用于磁共振测量的磁体阵列的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年4月7日提交的美国申请号14/680254的权益，所述申请以引用的方式整体并入本文。

背景技术：

了解地质地层和位于其中的流体的特征对于有效的碳氢化合物勘探和生产是重要的。地层评估依赖于来源于一组不同的测井技术的准确岩石物性解释。一种这类技术(核磁共振(nmr))可以用于估计地层特征(诸如岩石的矿物学独立的孔隙度和渗透率)，以执行流体分类并确定流体体积以及估计诸如粘度的流体特征。nmr测井工具的设计对于在极端高温高压环境中实现高性能、高测量准确度和足够的可靠性是至关重要的。基于nmr的工具可以在钻井过程中(例如，随钻测井)或钻井之后(例如，电缆测井)传送到钻孔中。

概述

用于估计地球地层的特性的核磁共振设备的实施方案包括：载体，其被配置来部署在所述地球地层中的钻孔中；至少一个发射组件，其设置在所述载体中并且被配置来在所述地球地层内的感兴趣体积中生成振荡磁场；至少一个接收组件，其设置在所述载体中并且被配置来检测源于所述感兴趣体积中的核磁共振(nmr)信号；以及磁体组件，其设置在所述载体中并且被配置来从所述磁体组件的初级侧在所述地层中生成静磁场，所述磁体组件包括具有旋转模式的磁取向的纵向伸长磁体的阵列，所述阵列被配置来在所述感兴趣体积中生成所述静磁场，在所述初级侧处的静磁场强度比在所述磁体组件的与所述初级侧相反的一侧处的磁场强度更高。

估计地球地层特性的方法的实施方案包括：将载体部署到所述地球地层中的钻孔中；通过设置在所述载体中的至少一个发射组件在所述地球地层内的感兴趣体积中生成振荡磁场；通过设置在所述载体中的磁体组件生成静磁场，从所述磁体组件的初级侧向所述感兴趣体积中生成所述静磁场，所述磁体组件包括具有旋转模式的磁取向的纵向伸长磁体的阵列，在所述初级侧处的静磁场强度比在所述磁体组件的与所述初级侧相反的一侧处的磁场强度更高；由至少一个接收器组件检测核磁共振(nmr)信号；以及基于所检测的信号估计所述地球地层的所述特性。

附图简述

在本说明书的结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从以下结合附图进行的详述显而易见，在附图中：

图1描绘包括用于随钻测井的核磁共振(nmr)测量设备的地层测量系统的实施方案；

图2描绘用于电缆测井的nmr测量设备的实施方案；

图3描绘被配置来生成用于nmr测量的静磁场的示例性磁体阵列组件连同其相关联场的实例；

图4描绘nmr测量设备的实施方案的部件，所述nmr测量设备包括磁体阵列组件以及被配置来在地层中生成振荡磁场并执行信号接收的发射/接收天线组件(例如，射频(rf)线圈)；

图5描绘nmr测量设备的另一个实施方案的部件，所述nmr测量设备包括磁体组件和发射/接收天线组件；

图6描绘nmr测量设备的实施方案的部件，所述nmr测量设备包括用于发射和接收的天线阵列，所述天线阵列与用于在地层中生成静态场的磁体阵列结合；并且

图7描绘由示例性磁体阵列组件产生的静磁场图以及相对于钻孔和感兴趣的地层体积的场位置的图示。

详细描述

本文描述了用于使用磁共振技术来测量地球地层特征的设备和方法。核磁共振(nmr)设备或工具的实施方案包括：磁体组件，其被配置来生成静磁场；发射器组件，其被配置来生成振荡磁场；以及接收器组件，其被配置用于检测从地层发出的nmr信号。在一个实施方案中，nmr设备是被配置来在一系列深度或位置处进行测量的电缆测井或随钻测井(lwd)装置。

磁体组件的实施方案包括不同磁体(例如，永磁体)的阵列，其中每个磁体具有与邻近磁体的取向不同的所选择的磁取向。所述阵列形成产生静磁场的取向模式，所述静磁场在磁体组件的一侧(例如，在测量过程中朝向地层的侧)处相对较强，并且在磁体组件的另一(例如，相反)侧(例如，在测量过程中最接近钻孔的最大未占用部分的一侧)处相对较弱或最小。示例性取向模式是旋转模式，类似于存在于halbach磁体阵列中的模式。

当部署在钻孔中并且致动以对地层进行nmr测量时，磁体阵列生成静态外部磁场，所述静态外部磁场延伸到地层中的感兴趣的体积中并且在邻近未占用部分钻孔的一侧上较弱或最小。本文描述的实施方案提供各种益处，诸如增加到地层中的探测深度并且增大所收集的地层数据的信噪比(snr)，这可以通过限制数据必须被求平均的次数来允许更快的测井和更高的垂直分辨率，以实现用于后续后处理的足够snr。由于朝向未占用钻孔空间(即，未由设备或工具占用的空间)的静磁场的减小或最小化，附加益处是消除对包括附加rf天线以用于破坏源于钻孔中的nmr信号的需要，从而减小nmr设备的复杂性并改善其可靠性。

磁体阵列可以是磁体的线性阵列、圆周阵列或部分圆周阵列，其在初级侧上生成强磁场，在相对于初级场位置的相对(或邻近)侧上存在弱磁场强度或最小磁场强度。在包括圆周或半圆周阵列的实施方案中，阵列被配置成使得朝向阵列的外部区的磁场最强，而在阵列的内部区域和/或中心处的磁场较弱或最小。一些圆周或半圆周配置可以认为形成“倒置halbach”磁体阵列，因为在相对于阵列的外部体积中的磁场强度最大，这与被配置来在环绕阵列内生成强而均匀磁场(例如，用于样品分析或磁共振成像)的其他圆周halbach布置形成对比。

图1示出井下测量、数据采集和/或分析系统10的示例性实施方案，所述分析系统10包括用于原位测量地球地层12的特征的装置或系统。系统10包括诸如nmr工具14的磁共振设备。磁共振设备的实例是随钻测井(lwd)磁共振工具。工具14被配置来生成用于估计地层特征的磁共振数据，所述地层特征诸如孔隙度、束缚水饱和度、渗透性、碳氢化合物含量和流体粘度。

示例性工具14包括：静磁场源16，其使地层材料磁化；以及发射器组件18(例如，天线或天线组件)，其发射在地层中提供振荡磁场的rf能量或脉冲能量。发射器组件18还可以用于接收功能，或者不同的接收天线可以用于所述目的。可以理解，工具14可以包括如核磁共振或磁共振成像领域中已知的各种部件和配置。

工具14可以被配置为各种地下系统的部件，诸如电缆测井系统和lwd系统。例如，工具14可以并入包括钻头22的钻柱20或其他合适载体内，并且部署在井下，例如在钻井操作过程中从钻机24部署到钻孔26中。工具14不限于本文描述的实施方案，并且可以用替代性传送方法部署在载体中。如本文所述的“载体”意味着任何装置、装置部件、装置组合、介质和/或构件，其可用于传送、容纳、支撑或以其他方式有助于使用另一个装置、装置部件、装置组合、介质和/或构件。示例性非限制性载体包括盘管型钻柱、接合管型钻柱、以及其任何组合或部分。其他载体实例包括：套管、电缆、电缆探头、钢丝绳探头、吊球(dropshot)、井下接头、井底总成和钻柱。

在一个实施方案中，工具14和/或其他井下部件配备有发射设备以最终传达到表面处理单元28。这种发射设备可以采用任何期望的形式，并且可以使用不同的传输介质和方法，诸如有线、光纤和/或无线发射方法。附加处理单元可以与载体一起部署。例如，井下电子单元30包括各种电子部件，以有助于接收信号并收集数据、发射数据和命令、和/或在井下处理数据。表面处理单元28、电子器件30、工具14和/或系统10的其他部件包括提供用于存储和/或处理从工具14和系统10的其他部件收集的数据所必需的装置。示例性装置包括但不限于至少一个处理器、存储装置、存储器、输入装置、输出装置等。

在一个实施方案中，通过核磁共振工具执行磁共振测量，所述核磁共振工具使用一个或多个磁体(例如，磁场源16)在地层内的体积中生成静磁场(b0)。用rf天线在所述体积中生成至少基本上垂直于静磁场的振荡(例如，rf)磁场(b1)。

接收组件检测所激发的nmr信号并且捕获其回到热平衡的弛豫。信号源自由来自地层流体中的单独氢质子的信号的叠加而产生的净磁化。使用一系列自旋回波(即产生回波列)来形成这些信号，所述一系列自旋回波由工具检测、数字处理、并最终在nmr测井中显示。这些自旋回波的振幅被检测为时间函数，从而允许检测初始振幅(即用于孔隙度测量)和信号衰减两者，其可以用于在数据反演过程之后导出其他地层特征和流体特征。

当自旋1/2核的磁矩(诸如氢核的磁矩)暴露于静磁场时，它们相对于静磁场以两个角度(即两个能级)自我定向，并且围绕所施加的静磁场的方向旋进。在相对较低的静磁场和高温下(对于地球地层中的nmr测井工具是典型的)，两个能级具有仅稍微不同的群体，从而产生非常小的净磁化。不幸的是，沿着静磁场的(静态)净磁化无法被检测到，并且需要施加与静态场正交的rf场来使净磁化“倾斜”到横向平面中，在所述横向平面中它旋进并生成可以在施加重新定相脉冲(也称为重聚焦脉冲)之后检测到的较小交变磁场。在提供静磁场时在净磁化中建立平衡的速率通过参数t1来表征，也称为自旋晶格弛豫时间常数。另一参数是自旋-自旋弛豫时间常数t2。t1和t2两者都广泛用于表征地层和地层内所包含的各种流体。

图2示出测量设备的实例，所述测量设备被配置为用于对先前钻探的地层进行测井的nmr工具40。在此实例中，工具40被配置为可以部署在开放钻孔42中的电缆工具。静磁场源包括一个或多个磁体组件44。本文实施方案中描述的磁体组件44是永磁体，但不限于此。在一个实施方案中，磁体组件包括电磁体、永磁体和电磁体的组合、或者与软磁材料组合的磁体。一个或多个发射器和/或接收器天线被设置成紧邻每个永磁体组件44。在此实例中，工具40包括发射器组件，其包括呈发射环形线圈46形式的天线以及呈接收环形线圈48形式的接收天线。天线配置不限于本文所述的配置。例如，天线可以围绕磁体组件周向卷绕或者具有不同的形状或取向。在其他实例中，单个线圈或线圈组可以被配置为发射和接收装置。

例如，工具的其他部件包括探头50或其他载体、以及连接到线圈46和48和/或连接到磁体组件44的电子单元52。电子单元52和/或线圈通过电缆54或其他合适的遥测系统连接到表面位置。

在此实例中，工具40是定向工具，其抵靠钻孔壁放置并且被配置来在地层内的感兴趣体积中生成强磁场。磁体组件44被定向成使得静磁场通常位于垂直于钻孔长度和纵向工具轴线(在此实例中为z轴)的横向(即，x-y)平面中，并且通常被定向成朝向感兴趣的体积。在此实例中，发射线圈46通常被定向在垂直于x轴的平面中，并且至少基本上沿着x轴发射振荡磁场。接收线圈48在与发射线圈46相同的方向上定向。线圈是“侧视的”，因为它们被定向以在围绕纵向钻孔(z定向)轴线的特定角域中发射磁场。可以包括并致动诸如可延展臂56的部件，以将工具40的发射侧推向钻孔壁，以增加感兴趣体积中的场强度并且减少或消除钻孔流体对已获取信号的影响。

图3示出被配置来生成用于磁共振测量的静磁场的磁体阵列组件的各种实施方案。每个实施方案可以并入nmr测量设备中(例如，作为磁体组件44)，或者并入任何其他井下磁共振装置或涉及在地层或钻孔中生成磁场的其他装置中。每个磁体组件包括永磁体60、电磁体、或永磁体和/或电磁体组合的阵列以及由软磁材料制成的芯部。磁体60的阵列被配置来在地层中生成静态外部磁场b0。

每个阵列具有磁场取向的模式，其产生在阵列的一侧(初级侧)上的相对较强磁场以及在阵列的相对或邻近侧上的相对较弱或最小磁场。图3中示出此旋转模式的各种实例，示出在垂直于测量设备的纵向轴线(z轴)的x-y平面中的横截面。由箭头示出每个磁体或磁体段60在此平面中的磁场取向。随着其沿着阵列中的每个邻近磁体60(线性地或沿着圆周路径)前进，每个磁体取向的角度方向或相位根据选定模式而改变。在一个实施方案中，阵列的取向旋转模式类似于halbach阵列的取向旋转模式。

图3中示出磁体阵列的示例性模式。针对每种示例性模式，示出阵列几何形状、磁取向和相关联的b0场。尽管这里示出的组件是圆柱形或半圆柱形，但也可以使用其他形状和横截面。在一个实施方案中，如图3所示，阵列中的磁体60被放置成彼此接触并且通过任何合适的手段彼此附连。在一些实例中，磁体60形成沿着可由工具的外周62限定的圆周路径围绕组件中心卷绕的阵列。

第一示例性磁体组件64包括形成全部或部分圆柱体的楔形或饼状磁体60的阵列。当阵列64在沿着圆柱体圆周的角度方向上前进时，每个磁体60的取向方向旋转，使得每个磁体阵列段具有一定取向，所述取向具有相对于参考径向方向(例如，x轴)(与邻近的磁体阵列段)不同的角度。在一个实施方案中，阵列是部分的，从而使阵列的与发射侧相对的区域是空的或者包含软磁性材料，以包含场并且为组件(例如，铁骨架部分)提供结构支持。

第二组件66包括围绕空中心部分以半圆形模式布置的磁体60的阵列，其可用作用于路由缆绳或流体的导管或者用于为提供结构支持的材料提供空间。在此实例中，阵列中的交替磁体60(即，每隔一个的磁体)具有在朝向或远离组件66的中心的径向方向上的取向，并且整个b0场模式离开工具并沿主要径向方向进入地层。

被称为方位角组件的第三组件68还包括围绕非磁性中心段以半圆形阵列布置的楔形磁体阵列(尽管也可以使用饼形或类似形状)。此组件还具有由软磁材料制成的一个阵列段，从而提供结构支持并提供用于包含场的磁路。在此实例中，在工具前部生成的初级b0场横贯与感兴趣地层体积中的工具成方位角的路径，即与阵列的圆形路径相切并且与组件66中形成的路径互补。

图3还示出磁体60的线性阵列的实施方案。组件70、72和74各自包括形成实心圆柱体的磁体阵列，尽管也可以采用具有软磁材料、空隙空间和/或提供结构支持的材料的类似构型。磁体60的阵列线性地(例如，沿着y轴)前进，并且当磁体60从阵列的一端前进到另一端时，阵列中的磁体60的取向旋转。

在图3所示的每个实施方案中，磁体组件被配置来生成静磁场b0，其在nmr测量设备的朝向感兴趣体积的一侧上相对较强和/或具有较大面积。以这种方式，可以将所述场施加到钻孔壁和/或地层区域，同时生成邻近初级场或朝向钻孔的最大未占用部分的较小或最小的磁场强度。

作为说明，图3示出由每个阵列生成的b0磁场，其是阴影的以示出磁场的相对强度。包括指示相对场强的图例，以示出范围从较高磁场强度到逐渐变弱的场强度的磁场梯度。磁场图84、86、88、90、92和94分别表示组件64、66、68、70、72和74的磁场。在一个实施方案中，如图3所示，每个组件设置在地层98中的钻孔96中，尽管组件可以在其他地点处或其他位置中定位在钻孔96中。

如图所示，由静磁场b0覆盖的面积和b0场的强度都在阵列的一侧上比在阵列的相对侧上明显更大。此外，阵列组件64、66和68各自示出磁性材料的区域空隙中的减少或最小的磁场强度，诸如围绕阵列段的旋转轴线并且邻近未占用钻孔空间的主要区域的区域。这些磁体组件配置允许nmr设备或工具被致动以在地层中的钻孔外部的感兴趣体积中生成强磁场，同时在钻孔的内部区域中生成相对较弱或最小的磁场。

图4和图5示出磁共振工具100的部件的实施方案，所述磁共振工具100包括永磁体阵列102以及被配置来发射和/或接收磁共振信号的至少一个rf天线组件。图4示出方位角halbach阵列的实例，并且图5示出饼形halbach阵列的实例。永磁体阵列102生成磁场b0，其在工具前部和x-y平面中具有在方位角方向上的磁通，其中理想地没有或具有最小的z定向场。在图4和图5中，磁场取向被示出为一系列箭头。

rf天线组件被配置来在给定频率范围内发射振荡磁场b1。在一个实施方案中，工具100包括被配置为环形线圈104的天线，所述环形线圈104具有矩形路径并且通常符合阵列102的一侧(垂直于x-y平面)的外表面。环形线圈104发射磁场b1，所述磁场b1大体上在沿着中心线圈轴线的径向方向上定向。在图4和图5中，b1场的方向用箭头图示出。

在一个实施方案中，天线包括沿着磁体阵列102的长度(即纵向方向)延伸的一个或多个环形线圈的组合。图6示出nmr设备的示例性配置，所述nmr设备包括永磁体阵列和用于扩展灵敏度的rf天线组件。

图4和图5示出包括磁体组件的nmr设备的实施方案，所述磁体组件具有以半圆柱形构型的磁体阵列，并且在工具前部(即面向感兴趣的地层体积)具有方位角静态场取向。天线组件包括环形线圈104，其被方位角上定位，使得环形线圈的内部磁场朝向地层内的感兴趣体积。磁体阵列的磁场b0具有与由rf天线形成的磁场大部分正交的方向。

取决于诸如b0场的方向性和分布的考虑，天线组件的各种部件可以以不同的方式布置。例如，将需要替代性天线配置来形成与图3的实施方案66中所示的场正交的场。

磁共振测量设备可以包括围绕工具圆周分布的天线组件的阵列。每个天线组件可用于生成b1场，使得可以询问较大的感兴趣体积，并且改善测量的垂直分辨率和或snr。

例如，图6示出沿着磁体阵列组件的长度分布的多元件天线结构。多元件结构提供沿着测量设备的独特灵敏度。rf天线阵列结构可包括不同的发射组件、接收组件或者适于发射和接收的组件。

图7包括示出由各种实施方案形成的静态场的场图，并且展示此类实施方案的各种有利方面。在感兴趣的地层体积(较高场是更好的)中以及在钻孔(较低场是优选的)中，将多个圆形和线性磁体阵列与具有等效横截面积的常规单向磁体在场强度方面进行比较。所述图还被示出为与钻孔116以及围绕钻孔116的地层区域中的感兴趣体积118有关。行120示出与具有单向磁体组件的工具相关联的b0场图，并且被提供用于比较目的。行122、124和126示出分别包括饼形阵列64、径向阵列66、方位角阵列68的工具的场图。行128、130和132示出分别包括线性阵列70、72和74的工具的场图。

结果指示，具有本文描述的磁体阵列实施方案的工具在它们对于在nmr测井中增强nmr测量的整体灵敏度的适用性方面优于其他磁体配置(例如，单向组件)。如图7所示，相对于单向配置，此类实施方案具有朝向最大未占用钻孔区的显著减少的b0强度，以及在感兴趣的地层体积中的较大的磁场强度。

尽管本文描述的实施方案主要包括永磁体，但是据设想，也可以通过在以其他方式类似的磁体阵列中组装的电磁体来形成高强度外部磁场。

本文所述的测量设备和磁体组件可以在用于估计地层特征的各种方法中使用。示例性方法包括将井下nmr测量作为电缆测井和/或lwd操作的一部分。方法可以结合系统10和/或nmr设备的实施方案来执行，但不限于此。方法包括以下描述的一个或多个阶段。在一个实施方案中，方法包括以所述顺序执行所有阶段。然而，可以省略某些阶段，可以添加阶段，或者可以改变阶段的顺序。

在第一阶段中，将nmr或其他磁共振测量工具部署到钻孔中。在一个实施方案中，工具(例如，工具14)被部署为裸眼井电缆操作的一部分，或者在钻井过程中部署为lwd操作的一部分。工具包括具有如上所述的旋转或交替取向模式的永磁体阵列。

在第二阶段中，在周围地层体积中生成静磁场b0，并且从至少一个发射天线发射射频(rf)或其他脉冲信号，这进而在感兴趣体积中生成振荡磁场b1。至少一个接收天线响应于感兴趣的核自旋与静磁场和振荡磁场之间的相互作用来检测来自所述体积的nmr信号，并且生成原始nmr数据。原始nmr数据包括在多个深度处测量的自旋回波列。在多个深度处生成nmr数据，在此过程中工具可以是移动的或静止的。在一个实施方案中，在足够数量的深度处生成数据，使得可以生成连续或近似连续的nmr测井。

在第三阶段中，分析nmr数据以估计地层的特征。例如，将自旋回波数据转换为t2弛豫时间的分布。可以随后使用t2分布来估计渗透性和流体特性，或者执行流体分类或更高级的岩石物性分析。

本文描述的设备、系统和方法具有优于现有技术的设备和技术的各种优点，包括增加的测量snr、改进的垂直分辨率和增加的测井速度。

例如，本文所述的测量设备的实施方案改进感兴趣地层体积中的b0磁场强度，同时最小化其中部署设备的钻孔中的b0场。其他优点包括构建较小直径工具的能力，所述较小直径工具具有与具有用于电缆nmr测井的较大行业标准外径的工具一致的性能。较小的工具可以进入更多的井，并且减少工具卡住的可能性。

由低渗透性岩石和快速t2弛豫来表征的非常规储层是许多测井和勘探操作的目标，并且预期此类储层的开采在未来会增加。本文描述的实施方案相对于现有技术展现出增加的灵敏度，这可以有助于对非常规储层的准确评估并且增强流体分类能力。

测井速度由于其与成本的关系是重要的性能规格。测井速度直接受snr的限制，因为不足的数据质量必须通过信号叠加(求平均)来补偿，这根据叠加数据集的数量的平方根来改进snr，但是在测井速度方面基本上牺牲了效率。由本文所述的实施方案生成的改进snr是进一步有利的，因为其允许测井速度的增加。

探测深度(doi)受到永磁体强度和天线灵敏度的组合的限制。本文描述的实施方案提供可以改进doi进入感兴趣体积中的磁场(如图7所示)，这可以有助于减少泥浆滤液入侵区的影响。因此，相对于具有较浅doi的现有技术配置，本实施方案可以有助于在包含泥浆滤液的地层中以较高准确度进行测量(例如，孔隙率和渗透性)。在接近由磁体阵列生成的初级场的高b0场梯度中，二维流体分类也被增强。

结合本文的教导，可以使用各种分析和/或分析部件，包括数字和/或模拟子系统。系统可具有部件，诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线、无线、脉冲泥浆、光学或其他)、用户接口、软件程序、信号处理器以及其他此类部件(诸如电阻器、电容器、电感器等)，以便以本领域众所周知的若干方式中的任何一种来提供本文公开的设备和方法的操作和分析。认为这些教导可以但不必结合计算机可读介质上存储的计算机可执行指令集来实现，所述计算机可读介质包括存储器(rom、ram)、光学(cd-rom)或磁性(磁盘、硬盘驱动器)或者在被执行时引起计算机实现本发明的方法的任何其他类型。除了本公开中描述的功能之外，这些指令可提供设备操作、控制、数据收集和分析以及由系统设计人员、所有者、用户或其他此类人员认为相关的其他功能。

本领域技术人员将认识到，各种部件或技术可以提供某些必要或有益的功能或特征。因此，支持所附权利要求及其变型可能需要的这些功能和特征被认为固有地包括为本文教导的一部分以及所公开的本发明的一部分。

虽然已经参考示例性实施方案描述本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并且可使用等效物来取代其元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，本领域技术人员将理解许多修改以便使特定仪器、情况或材料适应本发明的教导。因此，意图本发明不限于作为考虑用于执行本发明的最佳模式公开的特定实施方案。