СПОСОБ ЯМР КАРОТАЖА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01V3/32 

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью ядерно-магнитного резонанса.

Известно устройство, описанное в патенте US 5705927, опубл. 06.01.1998, включающее два соосных постоянных магнита с намагниченностью вдоль продольной оси, ориентированных одноименными полюсами друг другу, приемопередающую катушку между магнитами. Недостатком зонда является малая область исследования.

Прототипом заявленного изобретения является устройство для каротажа, описанное в работе Стариков В.П., Садыков Р.Х. Результаты испытаний макетного образца анализатора углеводородных топлив. Материалы научно-практической конференции “Коммерческий учет энергоресурсов”, 3-5 декабря 2002, С.-Петербург, стр.380-385. Устройство содержит постоянный магнит, радиочастотную катушку, электронный блок, включающий генератор частот, программатор импульсов, передатчик, антенный переключатель, предварительные усилители ЯМР сигнала, ЯМР детекторы, процессор, модуль для определения проводимости породы, источник питания. Недостатком устройства является малая область исследования.

Задачей изобретения является увеличение области исследования подземных формирований.

Это достигается тем, что в способе изменением зазора между основными постоянными магнитами и применением наконечников на основных магнитах увеличивают область исследования при наибольшей скорости набора спектра ЯМР. В устройстве постоянные основные магниты подвижны вдоль продольной оси, использованы дополнительные магниты для изменения зазора между основными магнитами. Постоянные основные магниты имеют наконечники в зазоре между собой в форме шаровых сегментов, которые обеспечивают большую область исследования, по сравнению с применением магнитов с наконечниками других форм.

Магнитное поле, создаваемое постоянными цилиндрическими магнитами, описывается точными аналитическими выражениями только в некоторых частных случаях, например вдоль продольной оси. Поэтому нижеприведенные аналитические выражения являются приближенными и описывают лишь тенденцию изменения величины напряженности магнитного поля системы постоянных магнитов. Напряженность магнитного поля цилиндрического магнита на расстояниях r>>R, где R определяет размеры магнита:

где D - диаметр магнита, a h - его длина,

для системы координат в центре магнита приблизительно описывается выражением

Мы рассматриваем случай из двух магнитов. Тогда для расчета мы должны перенести центр координат в точку а (центр зазора между магнитами), тогда указанные выражения будут выглядеть следующим образом:

для магнита, находящегося левее центра координат, и

для правого магнита.

Суммарное поле будет суперпозицией двух магнитов. Так как оба магнита направлены навстречу друг другу одноименными полюсами, компоненты векторов складываются следующим образом:

или

В плоскости, пересекающей ось Z под прямым углом в точке z=0, компоненты вектора напряженности будут иметь следующие значения:

Таким образом, вектор магнитной индукции в указанной плоскости перпендикулярен к оси Z магнитной системы.

Зона исследования представляет собой тор толщиной несколько миллиметров. Приемопередающую катушку размещают соосно между основными магнитами на одинаковом расстоянии от них. В таком случае напряженность переменного магнитного поля в интересующей нас области описывается формулой

В плоскости, перпендикулярной оси при z=0, компоненты вектора напряженности будут иметь вид

H1_x=0;

Таким образом, векторы напряженности статического магнитного поля и радиочастотного поля взаимно перпендикулярны.

На фиг.1 представлена общая схема прибора.

На фиг.2 представлена схема электронного блока.

На фиг.3-5 представлены зависимости частоты резонанса в радиальном (а) и аксиальном (б) направлениях при цилиндрической (фиг.3), конической (фиг.4) и сферической (фиг.5) формах наконечников.

Для увеличения объема области исследования можно изменить плоскую форму вершины цилиндра на выпуклую, сферическую или коническую. Для выбора оптимальной формы наконечника были проведены расчеты численными методами. Расчет производился при диаметре постоянных магнитов 140 мм для скважины диаметром 164 мм, длине магнита, равной 2,5 диаметра, максимальном зазоре между основными магнитами 0,2 диаметра (зазор без наконечников). Область исследования представляет собой тор радиусом, равным диаметру магнита, т.е. точки с радиальной координатой r=1 и аксиальной z=0-0,2 диаметра магнита. Было установлено, что оптимальная высота конуса равна 20,4 мм, и при этом радиальный градиент в указанных точках равен dB/dr=-0,23 Тл/мм, а аксиальный градиент равен dB/dz=-0,18 Tл/мм на начальном участке (0-0,08 диаметра), dB/dz=-1,65 Тл/мм на среднем участке (0,8-0,15диаметра), dB/dz=-5,32 Тл/мм на конечном участке (0,15-0,2 диаметра) изучаемой области. Видно, что в зоне 0,03 диаметра имеются благоприятные условия для наблюдения ЯМР. В случае сферического наконечника его оптимальная форма представляет собой шаровой сегмент высотой 20,4 мм, диаметром основания, равным диаметру магнита, - 140 мм и радиусом шара 130 мм, при этом радиальный градиент в указанных точках равен dB/dr=-0,12 Тл/мм, а аксиальный градиент - dВ/dz=-0,97 Тл/мм на начальном участке, dB/dz=0,66 Tл/мм на среднем участке, dB/dz=-5,32 Tл/мм на конечном участке изучаемой области (границы участков как и в случае конуса). В зоне 0,2 диаметра имеются благоприятные условия для наблюдения резонанса. Несмотря на относительно большую величину градиента, его среднее значение на участке 0,2 диаметра магнита составляет -0,15 Тл/мм. Это значение лучше, чем для случая с коническим наконечником на начальном участке.

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 приемопередающей 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 релаксаций и рассчитывают характеристики подземных формирований. Особенность способа заключается в том, что для увеличения области исследования применяют наконечники, установленные на основных постоянных магнитах в зазоре между ними, представляющие собой шаровые сегменты, обращенные выпуклостями друг 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.

Устройство для ЯМР каротажа состоит из электронного блока 19, включающего в себя генератор радиочастоты 9, выходы которого соединены с первыми входами программатора импульсов 10, передатчика 3, усилителя промежуточной частоты УПЧ1 5, усилителя промежуточной частоты УПЧ2 6, третий вход которого соединен с выходом УПЧ1, а выход связан со вторыми входами первого 7 и второго 8 детекторов ЯМР, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фазового частотного детектора, фильтра низкой частоты, усилителя и АЦП, программатор импульсов, выходы которого соединены с входом генератора РЧ, управляющим входом антенного переключателя АП 2, вторыми входами передатчика, выход которого соединен с АП, усилителями УПЧ1 и УПЧ2, предусилитель 4, вход которого соединен с АП, а выход - с третьим входом УПЧ1, процессор 13, соединенный при помощи общей шины с генератором РЧ, программатором импульсов, усилителями УПЧ1 и УПЧ2, детекторами ЯМР и приемником 12, модем 14, связанный с процессором, источник питания 15, связанный с общей шиной процессора, соосно расположенных верхнего 16 и нижнего 17 основных постоянных цилиндрических магнитов, намагниченных вдоль продольной оси и ориентированных одноименными полюсами друг к другу, радиочастотной приемопередающей катушки 1, соосной постоянным магнитам, жестко установленной между основными магнитами на одинаковом расстоянии от них и соединенной с АП, модуля для измерения проводимости породы 18, включающего приемные катушки 11, которые связаны с приемником 12, состоящим из детектора, усилителя и АЦП, линии связи с наземным модулем, связанной с выходом модема.

Особенность устройства заключается в том, что дополнительно введены верхний 20 и нижний 21 дополнительные цилиндрические постоянные магниты с верхней 22 и нижней 23 катушками подмагничивания, расположенные в устройстве неподвижно и соосно с основными магнитами так, что основные постоянные магниты расположены между ними, основные магниты выполнены подвижными вдоль продольной оси, дополнительные и основные магниты ориентированы одноименными полюсами друг другу, на торцах магнитов в зазорах между ними установлены наконечники, в зазоре между основными магнитами наконечники 24 и 25 представляют собой шаровые сегменты, обращенные выпуклостями друг другу, в зазорах между дополнительными и основными магнитами на основных магнитах наконечники 26 и 27 представляют собой шаровые сегменты, выпуклостями обращенные к опорным магнитам, а наконечники 28 и 29 на опорных магнитах представляют собой цилиндры с углублением в форме шарового сегмента, последовательно соединенные катушки подмагничивания связаны с усилителем тока 30, вход которого связан с выходом ЦАП 31, который связан с общей шиной процессора.

Устройство работает следующим образом. Все частоты и длительности импульсов вырабатывают из одной частоты Fq генератора радиочастоты 9, стабилизированного кварцевым генератором с температурной стабильностью 10^-18.

Таким образом, все частоты и временные интервалы прибора когерентны. Генератор вырабатывает частоты F0 для работы передатчика 3 с целью облучения породы в зоне исследования и работы приемника 12 модуля измерения электрической проводимости породы, F1 служит опорной частотой в смесителе усилителя УПЧ1, F2 - то же самое для усилителя УПЧ2, F3(0) и F3(90) - одинаковые частоты, имеющие сдвиг фазы 90°, которыми обеспечивают квадратурное детектирование ЯМР сигнала детекторами ЯМР 7 и 8. Частоты синтезируют в разные моменты времени. Это позволяет увеличить развязку между передатчиком 3 и предусилителем 4.

Переключение осуществляют программатором 10 по линии F0/F1. Программатор импульсов вырабатывает импульсные последовательности согласно программе, которую загружают в него процессором 13, который задает необходимые интервалы времени. По линии G0 осуществляют клапанирование и фазовые манипуляции передатчика. По линии G1 переключают радиочастотную катушку при помощи антенного переключателя к передатчику или к предусилителю. По линиям G2 и G3 клапанируют и управляют фазой сигнала в усилителях УПЧ1 5 и УПЧ2 6 соответственно. Магниты 16 и 17 создают постоянное магнитное поле, поляризованное в перпендикулярном направлении к продольной оси зонда в исследуемой области в толще породы.

Мощный радиочастотный импульс от передатчика 3 через антенный переключатель 2 подают на приемопередающую радиочастотную катушку 1 и облучают породу вокруг скважины. Таким образом, создают условия для наблюдения ЯМР в области исследования, которая представляет собой тор, расположенный своим центром в центре зазора между основными магнитами и совпадающий осью симметрии с продольной осью постоянных магнитов. В катушке 1 наводится сигнал ЯМР, который через антенный переключатель поступает на вход предусилителя 4. На входы УПЧ1 5 подают усиленный сигнал ЯМР от предусилителя и опорную частоту F1 с генератора 9. После смешения в смесителе выделяют первую промежуточную частоту IF1, которую усиливают на коэффициент, устанавливаемый процессором по шине. На третий вход усилителя подают сигнал G2 от программатора импульсов, которым запирают усилитель в моменты, когда запускают передатчик 3. Усилитель УПЧ2 6 работает аналогичным образом.

Далее сигнал подают в детекторы ЯМР 7 и 8, где на фазовых детекторах при помощи одинаковых частот, которые отличаются по фазе на 90°, выделяется комплексная низкочастотная составляющая ЯМР сигнала. Чисто условно можно считать сигнал детектора 7 реальной частью сигнала ЯМР, а детектора 8 мнимой частью сигнала ЯМР. Оба сигнала оцифровываются при помощи АЦП детекторов ЯМР и поступают в виде комплексного числа через процессор и модем по линии связи на компьютер наземного модуля для дальнейшей обработки и получения конечной информации о структуре породы. Радиочастотная энергия, возбуждаемая катушкой 1, достигает приемных катушек 11 через среду околоскважинной породы. Амплитуда и фаза сигнала, индуцированного в приемных катушках, зависят от расстояния между передающей и приемной катушками и от свойств среды. Амплитуду сигнала измеряют непосредственно после предварительного каскада приемника 12, а фаза измеряется при помощи фазового детектора приемника 12.

АЦП приемника оцифровывает оба типа сигнала и направляет через процессор и модем по линии связи на компьютер наземного модуля для расчета проводимости. При пропускании тока в катушках подмагничивания возникает поле, противоположное по направлению полю дополнительных магнитов, что приводит к изменению зазора между магнитами 16 и 17. Усилитель постоянного тока УПТ 30 принимает сигнал тока катушек подмагничивания с процессора через ЦАП 31 и вырабатывает ток в катушках подмагничивания, процессор определяет текущую скорость набора спектра ЯМР, подает сигнал на изменение тока катушек, изменяя зазор и скорость набора спектра. Процессор определяет наибольшую скорость набора спектра и при установлении наибольшей скорости устанавливает постоянную величину тока в катушках подмагничивания.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Технический результат: увеличение области исследования. Сущность: в способе изменением зазора между основными постоянными магнитами и применением наконечников на основных магнитах увеличивают область исследования при наибольшей скорости набора спектра ЯМР. В устройстве постоянные основные магниты выполнены подвижными вдоль продольной оси. Использованы дополнительные магниты с расположенными на них катушками подмагничивания для изменения зазора между основными магнитами. Постоянные основные магниты расположены между дополнительными и имеют наконечники в зазоре между собой в форме шаровых сегментов. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. 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, отличающийся 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.2. 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 (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 АЦП, программатор импульсов, выходы которого соединены с входом генератора РЧ, управляющим входом антенного переключателя 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 УПЧ1 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, приемопередающей радиочастотной катушки, соосной постоянным магнитам, жестко установленной между магнитами на одинаковом расстоянии и соединенной с АП, 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 ЦАП, который связан с общей шиной процессора.