一种新型井下偏心核磁共振测井仪探测器设计与实现

侯学理,廖广志,朱万里,钟剑,王雷,郭瑛

(1.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077;2.油气资源与探测国家重点实验室,北京120049;3.中国石油大学(北京),北京102249)

0 引 言

20世纪90年代,NMR测井技术得到快速发展。与电学、声学及核辐射方法相比,NMR信号来自地层流体,包含丰富的地层岩石物理及孔隙流体信息,可以用于确定孔隙度、束缚水、渗透率、孔径分布、以及流体特性和含量,是解决储层流体性质识别、储层有效性及可采储量评价问题的有效手段[1-2]。

目前,国内外已经商业化的核磁共振测井仪按照井下测量方式主要分为2类:井下居中型和偏心(贴井壁推靠)型。井下居中型核磁共振测井仪主要探测距井筒一定距离,周向范围内某一厚度的地层流体信息,主要代表的仪器有中石油MRT多频核磁共振测井仪和哈里伯顿公司MRIL-Prime核磁共振测井仪。相比偏心型核磁共振测井仪,居中型仪器具有高信噪比、测量重复性好及受井眼不规则影响程度小等优点。偏心型核磁共振测井仪主要依靠推靠器将仪器探测器置于紧贴井壁位置,测量的是距井壁一定距离,一定开角范围内某一厚度的地层信息。这类仪器主要代表是阿特拉斯公司MREx、斯伦贝谢公司CMR-Plus,MR Scanner仪器,以及哈里伯顿公司的MRIL-XL测井仪。偏心型核磁共振测井仪具有井眼环境(井径、井斜和钻井液电阻率)适应性强、回波间隔较短及测速快等特点[3]。

探测器是核磁共振测井仪核心部件,这类仪器的探测器总体结构大致相同,都是由一个或几个永磁体,以及覆盖在永磁体外表面的天线组成。探测器永磁体和天线的设计方案直接决定着核磁共振测井仪的测量方式、探测深度及纵向分辨率等关键性技术指标。本文提出了一种新的井下偏心型核磁共振测井仪探测器结构,并对组成探测器的磁体和天线参数进行详细优化。

1 探测器设计方案制约因素分析

居中和偏心型核磁共振测井仪(见图1)各自具有不同的优势和特点,2种设计方案互为补充。为进一步完善核磁共振测井技术系列,本文主要在已成功研制的居中型核磁共振测井仪基础上,开展了偏心型核磁共振测井仪的相关设计和研究。

图1 井下核磁共振测井仪示意图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

探测器的方案设计是一个技术参数优选和折中的过程,受到各个不同因素的相互制约,无法同时实现每个技术参数指标的极限值。

探测器直径的选择是首要考虑的问题,受到井眼尺寸的限制,探测器直径在满足大多数井眼直径情况下,要尽量最大化,从而降低由于空间限制带来的仪器设计和制造困难。目前中国石油钻井井眼基本上以6 in和8 in直径居多,探测器外径最大可设计为5 in,以满足直径6 in以上的井眼测量环境。因此,探测器永磁体、天线、骨架、外壳和压力平衡等组件必须在5 in直径范围内进行设计。

探测器长度总是希望做到尽可能短,这样有助缩短整个仪器长度,不仅方便仪器运输,而且在大斜度井中有益于降低遇阻、遇卡的概率。在不考虑机械设计部分对探测器长度的影响下,其长度主要受到主磁体、预极化磁体和天线长度的影响。

探测器纵向分辨率主要受到天线长度的影响,天线长度又与永磁体长度相关。由于永磁体产生的静磁场强度在轴向上通常两端急剧升高,因此,天线一般位于永磁体中部磁场轴向上比较均匀的位置,天线相比永磁体长度要短许多。较短的天线长度有利于降低仪器发射功率,提高仪器对地层的纵向分辨率。然而,由于核磁共振测井仪探测的地层流体信号强度极为微弱,如果天线长度过短,则探测的地层样本体积减少,进而导致仪器采集信号的信噪比较低,削弱了仪器对地层的适应能力。在设计过程中,天线长度应兼顾采集信号的强度及纵向分辨率。

探测器的探测深度与永磁体材料、工作频率有关。当工作频率一定时,磁性材料剩磁越强,则探测深度越远。但是,过远的探测深度将需要更强的发射能量和更高的仪器接收灵敏度,可能会超过电子仪承受的范围。根据经验,最大探测深度选择距离井壁10～15 cm较为合适。

探测器回波间隔是核磁共振测井仪一项关键性指标,直接决定着仪器对小孔隙内流体的探测能力。回波间隔受到天线长度、磁场强度、共振频率、发射脉冲宽度、泄放电路时间等多个因素的影响,因此,在设计时要综合考虑。较短的回波间隔,无论是对电子仪,还是探测器设计、加工都提出了较高的要求。

另外,探测器设计时还要考虑井下高温高压环境、机械加工装配工艺、电路实现等多种因素,在提高仪器可靠性和稳定性的同时,兼顾后期维修及装配的便捷性,尽可能降低技术开发难度和制造成本。

2 磁体设计及优化

图2 偏心型核磁共振测井仪探测器设计结构示意图及等值云图

核磁共振测井仪探测器磁体结构有圆柱体、立方体以及其他不规则的结构。圆柱体和立方体磁体外形比较规则,其结构也比较简单。图2所示为设计的探测器永磁体结构及极化方向。该磁体外形为圆柱体,选择这种外形结构的磁体主要是考虑到该结构的永磁体体积较大,能够在井眼周围较大范围内产生符合核磁共振测井仪所需的磁场强度和磁场分布[4]。

磁体结构确定后,需要进行磁性材料选择。首先尝试使用成本较低的铁氧体材料,通过数值模拟不同的磁体矫顽力对磁场径向分布进行计算,得到结果如图3所示。

图3 不同矫顽力下铁氧体磁体径向磁场分布及磁场磁力线分布*非法定计量单位,1 Gs=10-4 T,下同

通过分析静磁场径向分布可以得出,当矫顽力为200 kA/m时,在探测深度8～12 cm时的工作频率对于电子线路易于实现,此时工作频率为569～974 kHz之间,对应磁场强度为137～228 Gs,磁场梯度-12 Gs/cm。由于铁氧体材料矫顽力和剩磁强度低,因此,要达到这样的磁场强度,铁氧体在径向上需要增大直径。经过数值模拟计算,当永磁体直径达到122 cm时,才能满足这一要求。因此,整个探测器直径将超过5 in(127 mm)上限,必须将磁体更换成更大磁能积的永磁材料,实现磁体小型化。综合考虑和筛选不同的磁性材料后(见表1),在兼顾磁体温度适应性的前提下,最终选择了衫钴作为考察对象(见图4)。

图4 衫钴永磁材料探测器永磁体磁场分布与工作频率确定

表1 常见的永磁材料参数

选取衫钴材料后,以原先铁氧体产生的场作为目标函数,不断优化矫顽力和磁体直径参数。当矫顽力为420 kA/m时,在探测区范围内,工作频率为570～989 kHz,磁场强度为135～235 Gs,永磁体直径缩小到80 mm。

3 天线设计及优化

在确定核磁共振测井仪探测器磁体结构后,探测器天线结构就应遵循射频场与静磁场相匹配的原则来设计。探测器永磁体产生的静磁场形状一旦确定后,则天线产生的射频磁场矢量在空间中应与静磁场矢量方向正交,且射频场强度在方位角度上足够均匀,才能保证最大的回波信号幅度。

按照天线形态一般分为平面天线和绕组天线。由于平面天线产生的电感值较低,发射效率不高,因此常常在天线骨架上采用高导磁率的软磁磁芯,以提升天线的Q值。然而,在静磁场中引入软磁材料会对原磁场产生一定的反馈影响,增加了设计难度,因此在本次设计方案中采用了更加稳定可靠的绕组天线设计(见图5)。

图5 单匝条带绕组天线结构示意图

通过数值模拟,首先考察条带天线宽度与产生的射频磁场的响应关系。通过对天线弧度在5°、10°、15°和20°条件下射频磁场分布数值模拟,发现天线越宽,射频场能量越分散,磁力线分布范围越宽,射频场越弱,通过计算得出最优化的天线宽度为15 mm。另外,天线回路会对发射天线前方射频磁场有一定的干扰。因此进一步考察发射天线回路和主天线间距对射频场的影响规律。

通过对发射天线回路和主天线间距对射频场影响数值模拟,发现天线回路距离越短,射频场能量越小,分布范围也小,而且天线回路对发射前方磁场有一定的影响。天线结构在选取上需要进行折中,除保证足够的天线宽度以外,还需要保证一定的天线回路距离,使得射频场能量较大,且分布较宽,天线需根据仪器的尺寸和磁体尺寸综合确定。单条带天线可以形成与类圆形静磁场所匹配的射频场,但是还需对天线条带数目进行优化。

当射频场分布与静磁场分布相似时,才能达到最好匹配以获得最大信号幅度,因此要设法扩大射频场的分布范围。以双条带为例,采用双条带之后,由于两个条带之间的电流同相,电磁场在天线前方叠加,增加了射频场能量,而且双条带相对于单条带,其辐射范围更广,更有利于广角度范围的匹配(见图6)。倘若使用双条带天线结构,则2条天线间的夹角将直接影响整个射频磁场的形态和分布(见图7)。

图6 双条带天线相距15 cm时射频场分布及匹配角度分布图

图7 双条带夹角分别为20°、40°和60°条件下的射频磁场分布

不同天线夹角下的射频场分布,夹角越大,回路对天线前方射频场影响越小,射频场形态慢慢改变,成为椭圆状,辐射深度变浅,辐射广角范围并没有增大。敏感区域的形态是由静磁场决定的,而信号幅度大小是由射频场和静磁场共同作用,包括射频场磁场和静磁场大小,电磁场匹配度。射频场在敏感区域方位角度上变化太大,会导致射频能量利用分散。能量大的位置信号幅度大(或者过扳转),能量小的位置幅度弱,扳转不完全。

因此,射频场分布在敏感区域周向范围内应该选择一个比较均匀射频场大小分布[5](见图8)。

通过数值模拟计算得出,当天线条带数越多时,敏感区边缘磁场匹配度越好(B0与B1夹角接近90°),但是,当天线条带数大于4时,发射功率过大,造成电子仪发射功率过大,因此,权衡考虑采用4条带天线设计。

图8 不同天线夹角下径向磁场分布及敏感区方位角弧长与磁场强度的关系图

4 磁体与天线加工及测试

根据设计的磁体和天线结构参数,加工并制作了室内实验室模型机。在水箱中采用了单频测试模式,扫频结果为765.39 kHz,回波间隔TE为0.4 ms,发射脉宽为50 μs,并顺利取得了高信噪比回波信号。

5 结束语

(1)设计了一种新的偏心型井下核磁共振测井仪磁体和天线,并按照设计方案加工出样机,顺利检测到回波信号。

(2)衫钴永磁材料是实现小型偏心井下核磁共振测井仪探测器的优选材料,且具有较好的温度系数特性。

(3)绕组天线相比平面天线结构设计简单,具有更高的可靠性。

(4)天线产生的射频场形态需尽可能地接近永磁体产生的静磁场形态,从而获得最佳的匹配关系。