核磁共振测井仪探头及核磁共振测井仪的制作方法

本发明涉及石油探测技术领域，尤其涉及一种核磁共振测井仪探头及核磁共振测井仪。

背景技术：

核磁共振(nuclearmagneticresonance，简称nmr)技术被广泛应用在物理、化学、材料科学、生命科学、医学、油井测量等领域。

核磁共振测井技术是利用核磁共振原理对井眼周围的地层进行探测。与电法、声波和核辐射测井技术相比，核磁共振测井最大的优点是只测量地层中的流体信息，其信号不受岩石骨架的影响，具有独特的储层流体的定性识别和定量评价能力。此外，核磁共振测井信息还能计算粘土束缚水、毛管束缚水和自由流体含量，估算原油粘度和岩石孔隙结构等。

目前，核磁共振测量主要通过以下一些步骤来实现，通过核磁共振测井装置传感器磁体产生静磁场b0，用于使得自旋氢质子磁化矢量沿着静磁场b0排列。为了建立热平衡，自旋氢质子必须在静磁场中得到充分的极化，磁极化时间为弛豫时间t1。自旋氢质子在得到充分极化后，由射频线圈发射与静磁场b0垂直电磁场b1进行扳转。初始射频脉冲称为90°脉冲。在90°脉冲之后，自旋质子开始沿着静磁场进行进动，由于静磁场的非均匀性和不可逆的质子进动，自旋质子开始散相，从而产生感应信号。然而，散相过程是部分可逆的，通过施加180°射频脉冲，瞬时相位会被反转，从而开始聚相。质子相位重聚会产生感应信号，进而继续发生散相，重复不断，直到信号完全消失。

现有的核磁共振测井仪按功能主要分为电缆核磁共振测井仪与随钻核磁共振测井仪两种。其中，探头是在油气井下激发核磁共振现象和接收核磁共振信号的关键部件，探头的结构设计决定了测井仪的测量方式、产生核磁共振的共振区域及核磁共振信号强度等关键性能。探头主要包括磁体和天线，磁体用于在井眼周围的地层中产生静磁场，以对地层中的液态油气水中的氢原子进行激发，天线用于向地层发射射频脉冲以形成脉冲磁场，通过该脉冲磁场激发地层中已经被所述静磁场极化的氢原子产生核磁共振现象，同时还用于接收和采集地层的氢原子产生的核磁共振信号。

由于多频技术的提出，核磁共振测井仪只能测量某个方向或者全方位的多频多深度的二维空间信息，而且现有的核磁共振测井仪器对于地层的测量都是基于简单的均质性地层模型结构，认为某一层段地层的单方向或全方位的平均信号可以正确反映该地层的性质。然而，地层并不是完全的均质性地层。现有的核磁共振测井仪遭遇复杂非均匀性地层、部分泥浆侵入和井眼垮塌条件的情况很多，以上这些情况的出现会使得工作人员不能根据核磁共振测量结果对地层进行精确地判断。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种核磁共振测井仪探头及核磁共振测井仪，以便用户能够根据核磁共振测量结果对地层信息进行精确地判断。

第一方面，本发明实施例提供了一种核磁共振测井仪探头，包括：磁体装配体，线圈阵列和线圈切换控制电路；

所述磁体装配体包括：磁体和支撑杆，所述磁体固定在支撑杆上，所述磁体用于产生径向辐射的旋转对称磁场；

所述线圈阵列包括多个相同的线圈，所述线圈阵列沿轴向等间距设置在所述磁体装配体的外围；每个所述线圈用于激励和接收对应方位角度范围的敏感区域的信号，每个所述线圈对应的敏感区域的信号没有重叠；

所述线圈切换控制电路与所述线圈阵列连接，所述线圈切换控制电路用于控制所述线圈阵列中的线圈的切换。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述磁体装配体为中空圆柱体，所述磁体装配体的磁体沿径向中心轴对称，沿径向中心轴由远到近依次设置有一对主磁体、一对高导磁材料磁体及一对聚焦磁体；

所述一对主磁体的充磁方向沿所述磁体装配体的轴向且方向相反，所述一对主磁体中两主磁体极性相同的一端相对设置；

所述一对聚焦磁体的充磁方向沿所述径向中心轴方向旋转对称；

所述一对高导磁材料磁体用于将所述磁场的纵向分布拉长。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述一对聚焦磁体包括：一对长聚焦磁体和一对短聚焦磁体；

所述一对长聚焦磁体接近所述径向中心轴，所述一对短聚焦磁体远离所述径向中心轴。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述磁体还包括：无磁填充块；

所述无磁填充块设置在所述主磁体与所述短聚焦磁体之间、所述短聚焦磁体与所述长聚焦磁体之间，以及所述长聚焦磁体与所述高导磁材料磁体之间；

其中，所述主磁体与所述短聚焦磁体之间的无磁填充块的轴向长度为第一预设数值，所述短聚焦磁体与所述长聚焦磁体之间的无磁填充块的轴向长度为第二预设数值，所述长聚焦磁体与所述高导磁材料磁体之间无磁填充块的轴向长度为第三预设数值。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述主磁体的外径大于所述聚焦磁体、所述高导磁材料磁体及所述的无磁填充块的外径，所述聚焦磁体、所述高导磁材料磁体及所述的无磁填充块的外径相等。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述支撑杆贯穿所述磁体，在所述磁体装配体的上下两端将所述支撑杆与所述磁体固定。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述聚焦磁体采用多个预设体积的磁体拼接而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述线圈阵列中每个线圈的结构为纵向绕制，且呈弧面状的异形螺线管结构。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，所述线圈阵列中每个线圈由铜线绕制而成。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，所述线圈切换控制电路位于所述线圈阵列的上端。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第十种可能的实施方式，所述线圈阵列中每个线圈通过对应引脚线分别与所述线圈切换控制电路电连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种核磁共振测井仪，包括：一个发射器，一个接收器及第一方面至第一方面的第十种可能的实施方式中所述的核磁共振测井仪探头；

其中，所述发射器与所述接收器分别与所述核磁共振测井仪探头的线圈切换控制电路连接；

所述发射器，用于向所述线圈切换控制电路发送切换指令，所述切换指令中携带切换线圈标识；

所述线圈切换控制电路，用于接收所述切换指令，并按照所述切换线圈标识进行线圈的切换；

所述接收器，用于接收切换的线圈的对应方位角度范围的敏感区域的信号。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，所述核磁共振测井仪还包括：双工器；

所述双工器分别与所述发射器和所述接收器连接；

所述双工器，用于将所述发射器发射信号和所述接收器接收信号相隔离。

本发明提供的核磁共振测井仪探头及核磁共振测井仪，包括：磁体装配体，线圈阵列和线圈切换控制电路。其中，磁体装配体包括：磁体和支撑杆，磁体固定在支撑杆上，磁体用于产生径向辐射的旋转对称磁场。线圈阵列包括多个相同的线圈，线圈阵列沿轴向等间距设置在磁体装配体的外围，每个线圈可以激励和接收对应方位角度范围的敏感区域的信号，每个线圈对应的敏感区域的信号没有重叠，线圈切换控制电路与线圈阵列连接，线圈切换控制电路用于控制线圈阵列中的线圈的切换。本发明的方案中，通过设置扫描探测信号互不重叠的线圈阵列，可以对核磁共振测井仪探头地层全方位进行精确扫描，从而实现井下高分辨率核磁共振扫描成像，以便用户能够根据核磁共振扫描成像结果对地层信息进行精确地判断，有利于石油矿藏的开采开发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中磁体装配体的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的核磁共振测井仪探头中线圈阵列的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的线圈阵列中单线圈激励的多切片敏感区域形态示意图；

图5为本发明实施例一提供的线圈阵列激励的多方位探测敏感区域形态示意图；

图6为本发明实施例二提供的核磁共振测井仪探头中磁体装配体的结构示意图；

图7为本发明实施例二提供的磁场强度沿纵向距离的变化示意图；

图8为本发明实施例二提供的磁场匹配的示意图；

图9为本发明实施例二提供的核磁共振测井仪探头所形成的磁场分布的示意图；

图10为本发明实施例三提供的核磁共振测井仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中的核磁共振测井仪可以用于垂直井、倾斜井，甚至水平井中，因此，核磁共振测井仪的钻进方向为核磁共振测井仪探头的中心轴的延伸方向，即“轴向”，但并不一定为垂向；但为说明方便，在实施例中，将以用于垂直井为例进行阐述，也就是说，在下述实施例中“轴向”即指垂向。但是，本实施例的内容并不是对本发明的限定。

为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。

实施例一

本发明实施例一中，如图1所示，该核磁共振测井仪探头1，包括：磁体装配体11，线圈阵列12和线圈切换控制电路13。

如图2所示，磁体装配体11包括：磁体110和支撑杆116，磁体110固定在支撑杆116上，磁体110用于产生径向辐射的旋转对称磁场。

如图3所示，线圈阵列12包括多个相同的线圈121，线圈阵列12沿轴向等间距设置在磁体装配体11的外围。每个线圈121用于激励和接收对应方位角度范围的敏感区域的信号，每个线圈121对应的敏感区域的信号没有重叠。

线圈切换控制电路13与线圈阵列12连接，线圈切换控制电路13用于控制线圈阵列12中的线圈121的切换。

本实施例中，如图2所示，具体地，磁体装配体11由一对磁体110和支撑杆116组成，一对磁体110位于磁体装配体11的最两端，其充磁方向为沿轴向且相反，在地层中可以形成径向辐射的旋转对称磁场。支撑杆116贯穿整个磁体装配体11，与该核磁共振测井仪探头1上下端的部件机械组合，是整个核磁共振测井仪探头1的支撑与承重部件。

本实施例中，具体地，采用了线圈阵列12以实现核磁共振测井仪探头1的扫描成像激励与信号接收。如图3所示为线圈阵列12的线圈结构与分布。线圈阵列12可以由多个结构与电性能相同的线圈单元组合而成，例如8个，从而保证测量的一致性。优选的，线圈阵列12中每个线圈的结构可以为纵向绕制，且呈弧面状的异形螺线管结构，线圈阵列12中每个线圈由铜线绕制而成。线圈阵列12沿轴向等间距设置在磁体装配体11的外围。每个线圈121用于激励和接收对应方位角度范围的敏感区域的信号，每个线圈121对应的敏感区域的信号没有重叠。在本实施例中，线圈切换控制电路13与线圈阵列12连接，线圈切换控制电路13用于控制线圈阵列12中的线圈121的切换。优选的，线圈切换控制电路13位于线圈阵列12的上端。优选的，线圈阵列12中每个线圈通过对应引脚线分别与线圈切换控制电路13电连接。优选的，线圈切换控制电路13采用高灵敏度、高切换速率且耐高温高压的电子开关来控制线圈之间的切换。

举例来说，线圈阵列12由8个线圈121组成，当核磁共振测井仪探头1扫描周围的地层时，可以激励8个不同方位，形态相同但无信号重叠区域的敏感区域，激励的敏感区域形态为45°薄壳状。如图4所示为单个线圈所激励的不同深度敏感区域的形态，在横向平面上，不同深度的敏感区域形态皆为45°薄壳状。进一步地，实际应用中，线圈阵列12激励不同方位无信号重叠的敏感区域如图5所示。图5反映了单个工作频率下，线圈阵列12激励的不同方位的敏感区域在横向平面上的形态。可以看到，敏感区域之间无重叠部分，因此各个区域无信号重叠，且各方位的敏感区域形态之和为薄壁中空型的圆柱壳形态，因此扫描成像得以实现。

本实施例提供的核磁共振测井仪探头，包括：磁体装配体，线圈阵列和线圈切换控制电路。其中，磁体装配体包括：磁体和支撑杆，磁体固定在支撑杆上，磁体用于产生径向辐射的旋转对称磁场。线圈阵列包括多个相同的线圈，线圈阵列沿轴向等间距设置在磁体装配体的外围，每个线圈可以激励和接收对应方位角度范围的敏感区域的信号，每个线圈对应的敏感区域的信号没有重叠，线圈切换控制电路与线圈阵列连接，线圈切换控制电路用于控制线圈阵列中的线圈的切换。本方案中，通过设置扫描探测信号互不重叠的线圈阵列，可以对核磁共振测井仪探头地层全方位进行精确扫描，从而实现井下高分辨率核磁共振扫描成像，以便用户能够根据核磁共振扫描成像结果对地层信息进行精确地判断，有利于石油矿藏的开采开发。

实施例二

在上述实施例一的基础上，如图6所示，本申请实施例二提供的核磁共振测井仪探头中，磁体装配体11为中空圆柱体，磁体装配体11的磁体沿径向中心轴r对称，沿径向中心轴r由远到近依次设置有一对主磁体111、一对高导磁材料磁体114及一对聚焦磁体。该一对聚焦磁体可以包括：一对长聚焦磁体113和一对短聚焦磁体112。一对长聚焦磁体113接近径向中心轴r，一对短聚焦磁体112远离径向中心轴。

一对主磁体111的充磁方向沿磁体装配体11的轴向且方向相反，一对主磁体111中两主磁体极性相同的一端相对设置。

一对聚焦磁体的充磁方向沿径向中心轴r方向旋转对称。

一对高导磁材料磁体114用于将磁场的纵向分布拉长。

实际应用中，具体地，一对主磁体111与上述磁体110相同，产生的磁场为主磁化场。增加的一对聚焦磁体可以包括：一对长聚焦磁体113和一对短聚焦磁体112，其充磁方向沿径向中心轴r方向旋转对称，产生增强型磁场以对主磁化场起到聚焦的作用，增强主磁化场在地层的渗透能力。增加的一对高导磁材料磁体114，可以将主磁化场的纵向分布拉长，以提高主磁化场的纵向均匀度。

实际应用中，在引入短聚焦磁体112、长聚焦磁体113和高导磁材料磁体114前后的磁场强度沿纵向距离的变化如图7所示。图7中相同的标记形状代表不同的目标探测深度，实心标记代表优化前的纵向磁场强度分布，空心标记代表优化后的磁场强度分布。300mm的纵向范围内的磁场变化程度(均匀度)为4.7％，200mm的纵向范围内的磁场变化程度为1.4％。同时，由图7可以看到，磁场强度在引入短聚焦磁体112、长聚焦磁体113和高导磁材料磁体114后有了极大的提升。

在本实施例中，由于磁体装配体11产生的磁场为径向辐射的旋转对称磁场，因而可以与线圈阵列12所产生的射频磁场形成良好的磁场匹配。如图8所示，反映了单个线圈所产生的射频场与磁体装配体11所产生的磁场在敏感区域位置21中的磁场匹配。在横向平面上，射频场的方向如图8中间的磁场分布所示，只存在于线圈的正前方，其射频场方向遵循右手螺旋法则，其大拇指方向指向图8向外的方向。

值得一提的是，一对主磁体111、一对高导磁材料磁体114及一对长聚焦磁体113和一对短聚焦磁体112之间的距离相对位置可调。

为了对主磁体111、高导磁材料磁体114及长聚焦磁体113和短聚焦磁体112之间调整后的空隙进行填充，防止磁体上下窜动和横向位移，优选的，上述磁体还可以包括：无磁填充块115。

无磁填充块115设置在主磁体111与短聚焦磁体112之间、短聚焦磁体112与长聚焦磁体113之间，以及长聚焦磁体113与高导磁材料磁体114之间。

其中，主磁体111与短聚焦磁体112之间的无磁填充块115的轴向长度为第一预设数值，短聚焦磁体112与长聚焦磁体114之间的无磁填充块115的轴向长度为第二预设数值，长聚焦磁体113与高导磁材料磁体114之间无磁填充块115的轴向长度为第三预设数值。

无磁填充块115的制作材料可以是高强度无磁金属块或者玻璃钢块，也可以是其他高强度无磁材料，本发明在此不做限定。

实际应用中，具体地，采用无磁填充块115填充调整后磁体之间的空隙，可以防止磁体上下窜动和横向位移。通过对无磁填充块115轴向长度的灵活调整，从而优化磁体装配体11中各磁体之间的轴向距离，可以使得磁体装配体11产生的磁场达到强度最大、渗透距离最深、纵向均匀度最大且长度最长的优化。

具体地，本实施例中磁场的磁场强度分布及磁场矢量分布如图9所示。图9左图反映了轴对称坐标系下，磁体装配体11所产生的磁场强度等值线分布。该磁体装配体11产生的磁场具有较强的穿透力，在目标测量地层中，磁场强度在轴向较长范围内的磁场均匀度较高，在核磁共振测井仪探头1外侧位于井眼内部的地层，无磁场分布，以保证测量不会受到井眼内泥浆的干扰。图8右图反映了轴对称坐标系下，磁体装配体11的磁场方向的二维平面分布，可以看到，磁场由磁体装配体11中心部分沿径向中心轴r旋转对称射出，从上端返回磁体装配体11，且在一定的纵向范围内，磁场方向总是保持平行。

优选的，为了保证最优的磁体装配结构，一种实施方式中，主磁体111的外径大于短聚焦磁体112、长聚焦磁体113、高导磁材料磁体114及无磁填充块115的外径，短聚焦磁体112、长聚焦磁体113、高导磁材料磁体114及无磁填充块115的外径相等。主磁体111的长度与一对主磁体111之间的距离间隔之比可以为8倍关系。

另一种实施方式中，支撑杆116贯穿磁体，在磁体装配体11的上下两端将支撑杆116与磁体固定。

具体地，在磁体装配体11的上下两端将支撑杆116与磁体固定的方式可以有多种，比如用钛钢螺丝固定或者其它固定方式，本发明在此不做限定。优选的，支撑杆116可以采用无磁钢或者钛钢以保证机械强度，也可以使用其它无磁高强度材料，本发明在此不做限定。

另一种实施方式中，聚焦磁体可以采用多个预设体积的磁体拼接而成。

具体地，聚焦磁体可以采用多个径向充磁的较小体积磁体拼接而成，从而增强聚焦磁体的磁性能。

本实施例提供的核磁共振测井仪探头，磁体装配体为中空圆柱体，磁体装配体的磁体沿径向中心轴对称，沿径向中心轴由远到近依次设置有一对主磁体、一对高导磁材料磁体及一对聚焦磁体，一对主磁体的充磁方向沿磁体装配体的轴向且方向相反，一对主磁体中两主磁体极性相同的一端相对设置，一对聚焦磁体的充磁方向沿径向中心轴方向旋转对称，一对高导磁材料磁体用于将磁场的纵向分布拉长。本方案中，磁场强度在引入聚焦磁体和高导磁材料磁体后有了极大的提升，有利于对核磁共振测井仪探头周围地层进行全方位精确扫描，从而实现井下高分辨率核磁共振扫描成像，以便用户能够根据核磁共振扫描成像结果对地层信息进行精确地判断，有利于石油矿藏的开采开发。

实施例三

图10为本发明实施例三提供的核磁共振测井仪的结构示意图，如图10所示，该核磁共振测井仪包括：一个发射器131，一个接收器132及如实施例1和实施例2中的核磁共振测井仪探头1。

其中，发射器131与接收器132分别与核磁共振测井仪探头1的线圈切换控制电路13连接。

发射器131，用于向线圈切换控制电路13发送切换指令，切换指令中携带切换线圈标识。

线圈切换控制电路13，用于接收切换指令，并按照切换线圈标识进行线圈的切换。

接收器132，用于接收切换的线圈的对应方位角度范围的敏感区域的信号。

优选的，为了避免发射信号与接收信号同时进行时的相互干扰，该核磁共振测井仪还可以包括：双工器133。

双工器133分别与发射器131和接收器132连接，用于将发射器131发射信号和接收器132接收信号相隔离。

优选的，为了对核磁共振测井仪中发射器131发射信号和接收器132接收信号以及线圈切换控制电路13进行统一管理，可以设置一如图10中所示的地面系统134。

本实施例中，具体地，线圈阵列12的引脚线直接接入线圈切换控制电路13中，线圈切换控制电路13的上端直接与发射器131与接收器132进行连接，线圈阵列12中所有的线圈共用一个发射器131和一个接收器132，减少电子线路的复杂性。由地面系统134控制线圈切换控制电路13、发射器131和接收器132进行线圈阵列12的扫描激励、信号接收与图像处理。该磁共振测井仪探头的实施可以参见实施例一和实施例二，重复之处不再赘述。

本实施例提供的磁共振测井仪，可以对核磁共振测井仪探头周围地层进行全方位精确扫描，从而实现井下高分辨率核磁共振扫描成像，以便用户能够根据核磁共振扫描成像结果对地层信息进行精确地判断，有利于石油矿藏的开采开发。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。