Способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2367982:
Общество с ограниченной ответственностью "Нефтегазгеофизика" (RU)
Использование: для ядерно-магнитного каротажа нефтяных и газовых скважин. Сущность: заключается в том, что осуществляют генерирование в основном плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, и также осуществляют генерирование плоскопараллельного дипольного радиочастотного поля с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита, причем статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную зону исследований вблизи скважины, где значения напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, и компонента радиочастотного поля, ортогональная к статическому полю, является в основном однородной, после чего в результате возбуждения ядер водорода производят прием сигналов ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной зоны исследования, при этом дополнительно с помощью короткозамкнутых витков, изготовленных из высокопроводящего материала, генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, направленных таким образом, что в дугообразной зоне исследования они складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной зоне исследования, в том числе в области магнита и в области, находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле. Технический результат: компенсация радиочастотного поля в проводящем магните и буровом растворе скважины. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к геофизическим методам исследования скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу прижимными приборами, применяемыми для исследования нефтяных и газовых скважин.
Известен способ ядерно-магнитного каротажа, описанный в патенте США №4710713, МПК G01V 3/18, включающий генерирование дипольного статического магнитного поля вблизи скважины в области, подлежащей анализу, с помощью непроводящего магнита с длинной продольной осью и направлением намагничивания, проходящим в основном перпендикулярно вышеупомянутой оси, генерирование дипольного радиочастотного поля для возбуждения ядер атомов анализируемого материала в вышеупомянутой области с помощью катушки, навитой таким образом, что витки катушки лежат в плоскостях, параллельных вышеупомянутому направлению намагничивания и вышеупомянутой продольной оси, и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса от возбуждаемых ядер для получения информации о свойствах анализируемого материала.
Недостатком данного способа является то, что если скважина заполнена проводящим буровым раствором с удельным сопротивлением менее 0,05 Ом·м, в радиочастотной катушке возникают большие потери, вызванные электромагнитными потерями радиочастотного поля в проводящем буровом растворе скважины. При больших проводимостях раствора в приборах резко уменьшается отношение сигнал-шум, и данные становятся недостоверными. Вторым недостатком является то, что для исследования скважин различных диаметров необходимо иметь несколько типоразмеров центрируемых зондов. Один зонд для скважин диаметром от 160 мм до 215 мм и другой зонд для скважин диаметром от 215 мм до 290 мм.
Известен способ ядерно-магнитного каротажа, описанный в патенте Российской Федерации №2181901, МПК G01V 3/32, включающий генерирование дипольного статического магнитного поля вблизи скважины в области, подлежащей анализу, с помощью магнита из проводящего редкоземельного материала. Для исключения электромагнитных потерь в проводящем магните дополнительно генерируют дипольное поле, компенсирующее радиочастотное поле в области магнита.
Данный способ исключает электромагнитные потери в области магнита и частично уменьшает потери радиочастотного поля в области скважины, однако, так же, как и в предыдущем случае, требуется несколько типоразмеров центрируемых зондов для работы в скважинах различного размера.
Известен способ ядерно-магнитного каротажа с помощью прижимного зонда малого диаметра, описанный в патенте США №5055787, МПК G01R 33/38. Зонд работает в скважинах любого размера от 160 мм до 290 мм. При этом способе с помощью двух или трех магнитов генерируют статическое фокусированное однородное магнитное поле в области, находящейся на некотором расстоянии от стенки скважины, напротив магнитов. В направлении вдоль намагниченности магнитов генерируют радиочастотное поле с помощью фокусированной направленной антенны (радиочастотной катушки), заполненной ферритом, поле которой направлено в области исследования горных пород, в основном, перпендикулярно статическому магнитному полю. И принимают сигнал ядерно-магнитного резонанса из ограниченной угловой 100° области исследования, расположенной вдоль направления намагниченности магнитов на некотором расстоянии от стенки зонда.
Недостатком этого способа является малая глубинность области исследования, которая находится на расстоянии порядка 4 см от стенки зонда. В скважинах, имеющих каверны, область исследования попадает в буровой раствор, что приводит к появлению ложных результатов. Вторым недостатком является малый градиент статического магнитного поля в области исследования, что не позволяет проводить дополнительные исследования свойств флюидов методом усиленной диффузии, с целью определения остаточной нефтенасыщенности пластов.
Развитием данного способа явился патент США №6489763, МПК G01R 33/44, в котором, сохраняя фокусировано направленную антенну, представляющую собой радиочастотную катушку и область исследования в секторе 100°, генерируют дипольное градиентное статическое магнитное поле с помощью четырех магнитов с направлением намагниченности по закону 2φ.
При таком подходе недостатки, присущие предыдущему способу, а именно малая глубинность исследования и малый градиент поля в области исследования, устраняются. Однако резко усложняется технология изготовления зонда, так как необходимо изготовить четыре магнита различной формы с различным направлением намагниченности.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ ядерно-магнитного каротажа прижимным зондом, описанный в патенте Российской Федерации №2242772, МПК G01V 3/32, полученном по заявке США, по которой в США получен патент №6348792, МПК G01V 3/00.
Это способ включает генерирование в основном плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины с помощью одного или нескольких удлиненных магнитов, выполненных из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита. Генерирование дипольного радиочастотного поля с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита. При этом радиочастотное поле направлено в области исследования горных пород, прилегающей к радиочастотной катушке, в основном перпендикулярно статическому магнитному полю. И прием сигналов ядерно-магнитного резонанса.
Недостатком данного способа является то, что область исследования, в которой предлагается принимать сигнал ядерно-магнитного резонанса, достаточно велика от 90° до 135° (скорее 135°) и может зайти в область скважины. Это приводит к тому, что величина сигнала от бурового раствора в скважине будет более 1% от 100% общей пористости в области исследования.
Вторым недостатком являются повышенные потери в радиочастотной катушке, возникающие вследствие вихревых токов, протекающих в проводящем магните и проводящем буровом растворе, которым заполнена скважина.
Задачей, на решение которой направлен заявляемый способ, является компенсация радиочастотного магнитного поля в проводящем магните и буровом растворе скважины с целью уменьшения электромагнитных потерь как в магните, так и в скважине, и как следствие в радиочастотной катушке, а так же уменьшение сигнала ядерной индукции, получаемого от бурового раствора в скважине.
При использовании предлагаемого способа достигается технический результат, заключающийся в уменьшении сигнала ядерно-магнитного резонанса от бурового раствора, что приводит к повышению точности определения фильтрационно-емкостных свойств породы в области исследования, уменьшении электромагнитных потерь в проводящем магните зонда и проводящем буровом растворе скважины, что приводит к уменьшению энергетических потерь в системе, повышению добротности приемно-передающей катушки зонда. Кроме этого устраняются магнитострикционные помехи, которые появляются при воздействии радиочастотного поля непосредственно на магнит зонда. В конечном результате повышается отношение сигнал/шум при приеме сигнала ядерной индукции.
Известно устройство для каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, описанное в патенте Российской Федерации №2181901, МПК G01V 3/32. Устройство состоит из длинного магнита, выполненного в виде параллелепипеда и намагниченного перпендикулярно его длинной оси и широкой стороне. Магнит вставлен в цилиндрический каркас, на который намотана обмотка радиочастотной катушки. Обмотка находится в симметричных секторах по 120°, расположенных напротив широкой стороны магнита. Витки радиочастотной катушки лежат в плоскостях, параллельных узкой стороне магнита. На магнит намотана или компенсирующая катушка, витки которой параллельны виткам радиочастотной катушки и включены встречно основной радиочастотной катушке, или короткозамкнутый виток (экран) из высокопроводящего материала.
Недостатком этого устройства является то, что требуется несколько типоразмеров центрируемых зондов для работы в скважинах различного размера.
Наиболее близким к предлагаемому в изобретении устройству является устройство, описанное в патенте Российской Федерации №2242772, МПК G01V 3/32. Устройство состоит из основного магнита, выполненного из проводящего материала и предназначенного для формирования дипольного статического магнитного поля, антенны, предназначенной для создания ортогонального, по отношению к статическому полю, дипольного высокочастотного магнитного поля для возбуждения ядер и приема сигналов от возбужденных ядер. Причем антенна смещена в поперечном направлении от основного магнита в сторону исследуемого материала. Устройство содержит вспомогательный магнит, имеющий намагничивание, параллельное с основным магнитом. Вспомогательный магнит удален как от основного магнита, так и от антенны. Дополнительно антенна содержит магнитный сердечник с зазором, выполненный из специального неферритового порошкообразного магнитомягкого материала. Устройство содержит экран для защиты от высоких частот, расположенный со стороны устройства, противоположной стороне исследуемого материала.
Недостатком данного устройства является то, что область исследования, в которой предлагается принимать сигнал ядерно-магнитного резонанса, достаточно велика от 90° до 135° (скорее 135°) и может зайти в область скважины. Это приводит к тому, что величина сигнала от бурового раствора в скважине будет более 1% от 100% общей пористости в области исследования.
Вторым недостатком являются повышенные потери в радиочастотной катушке, возникающие вследствие вихревых токов, протекающих в проводящем магните и проводящем буровом растворе, которым заполнена скважина.
Недостатком является наличие магнитострикционных эффектов, возникающих в проводящем магните при протекании по нему высокочастотных вихревых токов.
Конструкция зонда сложна и требует подстройки вспомогательного магнита и зазоров между основным магнитом и антенной, в зависимости от параметров основного магнита.
Проводимость редкоземельного материала магнита, выполненного из SmCo, выступающего в виде электромагнитного экрана, велика. Поэтому требуются большие энергетические затраты со стороны радиочастотной катушки для установления общего энергетического баланса в системе и компенсации поля за магнитом. Это обстоятельство приводит к тому, что для улучшения характеристик радиочастотной катушки, которая выступает как в роли передающей катушки, так и в роли приемной катушки предложено применение сердечника из специального магнитомягкого неферритового материала, что положительно сказывается на параметрах радиочастотной катушки, с позиций приема сигнала ядерно-магнитного резонанса. Однако применение сердечника из магнитомягкого материала, приводит к шунтированию стационарного магнитного поля. Поэтому введен дополнительный магнит с направлением намагниченности, параллельной основному магниту, который должен скомпенсировать потерю статического поля в области исследования. Кроме того, радиочастотное поле в области магнита вызывает магнитострикционный эффект в магните, что приводит к дополнительным помехам в радиочастотной катушке при приеме сигналов ядерно-магнитного резонанса. Для уменьшения этого эффекта зазоры между вспомогательным магнитом, основным магнитом и антенной регулируют. Способ регулировки в патенте не оговаривается. Поэтому устройство достаточно сложно и нетехнологично.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является компенсация радиочастотного магнитного поля в проводящем магните и буровом растворе скважины с целью уменьшения электромагнитных потерь как в магните, так и в скважине, и как следствие в радиочастотной катушке, а так же уменьшение сигнала ядерной индукции от бурового раствора в скважине.
При использовании предлагаемого устройства достигается технический результат, заключающийся в уменьшении сигнала ядерно-магнитного резонанса от бурового раствора, что приводит к повышению точности определения фильтрационно-емкостных свойств породы в области исследования, уменьшении электромагнитных потерь в проводящем магните зонда и проводящем буровом растворе скважины, что приводит к уменьшению энергетических потерь в системе, повышению добротности приемно-передающей катушки зонда. Кроме этого устраняются магнитострикционные помехи, которые появляются при воздействии радиочастотного поля непосредственно на магнит зонда. В конечном результате повышается отношение сигнал/шум при приеме сигнала ядерной индукции.
Поставленная задача в способе каротажа решается таким образом: вблизи скважины генерируют в основном плоскопараллельное дипольное статическое поле с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, и генерируют плоскопараллельное дипольное радиочастотное поле с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита. Статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную область исследования вблизи скважины, где значение напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, при этом компонента радиочастотного поля ортогональна к статическому полю и является в основном однородной, с помощью импульсов радиочастотного поля возбуждают ядра водорода и принимают сигналы ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной области исследования.
Кроме того, с помощью короткозамкнутых витков из высокопроводящего материала дополнительно генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, которые в дугообразной области исследования складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной области исследования, в том числе в области магнита и в области, находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле.
При этом формирование до 99% сигнала ядерно-магнитного резонанса осуществляют в дугообразной зоне исследования в секторе с углом раствора от 65° до 90°, регулируемого путем изменения угла раствора короткозамкнутых витков.
Поставленная задача в устройстве, предназначенном для осуществления данного способа, решается следующим образом.
Устройство содержит длинный симметричный в поперечном сечении магнит, который, с одной стороны, имеет широкую плоскую поверхность, а с другой стороны, вписан в цилиндрическую поверхность. Магнит намагничен перпендикулярно длинной оси и параллельно широкой плоской стороне. Имеется радиочастотная катушка, витки которой лежат внутри указанной цилиндрической поверхности, в плоскостях, параллельных направлению намагниченности магнита и продольной оси, но сдвинуты от оси магнита в направлении, перпендикулярном продольной оси и плоской стороне магнита. Статическое поле магнита определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную область исследования вблизи скважины. В дугообразной области исследования значение напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, при этом компонента радиочастотного поля перпендикулярна к статическому полю и является в основном однородной.
Кроме того, дополнительно введен, по меньшей мере, один короткозамкнутый виток из высокопроводящего материала, плоскость короткозамкнутых витков параллельна плоскостям витков радиочастотной катушки. Первый короткозамкнутый виток размещен на краях широкой плоской стороны магнита, второй и последующие витки расположены симметрично радиочастотной катушке на коаксиальных цилиндрических поверхностях большего радиуса, чем радиус цилиндрической поверхности, в которую вписан магнит и радиочастотная катушка, при этом угол, в котором находятся второй и последующие короткозамкнутые витки, в основном, в 1,5 раза больше угла сектора регулируемой дугообразной области исследования горных пород.
Кроме того, радиочастотная катушка представляет собой совокупность плоских витков, распределенных в секторе в основном с углом раствора от 60° до 100°, а центральная часть этого сектора в основном размером от 20° до 50° витками не заполнена.
Новым, по отношению к прототипу, в способе, в котором генерирование, в основном, плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины происходит с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, а генерирование плоскопараллельного дипольного радиочастотного поля происходит с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита, при этом статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную область исследования вблизи скважины, где значение напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, а компонента радиочастотного поля перпендикулярна к статическому полю и является в основном однородной, возбуждение ядер водорода и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной области исследования, дополнительно с помощью короткозамкнутых витков из высокопроводящего материала генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, которые в дугообразной области исследования складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной области исследования, в том числе в области магнита и в области находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле.
При этом формирование до 99% сигнала ядерно-магнитного резонанса осуществляют в дугообразной области исследования в секторе с углом раствора от 65° до 90°, регулируемого путем изменения угла раствора короткозамкнутых витков.
Новым по отношению к прототипу в предлагаемом устройстве, включающем длинный симметричный в поперечном сечении магнит, который, по крайней мере, с одной стороны имеет широкую плоскую поверхность, а с другой стороны вписан в цилиндрическую поверхность, причем магнит намагничен перпендикулярно длинной оси и параллельно широкой плоской стороне. Устройство содержит радиочастотную катушку, витки которой лежат внутри указанной цилиндрической поверхности, в плоскостях, параллельных направлению намагниченности магнита и продольной оси, и сдвинуты от оси магнита в направлении, перпендикулярном длинной оси и плоской стороне магнита. Статическое поле магнита определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную область исследования вблизи скважины, где значение напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, а компонента радиочастотного поля перпендикулярна к статическому полю и является в основном однородной, при этом дополнительно введен, по меньшей мере, один короткозамкнутый виток из высокопроводящего материала, причем плоскость короткозамкнутых витков параллельна плоскостям витков радиочастотной катушки. Первый короткозамкнутый виток размещен на краях широкой плоской стороны магнита, второй и последующие витки расположены симметрично радиочастотной катушке на коаксиальных цилиндрических поверхностях большего радиуса, чем радиус цилиндрической поверхности, в которую вписан магнит, при этом угол, в котором находятся второй и последующие короткозамкнутые витки в основном в 1,5 раза больше угла сектора дугообразной области исследования.
Радиочастотная катушка представляет собой совокупность плоских витков, равномерно распределенных в секторе с углом раствора в основном от 60° до 100°, а центральная часть этого сектора в основном размером от 20° до 50° витками не заполнена.
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 не существует.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг.1 - поперечное сечение элементов прижимного зонда ядерно-магнитного каротажа (прижимное устройство не показано);
На фиг.2 - распределение индуцированных вихревых токов в дополнительных высокопроводящих элементах прижимного зонда;
На фиг.3 - изолинии амплитуды и проекция на плоскость прецессии совокупного радиочастотного поля в зоне возможного возникновения сигнала ядерной индукции;
На фиг.4 - направление и амплитуда поля дипольной составляющей радиочастотного поля;
На фиг.5 - направление и амплитуда поля квадрупольной составляющей радиочастотного поля;
На фиг.6 - угловая плотность сигнала ядерной индукции в зависимости от угла раствора внешнего короткозамкнутого витка;
На фиг.7 - отношение сигнал-шум для выходного сигнала катушки прижимного зонда в зависимости от размера сектора, занимаемого радиочастотной катушкой.
Устройство содержит длинный симметричный в поперечном сечении магнит 1, который, с одной стороны, имеет широкую плоскую поверхность 2, а с другой, вписан в цилиндрическую поверхность 3. Длинная ось магнита ориентирована перпендикулярно плоскости рисунка. Намагниченность 4 магнита направлена перпендикулярно длинной оси и параллельно широкой плоской стороне 2. Устройство содержит радиочастотную катушку 5, витки 6, 7, 8, 9 которой лежат внутри цилиндрической поверхности 3. Плоскости витков 6, 7, 8, 9 параллельны направлению намагниченности 4 магнита 1 и длинной оси и сдвинуты от магнита в направлении, перпендикулярном его оси и плоской стороне 2. Витки 6, 7, 8, 9 занимают сектор с углом раствора (β) 10, лежащий в пределах от 60° до 100°, причем центральная часть этого сектора с углом (γ) 11 размером от 20° до 50° витками не заполнена. Стороной, заполненной витками радиочастотной катушки 5, устройство с помощью не показанного прижимного механизма прижимается к стенке скважины. Магнит 1 создает статическое поле, которое совместно с радиочастотным полем определяет прилегающую к радиочастотной катушке 5 дугообразную область исследования 12. Устройство имеет два короткозамкнутых витка, один из которых образован слоем 13 высокопроводящего материала, охватывающего магнит 1, а второй, изготовленный в виде рамки 14 из высокопроводящего материала, расположен симметрично радиочастотной катушке 5 на цилиндрической поверхности 11, коаксиальной цилиндрической поверхности 3, но большего радиуса. Угол (α) 15, в котором находится второй виток 14, в основном в 1,5 раза больше требуемого угла (θ) 16 раствора сектора дугообразной области исследования 12, в которой формируется до 99% сигнала ядерно-магнитного резонанса.
Для пояснения электромагнитных потерь, возникающих в системе, на выносках представлены изолинии 17, 19 плотности вихревых токов в области 18 и 20 слоя 13 высокопроводящего материала, охватывающего магнит 1, и изолинии 21, 23 плотности вихревых токов в области 22, 24 рамки 14. Приведенные изолинии рассчитаны по методу конечных элементов для слоя 13 и рамки 14, изготовленных из меди, для радиочастотной катушки 5, состоящей из четырех витков 6, 7, 8 и 9, при токе амплитудой 100 А и частотой 700 кГц.
Статическое поле, создаваемое магнитом 1, имеет в области 28 направления 29. Радиочастотное поле, создаваемое катушкой 5 и короткозамкнутыми витками 13 и 14, характеризуется изолиниями напряженности 25 и 26 и имеет в области 28 формирования сигнала ядерно-магнитного резонанса проекцию 27 вектора напряженности на плоскость прецессии. Длина стрелок, обозначающих проекцию 27, пропорциональна логарифму от амплитуды проекции вектора напряженности на плоскость прецессии. Проекция 27 обладает значительной амплитудой только в области 12, расположенной напротив радиочастотной катушки 5, где и формируется основная часть сигнала ядерной индукции. Радиочастотное поле, создаваемое катушкой 5 и короткозамкнутыми витками 13 и 14, является суперпозицией двух составляющих - дипольной и квадрупольной. Дипольная составляющая имеет изолинии 30 и 31 и направления 32. Квадрупольная составляющая представлена изолиниями 33 и 34 и направлениями 35. На зависимости угловой плотности сигнала по оси абсцисс 36 отложены значения полярного угла в градусах, по оси ординат 37 значения угловой плотности сигнала в относительных единицах. Полярный угол отсчитывается от направления намагниченности 4 постоянного магнита 1. Приведены кривые для четырех вариантов предлагаемого устройства с различными углами (α) 15 раствора короткозамкнутого витка 14. Кривые 38, 39, 40, 41 соответствуют углам раствора 100°, 120°, 140° и 160° соответственно.
Изолинии 44 величины отношения сигнал-шум выходного сигнала ядерной индукции представлены в координатах 42, 43 в зависимости от углов (γ) 11 (β) 10, между которыми равномерно распределены витки радиочастотной катушки. При построении изолиний 44 угол (α) 15 раствора короткозамкнутого витка, образуемого рамкой 14, принят равным 120°.
Способ каротажа и принцип действия устройства с использованием ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) состоят в том, что радиочастотным магнитным полем возбуждаются предварительно поляризованные атомные ядра, а затем осуществляется прием от них сигнала ядерной индукции. Атомные ядра поляризуются статическим магнитным полем, которое создается удлиненным магнитом 1, изготовленным из проводящего редкоземельного материала с направлением намагниченности 4, перпендикулярным его оси. Магнит 1 создает плоскопараллельное дипольное поле, значение напряженности которого определяет область формирования ядерно-магнитного резонанса 28, представляющую собой для плоскопараллельного дипольного статического поля кольцевую цилиндрическую зону, соосную с осью магнита 1. Ширина Δr этой кольцевой зоны определяется градиентом статического поля и примерно равна расстоянию, на котором амплитуда статического поля изменяется на 1%. Направления векторов напряженности 29 статического поля в области 28 соответствуют конфигурации поля диполя. Возбуждение радиочастотного магнитного поля и прием сигнала ядерной индукции осуществляются с помощью катушки 5. Для возбуждения сигналов ядерной индукции на катушку 5 подается радиочастотный токовый сигнал в виде определенной последовательности радиоимпульсов, например последовательности Карра-Парселла-Мейбума-Гилла (Carr-Purcell-Meiboom-Gill), (КПМГ). Ток в катушке 5 создает радиочастотное поле, имеющее в области 28 такое распределением амплитуды и ориентации, что оптимальные условия для формирования сигнала ядерно-магнитного резонанса реализуются только в области исследования 12. Так как плоскости витков 6, 7, 8, 9 катушки 5 параллельны направлению 4 намагниченности магнита 1, то направления 32 дипольной составляющей радиочастотного поля в области 28 перпендикулярны к направлениям 29 дипольного статического поля.
Принимаемый катушкой 5 сигнал ядерной индукции S формируется в результате прецессионного синфазного движения магнитных моментов ядер водорода в плоскости (плоскость прецессии), перпендикулярной направлению статического магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом 1. Для плоскопараллельного дипольного статического поля величина сигнала ядерной индукции с точностью до постоянного множителя определяется выражением:
где S - принимаемый катушкой 5 сигнал ядерной индукции,
t - текущее время,
r, φ - полярный радиус и полярный угол данной точки пространства в цилиндрической системе координат (r, φ, z) с осью z, направленной вдоль оси магнита 1, и полярной осью, направленной вдоль намагниченности 4 магнита 1,
f - частота прецессии, равна частоте возбуждающего радиочастотного поля,
М⊥(r,φ) - проекция вектора ядерной намагниченности в момент окончания радиоимпульса на плоскость прецессии в точке (r, φ),
- проекция амплитуды напряженности радиочастотного импульса на плоскость прецессии в точке (r, φ),
V - область 28 формирования ядерно-магнитного резонанса.
При использовании последовательности КПМГ величина М⊥(r,φ) равна:
где χ - магнитная восприимчивость среды,
γ - гиромагнитное отношение,
r, φ - полярный радиус и полярный угол данной точки пространства в цилиндрической системе координат (r, φ, z) с осью z, направленной вдоль оси магнита 1, и полярной осью, направленной вдоль намагниченности 4 магнита 1,
М⊥(r,φ) - проекция вектора ядерной намагниченности в момент окончания радиоимпульса на плоскость прецессии в точке (r, φ),
Н(r,φ) - напряженность статического магнитного поля в точке (r, φ),
Δt - длительность радиоимпульса,
- проекция амплитуды напряженности радиочастотного импульса на плоскость прецессии в точке (r, φ).
Подставляя значение для М⊥(r,φ) в формулу (1) и преобразуя в цилиндрической системе координат (r, φ, z) объемный интеграл в кратный, имеем следующее выражение:
где S - принимаемый катушкой 5 сигнал ядерной индукции,
f - частота прецессии,
γ - гиромагнитное отношение,
t - текущее время,
r, φ - полярный радиус и полярный угол данной точки пространства в цилиндрической системе координат (r, φ, z) с осью z, направленной вдоль оси магнита 1, и полярной осью, направленной вдоль намагниченности 4 магнита 1,
Н(r,φ) - напряженность статического магнитного поля в точке (r, φ),
Δt - длительность радиоимпульса,
- проекция амплитуды напряженности радиочастотного импульса на плоскость прецессии в точке (r, φ),
L - длина системы,
Δr - ширина области 28 в направлении φ, определяемая, как указывалось ранее, градиентом статического магнитного поля Н(r, φ).
Последнее равенство в формуле (3) получено вычислением интеграла по z с учетом независимости подынтегрального выражения от координаты z для рассматриваемой плоскопараллельной задачи.
Часть уравнения (3), заключенная в круглые скобки, с точностью до постоянного множителя равна угловой плотности сигнала ρ(φ), то есть определяет долю сигнала S ядерно-магнитного резонанса, приходящую от участка области 28, расположенного в направлении φ:
где γ - гиромагнитное отношение,
r, φ - полярный радиус и полярный угол данной точки пространства в цилиндрической системе координат (r, φ, z) с осью z, направленной вдоль оси магнита 1, и полярной осью, направленной вдоль намагниченности 4 магнита 1,
ρ(φ) - угловая плотность сигнала,
H(r, φ) - напряженность статического магнитного поля в точке (r, φ),
Δt - длительность радиоимпульса,
- проекция амплитуды напряженности радиочастотного импульса на плоскость прецессии в точке (r, φ),
Δr - ширина области 28 в направлении φ.
Таким образом, доля сигнала, получаемая от некоторого сектора области 28, оказывается тем больше, чем больше проекция
напряженности радиочастотного поля на плоскость прецессии в этом секторе. Изменения значения проекции вдоль области 28 приводят к зависимости чувствительности измерительной системы от направления. В настоящем способе с целью получения сигнала только от дугообразной зоны исследования 12 области 28 с помощью короткозамкнутых витков генерируются дополнительные квадрупольные радиочастотные поля. Напряженности квадрупольных полей 35 складываются с напряженностью 32 дипольного радиочастотного поля в дугообразной зоне исследования 12 и вычитаются с противоположной стороны системы. В результате проекция 27 становится неоднородной по области 28, достигая существенных значений только в зоне 12, где соответственно в основном и формируется сигнал.
В устройстве генерация соответствующих квадрупольных полей осуществляется с помощью короткозамкнутых витков, образованных рамкой 14 и слоем 13 проводящего материала, окружающего магнит 1. Посредством электромагнитной индукции в короткозамкнутых витках, образованных рамкой 14 и слоем 13 проводящего материала, окружающего магнит 1, возбуждаются вихревые токи. В рамке 14 вихревой ток оказывается сосредоточенным вблизи кромок 22 и 24, а в слое 13 вблизи края широкой плоской стороны 2 магнита 1 в областях 18 и 20. Изолинии 17, 19, 21 и 23 указывают на то, что вихревой ток распределен в основном в тонком поверхностном слое элементов 13 и 14, формируя два плоских короткозамкнутых витка. Плоскости этих витков параллельны плоскостям витков 6, 7, 8, 9 катушки 5 и смещены от них в перпендикулярном направлении. Направления индуцированных вихревых токов противоположны направлению тока в катушке 5. В результате, совокупность токов, протекающих в радиочастотной катушке 5, в слое 13 и в рамке 14, приобретает квадрупольный момент, который, в свою очередь, приводит к формированию квадрупольного радиочастотного магнитного поля. Для получения достаточно большого квадрупольного момента рамка 14 расположена на цилиндрической поверхности 11, имеющей радиус больший, чем цилиндрическая поверхность 3, внутри которой расположены витки 6, 7, 8, 9 катушки 5. Как указывалось ранее, направления 35 квадрупольного поля совпадают с направлениями 32 дипольного в зоне исследования 12 области 28 и противоположны им с другой стороны области 28. Это приводит к компенсации радиочастотного поля в области, расположенной за магнитом, на стороне, противоположной зоне 12, и соответственно к снижению сигнала ядерной индукции от этой стороны области 28. Уменьшение суммарного радиочастотного поля заметно по изолиниям 25 и 26, которые сравнительно с изолиниями 30, 31 дипольной и 33, 34 квадрупольной составляющих оказываются удалены от устройства со стороны зоны исследования 12 и прижаты к нему с противоположной стороны. В секторах области 28, непосредственно примыкающих к зоне 12, компенсация дипольного поля недостаточна, однако, направления суммарного поля оказываются не перпендикулярными к направлениям 29 статического поля, что также уменьшает проекцию 27 и соответственно сигнал ядерной индукции. В результате сигнал ядерной индукции формируется в основном в зоне исследования 12, где проекция 27 имеет достаточно большую амплитуду. На остальные участки области 28 приходится незначительная доля сигнала. Угол раствора (θ) 16 области исследования 12 определяется в основном углом раствора (α) 15 рамки 14 и оказывается примерно в 1,5 раза больше.
При большом удельном сопротивлении материала слоя 13 и рамки 14 большая часть энергии, поступающей в радиочастотную катушку 5, уйдет на разогрев этих элементов конструкции, а не на создание возбуждающего магнитного поля. Подобная ситуация реализуется при отсутствии витка из высокопроводящего материала, расположенного по периметру широкой стороны 2 магнита 1. В этом случае индуцированные токи возникают в поверхностном слое проводящего магнита 1, сопротивление которого достаточно велико (порядка 100·10-8 Ом·м). Это приводит к уменьшению КПД системы при возбуждении, а также к резкому увеличению вносимого в радиочастотную катушку 5 сопротивления, что в свою очередь существенно снижает добротность радиочастотной катушки и значительно ухудшает условия приема сигнала ядерной индукции. В настоящем изобретении в места 18, 20, 22 и 24 сосредоточения вихревых токов предлагается поместить специальные дополнительные короткозамкнутые витки, изготовленные из высокопроводящего материала, например из меди. Изготовление одного из короткозамкнутых витков в виде сплошного слоя 13 из высокопроводящего материала, охватывающего весь магнит 1, приводит к дополнительному эффекту, обеспечивающему исключение помех, обусловленных магнитострикционными явлениями. Из-за скин-эффекта радиочастотное магнитное поле проникает в материал слоя 13 на небольшую глубину, составляющую для меди при частоте 1 МГц несколько десятых долей миллиметра. Это приводит к практически полному отсутствию переменного поля внутри области, ограниченной слоем 13, в том числе в материале постоянного магнита 1.
По формуле (4) можно рассчитать азимутальное распределение сигнала ядерной индукции в зоне 28 формирования сигнала ядерно-магнитного резонанса. Соответствующие кривые 38, 39, 40 и 41 получены для частоты возбуждения, равной 700 кГц. Значения материальных величин (остаточная индукция магнитного материала магнита 1, плотность тока в радиочастотной катушке 5, ее сопротивление на рабочей частоте) определялись на основе экспериментальных данных, полученных при измерении реальных магнитов и радиочастотных катушек. По оси абсцисс 36 графиков отложены значения полярного угла φ в градусах, по оси ординат 37 - значения угловой плотности сигнала в относительных единицах. Приведены зависимости для четырех вариантов предлагаемого устройства с различными углами (α) 15 раствора короткозамкнутого витка 14. Кривые 38, 39, 40, 41 соответствуют углам раствора (α) 100°, 120°, 140° и 160° соответственно.
Максимальные значения сигнала наблюдаются для углов φ, лежащих вблизи 90°, что соответствует направлению на зону исследования 12. Минимальные значения соответствуют противоположной стороне устройства. Угол (θ) 16 раствора области исследования 12 определяется диапазоном углов φ, в котором кривые 38, 39, 40 и 41 имеют существенные значения. Этот диапазон, а соответственно и угол (θ) 16 зависят от угла (α) 15 раствора короткозамкнутого витка 14. Таким образом, изменением угла (α) 15 можно регулировать азимутальную ширину области исследования 12, определяемую углом (θ) 16.
Для угла (α) 15 раствора короткозамкнутого витка 14, большего, чем 160° доля сигнала, полученная от области, расположенной со стороны, противоположной дугообразной зоне исследования 12, составляет более 1%. При работе в скважине с этой стороны устройства будет располагаться буровой раствор. Так как водородосодержание бурового раствора может доходить до 80%, то фон от раствора окажется слишком велик, чтобы зафиксировать пористость порядка 1% в области исследования 12. Поэтому в рассматриваемом изобретении предлагается выполнять рамку 14 с углом (α) 15 раствора, лежащим в пределах от 100° до 140°, что дает вклад в сигнал противоположной стороны не более 1%, при достаточно большом полном сигнале.
Выходной сигнал U катушки 5 определяется принимаемым катушкой 5 сигналом ядерной индукции S и резонансными свойствами катушки 5, характеристикой которых служит ее добротность (Q-фактор). Значение сигнала U равно произведению Q на S. Добротность радиочастотной катушки 5 пропорциональна отношению энергии генерируемого магнитного поля W к суммарной мощности электромагнитных потерь в системе Р
,
где f - частота радиочастотного поля,
W - энергия магнитного поля, создаваемого токами, протекающими в системе,
Р - мощность электромагнитных потерь в измерительной системе.
Величина Р включает в себя потери в катушке 5, рамке 14, слое 13, буровом растворе скважины и, вообще говоря, в породе. Энергия поля и мощность потерь зависят как от физических свойств среды, где происходит генерация радиочастотного поля, так и от конфигурации токов - источников поля. Изменяя взаимное расположение проводников можно оптимизировать указанные параметры, в частности величину сигнал-шум, пропорциональную выражению
,
где SNR - отношение сигнал-шум,
U - выходной сигнал катушки 5,
S - сигнал ядерной индукции, принимаемый катушкой 5,
Q - добротность радиочастотной катушки 5,
Р - мощность электромагнитных потерь в измерительной системе.
В настоящем устройстве это достигается расположением катушки 5 в определенном секторе, задаваемом углами 10 и 11. Внешний угол раствора (β) 10 лежит в пределах от 60° до 100°, а внутренний угол раствора (γ) 11 в пределах от 20° до 50°. Выбор значений углов определяется расположением максимума на зависимости величины
S2Q2/Р, представленной изолиниями 44 в координатах углов (β) 10 и (γ) 11, отложенных по осям 43 и 42 соответственно. Угол 15 раствора короткозамкнутого витка, образуемого рамкой 14, принят равным 120°.
Введение короткозамкнутых витков с током, создающих дополнительные квадрупольные поля, позволяет повысить добротность измерительной системы, уменьшить энергопотребление зонда, избавиться от магнитострикционных помех и оптимизировать параметры зонда с позиции максимального отношения сигнал-шум.
1. Способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, включающий генерирование в основном плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, генерирование плоскопараллельного дипольного радиочастотного поля с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита, статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную зону исследований вблизи скважины, где значения напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, и компонента радиочастотного поля, ортогональная к статическому полю, является в основном однородной, возбуждение ядер водорода и прием сигналов ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной зоны исследования, отличающийся тем, что с помощью короткозамкнутых витков, изготовленных из высокопроводящего материала, генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, направленных таким образом, что в дугообразной зоне исследования они складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной зоне исследования, в том числе в области магнита и в области, находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование до 99% сигнала ядерно магнитного резонанса осуществлют в регулируемой дугообразной зоне исследования в секторе с углом раствора от 65 до 90°.
3. Устройство для каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса, содержащее длинный симметричный в поперечном сечении магнит, который, по крайней мере, с одной стороны имеет широкую плоскую поверхность и с другой стороны вписан в цилиндрическую поверхность, магнит намагничен перпендикулярно длинной оси и параллельно широкой плоской стороне, радиочастотную катушку, витки которой лежат внутри указанной цилиндрической поверхности, в плоскостях, параллельных направлению намагниченности магнита и длинной оси, и сдвинуты от оси магнита в направлении, перпендикулярном длинной оси и плоской стороне магнита, статическое поле которого определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную зону исследований вблизи скважины, где значение напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, и компонента радиочастотного поля, ортогональная к статическому полю, является в основном однородной, отличающееся тем, что дополнительно введен по меньшей мере один короткозамкнутый виток из высокопроводящего материала, плоскость короткозамкнутых витков параллельна плоскостям витков радиочастотной катушки, первый короткозамкнутый виток размещен на краях широкой плоской стороны магнита, второй и последующие расположены симметрично радиочастотной катушке на коаксиальной цилиндрической поверхности большего радиуса, чем радиус цилиндрической поверхности, в которую вписан магнит, при этом угол, в котором находится второй короткозамкнутый виток, в 1,5 раза больше угла сектора дугообразной зоны.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что радиочастотная катушка представляет собой совокупность плоских витков, распределенных в секторе с углом раствора от 80 до 100°, центральная часть которого размером от 30 до 50° витками не заполнена.
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что первый короткозамкнутый виток выполнен в виде слоя высокопроводящего материала, охватывающего магнит.
