一種新型井下偏心核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯學(xué)理,廖廣志,朱萬里,鐘劍,王雷,郭瑛

(1.中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077;2.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京120049;3.中國石油大學(xué)(北京),北京102249)

0 引 言

20世紀(jì)90年代,NMR測(cè)井技術(shù)得到快速發(fā)展。與電學(xué)、聲學(xué)及核輻射方法相比,NMR信號(hào)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(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別、儲(chǔ)層有效性及可采儲(chǔ)量評(píng)價(jià)問題的有效手段[1-2]。

目前,國內(nèi)外已經(jīng)商業(yè)化的核磁共振測(cè)井儀按照井下測(cè)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(cè)井儀主要探測(cè)距井筒一定距離,周向范圍內(nèi)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(cè)井儀和哈里伯頓公司MRIL-Prime核磁共振測(cè)井儀。相比偏心型核磁共振測(cè)井儀,居中型儀器具有高信噪比、測(cè)量重復(fù)性好及受井眼不規(guī)則影響程度小等優(yōu)點(diǎn)。偏心型核磁共振測(cè)井儀主要依靠推靠器將儀器探測(cè)器置于緊貼井壁位置,測(cè)量的是距井壁一定距離,一定開角范圍內(nèi)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(cè)井儀。偏心型核磁共振測(cè)井儀具有井眼環(huán)境(井徑、井斜和鉆井液電阻率)適應(yīng)性強(qiáng)、回波間隔較短及測(cè)速快等特點(diǎn)[3]。

探測(cè)器是核磁共振測(cè)井儀核心部件,這類儀器的探測(cè)器總體結(jié)構(gòu)大致相同,都是由一個(gè)或幾個(gè)永磁體,以及覆蓋在永磁體外表面的天線組成。探測(cè)器永磁體和天線的設(shè)計(jì)方案直接決定著核磁共振測(cè)井儀的測(cè)量方式、探測(cè)深度及縱向分辨率等關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。本文提出了一種新的井下偏心型核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器結(jié)構(gòu),并對(duì)組成探測(cè)器的磁體和天線參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化。

1 探測(cè)器設(shè)計(jì)方案制約因素分析

居中和偏心型核磁共振測(cè)井儀(見圖1)各自具有不同的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),2種設(shè)計(jì)方案互為補(bǔ)充。為進(jìn)一步完善核磁共振測(cè)井技術(shù)系列,本文主要在已成功研制的居中型核磁共振測(cè)井儀基礎(chǔ)上,開展了偏心型核磁共振測(cè)井儀的相關(guān)設(shè)計(jì)和研究。

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

探測(cè)器的方案設(shè)計(jì)是一個(gè)技術(shù)參數(shù)優(yōu)選和折中的過程,受到各個(gè)不同因素的相互制約,無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)每個(gè)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)的極限值。

探測(cè)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(cè)器直徑在滿足大多數(shù)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(shè)計(jì)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(cè)器外徑最大可設(shè)計(jì)為5 in,以滿足直徑6 in以上的井眼測(cè)量環(huán)境。因此,探測(cè)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(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

探測(cè)器長度總是希望做到盡可能短,這樣有助縮短整個(gè)儀器長度,不僅方便儀器運(yùn)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(jī)械設(shè)計(jì)部分對(duì)探測(cè)器長度的影響下,其長度主要受到主磁體、預(yù)極化磁體和天線長度的影響。

探測(cè)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(guān)。由于永磁體產(chǎn)生的靜磁場強(qiáng)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(fā)射功率,提高儀器對(duì)地層的縱向分辨率。然而,由于核磁共振測(cè)井儀探測(cè)的地層流體信號(hào)強(qiáng)度極為微弱,如果天線長度過短,則探測(cè)的地層樣本體積減少,進(jìn)而導(dǎo)致儀器采集信號(hào)的信噪比較低,削弱了儀器對(duì)地層的適應(yīng)能力。在設(shè)計(jì)過程中,天線長度應(yīng)兼顧采集信號(hào)的強(qiáng)度及縱向分辨率。

探測(cè)器的探測(cè)深度與永磁體材料、工作頻率有關(guān)。當(dāng)工作頻率一定時(shí),磁性材料剩磁越強(qiáng),則探測(cè)深度越遠(yuǎn)。但是,過遠(yuǎn)的探測(cè)深度將需要更強(qiáng)的發(fā)射能量和更高的儀器接收靈敏度,可能會(huì)超過電子儀承受的范圍。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),最大探測(cè)深度選擇距離井壁10～15 cm較為合適。

探測(cè)器回波間隔是核磁共振測(cè)井儀一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo),直接決定著儀器對(duì)小孔隙內(nèi)流體的探測(cè)能力?；夭ㄩg隔受到天線長度、磁場強(qiáng)度、共振頻率、發(fā)射脈沖寬度、泄放電路時(shí)間等多個(gè)因素的影響,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。較短的回波間隔,無論是對(duì)電子儀,還是探測(cè)器設(shè)計(jì)、加工都提出了較高的要求。

另外,探測(cè)器設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮井下高溫高壓環(huán)境、機(jī)械加工裝配工藝、電路實(shí)現(xiàn)等多種因素,在提高儀器可靠性和穩(wěn)定性的同時(shí),兼顧后期維修及裝配的便捷性,盡可能降低技術(shù)開發(fā)難度和制造成本。

2 磁體設(shè)計(jì)及優(yōu)化

圖2 偏心型核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖及等值云圖

核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器磁體結(jié)構(gòu)有圓柱體、立方體以及其他不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。圓柱體和立方體磁體外形比較規(guī)則,其結(jié)構(gòu)也比較簡單。圖2所示為設(shè)計(jì)的探測(cè)器永磁體結(jié)構(gòu)及極化方向。該磁體外形為圓柱體,選擇這種外形結(jié)構(gòu)的磁體主要是考慮到該結(jié)構(gòu)的永磁體體積較大,能夠在井眼周圍較大范圍內(nèi)產(chǎn)生符合核磁共振測(cè)井儀所需的磁場強(qiáng)度和磁場分布[4]。

磁體結(jié)構(gòu)確定后,需要進(jìn)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(shù)值模擬不同的磁體矯頑力對(duì)磁場徑向分布進(jìn)行計(jì)算,得到結(jié)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(jì)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(dāng)矯頑力為200 kA/m時(shí),在探測(cè)深度8～12 cm時(shí)的工作頻率對(duì)于電子線路易于實(shí)現(xiàn),此時(shí)工作頻率為569～974 kHz之間,對(duì)應(yīng)磁場強(qiáng)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(qiáng)度低,因此,要達(dá)到這樣的磁場強(qiáng)度,鐵氧體在徑向上需要增大直徑。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算,當(dāng)永磁體直徑達(dá)到122 cm時(shí),才能滿足這一要求。因此,整個(gè)探測(cè)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(shí)現(xiàn)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(yīng)性的前提下,最終選擇了衫鈷作為考察對(duì)象(見圖4)。

圖4 衫鈷永磁材料探測(cè)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(shù)

選取衫鈷材料后,以原先鐵氧體產(chǎn)生的場作為目標(biāo)函數(shù),不斷優(yōu)化矯頑力和磁體直徑參數(shù)。當(dāng)矯頑力為420 kA/m時(shí),在探測(cè)區(qū)范圍內(nèi),工作頻率為570～989 kHz,磁場強(qiáng)度為135～235 Gs,永磁體直徑縮小到80 mm。

3 天線設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在確定核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器磁體結(jié)構(gòu)后,探測(cè)器天線結(jié)構(gòu)就應(yīng)遵循射頻場與靜磁場相匹配的原則來設(shè)計(jì)。探測(cè)器永磁體產(chǎn)生的靜磁場形狀一旦確定后,則天線產(chǎn)生的射頻磁場矢量在空間中應(yīng)與靜磁場矢量方向正交,且射頻場強(qiáng)度在方位角度上足夠均勻,才能保證最大的回波信號(hào)幅度。

按照天線形態(tài)一般分為平面天線和繞組天線。由于平面天線產(chǎn)生的電感值較低,發(fā)射效率不高,因此常常在天線骨架上采用高導(dǎo)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(huì)對(duì)原磁場產(chǎn)生一定的反饋影響,增加了設(shè)計(jì)難度,因此在本次設(shè)計(jì)方案中采用了更加穩(wěn)定可靠的繞組天線設(shè)計(jì)(見圖5)。

圖5 單匝條帶繞組天線結(jié)構(gòu)示意圖

通過數(shù)值模擬,首先考察條帶天線寬度與產(chǎn)生的射頻磁場的響應(yīng)關(guān)系。通過對(duì)天線弧度在5°、10°、15°和20°條件下射頻磁場分布數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)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(jì)算得出最優(yōu)化的天線寬度為15 mm。另外,天線回路會(huì)對(duì)發(fā)射天線前方射頻磁場有一定的干擾。因此進(jìn)一步考察發(fā)射天線回路和主天線間距對(duì)射頻場的影響規(guī)律。

通過對(duì)發(fā)射天線回路和主天線間距對(duì)射頻場影響數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)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(duì)發(fā)射前方磁場有一定的影響。天線結(jié)構(gòu)在選取上需要進(jìn)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(jù)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(duì)天線條帶數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)射頻場分布與靜磁場分布相似時(shí),才能達(dá)到最好匹配以獲得最大信號(hào)幅度,因此要設(shè)法擴(kuò)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(gè)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(duì)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(jié)構(gòu),則2條天線間的夾角將直接影響整個(gè)射頻磁場的形態(tài)和分布(見圖7)。

圖6 雙條帶天線相距15 cm時(shí)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(duì)天線前方射頻場影響越小,射頻場形態(tài)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(qū)域的形態(tài)是由靜磁場決定的,而信號(hào)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(qū)域方位角度上變化太大,會(huì)導(dǎo)致射頻能量利用分散。能量大的位置信號(hào)幅度大(或者過扳轉(zhuǎn)),能量小的位置幅度弱,扳轉(zhuǎn)不完全。

因此,射頻場分布在敏感區(qū)域周向范圍內(nèi)應(yīng)該選擇一個(gè)比較均勻射頻場大小分布[5](見圖8)。

通過數(shù)值模擬計(jì)算得出,當(dāng)天線條帶數(shù)越多時(shí),敏感區(qū)邊緣磁場匹配度越好(B0與B1夾角接近90°),但是,當(dāng)天線條帶數(shù)大于4時(shí),發(fā)射功率過大,造成電子儀發(fā)射功率過大,因此,權(quán)衡考慮采用4條帶天線設(shè)計(jì)。

圖8 不同天線夾角下徑向磁場分布及敏感區(qū)方位角弧長與磁場強(qiáng)度的關(guān)系圖

4 磁體與天線加工及測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)的磁體和天線結(jié)構(gòu)參數(shù),加工并制作了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室模型機(jī)。在水箱中采用了單頻測(cè)試模式,掃頻結(jié)果為765.39 kHz,回波間隔TE為0.4 ms,發(fā)射脈寬為50 μs,并順利取得了高信噪比回波信號(hào)。

5 結(jié)束語

(1)設(shè)計(jì)了一種新的偏心型井下核磁共振測(cè)井儀磁體和天線,并按照設(shè)計(jì)方案加工出樣機(jī),順利檢測(cè)到回波信號(hào)。

(2)衫鈷永磁材料是實(shí)現(xiàn)小型偏心井下核磁共振測(cè)井儀探測(cè)器的優(yōu)選材料,且具有較好的溫度系數(shù)特性。

(3)繞組天線相比平面天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,具有更高的可靠性。

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