专利名称：核磁共振流体分析微检测探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及地层流体参数检测技术，尤其涉及一种核磁共振流体分析微检测探头。
背景技术：
在油田作业开发过程中，需要使用模块式地层测试器对地层取液以便对地层流体污染情况和流体特性进行实时评价分析，为石油生产提供重要的参考数据。其中，井下光学流体分析模块和井下核磁共振流体分析模块是常见的两种底层流体参数检测设备，光学流体分析模块是基于光的反射和透射原理识别流体线中的气体和流体性质，以及确定流体的含量；核磁共振流体分析模块是利用核磁共振原理测量流体参数T1,以评价地层流体污染情况，以及测量参数T2和D获取流体粘度、气油比等参数。
核磁共振流体分析模块，是通过检测探头来为测试提供所需的磁场， 以利用核磁共振现象测试流体参数T1、T2和D。随着硬件技术和微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技术的发展，提出了一种核磁共振流体分析微检测探头，其可以利用微线圈探头结合小型低成本谱仪，特别是可以与成熟的毛细管电泳或液体分离等微流控技术相结合组成片上微全分析系统，对流体参数进行测量。采用微线圈形式的微检测探头，具有功耗低、体积小以及检测灵敏度高等特点，可以应用于石油领域，特别适合随钻低功耗的测量要求。
核磁共振流体分析微检测探头是基于核磁共振波谱学原理，利用核磁共振现象及其化学位移作用研究化合物的存在或分子结构，由于石油井下随着地层深度的不同环境温度变化很大，井下核磁共振静磁场均勻度达不到核磁共振波谱的要求，因此，通过微检测探头可为检测流体提供所需的磁场，以对流体参数1\、T2和D进行测量。目前，采用核磁共振流体分析微检测探头中，通常采用平面螺旋微线圈和螺旋管线圈，其利用平面螺旋微线圈和螺旋管线圈结构，提供微流道和磁场，为经过微流道的流体提供测量所需的磁场，但是其形成的射频磁场均勻性较差。发明内容
本发明提供一种核磁共振流体分析微检测探头，可有效克服现有技术存在的问题。
本发明提供一种核磁共振流体分析微检测探头，包括环形永磁体，以及套设在所述环形永磁体外壁上的高导磁外壳；
所述环形永磁体的中部设置有带状微线圈结构，且所述带状微线圈结构上套设有梯度线圈；
所述带状微线圈结构包括上屏蔽铜层、上基板、带状线铜层、下基板和下屏蔽铜层；
所述上基板和下基板上分别设置有流体通道；
所述带状线铜层夹设在所述上基板和下基板之间，用于在施加电流作用下在所述流体通道内形成射频磁场；
所述上屏蔽铜层设置在所述上基板上，与所述带状线铜层背对的表面；
所述下屏蔽铜层设置在所述下基板上，与所述带状线铜层背对的表面。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述带状线铜层包括有效带状线铜层和边沿铜层；
所述有效带状线铜层的中部宽度小于端部的宽度，在所述有效带状线铜层的中部形成由两侧向内凹陷的凹槽；
所述边沿铜层设置在所述凹槽内，且所述边沿铜层与所述有效带状线铜层之间具有间隙。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述凹槽和边沿铜层的形状均为梯形。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述上屏蔽铜层、带状线铜层和下屏蔽层通过MEMS技术制作而成。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述流体通道为椭圆形流体通道。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述上基板和下基板为硼酸玻璃基板。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述流体通道的两端分别连接有毛细管，用于将外部流体导入所述流体通道。
上述的核磁共振流体分析微检测探头中，所述毛细管为采用聚醚醚酮树脂制作得到的毛细管。
本发明提供的核磁共振流体分析仪微检测探头，利用上屏蔽铜层、带状线铜层和下屏蔽铜层形成带状线微线圈结构，可以为形成在上基板和下基板上的两个流体通道提供所需的磁场，使得检测同样体积样品情况下，相对现有螺旋管线圈结构的探头，具有更小的体积；同时，通过采用带状线微线圈结构形成的磁场更加均勻，对环形永磁体产生的静磁场 ~干扰小，使得流体参数检测更加准确。本发明提供的微检测探头体积小，功耗低，可结合在地层测试仪器中对流体参数进行测量，可有效减小整个地层测试仪器的尺寸。
图1为本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头与地层测试仪结合时的结构示意图2为本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头的结构示意图3A为本发明实施例中带状微线圈的透视结构示意图;3B为本发明实施例中带状微线圈的组装结构示意图4为本发明实施例中带状线铜层的结构示意图5为图3A的横截面结构以及带状线铜层施加有电流时产生的磁场示意图6为本发明实施例沿流体通道方向的射频磁场幅度变化曲线示意图7为本发明实施例中梯度线圈的结构示意图8为利用本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头进行流体参数测量时的脉冲序列示意图。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头与地层测试仪结合时的结构示意图；图2为本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头的结构示意图； 图3A为本发明实施例中带状微线圈的透视结构示意图；图:3B为本发明实施例中带状微线圈的组装结构示意图。如图1所示，地层测试仪器设置在石油井下的示意图，该地层测试仪器包括液压模块1、探针模块2、微检测探头3、测量结束取样模块4和泵出模块5，其中，液压模块1可将地层流体通过探针模块2引入仪器内部；微检测探头3，也即本发明实施例提供的核磁共振流体分析微检测探头，可对地层流体进行核磁共振弛豫时间和扩散测量；测量结束取样模块4可以将流体取样，或者通过泵出模块5将流体排至井眼6。
如图2所示，为图1中微检测探头3的放大结构示意图，该微检测探头3具体可包括环形永磁体31、高导磁外壳32、带状微线圈结构33和梯度线圈34，其中，高导磁外壳32 套设在环形永磁体1的外壁上；带状微线圈结构33设置在环形永磁体31的中部，梯度线圈 34套设在带状微线圈结构33上。本实施例中，环形永磁体31可在中心区域形成均勻静磁场Btl，高导磁外壳32可屏蔽磁场向外辐射，同时也提供一个闭合的磁路，从而可提高形成在中心区域的磁场的均勻性和稳定性。
如图3A和图;3B所示，带状微线圈结构33包括上基板331、下基板332、带状线铜层333、上屏蔽铜层334和下屏蔽铜层335，其中，上基板331和下基板332相对设置，上基板331和下基板332上分别设置有流体通道C，该流体通道C贯穿基板的流体通道；带状线铜层333夹设在上基板331和下基板332之间，该带状线铜层333用于在施加电流作用下可在流体通道内形成射频磁场；上屏蔽铜层334设置在上基板331上与带状线铜层333背对的表面，即如图3B所示上基板331的上表面，下屏蔽铜层335设置下基板332上与带状线铜层333背对的表面，即如图:3B所示下基板332的下表面。
本实施例中，上屏蔽铜层334、带状线铜层333和下屏蔽铜层335形成带状微线圈， 为流体参数测量提供所需的射频磁场，其具体可通过MEMS技术制作形成在玻璃基板上，具体地，可采用光刻胶掩膜、铜电镀等MEMS工艺制作在玻璃基板上；带状线铜层333可施加电流，以产生所需的磁场，同时又可接收信号，从而可通过带状线铜层333来测量得到流体参数。可以看出，本实施例中电流通道由带状线铜层333、上屏蔽铜层334和下屏蔽铜层335 构成，其中，电流会从带状线铜层333中流过，上屏蔽铜层334和下屏蔽铜层335既是屏蔽层，也是回路，可使得电流经过带状线铜层333时，在上基板331和下基板332上的流体通道内形成的射频磁场更加均勻，且均勻磁场的区域较大。
本领域技术人员可以理解，实际测量时，上屏蔽铜层334和下屏蔽铜层335均是接地铜层，并与带状线铜层333的接地端共地，从而可利用该三个铜层，产生带状微线圈结构，以为流体测量提供所需的射频磁场。
本实施例中，形成在上基板331和下基板332上的流体通道为椭圆形流体通道，设置的椭圆形流体通道，可使得带状线铜层333施加电流时，在该流体通道内形成更加均勻的磁场，流经该流体通道的流体所受到的磁场也更加均勻，可有效提高流体参数测量的准确性。
本实施例中，上基板331和下基板332均为硼酸玻璃基板，这样，上屏蔽铜层334、 带状线铜层333和下屏蔽铜层335被硼酸玻璃基板相隔开。
图4为本发明实施例中带状线铜层的结构示意图。本实施例中，如图4所示，带状线铜层333包括有效带状线铜层3331和两个边沿铜层3332，其中，有效带状线铜层3331的中部宽度小于其端部宽度，从而在有效带状线铜层333的中部形成由两侧向内凹陷的凹槽 A，边沿铜层3332设置在该凹槽A内，且边沿铜层3332与有效带状线铜层3331之间具有间隙B，使得边沿铜层3332与有效带状线铜层3331不相连。通过将有效带状线铜层3331的中部设置成两侧向内凹陷的凹槽结构，使得有效带状线铜层3331的中部较窄，这样，在电流通过时，中部宽度较窄处的电流密度增加，其在上基板331和下基板332中流体通道内产生的磁场强度&就会增强，从而提高施加在流体通道内流体的磁场强度。
本实施例中，上述的凹槽A和边沿铜层3332为相互配合的梯形结构，这样，可使得在有效带状线铜层3331的中部可产生较强的磁场强度。
本实施例中，为便于将进入地层测试仪器中的流体进入流体通道，可在流体通道的两端分别连接有毛细管，用于将外部流体导入流体通道中，具体地，该毛细管具体可为采用聚醚醚酮(Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK)树脂制作得到的毛细管。
图5为图3A的横截面结构以及带状线铜层施加电流时产生的磁场示意图。如图 5所示，上屏蔽铜层334和下屏蔽铜层335是两个屏蔽层，可以对磁场进行屏蔽；带状线铜层333中部的电流密度较大，带状线铜层333产生的磁场可被束缚在整个微检测探头的中部区域，其中，图2中的环形永磁体31产生的静磁场Btl方向如图5所示，带状线铜层333施加电流后形成的磁场B1方向如图5所示，可以看出上基板331和下基板332中的两个椭圆形流体通道C形成的B1方向相反。这样，通过带状线铜层形成的微线圈结构，以及环形永磁铁，可为流体参数测量提供所需的Btl和B1磁场，已达到测试需要。
图6为本发明实施例沿流体通道方向的射频磁场幅度变化曲线示意图。如图6所示，带状线铜层333施加电流时，沿上基板或下基板的流体通道方向产生的射频磁场幅度变化示意图，其中，图6横坐标为带状线铜层的长度，纵坐标为带状线铜层产生的射频磁场的磁场强度，可以看出，在带状线铜层的位置_4mm至4mm处，产生的磁场强度约为2. 04高斯(Gauss)，因此，带状线铜层的有效长度为8mm，形成在上基板和下基板上的椭圆形流体通道长度应至少为8mm。
图7为本发明实施例中梯度线圈的结构示意图。如图7所示，梯度线圈34可以形成磁场梯度，以完成扩散的测量，具体地，该梯度线圈34可包括上下两部分线圈，在测量流体扩散系数D时可以为梯度线圈34施加一定的电流，电流方向如图7中箭头所示，从而可形成梯度磁场，以对流体参数D进行测量。梯度线圈34形成的磁场在ζ方向有线性梯度， 且平行与静磁场Btl方向，即叠加在静磁场Btl上，两者形成一新的梯度磁场。
本实施例中，核磁共振流体分析微检测探头可对进入流体通道内的流体施加一定的磁场，从而对流体进行核磁共振弛豫时间和扩散测量，从而得到流体参数1\、T2和D。其中，横向驰豫时间T2是核磁共振测井中最常用的一个测量参数，通过对T2的分析，可以有效的获取流体类型、流体含量等地质信息，具体地，横向驰豫时间T2测量时通常用如图8所示的CPMG脉冲序列a来完成，它以自旋回波脉冲序列为基础，通过观察到的自旋回波串的衰减过程来确定横向驰豫；纵向驰豫时间T1是一个表征磁化矢量恢复程度的量，和流体类型、 流体含量等地质信息具有紧密的联系，其基本测量方法是通过如图8所示的饱和恢复脉冲序列b来完成；扩散系数D是一个表征流体粘度的量，其基本测量方法是通过如图8所示的脉冲序列c来完成。本实施例中流体参数1\、1~2和D的具体测量过程与现有技术类似，在此不再详细说明。
本发明实施例核磁共振流体分析探头可用于石油井下核磁共振流体分析中，用于流体的核磁共振特性和组成成分检测，该核磁共振流体分析可与电缆或随钻地层测试器一起组合使用，在储层条件环境下获取地层流体特性的信息，用于裸眼井或射孔后套管井。
最后应说明的是以上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。
权利要求
1.一种核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，包括环形永磁体，以及套设在所述环形永磁体外壁上的高导磁外壳；所述环形永磁体的中部设置有带状微线圈结构，且所述带状微线圈结构上套设有梯度线圈；所述带状微线圈结构包括上屏蔽铜层、上基板、带状线铜层、下基板和下屏蔽铜层； 所述上基板和下基板上分别设置有流体通道；所述带状线铜层夹设在所述上基板和下基板之间，用于在施加电流作用下在所述流体通道内形成射频磁场；所述上屏蔽铜层设置在所述上基板上，与所述带状线铜层背对的表面； 所述下屏蔽铜层设置在所述下基板上，与所述带状线铜层背对的表面。
2.根据权利要求1所述的核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，所述带状线铜层包括有效带状线铜层和边沿铜层；所述有效带状线铜层的中部宽度小于端部的宽度，在所述有效带状线铜层的中部形成由两侧向内凹陷的凹槽；所述边沿铜层设置在所述凹槽内，且所述边沿铜层与所述有效带状线铜层之间具有间隙。
3.根据权利要求2所述的核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，所述凹槽和边沿铜层的形状均为梯形。
4.根据权利要求1、2或3所述的核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，所述上屏蔽铜层、带状线铜层和下屏蔽层通过MEMS技术制作而成。
5.根据权利要求1、2或3所述的核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，所述流体通道为椭圆形流体通道。
6.根据权利要求1所述的核磁共振流体分析微检测探头，其特征在于，所述上基板和下基板为硼酸玻璃基板。
7.根据权利要求1所述的核磁共振流体分析仪微检测探头，其特征在于，所述流体通道的两端分别连接有毛细管，用于将外部流体导入所述流体通道。
8.根据权利要求7所述的核磁共振流体分析仪微检测探头，其特征在于，所述毛细管为采用聚醚醚酮树脂制作得到的毛细管。
全文摘要
本发明提供一种核磁共振流体分析微检测探头，包括环形永磁体，以及套设在所述环形永磁体外壁上的高导磁外壳；所述环形永磁体的中部设置有带状微线圈结构，且所述带状微线圈结构上套设有梯度线圈；所述带状微线圈结构包括上屏蔽铜层、上基板、带状线铜层、下基板和下屏蔽铜层；所述上基板和下基板上分别设置有流体通道；所述带状线铜层夹设在所述上基板和下基板之间，用于在施加电流作用下在所述流体通道内形成射频磁场；所述上屏蔽铜层设置在所述上基板上，与所述带状线铜层背对的表面；所述下屏蔽铜层设置在所述下基板上，与所述带状线铜层背对的表面。本发明提供的带状线圈微检测探头体积小，产生的磁场强度均匀。
文档编号G01V3/32GK102518434SQ201110409749
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者吴保松, 安天琳, 李晓南, 肖立志, 郭葆鑫 申请人:中国石油大学(北京)