專利名稱：井下使用的熱穩(wěn)定磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此公開的發(fā)明涉及核磁共振測量。特別地，本發(fā)明涉及提供熱穩(wěn)定的磁場。
背景技術(shù)：
地球物理勘測要求鉆孔達(dá)到地球內(nèi)部非常深的地方。這些孔通常稱為"鉆井"，用 來提供測量地質(zhì)構(gòu)造的特性的途徑。 測井是用于從鉆井對地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行測量的技術(shù)。在一個實施例中，"測井儀器"在 線纜的端部被下放到鉆井內(nèi)。測進(jìn)儀器通過該線纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面進(jìn)行記錄。在另一個 實施例中，測井儀進(jìn)行隨鉆測量，并且不使用線纜。測井儀器的輸出可以是多種形式，并且 可以被稱為"測井記錄(log.)"。 一種測量涉及使用核磁共振(NMR)來測量地質(zhì)構(gòu)造的特 性。用于隨鉆測量(measurementihile-drilling)的NMR測井儀器的實例是德克薩斯州休 斯敦的貝克休斯公司(Baker Hughes Incorporated of Houston,Texas)生產(chǎn)的MAGTRAK。
NMR使用磁場來極化原子核以測量原子核的NMR特性。在一個實施例中，通過永磁 體來提供該磁場。使用恒定的磁場大小來確保準(zhǔn)確的測量結(jié)果是有益的。但是，磁場大小 可能由于磁體溫度的變化而改變。由于鉆井深處的溫度通常遠(yuǎn)高于地球表面的溫度，所以 磁體溫度可能發(fā)生改變。 標(biāo)準(zhǔn)的永磁體具有負(fù)溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)意味著磁體的磁場大小隨著溫度的升 高而可逆性地減小。有多種途徑來對負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 —種方法要求保持磁體溫度恒定。 一般來說，這種方法要求磁體被加熱到比井下 預(yù)期最高溫度更高的溫度。使用這種方法有一些缺點。其一是需要額外的設(shè)備，如溫度控 制器。其次是需要為加熱提供額外的能量，并且該能量必須分布在磁體周圍。另外，磁體的 熱穩(wěn)定時間可能會花費幾個小時。另一個考慮是，溫度穩(wěn)定需要一定量的隔離材料，對此在 井下應(yīng)用中具有有限的空間。特別是，在執(zhí)行隨鉆測量的NMR儀器中空間是有限的。例如 在井下NMR應(yīng)用中，當(dāng)加熱磁體不可行時，可以使用信號補(bǔ)償。 信號補(bǔ)償方法要求NMR波譜儀(spectrometer)的參考頻率與磁場強(qiáng)度成比例變 化。當(dāng)波譜儀的參考頻率與磁場強(qiáng)度成比例時，在地質(zhì)構(gòu)造中，NMR共振條件將保持在相同 位置。信號補(bǔ)償方法同樣具有一些缺點。 一個缺點是要求額外的電子設(shè)備，例如可變頻率 發(fā)生器。另一個缺點是，可能需要重新調(diào)整NMR傳感器的共振器及其他相關(guān)的共振器。另 外，由于測量條件的變化(例如，改變的諧振脈沖振鈴信號或改變的電干擾敏感性)，改變 的磁場強(qiáng)度和頻率可能會使校準(zhǔn)更加困難。 另一試圖提供恒定磁場強(qiáng)度的方法要求使用電磁體。該電磁體可以通過繞永磁體
3纏繞線圈形成。來自線圈的磁場可以補(bǔ)償變化的永磁體磁場強(qiáng)度。使用電磁體同樣有一些缺點。例如，線圈需要額外的電子器件，例如調(diào)節(jié)線圈電流的控制回路。線圈同樣消耗額外的能量和并需要空間，該空間可能無法在井下NMR儀器中獲得。 另一種提供溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)在美國專利US6， 577， 125B2中公開，該專利的發(fā)明名禾爾為"Temperature Compensated Magnetic Field Apparatus For NMRMeasurements，，，于2003年6月10日公布，其后續(xù)申請是美國專利US6，803，761B2，該專利的發(fā)明名稱為"Temperature Compensated Magnetic Circuit",于2004年10月12日公布。公開了 "兩個磁體具有帶相同符號的不同磁溫度系數(shù)，并且第一磁體的磁化方向與第二磁體的磁化方向之間的夾角大約為180度。"使用兩個相對的磁場的一個缺點是總的磁場大小小于在沒有相對磁場情況下可獲得的大小。 因此，所需要的是在NMR儀器中提供具有"基本上"恒定的大小的磁場的技術(shù)。優(yōu)選的，該技術(shù)不涉及能量消耗或需更具有相對磁場的磁體組件。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種用于估計由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測井儀器，所述儀器具有在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在該鉆井的溫度范圍上呈現(xiàn)大小"基本上"恒定的磁場。 還公開了一種在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振(NMR)測量的方法，所述方法包括選擇適合在所述鉆井內(nèi)使用的測井儀器，所述儀器包括在所述鉆井的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場的磁體；以及用所述儀器執(zhí)行所述NMR測量。 進(jìn)一步公開了一種生產(chǎn)在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測量的測井儀器的方法，所述方法包括選擇在所述鉆井的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場的磁體；以及將所述磁體設(shè)置到所述儀器內(nèi)。


在本說明書結(jié)論部分的權(quán)利要求書中特別指出并清楚要求保護(hù)本發(fā)明所涉及的主題。本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明顯而易見，在附圖中 圖1示出了穿入地層的鉆井內(nèi)的測井儀器的示例性實施例； 統(tǒng)稱為圖2的圖2A和圖2B示出了熱穩(wěn)定磁體的示例性實施例； 圖3表示在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測量的示例性方法；以及 圖4表示生產(chǎn)測井儀器的示例性方法。
具體實施例方式
這些教導(dǎo)提供了一種用于測井儀器中的熱穩(wěn)定的磁體。該磁體在整個溫度范圍上提供"基本上"恒定的磁場大小。"基本上"在上下文中的含義是變化的大小小于每攝氏度0.02%。在一個實施例中，該磁體呈現(xiàn)"基本上"為O值的溫度系數(shù)。該磁體對于使用測井儀器執(zhí)行核磁共振(NMR)測量是有益的。該磁體的好處是，相對于先前利用一般呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的永磁體所獲得的測量結(jié)果，該磁體提供更加精確的NMR測量結(jié)果。
為方便起見，做出如下定義。術(shù)語"溫度系數(shù)"是指一個數(shù)學(xué)因數(shù)，其將磁體的磁 場大小變化與該磁體的溫度變化相關(guān)聯(lián)。公式(1)以數(shù)學(xué)項的形式給出了溫度系數(shù)的一個 例子。 B(T) = B(T0) (1+a AT) (1) 其中B(T)代表了在溫度T磁體產(chǎn)生的磁場大小，T。代表參考溫度，a代表溫度
系數(shù)，并且AT代表該磁體的溫度變化(T-T。)。 具有負(fù)溫度系數(shù)的磁體隨著溫度升高呈現(xiàn)減小的磁場大小。相反地，具有正溫度 系數(shù)的磁體隨著溫度升高呈現(xiàn)增大的磁場大小。關(guān)于確定溫度系數(shù)，可以通過集成的通量 計測量該磁體的磁通量。作為選擇，可以通過霍爾傳感器(Hall sensor)測量測井儀器外 部的勘測區(qū)域的磁場。雖然此處的這些教導(dǎo)討論的是磁場，但是術(shù)語"磁場"同樣也涉及磁
通量密度。 術(shù)語"熱穩(wěn)定"涉及在用戶關(guān)注的溫度范圍上呈現(xiàn)"基本上"為0的溫度系數(shù)的磁 體。熱穩(wěn)定磁體在測井儀器工作的鉆井內(nèi)所預(yù)期的溫度范圍上表現(xiàn)出相對于磁體的溫度變 化，相關(guān)聯(lián)的磁場的大小變化很小或者沒有變化。鉆井內(nèi)的溫度通常隨著深度而升高。因 此，測井儀器被設(shè)計為在高達(dá)大約175t:或更高的溫度下工作。當(dāng)在此處使用引號內(nèi)的術(shù)語 "基本上"時，其指變化的大小小于0. 02%每攝氏度。 術(shù)語"核磁共振測量"涉及測量地質(zhì)構(gòu)造的特性。NMR測量包括測量在極化 (polarizing)磁場中的原子核的進(jìn)動。此處的這些教導(dǎo)提供了用于提供極化磁場的熱穩(wěn)定 磁體。 參考圖1，示出了測井儀器10，其設(shè)置在鉆井2中。鉆井2鉆探穿過地層7并 穿透地質(zhì)構(gòu)造4，所述地質(zhì)構(gòu)造4包括多個地質(zhì)構(gòu)造層4A-4E。測井儀器10通過使用配 有鎧裝電纜6或者本技術(shù)領(lǐng)域已知的類似運輸工具降入到鉆井2中以及從鉆井2中退 出。示出了磁體5，其設(shè)置在該測井儀器10內(nèi)或該測井儀器10上。如在此處所使用的， 測井儀器10的非限定的實施例可以包括外殼、底架、電子設(shè)備、布線和天線中的至少一個 以用于執(zhí)行核磁共振(NMR)測量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識到，此處公開的這些技術(shù)能 夠應(yīng)用到其他實施例中，例如在隨鉆記錄(loggingihile-drilling， LWD)或者隨鉆測量 (measurement-while-drilling,麗D)操作。在LWD應(yīng)用中，測井儀器10是鉆頭上方的鉆 柱底部的底部鉆具組合(bottom hole assembly, BHA)的一部分。 圖2示出了磁體5的示例性實施例。在圖2A的實施例中，該磁體5包括中空圓 柱形狀。根據(jù)測井儀器10的類型，磁體5的磁化基本上沿橫向20或軸向21。例如，在 MAGTRAK NMR LWD儀器中的磁體沿軸向21磁化，從而在地質(zhì)構(gòu)造4中提供低的徑向場梯度。 該MAGTRAK儀器由得克薩斯州休斯敦的貝克休斯公司生產(chǎn)。該磁體5在地質(zhì)構(gòu)造4的勘測 體積內(nèi)提供磁化原子核。因此，在鉆井2的整個溫度范圍上，該磁體5在勘測體積內(nèi)提供 "基本上"恒定的磁場大小。 參考圖2，磁體5的示例性實施例可以包括釤鈷合金(SmxCoy)。某些具有專有權(quán) 的合金可以使用，包括SmxCoy。這些具有專有權(quán)的合金可作為REC0MA⑧STAB由Precision Magnetics LLC of Valparaiso, Indiana獲得，并且使用了 Sm2Co17禾口 SmCo5中的至少一禾中。 用來構(gòu)造磁體5的材料的另一個例子是釹鐵硼(NdFeB)?？梢圆捎闷渌褂昧?Sn^COy、釹鐵 硼、或其他材料的實施例，其中，這些材料呈現(xiàn)磁體5所需的性能。例如，其他稀有元素，例
5如釓(Gd)或鋱(Tb)，可以用來部分地替換Sm,COy中的Sm。在一個實施例中，百分之五十的 Sm被替換為Gd。圖2B示出了作為在所關(guān)注的溫度范圍上的磁場大小相對于磁體5的溫度 的曲線圖的斜率的磁體5的示例性溫度系數(shù)。參考圖2B，該溫度系數(shù)"基本上"為0。
鉆井2內(nèi)的高溫可能導(dǎo)致測井儀器IO的部件(例如磁體5)熱膨脹。熱膨脹的結(jié) 果是在地質(zhì)構(gòu)造4的測量位置的磁場大小的損失。在一些實施例中，可以使用正溫度系數(shù) 來構(gòu)造磁體5，以補(bǔ)償由于磁體5或測井儀器10的熱膨脹而導(dǎo)致的磁場大小的損失。
圖3給出了在鉆井2中執(zhí)行NMR測量的示例性方法30。該方法30要求選擇31適 合在鉆井2中使用的測井儀器10。該測井儀器10包括熱穩(wěn)定磁體5。進(jìn)一步地，該方法30 要求執(zhí)行32使用儀器10的NMR測量。 圖4給出了制造在鉆井2中執(zhí)行NMR測量的測井儀器10的示例性實施例40。該 方法40要求選擇41熱穩(wěn)定磁體5。進(jìn)一步地，該方法40要求將所述熱穩(wěn)定磁體5設(shè)置42 到所述測井儀器10中。 上面給出的這些具體實施方式
是說明性的而不是要限制到此處的教導(dǎo)。例如，其 他實施例可以使用多于一個磁體。進(jìn)一步地，這些教導(dǎo)包括使用不同形狀的磁體。這些例 子包括采用圓柱形和矩形形狀中的至少一種的磁體。當(dāng)使用圖1中給出的測井儀器10的 實施例執(zhí)行NMR測量時，能夠想到在測井儀器10中使用磁體5在鉆井2中執(zhí)行要求磁場在 溫度范圍上具有"基本上"恒定的磁場大小的其他類型的測量或功能。
在提及實施例的元件時使用了冠詞"一"或"一個"。這些冠詞意圖表示具有一個 或多個元件。術(shù)語"包括"和"具有"及其衍生詞意圖是包含性的，使得除了所列的這些部 件外還可以具有附加的部件。當(dāng)對于具有至少兩個項的列表使用連詞"或者"時，意圖表示 任意項或者這些項的組合。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到不同的組件或技術(shù)可以提供某些必要的或有益的功能 或特性。因此，支持所附的權(quán)利要求及其變化所需的這些功能和特性，被認(rèn)為是作為此處教 導(dǎo)的一部分和本發(fā)明所公開的一部分而被固有地包含。 雖然已經(jīng)參照示例性實施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明范圍 的前提下可以進(jìn)行各種變化，并且等效物可以替換其要素。此外，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)范圍 的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到多種修改以使特定儀器、情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教 導(dǎo)。因此，希望本發(fā)明不限于作為實現(xiàn)本發(fā)明所預(yù)期的最佳實施方式公開的特定實施例，但 是本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括落入所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實施例。
權(quán)利要求
一種用于估計由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測井儀器，所述儀器包括(a)在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在所述鉆井的溫度范圍上呈現(xiàn)大小“基本上”恒定的磁場。
2. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述儀器執(zhí)行核磁共振NMR測量。
3. 如權(quán)利要求2中所述的儀器，其中所述磁場施加到所述地質(zhì)構(gòu)造的勘測體積。
4. 如權(quán)利要求1中所述的測井儀器，其中所述范圍包括大約Ot:到大約200°C。
5. 如權(quán)利要求4中所述的測井儀器，其中所述范圍包括大約2(TC到大約175°C。
6. 如權(quán)利要求5中所述的測井儀器，其中所述范圍包括大約4(TC到大約150°C。
7. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述磁體的溫度系數(shù)被確定為 B(T) = B(T0) (1+a AT)，其中B(T)代表由所述磁體產(chǎn)生的磁場的大小，T代表所述磁體的溫度，T。代表參考溫 度，a代表所述溫度系數(shù)，并且AT代表所述磁體的溫度變化(T-T。)。
8. 如權(quán)利要求7中所述的儀器，其中所述溫度系數(shù)"基本上"為0。
9. 如權(quán)利要求7中所述的儀器，其中所述溫度系數(shù)為正數(shù)，以補(bǔ)償所述測井儀器和所 述磁體中至少一個的熱膨脹。
10. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述磁體包括合金，該合金包括Sm^c^和SmCo5 中的至少一個。
11. 如權(quán)利要求10中所述的儀器，其中至少一部分的Sm被不同的稀土元素所替代。
12. 如權(quán)利要求ll中所述的儀器，其中所述不同的稀土元素是釓(Gd)和鋱(Tb)中的 至少一種。
13. 如權(quán)利要求l中所述的儀器，其中所述磁體包括合金，所述合金包括NdFeB。
14. 一種在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振(NMR)測量的方法，所述方法包括(a) 選擇適合在所述鉆井內(nèi)使用的測井儀器，所述儀器包括在所述鉆井內(nèi)的溫度范圍 上提供大小"基本上"恒定的磁場的磁體；以及(b) 使用所述儀器執(zhí)行所述NMR測量。
15. —種生產(chǎn)在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測量的測井儀器的方法，所述方法包括(a) 選擇在所述鉆井內(nèi)的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場的磁體；以及(b) 將所述磁體設(shè)置到所述儀器中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于估計由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測井儀器，所述儀器具有在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在該鉆井中的溫度范圍上呈現(xiàn)大小“基本上”恒定的磁場。
文檔編號G01V3/32GK101772715SQ200880101521
公開日2010年7月7日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者M·布蘭茲 申請人:貝克休斯公司