随钻核磁共振测井探测器构建方法研究

李新 ，罗嗣慧，肖立志*，孙哲，汪正垛

1 中国石化石油工程技术研究院页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101

2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

0 引言

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)测量仪器和方法在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中具有广泛应用，尤其在岩石孔隙介质研究领域占有重要地位。目前，核磁共振测井被认为是确定油气储层地质参数最有效的方法之一，其最大的优点是测量得到的地层孔隙度与岩性无关，并具有独特的储层流体(油、气和水)的定性识别和定量评价能力[1-2]。

随钻核磁共振测井仪工作在极端环境下，代表了井下核磁共振测量的最新进展和方向[3-4]。目前国际上具有代表性的随钻核磁共振测井仪器主要有：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与Baker Hughes、Halliburton成功应用了小井眼随钻核磁共振测井仪器[9-11]。随后Baker Hughes和Schlumberger推出大直径仪器[12-13]，扩展了随钻核磁共振测井的应用范围。

国内外研究人员不断探索新的随钻核磁共振测井探测器结构，以期适应其苛刻的工况条件。李新等系统总结了随钻核磁共振面临的特殊问题和探测器特性[14-15]。MRIL-WD采用偶极杂散场测量纵向弛豫时间T1的方案，其他商业探测器方案则基于Jackson的“Inside-Out”结构[16-18]设计，适应钻井过程中仪器随钻具的轴向转动和径向振动[19]。最近，基于轴对称的环状梯度敏感区域的三维核磁共振探测器模型设计也被提出[20]，用于地层岩石物理参数非均质性的探测。

本文提出一种新的随钻核磁共振测井探测器方案，基于传统“Inside-Out”结构通过主磁体与聚焦磁体组合实现磁体系统设计。首先给出磁体结构和磁场分布，分析随钻条件下的天线设计特点，讨论频率调谐与阻抗匹配模板，制作探测器原理样机，搭建测试装置，验证了设计方案的合理性和可行性。

1 探测器优化设计与实现

核磁共振测井仪器主要由探测器、电子线路和控制采集处理软件三大系统组成。其中，探测器的设计与制作决定仪器的基本特性、解释模型的建立和测井资料解释应用的可靠性。早期的地磁场测井仪利用天然地磁场作为静磁场，现代核磁共振测井仪探测器均使用永磁体和射频天线的方案：永磁体产生磁场强度远大于地磁场强度的人工静磁场；天线发射交变电磁场，因工作频率处于射频频率范围内被称为射频磁场，同时接收来自地层中的核磁共振信号。

1.1 聚焦型磁体设计与实现

探测器设计的整体方案采用多组磁体结构组合的模式，如图1(a)所示。主磁体结构为两组管状磁体，并相对地放置于钻铤之中，每组管状磁体又分别由多个相同的小磁环组成，沿井轴方向极化充磁，管状磁体内部作为钻井液循环的通道，如图1(b)所示。此例中，主磁体的长度为30 cm，考虑到加工的难度，由长度为5 cm的磁环进行组合粘接而成。探测器管状磁体组合的外径13.0 cm，内径6.1 cm，满足放置在外直径17.15 cm的标准无磁钻铤中的尺寸要求，同时在磁体外部留出厚度为2.07 cm的钻铤骨架空间。在探测器的中部，磁场方向由仪器纵轴方向进入地层，环形聚焦磁体以一定规律放置在主磁体之间，通过不同的纵向距离组合优化来调节静磁场的强度、梯度和在井眼附近地层中的分布。聚焦磁体整体为圆环结构，由多个辐向充磁的瓦状型磁体粘接而成。圆心为S极，圆周为N极，如图1(c)所示。单组聚焦磁体由32 片小瓦型磁体构成，单个小磁体开角为11.25°，高度分别为18 mm和60 mm。共设计了四组聚焦磁体，每种高度各两组。磁体材料选择高温、高强度、高硬度的钐钴材料。

利用电磁仿真软件考察了磁体系统在旋转坐标系下产生的静磁场分布。核磁共振测井仪探测器体积很大，在其电磁场的数值模拟中，根据探测器结构特点进行优化。电缆核磁共振测井仪为了满足较快的测速，探测器上下两端使用预极化磁体实现静磁场分布在仪器纵轴方向较长的范围内保持一致。通常认为这种探测器结构在三维空间中垂直于纵轴的每个横截面上的磁场分布是相同的，进而将三维磁场分布问题转化为探测器中心横截面处的平面磁场分布问题。随钻核磁共振测井仪要求轴对称的敏感区形状，可转化为二维轴对称磁场问题。

图1 探测器结构示意图(单位:cm)Fig. 1 Diagram of NMR probe for new concept implement

如图2 所示，仪器周围与敏感探测地层区域范围内具有相同磁感应强度大小的磁场均处于仪器内部，因此环空中钻井液中的液态氢核不具有与敏感区相同的共振频率，井眼流体对测量结果无影响，信号全部来自于地层敏感区。距仪器中心Z= 16cm敏感区域中静磁场磁感应强度约为207.49 × 10-4T，对应的共振频率约为883.49 kHz，具有较高的频率和信号强度。此探测深度上的静磁场梯度(G=11.88×10-4T/cm)适中，有利于消除仪器径向振动对测量的影响。敏感探测区域的纵向高度约为15 cm，是该探测器静止测量所能达到的最高地层厚度纵向分辨率。利用数字高斯计空间定位的方式对静磁场分布进行了测量。图3 为实际测量的磁场与模拟磁场结果的对比。图3(a)为磁场强度随着探测深度的变化，而图3(b)则是在Z=16 cm处，磁场强度沿着探测器轴向方向上的变化。磁场的纵向实测分布与模拟数值的磁场偏差小于±2.5%，验证了设计方案。

1.2 天线与谐振电路

核磁共振探测器的天线是由线圈作为非理想电感元件L与电容C组成的RLC谐振电路。发射时，天线中要施加高电压和大电流，用来产生射频磁场B1，并持续一段时间，使测量区域的样品的宏观磁化矢量扳转一定的角度。低场核磁共振电路设计中，为了避免耦合干扰，采用收发一体的天线设计方案。考虑到随钻核磁共振测井要在仪器旋转的状态下测量，因此采用螺线管结构天线，能产生与径向静磁场天然垂直且轴对称的射频场B1，并将谐振电路进行频率阻抗调节与电子线路输出阻抗匹配。

图4 左图展示了四种谐振电路基本结构，图4(a)为简单的串联谐振结构，谐振时天线的阻抗为

图2 探头形成的静磁场磁感应强度等势线分布(纵剖面)Fig. 2 Static magnetic flux density distribution of the novel sensor

图3 静磁场测量结果Fig. 3 Measurement results of B0 distribution

图4 核磁共振探头谐振电路结构与天线实物Fig. 4 Tuning circuit structures and NMR probe

式中，Rres为谐振电路阻抗；Q为线圈的品质因数；ω0为谐振电路角频率。

串联谐振电路对于实际工作中的器件和高Q状态来说，其谐振阻抗通常很小。因此发展出谐振电路图4(b)，它可以被认为是提高了阻抗的串联谐振结构，电路中的主电流被C1和C2分流，电流分配比例为C2/(C1+C2)，该结构由于阻抗范围合理而应用较多。共振状态下，阻抗(实部)增加程度与电流分配比例的平方成反比关系：

C1和C2并联作用，满足关系式ω2L(C1+C2) =1时达到共振状态条件。

图4(c)所示中为并联谐振结构，共振时的阻抗实部为

式中，r为谐振电路内阻。

该结构对于实际器件性能和高Q电路状态来说，阻抗值偏大。图4(d)的谐振电路可看作是被降低了阻抗的并联谐振，属于电容分压结构。这种结构将线圈两端电压按C/C2的比例分压，其中C为C1和C2的串联组合值

共振状态下(ω2LC＝1)天线的阻抗为

根据上述分析，结构4(b)和4(d)在阻抗调节方面具有相对较强的调谐灵活性，根据对应谐振电路的阻抗Rres的计算公式和电子线路部分阻抗的要求，计算所需要阻抗条件下所需电容值C1和C2，从而完成阻抗匹配。阻抗匹配主要与电路功率放大器输出阻抗匹配。随钻核磁共振测井属于低场核磁共振范畴，共振频率通常低于2MHz，为了实现较宽的脉冲频率带宽，天线通常在低Q状态下工作。实际测井条件下，通常需要根据实际情况对天线进行井下调谐。例如，井底温度的改变影响磁体强度，进而使敏感区域内氢核的共振频率发生变化，天线谐振频率也需做相应调整。结构4(c)的优点是调整相对灵活和容易，降低了对备用可调电容阵列和电路的要求，但对天线设计有一定要求和限制。

利用电路计算方法获得了如图5 所示的两类实用探头前端调谐图版。调谐中需要注意阻抗匹配过程中容值的变化同时引起谐振频率的偏移，实际操作中是一个迭代逼近的过程。以天线的Q值100、共振频率883 kHz为例，所得图版能够提供重要指导，提高调谐效率。图5(a)反映了分流电容调节时，天线电感的变化；图5(b)反映了天线阻抗较小时，改变图4(b)所示电路C1和C2电容，其阻抗增大的规律；图5(c)反映了分压电容调节时，天线电感的变化；图5(d)反映了天线阻抗较大时，改变图4(d)所示电路C1和C2电容，其阻抗降低的规律。天线的品质Q由天线本身的电感、内阻和工作频率所决定，在制作天线时，先测量电感与内阻得到Q值，与目标阻抗相比，根据图版就可以得知天线的阻抗需要提升或降低多少，以及C1和C2的容值需要增加还是减小。

为了实现发射的射频B1场与B0场匹配良好并形成圆环(圆柱壳)敏感区，使得地层核磁共振信号来源在轴向方位上没有盲区，从而达到探头随钻具所做轴向旋转运动对测量结果没有影响的目的，设计射频天线基于螺线管结构，测试阶段采用宽度为1.5 cm、厚0.2 mm的紫铜材料在聚氯乙烯(PVC)管状骨架上绕制而成，工程应用阶段设计为采用柔性电路板(FPCB)刻蚀技术制作，起到在探头剧烈机械运动中保护天线电路的作用。通过优化天线结构，增加在纵向上的射频场强度均匀性。

随钻核磁共振测井仪探测器的骨架为无磁金属材料，对天线的电性参数具有很大影响。聚焦磁体位于天线线圈内部，聚焦磁体材料的相对磁导率μr≈1.1，不会起到与磁芯相同的增强B1场的作用，但其电导率σ= 625 kS/m，对于频率为883.49 kHz射频磁场产生明显的趋肤效应，显著改变天线电感。测量时将天线安装在磁体和骨架之后，采用整体联合测试获得最接近真实工作状态下的属性值，如图4 右图所示。本文设计的天线没有使用磁芯，因此不考虑磁芯的作用。测试电子谱仪阻抗约为500 Ω，采用图4(d)的调谐匹配电路调节天线阻抗。根据随钻核磁共振测井仪探头样机实施方案设计，采用安捷伦阻抗分析仪E4294A对天线进行测试，测得天线参数为：谐振频率883.00 kHz，电感3.95uH，阻抗505.68 Ω，满足测试要求。

图5 核磁共振探头谐振电路调节图版Fig. 5 Tuning and matching chart of NMR probe circuits

2 探测器的测试与验证

为验证随钻核磁共振探测器设计方案，制作了实验室条件下测试的全尺寸的探头原理型实物，并将探测器与电子仪和信号采集系统进行联合调试，通过刻度装置的信号观测考察探测器设计方案。

2.1 信号采集电子系统方案

根据实验室条件下测试核磁共振测井仪探头的需求和特点，设计开发了一套适用于随钻核磁共振探头测试的数据通讯与采集系统与自主研制的电子线路[21]组合，搭建了低场核磁共振探测器测试与试验平台，其框图如图6 所示。

整个核磁共振探头测试平台的工作流程为：(1)数据采集软件设置采集指令；(2)通过信号采集控制模块为井下电子线路的发射电路和接收电路提供控制时序；(3)主控电路控制产生射频信号，经模拟电路功率放大器放大后通过天线将能量以射频电磁波脉冲的形式发射激发核磁共振现象；(4)天线快速切换到接收模式接收核磁共振信号，前置放大器将天线检测到的微弱核磁共振信号放大后进行数字化；(5)信号经过编码传输到总线上，由采集软件通过采集卡接收到计算机中进行一系列数据处理和显示。

核磁共振测量过程中的数据流和软件系统功能如图6 所示，软件系统采用功能模块化结构：(1)上位机与硬件系统的建立通信，检测仪器硬件状态实施质量控制；(2)编写仪器工作指令、数据采集模式和仪器参数，控制仪器进行频率扫描、仪器刻度和数据采集工作；(3)对各种观测模式采集得到的核磁共振信号数据进行传输、识别、解码和信号提取；(4)核磁共振信号的预处理、快速反演、直观显示和数据存储。

图6 通讯采集软件功能与数据流Fig. 6 Data stream and functions of acquisition software

2.2 测试过程和结果分析

通过实验室搭建的配套测试平台在刻度水箱(长宽高1.1 m × 0.6 m × 0.6 m)模拟100%孔隙度地层的条件下观测核磁共振信号。图7 为实现近均匀场敏感区信号观测的探头实物。为验证设计方案，在刻度测试平台上与电子线路连接，对探头进行联合调试和信号观测。

测试样品为刻度箱内具有一定浓度的CuSO4溶液。通过调节天线两端施加电压改变射频脉冲B1的强度，所有测试对天线两端施加电压均为940 V，90°脉冲持续时间设置为40 μs。信号观测方式为标准CPMG测量，分别进行了改变测量参数TW和TE的两组测量，其测量结果如图8 所示。

在变TW测量实验中，设定天线发射频率f0=883.0 kHz，脉冲序列参数：TE= 2.4 ms，RA= 8，TW= 1.7 s和5.1 s时测得的两组回波串信号如图8(a)所示。对回波串进行多指数反演后得到的T2分布如图8(b)所示，T2范围10-3～ 102s，对数布点100 个。不同TW数据得到的T2分布峰值位置一致，约为1200 ms；TW越长对应的T2分布的幅度越高，验证了探头的可靠性。

图7 探测器实物与水箱Fig. 7 Prototype sensor and water tank

图8 CPMG测量结果Fig. 8 CPMG experimental measurements

在变TE测量实验中，设定TW = 8 s，进行改变TE的CPMG测量，观察回波串信号衰减速率的变化。TE= 1.2 ms、2.4 ms、3.6 ms时测得的3 组回波串信号如图8(c)所示，RA= 8。单组回波串信号呈指数衰减规律。敏感区静磁场梯度的存在使较长TE值采集得到的回波串信号衰减速率变快，首波信号幅度略有下降。将回波串进行多指数反演得到的T2分布如图8(d)所示。反演参数：T2范围10-3～ 102s，对数布点100 个。回波串信号衰减速率变快表现为不同TE数据分布得到的T2分布峰值向短弛豫方向移动，分别为1205 ms、534 ms和266 ms，幅度减小不大，验证了探头方案的可行性。

3 结论与建议

本文提出一种随钻核磁共振探测器方案，在标准无磁钻铤尺寸约束范围内，通过引入聚焦磁体、优化探测器材料和结构开发新的敏感区域，制作了全尺寸样机和测试装置，完成了核磁共振信号测试。

(1)新探测器采用聚焦环磁体优化主磁体结构，生成的敏感探测区域共振频率具有较高的频率和信号强度；静磁场梯度适中，有利于减小仪器径向振动对测量的影响。

(2)优化后的探测器具有较深的探测深度，敏感探测区域在井壁深处仍保持一定高度，有利于探测原状地层信息。

(3)建立了天线频率和阻抗的调谐模板，提高了调节效率；制作的天线与测试电路匹配良好，实现了变参数脉冲序列的核磁共振自旋信号静态观测。

(4)研究探测器在运动条件下的信号响应和影响因素，搭建测试装置开展对比验证是下一步的工作方向。