随钻核磁共振测井仪探头及随钻核磁共振测井仪

摘要

本发明提供一种随钻核磁共振测井仪探头及随钻核磁共振测井仪。该随钻核磁共振测井仪包括：探头骨架，探头骨架的中心穿设有泥浆管；在探头骨架内、且在泥浆管上套设有圆环状的第一主磁体和第二主磁体，第一主磁体和第二主磁体均为轴向充磁，且第一主磁体和第二主磁体极性相同的一端相对设置；在探头骨架的外围侧壁上的中间位置固定嵌设有用于形成脉冲磁场的天线；在第一主磁体和第二主磁体之间、且在泥浆管上同轴套设有至少一对的圆环状的聚焦磁体，构成所述每对聚焦磁体中的两个聚焦磁体关于所述天线的中截面对称，聚焦磁体为径向充磁。本发明的随钻核磁共振测井仪探头，可增加敏感区域在垂向的延伸长度，提高测量的信噪比及测量结果的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及核磁共振测井技术，尤其涉及一种随钻核磁共振测井仪探头 及随钻核磁共振测井仪。

背景技术

随钻核磁共振测井仪是利用核磁共振原理测量油井周围的地层情况， 从而探测地层中与油气特征相关的信息，其主要通过探头形成磁场并采集 共振信号，进而根据共振信号对赋存在地层岩石孔隙中的流体进行分析， 以直接测量储层流体中氢核的密度，并可将利用核磁共振信号获得的核磁 数据直接转换为视含水孔隙度，还可以确定储层中不同流体的存在、含量 及流体的相关特性。

其中，探头是在油气井下激发核磁共振现象和接收核磁共振信号的关 键部件，探头的结构设计决定了测井仪的测量方式、产生核磁共振的共振 区域及核磁共振信号强度等关键性能。探头主要包括磁体和天线，磁体用 于在井眼周围的地层中产生静磁场，以对地层中的液态油气水中的氢原子 进行激发；天线用于向地层发射射频脉冲以形成脉冲磁场，通过该脉冲磁 场激发地层中已经被所述静磁场极化的氢原子产生核磁共振现象，同时还 用于接收和采集地层的氢原子产生的核磁共振信号。

图1为现有技术中的随钻核磁共振测井仪探头的结构示意图，如图1 所示，该探头主要包括：上下相对设置的两个主磁体11，设置在两个主 磁体11之间的天线12，以及用于容置并固定主磁体11和天线12的探头 骨架；其中，主磁体11呈圆环状，且两主磁体11的同极相对。这种结构 下，主磁体11形成的静磁场B₀的方向和天线发射射频脉冲所形成的脉冲 磁场B₁的方向在探头中间位置的横截面上互相垂直(B₀垂直于B₁核磁共 振的必要激发条件之一)，即，在地层对应该位置处形成环形的、可产生 核磁共振的敏感区域M。

现有技术的这种探头的静磁场强度较低，其产生核磁共振的共振频率 也较低，从而导致信号强度不够高，另外，由于主磁体和天线的设置方式 使得敏感区域M在垂向上的高度较小，一般为：20～25.5mm，而在测量 过程中每组信号的采集需要经历一个3～5秒的测量周期，而同时探头是 持续钻进的，从而使在这个测量周期内，敏感区域M的位置切换过于频 繁，导致了测量结果的信噪比较低(研究表明，信噪比与敏感区域高度成 正比)，影响测量精度。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种用于探测地层岩石和流体 信息的随钻核磁共振测井仪探头及随钻核磁共振测井仪，达到了提高可产生 核磁共振的敏感区域的高度，提高信噪比，从而提高测量精度的目的。

本发明提供一种随钻核磁共振测井仪探头，包括：柱状的探头骨架，所 述探头骨架的中心轴处穿设有供钻井液流通的泥浆管；在所述探头骨架内、 且在所述泥浆管上同轴套设有圆环状的第一主磁体和第二主磁体，所述第一 主磁体和第二主磁体均为轴向充磁，且所述第一主磁体和所述第二主磁体极 性相同的一端相对设置；在所述探头骨架的外围侧壁上、且对应所述第一主 磁体和第二主磁体的中间位置固定嵌设有用于形成脉冲磁场的天线；在所述 第一主磁体和第二主磁体之间、且在所述泥浆管上同轴套设有至少一对的圆 环状的聚焦磁体，构成所述每对聚焦磁体中的两个聚焦磁体关于所述天线的 中截面对称，所述聚焦磁体为径向充磁，且所述聚焦磁体与所述探头骨架相 对固定设置。

本发明还提供一种随钻核磁共振测井仪，包括：井下钻具及井上信号处 理设备，所述井下钻具的钻铤中固定设置有如上所述的随钻核磁共振测井仪 探头。

本发明提供的随钻核磁共振测井仪探头静磁场分布，可使能够产生核磁 共振的敏感区域在垂向的延伸长度得到显著增加，当钻头钻进时，在保证探 头的自转不会影响测量的同时；还能使得在采集每组信号的测量周期内，敏 感区域的位置切换次数下降，提高了测量的信噪比及测量结果的精度。

附图说明

图1为现有技术中的随钻核磁共振测井仪探头的结构示意图；

图2为本发明随钻核磁共振测井仪探头实施例的结构示意图；

图3为图1中第一主磁体或第二主磁体一实施例的结构示意图；

图4为图1中第一主磁体或第二主磁体另一实施例的结构示意图；

图5为图1中第一主磁体或第二主磁体又一实施例的结构示意图；

图6为图1中聚焦磁体实施例的结构示意图；

图7为本发明探头所形成的磁场强度分布示意图；

图8为图1中天线的结构示意图。

具体实施方式

随钻核磁共振测井仪可以用于垂直井、倾斜井，甚至水平井中，因此， 随钻式核磁共振测井仪的钻进方向为探头骨架的中心轴的延伸方向，即“轴 向”，但并不一定为垂向；但为说明方便，在实施例中，将以用于垂直井为 例进行阐述，也就是说，在下述实施例中“轴向”即指垂向。但是，本实施 例的内容并不是对本发明的限定。

本实施例提供一种随钻核磁共振测井仪探头，如图2所示，包括：沿垂 向延伸的、柱状的探头骨架10，探头骨架10的中心轴处穿设有供钻井液流 通的泥浆管101；在探头骨架10内、且在泥浆管101上同轴套设有圆环状的、 尺寸相同的第一主磁体21和第二主磁体22，第一主磁体21和第二主磁体22 均为轴向充磁，且第一主磁体21和所述第二主磁体22极性相同的一端相对 设置；在探头骨架10的外围侧壁上、且对应第一主磁体21和第二主磁体22 的中间位置固定嵌设有用于形成脉冲磁场的天线24；在第一主磁体21和第 二主磁体之22间、且在泥浆管101上同轴套设有至少一对的圆环状的聚焦磁 体23，构成每对聚焦磁体中的两个聚焦磁体23关于天线24的中截面对称， 聚焦磁体23为径向充磁，且聚焦磁体23与探头骨架10相对固定设置。

具体地，圆柱状的探头骨架10的中心轴处可设有通孔，可将一该通孔内 固定嵌设一圆管状的、上下延伸的导流管101，可选地，也可将该通孔可直 接作为导流管101；第一主磁体21、第二主磁体22及聚焦磁体23可以固定 套设在导流管101的周围，此时，探头骨架10内用于容置第一主磁体21、 第二主磁体22及聚焦磁体23的容置腔可以大于上述各部件的体积；但当导 流管101为探头骨架10上的一通孔时，可以将第一主磁体21、第二主磁体 22及聚焦磁体23分别固定嵌设在特定的位置，此时，用于容置这些部件的 容置腔应与各部件的体积相匹配，以保证在钻进过程中，第一主磁体21、第 二主磁体22及聚焦磁体23的相对位置固定不变。

天线24围绕在聚焦磁体的周围，且每对聚焦磁体中的两个聚焦磁体23、 以及第一主磁体和第二主磁体均关于天线24的水平中截面对称。第一主磁体 21和第二主磁体22均为轴向充磁，即，第一主磁体21和第二主磁体22的 两端分别为N极和S极；聚焦磁体23为径向充磁，即，聚焦磁体23的内环 面可以为N极或S极、外环面可以为S极或N极；且当第一主磁体21的N 极和第二主磁体22的N极相对设置时，聚焦磁体23的内环面为S极，外环 面为N极；当第一主磁体21的S极和第二主磁体22的S极相对设置时，当 第一主磁体21的S极和第二主磁体22的S极相对设置时，聚焦磁体23的内 环面为N极，外环面为S极；第一主磁体21与第二主磁体22形成的静磁场 强度可以相同。

优选地，聚焦磁体可以为多对，例如两对，靠近天线24的水平中截面的 一对聚焦磁体23之间的距离可以为2～5mm；靠近第一主磁体21的聚焦磁 体23和靠近第二主磁极22的聚焦磁体23的垂向高度可以为靠近天线24的 水平中截面的一对聚焦磁体23的1/4~1/2；且聚焦磁体23的直径也可以小于 或等于第一主磁体21或第二主磁体22的直径，以进一步方便天线24布置。

本实施例的随钻核磁共振测井仪探头的中第一主磁体21、第二主磁体22 聚焦磁体23的设置，产生的静磁场的磁感应强度分布如图7所示，探头的外 侧面Y与垂直井的井壁J形成一间隙，探头Y的中心轴N同时代表了泥浆管 101的延伸方向。由图7可以看出，对应探头垂向中间处，磁感应强度沿垂 向延伸且均匀分布，从而使得可形成核磁共振的敏感区域M在垂向的延伸长 度得到显著增加(如图2所示)，具体地，本实施例的敏感区域M沿钻进方 向的长度可以达到100～150mm，大约为现有技术中的敏感区域长度的5倍 以上；另外，多对聚焦磁体23的设置还可以提高静磁场强度，从而提高了所 采集到的核磁共振信号的强度。

另外，由于第一主磁体21和第二主磁体22之间设置了至少一对的聚焦 磁体23，因此，所形成的静磁场的强度也得到提高。由于，共振频率可通过 下式确定：

$f_0=\frac{\gamma }{2\pi }{B}_0$

其中，γ为旋磁比，对于氢核f₀为产生核磁共振的共振频率；

B₀为静磁场的强度。

可见，在敏感区域体积不变情况下，共振频率正比与静磁场的强度B₀， 因此，本实施例提供的随钻核磁共振测井仪探头具有较高的共振频率，且测 量的信噪比通常与共振频率的3/2次方成正比，进而，进一步提高了测量的 信噪比，有利于获得更好的测量精度。

在进行垂直井的核磁共振测量时，可将本实施例的随钻核磁共振测井仪 探头可固定设置在钻头上方(钻头背离钻进方向的一侧)的钻铤内，或者固 定设置在钻铤与钻头之间，以作为钻铤的一部分。由于本实施例提供的探头 所形成的可形成核磁共振的敏感区域M呈与钻头中心轴同轴的圆柱状，因此， 当钻头垂直向下钻进时，探头随钻头的自转不会影响测量；而同时由于敏感 区域M在钻进方向上长度的增加，使得在采集每组信号的测量周期内，敏感 区域M的位置切换次数也显著减少，也就是说，由于敏感区域M的长度增 加了五倍，使得一个测量周期内钻头在垂向的位移不会超过敏感区域M，从 而便可避免现有技术中，天线发射射频信号后等待回波信号的时间段内，天 线24已经完全移出发射设备信号时敏感区域M所处的位置，而此时所处的 敏感区域M的位置处，由于停留时间尚未达到对地层极化所需的极化时间， 从而导致最终采集到信号不准确的情况；本实施例通过增加敏感区域M在钻 进方向上的长度，提高了测量的信噪比(在核磁共振测量中已证实信噪比正 比于敏感区域在钻进方向上的长度)，提高了最终测量结果的精度。

优选地，如图2所示，聚焦磁体23可以为两对，构成两对聚焦磁体的四 个聚焦磁体沿垂向等间隔排列，且位于最顶端的聚焦磁体的顶面和位于最底 端的聚焦磁体的底面分布伸出天线的两端。

在上述实施例中，如图8所示，天线24为被绕制成圆柱螺旋线状的一根 导线，该柱状的螺旋线的中心轴与第一主磁体21、第二主磁体22及聚焦磁 体23的中心轴在同一直线上，以适应自身的旋转运动；优选地，天线24可 由一根铜线或铜带绕制而成，天线24的第一引出端241和第二引出端242可 连接至一LRC谐振电路(图未示)，以通过调节该LRC谐振电路中的电容 使天线24的谐振频率与敏感区域M处的地层中的氢核的共振频率相同，从 而才能激发核磁共振现象。

本实施例的随钻核磁共振测井仪探头可形成核磁共振的敏感区域M沿径 向上的厚度可以达到15～20mm，可以有效消除钻头引起探头的径向振动对 测量精度的不利影响。

进一步地，上述天线24可采用柔性电路板(Flexible Printed Circuit Board， FPCB)蚀刻技术制造。

在上述实施例中，如图2和图8所示，构成天线24的中间部分的圆柱螺旋 线的导程大于构成天线24两端处的圆柱螺旋线的导程；即，在天线24的中 间部分，相邻的两线圈之间的距离较小，线圈绕制得较密集，在天线24的两 端处，相邻的两线圈之间距离较大，线圈绕制得较稀疏。本实施例中对天线 的多个线圈的间距的优化，可以使天线产生的射频磁场在垂向上具有更好的 均匀性，且不会对射频磁场在天线径向上的分布造成不利影响；从而进一步 保证了与第一主磁体21、第二主磁体22和聚焦磁体23共同形成的静磁场相 匹配，以将地层处于敏感区域M内的氢核完全激发。

更具体地，在上述实施例中，请参照图2至6，第一主磁体由至少三块 磁体块依次拼接而成；和/或第二主磁体22由至少三块磁体块依次拼接而成； 和/或聚焦磁体23由至少三块磁体块依次拼接而成。即每个磁体可以为一体 结构或多个小块磁体拼接而成的结构；例如，第一主磁体21或第二主磁体 22可以采用多个圆环状的分磁体212叠放固定在一起的结构(如图3所示)， 或者第一主磁体21或第二主磁体22也可以采用由多个水平截面为梯形的分 磁体231拼接而成的环状结构(如图4所示)，当然，第一主磁体21或第二 主磁体22也可以采用一体结构(如图5所示)；聚焦磁体23可以采用由多 个水平截面为扇形的分磁体231拼接而成的环状结构(如图6所示)，当然 也可以采用一体结构或如图4中第一主磁体21或第二主磁体22的结构。

本发明另一实施例提供一种随钻核磁共振测井仪，包括：井下钻具及井 上信号处理设备，井下钻具的钻铤中固定设置有如上任一实施例所述的随钻 核磁共振测井仪探头，该随钻核磁共振测井仪探头的具体结构及工作原理与 上述各实施例类似，在此不再赘述。

本实施例提供的随钻核磁共振测井仪，其探头形成静磁场，可使能够产 生核磁共振的敏感区域在垂向的延伸长度得到显著增加，当钻头钻进时，在 保证探头的自转不会影响测量的同时；还能使得在采集每组信号的测量周期 内，敏感区域的位置切换次数下降，提高了测量的信噪比及测量结果的精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。