способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления

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 2,510^-6 Ом/см.

Новым по отношению к прототипу в способе ядерно-магнитного каротажа является то, что предлагается скомпенсировать радиочастотное поле в области магнита, для чего дополнительно генерируется радиочастотное поле в области магнита, направленное встречно и равное по величине возбуждающему радиочастотному полю в области магнита.

Новым в конструкции устройства ядерно-магнитного каротажа является то, что 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, новым является то, что 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, новым является то, что компенсирующее устройство представляет собой короткозамкнутый виток, выполненный из материала с удельным сопротивлением, меньшим 2,510^-6 Ом/см.

Проведенные исследования известных в науке и технике решений, касающихся способов каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, и устройств для его осуществления показали, что идентичного решения нет.

В известных устройствах и наиболее близком прототипе [4] отсутствует дополнительное поле, компенсирующее радиочастотное поле в области магнита. Поэтому в пунктах формулы изобретения, касающихся устройства (см. пп. 14, 15, 16) и методов применения (пп. 19, 26), неоднократно подчеркивается, что магнит выполнен в виде круглого длинного цилиндра из феррита, обладающего "непроводящими" свойствами, а обмотка радиочастотной катушки навита непосредственно на магнит. Нарушение этих условий приводит к неработоспособности устройства.

Любые материалы, кроме диэлектриков, вставленные внутрь радиочастотной катушки приводят к потерям в радиочастотной катушке. Это проявляется в уменьшении добротности катушки на резонансной частоте и, в конечном счете, в уменьшении сигнал/шум на выходе устройства. Поэтому в устройстве-прототипе используется ферритовый магнит, обладающий "непроводящими" свойствами.

Так как ферритовый магнит обладает невысокой остаточной намагниченностью, то для получения максимальной напряженности поля его выполняют круглым.

Круглый длинный цилиндрический магнит создает статическое магнитное поле, напряженность и направление которого в каждой точке окружающего его пространства могут быть определены из следующего выражения [6, 7]:





где H_r, H- радиальная и тангенциальная составляющие поля магнита в точке с координатами r, в цилиндрической системе координат с осью, совпадающей с осью магнита; Н₀ - напряженность поля магнита радиуса R на его поверхности.

На расстоянии r2 R от оси поле магнита практически содержит только первую гармонику из выражения (1). Это поле однородно (по величине) в азимутальном направлении на фиксированном радиусе r_гл.

Величина Н₀ прямо пропорциональна величине остаточной намагниченности материала магнита В_r. Феррит имеет остаточную намагниченность В_r=3000-4000 Гс, редкоземельный материал NdFеВ В_r=10000-11000 Гс.

Для проведения ядерно-магнитного каротажа обычно выбирают зону исследования r_гл=170-180 мм от оси зонда с напряженностью поля в этой зоне порядка 165-170 Гс [5].

Для получения указанной напряженности в указанной зоне исследования необходим ферритовый магнит диаметром 120 мм. В то время как магнит, выполненный из NdFеВ, будет иметь диаметр 65-70 мм. Поэтому переход к магниту, выполненному из NdFеВ, создает предпосылки изготовить зонд ядерно-магнитного каротажа меньшего диаметра, не уменьшая радиуса зоны исследования.

Магнит, выполненный из феррита "непроводящий". Радиочастотная катушка, навитая на его поверхности, имеет добротность порядка 100 [5]. Магнит, выполненный из NdFеВ, больше проводит электрический ток и радиочастотная катушка, навитая на его поверхность, будет иметь добротность не более 20. Для того чтобы сократить потери в радиочастотной катушке необходимо уменьшить площадь поперечного сечения материала, вставленного внутрь радиочастотной катушки и пересекаемого электромагнитным потоком радиочастотной катушки, и исключить радиочастотное поле в области материала, вставленного внутрь катушки.

Предложенный новый способ и устройство ядерно-магнитного каротажа позволяют решить эти задачи.

Чтобы исключить дополнительные потери, вызванные изменением материала магнита, предлагается скомпенсировать радиочастотное поле в области магнита.

Однако компенсация поля в области магнита приводит к уменьшению возбуждающего радиочастотного поля в области анализируемого вещества. При равенстве радиусов радиочастотной и компенсирующей катушек поля в области магнита не будет, но и не будет поля в зоне исследования. Необходимо стремиться уменьшить сечение магнита, которое пересекается радиочастотным полем, по сравнению с радиусом радиочастотной катушки.

Для этого в предлагаемом изобретении предлагается изменить форму магнита. Магнит выполнить более тонким в плоскости, перпендикулярной направлению потока радиочастотной катушки, и более широким в направлении намагниченности магнита.

Поле магнита, выполненного в виде длинного параллелепипеда, описывается выражением аналогичным (1). Однако перед каждым из членов ряда (1) появляются коэффициенты формы, зависящие от соотношения широкой и узкой сторон магнита. Для первой гармоники поля, которая представляет для нас интерес, на расстоянии r=r_гл это соотношение имеет следующий вид:





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 раз большим, чем ширина узкой боковой поверхности прямоугольного магнита из этого же материала.

Таким образом, если магнит из NdFеВ выполнить в виде параллелепипеда с узкой стороной 40 мм, широкой стороной 80 мм, с длинной продольной осью 1000 мм и намагнитить его перпендикулярно длинной оси и широкой стороне, то такой магнит будет иметь в зоне исследования r_гл=170-180 мм поле, аналогичное круглому цилиндрическому магниту из феррита диаметром 120 мм такой же длины.

Радиочастотная катушка у зонда с магнитом в виде параллелепипеда, выполняется на цилиндре, диаметр которого не менее диагонали поперечного сечения прямоугольного магнита. Витки катушки располагаются по образующей цилиндра вдоль его длинной оси в симметричных секторах с углом 2, расположенных напротив широкой стороны прямоугольного магнита.

Напряженность и направление поля радиочастотной катушки может быть определено из выражения, аналогичного (1):





где H1_r, H1- радиальная и тангенциальная составляющие напряженности радиочастотного поля в точке с координатами r, в цилиндрической системе координат с осью, совпадающей с осью магнита.

Направление поля радиочастотной катушки во всех точках окружающего пространства повернуто на 90^o по отношению к полю магнита.

Н1₀- напряженность радиочастотного поля на стенке радиочастотной катушки.

плотность тока через радиочастотную катушку радиуса R с количеством витков W.

Наиболее эффективно радиочастотная катушка работает при распределении витков по цилиндру в секторе 120^o. При 2 = 120 вторая гармоника в выражении (3) равна нулю.

Поэтому радиочастотное поле в азимутальном направлении на радиусе зоны исследования r_гл практически однородно. Кроме того, энергия, поступающая от генератора радиоимпульсов, в основном тратится на создание первой - полезной гармоники радиочастотного поля.

При помещении внутрь радиочастотной катушки плоского магнита и цилиндрического магнита с диаметром, равным узкой стороне плоского магнита, потери в радиочастотной катушке будут одинаковы. Напряженность поля у плоского магнита в два раза больше.

Разница в диаметре радиочастотной катушки и толщине плоского магнита позволяет использовать компенсирующую катушку, которую навивают непосредственно на магнит в плоскости, параллельной его узкой стороне. Компенсирующую катушку включают встречно с основной - радиочастотной. При этом для полной компенсации радиочастотного поля в области магнита, как это следует из выражения (4), отношение витков компенсирующей катушки и радиочастотной должно быть равно отношению их радиусов. Отсутствие радиочастотного поля в области магнита приводит к отсутствию потерь в радиочастотной катушке, вызванных наличием внутри нее магнита. Напряженность полезного радиочастотного поля в зоне исследования при этом уменьшается незначительно, как это показано на фиг. 4. Например, если толщина магнита 40 мм, а диаметр радиочастотной катушки 100 мм, то радиочастотное поле в рабочей зоне зонда упадет всего на 16%.

Предложенное устройство для компенсации потерь в радиочастотной катушке работает эффективно, однако в ряде случаев не технологично. При больших частотах, на которых используется зонд ЯМК, количество витков в радиочастотной катушке мало. Поэтому трудно подобрать витки компенсирующей катушки. В этом случае на магнит надевают короткозамкнутый виток. Роль короткозамкнутого витка выполняет экран из материала с высокой проводимостью, нанесенный на поверхность магнита. Например, экран из медной фольги. Данное утверждение подтверждено экспериментальными данными, приведенными на фиг. 5. По своей физической сущности экран работает аналогично компенсирующей катушке. В экране наводятся токи от радиочастотной катушки, которые компенсируют радиочастотное поле в области магнита.

Таким образом, совокупность признаков изменения формы и материала магнита, конструкция радиочастотной катушки, введение компенсирующего устройства позволяет получить новое качество, заключающееся в том, что при меньшем диаметре зонда зона исследования и чувствительность прибора остаются неизменными.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что заявляемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень и может применяться при производстве зондов ядерно-магнитного каротажа.

Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, где:

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 120^o, 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 r_гл от оси магнита. Величина поля Н0 постоянна по всей окружности радиуса r_гл. Направление этого поля различно в различных точках окружности. Радиочастотная катушка 7 вместе с компенсирующей 8 генерируют суммарное плоскопараллельное радиочастотное поле Н1, которое на радиусе r_гл имеет также постоянную величину. Направление радиочастотного поля Н1 в каждой точке окружности радиуса r_гл 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 4210^-6 Ом/см; 15 - экран из алюминия 2,510^-6 Ом/см; 16 - экран из меди 1,5510^-6 Ом/см.

Как видно из рисунка, самые малые изменения добротности происходят при помещении внутрь катушки материала с удельным сопротивлением меньше чем 2,510^-6 Ом/см, а самые большие при помещении внутрь катушки магнита из NdFrВ без экрана. Если покрыть магнит из NdFrВ медной фольгой, то радиочастотная катушка будет чувствовать только медную фольгу.

Отсутствие радиочастотного поля в области магнита позволяет использовать для магнита любые материалы, в том числе и проводящие редкоземельные, например NdFrВ. Т. к. редкоземельные магниты обладают существенно большей остаточной намагниченностью по сравнению с ферритом, то зонд ЯМК можно выполнить меньшего диаметра, сохранив при этом неизменным радиус исследования.

Источники информации

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 69^th 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.