СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР) С ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬЮ ПО АЗИМУТУ
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE (NMR) DOWNHOLE TOOL WITH SELECTIVE AZIMUTH

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001]
Для данной заявки испрашивается приоритет предварительной патентной заявки США № 61/872,362, поданной 30 августа 2013 года и озаглавленной "Получение данных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) из подземной области". Настоящим приоритетная заявка включается в данную заявку посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002]
Данное описание относится к скважинным инструментам ядерного магнитного резонанса (ЯМР(NMR)) с избирательностью по азимуту, например для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0003]
В области каротажа (например, кабельного каротажа, каротажа во время бурения (LWD) и измерений в процессе бурения (MWD)) инструменты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) получили распространение при исследовании подземной среды на основе магнитных взаимодействий с материалом подземной среды. Некоторые скважинные ЯМР-инструменты содержат магнитный узел, который создает статическое магнитное поле, и узел катушки, который генерирует радиочастотные (РЧ) сигналы управления и обнаруживает явления магнитного резонанса в материале подземной среды. Свойства материала подземной среды могут быть определены на основе обнаруженных явлений.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0004]
На фиг. 1A приведена схема примера скважинной системы.
[0005]
На фиг. 1B приведена схема скважинной системы, содержащей ЯМР-инструмент в среде кабельного каротажа.
[0006]
На фиг. 1C приведена схема скважинной системы, содержащей ЯМР-инструмент в среде каротажа в процессе бурения (LWD).
[0007]
На фиг. 2А приведена схема примера исполнения скважинного инструмента для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0008]
На фиг. 2B приведена схема другого примера исполнения скважинного инструмента для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0009]
На фиг. 3A представлен график, иллюстрирующий избирательность по азимуту для примера скважинного инструмента.
[0010]
На фиг. 3B приведена схема другого примера скважинного инструмента для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0011]
На фиг. 4A приведена блок-схема, иллюстрирующая пример методики для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0012]
На фиг. 4В приведена блок-схема, иллюстрирующая другой пример методики для получения ЯМР-данных из подземной области.
[0013]
Одинаковые ссылочные символы на различных чертежах обозначают одинаковые элементы.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0014]
В некоторых реализациях ЯМР-инструмент способен предоставлять практичные решения для получения ЯМР-данных из подземной среды. В некоторых случаях инструмент может обеспечить повышенное значение отношения сигнала к шуму (SNR) (например, при заданном энергетическом бюджете по постоянному току), невосприимчивость к перемещениям, избирательность по азимуту для измерений либо комбинацию этих или других преимуществ. В некоторых случаях прибор может быть устойчивым к неблагоприятному воздействию окружающей среды и предоставлять достоверную или точную информацию для анализа подземной среды.
[0015]
Некоторые примеры конфигураций скважинного ЯМР-инструмента включают в себя по сути двухмерную (2D) дипольную установку поперечного излучения в качестве как магнитного узла, так и антенного узла. Магнитные поля, создаваемые магнитом и антеннами, могут иметь осевую однородность (т.е. однородность вдоль длинной оси ЯМР-инструмента), что подходит для использования во время перемещения по оси. В некоторых случаях возможно использование более широкого диапазона возбуждения (насыщения ядерной намагниченности), например для обеспечения осевой симметрии (округлости) при работе с инструментом данного типа. В некоторых реализациях скважинный ЯМР-инструмент сконфигурирован с возможностью создания не симметричных относительно оси магнитных полей при использовании магнитного узла, создающего радиальное магнитное поле, и антенного узла, генерирующего продольное РЧ магнитное поле (и имеющего также чувствительность в продольном направлении).
[0016]
В некоторых случаях ЯМР-инструмент способен создавать продольное статическое магнитное поле в представляющем интерес объеме. В некоторых примерах инструмент содержит множество дипольных антенн поперечного излучения (например, две идентичные дипольные антенны поперечного излучения), которые создают поле возбуждения с круговой поляризацией и обеспечивают обнаружение с помощью квадратурной катушки. Возможно использование конструкции с множеством ортогонально направленных антенн, например, с магнитом на основе продольного диполя, создающим осевое статическое магнитное поле в представляющем интерес объеме. В некоторых примерах инструмент включает в себя конструкцию с множеством объемов, в которой различные участки магнитного узла используются для приема ЯМР-сигнала. В некоторых примерах исследуемая область имеет форму, подходящую для измерений во время спуска-подъема бурового снаряда (т.е. при перемещении бурового снаряда в стволе скважины). Некоторые примеры реализации включают в себя комбинацию отклика симметричной относительно оси дипольной антенны поперечного излучения и отклика симметричной относительно оси характеристики монопольной антенны, что может в некоторых случаях обеспечить однонаправленные измерения ЯМР с разрешением по азимуту.
[0017]
На фиг. 1A приведена схема примера скважинной системы 100а. Пример скважинной системы 100а включает в себя систему 108 ЯМР-каротажа и подземную область 120 под поверхностью 106 земли. Возможно наличие в системе дополнительных или других отличительных признаков, не показанных на фиг. 1A. Например, скважинная система 100а может также содержать дополнительные компоненты системы бурения, системы кабельного каротажа и др.
[0018]
Подземная область 120 может включать в себя одну или большее количество подземных формаций или зон целиком или частично. Пример подземной области 120, показанный на фиг. 1A, включает в себя несколько подземных пластов 122 и ствол скважины 104, проходящий через подземные пласты 122. Подземные пласты 122 могут включать в себя слои осадочных пород, слои горных пород, песчаные слои или комбинации подземных слоев этих или других типов. Один или большее количество подземных слоев может содержать текучие среды - такие как соляной раствор, нефть, газ и др. Несмотря на то, что на фиг. 1A показан в качестве примера вертикальный ствол скважины104, система 108 ЯМР-каротажа может быть реализована с другим расположением ствола скважины. Например, система 108 ЯМР-каротажа может быть адаптирована к горизонтальным стволам скважин, наклонным стволам скважин, изогнутым стволам скважин, вертикальным стволам скважин или к их комбинациям.
[0019]
Пример системы 108 ЯМР-каротажа включает в себя каротажный инструмент 102, наземное оборудование 112 и компьютерную подсистему 110. В примере, иллюстрируемом фиг. 1A, каротажный инструмент 102 представляет собой скважинный каротажный инструмент, действующий при расположении его в стволе скважины 104. Пример наземного оборудования 112, показанный на фиг. 1A, действует на поверхности 106 или выше нее, например, вблизи устья скважины 105, чтобы управлять каротажным инструментом 102 и, возможно, другим скважинным оборудованием или другими компонентами скважинной системы 100. Пример компьютерной подсистемы 110 рассчитан на прием и анализ результатов каротажа от каротажного инструмента 102. Система ЯМР-каротажа может включать в себя дополнительные или иные отличительные признаки, и отличительные признаки системы ЯМР-каротажа могут быть скомпонованы и приведены в действие, как показано на фиг. 1A, или по-иному.
[0020]
В некоторых случаях, компьютерная подсистема 110 может быть целиком или частично выполнена в виде составного элемента наземного оборудования 112, каротажного инструмента 102 или того и другого либо может быть интегрирована с одним или большим количеством их компонентов. В некоторых случаях компьютерная подсистема 110 может быть выполнена в виде одной или большего количества компьютерных структур, отделенных от наземного оборудования 112 и каротажного инструмента 102.
[0021]
В некоторых реализациях компьютерная подсистема 110 встроена в каротажный инструмент 102, при этом компьютерная система 110 и каротажный инструмент 102 могут работать одновременно во время нахождения их в стволе скважины 104. Например, несмотря на то, что в примере на фиг. 1А показана компьютерная система над поверхностью 106 земли, компьютерная подсистема 110 может целиком или частично располагаться ниже поверхности 106 - например, в месте расположения каротажного инструмента 102 или вблизи него.
[0022]
Возможно наличие в скважинной системе 100а коммуникационного или телеметрического оборудования, позволяющего компьютерной подсистеме 110, каротажному инструменту 102 и другим компонентам системы 108 ЯМР-каротажа обмениваться данными между собой. Например, каждый из компонентов системы 108 ЯМР-каротажа может содержать один или большее количество приемопередатчиков или аналогичных устройств для проводной или беспроводной передачи данных между различными компонентами. Например, система 108 ЯМР-каротажа может включать в себя системы и устройства для оптической телеметрии, телеметрии по каротажному кабелю, телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, по бурильной трубе со встроенным кабелем передачи сигналов, акустической телеметрии, электромагнитной телеметрии или комбинации этих и других типов телеметрии. В некоторых случаях каротажный инструмент 102 получает команды, сигналы состояния или информацию других типов от компьютерной подсистемы 110 или от другого источника. В некоторых случаях компьютерная подсистема 110 принимает данные каротажа, сигналы состояния или информацию других типов от каротажного инструмента 102 или от другого источника.
[0023]
Операции ЯМР-каротажа могут быть выполнены в связи с различными типами скважинных операций на разных стадиях срока действия скважинной системы. Структурные характеристики и компоненты наземного оборудования 112 и каротажного инструмента 102 могут быть адаптированы к операциям ЯМР-каротажа разных типов. Например, ЯМР-каротаж может быть выполнен в процессе бурения, при выполнении кабельного каротажа или в других режимах. В этой связи наземное оборудование 112 и каротажный инструмент 102 может содержать буровое оборудование, оборудование кабельного каротажа или другое оборудование для операций других типов или работать совместно с ним.
[0024]
В некоторых реализациях каротажный инструмент 102 включает в себя узел магнита, содержащий центральный магнит и два магнитных наконечника. Примеры показаны на фиг. 2A, 2B и 3B. Магнитные наконечники могут быть расположены на расстоянии от осевых концов центрального магнита. Наконечники вместе с центральными магнитами могут образовать четыре магнитных полюса, которые могут быть выполнены с возможностью усиления статического магнитного поля в представляющем интерес объеме. В некоторых случаях центральный магнит определяет первую ориентацию магнитного поля, и магнитные наконечники определяют вторую ориентацию магнитного поля, перпендикулярную относительно первой ориентации магнитного поля. Каротажный инструмент 102 может содержать также множество ортогонально направленных дипольных антенн поперечного излучения. Ортогонально направленные дипольные антенны поперечного излучения могут создавать возбуждение волнами с круговой поляризацией в подземном объеме и получают отклик из объема путем обнаружения с помощью квадратурной катушки.
[0025]
В некоторых реализациях каротажный инструмент 102 содержит магнитный узел, создающий магнитное поле в множестве различных суб-объемов (sub-volumes) в подземной области 120. Пример показан на фиг. 2B. Первый суб-объем может представлять собой продолговатую область цилиндрической оболочки, простирающуюся в продольном направлении (параллельно оси ствола скважины), и магнитное поле в первом суб-объеме может быть по существу равномерно ориентировано вдоль продольного направления. Второй и третий суб-объемы могут быть расположены на расстоянии от осевых концов первого суб-объема, и статическое магнитное поле во втором и третьем суб-объемах могут иметь радиальную ориентацию (перпендикулярно продольному направлению). Второй и третий суб-объемы могут быть отдалены от центра бурового снаряда на расстояние, отличающееся от расстояния отдаления первого объема. В некоторых случаях места расположения второго и третьего суб-объемов позволяют каротажному инструменту собирать информацию для определения профиля зоны проникновения фильтрата бурового раствора. Каротажный прибор 102 может содержать также множество антенных узлов на соответствующих положениях вдоль продольной оси. Каждый из антенных узлов способен обнаруживать ЯМР-отклик от соответствующего одного из различных суб-объемов.
[0026]
В некоторых реализациях каротажный инструмент 102 содержит магнитный узел и дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел. Пример показан на фиг. 3B. Указанный дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел может получать однонаправленный ЯМР-отклик с избирательностью по азимуту от подземного объема вблизи узла магнита. Указанный дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел может включать в себя ортогонально направленные дипольные антенны поперечного излучения и монопольную антенну.
[0027]
В некоторых примерах операции ЯМР-каротажа совмещаются по времени с операциями кабельного каротажа. На фиг. 1B показан пример системы 100b, содержащей каротажный инструмент 102 в среде кабельного каротажа. В другом примере операций кабельного каротажа наземное оборудование 112 содержит расположенную над поверхностью 106 земли платформу с вышкой 132, поддерживающей каротажный кабель 134, проводимый вовнутрь ствола скважины 104. Операции кабельного каротажа можно выполнять, например, после извлечения бурового снаряда из ствола скважины 104, чтобы обеспечить опускание инструмента 102 кабельного каротажа посредством каротажного или вспомогательного кабеля вовнутрь ствола скважины 104.
[0028]
В некоторых примерах операции ЯМР-каротажа выполняются во время буровых работ. На фиг. 1С представлен пример скважинной системы 100с, содержащей каротажный инструмент 102 для каротажа в среде каротажа во время бурения (LWD). Бурение обычно выполняется с помощью колонны бурильных труб, соединенных между собой для образования бурового снаряда 140, опускаемого посредством стола ротора буровой установки вовнутрь ствола скважины 104. В некоторых случаях, буровая установка 142 на поверхности 106 земли поддерживает буровой снаряд 140 в то время, когда буровой снаряд 140 приводится в действие для бурения ствола скважины, проникающего в подземную область 120. Буровой снаряд 140 может содержать, например, ведущую трубу, бурильную трубу, компоновку низа бурильной колонны и другие компоненты. Компоновка низа бурильной колонны может включать в себя муфты утяжеленной бурильной трубы, бурильные сверла, каротажный инструмент 102 и другие компоненты. Каротажными инструментами могут являться инструменты для каротажа во время бурения (LWD), для измерений во время бурения (MWD) и другие инструменты.
[0029]
В некоторых реализациях каротажным инструментом 102 может являться ЯМР-инструмент для получения результатов ЯМР-измерений из подземной области 120. Как показано, например, на фиг. 1В, каротажный инструмент 102 может быть подвешен в стволе скважины 104 с помощью шлангокабеля, каротажного кабеля или другого элемента конструкции, соединяющего инструмент с наземным блоком управления или с другими компонентами наземного оборудования 112. В некоторых примерах реализации каротажный инструмент 102 опускают на дно представляющей интерес области и затем вытягивают наверх (например, с фактически постоянной скоростью) через представляющую интерес область. Как показано, например, на фиг. 1C, каротажный инструмент 102 может быть развернут в стволе скважины 104 на сочлененной бурильной трубе, на жестко смонтированной бурильной трубе или на других монтажных аппаратных средствах. В некоторых примерах реализации каротажный инструмент 102 собирает данные в процессе бурения по мере того, как перемещается вниз через представляющую интерес область. В некоторых примерах реализации каротажный инструмент 102 получает данные в процессе перемещения бурового снаряда 140, например, по мере его спуска в ствол скважины 104 или его подъема из ствола скважины.
[0030]
В некоторых реализациях каротажный инструмент 102 собирает данные в отдельных точках каротажа в стволе скважины 104. Например, каротажный инструмент 102 может перемещаться вверх или вниз с шагами приращения к каждой точке каротажа на серии глубин в стволе скважины 104. В каждой точке каротажа приборы, находящиеся в каротажном инструменте 102, выполняют измерения в подземной области 120. Возможна передача результатов измерений к компьютерной подсистеме 110 для хранения, обработки и анализа. Сбор и анализ таких данных возможен во время буровых работ (например, в процессе каротажа во время бурения (LWD)), в процессе каротажа по каротажному кабелю или при выполнении операций другого типа.
[0031]
Компьютерная подсистема 110 может получать и анализировать результаты измерений от каротажного инструмента 102 для обнаружения свойств различных подземных пластов 122. Например, компьютерная подсистема 110 способна идентифицировать плотность, вязкость, пористость, состав материала, или другие свойства подземных пластов 122 по результатам ЯМР-измерений, полученных каротажным инструментом 102 в стволе скважины 104.
[0032]
В некоторых реализациях каротажный инструмент 102 получает ЯМР-сигналы путем поляризации ядерных спинов в подземной области 120 и импульсного воздействия на ядра радиочастотным (РЧ) магнитным полем. Для получения ЯМР-сигналов могут быть использованы различные последовательности импульсов (т.е. серии радиочастотных импульсов с внесением задержек и выполнением других операций), включая последовательность Карра-Парселла-Мейбума-Гилла (Carr Purcell Meiboom Gill) (CPMG) (в которой спины вначале опрокидываются посредством опрокидывающего импульса, за которым следует серия импульсов рефокусирования), оптимизированную импульсную последовательность рефокусирования (ORPS), в которой углы импульсов рефокусирования составляют менее 180 градусов, последовательность импульсов "насыщение-восстановление" и другие импульсные последовательности.
[0033]
T
T
2
1
Собранные сигналы спинового эха (или другие ЯМР-данные) могут быть обработаны (например, инвертированы, трансформированы и др.) с целью определить распределение времен релаксации (например, распределение времен поперечной релаксации  или распределение времен продольной релаксации или того и другого). Распределение времен релаксации может быть использовано для определения различных физических свойств формации путем решения одной или большего количества инверсных задач. В некоторых случаях значения распределения времен релаксации собирают для множества позиций каротажа и используют, чтобы обучать модель подземной области. В некоторых случаях значения распределения времен релаксации собирают для множества позиций каротажа и используют для прогнозирования свойств подземной области.
[0034]
На фиг. 2А - схема примера ЯМР-инструмента 200А. Пример ЯМР-инструмента 200A содержит магнитный узел, генерирующий статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный узел, который (а) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для генерации возбуждения и (б) осуществляет сбор ЯМР-сигналов. В примере, иллюстрируемом фиг. 2A, магнитный узел, содержащий магнитные наконечники 11A, 11B и центральный магнит 12, создает статическое магнитное поле в исследуемом объеме 17. В исследуемом объеме 17 направление статического магнитного поля (обозначенное сплошной черной стрелкой 18) параллельно продольной оси ствола скважины. В некоторых примерах возможно использование конфигурации магнита с удвоенным магнитным моментом полюса для повышения напряженности магнитного поля (например, до 100-150 гаусс или выше в некоторых случаях).
[0035]
В примере, иллюстрируемом фиг. 2А, антенный узел 13 содержит две взаимно перпендикулярные дипольные антенны 15, 16 поперечного излучения. В некоторых случаях ЯМР-инструмент 200А может быть выполнен в виде одиночной дипольной антенны поперечного излучения. Например, одна из дипольных антенн 15, 16 поперечного излучения может быть удалена из антенного узла 13. В примере, иллюстрируемом фиг. 2A, дипольные антенны 15, 16 поперечного излучения размещены на наружной поверхности мягкого магнитного сердечника 14, используемого для концентрации РЧ магнитного потока. Статическое магнитное поле может быть осесимметричным (или по существу осесимметричным), и поэтому для его создания может не потребоваться возбуждение в расширенном диапазоне, связанное с дополнительной потерей энергии. Исследуемый объем можно сделать достаточно длинным по оси и достаточно толстым (например, длиной 20 см и толщиной 0,5 см в некоторых средах), чтобы обеспечить нечувствительность или иным способом снизить чувствительность к перемещению по оси, к боковому перемещению или к тому и другому. Измерения в области чувствительности большей длины можно обеспечить при спуске-подъеме бурового снаряда. Форму области чувствительности можно создавать путем выбора формы магнитов 11A, 11B, 12 и мягкого магнитного материала сердечника 14.
[0036]
В некоторых реализациях антенный узел 13 дополнительно или в качестве альтернативы содержит встроенную группу обмоток катушки, выполняющую функции двух дипольных антенн 15, 16 поперечного излучения. Например, встроенная катушка может быть использована (к примеру, вместо двух дипольных антенн 15, 16 поперечного излучения) для создания круговой поляризации и для обнаружения с помощью квадратурной катушки. Примерами встроенных групп обмоток, которые могут быть адаптированы к выполнению таких операций, являются среди прочего многообмоточные или сложные однообмоточные устройства - такие, катушки "птичья клетка", широко используемые для отображения магнитного резонанса (MRI) в интенсивном поле.
[0037]
По сравнению с некоторыми осесимметричными конструкциями использование узла дипольного магнита с продольным магнитным полем и дипольной антенный поперечного излучения обладает дополнительным преимуществом снижения потерь на вихревые токи в толще пород и в буровой текучей среде (т.е."растворе") в стволе скважины благодаря удлинению траектории вихревых токов по сравнению с траекторией в случае некоторой дипольной антенны (некоторых дипольных антенн) продольного излучения.
[0038]
В некоторых аспектах изобретения выполнение ЯМР-измерений в множестве суб-объемов может привести к увеличению плотности данных и, как следствие, отношения сигнала к шуму (SNR) в единицу времени. Измерение в множестве объемов в статическом магнитном поле, имеющем радиальный градиент, может быть обеспечено, например, путем сбора ЯМР-данных на второй частоте в ожидании восстановления ядерной намагниченности восстановить (например, после полной импульсной последовательности CPMG) на первой частоте. Для сбора ЯМР-данных в многочастотном режиме, охватывающего ряд объемов возбуждения с различной глубиной исследования, можно использовать ряд различных частот. В дополнение к увеличенному отношению сигнала к шуму измерения в многочастотном режиме могут обеспечить также профилирование проникающей текучей среды в стволе скважины для получения улучшенной оценки проницаемости толщи земных пород. Другим способом проведения измерений в множестве объемов является использование для получения ЯМР-сигналов различных участков магнитного узла. ЯМР-измерения на этих различных участках можно выполнять в одно и то же время (например, одновременно) или в разное время.
[0039]
На фиг. 2B приведена схема другого примера ЯМР- инструмента 200B. Пример ЯМР-инструмента 200B также содержит магнитный узел, генерирующий статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный узел, который (а) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для генерации возбуждения и (б) осуществляет сбор ЯМР-сигналов. В примере, иллюстрируемом фиг. 2В, магнитный узел создает магнитное поле, имеющее преобладающую осевую компоненту в исследуемом объеме 21. Направления РЧ магнитного поля (создаваемого двумя дипольными антеннами поперечного излучения, как показано на фиг. 2А) и статического магнитного поля в данной области показаны на позиции 22. В примере, иллюстрируемом фиг. 2B, два различных исследуемых объема 24А, 24В создаются вблизи полюсов магнита (за осевыми концами центрального магнита), где статическое магнитное поле имеет преобладающую радиальную компоненту. Примеры ЯМР-антенн, показанные на позициях 23А и 23В, способны генерировать РЧ магнитные поля в исследуемых объемах 24А и 24В вблизи дипольных антенн продольного излучения. Продольное направление РЧ магнитных полей в исследуемых объемах 24А и 24В и радиальное направление статического магнитного поля в исследуемых объемах 24А и 24В показаны на позициях 25А и 25В.
[0040]
В некоторых аспектах изобретения комбинирование дипольных антенн поперечного излучения и монопольных антенн может быть в некоторых случаях использовано для выполнения однонаправленных измерений с избирательностью по азимуту без существенного уменьшения отношения сигнала к шуму. В некоторых примерах ЯМР-возбуждение может быть по существу осесимметричным (например, при использовании либо дипольной антенны поперечного излучения, либо монопольной антенны), в то время как комбинирование характеристик дипольной антенны поперечного излучения с осесимметричной чувствительностью и монопольной антенны с осесиметричной чувствительностью может обеспечить выполнение измерений с разрешением по азимуту.
[0041]
RF
Фиг. 3A и 3B иллюстрируют аспекты построения примера ЯМР-инструмента с избирательностью по азимуту. На фиг. 3A приведен график 300A примера данных с избирательностью по азимуту, относящихся к примеру скважинного инструмента 300B, показанному на фиг. 3B. Пример ЯМР-инструмента 300B также содержит магнитный узел, генерирующий статическое магнитное поле для создания поляризации, и антенный узел, который (а) создает радиочастотное (РЧ) магнитное поле для генерации возбуждения и (б) осуществляет сбор ЯМР-сигналов. Антенный узел 31, показанный на фиг. 3B, содержит монопольную антенну и две ортогонально направленные дипольные антенны 35 и 36 поперечного излучения. Пример монопольной антенны включает в себя две катушки 37A и 37B, соединенные встречно по полюсам для того, чтобы генерировать по сути радиальное РЧ магнитное поле в исследуемом объеме 34. Благодаря эффекту взаимности можно при таком же построении катушки получить радиальное направление чувствительности. Пример радиочастотных магнитных полей B, показанный на позициях 32 и 33, может отражать суммарное направление чувствительности в случае, когда характеристика монопольной антенны объединяется с одной из характеристик дипольной антенны поперечного излучения.
[0042]
Пример монопольной антенны, показанный на фиг. 3B, содержит группу катушек, генерирующих на местном уровне по сути радиально направленное магнитное поле, т.е. поле, которое предположительно создается одиночным "магнитным зарядом" или магнитным полюсом. Термин "монопольная" используется здесь для того, чтобы отличить данный тип магнитного поля от магнитного поля диполя (продольного или поперечного). В некоторых случаях, узел монопольной антенны генерирует квазистационарные (относительно низкочастотные) магнитные поля. В показанном примере катушки 37А и 37B, включенные встречно по полюсам, являются двумя компонентами одного узла монопольной антенны. Каждая катушка сама по себе может быть выполнена в виде стандартной антенны продольного излучения. Монопольная антенна может быть выполнена в другом виде.
[0043]
График на фиг. 3A отображает в полярных координатах пример чувствительности антенны, демонстрирующий однонаправленную избирательность по азимуту. При комбинировании характеристик каждой из ортогонально направленных дипольных антенн поперечного излучения с характеристикой монопольной антенны может быть получено любое из четырех возможных направлений, охватывающих все квадранты поперечной плоскости. Вращение бурового снаряда в процессе бурения может вызвать амплитудную модуляцию избирательного по азимуту отклика и соответственно амплитудную модуляцию релаксационного ЯМР-сигнала (например, цепочки эхо-сигналов CPMG). Параметры амплитудной модуляции могут указывать на соотносимые с азимутом изменения свойств ЯМР (например, изменения ЯМР-пористости).
[0044]
Катушки 37A и 37B в примере монопольной антенны, показанном на фиг. 3B, могут быть использованы в сочетании с антеннами 35 и 36 поперечного излучения, например, для обеспечения избирательности по азимуту. Любую из катушек 37А и 37В можно использовать также в качестве отдельной антенны (в дополнение к дипольным антеннам 35, 36 поперечного излучения или без них), например, для увеличения отношения сигнала к шуму. В некоторых случаях ЯМР-инструмент выполняют в виде монопольной антенны и магнита с продольным полем без других антенн. Например, в некоторых случаях можно удалить из антенного узла 31 дипольные антенны 35 и 36 поперечного излучения.
[0045]
На фиг. 4A приведена блок-схема примера технологического процесса 400 для получения данных ЯМР из подземной области; и на фиг. 4В приведена блок-схема другого примера технологического процесса 420 для получения данных ЯМР из подземной области. Любой из процессов 400 и 420 можно выполнять независимо от другого либо процессы 400 и 420 можно осуществлять одновременно или в режиме взаимодействия. Например, процессы 400 и 420 можно выполнять последовательно или параллельно либо один из процессов можно выполнять без выполнения другого.
[0046]
Возможно выполнение технологических процессов 400 и 420 скважинными ЯМР-инструментами - такими, как примеры ЯМР-инструментов 200A, 200B или 300B, показанные на фиг. 2A, 2B и 3B, или ЯМР-инструментом другого типа. Технологические процессы 400 и 420 можно выполнять с помощью скважинного ЯМР-инструмента при размещении инструмента внутри ствола скважины во время работы скважинной системы. Например, скважинный ЯМР-инструмент ЯМР может быть подвешен в стволе скважины для каротажа по каротажному кабелю (например, как показано на фиг. 1B) либо скважинный ЯМР-инструмент может быть соединен с буровым снарядом для ЯМР-каротажа во время бурения (например, как показано на фиг. 1C).
[0047]
Любой из процессов 400 и 420 может включать в себя операции, показанные на фиг. 4А и 4В (соответственно), и любой из процессов может включать в себя дополнительные или иные операции. Операции могут быть выполнены в очередности, показанной на соответствующих фигурах, или в другом порядке. В некоторых случаях одну или большее количество операций можно выполнять последовательно или параллельно между собой в перекрывающиеся или не перекрывающиеся между собой промежутки времени. В некоторых случаях возможны итерации, или повторы одной или большего количества операций, например, путем указанного числа повторов, в течение указанного промежутка времени или вплоть до установления конечного состояния.
[0048]
На этапе 402 в примере процесса 400, показанном на фиг. 4A, ЯМР-инструмент размещается в стволе скважины. В некоторых случаях ЯМР-инструмент содержит магнитный узел, чтобы создавать магнитное поле в объеме в подземной области около ствола скважины. Объем может включать в себя целиком или частично, например, любой из исследуемых объемов 17, 21, 24А, 24В, 34, показанных на фиг. 2A, 2B и 3B, или другой объем, представляющий интерес. Как правило, ЯМР-инструмент содержит магнитный узел для поляризации ядерных спинов в представляющем интерес объеме и антенный узел для возбуждения ядерных спинов и для получения ЯМР-сигнала на основе возбуждения.
[0049]
На этапе 404 вызывается поляризация в объеме около ствола скважины. Поляризация вызывается статическим магнитным полем, создаваемым магнитным узлом ЯМР-инструмента в стволе скважины. Поляризацией считается магнитная поляризация ядерных спинов в объеме. Иными словами, часть ядерных спинов располагается вровень со статическим магнитным полем, и в объеме возникает объемный магнитный момент. В некоторых случаях статическое магнитное поле сконфигурировано (например, путем выбора формы и расположения) с возможностью создания продольной поляризации (например, параллельно продольной оси ствола скважины) или поляризации в другой пространственной ориентации.
[0050]
В некоторых примерах магнитный узел содержит центральный магнит (например, центральный магнит 12, показанный на фиг. 2A, 2B, 3B, или другой тип центрального магнита) и два магнитных наконечника (например, магнитные наконечники 11A, 11B, показанные на фиг. 2A, 2B, 3B, или магнитный наконечник другого типа). В некоторых случаях магнитами в магнитном узле являются постоянные магниты. Как показано, например, на фиг. 2A, центральным магнитом может являться продолговатый постоянный магнит, имеющий первый осевой конец и второй осевой конец, противоположный первому концу, и при этом первый магнитный наконечник расположен на расстоянии от первого осевого конца центральной магнита и второй магнитный наконечник расположен на расстоянии от второго осевого конца центрального магнита. В некоторых случаях два магнитных наконечника имеют общее направление магнитного поля, а центральный магнит имеет магнитное поле противоположного направления (например, так, что оба магнитных наконечника имеют направление магнитного поля, перпендикулярное по отношению к направлению магнитного поля центрального магнита).
[0051]
На этапе 406 в объеме около ствола скважины создается поле возбуждения с круговой поляризацией. Поле возбуждения с круговой поляризацией создается в объеме посредством антенного узла. Например, антенный узел может быть запитан током радиочастоты, создающим радиочастотное (РЧ) магнитное поле в объеме около ствола скважины. РЧ магнитное поле, созданное антенным узлом, манипулирует ядерными спинами, чтобы перевести спины в возбужденное состояние, в котором имеет место круговая поляризация. Иными словами, получаемая в результате спиновая поляризация имеет форму с направлением по кругу (или по окружности) в объеме около ствола скважины.
[0052]
В некоторых примерах антенный узел содержит ортогонально направленные дипольные антенны поперечного излучения. Антенный узел 13, показанный на фиг. 2А и 2В, и антенный узел 31, показанный на фиг. 3B, являются примерами антенных узлов, содержащих две ортогонально направленные дипольные антенны поперечного излучения. Каждая из антенн 15, 16 в примере антенного узла 13 может самостоятельно создавать поперечное поле магнитного диполя, например, при пропускании через нее тока радиочастоты. В приведенных примерах поперечное поле магнитного диполя имеет поперечную ориентацию относительно продольной оси ЯМР-инструмента. Иными словами, поперечное магнитное поле диполя направлено по перпендикуляру к продольной оси ствола скважины.
[0053]
В приведенном примере поперечное магнитное поле диполя, созданное антенной 15, является ортогональным по отношению к поперечному магнитному полю диполя, созданному другой антенной 16. Например, в декартовой системе координат с тремя взаимно перпендикулярными направлениями продольную ось ЯМР-инструмента можно считать направлением "z" направлении, а поперечные магнитные поля диполя, создаваемые антеннами 15, 16, ориентированы соответственно вдоль направлений "x" и "y".
[0054]
В некоторых реализациях ЯМР-инструмент создает поля возбуждения другого типа. Например, в некоторых случаях, поле возбуждения с круговой поляризацией создается в первом суб-объеме (например, в исследуемом объеме 21 на фиг. 2B) посредством ортогонально направленных дипольных антенн поперечного излучения, и поле возбуждения с другой пространственной ориентацией создается во втором и третьем суб-объемах (например, в исследуемых объемах 24А, 24В на фиг. 2B), расположенных на расстоянии от осевых концов первого суб-объема. Поле возбуждения во втором и третьем суб-объемах может быть создано, например, посредством продольного радиочастотного поля диполя, создаваемого другими антенными узлами (например, антеннами 23A и 23B на фиг. 2B). Различающиеся между собой суб-объемы могут быть полезны для разных целей. Например, первый суб-объем может быть продолговатым (параллельным продольной оси ствола скважины) для получения ЯМР-данных от первого суб-объема в то время, когда ЯМР-инструмент перемещается вдоль ствола скважины (например, при спуске-подъеме бурового снаряда). В некоторых случаях возможно размещение других суб-объемов для сбора ЯМР-данных с целью профилирования проникающего фильтрата бурового раствора или для другого применения.
[0055]
На этапе 408 осуществляется сбор ЯМР-сигналов путем обнаружения с помощью квадратурной катушки. ЯМР-сигнал основывается на сигнале возбуждения, генерируемом на этапе 406. ЯМР-сигнал может представлять собой, например, цепочку эхо-сигналов, сигнал затухания свободной индукции (FID) или ЯМР-сигнал другого типа. В некоторых случаях полученные ЯМР-данные содержат релаксационные данные T1, релаксационные данные T2 или другие данные. ЯМР-сигнал может быть получен антенным узлом, создавшим поле возбуждения, или другим антенным узлом. В некоторых случаях возможно получение ЯМР-сигнала в множестве суб-объемов.
[0056]
Обнаружение с помощью квадратурной катушки может быть осуществлено ортогонально направленными дипольными антеннами поперечного излучения. Обнаружение с помощью квадратурной катушки может быть осуществлено посредством двух ортогонально направленных катушек, каждая из которых считывает сигнал, индуцируемый при ядерном намагничивании с круговой поляризацией (сигналы в катушках сдвинуты по фазе на 90 градусов). Даже при использовании во время передачи только одной катушки (например, создающей РЧ магнитное поле с линейной поляризацией) ядерное намагничивание может по-прежнему иметь круговую поляризацию. Передача от квадратурной катушки (от двух ортогонально направленных катушек, возбуждаемых РЧ-токами, сдвинутыми по фазе на 90 градусов) может инициировать возбуждение с круговой поляризацией, которое может в некоторых случаях способствовать снижению потребления мощности по сравнению с возбуждением с линейной поляризацией. Обнаружение с помощью квадратурной катушки может быть использовано, например, для увеличения отношения сигнала к шуму (SNR) при возбуждении только одной катушки (без использования возбуждения с круговой поляризацией, чтобы упростить аппаратное обеспечение) либо круговая поляризация может быть использована для энергосбережения при обнаружении сигналов только одной катушкой. В некоторых случаях для энергосбережения и увеличения отношения сигнала к шуму возможно использование как круговой поляризации, так и обнаружения с помощью квадратурной катушки. В некоторых случаях использование круговой поляризации или обнаружения с помощью квадратурной катушки (или того и другого) является эффективным, когда взаимно ортогональные антенны по существу идентичны друг другу. Это возможно в примере конфигурации "магнит/антенна", содержащей дипольный магнит с продольным полем и две антенны поперечного излучения. Прочие конфигурации, содержащие одну из двух антенн, менее эффективны по сравнению с другими; правда, они допускают взаимно ортогональные антенны, но не способны в некоторых случаях обеспечить такие же преимущества.
[0057]
На этапе 410 обрабатываются ЯМР-данные. Возможна обработка ЯМР-данных для определения физических свойств подземной области или для извлечения информации других типов. Например, ЯМР-данные могут быть обработаны для определения плотности, вязкости, пористости, состава материала или других свойств подземной области около ствола скважины.
[0058]
На этапе 422 в примере технологического процесса 420, показанном на фиг. 4B, ЯМР-инструмент размещается в стволе скважины, а на этапе 424 создается поляризация в объеме около ствола скважины. Операции 422 и 424 на фиг. 4B аналогичны операциям 402 и 404, показанным на фиг. 4A. Например, ЯМР-инструмент содержит магнитный узел для поляризации ядерных спинов в представляющем интерес объеме и антенный узел для возбуждения ядерных спинов и для получения ЯМР-сигнала на основе возбуждения. Поляризация может быть создана на этапе 424 способом, описанным применительно к операции 404 на фиг. 4A, и посредством магнитного узла такого же типа; либо поляризация может быть создана на этапе 424 другим способом или посредством магнитного узла другого типа.
[0059]
На этапе 426 возбуждение генерируется в объеме около ствола скважины. Возбуждение создается в объеме посредством антенного узла. Например, антенный узел может питаться током радиочастоты, создающим радиочастотное (РЧ) магнитное поле в объеме около ствола скважины. РЧ магнитное поле, созданное антенным узлом, манипулирует ядерными спинами, чтобы перевести спины в возбужденное состояние. В некоторых случаях, спиновое состояние имеет повышенное возбуждение в выбранном азимутальном направлении - такое, что уровень возбуждения спина изменяется в направлении по кругу (или по окружности) вблизи ствола скважины, например, под действием избирательного по азимуту РЧ магнитного поля.
[0060]
В некоторых примерах антенный узел содержит узел дипольной антенны поперечного излучения и монопольной антенны. Антенный узел 31, показанный на фиг. 3B, является примером антенного узла, содержащего дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел. В примере, иллюстрируемом фиг. 3B, указанный дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел содержит две ортогонально направленные дипольные антенны 35 и 36 поперечного излучения в центральной области и монопольную антенну, содержащую первую катушку 37А на первом осевом конце дипольных антенн 35 и 36 поперечного излучения и вторую катушку 37В на втором, противоположном осевом конце дипольных антенн 35 и 36 поперечного излучения; катушки 37A и 37B монопольной антенны включены встречно по полярности.
[0061]
На этапе 428 принимается избирательный по азимуту ЯМР-сигнал. ЯМР-сигнал основывается на сигнале возбуждения, генерируемом на этапе 426. ЯМР-сигнал может представлять собой, например, цепочку эхо-сигналов, сигнал затухания свободной индукции (FID) или ЯМР-сигнал другого типа. В некоторых случаях полученные ЯМР-данные содержат релаксационные данные T1, релаксационные данные T2 или другие данные. ЯМР-сигнал может быть получен антенным узлом, создавшим поле возбуждения, или другим антенным узлом. В некоторых случаях, ЯМР-сигнал принимается антенным узлом, имеющим избирательную по азимуту чувствительность - таким как дипольный поперечного излучения и монопольный антенный узел.
[0062]
В некоторых реализациях избирательный по азимуту ЯМР-сигнал принимается в виде комбинации множества поступлений ЯМР-сигналов. Принимаемый сигнал может включать в себя, например, посылки через одну или большее количество дипольных антенн поперечного излучения и одной или большего количества монопольных антенн. Возможно комбинирование сигналов для обеспечения измерений с разрешением по азимуту в объеме около ствола скважины. Например, в некоторых случаях при соответствующем комбинировании характеристик каждой из ортогонально направленных дипольных антенн поперечного излучения с характеристиками монопольной антенны может быть получено любое из четырех возможных направлений, охватывающих все квадранты поперечной плоскости.
[0063]
На этапе 430 обрабатываются ЯМР-данные. Возможна обработка ЯМР-данных для определения физических свойств подземной области или для извлечения информации других типов. Например, ЯМР-данные могут быть обработаны для определения плотности, вязкости, пористости, состава материала или других свойств подземной области около ствола скважины. В некоторых случаях ЯМР-данные обрабатываются для определения азимутальных изменений в подземной области около ствола скважины. Например, вращение ЯМР-инструмента может вызвать амплитудную модуляцию отклика, избирательного по азимуту. Параметры амплитудной модуляции могут указывать на азимутальные изменения свойств, влияющих на ЯМР-сигнал (например, пористости, плотности, вязкости, состава материала и др.).
[0064]
Несмотря на то, что в данной спецификации приводится много деталей, их не следует воспринимать в качестве ограничений в отношении сути возможностей, определяемых формулой изобретения, но следует считать описаниями отличительных свойств, специфических для конкретных примеров. Некоторые функции, описанные в данной спецификации в контексте отдельных реализаций, могут быть также объединены между собой. Напротив, различные отличительные свойства, описанные в контексте одиночного варианта реализации, могут быть также осуществлены в множестве вариантов реализации по отдельности или в любой подходящей вспомогательной комбинации.
[0065]
Был описан ряд примеров. Тем не менее, следует понимать, что возможно внесение различных изменений. Соответственно, другие варианты реализации находятся в пределах объема изобретения, определяемого приводимой далее формулой.