專利名稱：用來產(chǎn)生在共振區(qū)具有直線輪廓線的軸對(duì)稱磁場(chǎng)的核磁共振裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及測(cè)量一個(gè)鉆孔橫斷面上地球構(gòu)造(earthformation)的核磁共振特性的裝置和方法，并且特別涉及一種可產(chǎn)生在共振區(qū)具有又長(zhǎng)又直的輪廓線、基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置和方法。
眾所周知，一個(gè)地球構(gòu)造的粒子具有非零的核自旋磁矩，例如質(zhì)子，當(dāng)在構(gòu)造上施加一個(gè)靜磁場(chǎng)時(shí)，它們將沿該磁場(chǎng)取向。該磁場(chǎng)可能是自然產(chǎn)生的，例如地磁場(chǎng)BE的情形。當(dāng)一個(gè)射頻脈沖在BE的橫向加上第二個(gè)振蕩磁場(chǎng)B1后，質(zhì)子將以一個(gè)特征的共振或拉莫爾頻率ωL繞著BE矢量做進(jìn)動(dòng)，ωL由靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度和粒子的旋磁比決定。例如，繞著0.5高斯的磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)的氫核(質(zhì)子)具有約為2kHz的特征頻率。如果使一定布居的氫核同相進(jìn)動(dòng)，那么質(zhì)子的總磁場(chǎng)可在接收線圈中產(chǎn)生一個(gè)可探測(cè)的振蕩電壓，專業(yè)人員知道這就是自由感應(yīng)衰變或自旋回波。巖石孔中的水或碳?xì)浠衔镏械臍浜怂a(chǎn)生的核磁共振(NMR)信號(hào)與從其它固體得到的信號(hào)不同。
美國(guó)專利No.4,717,878，頒發(fā)給Taicher等人，和5,055,787，頒發(fā)給Kleinberg等人，介紹了一種核磁共振儀器，它采用永磁體使氫核極化并產(chǎn)生一個(gè)靜磁場(chǎng)取向B0，還采用射頻天線來激勵(lì)并探測(cè)核磁共振，以確定一個(gè)構(gòu)造的多孔性，自由流體比和磁導(dǎo)率。原子核以一個(gè)時(shí)間常數(shù)T1沿外加場(chǎng)B0取向。經(jīng)過一個(gè)階段的極化后，核磁化矢量和外加場(chǎng)之間的角度可以通過沿垂直于靜磁場(chǎng)B0施加的射頻場(chǎng)B1來改變，其頻率為拉莫爾頻率fL＝γB0/2π，其中γ是質(zhì)子的旋磁比，而B0表示靜磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)射頻脈沖終止時(shí)，質(zhì)子開始在垂直于B0的平面內(nèi)進(jìn)動(dòng)。一個(gè)再聚焦的射頻脈沖序列產(chǎn)生一個(gè)在天線中形成可探測(cè)的NMR信號(hào)的自旋回波序列。
美國(guó)專利No.5,557,201介紹了一種在鉆探的同時(shí)進(jìn)行構(gòu)造鑒定的核磁化工具。該工具包括一個(gè)鉆頭，鉆柱桿和一個(gè)放置在非磁性合金制成的鉆探柱環(huán)內(nèi)的脈沖核磁共振裝置。該工具包括一個(gè)在鉆柱桿和脈沖NMR裝置內(nèi)的通道，通過它可以把鉆探泥漿抽到鉆孔中。脈沖NMR裝置包括兩個(gè)管狀磁體，和一個(gè)固定在磁體之間的鉆柱桿的外表面上的天線線圈，相同的磁極圍繞通道面對(duì)面地固定。該工具的設(shè)計(jì)使得核在一個(gè)專業(yè)人員稱為馬鞍點(diǎn)的測(cè)量區(qū)發(fā)生共振。
英國(guó)專利申請(qǐng)No.2 310 500，1997年8月27日公布，介紹了一種邊鉆探邊測(cè)量的工具，它包括一個(gè)用來對(duì)地球構(gòu)造進(jìn)行核磁共振測(cè)量的傳感裝置。NMR傳感裝置固定在鉆探柱環(huán)外表面上的環(huán)形凹槽內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，在凹槽內(nèi)插入了一個(gè)磁路閉合裝置。在磁路閉合裝置的外側(cè)徑向表面放置了一個(gè)磁體。磁體由許多從工具的縱軸向外沿徑向磁化的徑向部分構(gòu)成。要求磁路閉合裝置提供合適的磁場(chǎng)方向性取向。
現(xiàn)有技術(shù)中開發(fā)的工具有一些缺點(diǎn)，限制了它們?cè)诤舜殴舱駵y(cè)井應(yīng)用中的使用?，F(xiàn)有技術(shù)的工具中磁體的設(shè)計(jì)不能同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)在所鑒定的構(gòu)造的共振區(qū)內(nèi)具有又長(zhǎng)又直的輪廓線的高度軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)。當(dāng)一個(gè)電纜測(cè)井工具垂直運(yùn)動(dòng)，以及一個(gè)鉆探測(cè)井工具垂直或水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些因素將影響NMR測(cè)量。
上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)可以通過本發(fā)明的可產(chǎn)生在共振區(qū)具有又長(zhǎng)又直的輪廓線、基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置和方法來克服。一個(gè)放置在橫斷地球構(gòu)造的鉆孔內(nèi)的電纜測(cè)井或鉆探測(cè)井裝置通過實(shí)現(xiàn)核磁共振測(cè)量來確定一個(gè)構(gòu)造特征。裝置在構(gòu)造內(nèi)形成一定的靜磁場(chǎng)，B0，在進(jìn)行核磁共振測(cè)量的勘探深度處的徑向方向上，由該靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的輪廓線基本上是直的。為了實(shí)現(xiàn)NMR測(cè)量，在構(gòu)造內(nèi)與靜磁場(chǎng)同樣的區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)振蕩磁場(chǎng)B1。裝置包括至少一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件，用來對(duì)靜磁場(chǎng)進(jìn)行聚焦。導(dǎo)磁構(gòu)件使得在進(jìn)行核磁共振測(cè)量時(shí)由裝置的垂直運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造內(nèi)的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。而且，導(dǎo)磁構(gòu)件可以使在進(jìn)行核磁共振測(cè)量時(shí)由裝置的水平運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造內(nèi)的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。另外，導(dǎo)磁構(gòu)件通過使B0場(chǎng)在遠(yuǎn)未到達(dá)實(shí)際的勘探區(qū)之前就具有相當(dāng)?shù)姆葋碓黾语@著的預(yù)極化，這樣允許提高測(cè)井速度。
靜磁場(chǎng)可由軸向，徑向或線圈磁體設(shè)計(jì)來產(chǎn)生。對(duì)于軸向設(shè)計(jì)，靜磁場(chǎng)由圍繞攜帶裝置的上磁體和圍繞攜帶裝置的下磁體產(chǎn)生，二者在軸向分開一定距離，這樣由靜磁場(chǎng)形成的輪廓線在進(jìn)行核磁共振測(cè)量的勘探深度處的軸向上基本上是直的。沿軸向磁化的磁體在勘探區(qū)給出徑向極化B0場(chǎng)。在下磁體和上磁體之間放置至少一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件用來確定靜磁場(chǎng)的形狀。在進(jìn)行核磁共振測(cè)量的勘探深度處，靜磁場(chǎng)可具有低梯度或高梯度，由磁體的間距決定。
對(duì)于徑向設(shè)計(jì)，靜磁場(chǎng)由圍繞攜帶裝置的環(huán)狀圓柱磁體陣列產(chǎn)生。磁體陣列包括許多部分，每個(gè)部分沿垂直于裝置的縱軸的徑向向外的方向磁化。導(dǎo)磁構(gòu)件包括攜帶裝置的一部分，以及圍繞該部分的底盤，或者底盤和攜帶裝置某一部分的組合。對(duì)于線圈設(shè)計(jì)，靜磁場(chǎng)由許多圍繞攜帶裝置的幾何對(duì)稱和軸對(duì)稱的磁環(huán)產(chǎn)生。這組磁環(huán)包括一個(gè)上磁環(huán)，一組內(nèi)磁環(huán)和一個(gè)下磁環(huán)。上磁環(huán)和下磁環(huán)的半徑比每個(gè)內(nèi)磁環(huán)的半徑大。每個(gè)磁環(huán)都是軸對(duì)稱極化的，而且每個(gè)磁環(huán)的極化方向，沿磁環(huán)的方向逐漸變化。上磁環(huán)的極化方向與下磁環(huán)的極化方向徑向相反。每個(gè)內(nèi)磁環(huán)的極化方向逐漸變化，使得對(duì)每個(gè)內(nèi)磁環(huán)而言，極化和橫向半徑矢量之間的角度線性變化。
從下面有關(guān)附圖的介紹中將顯而易見本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。需要指出，附圖僅用做說明之目的，不能做為本發(fā)明的限定。
在附圖中

圖1示出了一個(gè)核磁共振鉆探測(cè)井裝置；圖2給出了低梯度磁體的設(shè)計(jì)；圖2a-2d示出了與四個(gè)低梯度磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；圖3a-3d示出了與四個(gè)低梯度磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的梯度|B0|的輪廓線；圖4示出了高梯度磁體的設(shè)計(jì)；圖4a示出了與高梯度磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；圖4b示出了與高梯度磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的梯度|B0|的輪廓線；圖5示出了線圈磁體的設(shè)計(jì)；圖5a示出了與帶有非導(dǎo)磁構(gòu)件的線圈磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；圖5b示出了與帶有導(dǎo)磁構(gòu)件的線圈磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；圖6示出了徑向磁體的設(shè)計(jì)；圖6a給出了與帶有非導(dǎo)磁構(gòu)件的徑向磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；以及圖6b示出了與帶有導(dǎo)磁構(gòu)件的徑向磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線；圖7示出了一種采用三個(gè)磁體的組合磁體的結(jié)構(gòu)；
圖7a示出了與一個(gè)組合的低梯度-低梯度磁體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線。
參照?qǐng)D1，示出了一種核磁共振(NMR)鉆探測(cè)井裝置10。裝置10包括一個(gè)鉆頭12，鉆柱桿14，一個(gè)磁體陣列16，射頻天線18，和安裝在鉆井柱環(huán)22中的電子線路20。在構(gòu)造中鉆一個(gè)鉆孔24的設(shè)備包括鉆頭12和鉆井柱環(huán)22。泥漿流套筒28構(gòu)成了一個(gè)通道30，可以穿過鉆柱桿14把鉆井液帶出去。驅(qū)動(dòng)機(jī)械26轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭12和鉆柱桿14。這個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)械在頒發(fā)給Clark等人的美國(guó)專利NO.4,949,045中有充分的介紹，其內(nèi)容做為參考包括在本敘述中。但是，本發(fā)明仍然考慮采用置于鉆柱桿內(nèi)的測(cè)井泥漿馬達(dá)做為驅(qū)動(dòng)機(jī)械26。
磁體陣列16產(chǎn)生的磁場(chǎng)由至少一個(gè)放置在鉆柱桿內(nèi)部的導(dǎo)磁構(gòu)件36聚焦。通過這種結(jié)構(gòu)，構(gòu)件36可以沿軸向延伸相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度而且不需要降低鉆柱桿22的機(jī)械強(qiáng)度。而且，如果構(gòu)件36由機(jī)械強(qiáng)度較弱的材料構(gòu)成，那么其下面分立的泥漿流套筒28可起到一定程度的保護(hù)作用，避免鉆井泥漿的壓力，切割和磨損。將構(gòu)件36放置在鉆井柱環(huán)22的外面將大大降低裝置的機(jī)械完整性，因?yàn)槟欠N結(jié)構(gòu)要求在鉆井柱環(huán)的外側(cè)刻一個(gè)可放置構(gòu)件36的凹槽，這樣就降低了柱環(huán)22的強(qiáng)度，因?yàn)殂@井柱環(huán)在通道30和凹槽之間的部分的厚度與鉆井柱環(huán)的其他部分相比變小了。本發(fā)明考慮將導(dǎo)磁構(gòu)件36做為套筒28的一部分38。這樣，在鉆井柱環(huán)內(nèi)就不需要為構(gòu)件36另設(shè)的空間層，因此可用的空間足可以放下一個(gè)較大體積的磁體陣列。低梯度設(shè)計(jì)參照?qǐng)D2，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，以下稱為低梯度設(shè)計(jì)，磁體陣列包括一個(gè)上磁體32和一個(gè)軸向分離的下磁體34。磁體32和34之間的區(qū)域適合放置諸如電子電路單元，一個(gè)射頻天線和其他類似的部件。兩個(gè)磁體32和34都圍繞著套筒28。在磁體32和34之間，在鉆井柱環(huán)22的內(nèi)部放置了一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件36。放置在磁體之間的構(gòu)件36可以是單片的或許多部分組合在一起的。構(gòu)件36由合適的導(dǎo)磁材料制成，例如鐵氧體，導(dǎo)磁鋼或另一種鐵和鎳的合金，防腐蝕的導(dǎo)磁鋼，或在構(gòu)件的設(shè)計(jì)中構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁鋼，例如15-5Ph不銹鋼。導(dǎo)磁構(gòu)件36對(duì)磁場(chǎng)聚焦并且要么是將鉆井液通過鉆柱桿帶出去，要么是為鉆井柱環(huán)提供結(jié)構(gòu)性支持。另外，構(gòu)件36改進(jìn)了由磁體32和34產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)的形狀并且將在獲得NMR信號(hào)的過程中由于垂直和水平運(yùn)動(dòng)引起的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。套筒28在磁體32和34之間的部分38可以包括導(dǎo)磁構(gòu)件36。這樣，套筒28在磁體32和34下面的部分40和42將由非磁性構(gòu)件組成?；蛘?，用圍繞38部分的導(dǎo)磁底盤來構(gòu)成構(gòu)件36。這樣，38部分就可以由磁性或非磁性材料構(gòu)成。本發(fā)明考慮將底盤44和部分38組合在一起構(gòu)成構(gòu)件36。
磁體32和34的極化方向與裝置10的縱軸平行，其相同的磁極彼此相對(duì)。對(duì)每一個(gè)磁體32和34，磁感應(yīng)線從磁體32和34的一端出發(fā)，在構(gòu)造內(nèi)沿平行于裝置10的軸線方向產(chǎn)生一個(gè)靜磁場(chǎng)，然后回到磁體32和34的另一端。在上磁體32和下磁體34之間的區(qū)域，磁感應(yīng)線從中心出發(fā)向外到達(dá)構(gòu)造內(nèi)，在與裝置10的軸線垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)靜磁場(chǎng)。然后磁感應(yīng)線對(duì)稱地回到上磁體32的上方和下磁體34的下方并沿縱向匯聚到套筒28內(nèi)。由于分開一定距離，在上磁體32和下磁體34之間的中心區(qū)域靜磁場(chǎng)的強(qiáng)度比較均勻。通過選擇必需的磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻特性，可以確定磁體32和34之間的間距。當(dāng)磁體32和34的間距變小時(shí)，磁場(chǎng)變強(qiáng)，均勻性變差。相反地，當(dāng)磁體32和34的間距變大時(shí)，磁場(chǎng)變?nèi)?，但均勻性更好?br> 圖2a-2d示出了與四種上磁體32和下磁體34的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|輪廓線。與圖2a相應(yīng)的結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)非導(dǎo)磁構(gòu)件將上磁體32和下磁體34分開25英寸。與圖2b相應(yīng)的結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)非導(dǎo)磁構(gòu)件將上磁體32和下磁體34分開18英寸。與圖2c相應(yīng)的結(jié)構(gòu)是采用一個(gè)非導(dǎo)磁構(gòu)件將上磁體32和下磁體34分開8英寸。與圖2d相應(yīng)的低梯度設(shè)計(jì)是采用導(dǎo)磁構(gòu)件36將上磁體32和下磁體34分開25英寸。圖3a-3d示出了分別與圖2a-2d中示出的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的梯度|B0|的輪廓線。
在低梯度設(shè)計(jì)中，磁通量的很大一部分被導(dǎo)磁構(gòu)件36轉(zhuǎn)移到了裝置10的中心。為了對(duì)此加以說明，圖2d中所示的B0場(chǎng)在與裝置10的縱軸的徑向距離約為7英寸處的強(qiáng)度是圖2a中所示的由非導(dǎo)磁構(gòu)件分開的同樣的磁體結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的B0磁場(chǎng)強(qiáng)度的兩倍。另外，低梯度設(shè)計(jì)在軸線方向可產(chǎn)生范圍更長(zhǎng)和更均勻的靜磁場(chǎng)。在該實(shí)施例中測(cè)到的NMR信號(hào)基本上對(duì)裝置的垂直運(yùn)動(dòng)不敏感。參照?qǐng)D3d，對(duì)于低梯度設(shè)計(jì)，在離裝置縱軸的徑向距離約為7英寸處測(cè)到一個(gè)相對(duì)較小的梯度，約為3高斯/厘米。這種低梯度使得測(cè)到的NMR信號(hào)基本上對(duì)裝置10的水平運(yùn)動(dòng)不敏感。而且，對(duì)于低梯度設(shè)計(jì)，圍繞裝置10的富質(zhì)子鉆孔區(qū)只在比加在勘探區(qū)的頻率高的頻率上發(fā)生共振，即沒有鉆孔信號(hào)。這是本發(fā)明所有實(shí)施例都具有的一個(gè)特點(diǎn)。其他在鉆井泥漿發(fā)現(xiàn)的NMR敏感核，例如鈉-23，當(dāng)采用同樣的射頻頻率激勵(lì)時(shí)，將在比氫高很多的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度下發(fā)生共振。這種更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度在裝置附近的鉆孔區(qū)或有可能探測(cè)到這種多余的信號(hào)的天線附近都不會(huì)出現(xiàn)。這是本發(fā)明的軸向磁體設(shè)計(jì)，包括高梯度設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。
高梯度設(shè)計(jì)如前所述，對(duì)于低梯度設(shè)計(jì)，磁通量的很大一部分被導(dǎo)磁構(gòu)件36轉(zhuǎn)移到了裝置10的中心。如果沒有導(dǎo)磁構(gòu)件36的分流作用，可以采用將上磁體32和下磁體34分開的高梯度設(shè)計(jì)來得到與圖2d中所示的|B0|一樣的磁場(chǎng)。如圖2b所示，在離裝置10縱軸的徑向距離約為7英寸處，由非導(dǎo)磁構(gòu)件將磁體32和34分開18英寸所得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度為60高斯。但是，在其中靜磁場(chǎng)強(qiáng)度和射頻頻率發(fā)生共振的勘探區(qū)的形狀是彎曲的，而且在徑向場(chǎng)的輪廓線比較短。另外，探測(cè)NMR信號(hào)的接收機(jī)對(duì)鉆孔信號(hào)敏感，如圖2b中兩個(gè)分立的磁場(chǎng)區(qū)所指示的。
對(duì)于采用非導(dǎo)磁構(gòu)件的高梯度設(shè)計(jì)，可以通過減小磁體32和34的間距來克服勘探區(qū)的彎曲形狀和鉆孔信號(hào)。如圖2c所示，如果把磁體間距減至約8英寸，靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的輪廓線變得更直了而且|B0|的強(qiáng)度也變大了。但是，如圖3c所示，在離裝置縱軸的徑向距離約為7英寸處，梯度|B0|也變大了。指示梯度在軸向的變化的|B0|輪廓線是彎曲的。
參照?qǐng)D4，高梯度設(shè)計(jì)可通過在磁體32和34之間插入導(dǎo)磁構(gòu)件36來改進(jìn)。圖4a示出了與用導(dǎo)磁構(gòu)件36將上磁體32和下磁體34分開8英寸的結(jié)構(gòu)相應(yīng)的|B0|的輪廓線。圖4a中給出的輪廓線，其軸向的彎曲度比圖2c中的輪廓線要小。而且，如圖4b所示，導(dǎo)磁構(gòu)件36在軸向上產(chǎn)生的梯度|B0|更恒定了。
線圈設(shè)計(jì)參照?qǐng)D5，在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，以下稱為線圈設(shè)計(jì)，磁體陣列16由圍繞套筒28的幾何軸對(duì)稱和磁軸對(duì)稱的磁體40的陣列構(gòu)成。優(yōu)選地，套筒28由合適的導(dǎo)磁材料制成，例如鐵氧體，導(dǎo)磁鋼或另一種鐵和鎳的合金，防腐蝕的導(dǎo)磁鋼，或在構(gòu)件的設(shè)計(jì)中構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁鋼，例如15-5Ph不銹鋼。但是本發(fā)明考慮采用非磁性的套筒。磁體陣列40包括磁環(huán)43，44，45，46，47和48。最上面的磁環(huán)47和最下面的磁環(huán)48的半徑比構(gòu)成中心陣列42的一組磁環(huán)43，44，45，46的半徑大。磁環(huán)47和48之間的區(qū)域可放置一個(gè)安裝在鉆井柱環(huán)22上的深度射頻天線。
對(duì)于線圈設(shè)計(jì)，陣列40的每一個(gè)磁環(huán)都是軸對(duì)稱極化的，但是極化方向沿陣列40逐漸變化。最上面的磁環(huán)47和最下面的磁環(huán)48的極化取向使得它們各自的延伸線在構(gòu)造內(nèi)的NMR測(cè)量勘探區(qū)相交。因此，磁環(huán)47和48的磁化取向沿徑向彼此相反。通過舉例，圖5示出了磁環(huán)47的取向向外指向構(gòu)造內(nèi)而磁環(huán)48的取向則指向里面。從最上面的磁環(huán)47順序向下，每個(gè)磁環(huán)43，44，45，46的極化都轉(zhuǎn)過一定角度，其順序變化的方式使得對(duì)中心陣列42的每個(gè)磁環(huán)而言，極化矢量和橫向半徑矢量之間的角度線性變化。對(duì)于線圈設(shè)計(jì)，磁感應(yīng)線的路徑離開最上面的磁環(huán)47向外進(jìn)入構(gòu)造內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)與裝置10中心處的鉆孔軸線平行的磁場(chǎng)，然后向內(nèi)回到最下面的磁環(huán)48。
參照?qǐng)D5b，圖5中所示的磁體結(jié)構(gòu)，如與導(dǎo)磁性套筒28一起采用，可以在軸向產(chǎn)生更長(zhǎng)和更均勻的靜磁場(chǎng)。圖5b中給出的|B0|輪廓線在裝置10中部的部分比圖5a中|B0|的輪廓線更直。而且，與圍繞著非導(dǎo)磁性套筒的磁體陣列相比，本發(fā)明的導(dǎo)磁性套筒允許磁體陣列34在構(gòu)造內(nèi)的同樣地點(diǎn)產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)。靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加顯著提高了信噪比并增加了勘探深度。
徑向設(shè)計(jì)參照?qǐng)D6，在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例中，以下稱為徑向設(shè)計(jì)，磁體陣列16包括一個(gè)圍繞著套筒28的部分38的環(huán)狀圓柱磁體陣列50。磁體陣列50由許多部分組成，每個(gè)部分都是徑向磁化的，即從裝置10的縱軸向外。這種磁體陣列在例如頒發(fā)給Masi等人的美國(guó)專利No.4,717,876中介紹過。天線52安裝在鉆井柱環(huán)22外側(cè)的凹槽54內(nèi)。在凹槽54內(nèi)填充了絕緣但導(dǎo)磁的材料層56。天線52也圍繞著套筒28。由天線52中的電流產(chǎn)生的射頻磁場(chǎng)B1，具有與裝置10的縱軸基本平行的場(chǎng)方向?；蛘撸漕l磁場(chǎng)B1可由天線陣列產(chǎn)生，并且B1沿圍繞著裝置10的縱軸的方位角延伸。
仍然參照?qǐng)D6，導(dǎo)磁構(gòu)件36由部分38構(gòu)成。與低梯度設(shè)計(jì)類似，可采用圍繞部分38的底盤來限定導(dǎo)磁構(gòu)件36。僅為了說明的目的，這里介紹的徑向設(shè)計(jì)是指由部分38構(gòu)成的導(dǎo)磁構(gòu)件36，部分38由合適的導(dǎo)磁材料制成，例如鐵氧體，導(dǎo)磁鋼或另一種鐵和鎳的合金，防腐蝕的導(dǎo)磁鋼，或在套筒的設(shè)計(jì)中構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的導(dǎo)磁鋼，例如15-5Ph不銹鋼。部分38采用導(dǎo)磁性材料改進(jìn)了磁體陣列50產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)的形狀并且將在獲取NMR信號(hào)的過程中由裝置的垂直運(yùn)動(dòng)引起的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。磁感應(yīng)線的路徑離開磁體陣列50的中心部分向外進(jìn)入構(gòu)造內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)與鉆孔軸線垂直的靜磁場(chǎng)，向內(nèi)對(duì)稱地通過部分38回到磁體陣列50的上方和下方，然后再縱向匯聚到套筒28內(nèi)，又回到磁體陣列50的中心部分。導(dǎo)磁材料使得返回的磁感應(yīng)線在穿過部分38的外表面時(shí)變得與軸向更加垂直。圖6a和圖6b將圍繞著非導(dǎo)磁部分38的磁體陣列50的場(chǎng)強(qiáng)與圍繞著導(dǎo)磁部分38的磁體陣列50的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了比較。
參照?qǐng)D6a，對(duì)于非導(dǎo)磁的部分38，磁能主要集中在圓柱磁體陣列50的末端。這種B0的不均勻特性延伸到周圍的構(gòu)造內(nèi)。陣列50兩端附近的靜磁場(chǎng)比處在裝置10中部的磁場(chǎng)要強(qiáng)。在其中靜磁場(chǎng)強(qiáng)度和射頻頻率發(fā)生共振的構(gòu)造體的形狀是彎曲的，而且場(chǎng)的輪廓線在軸向相對(duì)較短。
參照?qǐng)D6b，對(duì)于導(dǎo)磁的套筒28，在軸向可產(chǎn)生一個(gè)更長(zhǎng)而且更均勻的靜磁場(chǎng)。圖6b中給出的|B0|輪廓線在裝置10中部的部分比圖6a中的|B0|輪廓線更直。導(dǎo)磁性套筒28起到雙重作用，即對(duì)磁場(chǎng)聚焦并把鉆井泥漿通過鉆柱桿帶出去。而且，與圍繞著非導(dǎo)磁性套筒的磁體陣列50相比，本發(fā)明的導(dǎo)磁性套筒允許磁體陣列50在構(gòu)造內(nèi)的同樣地點(diǎn)產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)。例如，如圖6a所示，在r＝6”，z＝5”處，磁場(chǎng)強(qiáng)度為50高斯。而，如圖6b中所示，采用導(dǎo)磁性套筒后，在r＝6”，z＝5”處，磁場(chǎng)強(qiáng)度為200高斯。靜磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加顯著提高了NMR測(cè)量的信噪比并增加了測(cè)量勘探深度。
本發(fā)明打算采用N+1個(gè)磁體組合的陣列16來產(chǎn)生靜磁場(chǎng)以在構(gòu)造內(nèi)獲得至少N個(gè)勘探區(qū)。本發(fā)明考慮的組合包括，但不僅僅限于，低梯度-低梯度，高梯度-高梯度，高梯度-低梯度，或低梯度-高梯度組合的陣列16。通過舉例，圖7示出了一個(gè)第一低梯度磁體陣列和一個(gè)第二低梯度磁體陣列的組合。在上磁體60和中心磁體62之間的區(qū)域，磁感應(yīng)線從中心向外到達(dá)構(gòu)造內(nèi)，在與裝置10的軸垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)第一靜磁場(chǎng)。在中心磁體62和下磁體64之間的區(qū)域，磁感應(yīng)線從中心向外到達(dá)構(gòu)造內(nèi)，在與裝置10的軸垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)第二靜磁場(chǎng)。圖7a示出的|B0|輪廓線與一種結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，該結(jié)構(gòu)是上磁體60和中心磁體62通過一個(gè)第一導(dǎo)磁構(gòu)件分開大約25英寸，中心磁體62和下磁體64之間通過一個(gè)第二導(dǎo)磁構(gòu)件分開大約25英寸。
本發(fā)明的低梯度，高梯度，線圈和徑向磁體設(shè)計(jì)也可用于電纜測(cè)井裝置應(yīng)用中。套筒28將在電纜裝置內(nèi)構(gòu)成一個(gè)平板構(gòu)件以保證裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。套筒28同時(shí)是導(dǎo)磁構(gòu)件，因此套筒設(shè)計(jì)得能夠承受在起吊操作中施加在裝置上的基本上為軸向的力。如果套筒28是導(dǎo)磁構(gòu)件，套筒就可用做那些必須放置在由附近的磁體產(chǎn)生的高磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)的電子線路的磁屏蔽，例如電磁延遲。另外，構(gòu)件36可用做磁屏蔽。
前面關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選的和替換的實(shí)施例的介紹是為了說明和敘述的目的而給出的。并不是要無一遺漏或把本發(fā)明限于所公開的準(zhǔn)確形式。顯然，對(duì)專業(yè)技術(shù)人員而言，許多修正和改動(dòng)都是顯而易見的。所選擇并介紹的實(shí)施例是為了更好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，以便使那些專業(yè)技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明，將其用于各種實(shí)施例并通過各種改動(dòng)后適用于計(jì)劃的實(shí)際用途中。意圖是由下面的權(quán)利要求書及其等價(jià)條款給出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，包括a)一個(gè)機(jī)箱；b)一個(gè)測(cè)量裝置，放置在機(jī)箱內(nèi)，用來進(jìn)行核磁共振測(cè)量，該測(cè)量裝置包括i)一種產(chǎn)生基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置，磁場(chǎng)穿過機(jī)箱進(jìn)入構(gòu)造(formation)內(nèi)，靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的輪廓線在要獲得核磁共振測(cè)量的勘探深度處沿軸向基本上是直的；ii)一種在構(gòu)造內(nèi)產(chǎn)生振蕩場(chǎng)的裝置；以及c)至少一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件，用于確定靜磁場(chǎng)的形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的裝置包括許多圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的部分，每個(gè)部分磁化的方向從裝置的縱軸沿徑向向外并與裝置的縱軸垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的裝置包括許多圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的幾何對(duì)稱和磁軸對(duì)稱的磁環(huán)，其中所述許多磁環(huán)又包括一個(gè)中心磁環(huán)陣列，一個(gè)放置在中心磁環(huán)陣列上面的上磁環(huán)和一個(gè)放置在中心磁環(huán)陣列下面的下磁環(huán)，每個(gè)磁環(huán)是軸對(duì)稱極化的并且每個(gè)磁環(huán)的極化方向沿這組磁環(huán)逐漸變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的裝置包括一個(gè)軸向磁化的上磁體；和一個(gè)軸向磁化的下磁體，與上磁體在軸向分開一定的距離，這樣靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的輪廓線沿軸向基本上是直的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中在要獲得核磁共振測(cè)量的探測(cè)深度處產(chǎn)生具有低梯度的靜磁場(chǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中在要獲得核磁共振測(cè)量的探測(cè)深度處產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
7.一種產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，包括a)一種在構(gòu)造內(nèi)鉆出鉆孔的鉆井裝置；b)一種將鉆井泥漿通過鉆井裝置攜帶出去的裝置；c)一種測(cè)量裝置，與鉆井裝置相連，在鉆探鉆孔的同時(shí)進(jìn)行核磁共振測(cè)量，該測(cè)量裝置包括i)在要獲得核磁共振測(cè)量的一組勘探區(qū)產(chǎn)生一組穿過鉆井裝置進(jìn)入構(gòu)造內(nèi)的基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置，并且使得至少一個(gè)靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的輪廓線沿軸向基本上是直的；ii)在構(gòu)造內(nèi)產(chǎn)生振蕩場(chǎng)的裝置；以及c)安裝在鉆井裝置內(nèi)的至少一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件以確定靜磁場(chǎng)的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中產(chǎn)生一組基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置還包括一個(gè)產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置，它包括一個(gè)圍繞攜帶裝置的軸向磁化的上磁體，和一個(gè)圍繞攜帶裝置的軸向磁化的中心磁體，中心磁體與上磁體在軸向分開一個(gè)第一距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中產(chǎn)生一組基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置還包括一個(gè)產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置，它包括一個(gè)圍繞攜帶裝置的軸向磁化的中心磁體，和一個(gè)圍繞攜帶裝置的軸向磁化的下磁體，下磁體與中心磁體在軸向分開一個(gè)第二距離。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第一勘探區(qū)產(chǎn)生具有低梯度的靜磁場(chǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有低梯度的靜磁場(chǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第一勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
14.權(quán)利要求13的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
15.一種產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，包括a)一個(gè)機(jī)箱；b)一個(gè)測(cè)量裝置，放置在機(jī)箱內(nèi)，用來進(jìn)行核磁共振測(cè)量，該測(cè)量裝置包括i)在要獲得核磁共振測(cè)量的一組勘探區(qū)產(chǎn)生一組穿過機(jī)箱進(jìn)入構(gòu)造內(nèi)的基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置，并且使得由至少一個(gè)靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的輪廓線沿軸向基本上是直的；ii)在構(gòu)造內(nèi)產(chǎn)生振蕩場(chǎng)的裝置；以及c)至少一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件，用以確定靜磁場(chǎng)的形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中產(chǎn)生一組基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置還包括一個(gè)產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置，它包括一個(gè)圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的軸向磁化的上磁體，和一個(gè)圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的軸向磁化的中心磁體，中心磁體與上磁體在軸向分開一個(gè)第一距離。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中產(chǎn)生一組基本上為軸對(duì)稱的靜磁場(chǎng)的裝置還包括一個(gè)產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置，它包括一個(gè)圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的軸向磁化的中心磁體，和一個(gè)圍繞導(dǎo)磁構(gòu)件的軸向磁化的下磁體，下磁體與中心磁體在軸向分開一個(gè)第二距離。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第一勘探區(qū)產(chǎn)生具有低梯度的靜磁場(chǎng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有低梯度的靜磁場(chǎng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中產(chǎn)生第一靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第一勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，其中產(chǎn)生第二靜磁場(chǎng)的裝置在要獲得核磁共振測(cè)量的第二勘探區(qū)產(chǎn)生具有高梯度的靜磁場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可產(chǎn)生在共振區(qū)具有又長(zhǎng)又直的輪廓線的軸對(duì)稱的磁場(chǎng)的核磁共振裝置和方法。采用一個(gè)導(dǎo)磁構(gòu)件來確定由一個(gè)永磁體陣列產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)的形狀。導(dǎo)磁構(gòu)件將在獲得核磁共振測(cè)量時(shí)由裝置的垂直運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造內(nèi)的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。另外,導(dǎo)磁構(gòu)件可將在獲得核磁共振測(cè)量時(shí)由裝置的水平運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造內(nèi)的靜磁場(chǎng)的變化減至最小。
文檔編號(hào)G01V3/32GK1248705SQ9910256
公開日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1999年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月3日
發(fā)明者B·魯翁, K·加內(nèi)桑, M·E·波伊茨施 申請(qǐng)人:安娜鉆機(jī)國(guó)際有限公司