專利名稱：隨鉆核磁共振測井儀探頭及隨鉆核磁共振測井儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核磁共振測井技術(shù)，尤其涉及一種隨鉆核磁共振測井儀探頭及隨鉆核磁共振測井儀。
背景技術(shù)：
隨鉆核磁共振測井儀是利用核磁共振原理測量油井周圍的地層情況，從而探測地層中與油氣特征相關(guān)的信息，其主要通過探頭形成磁場并采集共振信號，進(jìn)而根據(jù)共振信號對賦存在地層巖石孔隙中的流體進(jìn)行分析，以直接測量儲層流體中氫核的密度，并可將利用核磁共振信號獲得的核磁數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為視含水孔隙度，還可以確定儲層中不同流體的存在、含量及流體的相關(guān)特性。 其中，探頭是在油氣井下激發(fā)核磁共振現(xiàn)象和接收核磁共振信號的關(guān)鍵部件，探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了測井儀的測量方式、產(chǎn)生核磁共振的共振區(qū)域及核磁共振信號強(qiáng)度等關(guān)鍵性能。探頭主要包括磁體和天線，磁體用于在井眼周圍的地層中產(chǎn)生靜磁場，以對地層中的液態(tài)油氣水中的氫原子進(jìn)行激發(fā)；天線用于向地層發(fā)射射頻脈沖以形成脈沖磁場，通過該脈沖磁場激發(fā)地層中已經(jīng)被所述靜磁場極化的氫原子產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，同時還用于接收和采集地層的氫原子產(chǎn)生的核磁共振信號。圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的隨鉆核磁共振測井儀探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖I所示，該探頭主要包括上下相對設(shè)置的兩個主磁體11，設(shè)置在兩個主磁體11之間的天線12，以及用于容置并固定主磁體11和天線12的探頭骨架；其中，主磁體11呈圓環(huán)狀，且兩主磁體11的同極相對。這種結(jié)構(gòu)下，主磁體11形成的靜磁場Btl的方向和天線發(fā)射射頻脈沖所形成的脈沖磁場B1的方向在探頭中間位置的橫截面上互相垂直(Btl垂直于B1核磁共振的必要激發(fā)條件之一)，即，在地層對應(yīng)該位置處形成環(huán)形的、可產(chǎn)生核磁共振的敏感區(qū)域M?，F(xiàn)有技術(shù)的這種探頭的靜磁場強(qiáng)度較低，其產(chǎn)生核磁共振的共振頻率也較低，從而導(dǎo)致信號強(qiáng)度不夠高，另外，由于主磁體和天線的設(shè)置方式使得敏感區(qū)域M在垂向上的高度較小，一般為20 25. 5mm,而在測量過程中每組信號的采集需要經(jīng)歷一個3 5秒的測量周期，而同時探頭是持續(xù)鉆進(jìn)的，從而使在這個測量周期內(nèi)，敏感區(qū)域M的位置切換過于頻繁，導(dǎo)致了測量結(jié)果的信噪比較低(研究表明，信噪比與敏感區(qū)域高度成正比)，影響測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提供一種用于探測地層巖石和流體信息的隨鉆核磁共振測井儀探頭及隨鉆核磁共振測井儀，達(dá)到了提高可產(chǎn)生核磁共振的敏感區(qū)域的聞度，提聞"[目噪比，從而提聞測量精度的目的。本發(fā)明提供一種隨鉆核磁共振測井儀探頭，包括柱狀的探頭骨架，所述探頭骨架的中心軸處穿設(shè)有供鉆井液流通的泥漿管；在所述探頭骨架內(nèi)、且在所述泥漿管上同軸套設(shè)有圓環(huán)狀的第一主磁體和第二主磁體，所述第一主磁體和第二主磁體均為軸向充磁，且所述第一主磁體和所述第二主磁體極性相同的一端相對設(shè)置；在所述探頭骨架的外圍側(cè)壁上、且對應(yīng)所述第一主磁體和第二主磁體的中間位置固定嵌設(shè)有用于形成脈沖磁場的天線；在所述第一主磁體和第二主磁體之間、且在所述泥漿管上同軸套設(shè)有至少一對的圓環(huán)狀的聚焦磁體，構(gòu)成所述每對聚焦磁體中的兩個聚焦磁體關(guān)于所述天線的中截面對稱，所述聚焦磁體為徑向充磁，且所述聚焦磁體與所述探頭骨架相對固定設(shè)置。本發(fā)明還提供一種隨鉆核磁共振測井儀，包括井下鉆具及井上信號處理設(shè)備，所述井下鉆具的鉆鋌中固定設(shè)置有如上所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭。本發(fā)明提供的隨鉆核磁共振測井儀探頭靜磁場分布，可使能夠產(chǎn)生核磁共振的敏感區(qū)域在垂向的延伸長度得到顯著增加，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)時，在保證探頭的自轉(zhuǎn)不會影響測量的同時；還能使得在采集每組信號的測量周期內(nèi)，敏感區(qū)域的位置切換次數(shù)下降，提高了測量的信噪比及測量結(jié)果的精度。



圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的隨鉆核磁共振測井儀探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明隨鉆核磁共振測井儀探頭實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖I中第一主磁體或第二主磁體一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖I中第一主磁體或第二主磁體另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖I中第一主磁體或第二主磁體又一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖I中聚焦磁體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明探頭所形成的磁場強(qiáng)度分布示意圖；圖8為圖I中天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式隨鉆核磁共振測井儀可以用于垂直井、傾斜井，甚至水平井中，因此，隨鉆式核磁共振測井儀的鉆進(jìn)方向為探頭骨架的中心軸的延伸方向，即“軸向”，但并不一定為垂向；但為說明方便，在實施例中，將以用于垂直井為例進(jìn)行闡述，也就是說，在下述實施例中“軸向”即指垂向。但是，本實施例的內(nèi)容并不是對本發(fā)明的限定。本實施例提供一種隨鉆核磁共振測井儀探頭，如圖2所示，包括沿垂向延伸的、柱狀的探頭骨架10，探頭骨架10的中心軸處穿設(shè)有供鉆井液流通的泥漿管101 ;在探頭骨架10內(nèi)、且在泥漿管101上同軸套設(shè)有圓環(huán)狀的、尺寸相同的第一主磁體21和第二主磁體22,第一主磁體21和第二主磁體22均為軸向充磁,且第一主磁體21和所述第二主磁體22極性相同的一端相對設(shè)置；在探頭骨架10的外圍側(cè)壁上、且對應(yīng)第一主磁體21和第二主磁體22的中間位置固定嵌設(shè)有用于形成脈沖磁場的天線24 ;在第一主磁體21和第二主磁體之22間、且在泥漿管101上同軸套設(shè)有至少一對的圓環(huán)狀的聚焦磁體23，構(gòu)成每對聚焦磁體中的兩個聚焦磁體23關(guān)于天線24的中截面對稱，聚焦磁體23為徑向充磁，且聚焦磁體23與探頭骨架10相對固定設(shè)置。具體地，圓柱狀的探頭骨架10的中心軸處可設(shè)有通孔，可將一該通孔內(nèi)固定嵌設(shè)一圓管狀的、上下延伸的導(dǎo)流管101，可選地，也可將該通孔可直接作為導(dǎo)流管101 ;第一主磁體21、第二主磁體22及聚焦磁體23可以固定套設(shè)在導(dǎo)流管101的周圍，此時，探頭骨架10內(nèi)用于容置第一主磁體21、第二主磁體22及聚焦磁體23的容置腔可以大于上述各部件的體積；但當(dāng)導(dǎo)流管101為探頭骨架10上的一通孔時，可以將第一主磁體21、第二主磁體22及聚焦磁體23分別固定嵌設(shè)在特定的位置，此時，用于容置這些部件的容置腔應(yīng)與各部件的體積相匹配，以保證在鉆進(jìn)過程中，第一主磁體21、第二主磁體22及聚焦磁體23的相對位置固定不變。天線24圍繞在聚焦磁體的周圍，且每對聚焦磁體中的兩個聚焦磁體23、以及第一主磁體和第二主磁體均關(guān)于天線24的水平中截面對稱。第一主磁體21和第二主磁體22均為軸向充磁，即，第一主磁體21和第二主磁體22的兩端分別為N極和S極；聚焦磁體23為徑向充磁，即，聚焦磁體23的 內(nèi)環(huán)面可以為N極或S極、外環(huán)面可以為S極或N極；且當(dāng)?shù)谝恢鞔朋w21的N極和第二主磁體22的N極相對設(shè)置時，聚焦磁體23的內(nèi)環(huán)面為S極，外環(huán)面為N極；當(dāng)?shù)谝恢鞔朋w21的S極和第二主磁體22的S極相對設(shè)置時，當(dāng)?shù)谝恢鞔朋w21的S極和第二主磁體22的S極相對設(shè)置時，聚焦磁體23的內(nèi)環(huán)面為N極，外環(huán)面為S極；第一主磁體21與第二主磁體22形成的靜磁場強(qiáng)度可以相同。優(yōu)選地，聚焦磁體可以為多對，例如兩對，靠近天線24的水平中截面的一對聚焦磁體23之間的距離可以為2 5mm ;靠近第一主磁體21的聚焦磁體23和靠近第二主磁極22的聚焦磁體23的垂向高度可以為靠近天線24的水平中截面的一對聚焦磁體23的1/4^1/2 ;且聚焦磁體23的直徑也可以小于或等于第一主磁體21或第二主磁體22的直徑，以進(jìn)一步方便天線24布置。本實施例的隨鉆核磁共振測井儀探頭的中第一主磁體21、第二主磁體22聚焦磁體23的設(shè)置，產(chǎn)生的靜磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖7所示，探頭的外側(cè)面Y與垂直井的井壁J形成一間隙，探頭Y的中心軸N同時代表了泥漿管101的延伸方向。由圖7可以看出，對應(yīng)探頭垂向中間處，磁感應(yīng)強(qiáng)度沿垂向延伸且均勻分布，從而使得可形成核磁共振的敏感區(qū)域M在垂向的延伸長度得到顯著增加(如圖2所示)，具體地，本實施例的敏感區(qū)域M沿鉆進(jìn)方向的長度可以達(dá)到100 150mm，大約為現(xiàn)有技術(shù)中的敏感區(qū)域長度的5倍以上；另外，多對聚焦磁體23的設(shè)置還可以提高靜磁場強(qiáng)度，從而提高了所采集到的核磁共振信號的強(qiáng)度。另外，由于第一主磁體21和第二主磁體22之間設(shè)置了至少一對的聚焦磁體23，因此，所形成的靜磁場的強(qiáng)度也得到提高。由于，共振頻率可通過下式確定/0其中，Y為旋磁比，對于氫核f=42.58MHz/T; &為產(chǎn)生核磁共振的共振頻
In
率；B。為靜磁場的強(qiáng)度?？梢?，在敏感區(qū)域體積不變情況下，共振頻率正比與靜磁場的強(qiáng)度Btl，因此，本實施例提供的隨鉆核磁共振測井儀探頭具有較高的共振頻率，且測量的信噪比通常與共振頻率的3/2次方成正比，進(jìn)而，進(jìn)一步提高了測量的信噪比，有利于獲得更好的測量精度。在進(jìn)行垂直井的核磁共振測量時，可將本實施例的隨鉆核磁共振測井儀探頭可固定設(shè)置在鉆頭上方(鉆頭背離鉆進(jìn)方向的一側(cè))的鉆鋌內(nèi)，或者固定設(shè)置在鉆鋌與鉆頭之間，以作為鉆鋌的一部分。由于本實施例提供的探頭所形成的可形成核磁共振的敏感區(qū)域M呈與鉆頭中心軸同軸的圓柱狀，因此，當(dāng)鉆頭垂直向下鉆進(jìn)時，探頭隨鉆頭的自轉(zhuǎn)不會影響測量；而同時由于敏感區(qū)域M在鉆進(jìn)方向上長度的增加，使得在采集每組信號的測量周期內(nèi)，敏感區(qū)域M的位置切換次數(shù)也顯著減少，也就是說，由于敏感區(qū)域M的長度增加了五倍，使得一個測量周期內(nèi)鉆頭在垂向的位移不會超過敏感區(qū)域M，從而便可避免現(xiàn)有技術(shù)中，天線發(fā)射射頻信號后等待回波信號的時間段內(nèi)，天線24已經(jīng)完全移出發(fā)射設(shè)備信號時敏感區(qū)域M所處的位置，而此時所處的敏感區(qū)域M的位置處，由于停留時間尚未達(dá)到對地層極化所需的極化時間，從而導(dǎo)致最終采集到信號不準(zhǔn)確的情況；本實施例通過增加敏感區(qū)域M在鉆進(jìn)方向上的長度，提高了測量的信噪比(在核磁共振測量中已證實信噪比正比于敏感區(qū)域在鉆進(jìn)方向上的長度)，提高了最終測量結(jié)果的精度。優(yōu)選地，如圖2所示，聚焦磁體23可以為兩對，構(gòu)成兩對聚焦磁體的四個聚焦磁體沿垂向等間隔排列，且位于最頂端的聚焦磁體的頂面和位于最底端的聚焦磁體的底面分布伸出天線的兩端。
在上述實施例中，如圖8所示，天線24為被繞制成圓柱螺旋線狀的一根導(dǎo)線，該柱狀的螺旋線的中心軸與第一主磁體21、第二主磁體22及聚焦磁體23的中心軸在同一直線上，以適應(yīng)自身的旋轉(zhuǎn)運動；優(yōu)選地，天線24可由一根銅線或銅帶繞制而成，天線24的第一引出端241和第二引出端242可連接至一 LRC諧振電路(圖未示)，以通過調(diào)節(jié)該LRC諧振電路中的電容使天線24的諧振頻率與敏感區(qū)域M處的地層中的氫核的共振頻率相同，從而才能激發(fā)核磁共振現(xiàn)象。本實施例的隨鉆核磁共振測井儀探頭可形成核磁共振的敏感區(qū)域M沿徑向上的厚度可以達(dá)到15 20_，可以有效消除鉆頭引起探頭的徑向振動對測量精度的不利影響。進(jìn)一步地,上述天線24可采用柔性電路板(Flexible Printed Circuit Board,FPCB)蝕刻技術(shù)制造。在上述實施例中，如圖2和圖8所示，構(gòu)成天線24的中間部分的圓柱螺旋線的導(dǎo)程大于構(gòu)成天線24兩端處的圓柱螺旋線的導(dǎo)程；8卩，在天線24的中間部分，相鄰的兩線圈之間的距離較小，線圈繞制得較密集，在天線24的兩端處，相鄰的兩線圈之間距離較大，線圈繞制得較稀疏。本實施例中對天線的多個線圈的間距的優(yōu)化，可以使天線產(chǎn)生的射頻磁場在垂向上具有更好的均勻性，且不會對射頻磁場在天線徑向上的分布造成不利影響；從而進(jìn)一步保證了與第一主磁體21、第二主磁體22和聚焦磁體23共同形成的靜磁場相匹配，以將地層處于敏感區(qū)域M內(nèi)的氫核完全激發(fā)。更具體地，在上述實施例中，請參照圖2至6，第一主磁體由至少三塊磁體塊依次拼接而成；和/或第二主磁體22由至少三塊磁體塊依次拼接而成；和/或聚焦磁體23由至少三塊磁體塊依次拼接而成。即每個磁體可以為一體結(jié)構(gòu)或多個小塊磁體拼接而成的結(jié)構(gòu)；例如，第一主磁體21或第二主磁體22可以采用多個圓環(huán)狀的分磁體212疊放固定在一起的結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，或者第一主磁體21或第二主磁體22也可以采用由多個水平截面為梯形的分磁體231拼接而成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，當(dāng)然，第一主磁體21或第二主磁體22也可以采用一體結(jié)構(gòu)(如圖5所示)；聚焦磁體23可以采用由多個水平截面為扇形的分磁體231拼接而成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(如圖6所示)，當(dāng)然也可以采用一體結(jié)構(gòu)或如圖4中第一主磁體21或第二主磁體22的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明另一實施例提供一種隨鉆核磁共振測井儀，包括井下鉆具及井上信號處 理設(shè)備，井下鉆具的鉆鋌中固定設(shè)置有如上任一實施例所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，該隨鉆核磁共振測井儀探頭的具體結(jié)構(gòu)及工作原理與上述各實施例類似，在此不再贅述。本實施例提供的隨鉆核磁共振測井儀，其探頭形成靜磁場，可使能夠產(chǎn)生核磁共振的敏感區(qū)域在垂向的延伸長度得到顯著增加，當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)時，在保證探頭的自轉(zhuǎn)不會影響測量的同時；還能使得在采集每組信號的測量周期內(nèi)，敏感區(qū)域的位置切換次數(shù)下降，提高了測量的信噪比及測量結(jié)果的精度。最后應(yīng)說明的是以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.ー種隨鉆核磁共振測井儀探頭，包括柱狀的探頭骨架，所述探頭骨架的中心軸處穿設(shè)有供鉆井液流通的泥漿管；在所述探頭骨架內(nèi)、且在所述泥漿管上同軸套設(shè)有圓環(huán)狀的第一主磁體和第二主磁體，所述第一主磁體和第二主磁體均為軸向充磁，且所述第一主磁體和所述第二主磁體極性相同的一端相對設(shè)置；其特征在于，在所述探頭骨架的外圍側(cè)壁上、且對應(yīng)所述第一主磁體和第二主磁體的中間位置固定嵌設(shè)有用于形成脈沖磁場的天線；在所述第一主磁體和第二主磁體之間、且在所述泥漿管上同軸套設(shè)有至少ー對的圓環(huán)狀的聚焦磁體，構(gòu)成所述每對聚焦磁體中的兩個聚焦磁體關(guān)于所述天線的中截面對稱，所述聚焦磁體為徑向充磁，且所述聚焦磁體與所述探頭骨架相對固定設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在于，所述聚焦磁體為兩對，構(gòu)成兩對聚焦磁體的四個聚焦磁體沿垂向等間隔排列，且位于最頂端的聚焦磁體的頂面和位于最底端的聚焦磁體的底面分布伸出所述天線的兩端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在干，所述第一主磁體和 第二主磁體的N極相對，所述聚焦磁體的外環(huán)側(cè)面為N扱、內(nèi)環(huán)側(cè)面為S扱。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在于，所述天線為被繞制成圓柱螺旋線狀的一根導(dǎo)線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在于，所述天線由銅線繞制而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在于，構(gòu)成所述天線的中間部分的圓柱螺旋線的導(dǎo)程大于構(gòu)成所述天線兩端處的圓柱螺旋線的導(dǎo)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭，其特征在干， 所述第一主磁體由至少三塊磁體塊依次拼接而成；和/或 所述第二主磁體由至少三塊磁體塊依次拼接而成；和/或 所述聚焦磁體由至少三塊磁體塊依次拼接而成。
8.ー種隨鉆核磁共振測井儀，包括井下鉆具及井上信號處理設(shè)備，其特征在于，所述井下鉆具的鉆鋌中固定設(shè)置有如權(quán)利要求1-7任ー項所述的隨鉆核磁共振測井儀探頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種隨鉆核磁共振測井儀探頭及隨鉆核磁共振測井儀。該隨鉆核磁共振測井儀包括探頭骨架，探頭骨架的中心穿設(shè)有泥漿管；在探頭骨架內(nèi)、且在泥漿管上套設(shè)有圓環(huán)狀的第一主磁體和第二主磁體，第一主磁體和第二主磁體均為軸向充磁，且第一主磁體和第二主磁體極性相同的一端相對設(shè)置；在探頭骨架的外圍側(cè)壁上的中間位置固定嵌設(shè)有用于形成脈沖磁場的天線；在第一主磁體和第二主磁體之間、且在泥漿管上同軸套設(shè)有至少一對的圓環(huán)狀的聚焦磁體，構(gòu)成所述每對聚焦磁體中的兩個聚焦磁體關(guān)于所述天線的中截面對稱，聚焦磁體為徑向充磁。本發(fā)明的隨鉆核磁共振測井儀探頭，可增加敏感區(qū)域在垂向的延伸長度，提高測量的信噪比及測量結(jié)果的精度。
文檔編號E21B49/08GK102650208SQ20121013728
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者于慧俊, 劉化冰, 安天琳, 宗芳榮, 李新, 肖立志, 胡海濤, 郭葆鑫 申請人:中國石油大學(xué)(北京)