專利名稱：井下使用的熱穩(wěn)定磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此公開的發(fā)明涉及核磁共振測(cè)量。特別地，本發(fā)明涉及提供熱穩(wěn)定的磁場(chǎng)。
背景技術(shù)：
地球物理勘測(cè)要求鉆孔達(dá)到地球內(nèi)部非常深的地方。這些孔通常稱為"鉆井"，用 來提供測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造的特性的途徑。 測(cè)井是用于從鉆井對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，"測(cè)井儀器"在 線纜的端部被下放到鉆井內(nèi)。測(cè)進(jìn)儀器通過該線纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面進(jìn)行記錄。在另一個(gè) 實(shí)施例中，測(cè)井儀進(jìn)行隨鉆測(cè)量，并且不使用線纜。測(cè)井儀器的輸出可以是多種形式，并且 可以被稱為"測(cè)井記錄(log.)"。 一種測(cè)量涉及使用核磁共振(NMR)來測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造的特 性。用于隨鉆測(cè)量(measurementihile-drilling)的NMR測(cè)井儀器的實(shí)例是德克薩斯州休 斯敦的貝克休斯公司(Baker Hughes Incorporated of Houston,Texas)生產(chǎn)的MAGTRAK。
NMR使用磁場(chǎng)來極化原子核以測(cè)量原子核的NMR特性。在一個(gè)實(shí)施例中，通過永磁 體來提供該磁場(chǎng)。使用恒定的磁場(chǎng)大小來確保準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果是有益的。但是，磁場(chǎng)大小 可能由于磁體溫度的變化而改變。由于鉆井深處的溫度通常遠(yuǎn)高于地球表面的溫度，所以 磁體溫度可能發(fā)生改變。 標(biāo)準(zhǔn)的永磁體具有負(fù)溫度系數(shù)。負(fù)溫度系數(shù)意味著磁體的磁場(chǎng)大小隨著溫度的升 高而可逆性地減小。有多種途徑來對(duì)負(fù)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。 —種方法要求保持磁體溫度恒定。 一般來說，這種方法要求磁體被加熱到比井下 預(yù)期最高溫度更高的溫度。使用這種方法有一些缺點(diǎn)。其一是需要額外的設(shè)備，如溫度控 制器。其次是需要為加熱提供額外的能量，并且該能量必須分布在磁體周圍。另外，磁體的 熱穩(wěn)定時(shí)間可能會(huì)花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。另一個(gè)考慮是，溫度穩(wěn)定需要一定量的隔離材料，對(duì)此在 井下應(yīng)用中具有有限的空間。特別是，在執(zhí)行隨鉆測(cè)量的NMR儀器中空間是有限的。例如 在井下NMR應(yīng)用中，當(dāng)加熱磁體不可行時(shí)，可以使用信號(hào)補(bǔ)償。 信號(hào)補(bǔ)償方法要求NMR波譜儀(spectrometer)的參考頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例變 化。當(dāng)波譜儀的參考頻率與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例時(shí)，在地質(zhì)構(gòu)造中，NMR共振條件將保持在相同 位置。信號(hào)補(bǔ)償方法同樣具有一些缺點(diǎn)。 一個(gè)缺點(diǎn)是要求額外的電子設(shè)備，例如可變頻率 發(fā)生器。另一個(gè)缺點(diǎn)是，可能需要重新調(diào)整NMR傳感器的共振器及其他相關(guān)的共振器。另 外，由于測(cè)量條件的變化(例如，改變的諧振脈沖振鈴信號(hào)或改變的電干擾敏感性)，改變 的磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率可能會(huì)使校準(zhǔn)更加困難。 另一試圖提供恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法要求使用電磁體。該電磁體可以通過繞永磁體
3纏繞線圈形成。來自線圈的磁場(chǎng)可以補(bǔ)償變化的永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度。使用電磁體同樣有一些缺點(diǎn)。例如，線圈需要額外的電子器件，例如調(diào)節(jié)線圈電流的控制回路。線圈同樣消耗額外的能量和并需要空間，該空間可能無法在井下NMR儀器中獲得。 另一種提供溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)在美國專利US6， 577， 125B2中公開，該專利的發(fā)明名禾爾為"Temperature Compensated Magnetic Field Apparatus For NMRMeasurements，，，于2003年6月10日公布，其后續(xù)申請(qǐng)是美國專利US6，803，761B2，該專利的發(fā)明名稱為"Temperature Compensated Magnetic Circuit",于2004年10月12日公布。公開了 "兩個(gè)磁體具有帶相同符號(hào)的不同磁溫度系數(shù)，并且第一磁體的磁化方向與第二磁體的磁化方向之間的夾角大約為180度。"使用兩個(gè)相對(duì)的磁場(chǎng)的一個(gè)缺點(diǎn)是總的磁場(chǎng)大小小于在沒有相對(duì)磁場(chǎng)情況下可獲得的大小。 因此，所需要的是在NMR儀器中提供具有"基本上"恒定的大小的磁場(chǎng)的技術(shù)。優(yōu)選的，該技術(shù)不涉及能量消耗或需更具有相對(duì)磁場(chǎng)的磁體組件。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種用于估計(jì)由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測(cè)井儀器，所述儀器具有在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在該鉆井的溫度范圍上呈現(xiàn)大小"基本上"恒定的磁場(chǎng)。 還公開了一種在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振(NMR)測(cè)量的方法，所述方法包括選擇適合在所述鉆井內(nèi)使用的測(cè)井儀器，所述儀器包括在所述鉆井的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場(chǎng)的磁體；以及用所述儀器執(zhí)行所述NMR測(cè)量。 進(jìn)一步公開了一種生產(chǎn)在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測(cè)量的測(cè)井儀器的方法，所述方法包括選擇在所述鉆井的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場(chǎng)的磁體；以及將所述磁體設(shè)置到所述儀器內(nèi)。


在本說明書結(jié)論部分的權(quán)利要求書中特別指出并清楚要求保護(hù)本發(fā)明所涉及的主題。本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說明顯而易見，在附圖中 圖1示出了穿入地層的鉆井內(nèi)的測(cè)井儀器的示例性實(shí)施例； 統(tǒng)稱為圖2的圖2A和圖2B示出了熱穩(wěn)定磁體的示例性實(shí)施例； 圖3表示在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測(cè)量的示例性方法；以及 圖4表示生產(chǎn)測(cè)井儀器的示例性方法。
具體實(shí)施例方式
這些教導(dǎo)提供了一種用于測(cè)井儀器中的熱穩(wěn)定的磁體。該磁體在整個(gè)溫度范圍上提供"基本上"恒定的磁場(chǎng)大小。"基本上"在上下文中的含義是變化的大小小于每攝氏度0.02%。在一個(gè)實(shí)施例中，該磁體呈現(xiàn)"基本上"為O值的溫度系數(shù)。該磁體對(duì)于使用測(cè)井儀器執(zhí)行核磁共振(NMR)測(cè)量是有益的。該磁體的好處是，相對(duì)于先前利用一般呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)的永磁體所獲得的測(cè)量結(jié)果，該磁體提供更加精確的NMR測(cè)量結(jié)果。
為方便起見，做出如下定義。術(shù)語"溫度系數(shù)"是指一個(gè)數(shù)學(xué)因數(shù)，其將磁體的磁 場(chǎng)大小變化與該磁體的溫度變化相關(guān)聯(lián)。公式(1)以數(shù)學(xué)項(xiàng)的形式給出了溫度系數(shù)的一個(gè) 例子。 B(T) = B(T0) (1+a AT) (1) 其中B(T)代表了在溫度T磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，T。代表參考溫度，a代表溫度
系數(shù)，并且AT代表該磁體的溫度變化(T-T。)。 具有負(fù)溫度系數(shù)的磁體隨著溫度升高呈現(xiàn)減小的磁場(chǎng)大小。相反地，具有正溫度 系數(shù)的磁體隨著溫度升高呈現(xiàn)增大的磁場(chǎng)大小。關(guān)于確定溫度系數(shù)，可以通過集成的通量 計(jì)測(cè)量該磁體的磁通量。作為選擇，可以通過霍爾傳感器(Hall sensor)測(cè)量測(cè)井儀器外 部的勘測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)。雖然此處的這些教導(dǎo)討論的是磁場(chǎng)，但是術(shù)語"磁場(chǎng)"同樣也涉及磁
通量密度。 術(shù)語"熱穩(wěn)定"涉及在用戶關(guān)注的溫度范圍上呈現(xiàn)"基本上"為0的溫度系數(shù)的磁 體。熱穩(wěn)定磁體在測(cè)井儀器工作的鉆井內(nèi)所預(yù)期的溫度范圍上表現(xiàn)出相對(duì)于磁體的溫度變 化，相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)的大小變化很小或者沒有變化。鉆井內(nèi)的溫度通常隨著深度而升高。因 此，測(cè)井儀器被設(shè)計(jì)為在高達(dá)大約175t:或更高的溫度下工作。當(dāng)在此處使用引號(hào)內(nèi)的術(shù)語 "基本上"時(shí)，其指變化的大小小于0. 02%每攝氏度。 術(shù)語"核磁共振測(cè)量"涉及測(cè)量地質(zhì)構(gòu)造的特性。NMR測(cè)量包括測(cè)量在極化 (polarizing)磁場(chǎng)中的原子核的進(jìn)動(dòng)。此處的這些教導(dǎo)提供了用于提供極化磁場(chǎng)的熱穩(wěn)定 磁體。 參考圖1，示出了測(cè)井儀器10，其設(shè)置在鉆井2中。鉆井2鉆探穿過地層7并 穿透地質(zhì)構(gòu)造4，所述地質(zhì)構(gòu)造4包括多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造層4A-4E。測(cè)井儀器10通過使用配 有鎧裝電纜6或者本技術(shù)領(lǐng)域已知的類似運(yùn)輸工具降入到鉆井2中以及從鉆井2中退 出。示出了磁體5，其設(shè)置在該測(cè)井儀器10內(nèi)或該測(cè)井儀器10上。如在此處所使用的， 測(cè)井儀器10的非限定的實(shí)施例可以包括外殼、底架、電子設(shè)備、布線和天線中的至少一個(gè) 以用于執(zhí)行核磁共振(NMR)測(cè)量。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，此處公開的這些技術(shù)能 夠應(yīng)用到其他實(shí)施例中，例如在隨鉆記錄(loggingihile-drilling， LWD)或者隨鉆測(cè)量 (measurement-while-drilling,麗D)操作。在LWD應(yīng)用中，測(cè)井儀器10是鉆頭上方的鉆 柱底部的底部鉆具組合(bottom hole assembly, BHA)的一部分。 圖2示出了磁體5的示例性實(shí)施例。在圖2A的實(shí)施例中，該磁體5包括中空?qǐng)A 柱形狀。根據(jù)測(cè)井儀器10的類型，磁體5的磁化基本上沿橫向20或軸向21。例如，在 MAGTRAK NMR LWD儀器中的磁體沿軸向21磁化，從而在地質(zhì)構(gòu)造4中提供低的徑向場(chǎng)梯度。 該MAGTRAK儀器由得克薩斯州休斯敦的貝克休斯公司生產(chǎn)。該磁體5在地質(zhì)構(gòu)造4的勘測(cè) 體積內(nèi)提供磁化原子核。因此，在鉆井2的整個(gè)溫度范圍上，該磁體5在勘測(cè)體積內(nèi)提供 "基本上"恒定的磁場(chǎng)大小。 參考圖2，磁體5的示例性實(shí)施例可以包括釤鈷合金(SmxCoy)。某些具有專有權(quán) 的合金可以使用，包括SmxCoy。這些具有專有權(quán)的合金可作為REC0MA⑧STAB由Precision Magnetics LLC of Valparaiso, Indiana獲得，并且使用了 Sm2Co17禾口 SmCo5中的至少一禾中。 用來構(gòu)造磁體5的材料的另一個(gè)例子是釹鐵硼(NdFeB)?？梢圆捎闷渌褂昧?Sn^COy、釹鐵 硼、或其他材料的實(shí)施例，其中，這些材料呈現(xiàn)磁體5所需的性能。例如，其他稀有元素，例
5如釓(Gd)或鋱(Tb)，可以用來部分地替換Sm,COy中的Sm。在一個(gè)實(shí)施例中，百分之五十的 Sm被替換為Gd。圖2B示出了作為在所關(guān)注的溫度范圍上的磁場(chǎng)大小相對(duì)于磁體5的溫度 的曲線圖的斜率的磁體5的示例性溫度系數(shù)。參考圖2B，該溫度系數(shù)"基本上"為0。
鉆井2內(nèi)的高溫可能導(dǎo)致測(cè)井儀器IO的部件(例如磁體5)熱膨脹。熱膨脹的結(jié) 果是在地質(zhì)構(gòu)造4的測(cè)量位置的磁場(chǎng)大小的損失。在一些實(shí)施例中，可以使用正溫度系數(shù) 來構(gòu)造磁體5，以補(bǔ)償由于磁體5或測(cè)井儀器10的熱膨脹而導(dǎo)致的磁場(chǎng)大小的損失。
圖3給出了在鉆井2中執(zhí)行NMR測(cè)量的示例性方法30。該方法30要求選擇31適 合在鉆井2中使用的測(cè)井儀器10。該測(cè)井儀器10包括熱穩(wěn)定磁體5。進(jìn)一步地，該方法30 要求執(zhí)行32使用儀器10的NMR測(cè)量。 圖4給出了制造在鉆井2中執(zhí)行NMR測(cè)量的測(cè)井儀器10的示例性實(shí)施例40。該 方法40要求選擇41熱穩(wěn)定磁體5。進(jìn)一步地，該方法40要求將所述熱穩(wěn)定磁體5設(shè)置42 到所述測(cè)井儀器10中。 上面給出的這些具體實(shí)施方式
是說明性的而不是要限制到此處的教導(dǎo)。例如，其 他實(shí)施例可以使用多于一個(gè)磁體。進(jìn)一步地，這些教導(dǎo)包括使用不同形狀的磁體。這些例 子包括采用圓柱形和矩形形狀中的至少一種的磁體。當(dāng)使用圖1中給出的測(cè)井儀器10的 實(shí)施例執(zhí)行NMR測(cè)量時(shí)，能夠想到在測(cè)井儀器10中使用磁體5在鉆井2中執(zhí)行要求磁場(chǎng)在 溫度范圍上具有"基本上"恒定的磁場(chǎng)大小的其他類型的測(cè)量或功能。
在提及實(shí)施例的元件時(shí)使用了冠詞"一"或"一個(gè)"。這些冠詞意圖表示具有一個(gè) 或多個(gè)元件。術(shù)語"包括"和"具有"及其衍生詞意圖是包含性的，使得除了所列的這些部 件外還可以具有附加的部件。當(dāng)對(duì)于具有至少兩個(gè)項(xiàng)的列表使用連詞"或者"時(shí)，意圖表示 任意項(xiàng)或者這些項(xiàng)的組合。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到不同的組件或技術(shù)可以提供某些必要的或有益的功能 或特性。因此，支持所附的權(quán)利要求及其變化所需的這些功能和特性，被認(rèn)為是作為此處教 導(dǎo)的一部分和本發(fā)明所公開的一部分而被固有地包含。 雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明范圍 的前提下可以進(jìn)行各種變化，并且等效物可以替換其要素。此外，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍 的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到多種修改以使特定儀器、情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教 導(dǎo)。因此，希望本發(fā)明不限于作為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所預(yù)期的最佳實(shí)施方式公開的特定實(shí)施例，但 是本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括落入所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的全部實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種用于估計(jì)由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測(cè)井儀器，所述儀器包括(a)在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在所述鉆井的溫度范圍上呈現(xiàn)大小“基本上”恒定的磁場(chǎng)。
2. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述儀器執(zhí)行核磁共振NMR測(cè)量。
3. 如權(quán)利要求2中所述的儀器，其中所述磁場(chǎng)施加到所述地質(zhì)構(gòu)造的勘測(cè)體積。
4. 如權(quán)利要求1中所述的測(cè)井儀器，其中所述范圍包括大約Ot:到大約200°C。
5. 如權(quán)利要求4中所述的測(cè)井儀器，其中所述范圍包括大約2(TC到大約175°C。
6. 如權(quán)利要求5中所述的測(cè)井儀器，其中所述范圍包括大約4(TC到大約150°C。
7. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述磁體的溫度系數(shù)被確定為 B(T) = B(T0) (1+a AT)，其中B(T)代表由所述磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小，T代表所述磁體的溫度，T。代表參考溫 度，a代表所述溫度系數(shù)，并且AT代表所述磁體的溫度變化(T-T。)。
8. 如權(quán)利要求7中所述的儀器，其中所述溫度系數(shù)"基本上"為0。
9. 如權(quán)利要求7中所述的儀器，其中所述溫度系數(shù)為正數(shù)，以補(bǔ)償所述測(cè)井儀器和所 述磁體中至少一個(gè)的熱膨脹。
10. 如權(quán)利要求1中所述的儀器，其中所述磁體包括合金，該合金包括Sm^c^和SmCo5 中的至少一個(gè)。
11. 如權(quán)利要求10中所述的儀器，其中至少一部分的Sm被不同的稀土元素所替代。
12. 如權(quán)利要求ll中所述的儀器，其中所述不同的稀土元素是釓(Gd)和鋱(Tb)中的 至少一種。
13. 如權(quán)利要求l中所述的儀器，其中所述磁體包括合金，所述合金包括NdFeB。
14. 一種在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振(NMR)測(cè)量的方法，所述方法包括(a) 選擇適合在所述鉆井內(nèi)使用的測(cè)井儀器，所述儀器包括在所述鉆井內(nèi)的溫度范圍 上提供大小"基本上"恒定的磁場(chǎng)的磁體；以及(b) 使用所述儀器執(zhí)行所述NMR測(cè)量。
15. —種生產(chǎn)在鉆井內(nèi)執(zhí)行核磁共振測(cè)量的測(cè)井儀器的方法，所述方法包括(a) 選擇在所述鉆井內(nèi)的溫度范圍上提供大小"基本上"恒定的磁場(chǎng)的磁體；以及(b) 將所述磁體設(shè)置到所述儀器中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)由鉆井穿透的地質(zhì)構(gòu)造的特性的測(cè)井儀器，所述儀器具有在所述儀器上和/或在所述儀器內(nèi)設(shè)置的磁體，其中所述磁體在該鉆井中的溫度范圍上呈現(xiàn)大小“基本上”恒定的磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)G01V3/32GK101772715SQ200880101521
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
發(fā)明者M·布蘭茲 申請(qǐng)人:貝克休斯公司