用于改进测量的具有突出部的核磁共振工具的制作方法

发明背景

本公开总体涉及钻井操作，并且更具体地，涉及用于改进测量的具有突出部的核磁共振(nmr)工具。

碳氢化合物，诸如油和气体，通常从可位于陆上或者海上的地下地层获得。涉及将碳氢化合物从地下地层移除的地下操作和过程的发展是复杂的。通常，地下操作涉及许多不同步骤，例如像在所希望的井场处钻探井眼，处理所述井眼以便优化碳氢化合物的生产，以及执行必要步骤以便生产并处理来自地下地层的碳氢化合物。可在整个操作中进行对地下地层的测量，以便表征地层并帮助做出操作决策。在某些情况下，nmr工具可用于使用一个或多个天线对地层进行测量。这些天线可在围绕所述工具的导电介质中产生涡电流，所述涡电流将噪声引入到测量中并且降低了其准确度。

附图简述

可通过部分地参考以下描述和附图来理解本公开的一些具体示例性实施方案。

图1是示出根据本公开的各方面的说明性随钻测井环境的图。

图2是示出根据本公开的各方面的说明性电缆测井环境的图。

图3是根据本公开的各方面的示例性nmr工具的图。

图4a和图4b是根据本公开的各方面的具有至少一个径向突出部的示例性nmr工具的图。

图5是根据本公开的各方面的示例性径向突出部的图。

虽然本公开的实施方案已被描绘和描述并且通过参考本公开的示例性实施方案来加以限定，但是所述参考并不暗示对本公开的限制，并且不能推断出这样的限制。如相关领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将想到的，所公开的主题能够在形式和功能上存在相当多的修改、变更和等效形式。所描绘和描述的本公开的实施方案仅是实例，而且并未详尽说明本公开的范围。

具体实施方式

为了本公开的目的，信息处理系统可包括可操作来执行以下功能的任何工具或工具的集合：计算、分类、加工、发送、接收、检索、发起、切换、存储、显示、证明、检测、记录、再现、处理或利用任何形式的信息、情报或数据用于商业、科学、控制或其他目的。例如，信息处理系统可以是个人计算机、网络存储装置或任何其他合适的装置，并且可以在尺寸、形状、性能、功能和价格上改变。信息处理系统可包括随机存取存储器(ram)、一个或多个处理资源(诸如中央处理单元(cpu)或硬件或软件控制逻辑)、rom和/或其他类型的非易失性存储器。信息处理系统的附加部件可包括一个或多个磁盘驱动器、用于与外部装置以及各种输入和输出(i/o)装置(诸如键盘、鼠标和视频显示器)进行通信的一个或多个网络端口。信息处理系统还可包括可操作来在各种硬件部件之间传输通信的一个或多个总线。所述信息处理系统还可包括能够向控制器、致动器或类似装置发送一个或多个信号的一个或多个接口单元。

为了本公开的目的，计算机可读介质可包括可在一段时间内保留数据和/或指令的任何工具或工具的集合。计算机可读介质可包括例如但不限于：存储介质，诸如直接存取存储装置(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储装置(例如，磁带磁盘驱动器)、光盘、cd-rom、dvd、ram、rom、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)和/或闪存；以及通信介质，诸如导线、光纤、微波、无线电波以及其他电磁和/或光载体；和/或前述各项的任何组合。

本文详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，在本说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。当然应该理解的是，在任何这种实施方案的开发中，做出许多实现方式特定的决策以获得特定的实现目标，这些目标因不同的实现方式而不同。此外，应理解的是，这种开发努力可能是复杂的且耗时的，但是仍将是受益于本公开的本领域普通技术人员的常规任务。

为了促进更好理解本公开，给出某些实施方案的以下实例。以下实例决不应被理解为限制或限定本发明范围。本公开的各实施方案可适用于任何类型的地下地层中的水平、垂直、偏斜或其他非线性井眼。各实施方案可适用于注入井以及生产井，包括碳氢化合物井。各实施方案可使用被制造成适合于沿着地层的部分进行测试、取回和采样的工具来实现。各实施方案可以利用例如可通过管柱中的流动通道传送的工具或使用电缆、钢丝、连续油管、井下机器人等来实现。“随钻测量”(“mwd”)是通常用于当钻探继续时，测量关于钻探组件的运动和位置的井下条件的术语。“随钻测井”(“lwd”)是通常用于更集中在地层参数测量上的类似技术的术语。根据某些实施方案的装置和方法可在电缆(包括电缆、钢丝和连续油管)、井下机器人、mwd以及lwd操作中的一个或多个中使用。

如本文所用的术语“耦接”旨在意指间接或直接连接。因此，如果第一装置耦接到第二装置，所述连接可以是通过直接连接或通过经由其他装置和连接进行的间接机械或电连接。类似地，如本文所用的术语“通信地耦接”旨在意指直接或间接通信连接。这种连接可以是有线或无线连接，例如像，以太网或lan。此类有线或无线连接对本领域的普通技术人员是已知的，并且因此在本文中将不再详细讨论。因此，如果第一装置通信地耦接到第二装置，所述连接可以是通过直接连接或通过经由其他装置和连接进行的间接的通信连接。

图1是根据本公开的各方面的地下钻探系统100的图。钻探系统100包括定位在地面102处的钻探平台2。在所示的实施方案中，地面102包括包含一个或多个岩层或岩石层18a-c的地层104的顶部，并且钻探平台2可与地面102接触。在其他实施方案中，诸如在海上钻探操作中，地面102可通过一定体积的水与钻探平台2分开。

钻探系统100包括井架4，所述井架4由钻探平台2支撑并具有用于升高和降低钻柱8的移动块6。方钻杆10可以在钻柱8通过旋转台12降低时支撑钻柱8。钻头14可以耦接到钻柱8，并且由井下马达和/或钻柱8通过旋转台12的旋转来驱动。当钻头14旋转时，其产生穿过一个或多个岩层或岩石层18的钻孔16。泵20可通过进料管道22将钻探流体循环到方钻杆10，向井下穿过钻柱8的内部，穿过钻头14中的孔，通过围绕钻柱8的环空回到地面，并且进入储料坑24中。钻探流体将钻屑从钻孔16输送到坑24中，并且帮助维持钻孔16的完整性。

钻探系统100可包括在钻头14附近耦接到钻柱8的井底组件(bha)。bha可包括各种井下测量工具和传感器以及lwd和mwd元件，包括具有至少一个倾斜径向突出部26a的nmr工具26。如以下将详细描述的，nmr工具26可测量地层104围绕nmr工具26的部分的磁共振响应，所述磁共振响应可用于确定例如地层104内的岩石的孔隙度和磁导率，并且识别在地层104内的岩石的孔隙内捕获的流体的类型。如以下还将描述的，突出部26a可通过减少由工具26产生的涡电流引入到磁共振响应中的噪声来提高磁共振响应测量的准确度。

bha的工具和传感器(包括nmr工具26)可以可通信地耦接到遥测元件28。遥测元件28可将测量值从nmr工具26传递到地面接收器30和/或从地面接收器30接收命令。遥测元件28可包括泥浆脉冲遥测系统、声学遥测系统、有线通信系统、无线通信系统或本领域的普通技术人员鉴于本公开将理解的任何其他类型的通信系统。在某些实施方案中，在nmr工具26处取得的测量值中的一些或全部也可以储存在工具26或遥测元件28内，以供稍后在地面102处取回。

在某些实施方案中，钻探系统100可包括定位在地面102处的信息处理系统32。信息处理系统32可以可通信地耦接到地面接收器30，并且可以通过地面接收器30从nmr工具26接收测量值和/或将命令发送到nmr工具26。信息处理系统32也可以当在地面102处取回nmr工具26时，从工具26处接收测量值。如以下将描述的，信息处理系统32可对测量值进行处理以便确定地层104的某些特性，包括地层104内的裂缝的位置和特性。

在钻探过程期间的不同时间，钻柱8可从钻孔16移除，如图2所示。一旦钻柱8已被移除，可使用电缆工具34(即，由缆线15悬挂到钻孔16中的器械，所述缆线15具有将电力输送到工具并将遥测数据从工具主体输送到地面102的导体)来进行测量/测井操作。电缆工具34可包括具有至少一个径向突出部36a的nmr工具36，nmr工具36与至少一个径向突出部36a具有与nmr工具26和径向突出部26a类似的构型。nmr工具36可以可通信地耦接到缆线15。测井设施44(图2中示出为卡车，尽管其可以是任何其他结构)可从电阻率测井工具36采集测量值，并且可包括用于控制、处理、存储和/或可视化由nmr工具36收集的测量值的计算设施(包括，例如信息处理系统)。计算设施可通过缆线15可通信地耦接到测井/测量工具36。在某些实施方案中，信息处理系统32可充当测井设施44的计算设施。

图3是示出根据本公开的各方面的示例性nmr工具300的部分和由工具300产生的相关联涡电流350的图。工具300包括至少一个磁场源302/304以及能够接收和/或发送一个或多个电磁信号的至少一个天线306。在所示的实施方案中，磁场源302/304包括具有由箭头302a/304a指示的磁场取向的永磁体。天线306可包括缠绕在导磁材料308周围的螺线管型天线，导磁材料308帮助向外聚焦由天线308产生的电磁场。其他类型和构型的磁场源和天线是可能的，包括产生垂直于工具300的纵轴的电磁场的“横向天线”。

在使用中，磁场源302/304可在围绕工具300的介质中产生磁场，所述介质诸如当工具300在与以上描述的钻探操作类似的钻探操作中使用时，围绕工具300的钻孔和地层。然后可以沿箭头306a指示的方向向天线306供应交流电，从而致使天线306将电磁信号发送到围绕处于磁场内的工具的介质中。所发送的电磁信号可以被经受由磁场源302/304产生的磁场的介质中的原子核吸收。由自旋产生的相干磁场的振荡(即磁化)具有特定共振频率，其取决于磁场的强度和原子同位素的磁性质。工具中的天线306或另一个天线可测量地层内的激励磁化的磁共振响应，以便有助于确定周围地层的某些特性。这些特性通常是磁化恢复到热平衡的弛豫速率。

从天线306发送的电磁信号还可以致使在围绕工具300的任何导电介质中形成涡电流350。在井下环境中，可以在钻孔中围绕工具300的导电流体(例如，钻探流体)中产生涡电流350。涡电流350可遵循天线306的形状并且在大体上平行于天线306的平面的平面中、但是沿与通过天线306的电流的流动相反的方向围绕天线306流动，如箭头350a所指示。涡电流350可随着地层的磁共振响应产生由天线306测量的次级电磁场。这作用来将噪声施加到磁共振响应测量中，从而降低了磁共振响应测量的准确度。涡电流还降低了工具300的效率，因为它需要消耗更多电力来产生射频(rf)场。

在电缆应用中使用的典型的nmr工具中，流体排除器用于转移围绕天线的钻探流体，从而减少其中可以产生涡电流的钻探流体的量，这进而降低了次级电磁场的强度并且改善了所测量的磁共振响应的信噪比(snr)。这些流体排除器采取套筒的形式，所述套筒包住工具的包含天线和磁体的部分。套筒通常是圆柱形，其外径大于工具的直径。这具有以下作用：限制天线与钻孔壁之间的环空的尺寸并且从而限制可在给定时间内位于所述环空内的钻探流体的量。所测量的磁共振响应的snr的减少相对于从环空中转移的钻探流体的百分比是大体上线性的。类似的概念对于lwd/mwdnmr工具理论上是有效的。然而，这些套筒具有局限性，因为限制所有流体流动通过工具是有问题的。

根据本公开的各方面，具有在天线附近的至少一个倾斜径向突出部的nmr工具可通过以下方式改善所测量的磁共振响应的snr比：扰乱导电介质中产生的涡电流，而不是从工具周围转移导电介质，同时有助于流体流动通过工具。在图4a和图4b中示出并入本公开的各方面的一个示例性nmr工具400。nmr工具400包括与磁场源412和414以及天线416耦接的圆柱形工具主体410。天线416包括与工具主体410以及磁场源404和406同轴布置的螺线管天线。四个非导电的、平面的径向突出部402-408在天线416附近围绕工具主体410的圆周等距隔开，并且相对于工具主体410的纵轴480倾斜。具体地，突出部402-408包括翅片，所述翅片至少部分与天线416的平面相交，并且相对于工具主体410的纵轴480成一角度490倾斜。突出部可由任何非导电材料制成，所述非导电材料包括玻璃纤维、聚醚醚酮(peek)、陶瓷或橡胶。其他数量、形状、取向和尺寸的突出部是可能的。

在给定天线406与工具主体410同轴的情况下，突出部402-408相对于工具主体410的纵轴480的倾斜取向意味着突出部406也相对于天线406的平面以角度490倾斜。然而这种取向不是必需的，因为天线406相对于工具主体410的取向可以改变，并且突出部不需要相对于天线406的平面成任何特定的角度。例如，在某些情况下，天线406可相对于工具主体410倾斜，并且突出部402-408可相对于天线406的平面垂直。

突出部402-408可直接或间接地耦接到工具主体410。在所示的实施方案中，突出部402-408可与工具400的径向围绕天线406的套筒418一体形成，或者以其他方式附接到套筒418。套筒418可耦接到工具主体410，并且作用来保护天线406免受井下条件的影响。在其他实施方案中，突出部可与工具主体410一体形成，或者以其他方式直接附接到工具主体410。在某些实施方案中，突出部402-408可以可移除地耦接到套筒418或工具主体410，以使得突出部402-408在磨损情况下可以容易地更换。在另一个实施方案中，突出部402-408可耦接到工具400的稳定器。

在某些实施方案中，突出部402-408可相对于工具主体410旋转。这可有助于钻探流体流动通过突出部402-408。在某些实施方案中，与突出部402-408耦接的套筒418可通过允许套筒418相对于工具主体410旋转的多个轴承耦接到工具主体410。当工具定位在井下时，钻探流体通过工具400的流动可在突出部402-408上施加旋转力。此旋转力进而可致使套筒418以及耦接到其上的突出部402-408相对于工具主体400旋转。

在所示的实施方案中，工具400定位在地层422内的钻孔420内。突出部402-408可从工具主体410径向延伸，以使得突出部402-408接触或靠近钻孔420的壁。突出部402-408可至少部分地限定围绕工具主体410的环形区段，钻探流体可通过所述环形分段相对于工具主体410轴向流动。因为突出部402-408可由非导电材料制成，所以它们可中断或转移由天线406产生的涡电流的形状和流动。在所示的实施方案中，不是遵循天线406的形状围绕工具410在环形圈中流动，而是迫使由天线406产生的涡电流450和452围绕非导电的径向突出部402-408流动，从而降低了涡电流450和452以及所得的次级电磁场的强度。因此，在工具410处所得的磁共振响应将具有较高的snr。

尽管突出部402-408是相同尺寸，并且全部接触或靠近钻孔420的壁，但是在其他实施方案中，突出部402-408中的一些或全部可具有不同尺寸，并且突出部402-408中的一些或全部可不接触钻孔420的壁。例如，突出部402-408可在尺寸上交替，以使得每隔一个围绕工具400圆周的突出部402-408不接触钻孔420的壁。这可允许工具400在钻孔内居中，同时使通过工具400的钻探流体流动最大化。

在某些实施方案中，倾斜径向突出部的数量可基于工具所需的snr而改变。图5是根据本公开的各方面的具有耦接到其上的不同数量的倾斜径向突出部的示例性套筒500、520和540的图。在所示的实施方案中，突出部相对于对应的套筒500、520和540的纵轴倾斜，所述套筒500、520和540将与工具的跟所述套筒耦接的工具主体同轴布置。如上所述，突出部中的每一个可包含非导电材料，其可作用来至少部分地限定扰乱试图流动通过其中的涡电流的环形区段。与套筒500、520和540中的每一个相关联的snr的减少可与扰乱的次数(即，倾斜径向突出部的数量)正相关。

在所示的实施方案中，所有倾斜径向突出部相对于对应的天线和/或工具主体以相同的角度倾斜。在其他实施方案中，套筒500、520和540上的倾斜径向突出部可以各种不同的角度倾斜，所述角度可部分地取决于对应天线相对于工具主体的取向以及突出部相对于天线的放置安装在工具主体上的方式。另外，可能的是，单个套筒或工具上的倾斜径向突出部可相对于单个天线具有不同的倾斜角度。

图6是根据本公开的各方面的包括倾斜径向突出部的另一个示例性套筒600的图。在所示的实施方案中，突出部602-604全部相对于套筒600的纵轴650倾斜，但是突出部602-604中的每一个的倾斜角度在其整个长度上可以是不均匀的。例如，突出部602包括至少三个部分602a-c，所述至少三个部分602a-c相对于套筒600的纵轴650以不同的角度倾斜。套筒602的部分602a-c中的每一个上的倾斜角度可设计成有助于流体流动通过套筒，诸如风扇的叶片有助于空气的流动。在突出部602的整个长度上的倾斜角度可以是梯度的并且随长度逐渐改变，如图所示，或者可包括在突出部602的部分之间的可识别转变点处的急剧转变。另外，可能的是，突出部的部分，特别是末端部分相对于套筒和/或工具主体的纵轴接近垂直角度，并且在本公开的范围内仍然被视为是倾斜的。

根据本公开的各方面，示例性井下工具包括工具主体和耦接到工具主体的磁场源。天线也可耦接到工具主体。工具可包括自工具主体的在天线附近并且相对于工具主体的纵轴倾斜的径向突出部。

在某些实施方案中，径向突出部包括围绕工具主体的圆周隔开的多个径向突出部中的一个。径向突出部可耦接到相对于工具主体与天线轴向对齐的套筒。径向突出部可以可移除地耦接到工具主体和相对于工具主体与天线轴向对齐的套筒中的一个。径向突出部可包含非导电材料。在某些实施方案中，非导电材料包括玻璃纤维、聚醚醚酮、陶瓷以及橡胶中的至少一种。自工具主体的在天线附近的径向突出部可至少部分地与天线的平面相交。

在前述两个段落中描述的任一实施方案中，径向突出部相对于工具主体的纵轴可具有倾斜角度。在某些实施方案中，倾斜角度在突出部的整个长度上是不均匀的。在前述两个段落中描述的任一实施方案中，天线可包括螺线管天线。

根据本公开的各方面，用于使用井下工具产生测量值的示例性方法可包括使用耦接到工具主体的磁场源产生磁场。可以从耦接到所述工具主体的天线发送电磁信号，至少一个径向突出部围绕所述天线定位并相对于所述工具主体的纵轴倾斜。所述方法还可包括接收对所发送的电磁信号的响应。

在某些实施方案中，所述至少一个径向突出部从工具主体延伸。在某些实施方案中，所述至少一个径向突出部耦接到相对于工具主体与天线轴向对齐的套筒。在某些实施方案中，所述至少一个径向突出部可移除地耦接到工具主体和相对于工具主体与天线轴向对齐的套筒中的一个。在某些实施方案中，所述至少一个径向突出部包含非导电材料。在某些实施方案中，非导电材料包括玻璃纤维、聚醚醚酮、陶瓷以及橡胶中的至少一种。在某些实施方案中，自工具主体的在天线附近的所述至少一个径向突出部至少部分地与天线的平面相交。

在前述两个段落中描述的任一实施方案中，径向突出部相对于工具主体的纵轴可具有倾斜角度。所述倾斜角度在突出部的整个长度上可以是不均匀的。在前述两个段落中描述的任一实施方案中，接收对所发送的电磁信号的响应可包括利用至少一个径向突出部扰乱由所发送的电磁信号在工具周围产生的涡电流。

因此，本公开非常适合达到所提到的目标和优点以及本文固有的那些目标和优点。以上所公开的具体实施方案仅是说明性的，因为本公开可以受益于本文教义的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。此外，并不意图对本文示出的构造或设计的细节加以限制，除了如所附权利要求书中描述的以外。因此，明显的是，以上所公开的具体说明性实施方案可加以改变或修改，并且所有此类变化都视为在本公开的范围和精神内。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有其平常、普通的意义。如权利要求书中使用的不定冠词“一个”在本文中定义成意指所介绍元件中的一个或多于一个。