一種適用于隨鉆核磁天線的磁芯材料

王光偉

中海油田服務股份有限公司油田技術研究院 北京 101149

隨鉆核磁共振成像測井技術是繼電纜核磁共振測井后一項新興的測井技術，由于呢能夠掛接在鉆具中，在鉆進過程中進行核磁共振測量，具備直接探測原狀地層孔滲信息的特點，在海上大斜度井和水平井能夠進行地質導向同時節約時間和成本，不同于放射性儀器，隨鉆核磁測井儀不帶放射源，能夠獲取地層精確的孔隙度信息，降低作業安全風險。

國內外主流商業化隨鉆測井儀器一般都采用了JACKSON結構，基于“Inside-out”測量技術的永磁體結構方案，該設計方案可以在磁體外部產生環形的、近似均勻的磁場分布區域，用于核磁共振儀器外部樣品的測量，這樣就會使待測樣品體積不再受到磁體內腔尺寸大小的約束[1]。由于隨鉆核磁需要在鉆進過程中測量，儀器需要處于居中位置對井眼地層流體進行測試，天線會被高礦化度的泥漿所包裹，這需要隨鉆核磁儀器所設計的天線具備較高的發射效率和接收效率，才能發射瞬態千瓦級的射頻脈沖和接收數百納伏級的回波信號，需要研制新型磁芯材料來滿足在井下高溫、高磁通密度、高壓環境及高強度振動條件下隨鉆核磁天線的需求。

1 隨鉆核磁探頭的結構

見圖1，將兩個磁性能相同，尺寸一致的永磁體對向放置，會在兩個磁體中心平面產生徑向輻射的靜磁場，這種靜磁場分布在縱向剖面的一個圓面近似均勻，因此該磁場的均勻區域形態近似一個實心圓環。射頻天線一般采用螺線管天線方式，發射的射頻磁場與靜磁場的均勻圓環成正交方向，從而形成隨鉆核磁儀器探頭的共振區域（或敏感區域）[2]。為保證螺線管天線的發射和接收效率，不能將其直接繞制在導電率高的物體上，需要選擇一種具備高電阻率，高飽和磁通密度的軟磁物質作為天線磁芯，需要其產生兩個重要作用：

圖1 Jackson inside-out結構天線

（1）提高靜磁場的強度、梯度及探測深度，并擴大了敏感區域的范圍；（2）提高射頻磁場的強度，擴大了磁共振敏感區域的范圍。

1.1 隨鉆核磁探頭天線對磁芯的需求

隨鉆核磁探頭需要按照儀器設計指標需要滿足150℃、140MPa的要求，磁芯和天線由于需要環氧樹脂固化，需要直接承受井眼流體壓力和溫度，此外磁芯安裝于兩磁體中心位置，需要滿足一定的飽和磁通密度，否則會導致發射和接收信號的失真，磁芯需要滿足一定絕緣強度，保證天線線圈的發射效率和接收效率，具體磁芯指標見表1。

要達到較高的飽和磁通密度的磁芯材料大致可以分為鐵鎳鉬、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金及鐵粉芯，將幾種材料的大致性能對比分析，見表2。

表2 常用磁芯材料的性能特點

由表2可以得道滿足隨鉆核磁探頭的飽和磁通密度要求的材料可以在鐵鎳合金和鐵粉芯中選擇，但是還有一項重要的指標參數需要在核磁磁芯中重點考慮。

1.2 磁芯噪聲分析

天線和磁芯長期工作于敏感區域內的強磁場中，螺線管天線在發射射頻脈沖時會產生較強的變化的諧振電流，會使線圈及磁芯受力而產生機械振動，而機械振動會使線圈切割磁力線從而產生額外的信號，這種現象叫做振鈴（ringing）。振鈴現象可以通過PAPS對相位交替進行去除，前提是磁芯材料在進行高壓發射時不能產生額外的噪聲干擾。

磁致伸縮[3]是指物體在磁場中磁化時，在磁化方向上會發生伸長或縮短，當通過線圈的電流變化或改變與磁體的距離時其尺寸即發生顯著變化的鐵磁材料，通常稱為鐵磁致伸縮材料。這種材料如果用于核磁天線磁芯，會在通過發射電流時導致磁芯的變化，從而使螺線管線圈切割磁力線形成額外的干擾信號，會嚴重影響微弱回波信號的接收。

目前常用的磁致伸縮材料主要為鐵鎵合金、鐵鎳合金、鐵硅鋁合金等。因此鐵鎳合金因具備磁致伸縮效應不能在核磁天線磁芯中選用，符合的磁芯材料只能選用鐵粉芯材料。

2 鐵粉芯磁芯的選型

磁粉芯被稱為軟磁復合材料（SMC），因其具有高飽和磁感應強度，低矯頑力和低磁芯損耗等優異軟磁性能被廣泛應用于電感元件和變壓器【4】。但是鐵粉芯也有材料上的劣勢，其損耗較其他材料高，相對磁導率低且溫度穩定性較差。對核磁共振類井下儀器，本身探頭工作環境就處于高溫高壓狀態，且探測的地層流體信號非常微弱，直接使用鐵粉芯無法滿足隨鉆核磁天線磁芯的技術要求。

2.1 鐵粉芯的工藝改進

鐵粉芯一般由鐵硅鋁磁粉壓制而成金屬軟磁磁芯，典型的制備工藝是鐵、硅、鋁按照一定比例經過球磨處理并用化學方法進行絕緣層包裹，添加一定的粘接劑混合均勻后固化，最后經過熱處理或表面處理后得到成品。價格較低，飽和感應強度在1.4T，磁導率一般在10-75左右，直流疊加性能好，磁致伸縮率基本為0，但是高頻下損耗較高。井下隨鉆核磁的工作頻率在500KHz左右，發射和接收都對磁芯的高頻性能有一定要求。

最近開發的高性能鐵粉芯與傳統的鐵硅鋁磁粉芯不同，不是直接采用合金磁粉加粘合劑混合，而是采用絕緣物質直接包裹鐵粉，降低粘接劑的用量從而提高飽和磁通密度，磁路也得以保持連續，能夠降低提高鐵粉芯的高頻損耗和提高磁芯的工作效率。

以聚酰亞胺等絕緣介質包覆羰基鐵粉制備鐵粉芯，能夠較為均勻的包覆羰基鐵粉表面，制備鐵粉芯具有良好的磁性能，隨著絕緣介質加入量增加，鐵粉表面絕緣層厚度增大，電阻率增高，渦流損耗得以降低[5]。當絕緣介質達到一定的質量比時，鐵粉芯綜合性能達到最佳狀態。

鐵粉芯的相對磁導率與磁粉的粒度、磁芯的密度、表面處理工藝、熱處理工藝相關，一般來說磁粉粒度越大，其磁芯相對磁導率越高，磁芯密度越大，磁芯的相對磁導率越高，磁芯密度越大意味需要更高壓力進行磁芯成型工作，這會導致磁芯的電阻率下降和磁芯損耗的增大。磁芯的相對磁導率會影響隨鉆核磁探頭敏感區域內磁場強度和敏感區域的磁場梯度，會直接影響儀器的探測深度和儀器的抗震動性能。

我們以一種核磁探頭模型為標準，不斷在鐵粉磁芯的磁導率范圍內增加磁芯的相對磁導率，計算探頭敏感區域的最大工作頻率和磁場梯度，共振頻率與磁場強度的計算公式如公式（1）。

其中f為拉莫爾頻率，γ為旋磁比，約為4.258KHz/Gauss，B0為敏感區域內磁場強度。將磁芯的相對磁導率從5至500進行不斷遞增，仿真計算敏感區域的磁場梯度和工作頻率如圖2。

圖2 磁芯的相對磁導率與敏感區域最大工作頻率和磁場梯度關系

由圖2顯示的計算結果可以看到，敏感區域內磁場梯度隨磁芯的μr呈先升后降的趨勢，敏感區域的磁場梯度隨磁芯的μr增加逐漸達到一個穩定值。因此需要在拐點處根據探頭敏感區域的形狀來選擇合適的磁芯相對磁導率，鐵粉磁芯的相對磁導率應選擇在10-55范圍內為最佳。

磁芯的電導率也是隨鉆核磁探頭磁芯的一個重要指標，過低會導致磁芯損耗嚴重，發射和接收效率嚴重下降。磁芯電導率受制于鐵粉芯的添加絕緣材料、成型工藝、熱處理和表面處理等，磁芯添加材料和成型工藝起決定性作用。

以上面相同探頭模型為標準，不斷改變磁芯的電導率，計算探頭敏感區域的核磁共振信號進行仿真計算，得到結果見圖3。

圖3 磁芯電導率與信號的關系

由圖3可以得到結論，磁芯電導率升高會導致損耗增加，引起天線的品質因素下降從而導致接收的信號值降低，在電導率小于100時損耗和接收信號都比較敏感，需要特別注意降低磁芯的電導率，以保證隨鉆核磁儀器在井下有較高的發射接收效率。

2.2 改進鐵粉芯制作與測試

由于聚酰亞胺材料具備較強的極性，在高頻小信號應用時應盡量避免此類物質的使用導致高頻小信號的損耗，使用非極性絕緣材料可以進一步降低材料這一影響。聚四氟乙烯（PTFE）是一種高度對稱，整體不帶極性的高分子化合物，可以在-180～260℃內正常使用，雖然絕緣強度未達到聚酰亞胺材料，但磁芯的綜合性能對于核磁類微弱信號采集的需求有較大幫助，適當按照質量比進行鐵粉芯配置，能夠滿足隨鉆核磁探頭天線的需求。

按照新工藝添加PTFE材料和使用原始鐵粉芯工藝制作兩種相同形狀的磁芯進行對比測試，驗證材料工藝改進是否滿足隨鉆核磁天線磁芯材料的需要，我們將從表面絕緣阻抗、高頻特性、硬度、溫度等方面進行對比驗證，測試結果見表3。

明顯添加PTFE的磁芯能夠有效提高材料的阻抗，降低在高頻環境下的渦流效應，從而提高探頭的發射和接收效率。

3 結束語

之前設計天線探頭磁芯往往只考慮了常用磁芯材料的某一特性，而忽視了其劣勢影響的綜合材料性能，改進相關材料的制作工藝能夠有效提升材料的綜合性能從而提升儀器的整機性能，新設計的磁芯材料已經在隨鉆核磁共振測井儀中得到成功應用。