Скважинное устройство на основе ядерного магнитного резонанса с поперечно-дипольной конфигурацией антенны
Изобретение относится к поперечно-дипольной конфигурации антенны для скважинных устройств на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), например, для получения данных ЯМР из подземной области. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для использования в скважине в подземной области, содержащее: магнитный узел для создания магнитного поля в объеме в подземной области, содержащий: центральный магнит, имеющий первый осевой конец и второй, противоположный, осевой конец; первый концевой магнит, расположенный на расстоянии от первого осевого конца центрального магнита, и второй концевой магнит, расположенный на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита, и антенный блок, содержащий взаимно перпендикулярные поперечно-дипольные антенны для создания возбуждения волн с круговой поляризацией в объеме. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[1] Данная заявка притязает на приоритет согласно предварительной заявке на патент США № 61/872,362, поданной 30 августа 2013 г., под названием «Получение данных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) из подземной области». Приоритетная заявка включена в настоящую заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] Настоящая заявка относится к поперечно-дипольной конфигурации антенны для скважинных устройств на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), например, для получения данных ЯМР из подземной области.
[3] В области каротажа (например, кабельного каротажа, каротажа в процессе бурения (logging while drilling, LWD)) и измерений в процессе бурения (measurement while drilling, MWD), устройства на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) использовали для разведки недр на основе магнитного взаимодействия с глубинным материалом. Некоторые скважинные устройства ЯМР включают в себя магнитный узел, создающий статическое магнитное поле, и узел катушки, который создает радиочастотные (РЧ) управляющие сигналы и обнаруживает явления магнитного резонанса в глубинном материале. Свойства глубинного материала могут быть идентифицированы по обнаруженным явлениям.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[4] На фиг. 1A приведена схема примера системы скважин.
[5] На фиг. 1B приведена схема примера системы скважин, которая включает в себя устройство на основе ЯМР в среде кабельного каротажа.
[6] На фиг. 1C приведена схема примера системы скважин, которая включает в себя устройство на основе ЯМР в среде каротажа в процессе бурения (logging while drilling, LWD).
[7] На фиг. 2A приведена схема примера скважинного устройства для получения данных ЯМР из подземной области.
[8] На фиг. 2B приведена схема другого примера скважинного устройства для получения данных ЯМР из подземной области.
[9] На фиг. 3A приведена диаграмма, отображающая азимутальную избирательность для примера скважинного устройства.
[10] На фиг. 3B приведена схема другого примера скважинного устройства для получения данных ЯМР из подземной области.
[11] На фиг. 4A приведена структурная схема, отображающая пример способа получения данных ЯМР из подземной области.
[12] На фиг. 4B приведена структурная схема, отображающая другой пример способа получения данных ЯМР из подземной области.
[13] Одинаковыми ссылочными символами на различных чертежах показаны одинаковые элементы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[14] В некоторых вариантах осуществления устройство на основе ЯМР может обеспечить практические решения для получения данных ЯМР из недр. В некоторых случаях измерительное устройство может создавать повышенное отношение сигнал-шум (signal-to-noise ratio, SNR) (например, для данного баланса мощности постоянного тока), динамической помехоустойчивости, азимутальной избирательности измерений, или сочетания данных или других преимуществ. В некоторых случаях устройство может быть устойчивым к факторам влияния окружающей среды и обеспечивает точные или достоверные данные для анализа недр.
[15] Некоторые примеры конфигураций для скважинного устройства на основе ЯМР включают в себя по существу двумерное (2D) поперечно-дипольное устройство как для магнитного узла, так и для антенного блока. Магнитные поля, созданные магнитом и антеннами, могут иметь осевую однородность (т.е. однородность вдоль продольной оси устройства на основе ЯМР), которая подходит для использования во время осевого движения. В некоторых случаях может быть использован более широкий диапазон возбуждения (насыщение ядерной намагниченности), например, для достижения осевой симметрии (кругообразности) при данном типе устройства. В некоторых вариантах осуществления скважинное устройство на основе ЯМР сконфигурировано так, чтобы создавать осесимметричные магнитные поля с помощью магнитного узла, создающего радиальное магнитное поле, и антенного блока, создающего продольное радиочастотное магнитное поле (также имеющее продольное направление чувствительности).
[16] В некоторых случаях устройство на основе ЯМР может создавать продольное статическое магнитное поле в объеме, представляющем интерес. В некоторых примерах устройство включает в себя составные поперечно-дипольные антенны (например, две идентичные поперечно-дипольные антенны), которые создают возбуждение волн с круговой поляризацией и обеспечивают квадратурное индукционное детектирование. Может быть использовано устройство из множества антенн с перпендикулярной поляризацией, например, с продольно-дипольным магнитом, который создает осевое статическое магнитное поле в объеме, представляющем интерес. В некоторых примерах устройство включает в себя устройство с рядом объемов, которое использует различные области магнитного узла для получения сигнала ЯМР. В некоторых примерах исследуемая область имеет форму, которая подходит для измерений во время спуска-подъема бурильной колонны (т. е. прохода бурильной колонны в скважину). Некоторые примеры осуществления включают в себя комбинацию осесимметричного отклика поперечно-дипольной антенны и осесимметричного отклика монопольной антенны, что в некоторых случаях может обеспечить измерения однонаправленного ЯМР с азимутальным разрешением.
[17] На фиг. 1A приведена схема примера системы 100a скважин. Пример системы 100a скважин включает в себя систему 108 ЯМР-каротажа и подземную область 120 под поверхностью 106 земли. Система скважин может включать в себя дополнительные или различные характеристики, которые не показаны на фиг. 1A. Например, система 100a скважин может включать в себя дополнительные компоненты системы бурения, компоненты системы кабельного каротажа и т.п.
[18] Подземная область 120 может включать в себя всю или часть одной или большего количества подземных формаций или зон. Пример подземной области 120, показанный на фиг. 1A, включает в себя ряд подповерхностных слоев 122 и скважину 104, проникающую через подповерхностные слои 122. Подповерхностные слои 122 могут включать в себя слои осадочных пород, слои горной породы, песчаные слои или сочетания этих и других типов подповерхностных слоев. Один или больше подповерхностных слоев может содержать текучие среды, такие как соляной раствор, нефть, газ и т.п. Хотя пример скважины 104, показанный на фиг. 1A, является вертикальной скважиной, система 108 ЯМР-каротажа может быть выполнена с другой ориентацией скважины. Например, система 108 ЯМР-каротажа может быть приспособлена для горизонтальных скважин, наклонных скважин, искривленных скважин, вертикальных скважин или их сочетаний.
[19] Пример системы 108 ЯМР-каротажа включает в себя каротажное устройство 102, наземное оборудование 112 и вычислительную подсистему 110. В примере, показанном на фиг. 1A, каротажное устройство 102 представляет собой скважинный каротажный зонд, который работает, будучи расположенным в скважине 104. Пример наземного оборудования 112, показанный на фиг. 1A, работает на поверхности 106 или выше нее, например вблизи устья 105 скважины, чтобы управлять каротажным устройством 102 и, возможно, другим скважинным оборудованием или другими компонентами системы 100 скважин. Пример вычислительной подсистемы 110 может принимать и анализировать каротажные данные от каротажного устройства 102. Система ЯМР-каротажа может включать в себя дополнительные или различные характеристики, и характеристики системы ЯМР-каротажа могут быть организованы и приводимы в действие, как представлено на фиг. 1A, или иным способом.
[20] В некоторых случаях вся вычислительная подсистема 110 или ее часть может быть выполнена как компонент или может быть объединена с одним или больше компонентов наземного оборудования 112, каротажного устройства 102 или их обоих. В некоторых случаях вычислительная подсистема 110 может быть выполнена как одна или большее количество вычислительных структур, отдельно от наземного оборудования 112 или каротажного устройства 102.
[21] В некоторых вариантах осуществления вычислительная подсистема 110 встроена в каротажное устройство 102 и вычислительная подсистема 110 и каротажное устройство 102 могут работать одновременно, будучи расположенными в скважине 104. Например, хотя вычислительная подсистема 110 показана над поверхностью 106 в примере, показанном на фиг. 1A, вся вычислительная подсистема 110 или ее часть может быть расположена ниже поверхности 106, например, в месте расположения каротажного устройства 102 или вблизи него.
[22] Система 100a скважин может включать в себя коммуникационную или телеметрическую аппаратуру, которая обеспечивает связь между вычислительной подсистемой 110, каротажным устройством 102 и другими компонентами системы 108 ЯМР-каротажа. Например, каждый из компонентов системы 108 ЯМР-каротажа может включать в себя один или больше приемопередатчиков или аналогичную аппаратуру для проводной или беспроводной передачи данных между различными компонентами. Например, система 108 ЯМР-каротажа может включать в себя системы и аппаратуру для оптической телеметрии, проводной телеметрии, телеметрии по сигналопроводящим трубам, телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, акустической телеметрии, электромагнитной телеметрии или сочетания этих и других типов телеметрии. В некоторых случаях каротажное устройство 102 принимает команды, сигналы индикации состояния или другие типы данных от вычислительной подсистемы 110 или другого источника. В некоторых случаях вычислительная подсистема 110 принимает каротажные данные, сигналы индикации состояния или другие типы данных от каротажного устройства 102 или другого источника.
[23] Операции ЯМР-каротажа могут быть выполнены в связи с различными типами скважинных операций на различных этапах срока службы системы скважин. Структурные атрибуты и компоненты наземного оборудования 112 и каротажного устройства 102 могут быть приспособлены для различных типов операций ЯМР-каротажа. Например, ЯМР-каротаж может быть выполнен в процессе операций бурения, в процессе операций кабельного каротажа или в другом контексте. Таким образом, наземное оборудование 112 и каротажное устройство 102 могут включать в себя или могут действовать в связи с буровым оборудованием, оборудованием кабельного каротажа или другим оборудованием для других типов операций.
[24] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 включает в себя магнитный узел, который содержит центральный магнит и два концевых магнита. Примеры показаны на фиг. 2A, 2B и 3B. Концевые магниты могут быть расположены с промежутком от осевых концов центрального магнита. Концевые магниты вместе с центральными магнитами могут образовывать четыре магнитных полюса, которые могут быть расположены так, чтобы усиливать статическое магнитное поле в объеме, представляющем интерес. В некоторых случаях центральный магнит образует первую ориентацию магнитного поля, а концевые магниты образуют вторую ориентацию магнитного поля, которая перпендикулярна к первой ориентации магнитного поля. Каротажное устройство 102 также может содержать ряд перпендикулярных поперечно-дипольных антенн. Перпендикулярные поперечно-дипольные антенны могут создавать возбуждение волн с круговой поляризацией в подземном объеме и получать отклик от объема за счет квадратурного индукционного детектирования.
[25] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 включает магнитный узел, создающий магнитное поле в ряде отдельных подобъемов в подземной области 120. Пример показан на фиг. 2B. Первый подобъем может быть вытянутой областью цилиндрической оболочки, которая проходит в продольном направлении (параллельно оси скважины), и магнитное поле в первом подобъеме может быть по существу однородно ориентированным вдоль продольного направления. Второй и третий подобъем могут быть расположены с промежутком от осевых концов первого подобъема, и статическое магнитное поле во втором и третьем подобъемах может иметь радиальную ориентацию (перпендикулярно продольному направлению). Второй и третий подобъемы могут быть расположены на другом расстоянии от центра бурового снаряда, чем первый объем. В некоторых случаях местоположение второго и третьего подобъемов позволяет каротажному устройству собирать данные для построения профиля проникновения фильтрата бурового раствора. Каротажное устройство 102 также может содержать ряд антенных блоков в соответствующих местоположениях вдоль продольной оси. Каждый из антенных блоков может обнаруживать отклик ЯМР от соответствующего одного из отдельных подобъемов.
[26] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 содержит магнитный узел и поперечно-дипольный и монопольный антенный блок. Пример показан на фиг. 3B. Поперечно-дипольный и монопольный антенный блок может получать однонаправленный азимутально избирательный отклик ЯМР из подземного объема вокруг магнитного узла. Поперечно-дипольный и монопольный антенный блок может содержать перпендикулярные поперечно-дипольные антенны и монопольную антенну.
[27] В некоторых примерах операции ЯМР-каротажа выполняют в процессе операций кабельного каротажа. На фиг. 1B показан пример системы 100b скважин, которая содержит каротажное устройство 102 в среде кабельного каротажа. В некоторых примерах операций кабельного каротажа наземное оборудование 112 содержит платформу над поверхностью 106, оборудованную буровой вышкой 132, которая несет каротажный кабель 134, проходящий в скважину 104. Операция кабельного каротажа может быть выполнена, например, после того, как бурильная колонная извлечена из скважины 104, чтобы позволить опускание проводного каротажного устройства 102 с помощью проводного или каротажного кабеля в скважину 104.
[28] В некоторых примерах операции ЯМР-каротажа выполняют в процессе операций бурения. На фиг. 1C показан пример системы 100c скважин, которая содержит каротажное устройство 102 в среде каротажа в процессе бурения (logging while drilling, LWD). Бурение, как правило, выполняют с использованием колонны бурильных труб, связанных вместе, чтобы образовывать бурильную колонну 140, которую опускают через стол ротора в скважину 104. В некоторых случаях буровая установка 142 на поверхности 106 несет бурильную колонну 140, так как бурильная колонна 140 приводится в действие, чтобы бурить скважину, проникающую в подземную область 120. Бурильная колонна 140 может включать в себя, например, ведущую бурильную трубу, бурильную трубу, оборудование низа бурильной колонны и другие компоненты. Оборудование низа бурильной колонны на бурильной колонне может включать в себя бурильные трубы, буровые долота, каротажное устройство 102 и другие компоненты. Каротажные устройства могут включать в себя устройства для измерений во время бурения (measuring while drilling, MWD), устройства каротажа в процессе бурения и другие.
[29] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 включает в себя устройство на основе ЯМР для получения измерений ЯМР из подземной области 120. Как показано, например, на фиг. 1B, каротажное устройство 102 может быть подвешено в скважине 104 с помощью гибких насосно-компрессорных труб, каротажного кабеля или другой конструкции, которая связывает устройство с наземным блоком управления или другими компонентами наземного оборудования 112. В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 опускают в нижнюю часть интересующей области и впоследствии вытягивают вверх (например, по существу с постоянной скоростью) через интересующую область. Как показано, например, на фиг. 1C, каротажное устройство 102 может быть установлено в скважине 104 на соединенной бурильной колонне, жестко смонтированной бурильной колонне или другой установленной аппаратуре. В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 собирает данные в процессе операции бурения, по мере его продвижения через интересующую область. В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 собирает данные в процессе перемещения бурильной колонны 140, например, когда ее спускают или поднимают из скважины 104.
[30] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 собирает данные в отдельных точках каротажа в скважине 104. Например, каротажное устройство 102 может перемещаться вверх или вниз пошагово к каждой точке каротажа по ряду глубин в скважине 104. В каждой точке каротажа приборы в каротажном устройстве 102 выполняют измерения в подземной области 120. Данные измерений могут быть переданы к вычислительной подсистеме 110 для сохранения, обработки и анализа. Такие данные могут быть собраны и проанализированы в процессе операций бурения (например, во время каротажа в процессе бурения (logging while drilling, LWD)), в процессе операций кабельного каротажа или в процессе других видов деятельности.
[31] Вычислительная подсистема 110 может получать и анализировать данные измерений от каротажного устройства 102, чтобы определять свойства различных подповерхностных слоев 122. Например, вычислительная подсистема 110 может идентифицировать плотность, вязкость, пористость, содержание вещества или другие свойства подповерхностных слоев 122 на основе измерений ЯМР, полученных с помощью каротажного устройства 102 в скважине 104.
[32] В некоторых вариантах осуществления каротажное устройство 102 получает сигналы ЯМР за счет поляризованных ядерных спинов в подземной области 120 и пульсации ядер в радиочастотном (РЧ) магнитном поле. Для получения сигналов ЯМР могут быть использованы различные последовательности импульсов (т.е. ряды радиочастотных импульсов, задержек и других операций), в том числе импульсная последовательность Карр-Парселл-Мейбум-Гилл (Carr Purcell Meiboom Gill, CPMG) (в которой спины являются первично опрокинутыми, используя опрокидывающий импульс с последующим рядом перефокусирующих импульсов), оптимизированная последовательность перефокусирующих импульсов (Optimized Refocusing Pulse Sequence, ORPS), в которой перефокусирующие импульсы имеют качающийся угол менее 180°, последовательность импульсов насыщение-восстановление и другие последовательности импульсов.
[33] Полученные сигналы спин-эхо (или другие данные ЯМР) могут быть обработаны (например, инвертированы, преобразованы и т.п.) в распределение времен релаксации (например, распределение поперечных времен релаксации 
или распределение продольных времен релаксации 
) или в оба из них. Распределение времен релаксации может быть использовано для определения различных физических свойств формации путем решения одной или больше обратных задач. В некоторых случаях распределения времен релаксации получают для множества точек каротажа и используют для формирования модели подземной области. В некоторых случаях распределения времен релаксации получают для множества точек каротажа и используют для прогнозирования свойств подземной области.
[34] На фиг. 2A приведена схема примера устройства 200A на основе ЯМР. Пример устройства 200A на основе ЯМР включает в себя магнитный узел, который создает статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный блок, который (a) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для создания возбуждения и (b) получает сигналы ЯМР. В примере, показанном на фиг. 2A, магнитный узел, включающий в себя концевые магниты 11A, 11B и центральный магнит 12, создает статическое магнитное поле в исследуемом объеме 17. В исследуемом объеме 17 направление статического магнитного поля (показано сплошной черной стрелкой 18) параллельно продольной оси скважины. В некоторых примерах конфигурация магнита с двойной магнитной массой полюса может быть использована для увеличения напряженности магнитного поля (например, до 100-150 Гс или выше в некоторых случаях).
[35] В примере, показанном на фиг. 2A, антенный блок 13 содержит две взаимно перпендикулярные поперечно-дипольные антенны 15, 16. В некоторых случаях устройство 200A на основе ЯМР может быть выполнено с одиночной поперечно-дипольной антенной. Например, одна из поперечно-дипольных антенн 15, 16 может быть не включена в антенный блок 13. Пример поперечно-дипольных антенн 15, 16, показанный на фиг. 2A, расположен на наружной поверхности магнитно-мягкого сердечника 14, который используется для концентрации радиочастотного магнитного потока. Статическое магнитное поле может быть осесимметричным (или по существу осесимметричным) и, таким образом, может не требовать более широкого диапазона возбуждения, связанного с дополнительными потерями энергии. Исследуемый объем может быть выполнен достаточно длинным в осевом направлении и достаточно толстым (например, длиной 20 см, и толщиной 0,5 см в некоторых средах) для обеспечения помехоустойчивости или иначе – уменьшения чувствительности к осевому перемещению, боковому перемещению или к ним обоим. Более длинная область чувствительности может дать возможность измерений во время спуска-подъема бурильной колонны. Область чувствительности может быть сформирована за счет формирования магнитов 11A, 11B, 12 и магнитно-мягкого материала сердечника 14.
[36] В некоторых вариантах осуществления антенный блок 13 дополнительно или альтернативно содержит составляющие одно целое витки катушки, которые выполняют операции двух поперечно-дипольных антенн 15, 16. Например, составляющие одно целое витки катушки могут быть использована (например, вместо двух поперечно-дипольных антенн 15, 16) для создания круговой поляризации и выполнения квадратурного индукционного детектирования. Примеры составляющих одно целое витков катушки, которые могут быть приспособлены для выполнения таких операций, включают в себя многовитковые или сложные одновитковые устройства, такие как, например, катушки типа птичьей клетки, обычно используемые для сильнопольной магниторезонансной томографии (high-field magnetic resonance imaging, MRI).
[37] По сравнению с некоторыми примерами осесимметричных схем использование продольно-дипольного магнита и поперечно-дипольного антенного блока также имеет преимущество меньших потерь на вихревые токи в формации и буровом растворе (т.е. «буровом растворе») в скважине вследствие более длинного пути вихревых токов, чем для некоторых продольно-дипольных антенн.
[38] В некоторых аспектах измерения ЯМР во множестве подобъемов могут увеличить плотность данных и, следовательно, отношение сигнал-шум в единицу времени. Может быть выполнен ряд измерений объема в статическом магнитном поле, имеющем радиальный градиент, например, путем получения данных ЯМР на второй частоте наряду с ожиданием восстановления ядерной намагниченности (например, после последовательности импульсов CPMG) на первой частоте. Ряд различных частот может быть использован для выполнения проведения многочастотного ЯМР, включая ряд объемов возбуждения с различной глубиной исследования. В дополнение к более высокому отношению сигнал-шум, многочастотные измерения могут также дать возможность получения профиля вторжения текучей среды в скважину, обеспечивая возможность лучшей оценки проницаемости толщ пород. Другим способом проведения измерений многих объемов является использование различных областей магнитного узла для получения сигнала ЯМР. Измерения ЯМР таких различных областей могут быть выполнены в одно время (например, одновременно) или в различные моменты времени.
[39] На фиг. 2B приведена схема другого примера устройства 200B на основе ЯМР. Пример устройства 200B на основе ЯМР также включает в себя магнитный узел, который создает статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный блок, который (a) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для создания возбуждения и (b) получает сигналы ЯМР. В примере, показанном на фиг. 2B, магнитный узел создает магнитное поле, имеющее доминантную осевую составляющую в исследуемом объеме 21. Направление РЧ магнитного поля (полученного с помощью двух поперечно-дипольных антенн, как на фиг. 2A) и статического магнитного поля в этой области показано 22. В примере, показанном на фиг. 2B, два отдельных исследуемых объема 24A, 24B созданы вблизи магнитных полюсов (за осевыми концами центрального магнита), где статическое магнитное поле имеет преимущественно радиальную составляющую. Пример антенн на основе ЯМР, показанных 23A и 23B, может создавать РЧ магнитные поля в исследуемых объемах 24A и 24B вблизи продольно-дипольных антенн. Продольное направление РЧ магнитных полей в исследуемых объемах 24A и 24B и радиальное направление статического магнитного поля в исследуемых объемах 24A и 24B показаны 25A и 25B.
[40] В некоторых аспектах сочетание поперечно-дипольных и монопольных антенн может быть использовано для осуществления возможности однонаправленных азимутально избирательных измерений, по существу, без понижения отношения сигнал-шум в некоторых случаях. В некоторых примерах возбуждение ЯМР может быть по существу осесимметричным (например, используя либо поперечно-дипольную антенну, либо монопольную антенну), тогда как сочетание откликов осесимметрично чувствительной поперечно-дипольной антенны и осесимметрично чувствительной монопольной антенны дает возможность измерений с азимутальным разрешением.
[41] На фиг. 3A и 3B проиллюстрированы аспекты примера азимутально избирательного устройства на основе ЯМР. На фиг. 3A приведен график 300A, отображающий пример азимутально выбранных данных из примера скважинного устройства 300B, показанного на фиг. 3B. Пример устройства 300B на основе ЯМР включает в себя магнитный узел, который создает статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный блок, который (a) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для создания возбуждения и (b) получает сигналы ЯМР. Антенный блок 31, показанный на фиг. 3B, содержит монопольную антенну и две перпендикулярные поперечно-дипольные антенны 35 и 36. Пример монопольной антенны включает в себя две катушки 37A и 37B, соединенные в обратной полярности, чтобы создавать по существу радиальное РЧ магнитное поле в исследуемом объеме 34. Вследствие обратимости одинаковое устройство катушки может иметь радиально чувствительное направление. Пример РЧ магнитных полей BRF, представленный 32 и 33, может отображать направление интегральной чувствительности, когда отклик монопольной антенны объединен с одним из откликов поперечно-дипольной антенны.
[42] Пример монопольной антенны, показанный на фиг. 3B, включает в себя устройство катушек, которые создают локально по существу радиально направленное магнитное поле, т.е. поле, которое создавалось бы одним «магнитным зарядом» или магнитным полюсом. Здесь использован термин «монопольный» для различения данного типа магнитного поля от дипольного магнитного поля (поперечного или продольного). В некоторых случаях блок монопольной антенны создает квазистационарные (сравнительно низкой частоты) магнитные поля. В показанном примере катушки 37A и 37B, которые соединены в обратной полярности, являются двумя частями одного антенного блока. Каждая катушка сама может быть выполнена в виде стандартной продольной антенны. Монопольная антенна может быть выполнена другим способом.
[43] График в полярных координатах на фиг. 3A отображает пример чувствительности антенны, демонстрирующей однонаправленную азимутальную избирательность. Сочетание откликов каждой из перпендикулярных поперечно-дипольных антенн с откликом монопольной антенны может дать какое-либо из четырех возможных направлений, охватывающих все квадранты поперечной плоскости. Вращение бурильной колонны во время бурения может вызвать амплитудную модуляцию азимутально избирательного отклика и, таким образом, амплитудную модуляцию сигнала релаксации ЯМР (например, последовательность эхо CPMG). Параметры амплитудной модуляции могут показывать азимутальные изменения свойств ЯМР (например, изменения пористости ЯМР).
[44] Катушки 37A и 37B примера монопольной антенны, показанного на фиг. 3B, могут быть использованы в сочетании с поперечно-дипольными антеннами 35 и 36, например, для достижения азимутальной избирательности. Любая из катушек 37A и 37B также может быть использована в качестве отдельной антенны (в дополнение к поперечно-дипольным антеннам 35, 36 или без них), например, для усиления отношения сигнал-шум. В некоторых случаях устройство на основе ЯМР выполняют с монопольной антенной и продольным магнитом, без других антенн. Например, в некоторых случаях поперечно-дипольные антенны 35 и 36 могут быть не включены в антенный блок 31.
[45] На фиг. 4A приведена структурная схема, отображающая пример процесса 400 получения данных ЯМР из подземной области; а на фиг. 4B приведена структурная схема, отображающая другой пример процесса 420 получения данных ЯМР из подземной области. Каждый из процессов 400 и 420 может быть выполнен независимо друг от друга, или процессы 400 и 420 могут быть выполнены параллельно или сообща. Например, процессы 400 и 420 могут быть выполнены последовательно или параллельно, или один из процессов может быть выполнен без выполнения другого процесса.
[46] Процессы 400 и 420 могут быть выполнены с помощью скважинных устройств ЯМР, таких как, например, устройства 200A, 200B или 300B ЯМР, показанные на фиг. 2A, 2B и 3B, или другой тип устройства ЯМР. Процессы 400 и 420 могут быть выполнены с помощью скважинного устройства ЯМР наряду с устройством, расположенным в скважине в процессе операций системы скважин. Например, скважинное устройство ЯМР может быть подвешено в скважине для кабельного каротажа (например, как показано на фиг. 1B), или скважинное устройство ЯМР может быть соединено с бурильной колонной для ЯМР-каротажа в процессе бурения (например, как показано на фиг. 1C).
[47] Каждый из процессов 400 и 420 может включать в себя операции, показанные на фиг. 4A и 4B (соответственно), или любой из обоих процессов может включать в себя дополнительные или другие операции. Операции могут быть выполнены в порядке, показанном на соответствующих чертежах, или в другом порядке. В некоторых случаях одна или больше из операций могут быть выполнены последовательно или параллельно, в течение перекрывающихся или неперекрывающихся периодов времени. В некоторых случаях одна или больше из операций может быть возобновлена или повторена, например, для заданного числа повторов, в течение заданной длительности времени, или пока не будет достигнуто конечное состояние.
[48] На этапе 402 в примере процесса 400, показанного на фиг. 4A, устройство на основе ЯМР расположено в скважине. В некоторых случаях устройство на основе ЯМР содержит магнитный узел для создания магнитного поля в объеме подземной области вокруг скважины. Объем может включать в себя, например, все или часть каких-либо исследуемых объемов 17, 21, 24A, 24B, 34, показанных на фиг. 2A, 2B или 3B, или других объемов, представляющих интерес. В общем, устройство на основе ЯМР содержит магнитный узел для поляризации ядерных спинов в объеме, представляющем интерес, и антенный блок для возбуждения ядерных спинов и для получения сигнала ЯМР на основе возбуждения.
[49] На этапе 404 поляризация создана в объеме вокруг скважины. Поляризация создается за счет статического магнитного поля, которое создается с помощью магнитного узла устройства на основе ЯМР в скважине. Поляризация относится к магнитной поляризации ядерных спинов в объеме. Иначе говоря, часть ядерных спинов становится ориентированной по статическому магнитному полю, и в объеме развивается объемный магнитный момент. В некоторых случаях статическое магнитное поля конфигурировано (например, с помощью формы и положения магнитного узла) для создания продольной поляризации (например, параллельно продольной оси скважины) или поляризации, имеющей другую ориентацию.
[50] В некоторых примерах магнитный узел содержит центральный магнит (например, центральный магнит 12, показанный на фиг. 2A, 2B, 3B, или другой тип центрального магнита) и два концевых магнита (например, концевые магниты 11A, 11B, показанные на фиг. 2A, 2B, 3B, или другой тип концевого магнита). В некоторых случаях магниты в магнитном узле являются постоянными магнитами. Как показано, например, на фиг. 2A, центральный магнит может быть продолговатым постоянным магнитом, имеющим первый осевой конец и второй, противоположный, осевой конец, с первым концевым магнитом, расположенным на расстоянии от первого осевого конца центрального магнита, и со вторым концевым магнитом, расположенным на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита. В некоторых случаях два концевых магнита имеют общую ориентацию магнитного поля, а центральный магнит имеет противоположную ориентацию магнитного поля (например, такую, что оба концевых магнита имеют ориентацию магнитного поля, которая перпендикулярна к ориентации магнитного поля центрального магнита).
[51] На этапе 406 в объеме вокруг скважины создается возбуждение волн с круговой поляризацией. Возбуждение волн с круговой поляризацией создается в объеме с помощью антенного блока. Например, антенный блок может питаться радиочастотным током, который создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле в объеме вокруг скважины. РЧ магнитное поле, создаваемое антенным блоком, воздействует на ядерные спины, чтобы создавать возбужденное спиновое состояние, которое имеет круговую поляризацию. Иначе говоря, результирующая поляризация спинов имеет круговую (или кольцевую) ориентацию в объеме вокруг скважины.
[52] В некоторых примерах антенный блок содержит перпендикулярные поперечно-дипольные антенны. Антенный блок 13, показанный на фиг. 2A и 2B, и антенный блок 31, показанный на фиг. 3B, представляют собой примеры антенных блоков, которые содержат две перпендикулярные поперечно-дипольные антенны. Каждая антенна 15, 16 в примере антенного блока 13 может независимо создавать поперечно-дипольное магнитное поле, например, за счет пропускания радиочастотного тока. В показанных примерах каждое поперечно-дипольное магнитное поле имеет поперечную ориентацию относительно продольной оси устройства ЯМР. Иначе говоря, поперечно-дипольное магнитное поле ориентировано перпендикулярно к продольной оси скважины.
[53] В показанном примере поперечно-дипольное магнитное поле, создаваемое антенной 15, является перпендикулярным к поперечно-дипольному магнитному полю, создаваемому другой антенной 16. Например, в прямоугольной системе координат с тремя взаимно-перпендикулярными направлениями продольная ось устройства на основе ЯМР может считаться направлением «z», и поперечно-дипольные магнитные поля (создаваемые антеннами 15, 16) ориентированы вдоль направлений «x» и «y» соответственно.
[54] В некоторых вариантах осуществления с помощью устройства ЯМР создают другие типы возбуждения. Например, в некоторых случаях возбуждение волн с круговой поляризацией создают в первом подобъеме (например, исследуемом объеме 21 на фиг. 2B) с помощью перпендикулярных поперечно-дипольных антенн, а возбуждение волн, имеющих другую ориентацию, создают во втором и третьем подобъемах (например, исследуемых объемах 24A, 24B на фиг. 2B), которые расположены на расстоянии от осевых концов первого подобъема. Возбуждение во втором и третьем подобъемах может быть создано, например, за счет продольно-дипольного РЧ поля, созданного другими антенными блоками (например, антеннами 23A и 23B на фиг. 2B). Отдельные подобъемы могут быть полезны для различных целей. Например, первый подобъем может быть вытянутым (параллельным продольной оси скважины) для сбора данных ЯМР от первого подобъема, когда устройство на основе ЯМР движется вдоль скважины (например, во время спуска-подъема бурильной колонны). В некоторых случаях другие подобъемы могут быть расположены так, чтобы получать данные ЯМР для построения профиля проникновения фильтрата бурового раствора, или других применений.
[55] На этапе 408 сигнал ЯМР принимается за счет квадратурного индукционного детектирования. Сигнал ЯМР основан на возбуждении, созданном на этапе 406. Сигнал ЯМР может быть, например, последовательностью эхо-сигналов, затуханием свободной индукции (free induction decay, FID) или другим типом сигнала ЯМР. В некоторых случаях полученные данные ЯМР включают в себя данные релаксации T1, данные релаксации T2 или другие данные. Сигнал ЯМР может быть получен с помощью антенного блока, который создает возбуждение, или с помощью другого антенного блока. В некоторых случаях сигнал ЯМР может быть принят в ряде подобъемов.
[56] Квадратурное индукционное детектирование может быть выполнено с помощью перпендикулярных поперечно-дипольных антенн. Квадратурное индукционное детектирование может быть выполнено путем использования двух перпендикулярных катушек, каждая из которых собирает сигналы, возбужденные за счет ядерной намагниченности с круговой поляризацией (сигнал в катушках имеет сдвиг фаз 90̊). Даже если во время пропускания используют только одну катушку (например, создающую радиочастотное магнитное поле с линейной поляризацией), ядерная намагниченность еще может быть с круговой поляризацией. Квадратурное пропускание катушки (двух перпендикулярных катушек, приводимых в действие высокочастотными токами, имеющими сдвиг фаз 90̊), может сделать возможным возбуждение волн с круговой поляризацией, что в некоторых случаях может помочь снизить потребление энергии по сравнению с линейно поляризованным возбуждением. Квадратурное индукционное детектирование может быть использовано, например, для увеличения отношения сигнал-шум (signal-to-noise ratio, SNR), при возбуждении только одной катушки (не используя возбуждение волн с круговой поляризацией для упрощения аппаратуры), или круговая поляризация может быть использована для экономии энергии при детектировании сигналов с помощью одной катушки. В некоторых случаях как круговая поляризация, так и квадратурное индукционное детектирование могут быть использованы для экономии энергии и увеличения отношения сигнал-шум. В некоторых случаях использование круговой поляризации или квадратурного индукционного детектирования (или обоих) является эффективным, когда взаимно перпендикулярные антенны являются по существу идентичными. Это возможно в примере конфигурации магнита/антенны, которая имеет продольный дипольный магнит и две поперечные антенны. Другие конфигурации, которые имеют одну из двух антенн, менее эффективны, чем другие, хотя обеспечение взаимно перпендикулярных антенн может в некоторых случаях не обеспечивать такие же преимущества.
[57] На этапе 410 обрабатываются данные ЯМР. Данные ЯМР могут быть обработаны для идентификации физических свойств подземной области или для извлечения других типов данных. Например, данные ЯМР могут быть обработаны для идентификации плотности, вязкости, пористости, содержания вещества или других свойств подземной области вокруг скважины.
[58] На этапе 422 в примере процесса 420, показанном на фиг. 4B, устройство на основе ЯМР установлено в скважине, и на этапе 424 поляризация создается в объеме вокруг скважины. Операции 422 и 424 на фиг. 4B аналогичны операциям 402 и 404, показанным на фиг. 4A. Например, устройство на основе ЯМР содержит магнитный узел для поляризации ядерных спинов в объеме, представляющем интерес, и антенный блок для возбуждения ядерных спинов и для получения сигнала ЯМР на основе возбуждения. Поляризация может быть создана на этапе 424 в режиме, описанном в отношении операции 404 по фиг. 4A, и с помощью того же типа магнитного узла; или поляризация может быть создана на этапе 424 в другом режиме или с помощью другого типа магнитного узла.
[59] На этапе 426 возбуждение создано в объеме вокруг скважины. Возбуждение создается в объеме с помощью антенного блока. Например, антенный блок может питаться радиочастотным током, который создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле в объеме вокруг скважины. РЧ магнитное поле, создаваемое антенным блоком, воздействует на ядерные спины, чтобы создавать возбужденное спиновое состояние. В некоторых случаях спиновое состояние имеет более высокое возбуждение в выбранном азимутальном направлении, так что уровень спинового возбуждения изменяется вдоль окружного (или периферийного) направления вокруг скважины, например, вследствие азимутально избирательного высокочастотного магнитного поля.
[60] В некоторых примерах антенный блок содержит поперечно-дипольный и монопольный антенный блок. Антенный блок 31, показанный на фиг. 3B, представляет собой пример антенного блока, который содержит поперечно-дипольный и монопольный антенный блок. В примере, показанном на фиг. 3B, поперечно-дипольный и монопольный антенный блок содержит две перпендикулярные поперечно-дипольные антенны 35 и 36 в центральной области и монопольную антенну, которая включает в себя первую катушку 37A на первом осевом конце поперечно-дипольных антенн 35 и 36 и вторую катушку 37B на втором, противоположном, осевом конце поперечно-дипольных антенн 35 и 36; катушки 37A и 37B монопольной антенны установлены с противоположной полярностью.
[61] На этапе 428 принимается азимутально избирательный сигнал ЯМР. Сигнал ЯМР основан на возбуждении, созданном на этапе 426. Сигнал ЯМР может быть, например, последовательностью эхо-сигналов, затуханием свободной индукции (free induction decay, FID), или другим типом сигнала ЯМР. В некоторых случаях полученные данные ЯМР включают в себя данные релаксации T1, данные релаксации T2 или другие данные. Сигнал ЯМР может быть получен с помощью антенного блока, который создает возбуждение, или с помощью другого антенного блока. В некоторых случаях сигнал ЯМР принимается с помощью антенного блока, имеющего азимутально избирательную чувствительность, такого как, например, поперечно-дипольный и монопольный антенный блок.
[62] В некоторых вариантах осуществления азимутально избирательный сигнал ЯМР принимается как комбинация получения сигналов ЯМР. Детектирование сигналов может включать в себя, например, детектирование с помощью одной или большего количества поперечно-дипольных антенн и одной или больше монопольных антенн. Сигналы могут быть объединены для осуществления измерений с азимутальным разрешением объема вокруг скважины. Например, в некоторых случаях соответствующее сочетание откликов каждой из перпендикулярных поперечно-дипольных антенн с откликом монопольной антенны может дать какое-либо из четырех возможных направлений, охватывающих все квадранты поперечной плоскости.
[63] На этапе 430 обрабатываются данные ЯМР. Данные ЯМР могут быть обработаны для идентификации физических свойств подземной области или для извлечения других типов данных. Например, данные ЯМР могут быть обработаны для идентификации плотности, вязкости, пористости, содержания вещества или других свойств подземной области вокруг скважины. В некоторых случаях данные ЯМР обрабатывают для идентификации азимутальных изменений в подземной области вокруг скважины. Например, вращение устройства ЯМР может вызвать амплитудную модуляцию азимутально избирательного отклика. Параметры амплитудной модуляции могут показывать азимутальные изменения свойств, влияющих на сигнал ЯМР (например, пористость, вязкость, вещество, содержание и др.).
[64] Хотя настоящее описание содержит много деталей, их следует истолковывать не как ограничения объема, который может быть заявлен, а как описание особенностей, характерных для конкретных примеров. Некоторые особенности, описанные в настоящем описании в контексте отдельных вариантов осуществления, могут быть объединены. Наоборот, различные особенности, описанные в контексте одного варианта осуществления, также могут быть реализованы в нескольких вариантах осуществления, по отдельности или в любой подходящей комбинации.
[65] Был описан ряд примеров. Тем не менее должно быть понятно, что могут быть выполнены различные модификации. Соответственно, другие варианты осуществления находятся в пределах объема следующих пунктов формулы.
1. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для использования в скважине в подземной области, содержащее: магнитный узел для создания магнитного поля в объеме в подземной области, содержащий: центральный магнит, имеющий первый осевой конец и второй, противоположный, осевой конец; первый концевой магнит, расположенный на расстоянии от первого осевого конца центрального магнита, и второй концевой магнит, расположенный на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита, и антенный блок, содержащий взаимно перпендикулярные поперечно-дипольные антенны для создания возбуждения волн с круговой поляризацией в объеме.
2. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, в котором антенный блок содержит поперечно-дипольные антенны, предназначенные для получения отклика от объема за счет квадратурного индукционного детектирования.
3. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, в котором центральный магнит определяет первую ориентацию магнитного поля, а каждый из первого и второго концевых магнитов определяет вторую ориентацию магнитного поля, которая перпендикулярна к первой ориентации магнитного поля.
4. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, в котором магнитный узел и антенный блок сконфигурированы для работы в скважине в подземной области в процессе операций бурения.
5. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, в котором магнитный узел содержит узел постоянных магнитов и каждый из центрального магнита и первого и второго концевых магнитов содержат один или больше постоянных магнитов.
6. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, в котором объем содержит множество отдельных подобъемов, каждый из которых содержит первый подобъем, вытянутый в первом направлении, параллельном продольной оси устройства на основе ядерного магнитного резонанса, причем магнитное поле в первом подобъеме по существу однородно ориентировано в первом направлении, и устройство на основе ядерного магнитного резонанса содержит ряд антенных блоков в соответствующих местоположениях вдоль продольной оси, при этом каждый антенный блок предназначен для обнаружения отклика ядерного магнитного резонанса от соответствующего одного из отдельных подобъемов.
7. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 6, в котором первый антенный блок из множества антенных блоков содержит взаимно перпендикулярные поперечно-дипольные антенны, предназначенные по меньшей мере для одного из: создания возбуждения волн с круговой поляризацией в первом подобъеме или получения отклика от первого подобъема за счет квадратурного индукционного детектирования.
8. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 6, в котором отдельный подобъем дополнительно содержит второй подобъем, расположенный на расстоянии от первого осевого конца первого подобъема, и третий подобъем, расположенный на расстоянии от второго, противоположного, осевого конца первого подобъема, при этом магнитное поле во втором и третьем подобъемах имеет радиальную ориентацию, которая по существу перпендикулярна к первому направлению.
9. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 6, в котором первый подобъем сконфигурирован для приема сигнала ядерного магнитного резонанса во время спуска-подъема бурильной колонны.
10. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 1, содержащее поперечно-дипольный и монопольный антенный блок для получения отклика от объема.
11. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 10, в котором поперечно-дипольный и монопольный антенный блок выполнен с возможностью получения однонаправленного азимутально избирательного отклика от объема.
12. Устройство на основе ядерного магнитного резонанса по п. 10, в котором магнитный узел и антенный блок выполнены с возможностью получения сигнала ядерного магнитного резонанса в процессе бурения.
13. Способ получения данных ядерного магнитного резонанса из подземной области, включающий в себя создание магнитного поля в объеме в подземной области с помощью магнитного уза в скважине, содержащего: продолговатый центральный магнит, имеющий первый осевой конец и второй, противоположный, осевой конец; первый концевой магнит, расположенный на расстоянии от первого осевого конца центрального магнита, и второй концевой магнит, расположенный на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита, и создание возбуждения волн с круговой поляризацией в объеме с помощью антенного блока, содержащего перпендикулярные поперечно-дипольные антенны, и получение отклика от объема на основе возбуждения волн с круговой поляризацией, создаваемого с помощью антенного блока.
14. Способ по п. 13, в котором отклик получают за счет квадратурного индукционного детектирования.
15. Способ по п. 13, в котором центральный магнит определяет первую ориентацию магнитного поля, а каждый из первого и второго концевых магнитов определяет вторую ориентацию магнитного поля, которая перпендикулярна к первой ориентации магнитного поля.
16. Способ по п. 13, в котором скважинное устройство на основе ядерного магнитного резонанса содержит магнитный узел и антенный блок, а возбуждение волн с круговой поляризацией создают и отклик получают, когда скважинное устройство на основе ядерного магнитного резонанса расположено в скважине в подземной области.
17. Способ по п. 16, в котором возбуждение волн с круговой поляризацией включает в себя первое возбуждение, создаваемое в первом подобъеме с помощью первого антенного блока, содержащего перпендикулярные поперечно-дипольные антенны, причем первый подобъем является вытянутым в первом направлении, параллельном продольной оси скважинного устройства на основе ядерного магнитного резонанса, и способ включает в себя: создание второго возбуждения во втором подобъеме, расположенном на расстоянии от первого осевого конца первого подобъема; создание третьего возбуждения в третьем подобъеме, расположенном на расстоянии от второго, противоположного, осевого конца первого подобъема, при этом магнитное поле во втором и третьем подобъемах имеет радиальную ориентацию, которая по существу перпендикулярна к первому направлению, и получение откликов от второго и третьего подобъемов на основе второго и третьего возбуждений.
18. Способ по п. 17, в котором устройство на основе ядерного магнитного резонанса связано с бурильной колонной, при этом первый подобъем является вытянутым в первом направлении, параллельном продольной оси устройства на основе ядерного магнитного резонанса, магнитное поле в первом подобъеме по существу однородно ориентировано в первом направлении и отклик получают от первого подобъема в процессе спуска-подъема бурильной колонны в скважине.
19. Узел бурильной колонны, содержащий скважинное устройство на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), установленное в скважине в подземной области и содержащее: магнитный узел для создания магнитного поля в объеме вокруг скважины, содержащий: центральный магнит, имеющий первый осевой конец и второй, противоположный, осевой конец; первый концевой магнит, расположенный на расстоянии от первого осевого конца центрального магнита, и второй концевой магнит, расположенный на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита, и антенный блок, содержащий перпендикулярные поперечно-дипольные антенны, предназначенные по меньшей мере для одного из: создания возбуждения волн с круговой поляризацией в объеме или получения отклика от объема за счет квадратурного индукционного детектирования.
20. Оборудование бурильной колонны по п. 19, в котором объем содержит ряд отдельных подобъемов, ряд отдельных подобъемов содержит первый подобъем, вытянутый в первом направлении, параллельном продольной оси устройства на основе ядерного магнитного резонанса, причем магнитное поле в первом подобъеме по существу однородно ориентировано в первом направлении, и скважинное устройство на основе ядерного магнитного резонанса содержит ряд антенных блоков в соответствующих местоположениях вдоль продольной оси, каждый антенный блок предназначен для обнаружения отклика ядерного магнитного резонанса от соответствующего одного из отдельных подобъемов.
