RU117648U1

RU117648U1 - MAGNETIC SYSTEM FOR NUCLEAR MAGNETIC LOGGING USING CRYOGENIC TECHNOLOGIES

Info

Publication number: RU117648U1
Application number: RU2011139685/28U
Authority: RU
Inventors: Егор Михайлович Алакшин; Расул Рамилевич Газизулин; Александр Владимирович Клочков; Виктор Евгеньевич Косарев; Вячеслав Владимирович Кузьмин; Данис Карлович Нургалиев; Владимир Дмитриевич Скирда; Мурат Салихович Тагиров
Original assignee: Общество с Ограниченной Ответственностью "ТНГ-Групп"
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-06-27

Abstract

Магнитная система для скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий, в которой низкая температура, необходимая для поддержания соленоида в сверхпроводящем состоянии, поддерживается за счет использования материала с высокой удельной теплоемкостью при низких температурах. A magnetic system for a downhole nuclear magnetic logging tool using cryogenic technologies, in which the low temperature required to keep the solenoid in a superconducting state is maintained by using a material with a high specific heat at low temperatures.

Description

Полезная модель относится к геофизическим методам исследований скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу. Сутью изобретения является магнитная система для скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий (далее - ЯМК), в которой низкая температура, необходимая для поддержания соленоида в сверхпроводящем состоянии, поддерживается за счет использования материала с высокой удельной теплоемкостью при низких температурах. Скважинный прибор ЯМР-каротажа на основе сильного поля сверхпроводящего магнита с использованием криогенных технологий предназначен для определения состава и количества флюида в зоне вне буровой скважины на основе регистрации сигнала ЯМР и обработки ЯМР характеристик сигнала. Использование криогенных технологий приведет к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, и, как следствие, к увеличению глубинности исследования (удаления от оси скважины), повышению точности измерений.The utility model relates to geophysical methods for researching wells, in particular to nuclear magnetic logging. The essence of the invention is a magnetic system for a downhole nuclear magnetic logging tool using cryogenic technologies (hereinafter - NMC), in which the low temperature necessary to maintain the solenoid in the superconducting state is maintained by using a material with high specific heat at low temperatures. A NMR logging tool based on a strong field of a superconducting magnet using cryogenic technologies is designed to determine the composition and amount of fluid in the area outside the borehole based on recording the NMR signal and processing the NMR signal characteristics. The use of cryogenic technologies will lead to an increase in the magnetic field generated by a superconducting magnet, and, as a result, to an increase in the depth of investigation (distance from the axis of the well), to an increase in the accuracy of measurements.

Существует множество технических решений по ЯМР-каротажу и по устройству магнитных систем, в них используемых. Например: US 7733086, G01R 33/44; G01V 3/00; G01V 3/18, SYSTEMS AND METHODS FOR DEEP-LOOKING NMR LOGGING, опубл. 2009-03-19, заявитель HALLIBURTON ENERGY SERVICES, INC.There are many technical solutions for NMR logging and the device magnetic systems used in them. For example: US 7733086, G01R 33/44; G01V 3/00; G01V 3/18, SYSTEMS AND METHODS FOR DEEP-LOOKING NMR LOGGING, publ. 2009-03-19, Applicant HALLIBURTON ENERGY SERVICES, INC.

Предусматривается прибор для ЯМР каротажа для проведения ЯМР измерений во множестве чувствительных объемов простирающихся вплоть до 1-го метра от прибора. Прибор содержит магнитную сборку с использованием одного или более постоянных магнитов и, по меньшей мере, одного полюсного наконечника для протяжения полюса магнита и формирования магнитного поля, чтобы имитировать магнитный монополь в чувствительном объеме внутри формации. Объекты изобретения пригодны как для ЯМР каротажа, так и каротажа на вспомогательном канате, и могут быть использованы для направленного бурения. Технический результат: в дополнение к оценке пористости породы, углеводородного насыщения и магнитной проницаемости, ЯМР регистрация позволяет вычислить глинисто-связанную воду, капиллярно-связанную воду, и свободный объем жидкости, которые имеют важное значение для всесторонней оценки пласта.An NMR logging tool is provided for NMR measurements in a variety of sensitive volumes extending up to 1 meter from the instrument. The device comprises a magnetic assembly using one or more permanent magnets and at least one pole piece for extending the magnet pole and forming a magnetic field to simulate a magnetic monopole in a sensitive volume within the formation. The objects of the invention are suitable for both NMR and well logging, and can be used for directional drilling. EFFECT: in addition to evaluating rock porosity, hydrocarbon saturation and magnetic permeability, NMR registration allows calculating clay-bound water, capillary-bound water, and free fluid volume, which are important for a comprehensive assessment of the formation.

Патент РФ № 2378670 (Статус: по данным на 08.12.2010 - действует), G01V 3/32, УСТРОЙСТВО ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО КАРОТАЖА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА, опубликовано: 10.01.2010, Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "ТНГ-Групп" (RU). Г. Бугульма.RF patent No. 2378670 (Status: valid as of 12/08/2010), G01V 3/32, NUCLEAR MAGNETIC LOGGING DEVICE FOR RESEARCH OF SMALL DIAMETER WELLS, published: 01/10/2010, Patent holder (s): TNG Limited Liability Company -Group "(RU). G. Bugulma.

Использование: для ядерно-магнитного каротажа скважин. Сущность заключается в том, что устройство ядерно-магнитного каротажа для исследования скважин малого диаметра содержит источник постоянного тока, усилитель, коммутатор, основную катушку индуктивности, соединенную через коммутатор с источником постоянного тока, при этом в него введены, по меньшей мере, две дополнительные катушки индуктивности, включенные попарно и последовательно основной катушки индуктивности, расположенные симметрично относительно ее средней точки, их входы соединены с основной катушкой индуктивности через коммутатор, а выходы подсоединены к усилителю. Технический результат: повышение общей добротности измерительного тракта, снижение уровня помех, повышение надежности и точности замера сигнала.Usage: for nuclear magnetic well logging. The essence is that the nuclear magnetic logging device for researching small diameter wells contains a direct current source, an amplifier, a switch, a main inductor connected through a switch to a direct current source, and at least two additional coils are introduced into it inductors connected in pairs and sequentially to the main inductor located symmetrically relative to its midpoint, their inputs are connected to the main inductor through the commutator ator, and the outputs are connected to an amplifier. Effect: increasing the overall quality factor of the measuring path, reducing noise, improving the reliability and accuracy of signal measurement.

Патент РФ № 2367982 (Статус: по данным на 08.12.2010 - действует), G01V 3/32, СПОСОБ КАРОТАЖА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, опубликовано: 20.09.2009, Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Нефтегазгеофизика" (RU), г.Тверь.RF patent No. 2367982 (Status: as of 12/08/2010 - valid), G01V 3/32, METHOD OF LOGGING USING NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION, published: 09/20/2009, Patentee (s): Limited company Responsibility "Neftegazgeofizika" (RU), Tver.

Использование: для ядерно-магнитного каротажа нефтяных и газовых скважин. Сущность: заключается в том, что осуществляют генерирование в основном плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, и также осуществляют генерирование плоскопараллельного дипольного радиочастотного поля с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита, причем статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную зону исследований вблизи скважины, где значения напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, и компонента радиочастотного поля, ортогональная к статическому полю, является в основном однородной, после чего в результате возбуждения ядер водорода производят прием сигналов ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной зоны исследования, при этом дополнительно с помощью короткозамкнутых витков, изготовленных из высокопроводящего материала, генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, направленных таким образом, что в дугообразной зоне исследования они складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной зоне исследования, в том числе в области магнита и в области, находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле. Технический результат: компенсация радиочастотного поля в проводящем магните и буровом растворе скважины.Usage: for nuclear magnetic logging of oil and gas wells. SUBSTANCE: basically, a plane-parallel dipole static field is generated near the well using at least one elongated magnet made of a conductive rare-earth material, with a magnetization direction perpendicular to the longitudinal axis of the magnet, and a plane-parallel dipole is also generated of the radio frequency field using a radio frequency coil, the turns of which lie in planes parallel to the magnetization plane of the magnet, but are shifted from the axis of the magnet in a direction perpendicular to the aforementioned axis and the direction of magnetization of the magnet, and the static field determines the arcuate research zone adjacent to the radio frequency coil near the well, where the values of the static field strength and the frequency of the radio frequency field satisfy the conditions for the occurrence of nuclear magnetic resonance, and the component of the radio frequency field orthogonal to the static field is basically homogeneous, after which, as a result of the excitation of hydrogen nuclei, they induce reception of nuclear magnetic resonance signals mainly from the arcuate research zone, while additionally using short-circuited turns made of highly conductive material, one or more quadrupole radio-frequency fields are generated so that they are added to the radio-frequency dipole field coils, and in the area opposite the arcuate research zone, including in the magnet and in the area behind the magnet, compensate the dipo noe radio frequency field. Effect: compensation of the radio frequency field in the conductive magnet and the drilling fluid of the well.

В отличие от приведенных технических решений сутью настоящей заявки является использование криогенных технологий, в частности использование магнитной системы из высокотемпературного сверхпроводника, что приведет к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого магнитом, и, как следствие, к увеличению глубинности исследования (удаления от оси скважины), повышению точности измерений.In contrast to the technical solutions presented, the essence of this application is the use of cryogenic technologies, in particular, the use of a magnetic system from a high-temperature superconductor, which will lead to an increase in the magnetic field created by the magnet, and, as a result, to an increase in the depth of investigation (distance from the well axis) improving measurement accuracy.

Использование криогенных технологий в геофизических методах исследования скважин предлагалось ранее в патентах US6411087, US4312192, US4248298, US4313317, US4315417.The use of cryogenic technologies in geophysical methods for researching wells was previously proposed in patents US6411087, US4312192, US4248298, US4313317, US4315417.

US6411087, G01R 33/44; G01V 3/18, NMR LOGGING TOOL WITH HI-TC TRAP FIELD MAGNET, опубл. 2002-06-25, заявитель, UNIV HOUSTON [US].US6411087, G01R 33/44; G01V 3/18, NMR LOGGING TOOL WITH HI-TC TRAP FIELD MAGNET, publ. 2002-06-25, Applicant, UNIV HOUSTON [US].

Магниты с замороженным полем (TFMs) на скважинном зонде ЯМР используются для формирования статического магнитного поля вокруг буровой скважины. Эти магниты сделаны из материала, имеющего высокую T_C (температуру перехода в сверхпроводящее состояние). Поскольку магнитное поле должно сохраняться в течение продолжительного времени (каротажа), предлагается поместить магнит в криостат, содержащий жидкий азот в качестве хладагента. При использовании магнитов с замороженным полем напряженность поля вокруг буровой скважины намного выше, чем при использовании обычных магнитов. При этом так же улучшается отношение сигнал шум для сигналов ЯМР. Напряженность магнитного поля в TFMs имеет достаточно низкое значение, так что задачи о неустойчивости не возникает. Напряженность поля выбирается на основе знания удельного сопротивления, диэлектрической постоянной и глубины скин-слоя для электромагнитных сигналов. Это позволяет использовать магниты с замороженным полем как в проводных линиях связи, так и при измерениях во время бурения (MWD). Технический результат: более сильное магнитное поле позволяет увеличить глубинность исследования скважины. Таким образом, известное техническое решение совпадает с заявленным техническим решением в отношении принципиальной возможности обеспечения усиления напряженности магнитного поля, что приводит к увеличению глубинности исследования скважины, при этом по мнению заявителя известное решение практически трудно реализуемо, т.к. существуют неразрешимые противоречия, не позволяющие в известной заявке реализовать цель данного изобретения,. Патент США № 4312192 от 26 января 1982 г. Криостат для использования в буровых скважинах. (United States Patent US 4,312,192 Date of Patent: Jan. 26, 1982)Frozen field magnets (TFMs) on the NMR borehole probe are used to form a static magnetic field around the borehole. These magnets are made of a material having a high T _C (superconducting transition temperature). Since the magnetic field must be maintained for a long time (logging), it is proposed to place the magnet in a cryostat containing liquid nitrogen as a refrigerant. When using magnets with a frozen field, the field strength around the borehole is much higher than when using conventional magnets. This also improves the signal-to-noise ratio for NMR signals. The magnetic field strength in TFMs is quite low, so that the problem of instability does not arise. The field strength is selected based on knowledge of the resistivity, dielectric constant, and skin depth for electromagnetic signals. This allows the use of magnets with a frozen field both in wired communication lines and in measurements during drilling (MWD). Effect: a stronger magnetic field allows you to increase the depth of the study well. Thus, the known technical solution coincides with the claimed technical solution with respect to the fundamental possibility of providing an increase in the magnetic field strength, which leads to an increase in the depth of well exploration, while according to the applicant, the known solution is practically difficult to implement, because there are insoluble contradictions that do not allow in the well-known application to realize the purpose of this invention. US patent No. 4312192 of January 26, 1982 cryostat for use in boreholes. (United States Patent US 4,312,192 Date of Patent: Jan. 26, 1982)

Устройство каротажа скважины и криостат позволяют поддерживать температуру полупроводникового датчика при криогенных температурах. Криостат имеет удлиненный однофазный теплоотвод из теплопроводящего твердого тела, на котором установлен детектор. При этом устройство теплоотвода приспособлено для подвода жидкого хладагента, который удаляется перед помещением каротажного прибора в скважину. При этом во время проведения измерений в скважине датчик находится при криогенных температурах, поскольку тепло поглощается и удерживается удлиненным однофазным теплоотводом. Теплоизоляционная трубка, обладающая такой же теплоемкостью и предварительно охлажденная до криогенных температур, находится вокруг теплоотвода. Технический результат: способность к поддержанию криогенных температур в течение длительного периода времени, компактность для использования в буровых скважинах, износостойкость, отсутствие проблем с отводом газооборазного хладагента, образующегося при нагреве криогенной жидкости. Таким образом, известное техническое решение совпадает с заявленным техническим решением в отношении принципа поддержания низких температур в течение длительного времени за счет использования идеи применения криоаккумулятора.The well logging device and cryostat allow maintaining the temperature of the semiconductor sensor at cryogenic temperatures. The cryostat has an elongated single-phase heat sink from a heat-conducting solid, on which the detector is mounted. In this case, the heat sink device is adapted for supplying liquid refrigerant, which is removed before placing the logging tool in the well. At the same time, during measurements in the well, the sensor is at cryogenic temperatures, since the heat is absorbed and held by an elongated single-phase heat sink. A heat-insulating tube with the same heat capacity and pre-cooled to cryogenic temperatures is located around the heat sink. EFFECT: ability to maintain cryogenic temperatures for a long period of time, compactness for use in boreholes, wear resistance, lack of problems with the removal of gas-borne refrigerant formed when the cryogenic liquid is heated. Thus, the known technical solution coincides with the claimed technical solution with respect to the principle of maintaining low temperatures for a long time by using the idea of using a cryo-accumulator.

Известные технические решения, описанные в патентах США US4312192 и US6411087 являются наиболее близкими к предмету заявленного технического решения, однако по мнению заявителя ни одно из них не могут быть выбраны в качестве ближайшего аналога, т.к. в указанных изобретениях не представлены примеры конкретной реализации данных технических решений.Known technical solutions described in US patents US4312192 and US6411087 are closest to the subject of the claimed technical solution, however, according to the applicant, none of them can be selected as the closest analogue, because these inventions do not provide examples of specific implementations of these technical solutions.

Необходимость использования криогенных технологий в геофизических методах исследования скважин обуславливается несколькими факторами, например, необходимостью поддержания необходимых температурных условий в оборудовании, предназначенном для работы в скважине, поддержанием криогенной температуры, необходимой для функционирования магнитной системы в методах ЯМК и прочими факторами. Для этого, обычно, предлагается использовать либо сжиженный газ, например, жидкий азот, либо твердое тело с большим значением скрытой теплоты плавления, например, пропан или фреон (в твердом агрегатном состоянии). При этом твердое тело охлаждается жидким азотом непосредственно перед помещением в скважину. Однако использование таких хладагентов имеет ряд проблем, например, при испарении жидкого хладагента выделяется газ, объем которого при испарении превышает первоначальный объем жидкости в сотни раз, дополнительно к этому всегда есть существенный риск, что каротажный прибор, прикрепленный к зонду, может застрять в скважине на несколько часов при высокой температуре окружающей среды (несколько сотен градусов Цельсия). При этих обстоятельствах даже твердое тело с большим значением скрытой теплоты плавления полностью перейдет в газовую фазу. Вследствие высокого давления, с которым сталкиваются в глубоких буровых скважинах, методы отвода паров не работают эффективно, таким образом, есть риск, что криостат разрушится в результате взрыва в следствие перехода жидкости в газообразное состояние при его нагреве в скважине. Как результат, использование обычных криогенных методов трудно или невозможно в использовании в каротаже, или же не известны способы поддерживания достаточно низких температур длительное время, необходимых для каротажа скважины.The need to use cryogenic technologies in geophysical methods for researching wells is determined by several factors, for example, the need to maintain the necessary temperature conditions in equipment designed to work in the well, maintain the cryogenic temperature necessary for the functioning of the magnetic system in NMR methods, and other factors. For this, it is usually proposed to use either liquefied gas, for example, liquid nitrogen, or a solid with a high latent heat of fusion, for example, propane or freon (in the solid state of aggregation). In this case, the solid is cooled by liquid nitrogen immediately before being placed in the well. However, the use of such refrigerants has a number of problems, for example, gas is released during the evaporation of a liquid refrigerant, the volume of which during evaporation exceeds the initial liquid volume by hundreds of times; in addition to this, there is always a significant risk that a logging tool attached to the probe may become stuck in the well several hours at high ambient temperature (several hundred degrees Celsius). Under these circumstances, even a solid with a large value of latent heat of fusion will completely go into the gas phase. Due to the high pressure encountered in deep boreholes, vapor recovery methods do not work efficiently, so there is a risk that the cryostat will collapse as a result of the explosion due to the transition of the liquid into a gaseous state when it is heated in the well. As a result, the use of conventional cryogenic methods is difficult or impossible to use in logging, or methods for maintaining sufficiently low temperatures for a long time required for well logging are not known.

В патенте США US4312192 предложен принципиально новый подход к проблеме, а именно создание криоаккумулятора, который компенсирует теплоприток за счет большой собственной теплоемкости. В качестве материала для аккумулятора предлагается использовать алюминий, в качестве криогенной жидкости для предварительного охлаждения криоаккумулятора предлагается использовать жидкий азот (Т=77 К или -196 С). Использованию данного технического решения в методе ЯМК мешает низкая удельная теплоемкость алюминия (материала криоаккумулятора) при низких температурах, необходимых для работы магнитной системы из высокотемпературного сверхпроводника.US patent US4312192 proposes a fundamentally new approach to the problem, namely the creation of a cryo-accumulator, which compensates for heat gain due to the large intrinsic heat capacity. It is proposed to use aluminum as a material for the battery, and liquid nitrogen (T = 77 K or -196 C) is proposed to be used as a cryogenic liquid for preliminary cooling of the cryo-accumulator. The use of this technical solution in the NMR method is hindered by the low specific heat of aluminum (cryoaccumulator material) at low temperatures necessary for the operation of a magnetic system from a high-temperature superconductor.

Сущность заявленного технического решения заключается в реализации скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа в поле сверхпроводящего магнита, с использованием криогенных технологий, а именно: магнитная система состоит из одного или двух соленоидов с намоткой из высокотемпературного сверхпроводника, помещенного в криостат, работающий по принципу криоаккумулятора. Магнитная система перед опусканием в скважину предварительно охлаждается до температур жидкого гелия (около -269 ⁰С или 4 К), магнитное поле замораживается с помощью сверхпроводящего ключа, также изготовленного из высокотемпературного сверхпроводника, жидкий гелий извлекается из системы, криостат вакуумируется и опускается в скважину.The essence of the claimed technical solution lies in the implementation of a downhole nuclear magnetic logging tool in the field of a superconducting magnet using cryogenic technologies, namely: the magnetic system consists of one or two solenoids with winding from a high-temperature superconductor placed in a cryostat operating on the principle of a cryo-accumulator. Before being lowered into the well, the magnetic system is pre-cooled to the temperatures of liquid helium (about -269 ⁰ С or 4 K), the magnetic field is frozen using a superconducting key, also made of a high-temperature superconductor, liquid helium is removed from the system, the cryostat is evacuated and lowered into the well.

Существенным отличием заявленного способа от наиболее близких аналогов является:A significant difference of the claimed method from the closest analogues is:

- отсутствие криогенных жидкостей в процессе каротажа (что исключает проблемы с утилизацией испаряющегося хладагента),- the absence of cryogenic fluids during the logging process (which eliminates the problems with the disposal of evaporating refrigerant),

- температура криогенной магнитной системы находится в пределах 4-20 К в течение времени, необходимого для цикла измерений (5 часов), что обеспечивает возможность создания напряженности магнитного поля, превышающего в 3-5 раз реально используемых в каротаже.- the temperature of the cryogenic magnetic system is in the range of 4-20 K for the time required for the measurement cycle (5 hours), which makes it possible to create a magnetic field strength exceeding 3-5 times actually used in logging.

Целью заявленного технического решения является создание магнитного поля за пределами скважины в 3-5 раз превышающего современные аналоги, что обеспечивает возможность:The purpose of the claimed technical solution is to create a magnetic field outside the well 3-5 times higher than modern analogues, which makes it possible:

- увеличения глубинности (удаления от оси скважины) исследований в 3-5 раз (от 0,15 м у известных заявителю образцов техники до 0,5 м. в заявленном техническом решении).- increasing the depth (distance from the axis of the well) of research by 3-5 times (from 0.15 m in the known samples of equipment to 0.5 m in the claimed technical solution).

- значительное повышение точности измерений контролируемых параметров.- a significant increase in the accuracy of measurements of controlled parameters.

- значительное повышения уровня безопасности выполнения работ, за счет отсутствия криогенной жидкости не посредственно в процессе проведения каротажа.- a significant increase in the safety level of work due to the lack of cryogenic fluid directly in the process of logging.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами. Таблицей и Фиг.1., Фиг.2., Фиг.3., Фиг.4.The claimed technical solution is illustrated by the following materials. Table and Fig. 1., Fig. 2., Fig. 3., Fig. 4.

На Фиг.1 показана зависимость теплоемкости от температуры для некоторых металлов.Figure 1 shows the dependence of heat capacity on temperature for some metals.

На Фиг.2 показана зависимость удельной теплоемкости от температуры для некоторых металлов в диапазоне от 4 до 35 К.Figure 2 shows the dependence of specific heat on temperature for some metals in the range from 4 to 35 K.

На Фиг.3 показана зависимость температуры металлического образца массой 20 кг от температуры (расчет).Figure 3 shows the temperature dependence of a metal sample weighing 20 kg from temperature (calculation).

На Фиг.4 показана зависимость температуры металлического образца из свинца массой 2.8 кг от времени, предварительно охлажденного до температуры 7 К.Figure 4 shows the dependence of the temperature of a metal sample of lead weighing 2.8 kg on time, pre-cooled to a temperature of 7 K.

В качестве материала для криоаккумулятора предлагается использовать вещество с наиболее низкой температурой Дебая. В таблице 1 приведены значения температур Дебая для различных веществ.It is proposed to use a substance with the lowest Debye temperature as a material for the cryo-accumulator. Table 1 shows the Debye temperatures for various substances.

Из таблицы видно, что из всех приведенных веществ минимальное значение температуры Дебая имеет свинец. Это говорит о том, что свинец будет иметь наибольшую теплоемкость при низких температурах. Это подтверждается справочными данными [М.П.Малков, И.Б.Данилов, А.Г.Зельдович, А.Б.Фрадков, Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения - госэнергоиздат: 1963], которые суммированы на Фиг.1. и Фиг.2. Из Фиг.1. и Фиг.2. также видно, что наибольшей теплоемкостью при низких температурах обладает свинец. Соответственно, криоаккумулятор из свинца будет иметь наибольшее время отогрева.The table shows that of all the substances listed, the minimum Debye temperature has lead. This suggests that lead will have the greatest heat capacity at low temperatures. This is confirmed by reference data [M.P. Malkov, IB.Danilov, A.G. Zeldovich, A.B.Fradkov, Handbook of the physical and technical foundations of deep cooling - state energy issue: 1963], which are summarized in Figure 1. and FIG. 2. From Figure 1. and FIG. 2. it is also seen that lead has the highest heat capacity at low temperatures. Accordingly, a lead cryo-accumulator will have the longest heating time.

Был произведен расчет времени отогрева некоторых металлов при низких температурах. При этом теплоприток был взят равным Р = 0,3 Вт, что соответствует теплопритоку в типичных гелиевых криостатах.A calculation was made of the heating time of some metals at low temperatures. In this case, the heat gain was taken equal to P = 0.3 W, which corresponds to the heat gain in typical helium cryostats.

Из Фиг.3. видно, что 20 кг металлического образца из свинца отогреваются до 20 К примерно за 5,5 часов. Данных условий должно быть достаточно для функционирования магнитной системы ЯМК из высокотемпературного сверхпроводника в течение 5 часов, создающей магнитное поле за пределами скважины в 3-5 раз превышающее современные работающие приборы ЯМК.From Figure 3. it can be seen that 20 kg of a metal sample of lead are heated to 20 K in about 5.5 hours. These conditions should be sufficient for the functioning of the NMR magnetic system from a high-temperature superconductor for 5 hours, creating a magnetic field outside the well 3-5 times higher than modern working NMR devices.

Более того, учитывая высокую плотность свинца (20 кг соответствуют свинцовому цилиндру с диаметром основания 10 см и высотой примерно 22 см), предлагается из свинца делать основу для сверхпроводящего соленоида.Moreover, given the high density of lead (20 kg corresponds to a lead cylinder with a base diameter of 10 cm and a height of about 22 cm), it is proposed to make the basis of lead for a superconducting solenoid.

Пример возможности реализации принципа, заложенного в заявленное техническое решение.An example of the possibility of implementing the principle embodied in the claimed technical solution.

Ключевым моментом в реализации заявленного технического решения является возможность сохранения температуры сверхпроводящего соленоида в заданных пределах (4-20 К) в течение времени, достаточного для проведения каротажа. В специально поставленном эксперименте металлический образец из свинца массой 2,8 кг был помещен в криостат (сосуд дьюара), охлажден до температуры 4 К жидким гелием, после откачки которого механическим форвакуумным насосом до давления 10^-2 мБар измерялась зависимость температуры образца от времени. На Фиг.4. представлена измеренная зависимость, из которой видно, что образец остается в заданных пределах по температуре (4-20 К) в течение 45 минут. Если увеличить массу образца до 20 кг и считать теплоприток неизменным мы получим время отогрева около 5,5 часов, что соответствует ранее приведенным теоретическим оценкам и расчетам (Фиг.3.) и экспериментально доказывает возможность реализации заявленного технического решения.The key point in the implementation of the claimed technical solution is the ability to maintain the temperature of the superconducting solenoid in predetermined limits (4-20 K) for a time sufficient for logging. In a specially set experiment, a metal sample of lead weighing 2.8 kg was placed in a cryostat (dewar vessel), cooled to 4 K with liquid helium, after which it was pumped out by a mechanical forevacuum pump to a pressure of 10 ^-2 mbar, the time dependence of the temperature of the sample was measured. Figure 4. The measured dependence is presented, from which it can be seen that the sample remains within specified limits in temperature (4–20 K) for 45 minutes. If we increase the mass of the sample to 20 kg and assume the heat gain is constant, we get a heating time of about 5.5 hours, which corresponds to the previously given theoretical estimates and calculations (Figure 3.) and experimentally proves the feasibility of implementing the claimed technical solution.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как в результате исследований не обнаружены технические решения, обладающие совокупностью заявленных признаков, приводящих к реализации поставленных целей.The claimed technical solution meets the criterion of "novelty" presented to the invention, since as a result of research no technical solutions have been found that have a combination of the claimed features leading to the implementation of the goals.

Доказательством соответствия заявленного решения критерию «промышленная применимость» является приведенный заявителем пример(таблица и Фиг.1-Фиг.4).Основа заявленного технического решения экспериментально продемонстрирована в лабораторных условиях Казанского (Приволжского) федерального университета. Экспериментально показана возможность поддержания низкой температуры в пределах 4-20 К в течение времени достаточного для проведения каротажа реальных скважин.The proof of compliance of the claimed solution with the criterion of "industrial applicability" is an example cited by the applicant (table and Figure 1-Figure 4). The basis of the claimed technical solution is experimentally demonstrated in the laboratory conditions of the Kazan (Volga) Federal University. It has been experimentally shown that it is possible to maintain a low temperature within 4-20 K for a time sufficient to carry out logging of real wells.

ТаблицаTable Магнитная система для ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий(3начения температур Дебая для различных веществ)Magnetic system for nuclear magnetic logging using cryogenic technologies (3 values of Debye temperatures for various substances) ВеществоSubstance θ_D, Kθ _D, K АлмазDiamond 18601860 КремнийSilicon 647647 ЖелезоIron 420420 АлюминийAluminum 390390 МедьCopper 315315 ГерманийGermanium 290290 СереброSilver 215215 СвинецLead 8888

Claims

A magnetic system for a cryogenic technology downhole nuclear magnetic logging tool in which the low temperature necessary to maintain the superconducting solenoid is maintained by using a material with high specific heat at low temperatures.