CN110761782B - 一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测井装置，属于石油钻井工程技术领域，具体是涉及一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置。包括仪器探头，所述仪器探头包括：在轴向上间隔一定距离设置的两个管柱状磁体，每个管柱状磁体组包括若干个沿轴向依次设置的磁环，每个磁环由若干个扇形磁块构；绕置于线圈支架上的探头天线，其外部设置有天线套筒，所述天线套筒上开有槽体；其中，所述线圈产生的射频场与所述管状磁体产生的静磁场正交匹配。因此，本发明的优点是：可用于地质导向钻井作业中，同时随着井深的增加可以根据环境温度对NMR测量数据进行调整，保证测量结果的准确度。

Description

一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置

技术领域

本发明涉及一种测井装置及方法，属于石油钻井工程技术领域，具体是涉及一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置。

背景技术

将核磁共振技术(NMR)应用于井下环境中，其基本原理是利用地层中氢原子核与磁场相互作用发生共振以实现对地层信息的观察和测量，该项技术不受岩石骨架的影响，能够直接获取孔隙度信息，并且探测工具不含放射源，对环境影响小，更有利于现场施工作业。

随着低、深、海、非等复杂油气藏越来越多的成为勘探开发的对象，核磁共振测井技术也面临着新的技术挑战，尤其是现阶段页岩油气的开发，使水平井技术得到大规模的应用，而作为水平井钻井利器之一的地质导向技术将是今后井眼轨迹控制技术钻井工具的发展方向。地质导向工具在水平井作业过程中，钻孔的井周地层是不均匀的，而地质导向作业对地层信息的方位性要求很高，因此需要探测工具具备较强的方位分辨能力。方位随钻核磁共振技术可以实现各个方向的原状地层信息探测并实时上传给地面系统，有助于钻井工程师进行实时的钻井决策，保证井眼轨迹处在目的层中。

现有技术中的方位随钻核磁共振测井装置及方法不具备方位分辨能力，在井下难以根据环境温度的变化调整测量方法以保证测量数据的质量，难以实时准确地校正补偿NMR测量结果。

因此，对现有技术中的用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置及方法进行改进，以满足不同应用场景的需求，是当前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明目的是解决现有技术所存在的上述问题及不足之处，提供一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置及方法，该装置及方法具有方向敏感性，可用于地质导向钻井作业中，在钻具处于旋转或滑动钻进模式下均能适用，同时随着井深的增加可以根据环境温度对NMR测量数据进行调整，保证测量结果的准确度。

为解决上述问题，本发明的方案是：

一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，包括仪器探头，所述仪器探头包括：

在轴向上间隔一定距离设置的两个管柱状磁体，每个管柱状磁体组包括若干个沿轴向依次设置的磁环，每个磁环由若干个扇形磁块构；

绕置于线圈支架上的探头天线，其外部设置有天线套筒，所述天线套筒上开有槽体；

其中，所述线圈产生的射频场与所述管状磁体产生的静磁场正交匹配。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，

所述管柱状磁体沿径向从内至外依次包括磁极磁钢，磁极磁钢包布、磁体外保护套筒。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，所述探头天线包括：

软磁材料构成的圆筒状套筒，位于所述圆筒状套筒外部的线圈支架，套于所述线圈支架上上的线圈，位于所述线圈外的高强度钢化玻璃套筒；

所述线圈支架材质为聚四氟乙烯，其中间位置均匀设置螺旋线槽，所述线圈绕制于螺旋线槽中，线圈两端出线经过小孔引出。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，

所述天线套筒沿轴向分为对称的两个半圆形筒体结构；并且至少一个所述半圆形筒体结构上开有槽体。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，

所述天线套筒沿轴向分为对称的两个半圆形筒体结构；并且仅一个所述半圆形筒体结构上开有槽体。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，

还包括：储能短节，用于为发射电路储存高压电能，所述储能短节由多个电容组串联和/或并联组成，各电容组通过滤波模块与射频发射电路相连。

优选的，上述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，

还包括：测控电子电路短节，其包括：主控电路，与主控电路相连的电源变换电路，上位机，随钻方位测量电路，射频发射电路，回波采集电路，所述射频发射电路和所述回波采集电路与探头天线总成相连。

一种利用上述装置进行测井的方法，包括：

无方位测量模式，用于对钻具方位不敏感的随钻测井作业中，具体为：在天线套筒上下两部分均设置刻槽，从所述刻槽向周向发射射频脉冲，通过刻槽接收从地层返回的核磁共振回波信号。

优选的，上述的一种利用上述装置进行测井的方法，包括：

滑动方位测量模式，用于在滑动钻进的过程中，采集带有方位核磁共振回波信号，具体为：将所述天线套筒沿轴线分为两半，仅在其中一半设置刻槽，通过方位传感器测得的方位数据以判断地层的孔隙度信息。

优选的，上述的一种利用上述装置进行测井的方法，包括：

旋转方位测量模式，用于获取持续旋转钻进的钻具周向地层的方位孔隙度信息，具体为：将所述天线套筒沿轴线分为两半，仅在其中一半设置刻槽，利用所述刻槽面随钻具旋转完成对周向所有角度地层的探测，所述刻槽每旋转到每一个角度，记录探头天线接收的回波信号、该位置方位传感器获取的方位信号以及转速传感器记录的当前位置当前时间的钻具转速，通过记录的数据获取该位置、该方位下探头设置有刻槽的天线外罩对应的地层孔隙度值。

因此，本发明的优点是：可用于地质导向钻井作业中(钻具处于旋转或滑动钻进模式均适用)，同时随着井深的增加可以根据环境温度对NMR测量数据进行调整，保证测量结果的准确度。

附图说明

并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。

图1为方位随钻核磁共振测井装置总体结构；

图2为探头上部主磁体单元结构图；

图3为探头下部主磁体单元结构图；

图4为天线总成结构示意图；

图5为天线外保护罩结构图；

图6为探头与测控电子电路短节转接结构示意图；

图7为探头共振区静磁分布示意图；

图8为共振天线绕制方法示意图；

图9为一种天线调谐电容组合示意图；

图10为装置储能短节结构框图；

图11为装置测控电子电路系统结构框图；

图12为方位随钻核磁共振测量方法流程。

将参照附图描述本发明的实施例。

具体实施方式

实施例

本实施例提供的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置主要由无磁钻铤、钻井液通道、主磁体组、射频天线、控制及通讯电路、测量及存储电路、天线调谐电路、温度传感器、方位传感器、转速传感器、数据处理及压缩模块以及各种保护与减振结构组成，可根据地面指令或预置程序通过各项传感器反馈向地层发射射频脉冲，而后通过接收天线采集回波信号进行处理及反演后，将地层孔隙度信息储存于仪器内或经MWD上传至地面系统，供作业工程师进行实时钻井决策，优化井眼轨迹，确保钻具更多的处于目的储层中。下面分别进行介绍。

(一)装置机械本体结构

本实施例中，装置总体结构如图1所示，整套系统由103储能短节、104测控电子电路短节及105探头短节组成，102无磁钻铤作为上述功能模块的载体，101钻井液通道是钻具泥浆循环的重要组成部分。

仪器探头105由主磁体组、发射天线、磁体及天线保护套筒、电容调谐电路、天线测量单元、密封、耐磨及保护结构等主要模块构成。

主磁体组由磁极相对的上下两个管柱状永磁体组成，两磁体轴向间距可选择350-550mm之间。图2为上半部探头结构外观及上部永磁体磁钢周向展开示意图。上半部探头主要包括：与其它短节进行电连接及机械连接的接头、主磁体总成上部永磁钢、磁体包布及磁体组外保护套筒等。永磁体为环状结构，6块扇形磁块粘接为一个磁环，充磁方向为轴向，10个磁环轴向粘接为整个磁钢。钻铤材质为无磁材料，磁钢与钻铤之间没有相互作用力，在本实施例中，磁极磁钢组装的方式有两种：1、磁钢不充磁，将每个小磁块通过高强度厌氧胶粘接到钻铤表面后，再进行整体充磁；这个工艺流程的优势是粘接难度低，装配过程安全可靠，但整支探头工具超过2m，需要大型充磁机才能完成整体充磁，而且磁场分布不够均匀，充磁效果不理想，整改困难；2、小磁块先行充磁，然后通过自制工装将磁钢固定在钻铤表面，通过高强度厌氧胶粘接固定，其工艺流程相对复杂，装配风险高，粘接周期较长，但充磁比较均匀且整改方便。在本实施例中，可选择磁环与磁环之间的粘接缝隙错开30°至60°如图2中磁钢布局图所示，可进一步保证静磁场的周向均匀性。

图3所示为下半部探头结构，包括与其它井下仪器进行电连接及机械连接的接头、主磁体总成下部永磁钢、磁体包布、外保护套筒、天线测量及调试电路舱体等。下半部永磁体与上半部永磁体粘接结构相同，磁极相对。磁体外保护套筒可选无磁钛合金材质，如TC4等型号，通过O型或山型密封圈等结构将磁体与外部环境隔绝，避免空气和钻井液进入舱体内部，保护磁钢不受腐蚀，防止电子电路短路。通过过线孔及天线测量与调试舱体，可对核磁共振探头的各项电气功能进行调试并实现功能拓展，也可选择将储能短节103及测控电子电路短节104置于探头下方，通过对接结构可以实现电气系统的连接与调试。

探头天线是共振发射及回波信号接收的关键单元，本实施例采用电磁耦合的方式测量共振信号，仅对待测地层区域的拉莫尔进动频率一定带宽内的信号有响应，因此使用收发一体的螺线管状结构天线，如图8所示，其产生的射频场与主磁体生成的静磁场可以进行正交匹配，根据静磁在待测地层中的磁场强度，可计算出天线工作频率，通过在天线下方埋设电容调谐模块，实现天线工作频率的调谐。在本实施例中，一种可选的静磁场强度为130Gs至150Gs之间，则天线工作频率应介于550kHz与650kHz之间，调谐电容可选择40nF，固定电容40nF，如图9所示，该电容组与探头天线通过串联或并联的方式，优化天线频率。

从机械结构上，如图4所示，天线总成包括软磁材料、高强度钢化玻璃、调谐电容舱体、线圈支架及出线过线结构等。在本实施例中，软磁结构作为可选装置，其主要作用为改善静磁场均匀度，增强线圈发射及接收信号幅值，软磁件为圆环结构，沿轴线切开，通过四个内六角螺钉固定在一起，套接在钻铤上。线圈支架材质可选择聚四氟乙烯，在中间位置均匀设置螺旋线槽，探头天线线圈绕制在螺旋线槽中，探头天线的材质可选择铜箔或漆包线等，线圈两端出线经过小孔引出。共振发射线圈完成测试后，需要整体灌封，保证电路不受外界环境影响，外层设置高强度钢化玻璃套筒主要作用是保护线圈及软磁材料免受冲击压力破坏。

探头天线最外层结构为图5所示的天线保护套筒，整个套筒由上半部501及下半部502组成，槽体503的主要作用是使发射电磁波能够不被套筒屏蔽进入地层，同时也可使地层回波信号顺利被天线采集，上下两部分可根据测量模式(本实施例中提供三种测量模式)的不同选择是否进行刻槽，如上下半环均刻槽或上部刻槽、下部外套无刻槽等组合方式，套筒通过螺钉结构504固定在钻铤上。

上保护接头如图6所示，该部分接头可设计为双母扣结构，在接头中部设置耐磨带。该保护接头的作用：1)在钻井过程中，频繁的起下钻和使用测量仪器，保护接头可避免探头本体的端扣受损，一旦探头本体端口受损，整支探头都将面临报废风险；2)接头内部可设置过线孔或四芯滑环等电连接结构，便于探头与其他模块的电子电路连接，为探头电线供电或通讯。

(二)电气系统结构

储能短节103的主要功能是为发射电路储存大量高压电能，确保仪器在井下能持续发射20kW级的射频脉冲，本实施例提供一种实现该短节的原理框图。储能短节由大量电容组串联或并联组成，可选择多块电容串联成为一个电容组，而后多个电容组并联。在射频脉冲发射间隙，储能模块通过井下电源供电补充储存电能，在脉冲发射时，为发射电路提供能量，主控模块可以通过滤波模块实现对储能模块的放电控制。

测控电子电路短节104实现的功能包括接收上位机及MWD的命令、上传随钻核磁测量数据、控制系统工作方式、发射高压脉冲、采集天线接收的回波信号等，根据功能可分为电路控制及测量数据处理两大部分。整套电路系统供电需由井下电源实现，可选择涡轮发电机或电池组，当选用涡轮发电机时，需增加电源变换电路模块，作为其它模块工作时所需的直流稳压电源。主控电路的功能为与上位机通讯、下发上位机命令、控制仪器工作及上传数据等，是整个电路系统的核心单元。在本实施例中，将射频发射电路所需的激励信号单元集成于主控模块中，通过主控模块的DSP芯片产生固定频率及带宽的脉冲信号。射频发射电路接收该激励信号，在储能短节提供的电力能量下，产生大功率发射信号，可选择增加发射滤波模块，对该信号进行滤波，降低噪声，而后通过探头天线向地层发射。回波采集电路需内置前置放大模块，对地层返回的回波信号进行放大，对前放输出的信号进行处理后，传输给主控模块，可选择存储于装置中或上传给上位机供钻井工程师调整井眼轨迹。

(三)方位随钻核磁共振测量方法

(1)模式一：无方位信息测量方法。该模式用于对钻具方位不敏感的随钻测井作业中，探头天线外罩上下两部分501、502均选择刻槽板，无论钻具处于停钻、滑动钻进或旋转钻进时，探头天线均可透过天线外罩的刻槽向周向360°发射射频脉冲，同时亦可通过刻槽接收从地层返回的核磁共振回波信号，该信号经数据处理及反演计算后，可选择储存在仪器中，或通过MWD上传至地面上位机。

(2)模式二：滑动方位测量方法。在本实施例中，该方法是指钻具在滑动钻进的过程中，采集带有方位核磁共振回波信号。在该模式中，探头天线外罩上部分501选择刻槽板，下部分选择无刻槽的全封闭盖板，在该结构下，探头天线只能透过501外罩上的刻槽向地层发射射频脉冲，也仅能透过该刻槽接收地层回波信号，此时，探头所采集到的数据只反映探头上半部分对应方位的地层信息，在滑动模式钻进情况下，结合方位传感器测得的方位数据，即可判断该方向地层的孔隙度信息。若钻具在滑动钻进过程中，由于BHA横向振动等原因造成方位变化，需要重新获取方位传感器数据，以对方位孔隙度信息做进一步的处理。

(3)模式三：旋转方位测量方法。当需要获取持续旋转钻进的钻具周向地层的方位孔隙度信息时，可采取该种测量模式。在本实施例中，认为钻具的旋转钻进在短时间内的转速是一定的，如遇到卡钻等特殊情况，需要根据现场作业工况进一步处理。在该工作模式时，探头天线外罩结构与模式二相同，探头天线外罩上部分501选择刻槽板，下部分选择无刻槽的全封闭盖板，在该结构下，探头天线只能透过501外罩上的刻槽向地层发射射频脉冲，同时透过刻槽接收地层回波信号。该种模式下，钻具处于旋转钻进状态，探头的上半部刻槽会随着钻具的旋转，做周向360°的旋转运动，即其刻槽面将随着钻具的旋转完成对周向所有角度地层的探测。因此，在旋转到每一个角度的位置，探头反演计算模块需要探头天线接收的回波信号、该位置方位传感器获取的方位信号以及转速传感器记录的当前位置当前时间的钻具转速，通过这3个数据，可完整的描述该位置、该方位下探头上半部天线外罩对应的地层孔隙度值。可通过数据存储单元将计算结果存储在装置中，或通过MWD上传到地面上位机中。

本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，包括仪器探头(105)，所述仪器探头(105)包括：

在轴向上间隔一定距离设置的两个管柱状磁体，两个管柱状永磁体的磁极沿轴向相对设置，每个管柱状磁体组包括若干个沿轴向依次设置的磁环，多个扇形磁块沿周向粘接形成所述磁环，相邻所述磁环的粘接缝隙错开30°至60°；

绕置于线圈支架上的探头天线，套于所述线圈支架上的线圈，其外部设置有天线套筒，所述天线套筒上开有槽体(503)；

其中，所述线圈产生的射频场与所述管柱状磁体产生的静磁场正交匹配；

所述天线套筒沿轴向分为对称的两个半圆形筒体结构；并且至少一个所述半圆形筒体结构上开有槽体；

用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置具有三种测量模式，包括：

无方位测量模式，用于对钻具方位不敏感的随钻测井作业中，具体为：在天线套筒上下两部分均设置刻槽，从所述刻槽向周向发射射频脉冲，通过刻槽接收从地层返回的核磁共振回波信号；

滑动方位测量模式，用于在滑动钻进的过程中，采集带有方位核磁共振回波信号，具体为：将所述天线套筒沿轴线分为两半，仅在其中一半设置刻槽，通过方位传感器测得的方位数据以判断地层的孔隙度信息；

旋转方位测量模式，用于获取持续旋转钻进的钻具周向地层的方位孔隙度信息，具体为：将所述天线套筒沿轴线分为两半，仅在其中一半设置刻槽，利用所述刻槽面随钻具旋转完成对周向所有角度地层的探测，所述刻槽每旋转到每一个角度，记录探头天线接收的回波信号、该位置方位传感器获取的方位信号以及转速传感器记录的当前位置当前时间的钻具转速，通过记录的数据获取该位置、该方位下探头设置有刻槽的天线外罩对应的地层孔隙度值。

2.根据权利要求1所述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，其特征在于，

所述管柱状磁体沿径向从内至外依次包括磁极磁钢，磁极磁钢包布、磁体外保护套筒。

3.根据权利要求1所述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，其特征在于，所述探头天线包括：

软磁材料构成的圆筒状套筒，位于所述圆筒状套筒外部的线圈支架，套于所述线圈支架上的线圈，位于所述线圈外的高强度钢化玻璃套筒；

所述线圈支架材质为聚四氟乙烯，其中间位置均匀设置螺旋线槽，所述线圈绕制于螺旋线槽中，线圈两端出线经过小孔引出。

4.根据权利要求1所述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，其特征在于，还包括：储能短节(103)，用于为发射电路储存高压电能，所述储能短节(103)由多个电容组串联和/或并联组成，各电容组通过滤波模块与射频发射电路相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于地质导向的方位随钻核磁共振测井装置，其特征在于，还包括：测控电子电路短节(104)，其包括：主控电路，与主控电路相连的电源变换电路，上位机，随钻方位测量电路，射频发射电路，回波采集电路，所述射频发射电路和所述回波采集电路与探头天线总成相连。