一种适用于随钻核磁天线的磁芯材料

2024-04-11王光伟

石化技术 2024年3期

王光伟

中海油田服务股份有限公司油田技术研究院北京 101149

随钻核磁共振成像测井技术是继电缆核磁共振测井后一项新兴的测井技术，由于呢能够挂接在钻具中，在钻进过程中进行核磁共振测量，具备直接探测原状地层孔渗信息的特点，在海上大斜度井和水平井能够进行地质导向同时节约时间和成本，不同于放射性仪器，随钻核磁测井仪不带放射源，能够获取地层精确的孔隙度信息，降低作业安全风险。

国内外主流商业化随钻测井仪器一般都采用了JACKSON结构，基于“Inside-out”测量技术的永磁体结构方案，该设计方案可以在磁体外部产生环形的、近似均匀的磁场分布区域，用于核磁共振仪器外部样品的测量，这样就会使待测样品体积不再受到磁体内腔尺寸大小的约束[1]。由于随钻核磁需要在钻进过程中测量，仪器需要处于居中位置对井眼地层流体进行测试，天线会被高矿化度的泥浆所包裹，这需要随钻核磁仪器所设计的天线具备较高的发射效率和接收效率，才能发射瞬态千瓦级的射频脉冲和接收数百纳伏级的回波信号，需要研制新型磁芯材料来满足在井下高温、高磁通密度、高压环境及高强度振动条件下随钻核磁天线的需求。

1 随钻核磁探头的结构

见图1，将两个磁性能相同，尺寸一致的永磁体对向放置，会在两个磁体中心平面产生径向辐射的静磁场，这种静磁场分布在纵向剖面的一个圆面近似均匀，因此该磁场的均匀区域形态近似一个实心圆环。射频天线一般采用螺线管天线方式，发射的射频磁场与静磁场的均匀圆环成正交方向，从而形成随钻核磁仪器探头的共振区域（或敏感区域）[2]。为保证螺线管天线的发射和接收效率，不能将其直接绕制在导电率高的物体上，需要选择一种具备高电阻率，高饱和磁通密度的软磁物质作为天线磁芯，需要其产生两个重要作用：

图1 Jackson inside-out结构天线

（1）提高静磁场的强度、梯度及探测深度，并扩大了敏感区域的范围；（2）提高射频磁场的强度，扩大了磁共振敏感区域的范围。

1.1 随钻核磁探头天线对磁芯的需求

随钻核磁探头需要按照仪器设计指标需要满足150℃、140MPa的要求，磁芯和天线由于需要环氧树脂固化，需要直接承受井眼流体压力和温度，此外磁芯安装于两磁体中心位置，需要满足一定的饱和磁通密度，否则会导致发射和接收信号的失真，磁芯需要满足一定绝缘强度，保证天线线圈的发射效率和接收效率，具体磁芯指标见表1。

要达到较高的饱和磁通密度的磁芯材料大致可以分为铁镍钼、铁镍合金、铁硅铝合金及铁粉芯，将几种材料的大致性能对比分析，见表2。

表2 常用磁芯材料的性能特点

由表2可以得道满足随钻核磁探头的饱和磁通密度要求的材料可以在铁镍合金和铁粉芯中选择，但是还有一项重要的指标参数需要在核磁磁芯中重点考虑。

1.2 磁芯噪声分析

天线和磁芯长期工作于敏感区域内的强磁场中，螺线管天线在发射射频脉冲时会产生较强的变化的谐振电流，会使线圈及磁芯受力而产生机械振动，而机械振动会使线圈切割磁力线从而产生额外的信号，这种现象叫做振铃（ringing）。振铃现象可以通过PAPS对相位交替进行去除，前提是磁芯材料在进行高压发射时不能产生额外的噪声干扰。

磁致伸缩[3]是指物体在磁场中磁化时，在磁化方向上会发生伸长或缩短，当通过线圈的电流变化或改变与磁体的距离时其尺寸即发生显著变化的铁磁材料，通常称为铁磁致伸缩材料。这种材料如果用于核磁天线磁芯，会在通过发射电流时导致磁芯的变化，从而使螺线管线圈切割磁力线形成额外的干扰信号，会严重影响微弱回波信号的接收。

目前常用的磁致伸缩材料主要为铁镓合金、铁镍合金、铁硅铝合金等。因此铁镍合金因具备磁致伸缩效应不能在核磁天线磁芯中选用，符合的磁芯材料只能选用铁粉芯材料。

2 铁粉芯磁芯的选型

磁粉芯被称为软磁复合材料（SMC），因其具有高饱和磁感应强度，低矫顽力和低磁芯损耗等优异软磁性能被广泛应用于电感元件和变压器【4】。但是铁粉芯也有材料上的劣势，其损耗较其他材料高，相对磁导率低且温度稳定性较差。对核磁共振类井下仪器，本身探头工作环境就处于高温高压状态，且探测的地层流体信号非常微弱，直接使用铁粉芯无法满足随钻核磁天线磁芯的技术要求。

2.1 铁粉芯的工艺改进

铁粉芯一般由铁硅铝磁粉压制而成金属软磁磁芯，典型的制备工艺是铁、硅、铝按照一定比例经过球磨处理并用化学方法进行绝缘层包裹，添加一定的粘接剂混合均匀后固化，最后经过热处理或表面处理后得到成品。价格较低，饱和感应强度在1.4T，磁导率一般在10-75左右，直流叠加性能好，磁致伸缩率基本为0，但是高频下损耗较高。井下随钻核磁的工作频率在500KHz左右，发射和接收都对磁芯的高频性能有一定要求。

最近开发的高性能铁粉芯与传统的铁硅铝磁粉芯不同，不是直接采用合金磁粉加粘合剂混合，而是采用绝缘物质直接包裹铁粉，降低粘接剂的用量从而提高饱和磁通密度，磁路也得以保持连续，能够降低提高铁粉芯的高频损耗和提高磁芯的工作效率。

以聚酰亚胺等绝缘介质包覆羰基铁粉制备铁粉芯，能够较为均匀的包覆羰基铁粉表面，制备铁粉芯具有良好的磁性能，随着绝缘介质加入量增加，铁粉表面绝缘层厚度增大，电阻率增高，涡流损耗得以降低[5]。当绝缘介质达到一定的质量比时，铁粉芯综合性能达到最佳状态。

铁粉芯的相对磁导率与磁粉的粒度、磁芯的密度、表面处理工艺、热处理工艺相关，一般来说磁粉粒度越大，其磁芯相对磁导率越高，磁芯密度越大，磁芯的相对磁导率越高，磁芯密度越大意味需要更高压力进行磁芯成型工作，这会导致磁芯的电阻率下降和磁芯损耗的增大。磁芯的相对磁导率会影响随钻核磁探头敏感区域内磁场强度和敏感区域的磁场梯度，会直接影响仪器的探测深度和仪器的抗震动性能。

我们以一种核磁探头模型为标准，不断在铁粉磁芯的磁导率范围内增加磁芯的相对磁导率，计算探头敏感区域的最大工作频率和磁场梯度，共振频率与磁场强度的计算公式如公式（1）。

其中f为拉莫尔频率，γ为旋磁比，约为4.258KHz/Gauss，B0为敏感区域内磁场强度。将磁芯的相对磁导率从5至500进行不断递增，仿真计算敏感区域的磁场梯度和工作频率如图2。

图2 磁芯的相对磁导率与敏感区域最大工作频率和磁场梯度关系

由图2显示的计算结果可以看到，敏感区域内磁场梯度随磁芯的μr呈先升后降的趋势，敏感区域的磁场梯度随磁芯的μr增加逐渐达到一个稳定值。因此需要在拐点处根据探头敏感区域的形状来选择合适的磁芯相对磁导率，铁粉磁芯的相对磁导率应选择在10-55范围内为最佳。

磁芯的电导率也是随钻核磁探头磁芯的一个重要指标，过低会导致磁芯损耗严重，发射和接收效率严重下降。磁芯电导率受制于铁粉芯的添加绝缘材料、成型工艺、热处理和表面处理等，磁芯添加材料和成型工艺起决定性作用。

以上面相同探头模型为标准，不断改变磁芯的电导率，计算探头敏感区域的核磁共振信号进行仿真计算，得到结果见图3。

图3 磁芯电导率与信号的关系

由图3可以得到结论，磁芯电导率升高会导致损耗增加，引起天线的品质因素下降从而导致接收的信号值降低，在电导率小于100时损耗和接收信号都比较敏感，需要特别注意降低磁芯的电导率，以保证随钻核磁仪器在井下有较高的发射接收效率。

2.2 改进铁粉芯制作与测试

由于聚酰亚胺材料具备较强的极性，在高频小信号应用时应尽量避免此类物质的使用导致高频小信号的损耗，使用非极性绝缘材料可以进一步降低材料这一影响。聚四氟乙烯（PTFE）是一种高度对称，整体不带极性的高分子化合物，可以在-180～260℃内正常使用，虽然绝缘强度未达到聚酰亚胺材料，但磁芯的综合性能对于核磁类微弱信号采集的需求有较大帮助，适当按照质量比进行铁粉芯配置，能够满足随钻核磁探头天线的需求。

按照新工艺添加PTFE材料和使用原始铁粉芯工艺制作两种相同形状的磁芯进行对比测试，验证材料工艺改进是否满足随钻核磁天线磁芯材料的需要，我们将从表面绝缘阻抗、高频特性、硬度、温度等方面进行对比验证，测试结果见表3。

明显添加PTFE的磁芯能够有效提高材料的阻抗，降低在高频环境下的涡流效应，从而提高探头的发射和接收效率。