способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления
Классы МПК: | G01V3/32 с использованием электронного или ядерного магнитного резонанса G01R33/20 с применением магнитного резонанса |
Автор(ы): | Митюшин Е.М., Барляев В.Ю., Хаматдинов Р.Т. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество закрытого типа Научно-производственная фирма по геофизическим и геоэкологическим работам "Каротаж" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-01-19 публикация патента:
27.04.2002 |
Изобретение относится к геофизическим методам исследований скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу. Способ каротажа включает генерирование статического магнитного поля вблизи скважины с помощью постоянного магнита с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно оси магнита, генерирование радиочастотного поля в вышеупомянутой области в направлении, перпендикулярном как вышеупомянутой оси, так и статическому магнитному полю, и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса. Дополнительно генерируют поле, компенсирующее радиочастотное поле в области магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала. Устройство для каротажа содержит длинный магнит, намагниченный перпендикулярно его длинной оси, радиочастотную катушку. Витки катушки лежат в плоскостях, параллельных длинной оси магнита и направлению его намагниченности, согласующее устройство, генератор радиоимпульсов и приемник сигналов ядерно-магнитного резонанса, причем на первый вход согласующего устройства подключено начало радиочастотной катушки, соединенной с первым входом согласующего устройства, на второй вход которого подключен выход генератора радиоимпульсов. Выход согласующего устройства соединен со входом приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса. Магнит выполнен из проводящего редкоземельного материала в виде длинного параллелепипеда, намагниченного перпендикулярно его широкой боковой поверхности. Ширина магнита не менее чем в два раза больше его узкой стороны. Радиочастотная катушка намотана на цилиндре, диаметр которого не менее диагонали поперечного сечения магнита, находящегося внутри цилиндра. Витки катушки лежат в плоскостях, параллельных продольной оси магнита и перпендикулярных его узкой стороне в симметричных секторах, находящихся напротив широкой боковой поверхности магнита. Магнит снабжен компенсирующим устройством, которое представляет собой либо катушку, начало которой соединено с общей точкой согласующего устройства, а конец - с концом радиочастотной катушки, причем отношение числа витков радиочастотной и компенсирующей катушек равно отношению диаметра радиочастотной катушки и толщины магнита, либо короткозамкнутый виток, выполненный из материала с высокой проводимостью. Технический результат - повышение чувствительности и глубинности исследования зондами малого диаметра. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, включающий генерирование статического магнитного поля вблизи скважины с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита с направлением намагничивания, проходящим в основном перпендикулярно продольной оси магнита, генерирование радиочастотного поля в вышеупомянутой области в направлении, перпендикулярном как продольной оси магнита, так и статическому магнитному полю и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса, отличающийся тем, что генерирование статического магнитного поля осуществляют с помощью магнита из проводящего редкоземельного материала и дополнительно генерируют поле, компенсирующее радиочастотное поле в области магнита. 2. Устройство для каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, содержащее, по крайней мере, один удлиненный магнит, намагниченный перпендикулярно его продольной оси и, по крайней мере, одну радиочастотную катушку, при этом витки катушки лежат в плоскостях, параллельных продольной оси магнита и направлению его намагниченности, согласующее устройство, генератор радиоимпульсов и приемник сигналов ядерно-магнитного резонанса, причем радиочастотная катушка соединена с первым входом согласующего устройства, на второй вход которого подключен генератор радиоимпульсов, а выход согласующего устройства соединен со входом приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса, отличающееся тем, что магнит выполнен из проводящего редкоземельного материала в виде удлиненного параллелепипеда, намагниченного перпендикулярно его широкой боковой поверхности, причем ширина магнита не менее чем в два раза больше его узкой стороны, а радиочастотная катушка намотана на цилиндрический каркас, диаметр которого не менее диагонали поперечного сечения магнита, находящегося внутри цилиндрического каркаса, причем витки катушки расположены в симметричных секторах, находящихся напротив широкой боковой поверхности магнита, а магнит снабжен устройством, компенсирующим радиочастотное поле в области магнита. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что устройство, компенсирующее радиочастотное поле в области магнита, представляет собой катушку, намотанную на магнит, витки которой лежат в плоскостях, параллельных узкой стороне магнита, при этом начало компенсирующей катушки подключено к общей точке согласующего устройства, конец соединен с концом радиочастотной катушки, а отношение числа витков радиочастотной и компенсирующей катушек равно отношению диаметра радиочастотной катушки и толщины магнита. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что компенсирующее устройство представляет собой короткозамкнутый виток, выполненный из материала с высокой проводимостью.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу (ЯМК), применяемому для исследования нефтяных и газовых скважин. Известны способы ядерно-магнитного каротажа, использующие сильные соленоидальные магниты для генерирования статического магнитного поля в области находящейся вблизи стенки скважины, генерирование радиочастотного поля в этой области, в основном перпендикулярное статическому магнитному полю, и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса [1, 2]. Однако эти способы не нашли широкого применения. Известен способ ядерно-магнитного каротажа, включающий генерирование с помощью системы фокусирующих магнитов однородного статического магнитного поля в области, находящейся напротив системы магнитов в непосредственной близости от стенки скважины, генерирование радиочастотного поля в этой области, причем направление радиочастотного поля в основном перпендикулярно статическому магнитному полю, и прием сигнала ядерно-магнитного резонанса из указанной области [3]. Недостатком данного способа является малая глубинность зоны исследования, которая находится на расстоянии порядка 3 см от стенки зонда. В скважинах, имеющих каверны, область исследования попадает в область скважины, что приводит к появлению ложных результатов. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ ядерно-магнитного каротажа, включающий генерирование градиентного статического магнитного поля вблизи скважины в области, подлежащей анализу, с помощью, по крайней мере, одного магнита с длинной продольной осью и направлением намагничивания, проходящим в основном перпендикулярно вышеупомянутой оси, генерирование радиочастотного поля, для возбуждения ядер атомов анализируемого материала в вышеупомянутой области, с помощью, по крайней мере, одной катушки, навитой таким образом, что витки катушки лежат в плоскостях, в основном параллельных вышеупомянутому направлению намагничивания и вышеупомянутой продольной оси и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса от возбуждаемых ядер для получения информации о свойствах анализируемого материала [4, пп. 1, 6]. Устройство по этому способу состоит из круглого цилиндрического магнита, выполненного из феррита и намагниченного перпендикулярно его длинной оси, и радиочастотной катушки, навитой непосредственно на магнит, причем витки катушки в основном лежат в плоскости, проходящей через ось магнита и направление его намагниченности [4, пп. 14, 15, 16], генератора радиоимпульсов, приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса и согласующего устройства, на первый вход которого подключено начало радиочастотной катушки, конец которой соединен с общей точкой согласующего устройства, на второй вход которого подключен выход генератора радиоимпульсов, а выход согласующего устройства соединен с входом приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса [4, фиг. 4] . Достоинством данного способа и устройства является то, что зона исследования лежит в тонкой (порядка 1 мм) цилиндрической области, коаксиальной с осью зонда на значительном расстоянии от его оси. У зонда с диаметром 152 мм зона исследования находится на расстоянии 175 мм от его оси и практически никогда не попадает в область скважины со стандартным диаметром 200 мм [5]. Недостатком является то, что с уменьшением диаметра зонда, например до 114 мм, уменьшается чувствительность зонда и радиус зоны исследования, что позволяет работать только в скважинах малого диаметра [5]. Этот недостаток обусловлен тем, что в устройстве-прототипе [4] использован ферритовый непроводящий магнит круглой цилиндрической формы, а радиочастотная катушка намотана непосредственно на поверхность магнита [4, пп. 14, 15, 16]. Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и глубинности исследования при ядерно-магнитном каротаже зондами малого диаметра. Поставленная цель достигается тем, что в способе ядерно-магнитного каротажа, включающем генерирование статического магнитного поля вблизи скважины, в области, подлежащей анализу, с помощью одного или нескольких магнитов с длинной продольной осью и направлением намагничивания, проходящим в основном перпендикулярно вышеупомянутой оси, генерирование возбуждающего радиочастотного поля в вышеупомянутой области в направлении, перпендикулярном как вышеупомянутой оси, так и статическому магнитному полю, и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса от возбуждаемых ядер дополнительно генерируется радиочастотное поле, компенсирующее возбуждающее радиочастотное поле в области магнита. Кроме того, в устройстве ядерно-магнитного каротажа, состоящем, по крайней мере, из одного длинного магнита, намагниченного перпендикулярно длинной оси, и радиочастотной катушки, создающей поле, перпендикулярное полю магнита, генератора радиоимпульсов, приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса и согласующего устройства, на первый вход которого подключено начало радиочастотной катушки, конец которой соединен с общей точкой согласующего устройства, на второй вход которого подключен выход генератора радиоимпульсов, а выход согласующего устройства соединен с входом приемника сигналов ядерно-магнитного резонанса, магнит выполнен из проводящего редкоземельного материала в виде длинного параллелепипеда, намагниченного перпендикулярно его длинной оси и широкой боковой поверхности, причем ширина магнита в два раза больше его узкой стороны, а радиочастотная катушка намотана на цилиндре, диаметр которого не менее диагонали поперечного сечения магнита, находящегося внутри цилиндра, причем витки катушки лежат в плоскостях, параллельных длинной оси магнита и перпендикулярных его узкой стороне в симметричных секторах, находящихся напротив широкой боковой поверхности магнита, а вдоль широких боковых поверхностей магнита параллельно его длинной оси размещено компенсирующее устройство. Кроме того, компенсирующее устройство представляет собой катушку, начало которой соединено с общей точкой согласующего устройства, а конец - с концом радиочастотной катушки, причем отношение витков радиочастотной и компенсирующей катушек равно отношению диаметра радиочастотной катушки и толщины магнита. Кроме того, компенсирующее устройство представляет собой короткозамкнутый виток, выполненный из материала с удельным сопротивлением, меньшим 2,5![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-2t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-3t.gif)
где Hr, H
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181189/981.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181189/981.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181043/8805.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-4t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-5t.gif)
где h - узкая боковая поверхность магнита;
D - широкая боковая поверхность магнита;
Н0 - напряженность поля магнита на его узкой боковой поверхности. При широкой боковой поверхности, в 2 раза большей узкой, напряженность поля в зоне исследования будет в 2 раза больше, чем у круглого цилиндрического магнита с диаметром, равным узкой боковой поверхности. Аналогичную напряженность поля можно получить у круглого цилиндрического магнита с диаметром, в
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-6t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181078/948.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-7t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-8t.gif)
где H1r, H1
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181189/981.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181189/981.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-9t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181901/2181901-10t.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181078/948.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181026/176.gif)
на фиг. 1 изображена блок схема устройства ЯМК;
на фиг. 2 - общий вид зонда ЯМК;
на фиг. 3 - поперечное сечение зонда ЯМК;
на фиг. 4 - показаны изменения поля радиочастотной катушки, поля компенсирующей катушки и суммарного радиочастотного поля в зависимости от расстояния от узкой боковой поверхности магнита. На фиг. 5 показаны экспериментальные данные, полученные на частоте 500 кГц на радиочастотной катушке диаметром 100 мм имеющей 4 витка, внутрь которой вставлен магнит из NdFrВ различной толщины и этот же магнит с нанесенным на него экраном из различных материалов. Устройство ядерно-магнитного каротажа включает зонд ядерно-магнитного каротажа 1, согласующее устройство 2, генератор радиоимпульсов 3 и приемник 4. Зонд ядерно-магнитного каротажа 1 состоит из длинного магнита, выполненного в виде параллелепипеда 5 и намагниченного перпендикулярно его длинной оси и широкой стороне. Магнит вставлен в цилиндрический каркас 6, на который намотана обмотка радиочастотной катушки 7. Обмотка катушки находится в симметричных секторах по 120o, расположенных напротив широкой стороны магнита 5. Витки радиочастотной катушки 7 лежат в плоскостях, параллельных узкой стороне магнита 5. На магнит 5 намотана компенсирующая катушка 8, витки которой параллельны виткам радиочастотной катушки 7. Начало радиочастотной катушки 7 включено на первый вход согласующего устройства 2, а конец соединен с концом компенсирующей катушки 8, начало которой подключено к общей точке согласующего устройства 2. На второй вход согласующего устройства подключен выход генератора радиоимпульсов 3, а выход согласующего устройства соединен с входом приемника 4. Устройство ядерно-магнитного каротажа работает следующим образом. Магнит 5 генерирует плоскопараллельное статическое магнитное поле величины Н0 на расстоянии rгл от оси магнита. Величина поля Н0 постоянна по всей окружности радиуса rгл. Направление этого поля различно в различных точках окружности. Радиочастотная катушка 7 вместе с компенсирующей 8 генерируют суммарное плоскопараллельное радиочастотное поле Н1, которое на радиусе rгл имеет также постоянную величину. Направление радиочастотного поля Н1 в каждой точке окружности радиуса rгл перпендикулярно полю Н0. При совпадении частоты радиочастотного поля Н1 с частотой прецессии ядер водорода в поле Н0 в зоне исследования 9 наступает явление ядерно-магнитного резонанса. Сигнал ядерно-магнитного резонанса принимается на ту же радиочастотную катушку 7. Суммарное радиочастотное поле 10 складывается из поля, создаваемого радиочастотной катушкой 11 и компенсирующей катушкой 12. В области магнита радиочастотное поле отсутствует, а в зоне исследования 9 практически изменяется незначительно. Роль компенсирующей катушки может выполнять экран из материала с высокой проводимостью, нанесенный на поверхность магнита. Суммарное радиочастотное поле при этом изменяется по тому же закону, что и поле 10. Изменение добротности радиочастотной катушки в зависимости от материала экрана и его ширины показано на: 13 - магнит из NdFrВ без экрана; 14 - экран из стали с удельным сопротивлением 42
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
![способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления, патент № 2181901](/images/patents/289/2181001/8226.gif)
1. Патент США 3.667.035, кл. США 324/05, 1972 г. 2. Патент США 4.350.955, кл. США 324/303, 1982 г. 3. Патент США 5.055.787, кл. США 324/303,1991 г. 4. Патент США 4.710.713, кл. США 324/303, 1987 г. (прототип). 5. R. N. Сhаndlеr, Е.О. Drаk, М.N Мillеr, and М.G. Рrаmmеr. Imроvеd Lоg Quuаlitу With а Duаl-Frеguеnсу Руlsеd NМR Тооl. SРЕ 28365 Рrеsеntеd аt the 69th Аnnuаl Тесhniсаl Соnfеrеnсе аnd Ехibition of SРЕ, 1994. 6. В.А.Говорков. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968, 488. 7. R. V. Grесhishkin, L.Е. Аfаnаsievа, Yu.G. Раstushenkov аnd N.N. Маksimоv. Аnаlуsis of а linеаr роsition sensor with а Наll effect еlеmеnt. Меаs. Sci.Тесhnоl. (1994) Р. 853-860.
Класс G01V3/32 с использованием электронного или ядерного магнитного резонанса
Класс G01R33/20 с применением магнитного резонанса