一種新型井下偏心核磁共振測井儀探測器設計與實現

侯學理,廖廣志,朱萬里,鐘劍,王雷,郭瑛

(1.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710077;2.油氣資源與探測國家重點實驗室,北京120049;3.中國石油大學(北京),北京102249)

0 引 言

20世紀90年代,NMR測井技術得到快速發展。與電學、聲學及核輻射方法相比,NMR信號來自地層流體,包含豐富的地層巖石物理及孔隙流體信息,可以用于確定孔隙度、束縛水、滲透率、孔徑分布、以及流體特性和含量,是解決儲層流體性質識別、儲層有效性及可采儲量評價問題的有效手段[1-2]。

目前,國內外已經商業化的核磁共振測井儀按照井下測量方式主要分為2類:井下居中型和偏心(貼井壁推靠)型。井下居中型核磁共振測井儀主要探測距井筒一定距離,周向范圍內某一厚度的地層流體信息,主要代表的儀器有中石油MRT多頻核磁共振測井儀和哈里伯頓公司MRIL-Prime核磁共振測井儀。相比偏心型核磁共振測井儀,居中型儀器具有高信噪比、測量重復性好及受井眼不規則影響程度小等優點。偏心型核磁共振測井儀主要依靠推靠器將儀器探測器置于緊貼井壁位置,測量的是距井壁一定距離,一定開角范圍內某一厚度的地層信息。這類儀器主要代表是阿特拉斯公司MREx、斯倫貝謝公司CMR-Plus,MR Scanner儀器,以及哈里伯頓公司的MRIL-XL測井儀。偏心型核磁共振測井儀具有井眼環境(井徑、井斜和鉆井液電阻率)適應性強、回波間隔較短及測速快等特點[3]。

探測器是核磁共振測井儀核心部件,這類儀器的探測器總體結構大致相同,都是由一個或幾個永磁體,以及覆蓋在永磁體外表面的天線組成。探測器永磁體和天線的設計方案直接決定著核磁共振測井儀的測量方式、探測深度及縱向分辨率等關鍵性技術指標。本文提出了一種新的井下偏心型核磁共振測井儀探測器結構,并對組成探測器的磁體和天線參數進行詳細優化。

1 探測器設計方案制約因素分析

居中和偏心型核磁共振測井儀(見圖1)各自具有不同的優勢和特點,2種設計方案互為補充。為進一步完善核磁共振測井技術系列,本文主要在已成功研制的居中型核磁共振測井儀基礎上,開展了偏心型核磁共振測井儀的相關設計和研究。

圖1 井下核磁共振測井儀示意圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

探測器的方案設計是一個技術參數優選和折中的過程,受到各個不同因素的相互制約,無法同時實現每個技術參數指標的極限值。

探測器直徑的選擇是首要考慮的問題,受到井眼尺寸的限制,探測器直徑在滿足大多數井眼直徑情況下,要盡量最大化,從而降低由于空間限制帶來的儀器設計和制造困難。目前中國石油鉆井井眼基本上以6 in和8 in直徑居多,探測器外徑最大可設計為5 in,以滿足直徑6 in以上的井眼測量環境。因此,探測器永磁體、天線、骨架、外殼和壓力平衡等組件必須在5 in直徑范圍內進行設計。

探測器長度總是希望做到盡可能短,這樣有助縮短整個儀器長度,不僅方便儀器運輸,而且在大斜度井中有益于降低遇阻、遇卡的概率。在不考慮機械設計部分對探測器長度的影響下,其長度主要受到主磁體、預極化磁體和天線長度的影響。

探測器縱向分辨率主要受到天線長度的影響,天線長度又與永磁體長度相關。由于永磁體產生的靜磁場強度在軸向上通常兩端急劇升高,因此,天線一般位于永磁體中部磁場軸向上比較均勻的位置,天線相比永磁體長度要短許多。較短的天線長度有利于降低儀器發射功率,提高儀器對地層的縱向分辨率。然而,由于核磁共振測井儀探測的地層流體信號強度極為微弱,如果天線長度過短,則探測的地層樣本體積減少,進而導致儀器采集信號的信噪比較低,削弱了儀器對地層的適應能力。在設計過程中,天線長度應兼顧采集信號的強度及縱向分辨率。

探測器的探測深度與永磁體材料、工作頻率有關。當工作頻率一定時,磁性材料剩磁越強,則探測深度越遠。但是,過遠的探測深度將需要更強的發射能量和更高的儀器接收靈敏度,可能會超過電子儀承受的范圍。根據經驗,最大探測深度選擇距離井壁10～15 cm較為合適。

探測器回波間隔是核磁共振測井儀一項關鍵性指標,直接決定著儀器對小孔隙內流體的探測能力?；夭ㄩg隔受到天線長度、磁場強度、共振頻率、發射脈沖寬度、泄放電路時間等多個因素的影響,因此,在設計時要綜合考慮。較短的回波間隔,無論是對電子儀,還是探測器設計、加工都提出了較高的要求。

另外,探測器設計時還要考慮井下高溫高壓環境、機械加工裝配工藝、電路實現等多種因素,在提高儀器可靠性和穩定性的同時,兼顧后期維修及裝配的便捷性,盡可能降低技術開發難度和制造成本。

2 磁體設計及優化

圖2 偏心型核磁共振測井儀探測器設計結構示意圖及等值云圖

核磁共振測井儀探測器磁體結構有圓柱體、立方體以及其他不規則的結構。圓柱體和立方體磁體外形比較規則,其結構也比較簡單。圖2所示為設計的探測器永磁體結構及極化方向。該磁體外形為圓柱體,選擇這種外形結構的磁體主要是考慮到該結構的永磁體體積較大,能夠在井眼周圍較大范圍內產生符合核磁共振測井儀所需的磁場強度和磁場分布[4]。

磁體結構確定后,需要進行磁性材料選擇。首先嘗試使用成本較低的鐵氧體材料,通過數值模擬不同的磁體矯頑力對磁場徑向分布進行計算,得到結果如圖3所示。

圖3 不同矯頑力下鐵氧體磁體徑向磁場分布及磁場磁力線分布*非法定計量單位,1 Gs=10-4 T,下同

通過分析靜磁場徑向分布可以得出,當矯頑力為200 kA/m時,在探測深度8～12 cm時的工作頻率對于電子線路易于實現,此時工作頻率為569～974 kHz之間,對應磁場強度為137～228 Gs,磁場梯度-12 Gs/cm。由于鐵氧體材料矯頑力和剩磁強度低,因此,要達到這樣的磁場強度,鐵氧體在徑向上需要增大直徑。經過數值模擬計算,當永磁體直徑達到122 cm時,才能滿足這一要求。因此,整個探測器直徑將超過5 in(127 mm)上限,必須將磁體更換成更大磁能積的永磁材料,實現磁體小型化。綜合考慮和篩選不同的磁性材料后(見表1),在兼顧磁體溫度適應性的前提下,最終選擇了衫鈷作為考察對象(見圖4)。

圖4 衫鈷永磁材料探測器永磁體磁場分布與工作頻率確定

表1 常見的永磁材料參數

選取衫鈷材料后,以原先鐵氧體產生的場作為目標函數,不斷優化矯頑力和磁體直徑參數。當矯頑力為420 kA/m時,在探測區范圍內,工作頻率為570～989 kHz,磁場強度為135～235 Gs,永磁體直徑縮小到80 mm。

3 天線設計及優化

在確定核磁共振測井儀探測器磁體結構后,探測器天線結構就應遵循射頻場與靜磁場相匹配的原則來設計。探測器永磁體產生的靜磁場形狀一旦確定后,則天線產生的射頻磁場矢量在空間中應與靜磁場矢量方向正交,且射頻場強度在方位角度上足夠均勻,才能保證最大的回波信號幅度。

按照天線形態一般分為平面天線和繞組天線。由于平面天線產生的電感值較低,發射效率不高,因此常常在天線骨架上采用高導磁率的軟磁磁芯,以提升天線的Q值。然而,在靜磁場中引入軟磁材料會對原磁場產生一定的反饋影響,增加了設計難度,因此在本次設計方案中采用了更加穩定可靠的繞組天線設計(見圖5)。

圖5 單匝條帶繞組天線結構示意圖

通過數值模擬,首先考察條帶天線寬度與產生的射頻磁場的響應關系。通過對天線弧度在5°、10°、15°和20°條件下射頻磁場分布數值模擬,發現天線越寬,射頻場能量越分散,磁力線分布范圍越寬,射頻場越弱,通過計算得出最優化的天線寬度為15 mm。另外,天線回路會對發射天線前方射頻磁場有一定的干擾。因此進一步考察發射天線回路和主天線間距對射頻場的影響規律。

通過對發射天線回路和主天線間距對射頻場影響數值模擬,發現天線回路距離越短,射頻場能量越小,分布范圍也小,而且天線回路對發射前方磁場有一定的影響。天線結構在選取上需要進行折中,除保證足夠的天線寬度以外,還需要保證一定的天線回路距離,使得射頻場能量較大,且分布較寬,天線需根據儀器的尺寸和磁體尺寸綜合確定。單條帶天線可以形成與類圓形靜磁場所匹配的射頻場,但是還需對天線條帶數目進行優化。

當射頻場分布與靜磁場分布相似時,才能達到最好匹配以獲得最大信號幅度,因此要設法擴大射頻場的分布范圍。以雙條帶為例,采用雙條帶之后,由于兩個條帶之間的電流同相,電磁場在天線前方疊加,增加了射頻場能量,而且雙條帶相對于單條帶,其輻射范圍更廣,更有利于廣角度范圍的匹配(見圖6)。倘若使用雙條帶天線結構,則2條天線間的夾角將直接影響整個射頻磁場的形態和分布(見圖7)。

圖6 雙條帶天線相距15 cm時射頻場分布及匹配角度分布圖

圖7 雙條帶夾角分別為20°、40°和60°條件下的射頻磁場分布

不同天線夾角下的射頻場分布,夾角越大,回路對天線前方射頻場影響越小,射頻場形態慢慢改變,成為橢圓狀,輻射深度變淺,輻射廣角范圍并沒有增大。敏感區域的形態是由靜磁場決定的,而信號幅度大小是由射頻場和靜磁場共同作用,包括射頻場磁場和靜磁場大小,電磁場匹配度。射頻場在敏感區域方位角度上變化太大,會導致射頻能量利用分散。能量大的位置信號幅度大(或者過扳轉),能量小的位置幅度弱,扳轉不完全。

因此,射頻場分布在敏感區域周向范圍內應該選擇一個比較均勻射頻場大小分布[5](見圖8)。

通過數值模擬計算得出,當天線條帶數越多時,敏感區邊緣磁場匹配度越好(B0與B1夾角接近90°),但是,當天線條帶數大于4時,發射功率過大,造成電子儀發射功率過大,因此,權衡考慮采用4條帶天線設計。

圖8 不同天線夾角下徑向磁場分布及敏感區方位角弧長與磁場強度的關系圖

4 磁體與天線加工及測試

根據設計的磁體和天線結構參數,加工并制作了室內實驗室模型機。在水箱中采用了單頻測試模式,掃頻結果為765.39 kHz,回波間隔TE為0.4 ms,發射脈寬為50 μs,并順利取得了高信噪比回波信號。

5 結束語

(1)設計了一種新的偏心型井下核磁共振測井儀磁體和天線,并按照設計方案加工出樣機,順利檢測到回波信號。

(2)衫鈷永磁材料是實現小型偏心井下核磁共振測井儀探測器的優選材料,且具有較好的溫度系數特性。

(3)繞組天線相比平面天線結構設計簡單,具有更高的可靠性。

(4)天線產生的射頻場形態需盡可能地接近永磁體產生的靜磁場形態,從而獲得最佳的匹配關系。