bruit optimal reception of the magnet and the RF antenna, in order to optimize the signal-to-noise ratio
exige que les conditions de résonance magnétique nucléaire soient satisfaites à une fré- requires that nuclear magnetic resonance conditions be met at a frequency of
quence relativement importante. Puisque les pertes en énergie RF du fluide électrocon- relatively important. Since the RF energy losses of the electroconductive fluid
is ducteur dans le puits de forage sont proportionnelles au carré de la fréquence, la mise en are in the wellbore are proportional to the square of the frequency, the setting
oeuvre de Taicher et al '713 est limitée à l'utilisation dans des fluides de conductivité rela- The work of Taicher et al. 713 is limited to use in fluids of relative conductivity.
tivement faible dans le puits de forage. low in the wellbore.
Encore un autre inconvénient de l'instrument du brevet Taicher et al '713 est que Yet another disadvantage of the Taicher et al '713 patent instrument is that
l'antenne est située dans un champ magnétique statique relativement fort qui est perpendi- the antenna is located in a relatively strong static magnetic field that is perpendicular
culaire à une direction de passage RF dans l'antenne transmettrice et, par conséquent, sti- a direction of RF passage in the transmitting antenna and, therefore,
mule la résonance magnétoacoustique de l'antenne transmettrice. Un autre instrument de diagraphie RMIN, est décrit dans le brevet U.S-5.055.787 (Kleinberg et al.) Cet instrument mule the magnetoacoustic resonance of the transmitting antenna. Another RMIN logging instrument is described in U.S. Patent 5,055,787 (Kleinberg et al.) This instrument
de diagraphie comporte des aimants permanents disposés pour induire un champ magnéti- logging system includes permanent magnets arranged to induce a magnetic field.
que dans la formation géologique ayant un gradient de champ sensiblement nul à l'intérieur 2s d'un volume sensible prédéterminé. Les aimants sont disposés dans une partie du logement only in the geological formation having a substantially zero field gradient within 2s of a predetermined sensible volume. The magnets are arranged in a part of the housing
d'instrument qui est typiquement placé en contact avec la paroi du puits de forage. L'an- instrument that is typically placed in contact with the wall of the wellbore. The an-
tenne dans cet instrument est positionnée dans un évidement situé à l'extérieur du logement de l'instrument, ce qui permet de construire le logement d'instrument dans un matériau très résistant tel que l'acier. Un inconvénient de l'instrument de diagraphie du brevet '787 Kleinberg et al. est que son volume sensible n'est écarté que de 0,8 cm de la surface de This instrument is positioned in a recess on the outside of the instrument housing, which allows the instrument housing to be constructed of a very strong material such as steel. A disadvantage of the logging instrument of the '787 patent Kleinberg et al. is that its sensitive volume is only 0.8 cm away from the surface of
l'instrument et ne s'étend que sur 2,5 cm radialement vers l'extérieur de la surface de l'ins- the instrument and extends only 2.5 cm radially outward from the surface of the instrument.
trument. Les mesures effectuées par cet instrument sont donc sujettes à une erreur impor- strument. Measurements made by this instrument are therefore subject to significant error.
tante causée par entre autres choses une rugosité de la paroi du puits de torage, par des dépôts de la phase solide de la boue de forage (appelés "cake de boue") sur la paroi du puits de forage en épaisseur quelconque et par le contenu du fluide de la formation dans la aunt caused by, among other things, a roughness of the wall of the sinking well, by deposits of the solid phase of the drilling mud (called "mud cake") on the wall of the borehole in any thickness and by the contents of formation fluid in the
zone envahie.invaded area.
Un autre inconvénient décrit dans le brevet Kleinberg et al '787 a trait au matériau magnétique permanent. Etant donné que les pièces polaires aimant sont opposées les unes aux autres, il y a un important effet de désaimantation qui exige un matériau magnétique permanent ayant une importante force coercitive. Cette exigence est opposée à la forte Another disadvantage described in the Kleinberg patent et al. 787 relates to the permanent magnetic material. Since magnet pole pieces are opposed to each other, there is an important demagnetization effect which requires a permanent magnetic material having a high coercive force. This requirement is opposed to the strong
aimantation résiduelle et à l'importante stabilité de la température des propriétés magnéti- residual magnetization and the important stability of the temperature of the magnetic properties.
ques requises de l'aimant permanent. required of the permanent magnet.
Un autre instrument de mesure RMN qui peut avoir une application dans la diagra- Another NMR measuring instrument which may have application in the diagra-
phie des puits est décrit dans le brevet U.S.-5.572. 132 (Pulyer et ai.). Cet instrument com- Wells are described in U.S.-5,572. 132 (Pulyer et al.). This instrument
prend un aimant permanent pour induire un champ magnétique polarisé le long de l'axe longitudinal de l'instrument, et des bobines d'antenne disposées autour de l'extérieur de takes a permanent magnet to induce a polarized magnetic field along the longitudinal axis of the instrument, and antenna coils disposed around the outside of the
l'aimant. L'instrument décrit dans le brevet Pulyer et al. '132, comme beaucoup d'instru- the magnet. The instrument described in the Pulyer et al. 132, like many instruments
ments de diagraphie de puits RMN de l'art antérieur, a un inconvénient commun qui est expliqué, par exemple, dans le brevet US-5.332.967 (Shporer). Cet inconvénient concerne un déphasage significatif du signal RMN, ce qui conduit à une distorsion significative de la hauteur du signal RMN et peut même conduire à une disparition complète du signal RMN, lorsque l'instrument de diagraphie se déplace dans une direction le long d'un gradient d'amplitude du champ magnétique statique. Dans la pratique actuelle de diagraphie de puits, le déphasage et la réduction du signal peuvent même être pire que ce qui est suggéré par le brevet '967 Shporer du fait que la vitesse de diagraphie peut être variable, comme il Prior art NMR logging elements have a common drawback which is explained, for example, in US Pat. No. 5,332,967 (Shporer). This disadvantage relates to a significant phase shift of the NMR signal, which leads to a significant distortion of the height of the NMR signal and may even lead to a complete disappearance of the NMR signal, when the logging instrument moves in a direction along an amplitude gradient of the static magnetic field. In the current well logging practice, the phase shift and signal reduction may even be worse than what is suggested by the '967 Shporer patent because the logging speed can be variable, as it can be.
est compris par les hommes de l'art de la diagraphie des puits. is understood by those skilled in the art of well logging.
L'invention vise un instrument de détection par résonance magnétique nucléaire, The invention relates to a nuclear magnetic resonance detection instrument,
comprenant un aimant pour induire un champ magnétique statique symétrique sensible- comprising a magnet for inducing a symmetric static magnetic field
ment radial à l'intérieur des matériaux soumis à analyse. Le champ magnétique statique est radially within the materials being analyzed. The static magnetic field is
sensiblement coaxial à un axe longitudinal de l'instrument et est polarisé sensiblement per- substantially coaxial with a longitudinal axis of the instrument and is substantially biased
pendiculairement à l'axe longitudinal. Le champ magnétique statique a un gradient d'am- pendicular to the longitudinal axis. The static magnetic field has a gradient of am-
plitude longitudinal maximal qui est inversement relié à une vitesse de déplacement de 2s l'instrument le long de l'axe longitudinal à travers les matériaux à analyser. L'instrument comporte un transmetteur pour générer un champ magnétique en radio fréquence dans les maximum longitudinal extent which is inversely related to a movement speed of 2s the instrument along the longitudinal axis through the materials to be analyzed. The instrument comprises a transmitter for generating a radio frequency magnetic field in the
matériaux pour exciter les noyaux dans les matériaux. Le champ magnétique en radiofré- materials for exciting nuclei in materials. The magnetic field in radiofrequency
quence est sensiblement orthogonal au champ magnétique statique. L'instrument comporte un récepteur pour détecter les signaux de résonance magnétique nucléaire émis par les noyaux excités dans les matériaux quence is substantially orthogonal to the static magnetic field. The instrument comprises a receiver for detecting the nuclear magnetic resonance signals emitted by the excited nuclei in the materials
Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, l'aimant comporte des cylin- In a preferred embodiment of the invention, the magnet comprises cylinders
dres aimantés empilés le long de l'axe longitudinal. L'aimantation de chacun de ces cylin- magnets stacked along the longitudinal axis. The magnetization of each of these cylinders
dres est proportionnelle à sa distance à partir d'un plan central de l'aimant. Les cylindres sont aimantés parallèlement à l'axe longitudinal et dans la direction du plan central. La forme de réalisation préférée de l'aimant comporte un aimant d'extrémité disposé à chaque dres is proportional to its distance from a central plane of the magnet. The cylinders are magnetized parallel to the longitudinal axis and in the direction of the central plane. The preferred embodiment of the magnet includes an end magnet disposed at each
extrémité longitudinale des cylindres empilés. Les aimants d'extrémité sont chacun ai- longitudinal end of the stacked cylinders. The end magnets are each ai-
mantés parallèlement à l'axe longitudinal et dans une direction opposée à l'aimantation d'un cylindre de l'autre extrémité. La forme de réalisation préférée de l'aimant comprend un évidement au centre de l'empilement des cylindres. Une antenne qui peut être reliée au transmetteur et/ou au récepteur peut être située dans l'évidement pour réduire la résonance mantées parallel to the longitudinal axis and in a direction opposite to the magnetization of a cylinder of the other end. The preferred embodiment of the magnet includes a recess in the center of the stack of cylinders. An antenna that can be connected to the transmitter and / or receiver can be located in the recess to reduce resonance
magnétostrictive de l'antenne.magnetostrictive antenna.
L'invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, à la des- The invention will be better understood, and details of this will emerge,
cription qui va être faite de formes préférées de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles: description will be made of preferred embodiments, in connection with the figures of the attached plates in which:
La figure I illustre un instrument de diagraphie par Résonance Magnétique Acous- Figure I illustrates an Acoustic Magnetic Resonance Logging instrument.
tique (RMN) disposé dans un puits de forage traversant des formations géologiques. tick (NMR) located in a borehole crossing geological formations.
La figure 2 illustre de manière plus détaillée la sonde RMN de l'instrument de la Figure 2 illustrates in more detail the NMR probe of the instrument of the
figure 1.figure 1.
La figure 3 illustre un bloc-diagramme fonctionnel de l'instrument RMN de la pré- FIG. 3 illustrates a functional block diagram of the NMR instrument of the present invention.
sente invention.this invention.
La figure 4 illustre l'ensemble d'aimant principal de l'instrument RMN plus en dé- Figure 4 illustrates the main magnet assembly of the NMR instrument more
tail.tail.
La figure 5 illustre les dimensions de l'aimant. Figure 5 illustrates the dimensions of the magnet.
La figure 6 est une représentation graphique du champ magnétique statique induit FIG. 6 is a graphical representation of the induced static magnetic field
par l'aimant dans le volume sensible. by the magnet in the sensitive volume.
La figure 7 est un graphique de la composante longitudinale du champ magnétique Figure 7 is a graph of the longitudinal component of the magnetic field
statique induit par l'aimant à l'intérieur de l'antenne transmettrice avec et sans insert d'ai- statically induced by the magnet inside the transmitting antenna with and without
mant d'extrémité.end mantle.
La figure 8 illustre le champ magnétique statique de la figure 6 plus en détail. Figure 8 illustrates the static magnetic field of Figure 6 in more detail.
I. Configuration de l'instrument La figure I montre un instrument de diagraphie de puits de résonance magnétique nucléaire (RMN) disposé dans un puits de forage 22 traversant des formations géologiques 23, 24, 26, 28 pour prendre des mesures de propriétés des formations géologiques 23, 24, 26, 28. Le puits de forage 22 de la figure 1 est typiquement rempli par un fluide 34 connu I. Instrument Configuration Figure I shows a nuclear magnetic resonance (NMR) well logging instrument disposed in a borehole 22 traversing geological formations 23, 24, 26, 28 to take measurements of the properties of the formations 23, 24, 26, 28. The wellbore 22 of Figure 1 is typically filled with a known fluid 34
dans l'art sous le nom de "boue de forage". Un "volume sensible", désigné dans sa généra- in the art under the name of "drilling mud". A "sensitive volume", designated in its general
lité par 58 et ayant une forme générale cylindrique, est disposé dans l'une des formations 58 and having a generally cylindrical shape, is arranged in one of the formations
géologiques, désignée par 26. Le volume sensible 58 est une partie prédéterminée des for- defined by 26. The sensitive volume 58 is a predetermined part of the
mations géologiques 26 dans laquelle sont faites des mesures par résonance magnétique nucléaire (RMN) par l'instrument de diagraphie comme on l'expliquera ultérieurement Un train d'instruments de diagraphie 32, ("train d'instrument") qui peut inclure geological measurements 26 in which nuclear magnetic resonance (NMR) measurements are made by the logging instrument as will be explained later. A logging instrument train 32, ("instrument train") which may include
l'instrument RMN conforme à l'invention, est typiquement descendu dans le puits de fo- the NMR instrument according to the invention is typically lowered into the
rage 22 au moyen d'un câble électrique armé 30. Le câble 30 peut être introduit et retiré du rage 22 by means of a reinforced electric cable 30. The cable 30 may be introduced and removed from the
puits 22 au moyen d'un treuil ou tambour 48 comme il est connu de l'art. Le train d'instru- well 22 by means of a winch or drum 48 as is known in the art. The train of
ments 32 peut être connecté électriquement à un équipement de surface 54 par un con- 32 can be electrically connected to a surface equipment 54 by means of a
ducteur électrique isolé (non représenté en figure 1) faisant partie du câble 30. L'équipe- isolated electrical conductor (not shown in FIG. 1) forming part of the cable 30. The
ment en surface 54 peut comporter une partie d'un système de télémétrie 38 pour commu- surface 54 may comprise part of a telemetry system 38 for
niquer des signaux de commande et des données au train d'instruments 32 et à un ordina- control signals and data to the instrument train 32 and to a computer
teur 40. L'ordinateur 40 peut aussi comporter un enregistreur de données 52 pour enregis- 40. The computer 40 may also include a data logger 52 for recording.
trer les mesures réalisées par l'instrument et transmises à l'équipement de surface 54 par- the measurements made by the instrument and transmitted to the surface equipment 54
s dessus le câble de diagraphie 30. s over the logging cable 30.
Une sonde RMN 42 conforme à l'invention peut être incluse dans le train d'instru- An NMR probe 42 according to the invention can be included in the train of instruments.
ments 32. Le train d'instruments 32 est de préférence centré à l'intérieur du puits de forage 32. The instrument train 32 is preferably centered within the wellbore
22 au moyen d'un centreur supérieur 56 et d'un centreur inférieur 57 fixés au train d'ins- 22 by means of an upper centralizer 56 and a lower centralizer 57 attached to the train of inserts.
trurnents 32 à des emplacements espacés axialement. Les centreurs 56, 57 peuvent être de trurnents 32 at axially spaced locations. The centralizers 56, 57 can be of
o0 n'importe quel type connu de l'art tels que des ressorts en arc ou des armes à fonctionne- any known type of art such as arc springs or operating weapons.
ment autre que manuel ou semblables. other than manual or similar.
Des circuits de mise en oeuvre de la sonde RMN 42 peuvent être situés à l'intérieur Circuits for implementing the NMR probe 42 may be located inside
d'une cartouche électronique RMN 44. Les circuits (non représentés sur la figure 1) peu- of an NMR electronic cartridge 44. The circuits (not shown in FIG.
vent être connectés à la sonde RMN 42 au moyen d'un connecteur 50. La sonde RMN 42 est typiquement située à l'intérieur d'un boîtier protecteur 43 qui est conçu pour mettre à l'abri de la boue de forage 34 l'intérieur de la sonde 42. Les fonctions de la sonde 42 seront The NMR probe 42 is typically located within a protective casing 43 which is adapted to shelter from the drilling mud 34. inside the probe 42. The functions of the probe 42 will be
expliquées ultérieurement.explained later.
D'autres types de capteurs de diagraphie (non représentés pour des raisons de clarté de l'illustration de la figure 1) peuvent faire partie du train d'instruments 32. Comme cela Other types of logging sensors (not shown for the sake of clarity in the illustration of FIG. 1) can be part of the instrument train 32.
est montré en figure 1, un capteur de diagraphie supplémentaire 47 peut être placé au- is shown in FIG. 1, an additional logging sensor 47 can be placed
dessus de la cartouche électronique RMN 44. Des capteurs de diagraphie supplémentaires tels que ceux repérés par 41 et 46 peuvent être placés au niveau ou au-dessous du centreur inférieur 57. Les autres capteurs 41, 46, 47 peuvent être des types connus de l'homme de métier et peuvent inclure, sans s'y limiter, des détecteurs de rayons gamma, des capteurs de densité globale des formations ou des détecteurs de porosité à neutrons. En variante des above the NMR electronic cartridge 44. Additional logging sensors such as those marked 41 and 46 may be placed at or below the lower centraliser 57. The other sensors 41, 46, 47 may be of known types of the same. Those skilled in the art may include, but are not limited to, gamma ray detectors, global formation density sensors, or neutron porosity detectors. In a variant
parties de l'électronique RMN peuvent être placées à l'intérieur des cartouches électroni- parts of the NMR electronics can be placed inside the electronic cartridges.
ques qui font partie d'autres capteurs de diagraphie. Les emplacements des autres capteurs which are part of other logging sensors. The locations of the other sensors
41, 46, 47 montrés en figure 1 sont une question de commodité pour le concepteur de sys- 41, 46, 47 shown in FIG. 1 is a matter of convenience for the system designer.
tème et ne doivent pas être considérés comme une limitation à l'invention. and should not be considered as a limitation to the invention.
La figure 2 montre la sonde RMN 42 de manière plus détaillée. La sonde RMN 42 Figure 2 shows the NMR probe 42 in more detail. The NMR probe 42
comprend de préférence un ensemble d'aimants permanents généralement cylindriques 60. preferably comprises a set of generally cylindrical permanent magnets 60.
L'ensemble d'aimants 60 inclut au moins un aimant permanent 62, lequel s'étend de ma- The magnet assembly 60 includes at least one permanent magnet 62, which extends from
nière générale le long d'un axe d'aimant 80 et a de préférence une section transversale sen- generally along a magnet axis 80 and preferably has a cross-sectional direction
siblement circulaire perpendiculaire à l'axe d'aimant 80. L'axe d'aimant 80 est positionné de façon sensiblement coaxiale à un axe longitudinal 76 du puits de forage (22 en figure circular axis perpendicular to the magnet axis 80. The magnet axis 80 is positioned substantially coaxially with a longitudinal axis 76 of the well bore (22 in FIG.
1), lequel emplacement est assuré par les centreurs supérieur et inférieur (56 et 57 en fi- 1), which location is provided by the upper and lower centralizers (56 and 57).
gure 1). La construction préftérée de l'ensemble de l'aimant 60 sera expliquée plus en détail. gure 1). The preferred construction of the magnet assembly 60 will be explained in more detail.
Pour la clarté de la description, l'aimant ou les aimants permanents 62 seront considérés For the sake of clarity, the magnet or permanent magnets 62 will be considered
ensemble et référencés comme l'aimant permanent 62, et leur axe commun 80 ainsi que together and referenced as the permanent magnet 62, and their common axis 80 as well as
l'axe coaxial 76 du puits de tbrage seront idcntiliés conjointement comme l'axe longitudi- the coaxial axis 76 of the shading well will be jointly identied as the longitudinal axis.
nal représenté par 78.nal represented by 78.
Dans une tforme préférée de réalisation de l'invention, l'aimant permanent 62 com- In a preferred embodiment of the invention, the permanent magnet 62 comprises
prend un aimant. principal 61 et deux inserts, un aimant d'insert supérieur 63 et un aimant d'insert inférieur 64. L'aimant principal 61, l'aimant d'insert supérieur 63 et l'aimant d'insert inférieur 64 ont des directions d'aimantation sensiblement parallèles à l'axe longitudinal take a magnet. 61 and two inserts, an upper insert magnet 63 and a lower insert magnet 64. The main magnet 61, the upper insert magnet 63 and the lower insert magnet 64 have directions of magnetization substantially parallel to the longitudinal axis
78. L'aimant permanent principal 61 est de la forme d'un cylindre annulaire ayant un évi- 78. The main permanent magnet 61 is in the form of an annular cylinder having an
dement cylindrique 83 sensiblement à travers son centre, dans lequel sont logés l'aimant o d'insert supérieur 63 et l'aimant d'insert inférieur 64. L'aimant principal 61 a une charge cylindrical element 83 substantially through its center, in which are housed the upper insert magnet 63 and the lower insert magnet 64. The main magnet 61 has a load
magnétique sensiblement homogène le long de l'axe longitudinal 78. Pour avoir cette ca- substantially homogeneous magnet along the longitudinal axis 78. To have this
ractéristique, l'aimant principal 61 peut être fait de minces anneaux magnétiques ayant feature, the main magnet 61 can be made of thin magnetic rings having
chacun une aimantation résiduelle différente pour s'approcher d'une répartition de l'ai- each a different residual magnetization to approach a distribution of the
mantation sensiblement linéaire à partir de l'une des extrémités de l'aimant principal 61 à substantially linear mantle from one end of the main magnet 61 to
i5 l'autre.i5 the other.
La construction de l'aimant principal 61 est montrée plus en détail enfigure 4, qui est une vue de côté de l'aimant principal 61. L'aimant principal 61 peut être composé d'une The construction of the main magnet 61 is shown in more detail in FIG. 4, which is a side view of the main magnet 61. The main magnet 61 may be composed of a
série de cylindres aimantés axialement, représentés généralement par 61A à 61F. La direc- series of cylinders magnetized axially, generally represented by 61A to 61F. The directive
tion d'aimantation de chaque cylindre 61A à 61F est indiquée par une flèche sur chacun magnetization of each cylinder 61A to 61F is indicated by an arrow on each
des cylindres 61A à 61F. Une caractéristique particulière des cylindres aimantés axiale- cylinders 61A to 61F. A particular characteristic of the axial magnetized cylinders
ment 61A à 61F est que l'aimantation de chaque cylindre 61A à 61F est proportionnelle en amplitude à sa distance axiale à partir d'un plan central 61P de l'aimant 61, et l'aimantation 61A to 61F is that the magnetization of each cylinder 61A to 61F is proportional in amplitude at its axial distance from a central plane 61P of the magnet 61, and the magnetization
est dirigée vers le plan central 61P. Le plan central 61P est perpendiculaire à l'axe longitu- is directed to the central plane 61P. The central plane 61P is perpendicular to the longitudinal axis
dinal 78 et divise l'aimant principal 61 en deux sections de longueur sensiblement égales. dinal 78 and divides the main magnet 61 into two substantially equal length sections.
Par exemple le cylindre le plus supérieur 61A est montré comme ayant une forte aimanta- For example, the uppermost cylinder 61A is shown to have a strong magnetism.
tion dirigée vers le bas en direction du plan central 61P. En correspondance opposée se trouve le cylindre 61F le plus bas qui a une aimantation d'intensité sensible égale àa celle du cylindre le plus haut 61A mais son aimantation est dirigée vers le haut dans la direction du directed downwards towards the central plane 61P. In opposite correspondence is the lowest cylinder 61F which has a magnetization of sensible intensity equal to that of the highest cylinder 61A but its magnetization is directed upwards in the direction of the
plan central 61P. Successivement, des paires de cylindres antagonistes aimantées plus fai- central plan 61P. Successively, smaller pairs of magnetized counter-cylinders
blement telles que 61B/61E et 61C/61D sont disposées de façon successivement plus pro- such as 61B / 61E and 61C / 61D are arranged successively in a more
che du plan central 61P.central plan 61P.
L'insert aimanté supérieur 63 et l'insert aimanté inférieur 64 ont des directions The upper magnet insert 63 and the lower magnet insert 64 have directions
d'aimantation parallèles à l'axe longitudinal 78 et sont utilisés en combinaison avec l'ai- parallel to the longitudinal axis 78 and are used in combination with the
mant principal 61 pour la synthèse de la forme préférée d'un champ magnétique statique. main mantle 61 for the synthesis of the preferred form of a static magnetic field.
La figure 5 montre un dessin comprenant des dimensions préférées de l'aimant principal 61 Fig. 5 shows a drawing including preferred dimensions of the main magnet 61
et des inserts aimantés 63, 64 pour générer le champ magnétique statique préféré. Les di- and magnetic inserts 63, 64 for generating the preferred static magnetic field. The di-
rections d'aimantation de l'aimant principal 61, l'insert aimanté de sommet 63 et l'insert aimanté de fond 64 sont indiqués par des flèches sur la figure 5. Ces dimensions d'aimant particulicres sont une affaire de commodité pour le concepteur du système et ne doivent pas être interprétées comme une limitation à l'invention. Les caractéristiques essentielles du champ magnétique statique réalisées par les dimensions précédentes seront expliquées magnetization rections of the main magnet 61, the vertex magnet insert 63 and the magnetic bottom insert 64 are indicated by arrows in FIG. 5. These particular magnet dimensions are a matter of convenience for the designer of the system and should not be construed as a limitation to the invention. The essential characteristics of the static magnetic field realized by the preceding dimensions will be explained
ultérieurement en détail.later in detail.
En référence maintenant à la figure 6, le champ magnétique statique résultant géné- Referring now to FIG. 6, the resulting static magnetic field
ré par l'aimant 62 dans la zone sensible 58 est dirigé sensiblement radialement vers l'exté- by the magnet 62 in the sensitive zone 58 is directed substantially radially outwards.
rieur à partir de l'axe longitudinal 78. Le champ magnétique statique généré par l'aimant 62 est aussi sensiblement symétrique par rapport à l'axe longitudinal 78, et est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 78, et à des distances radiales inférieures à la longueur io axiale de l'aimant 62, et décroît en amplitude seulement comme l'inverse de la distance from the longitudinal axis 78. The static magnetic field generated by the magnet 62 is also substantially symmetrical with respect to the longitudinal axis 78, and is substantially perpendicular to the longitudinal axis 78, and at lower radial distances at the axial length of the magnet 62, and decreases in amplitude only as the inverse of the distance
radiale de l'aimant 62.radial of the magnet 62.
Le matériau magnétique permanent de l'aimant permanent 62 devrait être sensi- The permanent magnetic material of the permanent magnet 62 should be substantially
blement transparent en radiofréquence, de sorte qu'une antenne utilisée pour générer un champ magnétique en radiofréquence puisse être logé à l'intérieur de l'évidement 83 dans i5 l'aimant principal 61, comme il sera expliqué ultérieurement Un type d'aimant transparent en radiofréquence (RF) peut être réalisé à partir d'un matériau d'aimant ferrite tel que celui vendu sous le nom de marque "Spinalor" et fabriqué par Ugimag, 405 Elm St., Valparaiso, IN, ou un autre matériau d'aimant ferrite vendu sous le nom de marque "Permadure" et fabriqué par Philips, 230 Duffy Ave., Nicksville, NY. Ces matériaux ne sont fournis qu'à titre d'exemple et ne sont pas prévus pour limiter le choix des matériaux de l'aimant 62. Il radiofrequency transparent, so that an antenna used to generate a radiofrequency magnetic field can be housed inside the recess 83 in the main magnet 61, as will be explained later A type of transparent magnet In radio frequency (RF) can be realized from a ferrite magnet material such as that sold under the brand name "Spinalor" and manufactured by Ugimag, 405 Elm St., Valparaiso, IN, or other material of Ferrite magnet sold under the tradename "Permadure" and manufactured by Philips, 230 Duffy Ave., Nicksville, NY. These materials are provided by way of example only and are not intended to limit the choice of the materials of the magnet 62.
est suffisant que l'aimant 62 soit seulement substantiellement transparent au champ ma- It is sufficient that the magnet 62 is only substantially transparent to the magnetic field.
gnétique RF à la fréquence choisie. RF genetics at the chosen frequency.
En référence à nouveau à la figure 2, la sonde RMN 42 comprend en outre une an- Referring again to FIG. 2, the NMR probe 42 further comprises one year
tenne transmettrice 67, qui peut comprendre un ou plusieurs enroulements de bobines 66 Transmitter head 67, which may comprise one or more windings of coils 66
de préférence disposées à l'intérieur de l'évidement 83 dans l'aimant principal 61. Les en- preferably disposed within the recess 83 in the main magnet 61.
roulements de bobines 66 sont de préférence disposés de sorte que chaque enroulement de bobine se trouve dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 78. Le Coil bearings 66 are preferably arranged so that each coil winding is in a plane substantially perpendicular to the longitudinal axis 78.
courant alternant en radiofréquence passant à travers les enroulements de bobines 66 gé- radiofrequency alternating current passing through the windings of coils 66 genera-
nère un champ magnétique RF dans la formation géologique (26 en figure 1). Le champ magnétique RF généré par le courant dans les enroulements de bobine 66 a des directions de champ sensiblement parallèles à l'axe longitudinal 78 à l'intérieur du volume sensible 58. Les enroulements de bobine 66 devraient avoir une longueur globale le long de l'axe longitudinal 78 qui soit environ égale au diamètre du volume sensible 58. La longueur globale des enroulements de bobines 66 parallèles à l'axe longitudinal 78 devrait aussi être sensiblement plus courte que la longueur globale de l'aimant permanent 62 le long de l'axe generates an RF magnetic field in the geological formation (26 in Figure 1). The RF magnetic field generated by the current in the coil windings 66 has field directions substantially parallel to the longitudinal axis 78 within the sensitive volume 58. The coil windings 66 should have an overall length along the length of the coil. longitudinal axis 78 which is approximately equal to the diameter of the sensitive volume 58. The overall length of the windings of coils 66 parallel to the longitudinal axis 78 should also be substantially shorter than the overall length of the permanent magnet 62 along the 'axis
longitudinal 78, comme il sera expliqué ultérieurement. longitudinal 78, as will be explained later.
l1 De préférence, les enroulements de bobines 66 sont formés autour d'une tige de ferrite douce 68. La tige de ferrite douce 68 peut être formée d'un matériau tel que celui vendu sous la désignation de marque "F6" et fabriquée par MMG-North America, 126 Pennsylvania Avee., Paterson, N.J., ou un autre matériau vendu sous la désignation de marque "3C2" et fabriqué par Philips, 230 Duffy Ave., Nicksville, N.Y.. La tige de ferrite 68 est de préférence positionnée parallèlement a, l'axe longitudinal 78. La longueur globale de la tige de ferrite 68 le long de l'axe longitudinal 78 devrait être sensiblement inférieure à la longueur de l'aimant permanent 62 le long de l'axe longitudinal 78. Alternativement Preferably, the coil windings 66 are formed around a soft ferrite rod 68. The soft ferrite rod 68 may be formed of a material such as that sold under the designation "F6" and manufactured by MMG North America, 126 Pennsylvania Avee., Paterson, NJ, or another material sold under the trademark "3C2" and manufactured by Philips, 230 Duffy Ave., Nicksville, NY Ferrite rod 68 is preferably positioned parallel a, the longitudinal axis 78. The overall length of the ferrite rod 68 along the longitudinal axis 78 should be substantially less than the length of the permanent magnet 62 along the longitudinal axis 78. Alternatively
une pluralité de bobines et une pluralité de tiges de ferrite peuvent être employées. L'en- a plurality of coils and a plurality of ferrite rods may be employed. The in-
i0 semble des enroulements de bobines 66 et la tige de ferrite douce 68 seront référencés ici comme antenne transmettrice 67. La tige de ferrite 68 a la fonction particulière d'accroître l'intensité du champ magnétique RF généré par l'antenne transmettrice 67. L'utilisation de Coil windings 66 and soft ferrite rod 68 will be referred to herein as transmit antenna 67. Ferrite rod 68 has the particular function of increasing the intensity of the RF magnetic field generated by the transmitting antenna 67. 'the use of
la tige de ferrite 68'-permet particulièrement à l'antenne transmettrice 67 d'avoir un diamè- the ferrite rod 68'-particularly allows the transmitting antenna 67 to have a diameter of
tre externe relativement petit de sorte qu'il puisse être logé à l'intérieur de l'évidement 83. outer relatively small so that it can be housed inside the recess 83.
i5 Avoir un petit diamètre externe permet particulièrement à l'antenne transmettrice 67 de l'invention d'être d'une dimension telle que l'instrument de la présente invention puisse être Having a small outer diameter particularly allows the transmitting antenna 67 of the invention to be of a size such that the instrument of the present invention can be
utilisé dans des puits de forage de plus petit diamètre. used in smaller diameter boreholes.
L'aimant permanent 62, l'antenne transmettrice 67 et l'antenne réceptrice 70 sont de préférence logées à l'intérieur d'un boîtier protecteur 43 non-ferromagnétique transparent à la radiofréquence RF. De tels boîtiers et composants supplémentaires (non représentés) pour mettre à l'abri de la boue de forage sous forte pression hydrostatique, sont familiers The permanent magnet 62, the transmitting antenna 67 and the receiving antenna 70 are preferably housed inside a non-ferromagnetic protective housing 43 transparent to RF radio frequency. Such boxes and additional components (not shown) to shelter from drilling mud under high hydrostatic pressure, are familiar
aux hommes de l'art.to the men of the art.
2. Bloc-diagramme fonctionnel de l'instrument de dia,,raphie RMN 2. Functional block diagram of the NMR dia.
La figure 3 illustre dans, sous forme générale, la sonde RMN 42 et un bloc dia- FIG. 3 illustrates, in general form, the NMR probe 42 and a dia-
gramme fonctionnel de l'instrument de diagraphie de puits RMN. Un circuit adaptateur functional gram of the NMR well logging instrument. An adapter circuit
transmetteur/récepteur T/R 45 peut être disposé à l'intérieur du boîtier 43. Le circuit adap- The transmitter / receiver T / R 45 may be disposed inside the housing 43. The adaptive circuit
tateur T/R 45 comprend typiquement une série de condensateurs de résonance (non repré- T / R 45 typically comprises a series of resonance capacitors (not shown).
sentés séparément), un commutateur transmetteur/récepteur (non représenté séparément) et à la fois le circuit adaptateur "vers transmetteur" et "vers récepteur". Le circuit adaptateur T/R peut être couplé à la fois à l'amplificateur de puissance radio fréquence (RF) et à un préamplificateur récepteur 73. Bien que montré comme étant situé à l'intérieur du boîtier 43 le circuit 45 adaptateur T/R, l'amplificateur de puissance RF 74 et le préamplificateur sent separately), a transmitter / receiver switch (not shown separately) and both the "to transmitter" and "to receiver" adapter circuit. The T / R adapter circuit may be coupled to both the radio frequency (RF) power amplifier and a receiver preamplifier 73. Although shown as being located within the housing 43, the T / R adapter circuit 45 , the RF power amplifier 74 and the preamplifier
* récepteur 73 peuvent de manière alternative être localisés à l'extérieur du boîtier 43 à l'in-receiver 73 may alternatively be located outside the housing 43 in the
térieur du centreur supérieur (56 en figure 1) ou à l'intérieur de la cartouche électronique RMN (44 en figure 1). Les emplacements du circuit adaptateur 45 T/R, de l'amplificateur 74 de puissance RF et du préamplificateur récepteur 73 ne doivent pas être interprétés bottom of the upper centralizer (56 in Figure 1) or inside the NMR electronic cartridge (44 in Figure 1). The locations of the 45 T / R adapter circuit, the RF power amplifier 74 and the receiver pre-amplifier 73 should not be interpreted
comme une limitation à l'invention. as a limitation to the invention.
Une partie du montage de commande de l'instrument de diagraphie RMN com- Part of the control assembly of the NMR logging instrument is
prend un ordinateur de fond 92, qui entre autres fonctions délivre à un programmateur takes a background computer 92, which among other functions delivers to a programmer
d'impulsions 91 des signaux de commande. L'ordinateur 92 et le programmateur d'impul- pulses 91 of the control signals. The computer 92 and the pulse programmer
sions 91 peuvent être situés au niveau du centreur 56 ou dans la cartouche électronique RMN 44. Le programmateur d'impulsions 91 contrôle le réglage et le fonctionnement de la source 93 de signal RF variable en fréquence Le pilote RF 94 reçoit une entrée depuis la The pulse generator 91 controls the setting and operation of the frequency-variable RF signal source 93. The RF driver 94 receives an input from
source 93 de signal RF variable en fréquence et délivre une sortie à l'amplificateur de puis- source 93 of frequency-variable RF signal and delivers an output to the power amplifier.
sance RF 74. L'amplificateur de puissance RF 74 délivre un signal de puissance élevée 74. The RF power amplifier 74 delivers a high power signal
pour piloter l'antenne transmettrice 67 pour générer un champ magnétique RF dans le vo- to control the transmitting antenna 67 to generate an RF magnetic field in the
o0 lume sensible (58 à la figure 1). L'amplificateur de puissance RF 74 peut être électrique- o0 sensible lume (58 in Figure 1). The RF power amplifier 74 can be electric-
ment relié (typiquement par le commutateur dans le circuit adaptateur T/R 45) à l'antenne connected (typically by the switch in the T / R adapter circuit 45) to the antenna
transmettrice 67 au cours de la transmission des impulsions de puissance RF. transmitter 67 during the transmission of RF power pulses.
Pendant la réception des signaux RMN, l'antenne transmettrice 67 peut être électri- During the reception of the NMR signals, the transmitting antenna 67 may be electrically
quement connectée au préamplificateur récepteur 73 au moyen du commutateur du circuit S5 adaptateur T/R 45. La sortie du préamplificateur récepteur 73 est délivrée à un récepteur connected to the receiver pre-amplifier 73 by means of the switch of the S5 adapter T / R circuit 45. The output of the receiver pre-amplifier 73 is delivered to a receiver
RF 89. Le récepteur RF 89 reçoit aussi une entrée de référence de phase d'un déphaseur 98. RF 89. The RF receiver 89 also receives a phase reference input of a phase shifter 98.
Le déphaseur 98 reçoit une entrée de référence de phase primaire de la source 93 de fré- The phase shifter 98 receives a primary phase reference input from the source 93 of frequency.
quence variable RF. Le récepteur RF 89 peut comprendre une détection en quadrature. Le récepteur RF 89 fournit une sortie à un convertisseur AID. La sortie du convertisseur A/D 96 peut être stockée dans un tampon 97jusqu'à ce qu'elle soit requise pour être utilisée par l'ordinateur de fond 92. De manière alternative le contenu du tampon 97 peut être conduit RF variable. The RF receiver 89 may include quadrature detection. The RF receiver 89 provides an output to an AID converter. The output of the A / D converter 96 may be stored in a buffer 97 until it is required for use by the bottom computer 92. Alternatively, the contents of the buffer 97 may be driven
directement à une partie de fond de l'unité de télémétrie 99 pour la transmission à l'équi- directly to a bottom portion of the telemetry unit 99 for transmission to the
pement de surface (54 en figure 1).surface area (54 in Figure 1).
L'ordinateur de fond 92 prétraité typiquement les données à partir du tampon 97 et transfère les données prétraitées à la partie de fond du système de télémétrie, représenté The background computer 92 typically preprocesses the data from the buffer 97 and transfers the preprocessed data to the bottom portion of the telemetry system, shown
dans sa généralité par 99. La partie de fond du système de télémétrie 99 transmet les don- in its generality by 99. The bottom part of the telemetry system 99 transmits the
nées prétraitées à l'unité de télémétrie (38 en figure 1) à l'équipement de surface (54 sur la figure 1). L'unité de télémétrie 38 transfère les données à l'ordinateur de surface (40 en figure 1) pour le calcul et la présentation des données de sortie désirées de diagraphie pour pre-processed at the telemetry unit (38 in FIG. 1) to the surface equipment (54 in FIG. 1). The telemetry unit 38 transfers the data to the surface computer (40 in FIG. 1) for calculation and presentation of the desired logging output data for
l'utilisation ultérieure et l'analyse comme il est compris des hommes de l'art. subsequent use and analysis as understood by those skilled in the art.
Tous les éléments décrits ici, à l'exception de l'antenne transmettrice 67 et de l'en- All the elements described here, with the exception of the transmitting antenna 67 and the
semble d'aimant 60, peuvent à la convenance du concepteur du système être disposés à seems to magnet 60, can at the convenience of the system designer be willing to
l'intérieur du boitier 43, du centreur supérieur (56 en figure 1) ou de la cartouche électro- inside the housing 43, the upper centering device (56 in FIG. 1) or the electronic cartridge
nique RMN (44 en figure I1). Ces mêmes éléments peuvent être alternativement situés à la surface du sol, par exemple dans l'équipement de surface 54 en utilisant le câble (30 à la NMR (44 in Figure I1). These same elements can alternatively be located on the surface of the ground, for example in the surface equipment 54 using the cable (30 at the
figure l) pour la transmission de la puissance électrique et des signaux à l'antenne trans- Figure 1) for transmission of electrical power and signals to the trans-
mettrice 67.meter 67.
La figure 3 illustre également le champ magnétique statique et le champ magnéti- Figure 3 also illustrates the static magnetic field and the magnetic field.
que RF crée par l'instrument de diagraphie RMN de la présente invention. La direction de l'aimantation de l'aimant 62 est de préférencc paralléle à l'axe longitudinal 78 La direction RF created by the NMR logging instrument of the present invention. The direction of the magnetization of the magnet 62 is preferably parallel to the longitudinal axis 78 The direction
du champ magnétique statique à l'intérieur du volume sensible 58 généré par l'aimant per- of the static magnetic field inside the sensitive volume 58 generated by the magnet
s manent 62 est sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal 78 tel que représenté par des flèches 110. Les moments magnétiques nucléaires du matériau à analyser (la formation géologique située à l'intérieur du volume sensible 58) sont sensiblement alignés avec la Fig. 62 is substantially perpendicular to the longitudinal axis 78 as represented by arrows 110. The nuclear magnetic moments of the material to be analyzed (the geological formation located within the sensitive volume 58) are substantially aligned with the
direction du champ magnétique statique. Dans la forme de réalisation préférée de l'inven- direction of the static magnetic field. In the preferred embodiment of the invention,
tion, la direction d'un champ magnétique RF polarisé de façon linéaire, repéré par les flè- the direction of a linearly polarized RF magnetic field, identified by the
o0 ches 120, à l'intérieur du volume sensible 58 est sensiblement perpendiculaire au champ magnétique statique en n'importe quel point à l'intérieur du volume sensible 58. Une telle 120 within the sensitive volume 58 is substantially perpendicular to the static magnetic field at any point within the sensitive volume 58.
disposition du champ magnétique est conventionnelle dans les investigations RMN. Magnetic field layout is conventional in NMR investigations.
La direction du champ magnétique statique est symétrique autour de l'axe longitu- The direction of the static magnetic field is symmetrical around the longitudinal axis
dinal 78, l'amplitude du champ magnétique statique est, par conséquent, également symé- dinal 78, the amplitude of the static magnetic field is therefore also symmetric
trique en amplitude autour de l'axe longitudinal 78. Le champ magnétique statique a un amplitude around the longitudinal axis 78. The static magnetic field has a
gradient d'amplitude à l'intérieur du volume sensible 58 qui est également symétrique au- amplitude gradient within the sensitive volume 58 which is also symmetrical to
tour de l'axe longitudinal 78 et est dirigé sensiblement radialement vers l'intérieur en di- turn of the longitudinal axis 78 and is directed substantially radially inwards in di-
rection de l'axe longitudinal 78. Comme résultat de ces caractéristiques du champ magné- of the longitudinal axis 78. As a result of these characteristics of the magnetic field,
tique statique, ce n'est généralement qu'une surface sensiblement cylindrique externe à static, this is usually only a substantially cylindrical surface external to
l'aimant permanent 62 qui comporte une amplitude de champ magnétique statique particu- the permanent magnet 62 which comprises a particular amplitude of a static magnetic field
lière (ignorant tout effet d'extrémité de l'aimant 62) Il s'ensuit à partir de cette caractéristi- (ignoring any end effect of the magnet 62) It follows from this characteristic that
que particulière du champ magnétique statique que des signaux de résonance se dispersent that particular of the static magnetic field that resonance signals are scattering
à partir des matériaux divers tels que la boue de forage (34 en figure 1) qui prennent nais- from various materials such as drilling mud (34 in Figure 1) that are born
sance à l'extérieur du volume sensible 58 n'affectent pas sérieusement les mesures RMNI si outside the sensitive volume 58 do not seriously affect the RMNI measurements if
2s l'on choisit des fréquences RF appropriées. 2s appropriate RF frequencies are chosen.
Des effets d'extrémité indésirés du champ magnétique statique peuvent être sub- Undesired end effects of the static magnetic field may be sub-
stantiellement éliminés en rendant l'antenne transmettrice 67 un peu plus courte le long de stantially eliminated by making the transmitting antenna 67 a little shorter along
l'axe 78 que l'aimant permanent 62, de manière à ne pas exciter les matériaux aux extré- the axis 78 that the permanent magnet 62, so as not to excite the materials at the ends.
mités longitudinales du champ magnétique statique. longitudinal mits of the static magnetic field.
Lorsque les impulsions de puissance RF sont envoyées dans l'antenne transmettrice 67, l'antenne 67 génère un dipôle magnétique équivalent RF 87 dirigé parallèlement à l'axe longitudinal 78. Le dipôle magnétique équivalent 87 génère un champ magnétique RF 120 polarisé linéairement d'une amplitude sensiblement égale à l'intérieur du volume sensible 58. Puisque la direction du champ magnétique RF est parallèle à l'axe longitudinal 78, 3s l'aimantation nucléaire globale, indiquée en figure 3 par des flèches 130, en n'importe quel point du volume sensible 58, tourne dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal 78. La précession libre des moments magnétiques nucléaires, cependant est créée autour de la direction du champ magnétique statique en n'importe quel point à l'interieur du volume When the RF power pulses are sent into the transmitting antenna 67, the antenna 67 generates an RF equivalent magnetic dipole 87 directed parallel to the longitudinal axis 78. The equivalent magnetic dipole 87 generates a linearly polarized RF magnetic field 120 of an amplitude substantially equal to the interior of the sensitive volume 58. Since the direction of the RF magnetic field is parallel to the longitudinal axis 78, 3s the global nuclear magnetization, indicated in FIG. 3 by arrows 130, in any point of the sensitive volume 58, turns in planes perpendicular to the longitudinal axis 78. The free precession of the nuclear magnetic moments, however is created around the direction of the static magnetic field at any point inside the volume
sensible 58, et la précession libre est toujours située dans des plans parallèles à l'axe lon- sensitive 58, and the free precession is always located in planes parallel to the long axis.
gitudinal 78. La précession libre induira par conséquent un signal RF dans l'antenne trans- 78. The free precession will therefore induce an RF signal in the trans-
mettrice 67. Le moment magnétique induit dans l'antenne transmettrice 67 est montré en 67. The magnetic moment induced in the transmitting antenna 67 is shown in FIG.
figure 3 par la flèche 140.Figure 3 by the arrow 140.
3. Paramètres de conception de la forme de réalisation préférée 3. Design Parameters of the Preferred Embodiment
Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, on cherche à optimiser le rap- In the preferred embodiment of the invention, it is sought to optimize the ratio
port signal/bruit du procédé de mesure RMN. La discussion suivante vise à expliquer comment certains paramètres principaux affectent le rapport signal/bruit. Les paramètres o0 principaux comportent typiquement la géométrie de l'aimant permanent (62, figure 2) et de l'antenne transmettrice (67, figure 2), la puissance des impulsions en radiofréquence (RF) signal / noise port of the NMR measurement method. The following discussion aims to explain how some key parameters affect the signal-to-noise ratio. The main parameters o0 typically comprise the geometry of the permanent magnet (62, FIG. 2) and the transmitting antenna (67, FIG. 2), the power of the radio frequency (RF) pulses.
utilisées pour exciter l'antenne transmettrice 67, et le facteur de qualité de l'antenne trans- used to excite the transmitting antenna 67, and the quality factor of the transmitting antenna
mettrice 67.meter 67.
En utilisani l'antenne transmettrice 67 construite de la manière décrite précédem- Using the transmitting antenna 67 constructed in the manner previously described,
i5 ment dans la forme de réalisation de l'invention, l'amplitude d'un signal RMN, S, induit In the embodiment of the invention, the amplitude of an NMR signal, S, induced
dans l'antenne transmettrice 67 est typiquement liée à l'amplitude d'un champ électroma- in the transmitting antenna 67 is typically related to the amplitude of an electromagnetic field.
gnétique RF, BI, par le Théorème de Réciprocité et peut être exprimée par l'expression suivante: S = o mAn, (BM/) 1 dans laquelle m et Asv, représentent respectivement, l'aimantation nucléaire et la surface transversale du volume sensible (58, figure 1), I représente l'amplitude du courant passant dans l'antenne transmettrice 67, la fréquence d'oscillation du courant est représentée par A, RF genetics, BI, by the Reciprocity Theorem and can be expressed by the following expression: S = o mAn, (BM /) 1 in which m and Asv respectively represent the nuclear magnetization and the transversal surface of the sensitive volume (58, FIG. 1), I represents the amplitude of the current flowing in the transmitting antenna 67, the oscillation frequency of the current is represented by A,
et l représentent la longueur efficace de l'antenne transmettrice 67. Pour simplifier la dis- and 1 represent the effective length of the transmitting antenna 67. To simplify the dis-
cussion, m et BI sont supposés être sensiblement homogènes à l'intérieur du volume sensi- cussion, m and BI are assumed to be substantially homogeneous within the sensory volume.
ble 58.58.
En remplaçant m = XBo/uo o c représente la susceptibilité magnétique nucléaire des noyaux d'hydrogène à l'intérieur du volume sensible 58,co = ?Bo o Bo représente le champ magnétique statique généré par l'aimant permanent (62, figure 2) et donné par l'équation (1), il est donc possible d'obtenir pour S l'expression suivante: S = (Y{v XI 16 (E4 A.ó l (2) Le signal RMN ainsi acquis est donc directement proportionnel au volume sensible By replacing m = XBo / uo oc represents the nuclear magnetic susceptibility of the hydrogen nuclei within the sensitive volume 58, co = Bo o Bo represents the static magnetic field generated by the permanent magnet (62, Figure 2) and given by equation (1), it is thus possible to obtain for S the following expression: S = (Y {v XI 16 (E4 A.ó l (2) The NMR signal thus acquired is therefore directly proportional at the sensitive volume
58 de la formation géologique (26, figure 1). La géométrie du volume sensible 58 est de- 58 of the geological formation (26, Figure 1). The geometry of the sensitive volume 58 is
terminée par l'existence d'une condition de résonance. En RMN pulsée la condition de ré- terminated by the existence of a resonance condition. In pulsed NMR the condition of regeneration
sonance est typiquement satisfaite quand la déviation de l'amplitude du champ magnétique statique Bo(R) par rapport à sa valeur Bo(Rv), correspondant à la fréquence centrale du is typically satisfied when the deviation of the amplitude of the static magnetic field Bo (R) from its value Bo (Rv), corresponding to the center frequency of
courant excitant l'antenne transmettrice 67 (Bo(R)=caj/), est inférieur à la moitié de l'am- current exciting transmitting antenna 67 (Bo (R) = caj /), is less than half of the am-
plitude du champ magnétique RF B1 induit par passage du courant dans l'antenne trans- amplitude of the magnetic field RF B1 induced by current flow in the trans-
mettrice 67, tel qu'exprimé par l'équation (3): methane 67, as expressed by equation (3):
(3)(3)
B/(R) - B#(R.) <B/2 (3)B / (R) - B # (R) <B / 2 (3)
Le champ m-agnétique statique Bo(R) au rayon d'excitation Rsv peut aussi être dé- The static m-agnetic field Bo (R) at the excitation radius Rsv can also be de-
crit sous la forme d'un développement de Taylor tel que: B, (R) = B (R1) (<Bo/ R)(R - R)(4) o (éBo/cR) représente le gradient de champ magnétique statique au rayon R = Rsv. A partir de l'équation (3): BA(R) - Bo(R) < B (5) o Ro et Ri représentent, respectivement, les rayons externe et interne du volume sensible written in the form of a Taylor development such that: B, (R) = B (R1) (<Bo / R) (R - R) (4) o (eBo / cR) represents the static magnetic field gradient at the radius R = Rsv. From equation (3): BA (R) - Bo (R) <B (5) where Ro and Ri represent, respectively, the external and internal rays of the sensitive volume
58. D'un point de vue pratique Ro - Ri<< Rexc. 58. From a practical point of view Ro - Ri << Rexc.
(6) A= 2,rR, B/(8B/dR) En reportant l'équation (6) dans (2) on obtient S =2z( r zX/) B,(B/I) RgIB 2/ (C8B/dR) ( Comme il est compris par l'homme de l'art, le bruit thermique quadratique moyen (RMS) peut êtrc exprimé par l'expression: (s) N, = (4 TAfr) 1/2 (6) A = 2, rR, B / (8B / dR) By substituting equation (6) in (2) we obtain S = 2z (rzX /) B, (B / I) RgIB 2 / (C8B / dR) (As understood by those skilled in the art, RMS may be expressed by the expression: (s) N, = (4 TAfr) 1/2
o ff représente la largeur de bande réceptrice. La largeur de bande est typiquement d'en- o ff represents the receiver bandwidth. Bandwidth is typically from
viron B1/z2nz pour un récepteur adapté; k représente la constante de Boltzmann; et T repré- viron B1 / z2nz for a suitable receiver; k represents the Boltzmann constant; and T represents
sente la température absolue.feel the absolute temperature.
Dès lors on a pour S/N: S/N=12 y(rx/J B,(B/I) R, (kT f r)-1x 1B92/(B/oR) (9) La première expression entre crochets dans l'équation (9), pour une densité de spin de protons et une température absolue données, ne dépend que des paramètres de l'antenne transmettrice 67. La deuxième expression entre crochets de l'équation (9) incorpore des Hence for S / N: S / N = 12 y (rx / JB, (B / I) R, (kT fr) -1x 1B92 / (B / oR) (9) The first expression in square brackets in equation (9), for a given proton spin density and absolute temperature, depends only on the parameters of the transmitting antenna 67. The second expression in square brackets of equation (9) incorporates
paramètres utilisés dans la conception de l'aimant permanent (62, figure 2) comme on l'ex- parameters used in the design of the permanent magnet (62, Figure 2) as
pliquera ultérieurement.will post later.
Un autre paramètre affectant la conception de l'aimant permanent est le degré d'homogénéité du champ statique dans la direction du mouvement de l'instrument RMN Another parameter affecting the design of the permanent magnet is the degree of homogeneity of the static field in the direction of movement of the NMR instrument
comme il sera expliqué ultérieurement. as will be explained later.
4. Synthèse d'un champ magnétique statique Il découle de (10) pour une longueur! d'ouverture de l'antenne, et un rayon RSv du volume 4. Synthesis of a static magnetic field It flows from (10) for a length! opening of the antenna, and a radius RSv of the volume
sensible déterminés par les nécessités de résolution verticale et de pénétration en profon- sensitivities determined by the need for vertical resolution and deep penetration
deur, que le rapport B0o2,(Bo,' R) devrait être maximisé en vue de fournir le rapport si- that the B0o2 report (Bo, 'R) should be maximized in order to provide the proper
gnal/bruit maximal. Pour l'aimant allongé avec une charge magnétique homogène répartie (distribution linéaire d'aimantation à l'intérieur de l'aimant principal 61, figure 4) B. peut être calculé selon: (10) Bo =q, /2 rR o q est la charge magnétique par unité de longueur de l'aimant. Par définition la densité de charge magnétique est donnée par l'équation p - -pl0hvAN. Par conséquent, dans notre cas nous aIvons q=pffRm =R(21rm/ 7rRm, o Rm est le rayon d'aimant; Brm est la rémanence maximale du matériau magnétique noise / maximum noise. For the elongated magnet with a distributed homogeneous magnetic charge (linear magnetization distribution inside the main magnet 61, Fig. 4) B. can be calculated according to: (10) Bo = q, / 2 rR oq is the magnetic charge per unit length of the magnet. By definition the magnetic charge density is given by the equation p - -pl0hvAN. Therefore, in our case we have q = pffRm = R (21rm / 7rRm, where Rm is the magnet radius, Brm is the maximum remanence of the magnetic material
o utilisé..o used ..
Le report de (11) dans (10) et de Bo et (DBO/DR)dans (9) donne pour la partie de S/N liée à l'aimant permanent, l'expression: SIN o BmR, 21I (12) The transfer of (11) in (10) and Bo and (DBO / DR) in (9) gives for the part of S / N linked to the permanent magnet, the expression: SIN o BmR, 21I (12)
Il est clair à partir de (12) que pour n'importe quelle valeur de résolution verticale sélec- It is clear from (12) that for any vertical selective resolution value
tionnée pour l'instrument, le rapport S/N est inversement proportionnel à lm. Pour mainte- For the instrument, the S / N ratio is inversely proportional to lm. For now
nir la longueur Im de l'aimant 62 aussi petite que possible, il est important que le champ magnétique statique soit sensiblement perpendiculaire et homogène sur une fraction aussi Since the length of the magnet 62 is as small as possible, it is important that the static magnetic field be substantially perpendicular and homogeneous over a fraction as small as possible.
grande que possible de la longueur axiale de l'aimant 62. La longueur du champ magnéti- as much as possible of the axial length of the magnet 62. The length of the magnetic field
que statique homogène perpendiculaire devrait excéder la longueur I d'ouverture de l'an- perpendicular homogeneous static should exceed the opening length of the
tenne pour assurer un état stable de la mesure d'aimantation nucléaire même lorsque la sonde RMN 42 est déplacée le long du puits de forage (22, figure 1). En supplément à ces exigences, le champ magnétique statique devrait être minimisé dans la zone o est placée l'antenne transmettrice 67. Une forme de réalisation préférée de l'aimant permanent (62 en to ensure a stable state of the nuclear magnetization measurement even when the NMR probe 42 is moved along the wellbore (22, Fig. 1). In addition to these requirements, the static magnetic field should be minimized in the area where the transmitting antenna 67 is placed. A preferred embodiment of the permanent magnet (62 in
figure 2) est montrée en figure 5. L'aimant principal 61 est constitué d'anneaux magnéti- FIG. 2) is shown in FIG. 5. The main magnet 61 consists of magnetic rings
ques annulaires 61A à 61F ayant chacun une aimantation résiduelle différente de façon à s'approcher d'une distribution d'aimantation sensiblement linéaire à partir d'une extrémité à l'autre de l'aimant 61. En outre, l'insert aimanté supérieur 63 et l'insert aimanté inférieur 64 servent à optimiser le champ statique selon les critères ci-dessus, à savoir un important 61A to 61F each having a different residual magnetization so as to approach a substantially linear magnetization distribution from one end to the other of the magnet 61. In addition, the upper magnet insert 63 and the lower magnet insert 64 serve to optimize the static field according to the criteria above, namely an important
degré d'homogénéité du champ statique dans la direction de l'axe longitudinal 78 pour exé- degree of homogeneity of the static field in the direction of the longitudinal axis 78 to
cuter des mesures RMN tout en se déplaçant le long du puits de forage (22 en figure 1), et un champ magnétique statique résiduel faible à l'antenne transmettrice 67 de façon à ce performing NMR measurements while moving along the wellbore (22 in Figure 1), and a residual low static magnetic field at the transmitting antenna 67 so as to
que la tige de ferrite 68 reste sensiblement non-saturée. that the ferrite rod 68 remains substantially unsaturated.
La figure 6 montre une représentation graphique du champ magnétique statique à Figure 6 shows a graphical representation of the static magnetic field at
l'intérieur du volume d'investigation (58, figure 2). La figure 7 montre le champ magnéti- inside the investigation volume (58, figure 2). Figure 7 shows the magnetic field
que longitudinal résiduel à l'intérieur de l'évidement (83, figure 2) à l'emplacement de residual longitudinal inside the recess (83, Figure 2) at the location of
l'antenne transmettrice 67.the transmitting antenna 67.
s Les dimensions représentées par l'aimant 62 en figure 5 sont les suivantes L0o=1l.2 The dimensions represented by the magnet 62 in FIG. 5 are the following: L0o = 1l.2
m; Lh=0.64 m; Do= 0.07 m; Dh=0.03 m. L'aimant présenté en figure 5 est particulière- m; Lh = 0.64 m; Do = 0.07 m; Dh = 0.03 m. The magnet shown in FIG. 5 is particularly
ment adapté à une antenne transmettrice 67 d'une longueur de 30 cm et à un volume sensi- adapted to a transmitter antenna 67 with a length of 30 cm and at a sensing volume
ble de diamètre de 24 cm (58 en figure 2). L'aimant principal 61 devrait être transparent au champ magnétique RF émis par l'antenne transmettrice 67. Puisque l'aimant principal 61 lo0 n'a besoin que d'une relativement faible aimantation rémanente, cette partie de l'aimant 62 peut être formée à partir de matériau d'aimant permanent ferritique ou analogue, qui est sensiblement non conducteur et transparent à la radiofréquence. Les aimants d'extrémité 63, 64 sont de préférence constitués d'un matériau magnétique à forte rémanence tel que le cobalt-samarium orienté fritté ou le néodyme-fer-bore ayant une aimantation rémanente de diameter of 24 cm (58 in Figure 2). The main magnet 61 should be transparent to the RF magnetic field emitted by the transmitting antenna 67. Since the main magnet 61 lo only needs a relatively low residual magnetization, this portion of the magnet 62 can be formed from ferritic permanent magnet material or the like, which is substantially non-conductive and radiofrequency-transparent. The end magnets 63, 64 are preferably made of a magnetic material with a high remanence such as sintered oriented cobalt-samarium or neodymium-iron-boron having a remanent magnetization of
I T ou plus. Le champ magnétique représenté en figure 6 suppose que les aimants d'extré- I T or more. The magnetic field shown in FIG. 6 assumes that the magnets of
mité aient une aimantation rémanente de 0.7 T pour les aimants d'extrémité 63, 64 et 0.42 mity have a remanent magnetization of 0.7 T for the 63, 64 and 0.42 end magnets
T pour l'aimant principal 61.T for the main magnet 61.
Le champ magnétique statique à l'intérieur du volume sensible 58 a une amplitude sensiblement égale lors de l'excitation RMN. Comme il a été expliqué pour l'équation (3), The static magnetic field within the sensitive volume 58 has a substantially equal amplitude during NMR excitation. As explained for equation (3),
l'amplitude du champ magnétique statique à l'intérieur du volume sensible 58 varie seule- the amplitude of the static magnetic field inside the sensitive volume 58 only varies
ment dans une plage étroite de Bo-B1/2 à Bo+B1/2. Il est d'une grande importance de savoir comment a lieu la variation spatiale de ce champ dans la direction de déplacement de l'instrument de diagraphie. La vitesse de cette variation correspond au gradient d'amplitude de champ magnétique statique dans la direction du déplacement. La répartition du gradient in a narrow range from Bo-B1 / 2 to Bo + B1 / 2. It is of great importance to know how the spatial variation of this field takes place in the direction of movement of the logging instrument. The speed of this variation corresponds to the static magnetic field amplitude gradient in the direction of displacement. The gradient distribution
2s d'amplitude de champ magnétique statique à l'intérieur du volume sensible 58 est expli- 2s of static magnetic field amplitude inside the sensitive volume 58 is explained.
quée de façon schématique en figure 8. Deux lignes 58L et 58M représentent des lignes d'amplitude égale du champ magnétique statique, avec respectivement une première et une seconde amplitude, Ces amplitudes sont de l'ordre de Bo-BI/2 à Bo+B,/2. Les gradients schematically in FIG. 8. Two lines 58L and 58M represent lines of equal amplitude of the static magnetic field, with respectively a first and a second amplitude. These amplitudes are of the order of Bo-BI / 2 to Bo + B / 2. Gradients
d'amplitude du champ magnétique statique aux points 58A et 58D de la figure 8 sont in- amplitude of the static magnetic field at points 58A and 58D of FIG.
versement proportionnels à la distance entre deux points le long d'une direction de mou- proportional to the distance between two points along a direction of movement.
vement 81 parallèle à l'axe longitudinal 78, l'un par la ligne 58L et l'autre par la ligne 58M Par exemple, la composante du gradient suivant la direction 81 au point 58A dans la partie centrale du volume sensible 58 est inversement proportionnel à la distance entre les points 58A et 58C. La composante du gradient suivant la direction 81 au point 58D au sommet du 81 for example, the gradient component along the direction 81 at point 58A in the central portion of the sensitive volume 58 is inversely proportional to the longitudinal axis 78, one through line 58L and the other through line 58M. at the distance between points 58A and 58C. The gradient component along direction 81 at point 58D at the top of
volume sensible 58 est inversement proportionnel à la distance entre les points 58E et 58D. Sensitive volume 58 is inversely proportional to the distance between points 58E and 58D.
Il devrait être apparent à partir de la figure 8 que le gradient à la partie centrale du volume It should be apparent from Figure 8 that the gradient at the central portion of the volume
sensible 58 est beaucoup plus petit que le gradient à ses extrémités. La composante de gra- sensitive 58 is much smaller than the gradient at its ends. The grading component
dient suivant la direction perpendiculaire à l'axe longitudinal 78 au point 58A dans la par- in the direction perpendicular to the longitudinal axis 78 at point 58A in the
tie centrale du volume sensible 58 est inversement proportionnel à la distance entre les center of the sensitive volume 58 is inversely proportional to the distance between the
points 58B et 58A. La composante la plus grande du gradient d'amplitude du champ ma- points 58B and 58A. The largest component of the amplitude gradient of the magnetic field
gnétique statique, est dans la direction radiale. static genetics, is in the radial direction.
Le volume sensible 58 est déterminé par le champ magnétique RF. Pour obtenir des signaux RMN non distordus, aucun point à l'intérieur du volume sensible ne devrait quitter volume sensible au cours de la durée de temps d'une séquence de mesure (un train d'écho complet CPMG). Si le mouvement de l'instrument est tel qu'aucun point ne peut quitter le The sensitive volume 58 is determined by the RF magnetic field. In order to obtain undistorted NMR signals, no point within the sensitive volume should leave sensible volume during the duration of a measurement sequence (a complete CPMG echo train). If the movement of the instrument is such that no point can leave the
volume sensible au cours d'une séquence de mesure, des impulsions ultérieures de repha- volume during a measurement sequence, subsequent pulses of repetition
sage à 180 dans un train d'écho Carr-Purcell ("CPMG") peuvent être appliquées à des o parties de la formation géologique qui précédemment n'avaient pas été polarisées de façon at 180 in a Carr-Purcell echo train ("CPMG") can be applied to o parts of the geological formation that previously had not been polarized
transversale par l'impulsion initiale à 90 . La distance, As, le long d'une direction de dépla- transverse by the initial pulse at 90. The distance, As, along a direction of movement
cement d'un point, N, à l'intérieur du volume sensible 58 à la lisière du volume sensible 58 peut être exprimée par l'expression: s(N) = [B(n) B,(B) G (13) o Bo(N) représente l'amplitude de champ magnétique statique au point N à l'intérieur, du N, within the sensitive volume 58 at the edge of the sensitive volume 58 can be expressed by the expression: s (N) = [B (n) B, (B) G (13) o Bo (N) represents the static magnetic field amplitude at point N inside, from
volume sensible 58, Bo(B) représente l'amplitude de champ magnétique statique à la li- sensitive volume 58, Bo (B) represents the static magnetic field amplitude at
sière du volume sensible 58 et G représente le gradient de champ magnétique statique dans la direction du déplacement. Le mouvement total, ou déplacement au cours d'un intervalle de temps, t, de l'instrument de diagraphie de puits devrait être inférieur à AS(N). De façon plus spécifique: v xt<lsX (14) v x t < As(V) (4 dans laquelle v représente la vitesse de déplacement de l'instrument de Sense of the sensitive volume 58 and G represents the static magnetic field gradient in the direction of displacement. The total movement, or displacement during a time interval, t, of the well logging instrument should be less than AS (N). More specifically: v xt <lsX (14) v x t <As (V) (4 in which v represents the speed of movement of the instrument of
diagraphie. Le dé-logging. Of the-
placement total de l'instrument ne devrait pas représenter une partie substantielle du vo- The total placement of the instrument should not represent a substantial part of the
lume total. L'inégalité qui devrait donc être satisfaite peut être écrite comme suit total lume. The inequality that should therefore be satisfied can be written as follows
B35) - 0(B) - B ()B35) - 0 (B) - B ()
IBo(N) - /M- "<< Une estimation raisonnable du gradient maximal dans la direction de déplacement peut être calculé par: G < (01 BO./(v xl) (l) Pour des valeurs pratiques de B1 de l'ordre de 2 X 10-4 et v d'environ 0.05 m/sec, pour un IBo (N) - / M- "<< A reasonable estimate of the maximum gradient in the direction of travel can be calculated by: G <(01 BO./(v xl) (l) For practical values of B1 of the order of 2 X 10-4 and v of about 0.05 m / sec, for a
temps de 200 millisecondes pour une séquence de mesure, G devrait être inférieur à envi- 200 milliseconds for a measurement sequence, G should be less than
1O ron 2 X 10'3 T/m (équivalent à environ 0.2 Gauss/cm). Cette valeur a été utilisée comme 1O ron 2 X 10'3 T / m (equivalent to about 0.2 Gauss / cm). This value was used as
une contrainte dans la procédure d'optimisation de la forme du champ magnétique statique. a constraint in the procedure of optimizing the shape of the static magnetic field.
Il est habituel pour une vitesse d'instrument de diagraphie perpendiculaire au puits It is usual for a logging tool velocity perpendicular to the well
de forage d'être environ 50 fois plus petite que la vitesse de diagraphie. Cela exige du gra- of drilling to be about 50 times smaller than the logging speed. This requires
dient de champ magnétique statique dans la direction perpendiculaire à l'axe longitudinal 78 d'être inférieure à 0.1 T/m. La géométrie préférable de l'aimant représenté en figure 5 the static magnetic field in the direction perpendicular to the longitudinal axis 78 is less than 0.1 T / m. The preferable geometry of the magnet shown in FIG. 5
correspond à un gradient de champ magnétique statique radial de 0.05 T/m (5 Gauss/cm). corresponds to a radial static magnetic field gradient of 0.05 T / m (5 Gauss / cm).
D'autres valeurs du gradient radial d'amplitude peuvent être choisies, selon la fréquence Other values of the radial amplitude gradient can be chosen, depending on the frequency
d'excitation RMN sélectionnée.selected NMR excitation.
Les exigences pour le gradient de champ magnétique statique radial sont aussi,af- The requirements for the radial static magnetic field gradient are also
fectées par la présence du champ magnétique terrestre He. Le champ magnétique terrestre est sensiblement homogène et est d'une amplitude d'environ 0.5 x 10-4 T. L'orientation de l'instrument de diagraphie par rapport à la direction du champ magnétique terrestre dépend de l'emplacement géographique du puits et de la déviation du forage. Cette variation du champ ne devrait pas sensiblement changer le rayon Rsv du volume sensible (58, en figure 1). L'amplitude de n'importe quel changement dans RsV peut être exprimée par le rapport fected by the presence of the Earth's magnetic field He. The Earth's magnetic field is substantially homogeneous and has an amplitude of approximately 0.5 x 10-4 T. The orientation of the logging instrument with respect to the direction of the Earth's magnetic field depends on the geographic location of the well and the deviation of the drilling. This variation of the field should not substantially change the radius Rsv of the sensitive volume (58, in Figure 1). The amplitude of any change in RsV can be expressed by the ratio
He/G. Par conséquent, le gradient d'amplitude de champ magnétique statique radial néces- He / G. Therefore, the radial static magnetic field amplitude gradient neces-
saire G devrait satisfaire à l'inégalité He/G<<Rsv; ou encore G>>HeRsv' Pour Rsv-=0. I m G devrait être beaucoup plus grand qu'environ 5 x 10 -4 T/m. En pratique le gradient radial G should satisfy the inequality He / G << Rsv; or else G >> HeRsv 'For Rsv- = 0. I m G should be much larger than about 5 x 10 -4 T / m. In practice the radial gradient
(2 x 10-2 T/m) de l'aimant présenté en figure 6 outrepasse cette exigence. (2 x 10-2 T / m) of the magnet shown in Figure 6 exceeds this requirement.
L'homme de l'art réalisera aisément que la portée de l'invention n'est pas limitée Those skilled in the art will readily realize that the scope of the invention is not limited
aux formes décrites de réalisation, mais qu'elle ne peut être limitée que par les revendica- the described forms of realization, but that it can be limited only by the claims
tions qui suivent.following statements.
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