Способ ядерного магнитного каротажа и устройство для его реализации

Предлагаемое изобретение относится к области исследования или каротажа скважин с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Может быть использовано преимущественно в устройствах, применяемых для ЯМР каротажа скважин. Прежде всего заявленное техническое решение относится к способам и устройствам каротажа скважин, в которых постоянные магниты используют для формирования фокусированного магнитного поля.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту RU №2495458 «Устройство ядерно-магнитного каротажа», заключающееся в том, что осуществляют перемещение вдоль скважины с заданной скоростью устройство для каротажа, в состав которого входят катушки, через которые пропускают большой ток для создания во внешнем пространстве значимой величины поляризующего магнитного поля, ориентированного перпендикулярно силовым линиям магнитного поля земли, затем выключают ток и посредством этих же катушек регистрируют сигнал ядерного магнитного резонанса на частоте, соответствующей условию (1) для значения B₀ поля земли. Последовательность действий повторяют с заданным периодом непосредственно в ходе движения прибора по стволу скважины.

Недостаток известного технического решения состоит в малом (порядка 1-3 кГц) значении частоты резонанса сигнала ЯМР вследствие малости значения B₀ поля земли, что позволяет регистрировать только те компоненты, которые обладают большими временами релаксации. Второй существенный недостаток заключается в том, что регистрируемый сигнал ЯМР представлен суперпозицией относительно слабого полезного сигнала, получаемого от удаленных областей пространства (от флюида в породе) и большого сигнала от ближней зоны, где обычно находится буровой раствор, вследствие чего использование изобретения по назначению является малоэффективным.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлены технические решения, которые наиболее кардинально решают проблему повышения эффективности каротажа скважин с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) путем использования устройств для каротажа с постоянными магнитными системами (патенты USA №4710713 [2], USA №4350955 [3]), общей сущностью которых является то, что в окружающем пространстве одним или несколькими постоянными магнитами генерируется относительно сильное магнитное поле, значение которого существенно больше величины магнитного поля земли. Для возбуждения и регистрации сигнала ЯМР используют приемно-передающую антенну, в которой радиочастотными импульсами на частоте f₀ возбуждают спиновую систему, а в промежутках между импульсами регистрируют сигналы ЯМР, которые называются сигналами спинового эха. Обычно для этих целей используют стандартную последовательность, называемую последовательностью (далее - КПМГ), которая состоит из одного 90°-го и последующей серии 180°-ых радиочастотных импульсов. Первый импульс возбуждает сигнал ЯМР, а серия последующих предназначена для формирования в промежутках между 180°-ми импульсами сигналов спинового эха. По скорости уменьшения амплитуд сигналов эха от времени судят о временах поперечной релаксации, а по амплитуде сигнала в начальный момент формирования последовательности - об общем количестве в исследуемой зоне вещества, содержащего ядра, на которые настроена частота резонанса ЯМР. Как правило, это ядра водорода, имеющие высокую распространенность в природе и наибольшее значение гиромагнитного отношения γ. При этом магнитная система и приемно-передающая антенна должны иметь такое взаимное расположение, чтобы магнитное поле B₀ постоянного магнита и магнитное поле B₁, создаваемое в момент радиочастотного импульса, в исследуемой зоне были взаимно перпендикулярны и подчинялись так называемому условию резонанса:

Таким образом, в общем случае, по обоим приведенным выше изобретениям значение величины B₀ в устройствах с постоянными магнитами является функцией расстояния от магнитной системы. Это дает принципиальную возможность выбирать для резонансной частоты f₀ такое значение, при котором величина B₀, удовлетворяющая условию (1), будет находиться на достаточном удалении от магнита так, чтобы сигнал ЯМР формировался только из прискважинной зоны. При этом как ближние, так дальние области пространства, для которых по условию (1) требуются более высокие или, наоборот, более низкие значения частоты резонанса, вклад в сигнал ЯМР не дают. Таким образом, задавая конфигурацией магнитной системы ту или иную пространственную зависимость B₀ и выбирая соответствующее значение частоты резонанса, можно задавать область исследования на заданном расстоянии от оси устройства или от внешней стенки его корпуса. Принято этот параметр называть глубинностью исследования и он является одной из значимых характеристик устройств для ядерного магнитного каротажа.

Из исследованного заявителем уровня техники выявлены изобретения, имеющие особенности в конструкции магнитов по виду пространственного распределения магнитного поля в исследуемой зоне устройства для ядерного магнитного каротажа с постоянными магнитами, которые можно разделить на два, представленных далее, класса.

Так, например, из исследованного заявителем уровня техники выявлено изобретение по патенту USA №4710713 [2], сущность которого состоит в том, что аппаратура ядерного магнитного резонанса, содержащая как минимум один магнит, предназначенный для того, чтобы генерировать постоянное магнитное поле в удаленной области исследования, содержащей исследуемые материалы; указанный как минимум один магнит имеет намагниченность, перпендикулярно направленную к продольной оси указанного магнита, средство для создания радиочастотного магнитного поля в указанной удаленной области исследования для возбуждения ядер исследуемых материалов и включающий как минимум одну катушку, намотанную так, что витки катушки лежат в плоскостях, по существу параллельных к указанному направлению намагниченности и указанной продольной оси; и средство для приема сигналов ядерного магнитного резонанса от возбужденных ядер, обеспечивающее установление (индикацию) свойств исследуемых материалов, аппаратура скважинного каротажа для геофизических исследований скважин, содержащая: средства для создания постоянного магнитного поля в окрестности ствола скважины, включающие как минимум один постоянный магнит, ось намагниченности которого расположена по существу перпендикулярно оси ствола скважины, для создания постоянного магнитного поля, по существу перпендикулярного оси ствола скважины в области, окружающей ствол скважины, которая содержит исследуемые материалы, средства для генерации радиочастотного магнитного поля в указанной области в направлении, по существу перпендикулярном как к оси ствола скважины, так и направлению постоянного магнитного поля для возбуждения ядер исследуемых материалов, средства приема для приема сигналов ядерного магнитного резонанса от возбужденных ядер и получение информации о свойствах исследуемых материалов. Аппаратура ядерного магнитного резонанса, содержащая: как минимум один ферритовый постоянный магнит, предназначенный для создания постоянного магнитного поля в удаленной области исследования, содержащей исследуемые материалы, указанный как минимум один постоянный магнит имеет в основном цилиндрическую форму и продольную ось, в целом длина указанного как минимум одного ферритового постоянного магнита вдоль указанной продольной оси существенно больше, чем его размеры перпендикулярно этой оси, и больше, чем удвоенное расстояние между продольной осью и указанной удаленной областью исследования, где указанный как минимум один ферритовый постоянный магнит имеет по существу однородную намагниченность вдоль продольной оси и направление намагниченности, по существу перпендикулярное указанной продольной оси, средства для генерации радиочастотного магнитного поля в указанной удаленной области исследования для возбуждения ядер исследуемых материалов; указанные средства для генерации включают как минимум одну катушку, намотанную на поверхность указанного как минимум одного ферритового магнита, причем витки катушки лежат в плоскостях по существу параллельных указанному направлению намагниченности и указанной продольной оси; средства приема при помощи указанной как минимум одной катушки сигналов ядерного магнитного резонанса от исследуемых материалов и получения информации о свойствах исследуемых материалов.

Метод ядерного магнитного резонанса включает следующие шаги: Обеспечивают как минимум один постоянный магнит, имеющий продольную ось и имеющий по существу однородную намагниченность вдоль продольной оси и направление намагниченности перпендикулярное продольной оси; Создают при помощи указанного как минимум одного магнита постоянное магнитное поле, в основном одинаковое в удаленной области, содержащей исследуемые материалы; указанное магнитное поле имеет направление, перпендикулярное указанной продольной оси в указанной удаленной области; Генерируют радиочастотное магнитное поле в указанной удаленной области для возбуждения ядер исследуемых материалов, и направление этого радиочастотного магнитного поля по существу перпендикулярно как к указанной продольной оси, так и указанному направлению постоянного магнитного поля; Принимают сигналы ядерного магнитного резонанса от возбужденных ядер и получают в ответ на принятые сигналы ядерного магнитного резонанса информацию о свойствах исследуемых материалов.

Метод скважинного каротажа с использованием ядерного магнитного резонанса заключается в том, что: Создают постоянное магнитное поле, по существу перпендикулярное оси скважины в области окружающей скважину, которая содержит исследуемые материалы; Создают радиочастотное магнитное поле в указанной области в направлении, по существу перпендикулярном как к оси скважины, так и направлению постоянного магнитного поля, для возбуждения ядер от исследуемых материалов; Принимают сигналы ядерного магнитного резонанса от возбужденных ядер.

Метод ядерного магнитного резонанса, заключающийся в том, что: Обеспечивают как минимум один не проводящий постоянный магнит в основном цилиндрической формы, имеющий продольную ось, в целом длина указанного магнита вдоль указанной продольной оси больше, чем его размеры перпендикулярно указанной продольной оси, и больше, чем удвоенное расстояние между указанной продольной осью, обозначенный постоянный магнит имеет по существу однородную намагниченность вдоль продольной оси и направление намагниченности, перпендикулярное указанной продольной оси; Создают с помощью указанного магнита постоянное магнитное поле одинаковой амплитуды, которое в основном аксиально-симметрично по отношению к указанной продольной оси и представляет собой цилиндрическую область с центром вдоль указанной продольной оси, указанная область содержит исследуемый материал, указанное магнитное поле имеет направление, перпендикулярное к указанной продольной оси в указанной удаленной области исследования, и имеет градиент амплитуды магнитного поля, который направлен по существу вдоль радиальной оси по отношению к указанной продольной оси и который, по существу, аксиально-симметричен относительно указанной продольной оси; Генерируют радиочастотное магнитное поле, в основном одинаковое и аксиально-симметричное в указанной области для возбуждения ядер в исследуемых материалах и имеющее направление, по существу перпендикулярное указанной продольной оси и указанному направлению постоянного магнитного поля; Принимают сигнал ядерного магнитного резонанса от исследуемых материалов; Получают в ответ на принятые сигналы ядерного магнитного резонанса информацию о свойствах исследуемых материалов.

Таким образом, в целом из вышеуказанного можно сделать следующие выводы.

В изобретении по патенту USA №4710713 [2] использован постоянный магнит, расположенный вдоль оси устройства для ядерного магнитного каротажа, с магнитным полем, направленным перпендикулярно оси устройства. Такая система создает радиально неоднородное (градиентное) внешнее магнитное поле, которое представляется убывающей функцией во всей внешней по отношению к устройству области пространства, в том числе и в области, предназначенной для исследования, и является относительно однородным вдоль оси устройства. Используется также средство для создания радиочастотного магнитного поля в указанной удаленной области для возбуждения ядер исследуемых материалов и включающее как минимум одну катушку, намотанную по существу на указанный постоянный магнит так, что витки катушки лежат в плоскостях, по существу параллельных к указанному направлению намагниченности постоянного магнита и указанной продольной оси магнита, и средство для приема сигналов ядерного магнитного резонанса от возбужденных ядер и обеспечивающее установление (индикацию) свойств исследуемых материалов. Принимают сигнал ядерного магнитного резонанса от исследуемых материалов и получают в результате анализа принятых сигналов ядерного магнитного резонанса информацию о свойствах исследуемых материалов.

В устройствах с такими магнитными системами исследуемая зона представляет собой тонкий слой (толщина слоя порядка 0.1 см), что заметно уменьшает объем исследуемой области. В результате не только уменьшается амплитуда регистрируемого сигнала ЯМР, но и проявляется чувствительность к поперечным колебаниям устройства и вибрации, что может существенно снизить достоверность результатов исследований. Еще одним недостатком магнитных систем, генерирующих градиентное магнитное поле, является необходимость учета в регистрируемом спектре времен релаксации диффузионного вклада, который, в общем случае, неизвестен, так как неизвестны коэффициенты самодиффузии исследуемого флюида в пористой среде породы. Для получения сигнала ЯМР достаточной величины обычно в таких устройствах магнитная система и приемно-передающая антенна имеют большие размеры вдоль оси устройства. В результате устройства для ядерного магнитного каротажа с такими магнитными системами имеют плохое, порядка 1 м, пространственное разрешение вдоль ствола скважины.

Температурная зависимость индукции магнитного поля в таких устройствах не вызывает напрямую проблем, связанных с необходимостью поддерживать резонансные условия во время каротажа, так как резонансные условия формируются автоматически, поскольку в градиентном магнитном поле всегда может быть найдена область пространства, в которой для заданной частоты резонанса выполняется условие (1). Однако температурная зависимость индукции постоянного магнита оказывает опосредованное влияние на качество измерений через другую характеристику устройства - глубинность исследования. Причем по мере уменьшения значения B₀ с ростом температуры зона исследования смещается в сторону самого устройства для ядерного магнитного каротажа. Другими словами, с ростом температуры в скважине уменьшается параметр глубинности исследования, что снижает качество измерений, в конечном счете может привести к неправильной трактовке измеренных данных.

Также заявителем выявлено техническое решение по патенту на изобретение USA №4350955 [3]. Сущность состоит в следующем. Аппаратура ядерного магнитного резонанса по патенту USA №4350955 включает в себя: Средство для создания тороидальной области однородного магнитного поля; Средство для передачи РЧ импульса в обозначенную тороидальную область однородного магнитного поля для возбуждения ядер в ней и средство для приема сигналов ядерного магнитного резонанса от обозначенных ядер в указанной тороидальной области однородного магнитного поля. Аппаратура ядерного магнитного резонанса, указанная в пункте 1, где указанное первое средство включает: Первый источник магнитного поля; Второй источник магнитного поля, соосно расположенный с первым указанным источником магнитного поля, первый и второй указанные источники магнитного поля направлены одноименными полюсами друг на друга. В аппаратуре ядерного магнитного резонанса, указанной в пункте 2, средство для приема и передачи радиочастотного поля расположено между указанными первым и вторым источниками магнитного поля. В аппаратуре ядерного магнитного резонанса, указанной в пункте 3, указанное средство для приема и передачи радиочастотного поля включает рамочную антенну, являющуюся частью приемно-передающих средств. В аппаратуре ядерного магнитного резонанса, указанной в пункте 4, обозначенные первый и второй источники магнитного поля включают в себя цилиндрические постоянные магниты. В аппаратуре ядерного магнитного резонанса, указанной в пункте 4, указанные первый и второй источники магнитного поля содержат соленоиды постоянного тока. Аппаратура ядерного магнитного резонанса, указанная в пункте 6, содержит средства, переводящие указанные соленоиды постоянного тока в сверхпроводящее состояние. Аппаратура ядерного магнитного каротажа включает в себя: Средства для создания тороидальной области однородного магнитного поля при скважинном пространстве; Антенну для передачи радиочастотного поля в указанную область тороидального магнитного поля и приема сигнала ядерного магнитного резонанса из этой области. Оборудование скважинного каротажа, указанное в пункте 8, средства для создания тороидальной области однородного магнитного поля содержат первый источник магнитного поля и второй источник магнитного поля, расположенный с первым соосно, причем первый и второй источники магнитного поля направлены одноименными полюсами друг к другу. В аппаратуре скважинного каротажа по пункту 9 приемник и передатчик радиочастоты соединены с указанной антенной. Аппаратура скважинного каротажа по пункту 10 содержит средство изоляции в цепи между указанными приемником, передатчиком и антеннами. Аппаратура скважинного каротажа по пункту 11, содержащая импульсный источник для модуляции обозначенного передатчика. Аппаратура скважинного каротажа по пункту 12 содержит средства регистрации для записи сигнала ЯМР от обозначенного приемника.

Итак, в целом по указанному изобретению возможно сделать следующие выводы. Особенность технического решения по патенту USA №4350955 [3] состоит в том, что магнитная система, состоящая из соосных магнитов, намагниченных вдоль оси, расположенных одноименными полюсами друг к другу, генерирует в удаленной тороидальной области пространства относительно однородное (фокусированное) магнитное поле. Именно в этой области функция радиального распределения магнитного поля проходит через максимум. Приемно-передающая антенна в форме соленоида располагается между магнитами. Преимуществами этого типа магнитных систем являются меньшая чувствительность ЯМР сигнала к поперечным колебаниям и вибрации, заметное улучшение характеристики (до 0,1 м и меньше) пространственного разрешения вдоль ствола скважины и улучшение качества сигнала ЯМР как с точки зрения его амплитуды, что достигается за счет увеличения объема исследуемой зоны, так и за счет того, что сигнал регистрируется в отсутствие сильного градиента магнитного поля, способного повлиять на спектр времен релаксации. Кроме того, в магнитных системах такого типа удаленность области исследования от центра магнитной системы задается длиной магнитов и величиной зазора между ними и не зависит от остаточной индукции самих магнитов (см. патент RU №2583881 [4]). Главный недостаток состоит в том, что при изменении температуры условие резонанса (1) перестает выполняться одновременно для всей исследуемой зоны и проявляется этот недостаток даже при использовании магнитов из материала с малым температурным коэффициентом (SmCo).

Принимая во внимание приведенное выше, можно сделать заключение об общности идеи известных способов ядерного магнитного каротажа в устройствах с постоянными магнитами, которая заключается в том, что осуществляют перемещение вдоль скважины с заданной скоростью устройства для каротажа, в котором одним или несколькими постоянными магнитами создают постоянное магнитное поле во внешней по отношению к устройству исследуемой области в толще породы, в этой же области радиочастотной приемо-передающей катушкой на частоте ядерного магнитного резонанса создают серию радиочастотных импульсов, формирующих поляризованное перпендикулярно постоянному магнитному полю переменное магнитное поле, и при помощи этих же катушек в промежутках между радиочастотными импульсами регистрируют сигналы спинового эха ЯМР. По зависимости амплитуд сигналов эха от времени в течение действия последовательности судят о временах или спектрах времен поперечной релаксации (T₂), а по зависимости амплитуд сигналов эха от периода времени между последовательностями - о временах или спектрах времен продольной (T₁) релаксации. По полученным данным могут быть построены как одномерные (1D), так и двумерные (2D) карты распределения времен релаксации, по которым рассчитывают характеристики подземных формирований.

При этом следует обратить внимание на то, что общим недостатком устройств для ядерного магнитного каротажа с постоянными магнитами является температурная зависимость индукции магнитного поля. Магниты на основе NdFeBr имеют достаточно высокие значения индукции магнитного поля, однако эта величина существенно уменьшается с ростом температуры. Магнитные системы на основе SmCo несколько уступают по величине индукции магнитного поля, но характеризуются более высокой температурной стабильностью. Тем не менее, даже для магнитов, изготовленных на основе улучшенных материалов SmCo с наименьшим температурным коэффициентом, изменение температуры в скважине, например, от +20°C до +100°C приводит к уменьшению величины магнитного поля на 4 и более процентов, что является существенным недостатком. Так, например, в практике применения устройств для лабораторных исследований методом ЯМР допустимое отклонение магнитного поля от заданной величины не превышает обычно 0.01 или даже 0.00001%.

Наиболее близким по существу поставленной цели заявляемого изобретения, а также по наибольшему количеству совпадающих признаков и назначению в качестве прототипа заявителем выбрано техническое решение по патенту на изобретение RU №2230345 [5], «Способ ЯМР каротажа и устройство для его осуществления». Сущность способа заключается в том, что способ ЯМР каротажа, заключающийся в том, что осуществляют перемещение устройства для каротажа вдоль скважины двумя соосными цилиндрическими основными постоянными магнитами, сориентированными одноименными полюсами друг к другу, создают постоянное магнитное поле, поляризованное в перпендикулярном направлении к продольной оси магнитов в исследуемой области в толще породы, в этой же области радиочастотной приемо-передающей катушкой создают переменное магнитное поле, поляризованное перпендикулярно постоянному магнитному полю, при помощи приемных катушек измеряют проводимость породы, в исследуемой области создают магнитный резонанс ядер, регистрируют сигнал ЯМР, набирают спектр времен поперечной и продольной релаксации и рассчитывают характеристики подземных формирований. Способ отличается тем, что для увеличения области исследования применяют наконечники, установленные на основных постоянных магнитах в зазоре между ними, представляющие собой шаровые сегменты, обращенные выпуклостями друг к другу, для обеспечения наибольшей скорости набора спектра ЯМР зазор между основными магнитами выполняют с возможностью изменения, для чего используют верхний и нижний дополнительные постоянные магниты с установленными на них катушками подмагничивания, обращенные одноименными полюсами к полюсам основных магнитов, основные магниты выполняют подвижными вдоль оси и соосными дополнительным, для обеспечения поперечной устойчивости основных магнитов в зазорах между дополнительными и основными магнитами на основных магнитах наконечники выполняют в виде шаровых сегментов, выпуклостями обращенных к опорным магнитам, а наконечники на дополнительных магнитах выполняют в виде цилиндров с углублением в форме шарового сегмента, в катушках подмагничивания при протекании в них тока создают поле, противоположное полю дополнительных магнитов, в электронном блоке вырабатывают ток катушек подмагничивания и изменяют его, обеспечивая изменение зазора, до тех пор, пока скорость набора спектра ЯМР не будет наибольшей.

Сущность устройства, на котором реализуется способ, заключается в том, что устройство для ЯМР каротажа, состоящее из электронного блока, включающего в себя генератор радиочастоты, выходы которого соединены с первыми входами программатора импульсов, передатчика, усилителей промежуточной частоты (далее - УПЧ) УПЧ1 и УПЧ2, третий вход которого соединен с выходом УПЧ1, а выход связан со вторыми входами первого и второго детекторов ЯМР, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фазового частотного детектора, фильтра низкой частоты, усилителя, и аналого-цифровой преобразователь (далее - АЦП), программатор импульсов, выходы которого соединены с входом генератора радиочастот (далее - РЧ), управляющим входом антенного переключателя (далее - АП), вторыми входами передатчика, выход которого соединен с АП, усилителей УПЧ1 и УПЧ2, предусилитель, вход которого соединен с АП, а выход - с третьим входом УПЧ1, процессор, соединенный при помощи общей шины с генератором РЧ, программатором импульсов, усилителями УТТЧ1 и УПЧ2, детекторами ЯМР и приемником, модем, связанный с процессором, источник питания, связанный с общей шиной процессора, соосно расположенных верхнего и нижнего основных постоянных цилиндрических магнитов, намагниченных вдоль продольной оси и ориентированных одноименными полюсами друг к другу, приемо-передающей радиочастотной катушки, соосной постоянным магнитам, жестко установленной между магнитами на одинаковом расстоянии и соединенной с AII, модуля для измерения проводимости породы, включающего приемные катушки, которые связаны с приемником, состоящим из детектора, усилителя и АЦП, линии связи с наземным модулем, связанной с выходом модема, отличающееся тем, что дополнительно введены верхний и нижний дополнительные цилиндрические постоянные магниты с расположенными на них соосными соответственно верхней и нижней катушками подмагничивания, установленные в устройстве неподвижно и соосно с основными магнитами так, что основные постоянные магниты расположены между ними, основные постоянные магниты выполнены подвижными вдоль продольной оси, дополнительные и основные магниты ориентированы одноименными полюсами друг к другу, на торцах магнитов в зазорах между ними установлены наконечники, в зазоре между основными магнитами наконечники представляют собой шаровые сегменты, обращенные выпуклостями друг к другу, в зазорах между дополнительными и основными магнитами на основных магнитах наконечники представляют собой шаровые сегменты, выпуклостями обращенные к опорным магнитам, а наконечники на дополнительных магнитах представляют собой цилиндры с углублением в форме шарового сегмента, последовательно соединенные катушки подмагничивания связаны с усилителем тока, вход которого связан с выходом цифроаналогового преобразователя (далее - ЦАП), который связан с общей шиной процессора.

Таким образом, в целом, в прототипе предложено техническое решение, представляющее собой магнитную систему, состоящую из двух соосных магнитов, намагниченных вдоль оси, расположенных одноименными полюсами друг к другу, и генерирующих в удаленной тороидальной области пространства относительно однородное (фокусированное) магнитное поле, позволяющее компенсировать в процессе каротажа температурные изменения магнитной индукции постоянных магнитов. Для достижения технического результата в устройство вводятся два дополнительных аксиально намагниченных магнита, которые устанавливаются соосно с внешних сторон основных магнитов так, что полюса основных и дополнительных магнитов направлены встречно. На дополнительные магниты намотаны катушки. При этом положения дополнительных магнитов и катушек фиксированы относительно корпуса устройства, а основные магниты выполнены с возможностью аксиального смещения. Технический результат в [5] достигается тем, что путем изменения тока в катушках, подключенных к усилителю тока, вход которого связан с выходом ЦАП, который связан с общей шиной процессора, обеспечивается изменение зазора между полюсами основных магнитов, что приводит к изменению значения магнитного поля в области максимума на функции его радиального распределения. В результате соотношение между резонансной частотой и значением поля начинает удовлетворять условию резонанса (1), амплитуда сигнала ЯМР увеличивается и тем самым увеличивается скорость набора данных для получения спектра времен релаксации.

Первым недостатком технического решения [5] является сложность его реализации.

Второй, более существенный, недостаток прототипа [5] заключается в том, что при изменении зазора между магнитами изменяется не только значение магнитного поля на максимуме его радиальной функции распределения, но изменяется и положение этого максимума.

Таким образом, применение для компенсации температурной зависимости магнитного поля постоянных магнитов технического решения по патенту [5], заключающееся в уменьшении зазора между основными магнитами, сопровождается уменьшением параметра глубинности исследования, что сказывается на качестве получаемой в результате проведения каротажа информации.

Заявленное техническое решение направлено на устранение указанных недостатков прототипа как по способу реализации каротажа, так и по устройству, используемому для каротажа в заявленном способе и обеспечения в целом возможности выполнять более эффективные исследования по каротажу.

Целью предлагаемого изобретения является разработка способа ядерного магнитного каротажа и устройства для реализации указанного способа, при этом в отношении устройства требуется упрощение конструкции для его применения в заявленном способе каротажа, при этом устройство должно обладать возможностью регулирования в процессе каротажа значения магнитного поля в области исследования для компенсации температурной зависимости остаточной индукции постоянных магнитов без ухудшения характеристики глубинности исследования.

Цель достигается тем, что в заявленном способе ядерного магнитного каротажа осуществляют перемещение вдоль скважины устройства для каротажа, в котором двумя основными соосными постоянными магнитами, сориентированными одноименными полюсами друг к другу, создают постоянное магнитное поле, поляризованное в перпендикулярном направлении к продольной оси магнитов в удаленной исследуемой области в толще породы, в этой же области радиочастотной приемно-передающей катушкой на частоте ядерного магнитного резонанса создают серию радиочастотных импульсов, формирующих поляризованное перпендикулярно постоянному магнитному полю переменное магнитное поле, и при помощи этих же катушек в промежутках между радиочастотными импульсами регистрируют сигналы спинового эха ЯМР, по зависимости амплитуд сигналов эха от времени вычисляют спектры времен поперечной и продольной релаксаций и рассчитывают характеристики подземных формирований, способ характеризуется тем, что для обеспечения возможности исключения влияния на амплитуду сигналов эха температурной зависимости магнитного поля, создаваемого основными постоянными магнитами, непосредственно в ходе каротажа путем изменения тока в двух катушках подмагничивания создают дополнительное магнитное поле так, чтобы оставались постоянными значения результирующего магнитного поля в исследуемой зоне, при котором соблюдаются условия получения максимума сигнала ЯМР, и значение глубинности исследования.

Для достижения цели заявлено устройство для ядерного магнитного каротажа, содержащее для формирования в исследуемой области породы постоянного магнитного поля, поляризованного в перпендикулярном направлении к продольной оси, два основных соосных постоянных магнита, сориентированных одноименными полюсами друг к другу, приемно-передающую катушку для возбуждения сигналов спинового эха ЯМР и их приема во время действия последовательности радиочастотных импульсов, расположенную в зазоре между магнитами так, чтобы магнитная компонента радиочастотного поля в исследуемой области была перпендикулярна направлению постоянного магнитного поля, электронные блоки, включающие в себя передатчик, приемник, процессор, датчики телеметрии, две катушки подмагничивания, усилитель тока, связанный через цифроаналоговый преобразователь с процессором, и программатор импульсной последовательности, характеризующееся тем, что для обеспечения возможности исключения влияния на амплитуду сигналов эха температурной зависимости магнитного поля, создаваемого основными постоянными магнитами, без ухудшения характеристики глубинности исследования и упрощения конструкции устройства две катушки подмагничивания жестко фиксируют непосредственно на полюсах постоянных магнитов или наматывают на постоянные магниты, при этом катушки подмагничивания подключают последовательно или параллельно к усилителю тока, усилитель тока связывают через цифроаналоговый преобразователь с процессором с возможностью создания ими (катушками подмагничивания) магнитных полей в зоне исследования с обеспечением возможности суммирования магнитных полей, их параллельности магнитному полю постоянных магнитов и возможности создания дополнительного магнитного поля, компенсирующего температурное изменение значения магнитного поля основных магнитов без изменения характеристики глубинности исследования.

Заявленное изобретение осуществляют, например, следующим путем.

Способ ЯМР каротажа, заключающийся в том, что осуществляют перемещение устройства для каротажа вдоль скважины двумя соосными цилиндрическими основными постоянными магнитами, сориентированными одноименными полюсами друг к другу, создают постоянное магнитное поле, поляризованное в перпендикулярном направлении к продольной оси магнитов в исследуемой области в толще породы, в этой же области радиочастотной приемно-передающей катушкой создают переменное магнитное поле, поляризованное перпендикулярно постоянному магнитному полю, при помощи приемных катушек регистрируют сигнал ЯМР, амплитуда которого при прочих равных условиях определяется точностью настройки резонансных условий. Набирают спектр времен поперечной и продольной релаксаций и рассчитывают характеристики подземных формирований.

Особенность способа заключается в том, что компенсацию температурной зависимости остаточной индукции постоянных магнитов без ухудшения характеристики глубинности исследования осуществляют непосредственно путем регулирования тока в двух катушках подмагничивания, подключенных к управляемому усилителю тока и расположенных относительно постоянных магнитов таким образом, что создаваемые ими магнитные поля в зоне исследования суммируются с магнитным полем постоянных магнитов. Признаками необходимости такой регулировки могут быть: либо информация об изменении температуры магнитов, поступающая по каналу телеметрии, либо информация о частоте сигнала ЯМР, которая также может регистрироваться при измерении. При этом общим признаком является уменьшение амплитуды сигнала ЯМР, что непосредственно сказывается на качестве измерений. При наступлении указанных признаков ток в двух катушках, создающих дополнительное к основному магнитное поле, изменяют посредством управляемого усилителя тока так, чтобы результирующее значение магнитного поля в исследуемой зоне соответствовало начальному условию резонанса. Контроль осуществляется либо по наблюдению максимума сигнала ЯМР, либо по соответствию значения частоты регистрируемого сигнала ЯМР заданному значению. После настройки оптимального значения тока в катушках, при котором наблюдается максимум сигнала ЯМР, его фиксируют и продолжают проведение каротажа.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 представлен чертеж общего вида;

На Фиг. 2 представлена блок-схема реализации способа;

На Фиг. 3 приведены функция радиального распределения магнитного поля в центральной плоскости между полюсами постоянных магнитов и коррекция ее температурной зависимости, демонстрирующая особенности заявленного технического решения и преимущества перед прототипом.

Устройство для ЯМР каротажа состоит из корпуса 13, двух аксиально намагниченных встречных постоянных магнитов 15 и 16, расположенной в зазоре между магнитами приемно-передающей катушки 1, электронного блока 14, включающего в себя блок питания 10, модем связи 9 с наземным модулем 12 посредством геофизического кабеля 11, процессора 4, на один вход которого поступают цифровые данные с выхода квадратурного АЦП 8, а второй двунаправленный вход соединен через шину данных с модемом связи 9, датчиками телеметрии 19 и с одним из входов программатора 3, второй вход которого соединен с выходом синтезатора 5, а выходы соединены с передатчиком 2 и с управляющими входами квадратурного АЦП 8, приемника 7 и предусилителя 6, на вход которого с приемно-передающей катушки 1 поступают сигналы ЯМР, полученные в результате генерации приемно-передающей катушкой 1 во время работы передатчика 2 переменного магнитного поля, направление которого в исследуемой среде ортогонально направлению магнитного поля постоянных магнитов 15 и 16, а также двух катушек подмагничивания 17 и 18, подключенных к усилителю тока 20 через ЦАП 21, соединенный с общей шиной процессора 4.

Особенностью заявленного устройства является то, что две катушки подмагничивания 17 и 18, подключенные последовательно (или параллельно) к двум выходам усилителя тока 20, вход которого соединен с выходной шиной данных процессора 4, располагаются на полюсах основных магнитов 15 и 16 или наматываются непосредственно на постоянные магниты 15 и16 так, чтобы создаваемые ими магнитные поля в зоне исследования складывались и были параллельны магнитному полю постоянных магнитов.

Устройство работает следующим образом. Все частоты, используемые для задания основной резонансной частоты f₀, а также для формирования частот выборки амплитудно-цифрового преобразователя, частот дискретизации временных интервалов в импульсной последовательности и длительности радиочастотных импульсов, вырабатываются из одной частоты, формируемой с высокой температурной стабильностью в синтезаторе частот 5. Таким образом, все частоты и временные интервалы прибора когерентны, что позволяет при соответствующем выборе частоты f_d дискретизации АЦП по отношению к значению f₀ (например, f_d=4 f₀) осуществлять цифровой принцип квадратурного детектирования сигнала ЯМР. Программатор 3 формирует в соответствии с заданной программой радиочастотные импульсы необходимой длительности для активации работы передатчика 2, а также все интервалы между радиочастотными импульсами, включая и интервалы времени для измерения сигналов эха. На время измерения сигналов эха программатором вырабатываются управляющие импульсы для перевода в активный режим предусилителя 6 и приемника 7, а также формируются импульсы синхронизации работы АЦП 8 на частоте дискретизации f_d. Измеренные данные с АЦП в цифровом виде поступают на вход процессора 4, в котором осуществляется их предварительная обработка, включающая, например, цифровую фильтрацию, Фурье-преобразование и т.д., а также подготовка (кодирование) для передачи данных через модем связи 9 по геофизическому кабелю 11 в наземный модуль 12.

В наземном модуле поступившие данные анализируются и записываются, в то время как устройство для ядерного магнитного каротажа, двигаясь с заданной скоростью вдоль ствола скважины через определенный заданный промежуток времени между импульсными последовательностями, вырабатывает и подготавливает к передаче в наземный модуль следующую порцию данных. Все параметры импульсной последовательности, включая длительность самой последовательности или количество измеряемых сигналов эха, интервалы между радиочастотными импульсами, интервалы между самими импульсными последовательностями, а также программу или алгоритмы предварительной обработки данных, поступают в процессор 4 и далее в программатор 3, синтезатор частот 5.

В управляемом усилителе тока 20 начальное значение тока может быть равным нулю, если устройство перед каротажем было соответствующим образом подготовлено. То есть частота резонанса f₀ была установлена в соответствии с условием резонанса (1) для магнитного поля B₀, генерируемого в области исследования только за счет постоянных магнитов 15 и 16. В скважинах температура может сильно отличаться от нормальной, как правило, в сторону положительных значений, что будет приводить, соответственно, к уменьшению значения B₀. С датчиков телеметрии 19, включающих, как правило, и датчики температуры магнитов, информация об изменении температуры магнитов поступает в процессор 4, где она может обрабатываться по соответствующему алгоритму, учитывающему температурную зависимость остаточной индукции постоянных магнитов, и поступать в виде команды на изменение тока в управляемый усилитель тока 20 через ЦАП 21. Ток проходит через подмагничивающие катушки 17 и 18 и создает тем самым дополнительное магнитное поле, компенсирующее температурный уход значения B₀ постоянных магнитов (см. Фиг. 3).

Более точную настройку поля можно осуществить из сравнения заданной частоты резонанса f₀ и частоты измеряемого сигнала ЯМР, которая может быть определена в процессоре 4 по результату, например, Фурье-преобразования данных, получаемых с квадратурного детектора 8. Поскольку сигнал ЯМР в скважине, как правило, сильно меняется и на ряде участков может быть равным нулю, автоматический режим подстройки поля по этому варианту может привести к неустойчивости настройки. В этом случае предпочтительнее решение о необходимости подстройки принимать оператору по анализу данных, поступающих в наземный модуль 12. Тогда оператор, основываясь на данных телеметрии и/или частоты сигнала ЯМР, регистрируемого на участках скважины с хорошим сигналом, подстраивает условия резонанса посредством передачи команд на изменение тока в катушках до получения желаемого результата и далее значение тока фиксируется.

В результате реализации заявленного технического решения компенсация температурной зависимости индукции постоянных магнитов обеспечивается путем установки необходимого значения тока в подмагничивающих катушках 17, 18. При этом введенные в прототипе для достижения аналогичной цели дополнительные постоянные магниты из конструкции устройства исключаются, а основные магниты так же, как и все остальные элементы конструкции устройства, жестко фиксированы относительно корпуса. Тем самым из устройства также исключаются все конструктивные элементы, обеспечивающие по прототипу возможность аксиального смещения основных постоянных магнитов. Дополнительный положительный результат заявленного технического решения состоит в том, что магнитное поле, создаваемое током в подмагничивающих катушках, суммируется с магнитным полем постоянных магнитов так, что значение параметра глубинности исследования сохраняется на уровне исходно заданного значения.

Таким образом, в заявленном техническом решении для достижения заявленной цели не требуется, по сравнению с прототипом, изменять какие-либо геометрические размеры магнитной системы, и, что особенно важно, величину зазора между магнитами, значение которого доминирующим образом определяет положение экстремума на радиальной функции распределения магнитного поля - удаленность зоны исследования от оси устройства.

Как видно из Фиг. 3, применение для компенсации температурной зависимости магнитного поля постоянных магнитов технического решения по патенту [5], заключающееся в уменьшении зазора между основными магнитами, сопровождается уменьшением параметра D глубинности исследования (D').

Из этой же Фиг. 3 видно, что заявленное техническое решение, согласно которому компенсация ухода поля основных магнитов осуществляется путем суммирования его с магнитным полем дополнительных катушек, сохраняет значение параметра глубинности на исходном уровне (D₀).

Таким образом, заявленное техническое решение характеризуется не только простотой исполнения, но и обеспечивает, по сравнению с прототипом, неизменность заданной исходными геометрическими размерами магнитной системы такой важной характеристики устройства, как глубинность исследования.

Таким образом, задача компенсации температурной зависимости индукции постоянных магнитов по предлагаемому техническому предложению решается, в отличие от прототипа, без ухудшения качества устройства в целом.

Применение заявляемого способа ядерного магнитного каротажа и устройства его реализации способствует улучшению качества получаемых характеристик о фильтрационно-емкостных свойствах исследуемых пород и свойствах, насыщающих их флюидов.

Заявленное техническое решение удовлетворяет критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не обнаружено средство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение способ ядерного магнитного каротажа и устройство для его реализации удовлетворяет критерию «изобретательский уровень», поскольку заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат. Кроме указанного, заявленное техническое решение обеспечивает разрешение казалось бы неразрешимого противоречия, а именно для достижения заявленной цели не требуется, по сравнению с прототипом, изменять какие-либо геометрические размеры магнитной системы и, что особенно важно, величину зазора между магнитами, значение которого доминирующим образом определяет положение экстремума на радиальной функции распределения магнитного поля - удаленность зоны исследования от оси устройства. При этом одновременно обеспечивается возможность того, что заявленное техническое решение характеризуется не только простотой исполнения, но и обеспечивает, по сравнению с прототипом, неизменность заданной исходными геометрическими размерами магнитной системы такой важной характеристики устройства, как глубинность исследования. Таким образом, решение указанных задач посредством применения заявленного технического решения является не очевидным для специалиста.

Заявленное техническое решение реализовано в промышленном производстве посредством изготовления опытного образца, устройства для ядерного магнитного каротажа в полевых условиях на предприятии реального сектора экономики Республики Татарстан, ООО ТНГ-Групп в процессе выполнения НИР «Создание комплекса технических средств и программных продуктов для эффективной разработки залежей нефти в сложнопостроенных карбонатных коллекторах с использованием горизонтальных скважин и гидроразрыва пласта», в рамках договора с Минобрнауки РФ 02.G25.31.0131 от 01.12. 2015 г. Указанное является доказательством соответствия критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.

Источники информации

1. Патент RU №2495458 Российская Федерация, МПК G01R 33/44, G01V 3/32. УСТРОЙСТВО ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО КАРОТАЖА / Дубровский B.C., Егоров А.В., Ежков М.Н., Мурзакаев В.М., Мухамадиев Р.С., Сайкин К.С., Скирда В.Д., Сотников А.Н.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "ТНГ-Групп" (RU). - 2012101122/28; заявл. 11.01.2012; опубл. 10.10. 2013, Бюл. №28. - 8 с.: ил.

2. Патент US №4710713 США, МПК G01R 33/20. NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SENSING APPARATUS AND TECHNIQUES / Zvi Taicher, Shmuel Strikman; заявитель и патентообладатель Numar Corporation, Malvern, Pa.; Zvi Taicher. - 838 503; заявл. 11.03.1986; опубл. 1.12.1987.

3. Патент US №4350955 США, МПК G01N 27/00. MAGNETIC RESONANCE APPARATUS / Jasper A. Jacksont, Richard K. Cooper; заявитель и патентообладатель The United States of America as represented by the United States Department of Energy, Washington, DC. - 195 968; заявл. 10.10.1980; опубл. 21.09.1982.

4. Патент RU №2583881 Российская Федерация, МПК G01V 3/14. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО КАРОТАЖА В ПОЛЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТА / Александров А.С., Дорогиницкий М.М., Гнездилов О.И., Архипов Р.В., Скирда В.Д., Тагиров М.С., Нургалиев Д.К., Мурзакаев В.М., Братин А.В.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "ТНГ-Групп" (ООО "ТНГ-Групп") (RU), федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВПО КФУ) (RU). - 2015101792/28; заявл. 31.12.2014; опубл. 10.05. 2016.

5. Патент RU №2230345 Российская Федерация, МПК G01V 3/32. СПОСОБ ЯМР КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ / Стариков В.П., Садыков Р.Х.; заявитель и патентообладатель Стариков Владислав Петрович (RU). - 2003101271/28; заявл. 17.01.2003; опубл. 10.06. 2004.