устройство ядерно-магнитного резонанса в поле земли для исследования полноразмерных кернов

Формула изобретения

1. Устройство ядерно-магнитного резонанса для исследования керна, содержащее источник постоянного тока, приемник сигналов, катушку индуктивности, соединенную с источником постоянного тока, и блок управления, отличающееся тем, что в него введена, по меньшей мере, одна дополнительная катушка индуктивности, включенная параллельно основной, и катушки подсоединены через коммутатор ко входу дифференциального усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катушки имеют соленоидальную намотку и диаметр не менее 120 мм для возможности исследования полноразмерных образцов керна.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что катушки имеют секционную намотку и включены параллельно и соединены со входом дифференциального усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам ЯМР, в частности по методу регистрации сигнала свободной прецессии в магнитном поле Земли для исследования образцов керна бурящихся нефтяных, газовых и гидрогеологических скважин.

Известно высокочастотное устройство для ядерно-магнитного каротажа "A large-inductance, high frequency, high-Q, series-tuned for NMR. Cook Bruce, Lowe I.J. "J.Magn.Reson.", 1982, 49, № 2, с.346-349 (РЖ "Физика", № 2, 1983).

Основным недостатком данного устройства является большая величина помехи, поэтому выделение полезного сигнала на ее фоне сопровождается большими погрешностями.

Известно устройство ЯМР-катушки с параллельным соединением секций для работы на высоких частотах или для работы с образцами большого объема (Roeder Stephem B.W., Fukushima Eiichi, Gibson Atholl A.V. "J. Magn. Reson" (РЖ "Физика", 1985, № 3).

Данное устройство относится к другой модификации ЯМР, а именно к импульсным устройствам, в которых в качестве возбуждающего поля используются радиочастотные импульсы высокой частоты.

Известно устройство для анализа кернов, извлеченных из испытательных скважин, в частности анализа сплошного цилиндрического керна больших размеров как, например, керна, добытого на месте расположения скважины. Генерируются диаграммы каротажа пористости сплошного керна с использованием ЯМР. Керн, содержащий природные флюиды, перемещается между полюсами магнита для ЯМР-анализа. ЯМР измеряет пористость и предпочтительно нефтенасыщенность и водонасыщенность и даже распределение пористости в породе-коллекторе на расстояниях вдоль керна. Конвейер керна, ЯМР, сбор данных и отображение управляются процессором. Керн, содержащий природные флюиды, перемещается между полюсами магнита для ЯМР-анализа (US 4885540, опубл. 1989).

Также известно устройство US 5525904 для контроля характеристик кернов с использованием ЯМР. Предусматривается устройство с постоянным магнитом для генерирования магнитного поля, имеющее седлообразный профиль. Подчеркнуто, что каждый керн имеет диаметр от 2 до 3,5 дюймов (от 5,08 до 8,89 см).

Данные устройства относятся к другой модификации ядерно-магнитного резонанса, а именно с использованием постоянного магнита, т.е. модификации сильного поля, а не слабого поля Земли. Основным недостатком таких устройств является то, что в качестве источника поляризующего поля используется постоянный магнит, имеющий значительный вес (около 200 кг), и сопутствующее оборудование для передвижения керна, а также такие устройства имеют внушительные габариты (могут достигать кубометров). Стоимость подобных магнитов составляет порядка 1 млн руб. К тому же, данные устройства не позволяют исследовать образцы керна большого диаметра (от 100 до 120 мм).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство возбуждения сигналов ядерного магнитного резонанса в слабом магнитном поле, содержащее генератор радиочастотных импульсов, приемный контур, источник поляризующего магнитного поля, приемник сигналов, измеритель разности фаз, подключенный первым входом к выходу генератора радиочастотных импульсов, вычислительный блок, подключенный к выходу измерителя разности фаз, также в него дополнительно введены ключ, схема сравнения и блок управления, а источник поляризующего магнитного поля выполнен в виде поляризующей катушки с управляемым источником тока (авт. св. 1293595, 1985).

Однако такое устройство не позволяет проводить исследования образцов полноразмерного керна. Кроме того, надежность и точность такого устройства недостаточно высокая, так как оно направлено на экспрессность исследований.

Задачей изобретения является создание малогабаритного мобильного и недорогого устройства ядерно-магнитного резонанса в модификации поля Земли с увеличенной чувствительностью для исследования образцов полноразмерного керна диаметром до 120 мм.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании малогабаритной установки для исследования, которая позволит определять свойства образцов керна большого диаметра, а также в повышении общей добротности измерительного тракта и снижении уровня помех, повышении надежности и точности замера сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве ядерно-магнитного резонанса для исследования керна, содержащем источник постоянного тока, приемник сигналов, катушку индуктивности, соединенную с источником постоянного тока, и блок управления, в него введена, по меньшей мере, одна дополнительная катушка индуктивности, включенная параллельно основной, и катушки подсоединены через коммутатор ко входу дифференциального усилителя.

Катушки имеют соленоидальную намотку и диаметр не менее 120 мм для возможности исследования полноразмерных образцов керна.

Катушки имеют секционную намотку и включены параллельно и соединены со входом дифференциального усилителя.

Для достижения технического результата в предлагаемом устройстве катушки имеют секционную намотку для повышения общей добротности, включены параллельно и подаются на вход дифференциального усилителя.

Одно из главных преимуществ заявляемого изобретения это возможность исследовать полноразмерный керн размером до 120 мм, которая достигается за счет увеличения диаметра соленоида, то есть основной катушки. Увеличение диаметра катушки может привести к увеличению собственных шумов катушки и устройства в целом. Введение дополнительной катушки снижает уровень помех и увеличивает соотношение сигнал/помеха, что повышает надежность и точность замера сигнала.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства ядерно-магнитного резонанса.

Устройство содержит электронный блок 2 и зонд 1, состоящий из катушек индуктивности L1 и L2 для поляризации и приема сигналов, подключаемые через коммутатор 3 либо к источнику постоянного тока 5, либо к дифференциальному усилителю 4, и блок регистрации 6.

Работает устройство следующим образом.

Образец керна помещается в отверстие основной катушки L1, имеющей соленоидальную намотку. Сначала коммутатор 3 подсоединяет основную катушку L1 к источнику постоянного тока 5, и через основную катушку L1 протекает постоянный ток, тем самым образец намагничивается. После окончания поляризации происходит измерение сигнала свободной прецессии от образца керна. Основная L1 и дополнительная L2 катушки соединяются параллельно и с помощью коммутатора 3 подсоединяются на вход дифференциального усилителя 4. Сигнал регистрируется основной катушкой L1. Электрические параметры дополнительной катушки L2 такие же, как у основной. Шум, наводимый в дополнительной катушке L2 по свойству дифференциального входа усилителя синфазно складывается с шумом, который присутствует в основной катушке L1 вместе с полезным сигналом от природного флюида в образце керна. Происходит компенсация внешней помехи (шума), то есть помеха значительно снижается, и выделение полезного сигнала происходит наиболее эффективно. Тем самым происходит значительное увеличение чувствительности устройства и, как следствие, точность определения ЯМР-свойств образца.

Конструктивно зонд выполнен в виде небольшого ящика, в который вставлены два цилиндрических полых стакана. На каждый из стаканов нанизаны восемь секций каждой катушки. Внутрь одного из стаканов вставляется образец керна для исследования. Второй датчик используется для компенсации внешней помехи. Зонд экранированным кабелем соединен с электронным блоком, и далее по кабелю информация передается на регистрирующий блок 6.

Исследования в данной области подтверждают новизну предлагаемого изобретения, поскольку устройств, позволяющих проводить исследования полноразмерного керна (до 120 мм), не существует, как в сильном поле, так и в слабом поле Земли.

Предлагаемое устройство ядерно-магнитного резонанса в поле Земли для исследования полноразмерного керна может эксплуатироваться совместно с каротажной станцией, в состав которой входит аппаратура ядерно-магнитного каротажа ЯК8, выпускаемая в ООО "ТНГ-Групп", источники питания, регистратор, ГИК-1. Мобильное устройство для исследования керна методом ядерно-магнитного резонанса в модификации поля Земли позволяет получить релаксационные и фильтрационно-емкостные свойства полноразмерного (диаметром до 120 мм), только что извлеченного керна непосредственно на буровой. Измерения, проводимые на скважине, повышают достоверность и оперативность получаемой информации, так как исключают разрушения образца керна, а также время на доставку и ожидание лабораторного исследования. Изначальные характеристики образцов керна при этом остаются неизменными.

Таким устройством непосредственно на скважине исследованы образцы свежевыбуренного полноразмерного (100 мм) керна, взятого из скважины на территории Азнакаевской площади Татарстана.