隨鉆核磁共振測井探測器構(gòu)建方法研究

李新 ，羅嗣慧，肖立志*，孫哲，汪正垛

1 中國石化石油工程技術(shù)研究院頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101

2 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

0 引言

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)測量儀器和方法在物理、化學、材料科學、生命科學和醫(yī)學等領(lǐng)域中具有廣泛應用，尤其在巖石孔隙介質(zhì)研究領(lǐng)域占有重要地位。目前，核磁共振測井被認為是確定油氣儲層地質(zhì)參數(shù)最有效的方法之一，其最大的優(yōu)點是測量得到的地層孔隙度與巖性無關(guān)，并具有獨特的儲層流體(油、氣和水)的定性識別和定量評價能力[1-2]。

隨鉆核磁共振測井儀工作在極端環(huán)境下，代表了井下核磁共振測量的最新進展和方向[3-4]。目前國際上具有代表性的隨鉆核磁共振測井儀器主要有：Halliburton公 司 的MRIL-WD[5]、Schlumberger公 司的proVISION[6]，proVISION Plus[7]和Baker Hughes公 司 的MagTrak[8]。Saudi Aramco與Baker Hughes、Halliburton成功應用了小井眼隨鉆核磁共振測井儀器[9-11]。隨后Baker Hughes和Schlumberger推出大直徑儀器[12-13]，擴展了隨鉆核磁共振測井的應用范圍。

國內(nèi)外研究人員不斷探索新的隨鉆核磁共振測井探測器結(jié)構(gòu)，以期適應其苛刻的工況條件。李新等系統(tǒng)總結(jié)了隨鉆核磁共振面臨的特殊問題和探測器特性[14-15]。MRIL-WD采用偶極雜散場測量縱向弛豫時間T1的方案，其他商業(yè)探測器方案則基于Jackson的“Inside-Out”結(jié)構(gòu)[16-18]設(shè)計，適應鉆井過程中儀器隨鉆具的軸向轉(zhuǎn)動和徑向振動[19]。最近，基于軸對稱的環(huán)狀梯度敏感區(qū)域的三維核磁共振探測器模型設(shè)計也被提出[20]，用于地層巖石物理參數(shù)非均質(zhì)性的探測。

本文提出一種新的隨鉆核磁共振測井探測器方案，基于傳統(tǒng)“Inside-Out”結(jié)構(gòu)通過主磁體與聚焦磁體組合實現(xiàn)磁體系統(tǒng)設(shè)計。首先給出磁體結(jié)構(gòu)和磁場分布，分析隨鉆條件下的天線設(shè)計特點，討論頻率調(diào)諧與阻抗匹配模板，制作探測器原理樣機，搭建測試裝置，驗證了設(shè)計方案的合理性和可行性。

1 探測器優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

核磁共振測井儀器主要由探測器、電子線路和控制采集處理軟件三大系統(tǒng)組成。其中，探測器的設(shè)計與制作決定儀器的基本特性、解釋模型的建立和測井資料解釋應用的可靠性。早期的地磁場測井儀利用天然地磁場作為靜磁場，現(xiàn)代核磁共振測井儀探測器均使用永磁體和射頻天線的方案：永磁體產(chǎn)生磁場強度遠大于地磁場強度的人工靜磁場；天線發(fā)射交變電磁場，因工作頻率處于射頻頻率范圍內(nèi)被稱為射頻磁場，同時接收來自地層中的核磁共振信號。

1.1 聚焦型磁體設(shè)計與實現(xiàn)

探測器設(shè)計的整體方案采用多組磁體結(jié)構(gòu)組合的模式，如圖1(a)所示。主磁體結(jié)構(gòu)為兩組管狀磁體，并相對地放置于鉆鋌之中，每組管狀磁體又分別由多個相同的小磁環(huán)組成，沿井軸方向極化充磁，管狀磁體內(nèi)部作為鉆井液循環(huán)的通道，如圖1(b)所示。此例中，主磁體的長度為30 cm，考慮到加工的難度，由長度為5 cm的磁環(huán)進行組合粘接而成。探測器管狀磁體組合的外徑13.0 cm，內(nèi)徑6.1 cm，滿足放置在外直徑17.15 cm的標準無磁鉆鋌中的尺寸要求，同時在磁體外部留出厚度為2.07 cm的鉆鋌骨架空間。在探測器的中部，磁場方向由儀器縱軸方向進入地層，環(huán)形聚焦磁體以一定規(guī)律放置在主磁體之間，通過不同的縱向距離組合優(yōu)化來調(diào)節(jié)靜磁場的強度、梯度和在井眼附近地層中的分布。聚焦磁體整體為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由多個輻向充磁的瓦狀型磁體粘接而成。圓心為S極，圓周為N極，如圖1(c)所示。單組聚焦磁體由32 片小瓦型磁體構(gòu)成，單個小磁體開角為11.25°，高度分別為18 mm和60 mm。共設(shè)計了四組聚焦磁體，每種高度各兩組。磁體材料選擇高溫、高強度、高硬度的釤鈷材料。

利用電磁仿真軟件考察了磁體系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)坐標系下產(chǎn)生的靜磁場分布。核磁共振測井儀探測器體積很大，在其電磁場的數(shù)值模擬中，根據(jù)探測器結(jié)構(gòu)特點進行優(yōu)化。電纜核磁共振測井儀為了滿足較快的測速，探測器上下兩端使用預極化磁體實現(xiàn)靜磁場分布在儀器縱軸方向較長的范圍內(nèi)保持一致。通常認為這種探測器結(jié)構(gòu)在三維空間中垂直于縱軸的每個橫截面上的磁場分布是相同的，進而將三維磁場分布問題轉(zhuǎn)化為探測器中心橫截面處的平面磁場分布問題。隨鉆核磁共振測井儀要求軸對稱的敏感區(qū)形狀，可轉(zhuǎn)化為二維軸對稱磁場問題。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)示意圖(單位:cm)Fig. 1 Diagram of NMR probe for new concept implement

如圖2 所示，儀器周圍與敏感探測地層區(qū)域范圍內(nèi)具有相同磁感應強度大小的磁場均處于儀器內(nèi)部，因此環(huán)空中鉆井液中的液態(tài)氫核不具有與敏感區(qū)相同的共振頻率，井眼流體對測量結(jié)果無影響，信號全部來自于地層敏感區(qū)。距儀器中心Z= 16cm敏感區(qū)域中靜磁場磁感應強度約為207.49 × 10-4T，對應的共振頻率約為883.49 kHz，具有較高的頻率和信號強度。此探測深度上的靜磁場梯度(G=11.88×10-4T/cm)適中，有利于消除儀器徑向振動對測量的影響。敏感探測區(qū)域的縱向高度約為15 cm，是該探測器靜止測量所能達到的最高地層厚度縱向分辨率。利用數(shù)字高斯計空間定位的方式對靜磁場分布進行了測量。圖3 為實際測量的磁場與模擬磁場結(jié)果的對比。圖3(a)為磁場強度隨著探測深度的變化，而圖3(b)則是在Z=16 cm處，磁場強度沿著探測器軸向方向上的變化。磁場的縱向?qū)崪y分布與模擬數(shù)值的磁場偏差小于±2.5%，驗證了設(shè)計方案。

1.2 天線與諧振電路

核磁共振探測器的天線是由線圈作為非理想電感元件L與電容C組成的RLC諧振電路。發(fā)射時，天線中要施加高電壓和大電流，用來產(chǎn)生射頻磁場B1，并持續(xù)一段時間，使測量區(qū)域的樣品的宏觀磁化矢量扳轉(zhuǎn)一定的角度。低場核磁共振電路設(shè)計中，為了避免耦合干擾，采用收發(fā)一體的天線設(shè)計方案。考慮到隨鉆核磁共振測井要在儀器旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下測量，因此采用螺線管結(jié)構(gòu)天線，能產(chǎn)生與徑向靜磁場天然垂直且軸對稱的射頻場B1，并將諧振電路進行頻率阻抗調(diào)節(jié)與電子線路輸出阻抗匹配。

圖4 左圖展示了四種諧振電路基本結(jié)構(gòu)，圖4(a)為簡單的串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，諧振時天線的阻抗為

圖2 探頭形成的靜磁場磁感應強度等勢線分布(縱剖面)Fig. 2 Static magnetic flux density distribution of the novel sensor

圖3 靜磁場測量結(jié)果Fig. 3 Measurement results of B0 distribution

圖4 核磁共振探頭諧振電路結(jié)構(gòu)與天線實物Fig. 4 Tuning circuit structures and NMR probe

式中，Rres為諧振電路阻抗；Q為線圈的品質(zhì)因數(shù)；ω0為諧振電路角頻率。

串聯(lián)諧振電路對于實際工作中的器件和高Q狀態(tài)來說，其諧振阻抗通常很小。因此發(fā)展出諧振電路圖4(b)，它可以被認為是提高了阻抗的串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，電路中的主電流被C1和C2分流，電流分配比例為C2/(C1+C2)，該結(jié)構(gòu)由于阻抗范圍合理而應用較多。共振狀態(tài)下，阻抗(實部)增加程度與電流分配比例的平方成反比關(guān)系：

C1和C2并聯(lián)作用，滿足關(guān)系式ω2L(C1+C2) =1時達到共振狀態(tài)條件。

圖4(c)所示中為并聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)，共振時的阻抗實部為

式中，r為諧振電路內(nèi)阻。

該結(jié)構(gòu)對于實際器件性能和高Q電路狀態(tài)來說，阻抗值偏大。圖4(d)的諧振電路可看作是被降低了阻抗的并聯(lián)諧振，屬于電容分壓結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將線圈兩端電壓按C/C2的比例分壓，其中C為C1和C2的串聯(lián)組合值

共振狀態(tài)下(ω2LC＝1)天線的阻抗為

根據(jù)上述分析，結(jié)構(gòu)4(b)和4(d)在阻抗調(diào)節(jié)方面具有相對較強的調(diào)諧靈活性，根據(jù)對應諧振電路的阻抗Rres的計算公式和電子線路部分阻抗的要求，計算所需要阻抗條件下所需電容值C1和C2，從而完成阻抗匹配。阻抗匹配主要與電路功率放大器輸出阻抗匹配。隨鉆核磁共振測井屬于低場核磁共振范疇，共振頻率通常低于2MHz，為了實現(xiàn)較寬的脈沖頻率帶寬，天線通常在低Q狀態(tài)下工作。實際測井條件下，通常需要根據(jù)實際情況對天線進行井下調(diào)諧。例如，井底溫度的改變影響磁體強度，進而使敏感區(qū)域內(nèi)氫核的共振頻率發(fā)生變化，天線諧振頻率也需做相應調(diào)整。結(jié)構(gòu)4(c)的優(yōu)點是調(diào)整相對靈活和容易，降低了對備用可調(diào)電容陣列和電路的要求，但對天線設(shè)計有一定要求和限制。

利用電路計算方法獲得了如圖5 所示的兩類實用探頭前端調(diào)諧圖版。調(diào)諧中需要注意阻抗匹配過程中容值的變化同時引起諧振頻率的偏移，實際操作中是一個迭代逼近的過程。以天線的Q值100、共振頻率883 kHz為例，所得圖版能夠提供重要指導，提高調(diào)諧效率。圖5(a)反映了分流電容調(diào)節(jié)時，天線電感的變化；圖5(b)反映了天線阻抗較小時，改變圖4(b)所示電路C1和C2電容，其阻抗增大的規(guī)律；圖5(c)反映了分壓電容調(diào)節(jié)時，天線電感的變化；圖5(d)反映了天線阻抗較大時，改變圖4(d)所示電路C1和C2電容，其阻抗降低的規(guī)律。天線的品質(zhì)Q由天線本身的電感、內(nèi)阻和工作頻率所決定，在制作天線時，先測量電感與內(nèi)阻得到Q值，與目標阻抗相比，根據(jù)圖版就可以得知天線的阻抗需要提升或降低多少，以及C1和C2的容值需要增加還是減小。

為了實現(xiàn)發(fā)射的射頻B1場與B0場匹配良好并形成圓環(huán)(圓柱殼)敏感區(qū)，使得地層核磁共振信號來源在軸向方位上沒有盲區(qū)，從而達到探頭隨鉆具所做軸向旋轉(zhuǎn)運動對測量結(jié)果沒有影響的目的，設(shè)計射頻天線基于螺線管結(jié)構(gòu)，測試階段采用寬度為1.5 cm、厚0.2 mm的紫銅材料在聚氯乙烯(PVC)管狀骨架上繞制而成，工程應用階段設(shè)計為采用柔性電路板(FPCB)刻蝕技術(shù)制作，起到在探頭劇烈機械運動中保護天線電路的作用。通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，增加在縱向上的射頻場強度均勻性。

隨鉆核磁共振測井儀探測器的骨架為無磁金屬材料，對天線的電性參數(shù)具有很大影響。聚焦磁體位于天線線圈內(nèi)部，聚焦磁體材料的相對磁導率μr≈1.1，不會起到與磁芯相同的增強B1場的作用，但其電導率σ= 625 kS/m，對于頻率為883.49 kHz射頻磁場產(chǎn)生明顯的趨膚效應，顯著改變天線電感。測量時將天線安裝在磁體和骨架之后，采用整體聯(lián)合測試獲得最接近真實工作狀態(tài)下的屬性值，如圖4 右圖所示。本文設(shè)計的天線沒有使用磁芯，因此不考慮磁芯的作用。測試電子譜儀阻抗約為500 Ω，采用圖4(d)的調(diào)諧匹配電路調(diào)節(jié)天線阻抗。根據(jù)隨鉆核磁共振測井儀探頭樣機實施方案設(shè)計，采用安捷倫阻抗分析儀E4294A對天線進行測試，測得天線參數(shù)為：諧振頻率883.00 kHz，電感3.95uH，阻抗505.68 Ω，滿足測試要求。

圖5 核磁共振探頭諧振電路調(diào)節(jié)圖版Fig. 5 Tuning and matching chart of NMR probe circuits

2 探測器的測試與驗證

為驗證隨鉆核磁共振探測器設(shè)計方案，制作了實驗室條件下測試的全尺寸的探頭原理型實物，并將探測器與電子儀和信號采集系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試，通過刻度裝置的信號觀測考察探測器設(shè)計方案。

2.1 信號采集電子系統(tǒng)方案

根據(jù)實驗室條件下測試核磁共振測井儀探頭的需求和特點，設(shè)計開發(fā)了一套適用于隨鉆核磁共振探頭測試的數(shù)據(jù)通訊與采集系統(tǒng)與自主研制的電子線路[21]組合，搭建了低場核磁共振探測器測試與試驗平臺，其框圖如圖6 所示。

整個核磁共振探頭測試平臺的工作流程為：(1)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置采集指令；(2)通過信號采集控制模塊為井下電子線路的發(fā)射電路和接收電路提供控制時序；(3)主控電路控制產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)模擬電路功率放大器放大后通過天線將能量以射頻電磁波脈沖的形式發(fā)射激發(fā)核磁共振現(xiàn)象；(4)天線快速切換到接收模式接收核磁共振信號，前置放大器將天線檢測到的微弱核磁共振信號放大后進行數(shù)字化；(5)信號經(jīng)過編碼傳輸?shù)娇偩€上，由采集軟件通過采集卡接收到計算機中進行一系列數(shù)據(jù)處理和顯示。

核磁共振測量過程中的數(shù)據(jù)流和軟件系統(tǒng)功能如圖6 所示，軟件系統(tǒng)采用功能模塊化結(jié)構(gòu)：(1)上位機與硬件系統(tǒng)的建立通信，檢測儀器硬件狀態(tài)實施質(zhì)量控制；(2)編寫儀器工作指令、數(shù)據(jù)采集模式和儀器參數(shù)，控制儀器進行頻率掃描、儀器刻度和數(shù)據(jù)采集工作；(3)對各種觀測模式采集得到的核磁共振信號數(shù)據(jù)進行傳輸、識別、解碼和信號提?。?4)核磁共振信號的預處理、快速反演、直觀顯示和數(shù)據(jù)存儲。

圖6 通訊采集軟件功能與數(shù)據(jù)流Fig. 6 Data stream and functions of acquisition software

2.2 測試過程和結(jié)果分析

通過實驗室搭建的配套測試平臺在刻度水箱(長寬高1.1 m × 0.6 m × 0.6 m)模擬100%孔隙度地層的條件下觀測核磁共振信號。圖7 為實現(xiàn)近均勻場敏感區(qū)信號觀測的探頭實物。為驗證設(shè)計方案，在刻度測試平臺上與電子線路連接，對探頭進行聯(lián)合調(diào)試和信號觀測。

測試樣品為刻度箱內(nèi)具有一定濃度的CuSO4溶液。通過調(diào)節(jié)天線兩端施加電壓改變射頻脈沖B1的強度，所有測試對天線兩端施加電壓均為940 V，90°脈沖持續(xù)時間設(shè)置為40 μs。信號觀測方式為標準CPMG測量，分別進行了改變測量參數(shù)TW和TE的兩組測量，其測量結(jié)果如圖8 所示。

在變TW測量實驗中，設(shè)定天線發(fā)射頻率f0=883.0 kHz，脈沖序列參數(shù)：TE= 2.4 ms，RA= 8，TW= 1.7 s和5.1 s時測得的兩組回波串信號如圖8(a)所示。對回波串進行多指數(shù)反演后得到的T2分布如圖8(b)所示，T2范圍10-3～ 102s，對數(shù)布點100 個。不同TW數(shù)據(jù)得到的T2分布峰值位置一致，約為1200 ms；TW越長對應的T2分布的幅度越高，驗證了探頭的可靠性。

圖7 探測器實物與水箱Fig. 7 Prototype sensor and water tank

圖8 CPMG測量結(jié)果Fig. 8 CPMG experimental measurements

在變TE測量實驗中，設(shè)定TW = 8 s，進行改變TE的CPMG測量，觀察回波串信號衰減速率的變化。TE= 1.2 ms、2.4 ms、3.6 ms時測得的3 組回波串信號如圖8(c)所示，RA= 8。單組回波串信號呈指數(shù)衰減規(guī)律。敏感區(qū)靜磁場梯度的存在使較長TE值采集得到的回波串信號衰減速率變快，首波信號幅度略有下降。將回波串進行多指數(shù)反演得到的T2分布如圖8(d)所示。反演參數(shù)：T2范圍10-3～ 102s，對數(shù)布點100 個。回波串信號衰減速率變快表現(xiàn)為不同TE數(shù)據(jù)分布得到的T2分布峰值向短弛豫方向移動，分別為1205 ms、534 ms和266 ms，幅度減小不大，驗證了探頭方案的可行性。

3 結(jié)論與建議

本文提出一種隨鉆核磁共振探測器方案，在標準無磁鉆鋌尺寸約束范圍內(nèi)，通過引入聚焦磁體、優(yōu)化探測器材料和結(jié)構(gòu)開發(fā)新的敏感區(qū)域，制作了全尺寸樣機和測試裝置，完成了核磁共振信號測試。

(1)新探測器采用聚焦環(huán)磁體優(yōu)化主磁體結(jié)構(gòu)，生成的敏感探測區(qū)域共振頻率具有較高的頻率和信號強度；靜磁場梯度適中，有利于減小儀器徑向振動對測量的影響。

(2)優(yōu)化后的探測器具有較深的探測深度，敏感探測區(qū)域在井壁深處仍保持一定高度，有利于探測原狀地層信息。

(3)建立了天線頻率和阻抗的調(diào)諧模板，提高了調(diào)節(jié)效率；制作的天線與測試電路匹配良好，實現(xiàn)了變參數(shù)脈沖序列的核磁共振自旋信號靜態(tài)觀測。

(4)研究探測器在運動條件下的信號響應和影響因素，搭建測試裝置開展對比驗證是下一步的工作方向。