NO327804B1 - Apparat og fremgangsmate for a foreta nukleaere magnetiske malinger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et apparat og en fremgangsmåte for måling av kjernemagnetisk resonans (Nuclear Magnetic Resonance NMR). Mer spesielt vedrører oppfinnelsen NMR-brønnloggingsapparater og fremgangsmåter for NMR-måling inne i grunnformasjoner som omgir et borehull. Oppfinnelsen angår også fremgangsmåter for bruk av NMR-målinger til å bestemme egenskaper ved de grunnformasjoner som omgir borehullet.

NMR-brønnloggingsinstrumenter brukes til å bestemme egenskaper ved grunnformasjoner, innbefattet volumandelen av porerom og volumandelen av mobilt fluid som fyller pore-rommene i grunnformasjonene. Fremgangsmåter for bruk av NMR-mål inger til å bestemme volumandelen av porerom og volumandelen av mobilt fluid er beskrevet i f.eks. "Spin Echo Magnetic Resonance Logging: Porosity and Free Fluid Index Determination", M.N. Miller m.fl., Society of Petroleum Engineers artikkel nr. 20561, Richardson, TX, 1990. NMR-loggeinstrumenter som er kjent for bruk i oljebrønner, tar vanligvis målinger av den tid det tar for hydrogenkjerner som er tilstede i grunnformasjonene, hovedsakelig å gjeninnrette sine spinnakser, og følgelig gjenoppnå sin volummagnetiser-ing, med et påtrykt magnetfelt. Det påtrykte magnetfeltet blir vanligvis tilveiebragt av en permanentmagnet anbrakt i NMR-brønnloggingsinstrumentet. Spinnaksene til hydrogenkjerner i grunnformasjonen innrettes samlet med det magnetfeltet som påføres ved hjelp av magneten. NMR-instrumentet omfatter vanligvis også en antenne anbrakt nær magneten og formet slik at en puls med radiofrekvent (RF-) energi som ledes gjennom antennen, induserer et RF-magnetfelt i grunn-formas j onen. RF-magnetfeltet er generelt ortogonalt til det felt som påføres av magneten. Denne RF-pulsen, typisk kalt en 90s puls, har en forutbestemt varighet og amplitude slik at spinnaksene til hydrogenkjernene vanligvis innretter seg perpendikulært både til det ortogonale magnetfelt som induseres av RF-pulsen og det magnetfeltet som påføres av magneten. Etter at 90fl-pulsen slutter, vil de kjernemagnetiske momentene til hydrogenkjernene gradvis "slakkes" eller vende tilbake til deres opprinnelige innretting ved magnetens felt. Den tid denne tilbakevendingen tar, referert til som Tl, er relatert til petrofysiske egenskaper av interesse ved grunnformasjonen.

Etter at 90a<->pulsen ender, blir antennen vanligvis elektrisk forbundet med en mottager, som detekterer og måler spenninger indusert i antennen av presesjonsrotasjonen av hydrogenkjernenes spinnakser. Presesjonsrotasjonen genererer RF-energi ved en frekvens som er proporsjonal med styrken av det magnetfelt som påføres av magneten, idet denne frekvens refereres til som Larmor-frekvensen. Proporsjonalitets-konstanten for Larmor-frekvensen er kjent som det gyromagnetiske forhold (yo)• Det gyromagnetiske forhold er unikt for hver forskjellig kjemisk elementær isotop. Hydrogenkjernenes spinnakser "avfaser" gradvis p.g.a. inhomogeniteter i magnetens felt og p.g.a. forskjeller i de kjemiske og magnetiske omgivelser i grunnformasjonen. Avfasing resulterer i en hurtig minskning av størrelsen på de spenninger som induseres i antennen. Den hurtige minskning i den induserte spenning kalles den frie induksjonsdemping (free induction decay FID).

Etter en forutbestemt tidsperiode som følger etter FID, blir en annen RF-puls påtrykt antennen. Denne RF-pulsen har en amplitude og varighet som er forutbestemt til å gjeninnrette hydrogenkjernenes spinnakser i grunnformasjonen med en aksial rotasjon på 180° fra deres umiddelbart foregående orienteringer, og blir derfor referert til som en 180e<->puls. Etter slutten av 180a<->pulsen blir hydrogenkjerneakser som var i presesjonsbevegelse ved en lavere hastighet, posisjonert slik at de er "foran" de hurtigere preseserende spinnakser. 180<2->reorienteringen av kjernespinnaksene forårsaker derfor at de hurtigere preseserende aksene blir reorientert "bak" de langsommere preseserende akser. De hurtigere preseserende aksene tar da tilslutt igjen og kommer i tilnærmet innretting med de langsommere preseserende akser etter 180e<->reorienter-ingen. Ettersom et stort antall spinnakser dermed blir "igjenfaset" med hverandre, blir de aksielle presesjoner for hydrogenkjernene igjen i stand til å indusere målbare spenninger i antennen. De spenninger som induseres som et resultat av gjenfasingen av hydrogenkjerneaksene med hverandre etter en 180<9->puls, refereres til som et "spinnekko". Den spinnekkoinduserte spenning er vanligvis mindre enn den opprinnelige spenning som genereres etter opphør av den første RF-puls, fordi den samlede nukleære aksiale innretting og følgelig den samlede magnetisering, for hydrogenkjernene ved tidspunktet for spinnekkoet i det minste delvis er gjeninnrettet med magnetens felt og bort fra antennens følsomme akse. Spinnekkospenningen dempes selv på grunn av FID ettersom de hurtigere preseserende kjerneakser raskt "avfaser" fra de langsommere preseserende kjerneakser. Etter en annen tidsperiode, som vanligvis er lik to av de forutbestemte tidsperioder mellom den innledende 90a RF-puls og 180<2->pulsen, blir en annen RF-puls med hovedsakelig samme amplitude og varighet som 180°-pulsen påtrykket antennen. Denne etterfølgende RF-puls forårsaker en annen 180<2->rotasjon av spinnakseorienteringen. Denne neste 180<9->puls og den påfølgende spinnakse-gjeninnretting får atter en gang de langsommere preseserende spinnakser til å bli posisjonert foran de hurtigere preseserende spinnakser. Eventuelle andre spinnekko vil opptre og indusere holdbare spenninger i antennen. De induserte spenningene fra dette neste spinnekko vil vanligvis være mindre i amplitude enn de for de foregående spinnekko.

Suksessive 180s RF-pulser blir påtrykket antennen for å generere suksessive spinnekko, som hvert typisk har en mindre amplitude enn det foregående spinnekko. Den hastighet med hvilken toppamplituden til spinnekkoene dempes, er relatert til petrofysiske egenskaper av interesse ved grunnformasjonene. Det antall spinnekko som behøves for å bestemme hastigheten på spinnekkoamplitudedempningen er relatert til grunnformasjonenes egenskaper; i noen tilfeller kan det være nødvendig med så mange som 1000 spinnekko for å bestemme den amplitudedempning som svarer til de egenskaper ved grunn-formas j onen som er av interesse.

Brønnloggingsinstrumenter er i den senere tid blitt konstruert som endel av en enhet benyttet ved prosessering av borede brønnhull med det formål å foreta brønnloggemålinger mens brønnhullet blir boret. Slike brønnloggingsinstrumenter er kjent innenfor dette området som måling-under-boring (measurement-while-drilling MWD) loggeinstrumenter. Et slikt MWD-brønnloggeinstrument for gjennomføring av målinger av magnetisk resonans eller NMR, er f.eks. beskrevet i US-patent nr. 5,280,243 (Miller). Instrumentet som er vist i dette US-patent omfatter en permanentmagnet innrettet til å indusere et statisk magnetfelt i grunnformasjoner som omgir boreenheten, en sender/mottager- eller transiver-antenne anbrakt utenfor magneten for å indusere radiofrekvente (RF-) magnetfelt i formasjonene og for å motta NMR-signalet fra de eksiterte kjerner i formasjonene.

En spesiell ulempe med apparatet som er vist i det ovennevnte US-patent, er at transiver-antennen og magneten må ha en betydelig aksiell lengde i forhold til diameteren til et "følsomt volum" for å opprettholde en betydelig grad av rotasjonssymmetri i de statiske og radiofrekvente magnetfelt-amplituder ved betydelig radiell dybde i grunnformasjonene. Det følsomme volum er den del av formasjonen i hvilken den kjernemagnetiske resonanstilstand blir generert ved å tilpasse RF-frekvensen til størrelsen på det statiske magnetfelt. For å oppnå et følsomt volum ved en betydelig radiell avstand målt fra instrumentet inne i grunnformasjonen, ville man normalt trenge en svært lang magnet og antenne. En svært lang antenne kan særlig redusere den vertikale oppløsning slik at kommersielt anvendbare målinger ville bli uakseptable. Videre er MWD-instrumentene utsatt for alvorlige rystelser og vibrasjoner. Instrumentet i ovennevnte US-patent vil være særlig utsatt for sterkt bøying og endog brudd i den del av boreenheten hvor magneten befinner seg, fordi magneten typisk er anbrakt ved endel av boreenheten som har redusert utvendig diameter for å kunne oppta magneten. Den aksielle lengde som kreves for å kunne oppnå den nødvendige magnetiske feltsymmetri i ovennevnte US-patent, kan resultere i en utillatelig svak eller fleksibel seksjon i boreenheten.

En annen ulempe med apparatet som er omtalt i US-patent nr. 5,280,243 er at det blir utsatt for feil under målingene, særlig på grunn av at amplitudene til de statiske og radiofrekvente magnetfelt ikke er fullstendig symmetriske omkring apparatets rotasjonsakse. Et MWD-brønnloggeapparat vil, som endel av boreenheten, bli utsatt for å bli dreiet for å betjene en borespiss som typisk ville være montert ved nedre ende av boreenheten. Rotasjonshastighetene på borkronen kan være så høy som 200 omdreininger pr. minutt, og vil mer typisk være i området mellom 60 og 120 omdreininger pr. minutt (1,0-2,0 omdreininger pr. sekund). NMR-brønnloggings-instrumentet foretar en rekke spinnekkomålinger under en målesyklus som typisk ikke vil ha en mindre varighet enn 1/2 sekund. Under denne målesyklusen kan apparatet gjennomløpe 1/2 rotasjon eller mer. Dersom amplitudene til de statiske og radiofrekvente magnetfelt ikke er fullstendig rotasjonssym-metriske, kan målingene bli belemret med betydelige feil, særlig fordi visse deler av det følsomme volum vil bli lokalisert først etter noe rotasjon, til å ligge innenfor en annen magnetisk feltstyrke som kan være utenfor båndbredden til mottageren. Denne delen av det følsomme volum vil derfor typisk ikke bidra til den totale signalamplitude.

Nok en ulempe med apparatet som er beskrevet i ovennevnte US-patent, er at den retningsmessige og relativt sterke amplitudegradient for de statiske og radiofrekvente magnetfelt fører til at målingene som gjøres av apparatet vil være ekstremt følsomme overfor små radielle forskyvninger. US-patent nr. 5,332,967 (Shporer) beskriver effekten av selv svært små radielle forskyvninger på målingene utført ved hjelp av et apparat i henhold til det som er vist i det førstnevnte US-patent nr. 5,280,243 (Miller). Spesielt vil sideveis forskyvninger av posisjonen til magneten resultere i endringer i ampiitudefordelingen i det statiske magnetfelt, noe som i sin tur forårsaker faseforskyvninger i den kjernemagnetiske presesjon. Faseforskyvningene har motsatt polaritet på motsatte sider av instrumentet ved apparatet til Miller, noe som kan føre til betydelige variasjoner i NMR-signalets amplitude, eller endog til fullstendig tap av NMR-signalet selv for ganske små radielle forskyvninger av instrumentet. Slike små radielle forskyvninger er vanlige for et brønnloggingsinstrument, selv for et som benyttes ved målinger under selve boringen.

Virkningen fra NMR-målinger på sideveisbevegelser til instrumentet beskrevet i patentet til Shporer, er også et problem for apparatet i henhold til Miller. Selv når magneten er flere fot langt, slik som ved apparatet til Miller, og dermed kan ha flere prosent omkretsmessige variasjoner i amplituden for det statiske magnetfelt ved en vilkårlig konstant radius målt fra instrumentets senter. Når apparatet som er beskrevet i Millers patent, dreies, kan små endringer i feltamplituden forårsake en lignende faseforskyvningsfeil i NMR-signalets målinger av omtrent samme størrelse.

Problemene i forbindelse med apparatet til Miller, blir vanligvis unngått ved å benytte et annet NMR-brønnloggings-apparat som er omtalt i US-patent nr. 4,350,955 (Jackson m.fl.). Dette apparatet omfatter et par hovedsakelig sylindriske magneter som er posisjonert koaksialt og har like poler som er rettet mot hverandre. Magnetene genererer et rotasjonsmessig symmetrisk statisk magnetfelt med et toroid-formet volum med praktisk talt homogen magnetisering. Magnetarrangementet i patentet til Jackson m.fl., oppviser den rotasjonsmessige symmetri for det statiske magnetfelts amplitude som kreves for å foreta NMR-målinger under rotasjon, men en spesiell ulempe med apparatet i henhold til patentet til Jackson m.fl., er at det toroide volum typisk er for lite i aksiell retning til å tillate at NMR-instrumentet benyttes ved kommersielt akseptable hastigheter på den aksielle bevegelse (gjennomtrengningshastighet eller logge-hastighet) gjennom brønnhullet. Under boring av brønnhull kan boreenheten og instrumentene som er plassert sammen med denne, kunne bevege seg gjennom brønnhullet ved hastigheter som overskrider en størrelse på 1 dm pr. sekund (flere tommer pr. sekund). I løpet av den tiden som trengs for å gjennom-føre NMR-målinger, kan et instrument som er konstruert i henhold til patentet til Jackson m.fl., bevege seg tilstrekkelig langt i aksiell retning til at NMR-målingene blir gjenstand for betydelige feil.

Et apparat for NMR-brønnlogging omtalt av Clow m.fl. i US-patent nr. 4,629,986, har en magnetstruktur i likhet med den som er vist i patentet til Jackson m.fl., og blir derfor utsatt for likeartede driftsmessige begrensninger som for apparatet omtalt i dette sistnevnte patent.

Ytterligere et annet apparat for NMR-brønnlogging er vist i US-patent nr. 4,717,876 (Masi m.fl.). Apparatet som er vist i dette patent omfatter en hovedmagnetstruktur i likhet med den som er beskrevet i patentet til Jackson, men apparatet i henhold til Masi omfatter dessuten radielt magnetiserbare ringformede sylindriske magnetseksjoner anbrakt i gapet mellom hovedmagnetene. De radielt magnetiserte ringformede sylindriske magnetseksjoner fører til en øket styrke av det statiske magnetfelt og en mer homogen feltstyrke når det sammenlignes med magnetstrukturen til Jackson. Apparatet i henhold til Masis patent har fortsatt et statisk felt med bare en begrenset aksiell utstrekning, og blir derfor begrenset når det gjelder den aksielle hastighet for hvilken instrumentet er kommersielt

sett nyttig.

Den europeiske patentsøknad nr. 0.581.666 A2 (Kleinberg m.fl.) publisert 02.02.94, viser et NMR-brønnloggingsapparat for bruk i forbindelse med målinger under boring. Apparatet som er vist i denne søknad, ligner apparatet som er vist i patentet til Jackson idet det omfatter to magneter som er plassert med like poler mot hverandre og en antennespole anbrakt mellom disse. Apparatet i søknaden til Kleinberg og som således er strukturert praktisk talt på samme måte som apparatet ifølge patentet til Jackson, lider i alt vesentlig av de samme begrensninger som alle de øvrige NMR-MWD-brønnloggeapparater som det er vist til her og som er representative for tidligere kjent teknikk på området.

NMR-brønnloggingsapparatene vist i patentpublikasjonene til Masi m.fl., Jackson m.fl., og Kleinberg m.fl., er også

alle utsatt for betydelige feil i de utførte målinger som en følge av strukturen til det statiske magnetfelt som induseres av magnetene i hvert av disse tidligere kjente apparater. Det statiske magnetfelt som induseres ved et hvilket som helst av disse tidligere kjente apparater, blir typisk formet i

hovedsak som en toroide og har også et stort sett homogent magnetfelt med konstant amplitude inne i torusen. Frekvensen til det radiofrekvente magnetfelt innstilles for å generere en kjernemagnetisk resonanstilstand inne i toroiden som gir amplituden til magnetfeltet inne i toroiden. Styrken til det statiske magnetfelt inne i toroiden blir utsatt for variasjoner som blant annet forårsakes av størrelsen på jordens magnetfelt og endringer i styrken til magnetene, idet disse utsettes for sterkt varierende omgivelsestemperaturer inne i et typisk brønnhull. Dersom amplituden til det statiske felt inne i toroiden inntar en slik verdi at frekvensen til det radiofrekvente felt ikke lenger genererer noen resonanstilstand i hovedsak inne i toroiden, vil NMR-mål ingene som dermed foretas bli utsatt for en betydelig reduksjon i signal/støy-forholdet.

Forskjellige aspekter ved den foreliggende oppfinnelse er illustrert i de vedføyde patentkrav.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et NMR-brønnloggeapparat som er særlig egnet til å benyttes i et instrument som måler under boring og som er i stand til å bevege seg aksielt med hastigheter som har kommersielt akseptable verdier.

Det er et annet formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et NMR-brønnloggeapparat som er særlig velegnet for bruk som et instrument som måler under boring og som er i stand til å rotere mens det foretar nøyaktige NMR-målinger.

Det er ytterligere et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et NMR-brønnloggeapparat som er særlig velegnet til å benyttes som et instrument som måler under boring og som ikke er utsatt for noen betydelig reduksjon av signal/støy-forholdet forårsaket av endringer i styrken til det statiske magnetfelt eller virkninger av jordens magnetfelt.

En utførelse ifølge et formål med foreliggende oppfinnelse angår et avfølings- eller måleapparat som benytter kjernemagnetisk resonans og omfatter en magnet innrettet for induksjon av et statisk magnetfelt i materialer som skal analyseres. Det statiske magnetfelt er hovedsakelig rotasjonssymmetrisk omkring og vinkelrett på en lengdeakse til magneten. Det statiske magnetfelt har i hovedsak lik amplitude langs lengdeaksen. Apparatet omfatter en anordning for generering av et radiofrekvent magnetfelt i materialene som skal analyseres. Det radiofrekvente magnetfelt er i alt vesentlig rotasjonssymmetrisk anordnet omkring lengdeaksen og står parallelt med lengdeaksen inne i det følsomme volum som inneholder materialene som skal analyseres. Det følsomme volum har en aksiell lengde som er kompatibel med en aksiell lengde for magneten. Apparatet omfatter en anordning for å motta et nukleært magnetisk resonanssignal fra det følsomme volum. Ved den foretrukne utførelse er anordningen for generering og anordningen for mottagning utstyrt med en antennespole som er viklet slik at viklinger til spolen ligger i plan som står vinkelrett på lengdeaksen til magneten.

Med en spesiell utførelse ifølge et formål med oppfinnelsen, omfatter magneten en radielt magnetisert sylinder anbrakt på en borekrage som utgjør en del av en boreenhet.

Andre aspekter ved foreliggende oppfinnelse omfatter en fremgangsmåte for måling ved hjelp av nukleær magnetisk resonans. Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter trinnene med å benytte en magnet for å indusere et statisk magnetfelt i materialene som skal analyseres. Det statiske magnetfelt har hovedsakelig uniform eller homogen feltstyrke langs en lengdeakse og står hovedsakelig vinkelrett på lengdeaksen. Det statiske magnetfelt er også i alt vesentlig rotasjonssymmetrisk anordnet omkring lengdeaksen. Fremgangsmåten omfatter generering av et radiofrekvent magnetisk felt i materialene som skal analyseres. Det radiofrekvente magnetfelt er i alt vesentlig rotasjonssymmetrisk omkring lengdeaksen og ligger hovedsakelig parallelt med lengdeaksen inne i et følsomt volum som inneholder materialene som skal analyseres. Det følsomme volum har en aksiell lengde som er kompatibel med en aksiell lengde for magneten. Fremgangsmåten omfatter mottagelse av et nukleært magnetisk resonanssignal fra materialene som skal analyseres.

Ved en spesiell utførelse av oppfinnelsen kan fremgangsmåten gjennomføres fra et apparat som utgjør en del av en boreenhet.

For bedre forståelse av oppfinnelsen og for å vise hvordan denne kan utføres, refereres det nå gjennom eksempler til de vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser et brønnloggeinstrument av typen som måler under selve boringen (MWD), og som typisk benyttes i prosessen med å frembringe eller bore et brønnhull gjennom grunnformasjoner, Fig. 2 viser et tverrsnitt gjennom et apparat som representerer en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse, Fig. 3A viser en første utførelse av magneten i henhold til

foreliggende oppfinnelse,

Fig. 3B viser et oppriss av magneten vist i fig. 3A,

Fig. 4A viser et oppriss av en andre utførelse av magneten

i henhold til foreliggende oppfinnelse,

Fig. 4B viser en perspektivfremstilling av en magnet vist i

fig. 4A, og

Fig. 5 viser den relative orientering av de statiske og radiofrekvente magnetfelt som genereres av et apparat i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Et brønnloggingsinstrument utformet for måling under boring (MWD) er vist i fig. 1 i en form som er typisk ved prosesser for å måle egenskaper av grunnformasjoner under boring av et brønnhull 2. Instrumentet som generelt er vist ved henvisningstall 10, er innebygget som endel av en borenhet. Borenheten omfatter typisk en borkrone 6, tunge borkrager 12 og et segmentert borerør 8. Enheten kan løftes fra og senkes ned i brønnhullet 2, og kan dreies ved jordoverflaten ved hjelp av en borerigg eller et lignende overflateapparat, vist generelt på figuren som 18. Boreriggen 18 kan typisk omfatte pumpeutstyr (ikke vist separat for ikke å overlesse tegningen) for sirkulering av et fluid 4 kjent innen dette fagområdet som "boreslam", gjennom det indre av borenheten og ut i brønnhullet 2 gjennom enden av borkronen 6. Boreslammet 4 sirkuleres for å kjøle borkronen 6 og for å fjerne borekaks fra grunnformasjonen 14 etter hvert som borkronen 6 trenger gjennom formasjonene når den dreis og senkes videre ned gjennom brønnhullet 2 under boreprosessen.

Instrumentet 10 kan innbefatte en trykkpulsator (ikke vist) for å modulere trykket til boreslammet 4 i overens-stemmelse med et forutbestemt telemetrikodet forløp. Det modulerte boreslamtrykket kan detekteres og fortolkes av en opptegningsanordning 16 ved overflaten, slik at man ved jordoverflaten kan reprodusere og nedtegne målingene gjort av instrumentet 10. Slike telemetri- og opptegningssystemer er velkjente innen dette fagområdet og er f.eks. beskrevet i en salgsbrosjyre med tittelen "MWD Services", Integrated Drilling Services, Ltd., Aberdeen, Scotland ABl 4YA (1995). Alternativt kan instrumentet omfatte en digital hukommelse (ikke vist separat i fig. 1) eller andre interne data-lagringsanordninger for nedtegning av de forskjellige målinger som utføres av instrumentet 10 etter hvert som det passerer gjennom grunnformasjonene 14. Instrumentet 10 kan drives elektrisk enten ved hjelp av batterier (ikke vist) innsatt i instrumentet 10, eller ved hjelp av en anordning, slik som en roterende turbin, som reagerer på strømmen av boreslam 4 gjennom de indre deler av instrumentet 10.

Konfigurasjonen av instrumentet 10 vist i fig. 1 er innrettet til å frembringe en oversikt over tilstandene som

instrumentet 10 arbeider under, og er ikke på noen måte ment å begrense antall eller typer av sensorer som kan innebygges i MWD-brønnloggingsinstrumentet 10 i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Den delen av instrumentet 10 som omfatter et avfølende

eller målende apparat for å foreta kjernemagnetiske resonansmålinger (NMR-målinger) i grunnformasjonen, vil kunne forstås bedre fra fig. 2. Fig. 2 viser et tverrsnitt av instrumentet 10, hvori NMR-avfølings- eller -måle-apparatet er anbrakt. NMR-delen av instrumentet 10 kan være montert i en ringformet utsparing 13 tildannet i en av borehylsene 12. Borehylsen eller borkragen 12 er fortrinnsvis fremstilt av et i alt vesentlig ikke-ferromagnetisk materiale slik som monel (RTM). En flukskappe 20 av bløttjern er innsatt i den ringformede utsparing 13. Flukskappen 20 kan være dannet av to halv-sylindriske seksjoner som, når de monteres sammen, dekker i

alt vesentlig hele omkretsen til den ringformede utsparing 13 langs kappens 20 fluksvei eller lengde. Flukskappen 20 er utformet slik at en hovedsakelig radielt anordnet magnetisert permanentmagnet 24 anbrakt ved den ytre, radielle overflate til flukskappen 20, vil ha en egnet retningsorientering av sitt magnetfelt. Strukturen til magneten 24 og naturen av dens magnetfelt vil bli nærmere forklart nedenfor.

Magneten 24 kan være fremstilt av en hard ferritt eller av et annet ikke-ledende permanentmagnetisk materiale. Magneten 24 kan være dannet av halvsylindre på tilsvarende måte som flukskappen 20, eller kan være tildannet av flere radielle segmenter som vil bli nærmere forklart nedenfor. Magneten 24 kan omfatte en utsparing 23 i sin utvendige overflate. Utsparingen 23 vil i alt vesentlig omslutte den ytre overflate av magneten 24 og benyttes for å frembringe et rom for montering av et mykt ferrittelement 26.

Den bløte ferritten 26 er fortrinnsvis tildannet av et materiale med høymagnetisk permeabilitet. En antennespole 30 kan vikles omkring den ytre overflate av ferritten 26. Ved foreliggende utførelse av oppfinnelsen er den ringformede utsparing 13, flukskappen 20, magneten 24, ferrittstaven 26 og antennen 3 0 fortrinnsvis aksielt symmetrisk anbrakt omkring sentralaksen 32 til instrumentet 10.

Flukskappen 20, magneten 24, ferritten 26 og antennespolen 30 er fortrinnsvis omsluttet av et beskyttende deksel 22. Dekselet 22 er innrettet til å beskytte de innkapslede komponenter fra ødeleggelse forårsaket av kontakt med boreslammet 4, og veggen til brønnhullet 2. Dekselet 22 kan være tildannet av fiberglass, keramisk materiale eller et annet ikke-ledende, og ikke-ferromagnetisk materiale med egnede mekaniske egenskaper.

Antennespolen 30 kan være koblet til en elektrisk krets (ikke vist i fig. 2) for energisering av spolen med radiofrekvente (RF-) elektriske pulser, og for mottagning av et indusert NMR-signal generert i et hovedsakelig sylindrisk område 28 (heretter kalt det følsomme volum) til grunn-formas j onen 14, radielt adskilt fra aksen 32 ved en forutbestemt avstand som avhenger av frekvensen til de radiofrekvente pulser og amplitudegradienten til det magnetiske felt indusert av magneten 24. Det er klart fra fig. 2 at den aksielle lengden til det følsomme volumet 28 er kompatibel med den aksielle lengden av magneten 24. Kretsen som kan utføre de ønskede RF-pulsgenererings- og NMR-signalmottag-ningsfunksjoner, er f.eks. beskrevet i US-patent nr. 4,710,713 (Taicher m.fl.). Kretsen som er beskrevet i Taicher-patentet er bare ment å tjene som et eksempel og er ikke ment å være en eksklusiv representasjon av kretsen som skal utføre de ønskede funksjoner i forbindelse med den foreliggende oppfinnelse.

Antennespolen 30 er fortrinnsvis viklet slik at vindingene på antennespolen 30 ligger i plan som i alt vesentlig er vinkelrett på aksen 32. Når RF-pulser føres gjennom antennespolen 30, vil det magnetiske RF-felt som dermed genereres, ha en magnetiseringsretning som i det vesentlige er parallelt med aksen 32 innenfor det følsomme volumet 28. Det følsomme volumet 28 er, som tidligere forklart, endel av grunnformasjonene 14 i hvilke den kjernemagnetiske resonanstilstand er etablert og hvorfra NMR-mål ingene skriver seg. Betydningen av magnetiseringsretningen til det radiofrekvente (RF-) magnetfelt, vil bli nærmere forklart nedenfor.

En bedre forståelse av konstruksjonen av magneten 24 i henhold til foreliggende oppfinnelse kan fås under henvisning til fig. 3A, som viser et sideriss av magneten 24. Magneten 24 kan bestå av en serie aksielt magnetiserte sylindre, vist som 24A-24F. Magnetiseringsretningen for hver sylinder er vist ved piler på hver sylinder. Et spesielt trekk ved de aksielt magnetiserte sylindre, er at magnetiseringen av hver sylinder i størrelse er proporsjonal med den aktuelle sylinders aksielle avstand fra senterplanet 24P til magneten 24, og magnetiseringen er rettet mot senterplanet 24P. Den øvre sylinder 24A er f.eks. vist med en kraftig magnetisering rettet nedover mot senterplanet 24P. Tilsvarende er den motsatt rettede nedre sylinder 24F som har en i hovedsak like sterk magnetisering som den øvre sylinder 24A, men har en magnetisering som er rettet oppover mot senterplanet 24P. Trinnvis mer svakt magnetiserte sylinderpar, slik som 24B/24E og 24C/24D er i rekkefølge anbrakt nærmere inn mot senterplanet 24P. Den resulterende totale magnetisering for magneten 24 som er vist i fig. 3A, er i hovedsak radielt rettet utover (eller innover) fra aksen (32 i fig. 2). Det statiske magnetfelt som genereres av magneten 24, er også i det vesentlige rotasjonssymmetrisk omkring aksen 32, står praktisk talt vinkelrett på aksen 32, og befinner seg ved en radiell avstand som er mindre enn den aksielle lengden av magneten og avtar i feltstyrke som den inverse verdi av den radielle avstand fra magneten 24. Uttrykket "rotasjonssymmetrisk" som er benyttet i beskrivelsen av foreliggende oppfinnelse, indikerer at ved en hvilken som helst spesiell radiell avstand fra det sylindriske senter til magneten 24 (som typisk sammenfaller med aksen 32), blir amplituden til magnetfeltet praktisk talt den samme for en vilkårlig vinkelposisjon omkring senter til magneten 24. En alternativ forklaring er at den magnetiske feltstyrke ikke forandrer seg noe særlig dersom magneten 24 dreies omkring sitt senter (som sammenfaller med aksen 32) ved en vilkårlig fast radiell avstand sett i forhold til det sylindriske senter for magneten.

Fig. 3B viser et planriss av en av sylindrene, slik som 24A. Hver sylinder er fortrinnsvis inndelt i halvsylindre, slik at sylinderen greit kan forenes med borkragen 12 (fig. 1). Magneten 24 (se fig. 3A) krever intet bruk av flukskappen 20 og kan dermed monteres direkte til veggen i utsparingen 13 i borehylsen 12.

En alternativ konfigurasjon av magneten 24 kan sees på fig. 4A, som viser et planriss av den alternative magnet 24. Magneten 24 kan være konstruert av flere radielle segmenter 34 i en sylinder, som når den er sammensatt utgjør den i alt vesentlige sylindriske ringformede magnet 24. Hvert segment 34 kan være magnetisert på en hovedsakelig homogen måte langs sin lengderetning (parallelt med aksen 32) og i en retning som vist av pilene på hvert segment 34. Magnetiseringsretningen på hvert segment 34, kan hovedsakelig være radielt utover fra aksen 32, idet segmentene 34 er satt sammen slik at de danner en ringformet sylinder. Det skal også direkte forstås at uttrykket "radielt utover" når det gjelder magnetiseringsretningen for segmentene 34, bare er benyttet for å lette denne beskrivelsen av magneten 24 og ikke skal betraktes som en begrensning av magnetens 24 struktur. Den virkelige retning for magnetiseringen av segmentene 34, det vil si hvorvidt denne er radielt utover fra eller radielt innover mot aksen 32, er uviktig relatert til strukturen for magneten 24. En fremstilling av den sammensatte alternative magnet 24 kan ses på fig. 4B. Det er viktig å merke seg at den alternative magnet 24 i fig. 4B krever bruk av flukskappen 20 for å frembringe et statisk magnetfelt som i hovedsak er vinkelrett på aksen 32, i alt vesentlig rotasjonssymmetrisk omkring aksen 32 og har en stort sett homogen feltstyrke langs aksen 32.

Betydningen av utførelsene av magneten 24 og antennespolen 30 i henhold til foreliggende oppfinnelse, kan forstås bedre under henvisning til fig. 5. Instrumentet 10 i fig. 5 omfatter magneten 24 som vist i fig. 4B og omfatter derfor også flukskappen 20, men det må forstås at funksjonen av den første utførelsen av magneten 24 som ikke krever bruk av flukskappe 20 også er forklart ved hjelp av følgende diskusjon.

Magneten 24 genererer, som forklart tidligere, et statisk magnetfelt som har en hovedsakelig homogen feltstyrke langs aksen 32, som er i alt vesentlig radielt symmetrisk omkring aksen 32, og som står i alt vesentlig vinkelrett på aksen 32 inne i det følsomme volum 28. Magnetiseringsretningen for det statiske magnetfelt er vist av feltlinjer angitt ved BO. Når antennespolen 30 blir energisert av de radiofrekvente elektriske pulser, genereres et radiofrekvent magnetfelt. Retningen til RF-magnetfeltet betegnes med Hl. Som fagfolk vil forstå, skapes en nukleær magnetisk resonanstilstand hvor frekvensen til RF-magnetfeltet i alt vesentlig er tilpasset presesjonsfrekvensen til det nukleære spinn. Presesjonsfrekvensen til det nukleære spinn er direkte proporsjonal med den statiske magnetfeltstyrke. Ved foreliggende utførelse av oppfinnelsen kan resonanstilstand oppnås inne i det følsomme volum 28. Radius til det følsomme volum 28 kan velges ved å foreta et egnet valg av frekvensen til RF-magnetfeltet, slik at retningen til RF-magnetfeltet Hl inne i det følsomme volum 28 i alt vesentlig vil forløpe parallelt med aksen 32 og derfor vil stå i alt vesentlig vinkelrett på det statiske magnetfelt BO. Det følsomme volum 28 som er generert på denne måten, vil være i alt vesentlig sylindrisk og symmetrisk omkring aksen 32.

En spesiell fordel med foreliggende oppfinnelse i forhold til NMR-brønnloggingsapparater i henhold til tidligere kjent teknikk, er at ved foreliggende oppfinnelse vil de statiske og de RF-magnetiske felt være rotasjons-symmetriske omkring aksen 32. Denne rotasjonssymmetri fører til en måling som er relativt immun overfor feilkilder som er forårsaket av aksiell rotasjon av instrumentet 10. Instrumentet 10 i henhold til foreliggende oppfinnelse blir særlig godt egnet for bruk i forbindelse med MWD-anvendelser hvor instrumentet 10 med stor sannsynlighet vil bli benyttet mens det utsettes for en aksiell rotasjon.

Det skal forstås at strukturen til NMR-brønnloggings-apparatet vist i foreliggende beskrivelse, også kan være bygget på en sonde som er innrettet til å bli ført gjennom brønnhullet ved den ene enden av en armert elektrisk kabel. Selv om utførelsen som er vist ovenfor, er særlig godt tilpasset for bruk i et instrument hvor målingen foretas under selve boringen, kan utførelser ifølge den foreliggende oppfinnelse også innrettes for bruk sammen med andre typer av føringsutstyr for brønnloggeinstrumenter kjent innenfor dette fagområdet.

Claims (17)

1. Apparat (10) for NMR-målinger, omfattende: en magnet (24) innrettet for induksjon av et statisk magnetisk felt i materialer som skal analyseres i et følsomt eller sensitivt volum (28), hvilket statiske magnetfelt er i hovedsak rotasjonssymmetrisk anordnet omkring en lengdeakse (32) til magneten (24), idet dette statiske magnetfeltet står hovedsakelig vinkelrett på lengdeaksen (32) i det følsomme volumet (28), og hvor det statiske magnetfeltet har en hovedsakelig konstant amplitude langs lengdeaksen (32) i det følsomme volumet (28), anordninger (30) for generering av et radiofrekvent magnetfelt i materialene som skal analyseres, hvilket radiofrekvente magnetfelt er anrettet hovedsakelig rotasjonssymmetrisk omkring lengdeaksen, idet det radiofrekvente magnetfeltet befinner seg i hovedsak parallelt med lengdeaksen inne i det følsomme volumet (28), og mottagningsanordninger (30) innrettet for mottak av et nukleært magnetisk resonanssignal fra det følsomme volumet,karakterisert ved at det følsomme volumet (28) har en aksiell lengde som er kompatibel med en aksiell lengde av magneten (24).

2. Apparat ifølge krav 1, hvor magneten (24) omfatter en rekke radielle sylindersegmenter satt sammen til en ringformet sylinder, idet disse sylindersegmenter hver for seg er magnetisert slik at den ringformede sylinderen får en hovedsakelig uniform magnetisering i en retning radielt rettet utover fra og i hovedsak vinkelrett på lengdeaksen (32).

3. Apparat ifølge krav 1, innrettet for å foreta målinger under boring, der apparatet omfatter en borkrage (12) innrettet for å bli forbundet inne i en boreenhet og magneten (24) anbrakt på borkragen (12).

4. Apparat ifølge krav 3, hvor magneten (24) omfatter en rekke sylindersegmenter satt sammen til en ringformet sylinder, idet disse segmentene hver for seg er magnetisert slik at den ringformede sylinder får en hovedsakelig uniform magnetisering langs lengdeaksen (32) og i hovedsak rotasjonssymmetrisk omkring lengdeaksen (32).

5. Apparat ifølge et av kravene 1-4, videre omfattende en flukskappe anbrakt inne i den ringformede sylinderen.

6. Apparat ifølge et av kravene 1-5, hvor magneten (24) er innrettet slik at gradienten til magnetiseringen øker langs lengdeaksen i en grad som tilsvarer en avstand langs lengdeaksen (32) fra et senterplan i magneten (24).

7. Apparat ifølge et av kravene 1-6, hvor magneten (24) omfatter en rekke aksielt magnetiserte ringformede sylindre (24A,...24F) anbrakt langs lengdeaksen til magneten (24), idet hver av de aksielt magnetiserte ringformede sylindrene (24A,...24F) har en magnetisering som tilsvarer avstanden fra senterplanet til hver sylinder.

8. Apparat ifølge et av kravene 1-7, hvor anordningene for generering av det radiofrekvente magnetfeltet omfatter en antennespole (30) som er viklet slik at vindingene til spolen ligger i plan som står hovedsakelig vinkelrett på lengdeaksen (32) .

9. Apparat ifølge krav 8, videre omfattende et ferrittelement (26) med høymagnetisk permeabilitet anbrakt inne i antennespolen (30).

10. Apparat ifølge et av kravene 1, 2 eller 5-9, hvor magneten, anordningene for generering av det radiofrekvente magnetfelt og anordningene for mottak av NMR-signalet, er anbrakt på en borkrage (12).

11. Fremgangsmåte for måling av nukleær magnetisk resonans (NMR), omfattende følgende trinn: bruk av en magnet (24) for indusering av et statisk magnetfelt i materialer som skal analyseres i et følsomt eller sensitivt volum (28), hvilket statiske magnetfelt er i alt vesentlig rotasjonssymmetrisk omkring en lengdeakse (32) og har en hovedsakelig uniform feltstyrke langs lengdeaksen (32), samt står i alt vesentlig vinkelrett på lengdeaksen (32) i det følsomme volumet (28), generering av et radiofrekvent magnetfelt i materialene som skal analyseres, hvilket radiofrekvent magnetfelt er i hovedsak rotasjonssymmetrisk omkring lengdeaksen (32) og står i alt vesentlig parallelt med lengdeaksen (32) inne i det følsomme volumet (28), og mottagning av et NMR-signal fra det følsomme volum (28),karakterisert ved at det følsomme volumet (28) har en aksiell lengde som er kompatibel med en aksiell lengde av magneten (24).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, hvor materialene som skal analyseres omfatter grunnformasjoner (14) som omgir et brønnhull (2) som bores gjennom grunnformasjonene (14).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11 for brønnlogging for å bestemme NMR-egenskaper for grunnformasjoner (14) som omgir borehullet (2), der materialene som skal analyseres er grunnformasjonene (14).

14. Fremgangsmåte ifølge krav 11, 12 eller 13, videre omfattende trinnet med å repetere trinnene med indusering av det statiske magnetfeltet, generering av det radiofrekvente magnetfeltet og mottagning av NMR-signalet ved en rekke aksielle eller aksielt adskilte steder langs brønnhullet (2).

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, hvor antallet aksielle eller aksielt adskilte steder fremkommer ved å bevege en boreenhet gjennom brønnhullet (2) mens dette bores.

16. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 13, 14 eller 15, videre omfattende trinnet med å overføre signaler som tilsvarer målinger som utføres under trinnet med mottagning, til utstyr (16) ved jordoverflaten ved hjelp av en telemetriprosess som foretar moduleringer av trykket til boreslammet (4).

17. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 13-16, videre omfattende trinnet med å gjennomføre registrering eller opptegning av signaler som tilsvarer målinger utført under trinnet med mottagning, idet registrerings- eller opptegningstrinnet utføres av et opptegningsapparat anbrakt i boreenheten.