专利名称：核磁共振测井仪高温磁体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及石油测井技术领域，特别涉及一种核磁共振测井仪，具 体讲是一种核磁共振测井仪探头的重要组成部分一一高温磁体。
背景技术：
目前，石油测井用的核磁共振测井仪探头上应用有磁体，从磁体的 磁场结构上分类， 一般分为梯度磁场和均匀磁场两类。梯度磁场和均匀
磁场的代表产品分别是美国NUMAR和斯伦贝谢这两家公司生产。国外对 磁体结构及制作工艺等技术资料严格保密。
磁体是核磁共振测井仪最为关键部件，它为整套核磁系统提供一个 相对较为均匀的磁场区域。核磁共振的原始信号就是在这个磁场区域内 产生，所以，磁体均匀区的磁场偏差和均匀区的体积的大小直接决定核 磁信号质量好坏，也是直接影响到整套核磁系统的信噪比。而磁性材料 和磁体封装工艺的选择是直接决定磁体能否在高温、高压环境中安全、 稳定工作的必要条件。
中国专利，授权公告号为CN1088791C的发明专利，公开了一种核 磁共振测井仪永磁体。由永磁磁钢构成，其特征是四块永磁磁钢用强力 胶粘结构成圆柱体，内圆为空心，内圆与外圆极性相反，分别为N—— S极。内圆磁场强度为零，外圆有分布均匀的磁力线，在360度全方位 向外辐射。将圈柱体固定到核磁共振侧井仪的探头上，只须一次测井就 能完成全部井壁360度全方位的检测。但是为了减小磁体的体积和重量， 却减小了均匀磁场的范围，而直接导致整个仪器磁场强度、磁场均匀性和稳定性都大大降低。没有考虑如何保障核磁共振测井仪永磁体在高 温、高压环境中，安全、稳定工作。
中国专利，授权公告号CN100399479C，提供了一种适于便携式核磁 共振装置使用的永磁体，包括多块轭铁，它们组成长方体形状轭铁体； 一对永磁磁块被安装在两块相对的上、下扼铁上，所述一对永磁磁块彼 此相对的表面上分别安装极板，所述极板的另一表面上装有与其外缘形 状相同的匀场环；其特征在于所述永磁磁块由钐钴永磁材料制成，所 述极板和匀场环的外缘均为矩形形状，并且除安装所述永磁磁块的上、 下轭铁以外的侧面轭铁的中间部分被切除，形成对称几何图形形状的通 孔。效果是由于使用矩形形状的极板，因而在相同限度的空间范围内 能够获得比圆形极板增大了的极板面积，从而，增大了匀场区的体积， 最大限度地在极板间隙范围内形成均匀磁场。从另一方面看，要产生同 样强度的均匀磁场，按照本发明结构的磁体，可以使用更小体积的这种 磁体。侧面轭铁中心部分形成呈对称几何形状的中空切口，这极为有效 地减轻了整个磁体的重量，进而为制成重量轻、体积小、适于便携移动 使用的核磁共振装置提供保证条件。它的直接意义在于，使用安装本发 明结构永磁体的核磁共振装置，能够实现在采掘和探矿现场的现场测 试，实现对岩样的实时方向和测试。
目前，核磁共振测井仪井下高温磁体设计及制作方面，存在如下问
题难以解决
1、 高温磁体的总体结构设计；
2、 高温磁体热稳定性问题；
3、 高温磁体的制作工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种核磁共振测井仪高温磁体及其制备方法，能
应用于核磁共振测井仪；改变高温磁体结构，获得能够为核磁共振测井仪 提供一个相对较为均匀的磁场区，这个较为均匀的磁场区的体积大小在能 够满足核磁共振测井需要的情况下，均匀区的体积尽可能大。并且解决磁 体热稳定性问题，使磁体能够在高温高压条件下安全稳定工作。 高温磁体总体结构设计
高温磁体的总体设计主要包括计算机数值模拟和实际物理模型模拟两 个部分，其中计算机数值模拟可以确定出高温磁体基本尺寸、磁场的分布 形态及场强的大小，为实际物理模型的建立提供理论和数值依据；实际物 理模型建立可以验证理论计算的准确性。
①磁场数值模拟
电磁场可以由以下一组麦克斯韦方程微分式来描述
V-B = 0 ........................
Vx// = l/ ........................
^ = ////
将磁通密度B表示为
由式1-1 1-4可以得到二阶微分方程式
l-l 1-2
1-3
1—4
▽ X
1 VP
Vx j
1—5
式中，B为磁通密度、H为磁感应强度、为电流密度、//为介质磁导 率、A为矢量势，规定Vd:O，因此，微分方程式1-5及与其相应的边 界条件通过有限元分析计算，就可以确定出A唯一数值解。然后通过后 处理，可以导出磁通密度S。以及其它的场量。
②实际物理模型的建立
按着理论计算确定磁体各部分尺寸，利用价格较为低廉磁性材料建
立了一个1: 1的实际物理模型。由于理论计算是处在一个理想条件下
的，实际的高温磁体模型与计算的数学模型存在一定的差距，所以高温 磁体模型建造完成后还需要经过一系列的调试，完成核磁共振测井仪高 温磁体结构设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是核磁共振测井仪高温磁 体包括磁体和磁体架，磁体由两块分磁体构成，两块分磁体平行对称固 定在磁体架的两侧，两块分磁体的N极方向相同。每块分磁体是由七个 磁块平行粘接而成，七个磁块的极化角度范围在-15° 30°之间。磁体 架采用钛合金材料，如TCll、 TC9、 TC6或TC4。本领域技术人员对磁块 的极化角度熟知，在这里不详细叙述。
所述的两块分磁体平行对称固定在磁体架的两侧，是采用沉头螺钉 将两块分磁体固定在磁体架两侧。
所述的磁块的形状相同，磁块的形状为弓形柱体，磁块的厚度在25 50mm之间。
为了两块分磁体能牢固地固定在磁体架上，又不影响每个磁块的磁性， 两块分磁体分别包括平行粘接的七个磁块、两块连接块和两块固定块，在 平行粘接的七个磁块的两端分别粘接有与磁块形状相同的连接块，在两个 连接块的外侧采用连接螺钉分别固定有与磁块形状相同的固定块，固定块 上有径向沉头螺栓固定孔。连接块和固定块采用钛合金材料，如TCll、 TC9、 TC6或TC4。
七个磁块未粘接成分磁体前，需要对七个磁块进行老化处理，以达到 每个磁块的磁性能稳定。
为了调节磁场强度获得均匀磁场，每个磁块的N极端部粘有从磁块的 N极端部切割下来的磁片。磁片的数量在2 6片之间。粘接磁片后，两块 分磁体固定在磁体架上，在距离天线表面1. 5 4cm的地方产生一个横切面 为向内凹陷的四边形均匀磁场、纵切面为一弓形均匀磁场，其磁场偏差为 2 4Gss。这样本发明核磁共振测井仪高温磁体，从结构分类上讲属于均匀
磁场类。
由于核磁共振测井仪高温磁体在井下工作环境的极限温度为175°C、 极限压力为140MPa，所以制作磁块的磁性材料，选择是核磁共振测井仪高 温磁体能否安全工作的必要条件。经过筛选最后选用温度稳定性好、温度 系数为-0. 03%的由北京钢铁研究总院研制的GYR0S282: 17SmCo磁性材料， 作为核磁共振测井仪高温磁体的磁块的磁性材料。GYR0S282: 17SmCo磁性 材料在钢铁研究总院功能材料研究所有销售。
核磁共振测井仪高温磁体的制备方法是
核磁共振测井仪高温磁体的制备方法包括磁块准备、磁块粘接、固定 分磁体、磁强度调节和磁体灌封组装五个步骤。
① 磁块准备
为了获得均匀磁场，将GYR0S282: 17SmCo磁性材料的胚料采用线切割 加工手段切割出弓形磁块，磁块的极化角度范围在-15° 30°之间。将每 个弓形磁块的N极端部垂直磁块弓形底边切下2 6片磁片，每片磁片的厚 度为3mm，并且保留切下来的磁片，以做磁场调节时使用。磁块和磁片分 别充磁。本领域技术人员熟知切割和充磁方法，不详细叙述。
② 磁块粘接
由于受到充磁机的容量和充磁线圈尺寸的限制，所以只有在每个磁块 充磁后才能进行粘接。每个磁块都具有较强的磁性，并且每个磁块之间的 极化方向在同一坐标系内具有相同的投影方向，因此磁块之间的磁力表现 出斥力。如果不借助工具很难将这些磁块粘接成一体，为此本发明设计一 套磁块的粘接专用工具。
磁块粘接专用工具由箱体、推板、螺杆和手柄组成，在箱体内有垂直 箱底的能移动的推板，在箱体壁上有螺孔，螺孔内有螺杆，螺杆的一端有 手柄，螺杆的另一端抵在推的一侧。在磁块粘接专用工具的推板一侧的箱 体底部，平行排放准备粘接的磁块。在磁块的粘接面上涂有粘接剂。旋转手柄，螺杆推动推板移动，克服磁场推力将七个磁块挤压到一起并粘接， 等待粘接剂凝固。 ③固定分磁体
在粘接到一起的磁块两端粘接连接快，在连接快的两端采用连接螺钉 将固定块固定，采用沉头螺钉将分磁体固定在磁体架上。 ④磁体匀场
分磁体在制作时会与理论计算是存在一定的偏差，因此分磁体需要进 行磁场调节，使磁体的均匀磁场达到设计要求。
将分磁体固定在磁体架上。采用霍尔计测量核磁共振测井仪探测区内
的磁场，探测区长度为10cm。根据测得探测区内磁场分布形态数据，进行 匀场调节。当某个磁块的测量区域内的磁场较低时，在这个磁块上部粘贴 与磁体极化方向相同的磁片，增强这个区域磁场的强度，当达到这个磁块 测量区内的磁场分布与相邻两个磁块测量区内的磁场分布相同时停止贴磁 片；当某个磁块测量区域比其他区域磁场高时，在这个磁块上部粘贴极化 方向相反的磁片，降低这个区域磁场强度，当达到这个磁块测量区内的磁 场分布与相邻两个磁块测量区内的磁场分布相同时停止贴磁片。
采用这种磁体调节方法将核磁共振测井仪高温磁体磁场的均匀区调节 到半径为2 5腿、长为75 100mm均匀区。 ⑤核磁共振测井仪高温磁体灌封
由于核磁共振测井仪磁体工作在高温、高压环境中，为了保证磁体安 全、稳定工作，在核磁共振测井仪高温磁体磁场调节完成后，需要对核磁 共振测井仪高温磁体进行灌封。使得核磁共振测井仪高温磁体与磁体外壳 之间的空隙完全被高温灌封胶充满，能够经受住140MPa的压力。
核磁共振测井仪高温磁体灌封无特殊要求，本领域的技术人员熟知灌 封方法，不详细叙述。
在灌封过程中使用的高温灌封胶是哈尔滨石油研究院生产的型号为
BJ-130的高温灌封胶。
本发明的有益效果是，在磁体不同磁块间采用了不同的极化角度，以
达到扩大磁体均匀效果；对磁性材料采取了特殊的老化处理工艺，以使磁 体在高温条件下工作更加稳定。该高温磁体能够为核磁共振测井仪系统提 供一个相对均匀的磁场区，这个均匀的磁场区的体积大小在能够满足核磁
共振测井需要，均匀区的体积较大。并且这个高温磁体能够在175°C 、 140MPa 条件下，安全稳定工作。
采用先进的理论进行计算和模拟手段，解决高温磁体总体结构设计中 存在的磁体探测均匀区距离天线表面过近及均匀区范围过小等问题，设计 出一种与众不同的核磁共振测井仪高温磁体；采用一套切实可行的高温磁 体制作工艺，解决磁体能够在高温高压的环境中安全稳定工作的问题；采 用匀场调节技术，可以达到磁体均匀区体积更大，均匀区内的磁体偏差更 小的效果，使得核磁共振测井仪系统整体信噪比有较大的提升。
图1是核磁共振测井仪高温磁体结构剖面示意图。
图2图1的横剖面示意图。
图3是七个磁块6粘接后并与两端的连接快5和固定块4组成的分磁体 2的示意图。
图4是一个磁块6与上部粘接有磁片7的结构示意图。
图5是图4的左视图。
图6是磁块6粘接专用工具示意图。
图7核磁共振测井仪高温磁体磁场分布形态示意图。
其中l.磁体架，2.分磁块，3.沉头螺钉，4.固定块，5.连接块，6.磁 块，7.磁片，8.连接螺钉，9.推块，IO.箱体，ll.螺杆，12.手柄。
具体实施例方式
实施例1:
根据上述核磁共振测井仪高温磁体设计原理，利用有限元软件计算
出磁体主场的磁场强度为550高斯，符合磁场分布结构设计要求形态。 参阅图7。
参阅图l。核磁共振测井仪高温磁体，包括磁体和磁体架l，磁体由 两块分磁体2构成，两块分磁体2平行对称固定在磁体架1的两侧。两 块分磁体2平行对称固定在磁体架1的两侧，是采用沉头螺钉3将两块 分磁体2固定在磁体架1两侧，两个分磁块2之间的距离是55mm。参阅 图2。两块分磁体2的N极方向相同。参阅图3。每块分磁体2主体是由七 个磁块6平行粘接而成。七个磁块6的两端分别粘接有与磁块6形状相同 的连接块5 ，连接块5的厚度为25mm。在两个连接块5的外侧采用连接螺 钉8分别固定有与磁块形状相同的固定块4，固定块4的厚度为50腿。固 定块4上有径向沉头螺栓3固定孔。分磁体2的长度为400mm。连接块5 和固定块4采用钛合金TC 9材料加工成。
参阅图4和图5。所述的磁块6的形状为弓形柱体，弓形的半径为 61. 5mm，弓形的高度为92mm。磁块6的磁性材料是GYR0S282: 17SmCo磁 性材料。
参阅图3。从左起1# 7#的磁块6中选用不同得极化角度和不同厚度， 其中位于两端的2#、 6ft磁块6选用小的极化角度，极化角度为-3° ; 3tt、 4tt和5#选用较大的极化角度，极化角度为6° ; lft、 7#磁块6选用大的极 化角度，极化角度为9。 。 ltt、 2#、 4#、 6tt和7tt磁块6的厚度为50mm。 3# 和5tt的厚度为25mm。将这一措施应用到磁场计算中，最后计算得到磁场均 匀区的大小为6mmX6mmX90腿。参阅图1。磁体架1采用钛合金TC9材料 制成的。
七个磁块6未粘接前，需要对七个磁块6进行老化处理，以达到每个磁块6的磁性能稳定。
参阅图4和图5。每个磁块6的N极端部粘有从磁块6的N极端部切 割下来的磁片7。磁片7的数量为6片，在调节磁场强度时决定磁片7的 粘贴数量。两块分磁休2固定在磁体架1上，在距离核磁共振测井仪高温 磁体表面3cm的地方产生一个横切面为向内凹陷的四边形均匀磁场、纵切 面为一弓形均匀磁场，其磁场偏差为4Gss。
核磁共振测井仪高温磁体的制备方法
核磁共振测井仪高温磁体的制备方法包括磁块准备、磁块粘接、固定 分磁体、磁强度调节和磁体灌封组装五个步骤。
① 磁块准备
将GYR0S282: 17SmCo磁性材料的胚料采用线切割加工手段切割出弓形 磁块6，磁块6的极化角度和厚度见上述。将每个弓形磁块6的N极端部 垂直磁块弓形底边切下6片磁片7，每片磁片的厚度为3mm，并且保留切下 来的磁片7，以做磁场调节时使用。磁块6和磁片7分别充磁。
② 磁块粘接
参阅图6。制备磁块6粘接专用工具。磁块6粘接专用工具由箱体10、 推板9、螺杆11和手柄12组成，在箱体IO内有垂直箱底的能移动的推板 9，在箱体10壁上有螺孔，螺孔内有螺杆11，螺杆11的一端有手柄12， 螺杆11的另一端抵在推板9的一侧。
在磁块6粘接专用工具的推板9 一侧的箱体10底部，平行排放准备粘 接的七个磁块6。在七个磁块6的粘接面上涂有粘接剂。旋转手柄12，螺 杆11推动推板9移动，克服磁场推力将七个磁块6挤压到一起并粘接，等 待粘接剂凝固。粘接剂和凝固时间，无技术特征，本领域技术人员熟知。
③ 固定分磁体
参阅图3。在粘接到一起的磁块6两端粘接连接快5，在连接快5的两端采用连接螺钉8将固定块4固定，采用沉头螺钉3将分磁体2固定在磁 体架上。
④ 磁体匀场
将分磁体2固定在磁体架1上。采用霍尔计测量核磁共振测井仪探测区 内的磁场，探测区长度为10cm。根据测得探测区内磁场分布形态数据，进 行匀场调节。当某个磁块6的测量区域内的磁场较低时，在这个磁块6上 部粘贴与磁体极化方向相同的磁片7，增强这个区域磁场的强度，当达到 这个磁块6测量区内的磁场分布与相邻两个磁块6测量区内的磁场分布相 同时停止贴磁片7;当某个磁块6测量区域比其他区域磁场高时，在这个 磁块6上部粘贴极化方向相反的磁片7，降低这个区域磁场强度，当达到 这个磁块6测量区内的磁场分布与相邻两个磁块6测量区内的磁场分布相 同时停止贴磁片7。
参阅图7。采用这种磁体调节方法将核磁共振测井仪高温磁体磁场的均 匀区调节到半径为5mm、长为85mm均匀区。经过匀场的调节后，磁场偏差 在4高斯内的均匀区大小为5mmX5mmX85腿，至此完成核磁共振测井仪高 温磁体的结构设计，达到了当初的设计指标。
⑤ 核磁共振测井仪高温磁体灌封
在核磁共振测井仪髙温磁体磁场调节完成后，需要对核磁共振测井仪高 温磁体进行灌封。使用的高温灌封胶型号是BJ-130。
权利要求
1、一种核磁共振测井仪高温磁体，其特征是包括磁体和磁体架(1)，磁体由两块分磁体(2)构成，两块分磁体(2)平行对称固定在磁体架(1)的两侧，两块分磁体(2)的N极方向相同，每块分磁体(2)是由七个磁块(6)平行粘接而成，七个磁块(6)的极化角度范围在-15°～30°之间，磁体架(1)采用钛合金材料。
2、 根据权利要求1所述的核磁共振测井仪高温磁体，其特征是 所述的两块分磁体(2)平行对称固定在磁体架(1)的两侧，是采用沉头螺 钉(3)将两块分磁体(2)固定在磁体架(1)两侧。
3、 根据权利要求1所述的核磁共振测井仪高温磁体，其特征是 所述的磁块(6)的形状为弓形柱体，磁块(6)的厚度在25 50mm之间。
4、 根据权利要求1所述的核磁共振测井仪高温磁体，其特征是 两块分磁体(2)分别包括平行粘接的七个磁块(6)、两块连接块(5)和两 块固定块(4)，在平行粘接的七个磁块(6)的两端分别粘接有与磁块(6) 形状相同的连接块(5)，在两个连接块(5)的外侧采用连接螺钉(8)分别 固定有与磁块形状相同的固定块(4)，固定块(4)上有径向沉头螺栓(3) 固定孔，连接块(5)和固定块4采用钛合金材料。
5、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的核磁共振测井仪高温磁体，其特 征是每个磁块(6)的N极端部粘有从磁块(6)的N极端部切割下来的磁片(7) ，磁片(7)的数量在2 6片之间，粘接磁片(7)后，两块分磁体(2)固定 在磁体架(l)上，在距离天线表面1.5 4CM的地方产生一个横切面为向内凹陷的四边形均匀磁场、纵切面为一弓形均匀磁场，其磁场偏差为2 4Gss。
6、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的核磁共振测井仪高温磁体，其特 征是磁块(6)的磁性材料是GYR0S282: 17SmCo磁性材料。
7、 一种核磁共振测井仪高温磁体的制备方法，其特征是 核磁共振测井仪高温磁体的制备方法包括磁块准备、磁块粘接、固定分 磁体、磁强度调节和磁体灌封组装五个步骤；① 磁块准备将GYR0S282: 17SmCo磁性材料的胚料采用线切割加工手段切割出弓形 磁块(6)，磁块(6)的极化角度范围在-15° 30°之间，将每个弓形磁块 (6)的N极端部垂直磁块弓形底边切下2 6片磁片(7)，每片磁片(7)的厚 度为3mm，并且保留切下来的磁片(7)，以做磁场调节时使用，磁块(6)和 磁片(7)分别充磁；② 磁块粘接在磁块(6)粘接专用工具的推板(9) 一侧的箱体(10)底部，平行排放准备 粘接的磁块(6)，在磁块(6)的粘接面上涂有粘接剂，旋转手柄(12)，螺杆 (11)推动推板(9)移动，克服磁场推力将七个磁块(6)挤压到一起并粘接， 等待粘接剂凝固；③ 固定分磁体在粘接到一起的磁块(6)两端粘接连接快(5)，在连接快(5)的两端采用 连接螺钉(8)将固定块(4)固定，采用沉头螺钉(3)将分磁体(2)固定在磁体 架(l)上；④ 磁体匀场将分磁体(2)固定在磁体架(l)上，采用霍尔计测量核磁共振测井仪探测 区内的磁场，探测区长度为10cm，根据测得探测区内磁场分布形态数据， 进行匀场调节，当某个磁块(6)的测量区域内的磁场较低时，在这个磁块(6) 上部粘贴与磁体极化方向相同的磁片(7)，增强这个区域磁场的强度，当达 到这个磁块(6)测量区内的磁场分布与相邻两个磁块(6)测量区内的磁场分 布相同时停止贴磁片(7);当某个磁块(6)测量区域比其他区域磁场高时， 在这个磁块(6)上部粘贴极化方向相反的磁片(7)，降低这个区域磁场强度， 当达到这个磁块(6)测量区内的磁场分布与相邻两个磁块(6)测量区内的磁场分布相同时停止贴磁片(7)，采用这种磁体调节方法将核磁共振测井仪高温磁体磁场的均匀区调节到半径为2 5mm、长为75 100mm均匀区； ⑤核磁共振测井仪高温磁体灌封在核磁共振测井仪高温磁体磁场调节完成后，需要对核磁共振测井仪高 温磁体进行灌封，使用的高温灌封胶型号是BJ-130。
8、根据权利要求7所述的核磁共振测井仪高温磁体的制备方法， 使用的磁块(6)粘接专用工具，其特征是由箱体(IO)、推板(9)、螺杆(11) 和手柄(12)组成，在箱体(10)内有垂直箱底的能移动的推板(9)， 在箱体(10)壁上有螺孔，螺孔内有螺杆(ll)，螺杆(ll)的一端有手柄(12) ，螺杆(11)的另一端抵在推板(9)的一侧。
全文摘要
核磁共振测井仪高温磁体，应用于石油测井技术领域，是一种核磁共振测井仪的高温磁体。特征是包括磁体和磁体架，磁体由两块分磁体构成，两块分磁体平行对称固定在磁体架的两侧，两块分磁的N极方向相同。每块分磁体是由七个磁块平行粘接而成，七个磁块的极化角度范围在-15°～30°之间。磁体架采用钛合金材料。该核磁共振测井仪高温磁体能够为核磁共振测井仪系统提供一个相对均匀的磁场区，这个均匀的磁场区的体积大小在能够满足核磁共振测井需要，均匀区的体积较大。并且这个高温磁体能够在175℃、140MPa条件下，安全稳定。
文档编号E21B49/00GK101343998SQ20081011956
公开日2009年1月14日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者卫 刘, 威 孙, 孙佃庆, 郭和坤 申请人:中国石油天然气股份有限公司