Title:
Kernmagnetresonanzvorrichtung, -systeme und -verfahren
Kind Code:
T5
Abstract:

Vorrichtungen und Systeme beinhalten eine Magnetbaugruppe, umfassend einen Zentralmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende; einen ersten Endstückmagnet mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist; und einen zweiten Endstückmagnet, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist; wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet, der benachbart zu erstem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine erste Ausgleichsmagnet neben einem Ende des ersten Endstückmagnets, das proximal zum Zentralmagnet ist, oder neben einem Ende des ersten Endstückmagnets angeordnet ist, das distal zum Zentralmagnet ist; und ein Untertagewerkzeug, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist. Offenbart werden auch weitere Vorrichtungen, Systeme und Verfahren.



Inventors:
Li, Lilong, Tex. (Humble, US)
Reiderman, Arcady, Tex. (Katy, US)
Jachmann, Rebecca Corina, Tex. (Spring, US)
Application Number:
DE112016000203T
Publication Date:
08/31/2017
Filing Date:
02/10/2016
Assignee:
HALLIBURTON ENERGY SERVICES, INC. (Tex., Houston, US)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
HOFFMANN - EITLE Patent- und Rechtsanwälte PartmbB, 81925, München, DE
Claims:
1. Vorrichtung, umfassend:
eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in einer geologischen Formation, wobei die Magnetbaugruppe Folgendes umfasst:
einen Zentralmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende;
einen ersten Endstückmagnet, der von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist; und
einen zweiten Endstückmagnet, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist;
wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet, der zwischen dem Zentralmagnet und dem ersten Endstückmagnet angeordnet ist, wobei der erste Ausgleichsmagnet benachbart zu oder wenigstens teilweise von einem ersten magnetisch leitfähigen Material umgeben angeordnet ist, wobei der erste Ausgleichsmagnet zum Formen eines ersten statischen Magnetfelduntervolumens dient, das von dem Zentralmagnet und dem ersten Endstückmagnet bereitgestellt wird; und
ein Untertagewerkzeug, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Kupfer, das radial zwischen dem ersten Ausgleichsmagnet und dem ersten magnetisch leitfähigen Material oder zwischen dem Zentralmagnet und zentralem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine erste Ausgleichsmagnet mehrere einteilige ringförmige Elemente und/oder eine Reihe rechteckiger Elemente, die zum Bilden eines Rings geformt sind, umfasst.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend:
wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet, der zwischen dem Zentralmagnet und dem zweiten Endstückmagnet angeordnet ist, wobei der zweite Ausgleichsmagnet benachbart zu zweitem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist oder wenigstens teilweise von dem zweiten magnetisch leitfähigen Material und Kupfer umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend:
wenigstens einen Satz weiterer Ausgleichsmagnete, der benachbart zu weiterem magnetisch leitfähigem Material oder wenigstens teilweise davon umgeben ist, um eine Anordnung des wenigstens einen ersten und zweiten Ausgleichsmagnets und des ersten und zweiten magnetisch leitfähigen Materials in symmetrischer Weise entlang einer Längsachse des Werkzeugs nach außen zu erweitern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei geologische Formationstiefen der Untersuchung, die dem ersten Ausgleichsmagnet und dem zweiten Ausgleichsmagnet zugeordnet sind, unterschiedlich sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Zentralmagnet eine erste Magnetfeldausrichtung definiert und der erste und zweite Endstückmagnet jeweils eine zweite Magnetfeldausrichtung definieren, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten Magnetfeldausrichtung ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens einer von dem Zentralmagnet oder dem ersten und zweiten Endstückmagnet einen oder mehrere Permanentmagnete umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Zentralmagnet und der erste und zweite Endstückmagnet ein statisches Magnetfeldgesamtvolumen definieren, das mehrere gesonderte Untervolumina umfasst, wobei die mehreren gesonderten Untervolumina das erste statische Magnetfelduntervolumen beinhalten, das in einer ersten Richtung parallel zu einer Längsachse des Werkzeugs länglich ist, wobei das Magnetfeld in dem ersten statischen Magnetfelduntervolumen im Wesentlichen gleichmäßig in der ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei die Vorrichtung ferner Folgendes umfasst:
Antennen, die an jeweiligen Positionen an der Längsachse angeordnet sind, wobei jede der Antennen dazu dient, eine Kernmagnetresonanzvorrichtungsantwort von einem jeweiligen der gesonderten Untervolumina zu erfassen, wenn die Antennen in Betrieb sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Leitfähigkeit des ersten magnetisch leitfähigen Materials dazu ausgewählt ist, Verluste in dem magnetisch leitfähigen Material auf weniger als erwartete Verluste in den Antennen oder der geologischen Formation zu reduzieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend:
eine Antennenbaugruppe, umfassend eine Transversal-Dipolantenne, die über dem Zentralmagnet angeordnet ist, wobei Kupfer und zentrales magnetisch leitfähiges Material zwischen dem Zentralmagnet und der Antennenbaugruppe angeordnet sind.

12. Vorrichtung, umfassend:
eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in einer unterirdischen Region, wobei die Magnetbaugruppe Folgendes umfasst:
einen Zentralmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende;
einen ersten Endstückmagnet mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist;
einen zweiten Endstückmagnet, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist;
wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet, der von dem distalen Ende des ersten Endstückmagnets beabstandet ist; und
ein Untertagewerkzeug, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist, ferner umfassend erstes magnetisch leitfähiges Material, das benachbart zu einer Längsachse des Werkzeugs angeordnet ist oder diese wenigstens teilweise umgibt, wobei das erste magnetisch leitfähige Material zwischen dem ersten Endstückmagnet und dem ersten Ausgleichsmagnet angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend:
wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet, der benachbart zu dem ersten magnetisch leitfähigen Material angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend:
Kupfer, das zwischen dem magnetisch leitfähigen Material und dem wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend:
wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet, der von einem distalen Ende des zweiten Endstückmagnets beabstandet ist, und zweites magnetisch leitfähiges Material, das zwischen dem zweiten Endstückmagnet und dem zweiten Ausgleichsmagnet angeordnet ist, um eine Anordnung des ersten Ausgleichsmagnets und des ersten magnetisch leitfähigen Materials um einen Mittelpunkt des Zentralmagnets zu spiegeln.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend:
wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet, der zwischen dem Zentralmagnet und dem zweiten Endstückmagnet angeordnet ist, und zweites magnetisch leitfähiges Material, das benachbart zu dem wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet angeordnet ist oder diesen wenigstens teilweise umgibt.

17. System, umfassend:
eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in einer unterirdischen Region, wobei die Magnetbaugruppe Folgendes umfasst:
einen Zentralmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende;
einen ersten Endstückmagnet mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist;
einen zweiten Endstückmagnet, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist;
wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet, der benachbart zu erstem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine erste Ausgleichsmagnet neben einem Ende des ersten Endstückmagnets, das proximal zum Zentralmagnet ist, oder neben einem Ende des ersten Endstückmagnets angeordnet ist, das distal zum Zentralmagnet ist; und
ein Untertagewerkzeug, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist, ferner umfassend einen Sender und einen Empfänger zum Anregen und Empfangen einer Kernmagnetresonanzvorrichtungsantwort in dem Magnetfeldvolumen.

18. System nach Anspruch 17, wobei das Untertagewerkzeug eins von einem Wireline-Werkzeug oder einem Bohrwerkzeug umfasst.

19. System nach einem der Ansprüche 17 bis 18, ferner umfassend:
wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet, der benachbart zu zweitem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine zweite Ausgleichsmagnet neben einem Ende des zweiten Endstückmagnets, das proximal zum Zentralmagnet ist, oder neben einem Ende des zweiten Endstückmagnets angeordnet ist, das distal zum Zentralmagnet ist, wobei geologische Formationstiefen der Untersuchung, die dem ersten Ausgleichsmagnet und dem zweiten Ausgleichsmagnet zugeordnet sind, unterschiedlich sind.

20. System nach einem der Ansprüche 17 bis 18, ferner umfassend:
mehrere Antennen, die an jeweiligen Positionen an einer Längsachse des Werkzeugs angeordnet sind, wobei jede der Antennen dazu dient, eine kernmagnetische Antwort von einem jeweiligen von mehreren entsprechenden gesonderten Magnetfelduntervolumina zu erfassen, die von dem zentralen und dem ersten und zweiten Endstückmagnet definiert werden.

Description:
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Seriennr. 62/128,746, eingereicht am 5. März 2015, die hiermit in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand miteinbezogen wird.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Auf dem Gebiet der Vermessung (z. B. Wireline-Vermessung, Vermessung während des Bohrens (logging while drilling, LWD) und Messen während des Bohrens (measurement while drilling, MWD)) wurden Kernmagnetresonanz(nuclear magnetic resonance, NMR)-Werkzeuge für die Exploration geographischer Formationen auf Grundlage der magnetischen Interaktionen mit unterirdischem Material verwendet. Einige Untertage-NMR-Werkzeuge beinhalten eine Magnetbaugruppe, die ein statisches Magnetfeld erzeugt, und eine Spulenbaugruppe, die Hochfrequenz(radio frequency, RF)-Steuersignale erzeugt und Magnetresonanzphänomene im unterirdischen Material erfasst. Eigenschaften des unterirdischen Materials können anhand der erfassten Phänomene identifiziert werden.

Bei der Verwendung von NMR-basierten Werkzeugen kann es aufgrund der natürlichen Polarisierung der Spins schwierig sein, ein zufriedenstellendes Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) zu erreichen. Außerdem bedeutet die Ex-situ-Natur (die nach außen gerichtete Natur) der Untertage-NMR-Werkzeuge, dass die Stärke des Erregungsfelds mit zunehmender Distanz vom Werkzeug natürlicherweise nachlässt. Je weiter die Antenne vom empfindlichen Volumen entfernt ist, desto niedriger ist daher die Amplitude des entsprechenden empfangenen Signals.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

1B ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems, das ein NMR-Werkzeug in einer Wireline-Vermessungsumgebung beinhaltet, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

1C ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems, das ein NMR-Werkzeug in Umgebung zum Vermessen während des Bohrens (LWD) beinhaltet, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

2A ist ein Diagramm eines Beispieluntertagewerkzeugs zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

2B ist ein Diagramm eines weiteren Beispieluntertagewerkzeugs zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

3A ist eine Darstellung, die azimutale Selektivität für ein Beispieluntertagewerkzeug gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.

3B ist ein Diagramm eines weiteren Beispieluntertagewerkzeugs zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

4A ist ein Ablaufdiagramm, das eine Beispieltechnik zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.

4B ist ein Ablaufdiagramm, das eine weitere Beispieltechnik zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.

5 ist eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

6 ist eine Drahtmodellansicht der NMR-Werkzeugkonfiguration aus 5.

7 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten eines Abschnitts eines radialsymmetrischen Magnetfeldprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.

8 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.

9 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.

10 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte und einer Betriebsfrequenz von 295 kHz gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.

11 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte und einer Betriebsfrequenz von 716 kHz gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.

1213 sind schematische Ansichten von NMR-Werkzeugkonfigurationen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

14 stellt ein Feldprofil der Kissenzone in dem Magnetfeld dar, die durch Hinzufügen von magnetisch leitfähigem Material zu der Werkzeugkonfiguration erzeugt wurde, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

1516 sind schematische Ansichten von NMR-Werkzeugkonfigurationen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

17 stellt symmetrische Feldprofile der Magnetfelder dar, die den NMR-Werkzeugkonfigurationen aus 1516 entsprechen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

18 ist eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

19 stellt asymmetrische Feldprofile der Magnetfelder dar, die der NMR-Werkzeugkonfiguration aus 18 entsprechen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

20 ist eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

21 ist ein Blockdiagramm von Vorrichtungen und Systemen gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

22 ist ein Ablaufdiagramm, das mehrere Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

In einigen Ausführungsformen kann ein NMR-basiertes Werkzeug dazu konstruiert sein, unterirdische Daten mit einem verbesserten SNR bereitzustellen. Beispielsweise kann ein Werkzeug, das gemäß verschiedenen hier offenbarten Ausführungsformen konstruiert ist, strategisch angeordnete Magnete, magnetisch leitfähiges Material und Kupfer beinhalten, um bei einer gegebenen Strecke in die Formation ein höheres SNR bereitzustellen, als übliche Werkzeuge bieten können.

Einige Beispiele beinhalten eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in einer geologischen Formation, wobei die Magnetbaugruppe einen Zentralmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende; einen ersten Endstückmagnet, der von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist; und einen zweiten Endstückmagnet umfasst, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist. Die Magnetbaugruppe umfasst auch wenigstens einen Ausgleichsmagnet, der zwischen dem Zentralmagnet und dem ersten Endstückmagnet angeordnet ist, wobei der Ausgleichsmagnet benachbart zu oder wenigstens teilweise von einem magnetisch leitfähigen Material umgeben angeordnet ist, wobei der Ausgleichsmagnet zum Formen eines statischen Magnetfelduntervolumens dient, das von dem Zentralmagnet und dem ersten Endstückmagnet bereitgestellt wird. Ein Untertagewerkzeug kann an der Magnetbaugruppe angebracht sein. Diese und viele weitere Ausführungsformen werden nun ausführlich beschrieben.

1A ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems 100a gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Beispielbohrlochsystem 100a beinhaltet ein NMR-Vermessungssystem 108 und eine unterirdische Region 120 unter der Erdoberfläche 106. Ein Bohrlochsystem kann weitere oder andere Merkmale beinhalten, die nicht in 1A gezeigt sind. Beispielsweise kann das Bohrlochsystem 100a weitere Bohrsystemkomponenten, Wireline-Vermessungssystemkomponenten usw. beinhalten.

Die unterirdische Region 120 kann eine oder mehrere unterirdische Formationen oder Zonen ganz oder teilweise beinhalten. Die unterirdische Beispielregion 120 aus 1A beinhaltet mehrere unterirdische Schichten 122 und ein Bohrloch 104, das die unterirdischen Schichten 122 durchdringt. Die unterirdischen Schichten 122 können Sedimentschichten, Felsschichten, Sandschichten, oder Kombinationen dieser und anderer Arten von unterirdischen Schichten beinhalten. Eine oder mehrere der unterirdische Schichten können Fluide wie etwa Salzsole, Öl, Gas usw. enthalten. Obwohl das Beispielbohrloch 104 aus 1A ein vertikales Bohrloch ist, kann das NMR-Vermessungssystem 108 in anderen Bohrlochausrichtungen implementiert sein. Beispielsweise kann das NMR-Vermessungssystem 108 für horizontale Bohrlöcher, geneigte Bohrlöcher, gekrümmte Bohrlöcher, vertikale Bohrlöcher oder Kombinationen derselben angepasst sein.

Das Beispiel-NMR-Vermessungssystem 108 beinhaltet ein Vermessungswerkzeug 102, Oberflächenausrüstung 112 und ein Rechnersubsystem 110. In dem Beispiel aus 1A ist das Vermessungswerkzeug 102 ein Untertagevermessungswerkzeug, das arbeitet, während es im Bohrloch 104 angeordnet ist. Die Beispieloberflächenausrüstung 112 aus 1A arbeitet an oder über der Oberfläche 106, beispielsweise nahe der Bohrlochmündung 105, um das Vermessungswerkzeug 102 und möglicherweise andere Untertageausrüstung oder andere Komponenten des Bohrlochsystems 100. Das Beispielrechnersubsystem 110 kann Vermessungsdaten vom Vermessungswerkzeug 102 empfangen und analysieren. Ein NMR-Vermessungssystem kann weitere oder andere Merkmale beinhalten, und die Merkmale eines NMR-Vermessungssystems können wie in 1A dargestellt oder in anderer Weise angeordnet und betrieben werden.

In einigen Fällen kann das Rechnersubsystem 110 ganz oder teilweise als eine Komponente von einer oder mehreren Komponenten der Oberflächenausrüstung 112, des Vermessungswerkzeugs 102 oder beider implementiert oder damit integriert sein. In einigen Fällen kann das Rechnersubsystem 110 als eine oder mehrere Rechenstrukturen getrennt von der Oberflächenausrüstung 112 und dem Vermessungswerkzeug 102 implementiert sein.

In einigen Implementierungen ist das Rechnersubsystem 110 in das Vermessungswerkzeug 102 eingebettet, und das Rechnersubsystem 110 und das Vermessungswerkzeug 102 können gleichzeitig arbeiten, während sie im Bohrloch 104 angeordnet sind. Obwohl beispielsweise das Rechnersubsystem 110 in dem Beispiel aus 1A über der Oberfläche 106 gezeigt ist, kann das Rechnersubsystem 110 ganz oder teilweise unter der Oberfläche 106 angeordnet sein, beispielsweise bei oder nahe der Position des Vermessungswerkzeugs 102.

Das Bohrlochsystem 100a kann Kommunikations- oder Telemetrieausrüstung beinhalten, die Kommunikation zwischen dem Rechnersubsystem 110, dem Vermessungswerkzeug 102 und anderen Komponenten des NMR-Vermessungssystems 108 ermöglicht. Beispielsweise können die Komponenten des NMR-Vermessungssystems 108 jeweils einen oder mehrere Sendeempfänger oder ähnliche Vorrichtungen zur drahtgebundenen oder drahtlosen Datenkommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten beinhalten. Beispielsweise kann das NMR-Vermessungssystem 108 Systeme und Vorrichtungen für die optische Telemetrie, Wireline-Telemetrie, drahtgebundene Rohrtelemetrie, Schlammimpulstelemetrie, akustische Telemetrie, elektromagnetische Telemetrie oder eine Kombination dieser und anderer Arten von Telemetrie beinhalten. In einigen Fällen empfängt das Vermessungswerkzeug 102 Befehle, Statussignale oder andere Arten von Informationen von dem Rechnersubsystem 110 oder einer anderen Quelle. In einigen Fällen empfängt das Rechnersubsystem 110 Vermessungsdaten, Statussignale oder andere Arten von Informationen von dem Vermessungswerkzeug 102 oder einer anderen Quelle.

NMR-Vermessungsvorgänge können in Verbindung mit verschiedenen Arten von Untertagevorgängen auf verschiedenen Stufen der Lebensdauer eines Bohrlochsystems durchgeführt werden. Strukturelle Attribute und Komponenten det Oberflächenausrüstung 112 und des Vermessungswerkzeugs 102 können für verschiedene Arten von NMR-Vermessungsvorgängen angepasst werden. Beispielsweise kann die NMR-Vermessung bei Bohrvorgängen, bei Wireline-Vermessungsvorgängen oder in anderen Zusammenhängen durchgeführt werden. Somit können die Oberflächenausrüstung 112 und das Vermessungswerkzeug 102 Bohrausrüstung, Wireline-Vermessungsausrüstung oder andere Ausrüstung für andere Arten von Vorgängen beinhalten oder in Verbindung damit arbeiten.

In einigen Implementierungen beinhaltet das Vermessungswerkzeug 102 eine Magnetbaugruppe, die einen Zentralmagnet und zwei Endstückmagnete beinhaltet. Beispiele sind in 2A, 2B und 3B gezeigt. Die Endstückmagnete können von den axialen Enden des Zentralmagnets beabstandet sein. Die Endstücke können zusammen mit den Zentralmagnets vier Magnetpole definieren, die dazu angeordnet sein können, das statische Magnetfeld in einem interessierenden Volumen zu verstärken. In einigen Fällen definiert der Zentralmagnet eine erste Magnetfeldausrichtung und die Endstückmagnete definieren eine zweite Magnetfeldausrichtung orthogonal zur ersten Magnetfeldausrichtung. Das Vermessungswerkzeug 102 kann auch mehrere Orthogonal-Transversal-Dipolantennen beinhalten. Die Orthogonal-Transversal-Dipolantennen können kreisförmige polarisierte Erregung in einem unterirdischen Volumen erzeugen und mittels Quadraturspulenerfassung eine Antwort von dem Volumen erhalten.

In einigen Implementierungen beinhaltet das Vermessungswerkzeug 102 eine Magnetbaugruppe, die ein Magnetfeld in mehreren gesonderten Untervolumina in der unterirdischen Region 120 erzeugt. Ein Beispiel ist in 2B gezeigt. Ein erstes Untervolumen kann eine längliche zylindrische Mantelregion sein, die sich in der Längsrichtung (parallel zur Bohrlochachse) erstreckt, und das Magnetfeld im ersten Untervolumen kann im Wesentlichen gleichmäßig an der Längsrichtung ausgerichtet sein. Ein zweites und drittes Untervolumen können von den axialen Enden des ersten Untervolumens beabstandet sein, und das statische Magnetfeld im zweiten und dritten Untervolumen kann eine radiale Ausrichtung (senkrecht zur Längsrichtung) aufweisen. Das zweite und dritte Untervolumen können in einem anderen Abstand von der Mitte des Werkzeugstrangs als das erste Volumen angeordnet sein. In einigen Fällen ermöglichen die Positionen des zweiten und dritten Untervolumens es dem Vermessungswerkzeug, Informationen für eine Profilerstellung über das Eindringen von Schlammfiltrat zu sammeln. Das Vermessungswerkzeug 102 kann auch mehrere Antennenbaugruppen an jeweiligen Positionen entlang der Längsachse beinhalten. Jede Antennenbaugruppe kann eine NMR-Antwort von einem jeweiligen der gesonderten Untervolumina erfassen.

In einigen Implementierungen beinhaltet das Vermessungswerkzeug 102 eine Magnetbaugruppe und eine Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe. Ein Beispiel ist in 3B gezeigt. Die Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe kann eine unidirektionale azimutal selektive NMR-Antwort von einem unterirdischen Volumen zur Magnetbaugruppe erlangen. Die Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe kann Orthogonal-Transversal-Dipolantennen und eine Monopolantenne beinhalten.

In einigen Beispielen werden NMR-Vermessungsvorgänge im Verlauf von Wireline-Vermessungsvorgängen durchgeführt. 1B ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems 100b, das ein NMR-Werkzeug in einer Wireline-Vermessungsumgebung beinhaltet, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In einigen Beispiel-Wireline-Vermessungsvorgängen beinhaltet die Oberflächenausrüstung 112 eine Plattform über der Oberfläche 106, die mit einem Bohrturm 132 ausgerüstet ist, der ein Wireline-Kabel 134 trägt, das sich in das Bohrloch 104 erstreckt. Wireline-Vermessungsvorgänge können beispielsweise durchgeführt werden, nachdem ein Bohrstrang aus dem Bohrloch 104 entfernt wurde, damit das Wireline-Vermessungswerkzeug 102 mittels Wireline oder Vermessungskabel in das Bohrloch 104 abgesenkt werden kann.

In einigen Beispielen werden NMR-Vermessungsvorgänge im Verlauf von Bohrvorgängen durchgeführt. 1C ist ein Diagramm eines Beispielbohrlochsystems 100c, das ein NMR-Werkzeug in Umgebung zum Vermessen während des Bohrens (LWD) beinhaltet, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Bohren wird in der Regel mithilfe eines Strangs von Bohrgestänge ausgeführt, das zum Bilden eines Bohrstrangs 140 miteinander verbunden ist, der durch einen Drehtisch in das Bohrloch 104 abgesenkt wird. In einigen Fällen trägt eine Bohranlage 142 an der Oberfläche 106 den Bohrstrang 140, während der Bohrstrang 140 betrieben wird, um ein Bohrloch zu bohren, das die unterirdische Region 120 durchdringt. Der Bohrstrang 140 kann beispielsweise eine Mitnehmerstange, Bohrgestänge, eine Bohrgarnitur und andere Komponenten beinhalten. Die Bohrgarnitur am Bohrstrang kann Schwerstangen, Bohrmeißel, das Vermessungswerkzeug 102 und andere Komponenten beinhalten. Die Vermessungswerkzeuge können MWD-Werkzeuge, LWD-Werkzeug und andere beinhalten.

In einigen Implementierungen beinhaltet das Vermessungswerkzeug 102 ein NMR-Werkzeug zum Erlangen von NMR-Messungen aus der unterirdischen Region 120. Wie beispielsweise in 1B gezeigt, kann das Vermessungswerkzeug 102 durch Wickelrohr, Wireline-Kabel oder eine andere Struktur im Bohrloch 104 aufgehängt sein, die das Werkzeug mit einer Oberflächensteuereinheit oder anderen Komponenten der Oberflächenausrüstung 112 verbindet. In einigen Beispielimplementierungen wird das Vermessungswerkzeug 102 an den Boden einer interessierenden Region abgesenkt und anschließend durch die interessierende Region nach oben gezogen (z. B. bei einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit). Wie beispielsweise in 1C gezeigt, kann das Vermessungswerkzeug 102 an zusammengefügtem Bohrgestänge, festverdrahtetem Bohrgestänge oder anderer Einsatzhardware im Bohrloch 104 eingesetzt werden. In einigen Beispielimplementierungen sammelt Vermessungswerkzeug 102 im Verlauf von Bohrvorgängen Daten, während es sich durch die interessierende Region nach unten bewegt. In einigen Beispielimplementierungen sammelt das Vermessungswerkzeug 102 Daten, während sich der Bohrstrang 140 bewegt, beispielsweise während er in das Bohrloch 104 eingebracht oder daraus herausgeholt wird.

In einigen Implementierungen sammelt das Vermessungswerkzeug 102 an separaten Vermessungspunkten im Bohrloch 104 Daten. Beispielsweise kann sich das Vermessungswerkzeug 102 inkrementell zu jedem Vermessungspunkt in einer Reihe von Tiefen im Bohrloch 104 auf- oder abwärts bewegen. An jedem Vermessungspunkt führen Instrumente im Vermessungswerkzeug 102 Messungen an der unterirdischen Region 120 durch. Die Messdaten können zur Speicherung, Verarbeitung und Analyse an das Rechnersubsystem 110 übermittelt werden. Diese Daten können im Verlauf von Bohrvorgängen (z. B. LWD-Vorgängen), im Verlauf von Wireline-Vermessungsvorgängen oder während anderer Arten von Aktivitäten gesammelt und analysiert werden.

Das Rechnersubsystem 110 kann die Messdaten von the Vermessungswerkzeug 102 empfangen und analysieren, um Eigenschaften verschiedener unterirdischer Schichten 122 zu erfassen. Beispielsweise kann das Rechnersubsystem 110 die Dichte, Viskosität, Porosität, den Materialgehalt oder andere Eigenschaften der unterirdischer Schichten 122 auf Grundlage der NMR-Messungen identifizieren, die von dem Vermessungswerkzeug 102 im Bohrloch 104 erhalten wurden.

In einigen Implementierungen erlangt das Vermessungswerkzeug 102 NMR-Signale durch Polarisieren von Kernspins in der unterirdischen Region 120 und Pulsierenlassen der Kerne mit einem Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld. Verschiedenen Impulsfolgen (d. h. eine Reihe von Hochfrequenzimpulsen, Verzögerungen und anderen Vorgängen) kann zum Erlangen von NMR-Signalen verwendet werden, darunter die Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)-Folge (in der die Spins zuerst mit einem Antippimpuls angetippt werden, gefolgt von einer Reihe von Refokussierungsimpulsen), die optimierte Refokussierungsimpulsfolge (Optimized Refocusing Pulse Sequence, ORPS), in der die Refokussierungsimpulse weniger als 180° betragen, eine Sättigungserholungsimpulsfolge und andere Impulsfolgen.

Die akquirierten Spin-Echo-Signale (oder anderen NMR-Daten) können zu einer Relaxationszeitverteilung (z. B. einer Verteilung von transversalen Relaxationszeiten T2oder einer Verteilung von Längsrelaxationszeiten T1) oder beiden verarbeitet (z. B. invertiert, transformiert usw.) werden. Eine Diffusionsachse D ist ebenfalls möglich. Die Relaxationszeitverteilung kann verwendet werden, um durch Lösen einer oder mehrerer inverser Aufgaben verschiedene physikalische Eigenschaften der Formation zu bestimmen. In einigen Fällen werden Relaxationszeitverteilungen für mehrere Vermessungspunkte akquiriert und zum Einlernen eines Modells der unterirdischen Region verwendet. In einigen Fällen werden Relaxationszeitverteilungen für mehrere Vermessungspunkte akquiriert und zum Vorhersagen von Eigenschaften der unterirdischen Region verwendet.

2A ist ein Diagramm eines Beispieluntertagewerkzeugs 200A zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Beispiel-NMR-Werkzeug 200A beinhaltet eine Magnetbaugruppe, die ein statisches Magnetfeld erzeugt, um Polarisierung zu erzeugen, und eine Antennenbaugruppe, die (a) ein Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld zum Erzeugen von Erregung erzeugt und (b) NMR-Signale akquiriert. In dem Beispiel aus 2A erzeugt die Magnetbaugruppe, die die Endstückmagnete 11A, 11B und einen Zentralmagnet 12 beinhaltet, das statische Magnetfeld im untersuchten Volumen 17. In dem untersuchten Volumen 17 ist die Richtung des statischen Magnetfelds (gezeigt als durchgezogener schwarzer Pfeil 18) parallel zur Längsachse des Bohrlochs. In einigen Beispielen kann eine Magnetkonfiguration mit doppelter Polstärke verwendet werden, um die Stärke des Magnetfelds zu erhöhen (z. B. bis zu 100–150 Gauß oder in einigen Fällen mehr).

In dem Beispiel aus 2A beinhaltet die Antennenbaugruppe 13 zwei gegenseitig orthogonal-transversale Dipolantennen 15, 16. In einigen Fällen kann das NMR-Werkzeug 200A mit einer einzelnen Transversal-Dipolantenne implementiert sein. Beispielsweise kann eine der Transversal-Dipolantennen 15, 16 in der Antennenbaugruppe 13 wegfallen. Die Beispiel-Transversal-Dipolantennen 15, 16 aus 2A sind an einer Außenfläche eines Weichmagnetkerns 14 angeordnet, der zur RF-Magnetflusskonzentration dient. Das statische Magnetfeld kann axialsymmetrisch (oder im Wesentlichen axialsymmetrisch) sein und benötigt daher möglicherweise keine Erregung breiterer Bandbreite, die mit weiterem Energieverlust einhergeht. Das untersuchte Volumen kann axial ausreichend lang und dick gebildet sein (z. B. in einigen Umgebungen 20 cm lang und 0,5 cm dick), um Immunität bereitzustellen oder in anderer Weise Empfindlichkeit für axiale Bewegung, laterale Bewegung oder beide zu senken. Eine längere Empfindlichkeitsregion kann ein Messen während des Einbringens des Bohrstrangs ermöglichen. Die Empfindlichkeitsregion kann durch Formen der Magnete 11A, 11B, 12 und des weichmagnetischen Materials des Kerns 14 geformt werden.

In einigen Implementierungen beinhaltet die Antennenbaugruppe 13 zusätzlich oder alternativ einen integrierten Spulensatz, der die Vorgänge der zwei Transversal-Dipolantennen 15, 16 durchführt. Beispielsweise kann die integrierte Spule (z. B. anstelle der zwei Transversal-Dipolantennen 15, 16) verwendet werden, um eine kreisförmige Polarisierung zu erzeugen und Quadraturspulenerfassung durchzuführen. Beispiele integrierter Spulensätze, die dazu angepasst sein können, diese Vorgänge durchzuführen, beinhalten Mehrspulen- oder komplexe Einzelspulenanordnungen, wie etwa Vogelkäfigspulen, die allgemein für die Hochfeld-Magnetresonanzbildgebung (MRI) verwendet werden.

Im Vergleich zu einigen axialsymmetrischen Beispielauslegungen weist die Verwendung des Längs-Dipolmagnets und der Transversal-Dipolantennenbaugruppe aufgrund eines längeren Wirbelstromwegs als bei einigen Längs-Dipolantenne(n) auch den Vorteil geringerer Wirbelstromverluste in der Formation und im Bohrfluid (d. h. „Schlamm“) im Bohrloch auf.

In einigen Aspekten können NMR-Messungen über mehrere Untervolumina hinweg die Datendichte und daher das SNR pro Zeiteinheit erhöhen. Mehrere Volumenmessungen in einem statischen Magnetfeld mit einem radialen Gradienten können beispielsweise durch Akquirieren von NMR-Daten auf einer zweiten Frequenz erzielt werden, während auf einer ersten Frequenz auf die Erholung der Kernmagnetisierung gewartet wird (z. B. nach einer CPMG-Impulsfolge). Eine Anzahl unterschiedlicher Frequenzen kann verwendet werden, um eine Mehrfrequenz-NMR-Akquisition mit einer Anzahl von Erregungsvolumina mit einer unterschiedlichen Untersuchungstiefe (depth of investigation, DOI) auszuführen. Neben einem höheren SNR können die Mehrfrequenzmessungen auch eine Profilerstellung des Eindringens von Fluid in das Bohrloch ermöglichen, was eine bessere Beurteilung der Permeabilität von Erdformationen ermöglicht. Ein anderer Weg zum Ausführen von Mehrfachvolumenmessungen ist die Verwendung unterschiedlicher Regionen der Magnetbaugruppe zum Akquirieren eines NMR-Signals. NMR-Messungen dieser unterschiedlichen Regionen können zur gleichen Zeit (z. B. simultan) oder zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt werden.

2B ist ein Diagramm eines weiteren Beispieluntertagewerkzeugs 200B zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Beispiel-NMR-Werkzeug 200B beinhaltet ebenfalls eine Magnetbaugruppe, die ein statisches Magnetfeld erzeugt, um Polarisierung zu erzeugen, und eine Antennenbaugruppe, die (a) ein Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld zum Erzeugen von Erregung erzeugt und (b) NMR-Signale akquiriert. In dem Beispiel aus 2B erzeugt die Magnetbaugruppe ein Magnetfeld mit einer dominanten axialen Komponente im untersuchten Volumen 21. Die Richtungen des RF-Magnetfelds (das durch zwei Transversal-Dipolantennen erzeugt wird, wie in 2A) und des statischen Magnetfelds in dieser Region sind bei 22 gezeigt. In dem Beispiel aus 2B werden zwei gesonderte Untersuchungsvolumina 24A, 24B nahe den Magnetpolen (jenseits der axialen Enden des Zentralmagnets) erzeugt, wo das statische Magnetfeld eine hauptsächlich radiale Komponente aufweist. Die Beispiel-NMR-Antennen, die mit 23A und 23B bezeichnet sind, können RF-Magnetfelder in den Untersuchungsvolumina 24A und 24B nahe den Längs-Dipolantennen erzeugen. Die Längsrichtung der RF-Magnetfelder in den Untersuchungsvolumina 24A und 24B und die radiale Richtung des statischen Magnetfelds in den Untersuchungsvolumina 24A und 24B sind bei 25A und 25B gezeigt.

In einigen Aspekten kann eine Kombination von Transversal-Dipol- und Monopolantennen verwendet werden, um unidirektionale azimutal selektive Messungen zu ermöglichen, ohne in einigen Fällen das SNR wesentlich zu senken. In einigen Beispielen kann die NMR-Erregung im Wesentlichen axialsymmetrisch sein (z. B. entweder mittels der Transversal-Dipolantenne oder der Monopolantenne), während eine Kombination der Antworten der Transversal-Dipolantenne mit axialsymmetrischer Empfindlichkeit und der Monopolantenne mit axialsymmetrischer Empfindlichkeit azimutal aufgelöste Messungen ermöglicht.

3A und 3B stellen Aspekte eines azimutal selektiven Beispiel-NMR-Werkzeugs dar. 3A ist eine Darstellung 300A, die azimutale Selektivität für ein Beispieluntertagewerkzeug 300B gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt. Das Beispiel-NMR-Werkzeug 300B beinhaltet eine Magnetbaugruppe, die ein statisches Magnetfeld erzeugt, um Polarisierung zu erzeugen, und eine Antennenbaugruppe, die (a) ein Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld zum Erzeugen von Erregung erzeugt und (b) NMR-Signale akquiriert. Die Antennenbaugruppe 31 aus 3B beinhaltet eine im Wesentlichen monopolare Antenne und zwei Orthogonal-Transversal-Dipolantennen 35 und 36. Die Beispiel-Monopolantenne beinhaltet zwei Spulen 37A und 37B, die in umgekehrter Polarität verbunden sind, um ein im Wesentlichen radiales RF-Magnetfeld im untersuchten Volumen 34 zu erzeugen. Aufgrund der Kopplungssymmetrie kann die gleiche Spulenanordnung eine radiale Empfindlichkeitsrichtung aufweisen. Die Beispiel-RF-Magnetfelder BRF, die unter 32 und 33 präsentiert sind, können die Gesamtempfindlichkeitsrichtung reflektieren, wenn die Antwort der Monopolantenne mit einer der Transversal-Dipolantennenantworten kombiniert wird.

3B ist ein Diagramm eines weiteren Beispieluntertagewerkzeugs zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Beispiel-Monopolantenne aus 3B beinhaltet eine Anordnung von Spulen, die lokal ein im Wesentlichen radial gerichtetes Magnetfeld erzeugen, d. h. das Feld, das von einer einzelnen „magnetischen Ladung“ oder einem Magnetpol erzeugt würde. Der Begriff „Monopol“ wird hier verwendet, um diese Art von Magnetfeld von einem Dipolmagnetfeld (transversal oder längs) zu unterscheiden. In einigen Fällen erzeugt die Monopolantennenbaugruppe quasistationäre (relativ niederfrequente) Magnetfelder. In dem gezeigten Beispiel sind die Spulen 37A und 37B, die in umgekehrter Polarität verbunden sind, zwei Teile einer Monopolantennenbaugruppe. Jede Spule allein kann als eine Standard-Längsantenne implementiert sein. Eine Monopolantenne kann auf andere Weise implementiert werden.

Die Poldarstellung in 3A zeigt ein Beispiel der Antennenempfindlichkeit, die unidirektionale azimutale Selektivität demonstriert. Eine Kombination der Antworten einer jeden der Orthogonal-Transversal-Dipolantennen mit der Antwort der Monopolantenne kann eine beliebige von vier möglichen Richtungen ergeben, die alle Quadranten der transversalen Ebene abdecken. Rotation des Bohrstrangs während des Bohrens kann eine Amplitudenmodulation der azimutal selektiven Antwort bewirken, und damit eine Amplitudenmodulation des NMR-Relaxationssignals (z. B. einen CPMG-Echozug). Die Amplitudenmodulationsparameter können die azimutalen Variationen der NMR-Eigenschaften (z. B. die NMR-Porositätsvariationen) angeben.

Die Spulen 37A und 37B der Beispiel-Monopolantenne aus 3B können in Kombination mit Transversal-Dipolantennen 35 und 36 verwendet werden, um beispielsweise azimutale Selektivität zu erzielen. Jede der Spulen 37A und 37B kann auch als eine separate Antenne (zusätzlich zu oder ohne die Transversal-Dipolantennen 35, 36) verwendet werden, um beispielsweise SNR zu steigern. In einigen Fällen ist ein NMR-Werkzeug mit einer Monopolantenne und einem Längsmagnet ohne andere Antennen implementiert. Beispielsweise können die Transversal-Dipolantennen 35 und 36 in der Antennenbaugruppe 31 in einigen Fällen wegfallen.

4A ist ein Ablaufdiagramm, das eine Beispieltechnik 400 zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt. 4B ist ein Ablaufdiagramm, das eine weitere Beispieltechnik 420 zum Erlangen von NMR-Daten aus einer unterirdischen Region gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt. Jeder der Prozesse 400 und 420 kann unabhängig vom anderen durchgeführt werden, oder die Prozesse 400 und 420 können gleichzeitig oder konzertiert durchgeführt werden. Beispielsweise können die Prozesse 400 und 420 in Reihe oder parallel durchgeführt werden, oder einer der Prozesse kann durchgeführt werden, ohne den anderen durchzuführen.

Die Prozesse 400 und 420 können von Untertage-NMR-Werkzeugen wie etwa den Beispiel-NMR-Werkzeuge 200A, 200B oder 300B aus 2A, 2B und 3B oder durch eine andere Art von NMR-Werkzeug durchgeführt werden. Die Prozesse 400 und 420 können von einem Untertage-NMR-Werkzeug durchgeführt werden, während das Werkzeug bei Bohrlochsystemvorgängen in einem Bohrloch angeordnet ist. Beispielsweise kann das Untertage-NMR-Werkzeug im Bohrloch zur Wireline-Vermessung (wie z. B. in 1B gezeigt) aufgehängt werden, oder das Untertage-NMR-Werkzeug kann für NMR-LWD (wie z. B. in 1C gezeigt) an einen Bohrstrang gekoppelt sein.

Jeder der Prozesse 400 und 420 kann (jeweils) die Vorgänge aus 4A und 4B beinhalten, oder einer der Prozesse kann weitere oder unterschiedliche Vorgänge beinhalten. Die Vorgänge können in der in den jeweiligen Figuren gezeigten Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden. In einigen Fällen können ein oder mehrere der Vorgänge in Reihe oder parallel, im Verlaufe einander überlagernder oder nicht überlagernder Zeiträume durchgeführt werden. In einigen Fällen können ein oder mehrere der Vorgänge iterativ ausgeführt oder wiederholt werden, beispielsweise für eine festgelegte Anzahl von Iterationen, für eine festgelegte Zeitdauer oder bis eine Abbruchbedingung erreicht wird.

Bei 402 in dem Beispielprozess 400 aus 4A wird das NMR-Werkzeug in einem Bohrloch positioniert. In einigen Fällen beinhaltet das NMR-Werkzeug eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in der unterirdischen Region um das Bohrloch. Das Volumen kann beispielsweise die Untersuchungsvolumina 17, 21, 24A, 24B, 34 aus 2A, 2B oder 3B oder ein anderes interessierendes Volumen ganz oder teilweise beinhalten. Allgemein beinhaltet das NMR-Werkzeug eine Magnetbaugruppe zum Polarisieren von Kernspins im interessierenden Volumen und eine Antennenbaugruppe zum Anregen der Kernspins und zum Akquirieren eines NMR-Signals auf Grundlage der Anregung.

Bei 404 wird in einem Volumen um das Bohrloch Polarisierung erzeugt. Die Polarisierung wird durch ein statisches Magnetfeld erzeugt, das von der Magnetbaugruppe des NMR-Werkzeugs im Bohrloch erzeugt wird. Die Polarisierung bezieht sich auf die magnetische Polarisierung der Kernspins im Volumen. Mit anderen Worten, ein Teil der Kernspins richtet sich am statischen Magnetfeld aus, und das Volumen entwickelt ein magnetisches Massenmoment. In einigen Fällen wird das statische Magnetfeld konfiguriert (z. B. durch die Form und Position der Magnetbaugruppe), um Längspolarisierung (z. B. parallel zur Längsachse des Bohrlochs) oder Polarisierung mit einer anderen Ausrichtung zu erzeugen.

In einigen Beispielen beinhaltet die Magnetbaugruppe einen Zentralmagnet (z. B. den Zentralmagnet 12 aus 2A, 2B, 3B oder eine andere Art von Zentralmagnet) und zwei Endstückmagnete (z. B. die Endstückmagnete 11A, 11B aus 2A, 2B, 3B oder eine andere Art von Endstückmagnet). In einigen Fällen sind die Magnete in der Magnetbaugruppe Permanentmagnete. Wie beispielsweise in 2A gezeigt, kann der Zentralmagnet ein länglicher Permanentmagnet mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende sein, wobei der erste Endstückmagnet vom ersten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist und der zweite Endstückmagnet vom zweiten axialen Ende des Zentralmagnets beabstandet ist. In einigen Fällen weisen die zwei Endstückmagnete eine gemeinsame Magnetfeldausrichtung auf, und der Zentralmagnet weist die entgegengesetzte Magnetfeldausrichtung auf (z. B. derart, dass beide Endstückmagnete eine Magnetfeldausrichtung aufweisen, die orthogonal zur Magnetfeldausrichtung des Zentralmagnets ist).

Bei 406 wird im Volumen um das Bohrloch kreisförmige polarisierte Erregung erzeugt. Die kreisförmige polarisierte Erregung wird in dem Volumen durch eine Antennenbaugruppe erzeugt. Beispielsweise kann die Antennenbaugruppe durch einen Oszillationsstrom im Hochfrequenzbereich mit Energie versorgt werden, der ein Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld im Volumen um das Bohrloch erzeugt. Kreisförmige Polarisierung ist ein Attribut der Verwendung von zwei Antennen, wobei das resultierende alternierende Feld rotiert. Bei der kreisförmigen Polarisierung behält das RF-Feld seine Stärke bei, doch die Ausrichtung rotiert um einen bestimmten Vektor. Dies steht im Gegensatz zu einer Einzelantenne, die ein Feld in einer Richtung (z. B. linear) aufweist, das entlang einer Linie wächst und schrumpft. Das von der Antennenbaugruppe erzeugte RF-Magnetfeld verändert die Kernspins, um einen angeregten Spin-Zustand zu erzeugen.

In einigen Beispielen beinhaltet die Antennenbaugruppe Orthogonal-Transversal-Dipolantennen. Die Antennenbaugruppe 13 aus 2A und 2B und die Antennenbaugruppe 31 aus 3B sind Beispiele von Antennenbaugruppen, die zwei Orthogonal-Transversal-Dipolantennen beinhalten. Jede Antenne 15, 16 in der Beispielantennenbaugruppe 13 kann unabhängig ein transversales magnetisches Dipolfeld erzeugen, indem sie beispielsweise Hochfrequenzstrom leitet. In dem gezeigten Beispiel weist jedes transversale magnetische Dipolfeld eine transversale Ausrichtung in Bezug auf die Längsachse des NMR-Werkzeugs. Mit anderen Worten, das transversale magnetische Dipolfeld ist orthogonal zur Längsachse des Bohrlochs.

In dem gezeigten Beispiel ist das von der Antenne 15 erzeugte transversale magnetische Dipolfeld orthogonal zu dem von der anderen Antenne 16 erzeugten transversalen magnetischen Dipolfeld. In einem kartesischen Koordinatensystem mit drei zueinander orthogonalen Richtungen beispielsweise kann die Längsachse des NMR-Werkzeugs als die „z“-Richtung betrachtet werden, und die transversalen magnetischen Dipolfelder (die von den Antennen 15, 16 erzeugt werden) sind jeweils in der „x“- und „y“-Richtung ausgerichtet.

In einigen Implementierungen werden von dem NMR-Werkzeug mehrere Erregungen erzeugt. In einigen Fällen beispielsweise wird die kreisförmige polarisierte Erregung von den Orthogonal-Transversal-Dipolantennen in einem ersten Untervolumen (z. B. dem untersuchten Volumen 21 in 2B) erzeugt, und Erregung mit einer anderen Ausrichtung wird im zweiten und dritten Untervolumen (z. B. den Untersuchungsvolumina 24A, 24B in 2B) erzeugt, die von den axialen Enden des ersten Untervolumens beabstandet sind. Die Erregung im zweiten und dritten Untervolumen kann beispielsweise durch eine RF-Längsdipolfeld erzeugt werden, das von anderen Antennenbaugruppen (z. B. den Antennen 23A und 23B in 2B) erzeugt wird. Die gesonderten Untervolumina können unterschiedlichen Zwecken dienen. Beispielsweise kann das erste Untervolumen länglich (parallel zur Längsachse des Bohrlochs) sein, um NMR-Daten aus dem ersten Untervolumen zu akquirieren, während sich das NMR-Werkzeug am Bohrloch entlang bewegt (z. B. beim Einbringen eines Bohrstrangs). In einigen Fällen können die anderen Untervolumina positioniert werden, um NMR-Daten für eine Profilerstellung über das Eindringen von Schlammfiltrat oder andere Anwendungen zu akquirieren.

Bei 408, wird mittels Quadraturspulenerfassung ein NMR-Signal akquiriert. Das NMR-Signal beruht auf der bei 406 erzeugten Erregung. Das NMR-Signal kann beispielsweise ein Echozug, freier Induktionszerfall (free induction decay, FID) oder eine andere Art von NMR-Signal sein. In einigen Fällen beinhalten die akquirierten NMR-Daten T1 Relaxationsdaten, T2 Relaxationsdaten oder andere Daten. Das NMR-Signal kann von der Antennenbaugruppe akquiriert werden, die die Erregung erzeugt, oder von einer anderen Antennenbaugruppe. In einigen Fällen kann ein NMR-Signal in mehreren Untervolumina akquiriert werden.

Die Quadraturspulenerfassung kann von den Orthogonal-Transversal-Dipolantennen durchgeführt werden. Quadraturspulenerfassung kann mithilfe von zwei orthogonalen Spulen durchgeführt werden, die jeweils das mittels kreisförmiger polarisierter Kernmagnetisierung erzeugte Signal erfassen (das Signal in den Spulen weist eine Phasendifferenz von 90 Grad auf). Auch wenn während der Übertragung nur eine Spule verwendet wird (und z. B. ein lineares polarisiertes RF-Magnetfeld erzeugt wird), kann die Kernmagnetisierung trotzdem kreisförmig polarisiert sein, indem die Hälfte des linearen Felds verworfen wird. Quadraturspulenübertragung (zwei orthogonale Spulen, angesteuert durch RF-Ströme mit einer Phasendifferenz von 90 Grad) kann kreisförmig polarisierte Erregung ermöglichen, die in einigen Fällen dazu beitragen kann, die Leistungsaufnahme gegenüber einer linear polarisierten Erregung zu reduzieren. Quadraturspulenerfassung kann beispielsweise verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beim Erregen nur einer Spule (ohne Verwendung von kreisförmig polarisierter Erregung zur Vereinfachung der Hardware) zu erhöhen, oder kreisförmige Polarisierung kann verwendet werden, um Strom zu sparen, während Signale mit einer Spule erfasst werden. In einigen Fällen können sowohl kreisförmig Polarisierung als auch Quadraturspulenerfassung verwendet werden, um Energie zu sparen und das SNR zu erhöhen. In einigen Fällen ist die Verwendung von kreisförmiger Polarisierung oder Quadraturspulenerfassung (oder beiden) effizient, wenn zueinander orthogonale Antennen im Wesentlichen identisch sind. Dies ist in der Beispiel-Magnet-/Antennenkonfiguration möglich, die einen Längs-Dipolmagnet und zwei transversale Antennen aufweist. Andere Konfigurationen, bei denen eine der zwei Antennen weniger effizient als die andere ist, stellen, obwohl sie zueinander orthogonale Antennen zulassen, in einigen Fällen möglicherweise nicht dieselben Vorteile bereit.

Bei 410 werden die NMR-Daten verarbeitet. Die NMR-Daten können verarbeitet werden, um physikalische Eigenschaften der unterirdischen Region zu identifizieren oder andere Arten von Informationen zu extrahieren. Beispielsweise können die NMR-Daten verarbeitet werden, um Dichte, Viskosität, Porosität, Materialgehalt oder andere Eigenschaften der unterirdischen Region um das Bohrloch zu identifizieren.

Bei 422 im Beispielprozess 420 aus 4B wird das NMR-Werkzeug in einem Bohrloch positioniert, und bei 424 wird in einem Volumen um das Bohrloch Polarisierung erzeugt. Die Vorgänge 422 und 424 in 4B gleichen den Vorgängen 402 und 404 aus 4A. Beispielsweise beinhaltet das NMR-Werkzeug eine Magnetbaugruppe zum Polarisieren von Kernspins im interessierenden Volumen und eine Antennenbaugruppe zum Anregen der Kernspins und zum Akquirieren eines NMR-Signals auf Grundlage der Anregung. Die Polarisierung kann bei 424 in der Weise erzeugt werden, wie sie in Bezug auf Vorgang 404 von 4A beschrieben wurde, und durch die gleiche Art von Magnetbaugruppe; oder Polarisierung kann bei 424 in einer anderen Weise oder durch eine andere Art von Magnetbaugruppe erzeugt werden.

Bei 426 wird in einem Volumen um das Bohrloch Erregung erzeugt. Die Erregung wird in dem Volumen durch eine Antennenbaugruppe erzeugt. Beispielsweise kann die Antennenbaugruppe einen Hochfrequenzstrom erzeugt werden, der ein Hochfrequenz(RF)-Magnetfeld im Volumen um das Bohrloch erzeugt. Das von der Antennenbaugruppe erzeugte RF-Magnetfeld verändert die Kernspins, um einen angeregten Spin-Zustand zu erzeugen. In einigen Fällen weist der Spin-Zustand in einer ausgewählten azimutalen Richtung eine höhere Erregung auf, derart, dass der Grad der Spin-Erregung entlang einer kreisförmigen (oder Umfangs-)Richtung um das Bohrloch variiert, beispielsweise aufgrund eines azimutal selektiven RF-Magnetfelds.

In einigen Beispielen beinhaltet die Antennenbaugruppe eine Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe. Die Antennenbaugruppe 31 aus 3B ist ein Beispiel einer Antennenbaugruppe, die eine Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe beinhaltet. In dem Beispiel aus 3B beinhaltet die Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe zwei Orthogonal-Transversal-Dipolantennen 35 und 36 in einer Zentralregion und eine Monopolantenne, die eine erste Spule 37A an einem ersten axialen Ende der Transversal-Dipolantennen 35 und 36 und eine zweiten Spule 37B an einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende der Transversal-Dipolantennen 35 und 36 beinhaltet; die Spulen 37A und 37B der Monopolantenne sind mit entgegengesetzter Polarität angeordnet.

Bei 428 wird ein azimutal selektives NMR-Signal akquiriert. Das NMR-Signal beruht auf der bei 426 erzeugten Erregung. Das NMR-Signal kann beispielsweise ein Echozug, freier Induktionszerfall (FID) oder eine andere Art von NMR-Signal sein. In einigen Fällen beinhalten die akquirierten NMR-Daten T1 Relaxationsdaten, T2 Relaxationsdaten oder andere Daten. Das NMR-Signal kann von der Antennenbaugruppe akquiriert werden, die die Erregung erzeugt, oder von einer anderen Antennenbaugruppe. In einigen Fällen wird das NMR-Signal von einer Antennenbaugruppe mit azimutal selektiver Empfindlichkeit akquiriert, wie etwa einer Transversal-Dipol- und Monopolantennenbaugruppe.

In einigen Implementierungen wird das azimutal selektive NMR-Signal als eine Kombination von mehreren NMR-Signalakquisitionen akquiriert. Die Signalakquisitionen können beispielsweise Akquisitionen durch eine oder mehrere Transversal-Dipolantennen und eine oder mehrere Monopolantennen beinhalten. Die Signale können kombiniert werden, um azimutal aufgelöste Messungen des Volumens um das Bohrloch zu ermöglichen. In einigen Fällen kann beispielsweise eine Kombination der Antworten einer jeden der Orthogonal-Transversal-Dipolantennen mit der Antwort der Monopolantenne eine beliebige von vier möglichen Richtungen ergeben, die alle Quadranten der transversalen Ebene abdecken.

Bei 430 werden die NMR-Daten verarbeitet. Die NMR-Daten können verarbeitet werden, um physikalische Eigenschaften der unterirdischen Region zu identifizieren oder andere Arten von Informationen zu extrahieren. Beispielsweise können die NMR-Daten verarbeitet werden, um Dichte, Viskosität, Porosität, Materialgehalt oder andere Eigenschaften der unterirdischen Region um das Bohrloch zu identifizieren. In einigen Fällen werden die NMR-Daten verarbeitet, um azimutale Variationen in der unterirdischen Region um das Bohrloch zu identifizieren. Beispielsweise kann das Drehen des NMR-Werkzeugs eine Amplitudenmodulation der azimutal selektiven Antwort bewirken. Die Amplitudenmodulationsparameter können die azimutalen Variationen der Eigenschaften angeben, die das NMR-Signal beeinflussen (z. B. Porosität, Dichte, Viskosität, Materialgehalt usw.). Es können weitere Ausführungsformen erzielt werden.

Beispielsweise wurden in der Literatur übliche Verfahren der Verwendung NMR-basierter Werkzeuge erörtert, doch die praktische Implementierung dieser Konzepte wurde nicht vollständig ausgearbeitet. Insbesondere wird die nachfolgende Erörterung verschiedene Ausführungsformen präsentieren, die einen praktischen Weg zum Erzielen von mehreren empfindlichen Zonen an einem NMR-Werkzeug bereitstellen, das zentrale kreisförmig polarisierte transversale Antennen und einen oder mehrere Längsmagnete aufweist.

Als ein Vergleichsmechanismus ist 5 eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 6 ist eine Drahtmodellansicht der NMR-Werkzeugkonfiguration aus 5. Diese schematische Ansicht und Drahtmodellansicht der Werkzeugkonstruktion stellen eine alternative Version der perspektivischen Ansicht für die Konstruktion dar, die in 2A, 2B und 3B für die NMR-Werkzeuge 200A, 200B, oder 300B gezeigt wurde. In diesen Ausführungsformen werden tangential-radiale, symmetrische Magnetfelder 502 durch eine Magnetbaugruppe 504 mit drei Abschnitten erzeugt, die einen Zentralmagnet 510, einen ersten Endstückmagnet 520 und einen zweiten Endstückmagnet 530 umfasst.

Ein Schnitt durch den zylindrischen Zentralmagnet 510 wurde in der Zeichnung als Ringmagnet 510’ und Pseudozylindermagnet 510’’ aufgebrochen, um zu zeigen, dass die schematische Ansicht zwar zweidimensionale Schnitte bereitstellt, die Magnete (und andere Komponentenelemente der Baugruppe 404 einschließlich der Felder 502) jedoch dreidimensionaler Art sind. Magnetkonfigurationen werden daher im Folgenden als Scheibenschnitt entlang der Längsachse 560 eines Untertagewerkzeugs dargestellt. Diese Scheiben stellen einen vollständigen Zylinder dar, wie er in 5 und 6 gezeigt ist und nicht in den nachfolgenden Diagrammen gezeigt ist, da es sich versteht, dass alle Zeichnungen der Magnetbaugruppen und Werkzeuge im Folgenden durch eine zweidimensionale Scheibe dargestellt werden.

Das NMR-empfindliche Volumen wird in diesem Fall mit zwei Antennen angeregt (nicht dargestellt, aber beispielsweise als Elemente 15 und 16 in 2A gezeigt), um die Felder 502 unter Anwendung der Prinzipien der kreisförmigen Polarisierung zu erzeugen. Zum Formen der Felder 502 können die Magnete 510, 520, 530 und magnetisch leitfähiges Material 550 geformt werden. Die Felder 502 können auch durch Hinzufügen von Ausgleichsmagneten zu der Grundkonfiguration aus 5 geformt werden, wie in nachfolgenden Figuren beschrieben wird.

Beispielsweise stellt 7 seitliche weggeschnittene Ansichten 710, 720, 730 eines Abschnitts eines radialsymmetrischen Magnetfeldprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar. Die sekundären Formen können zum Bilden eines Einzelsattelpunkts, eines Doppelsattelpunkts, eines Mehrfachsattelpunkts oder jenseits eines Sattelpunkts geformt sein. Beispielsweise sind die Felder in den Ansichten 710, 720, 730 jeweils radial symmetrisch. Jede Ansicht zeigt einen Scheibenschnitt radial nach außen entlang der Werkzeuglängsachse, wobei die Felder so geformt wurden, dass sie einen dem Durchschnittsfachmann bekannten Kissentyp (z. B. Ansicht 710), Schmetterlingstyp (z. B. Ansicht 720) und „Jenseits des Sattelpunkts“-Typ (z. B. Ansicht 730) bilden.

Sekundäre Zonen wie etwa diese können mithilfe von zwei langen Magnetsätzen gebildet werden, wobei gleiche Polseiten einander zugewandt sind, möglicherweise mittels einer Jasper-Jackson-Auslegung, die Durchschnittsfachleuten bekannt ist. Zwei lange Ringmagnetsätze mit einer Länge von 0,1 m können beispielsweise etwa 0,1 m voneinander beabstandet sein, wobei die Südpole einander zugewandt sind. Zwei lange Magnete in dieser Position werden im Folgenden als „Pol“-Magnete bezeichnet. Ein magnetisch leitfähige Material kann in der Mitte dieser Konfiguration angeordnet sein (siehe z. B. Material 550 in 5). Dieses Material dient vielen Zwecken, von denen einer das Formen eines Magnetfelds ist. Werden jedoch nur die dreiteilige Konfiguration aus 5 verwendet, die Magnetlängen angepasst und die Pole getrennt, so ist die Konfiguration mit dem magnetisch leitfähigen Material bisweilen nicht ausreichend, um die gewünschte DOI oder den Gradienten in Bezug auf das effektive NMR-empfindliche Volumen bereitzustellen. Obwohl das Formen der Felder 502 schwierig ist, kann es bisweilen durch Hinzufügen von magnetisch leitfähigem Material auf der Außenseite der einzelnen Magnete erreicht werden. Diese Handlung kann ausreichen, um das Antennenfeld nach außen zu fokussieren und zugleich die Stärke des auf die Magnete gerichteten B1-Felds zu reduzieren. Dies ist jedoch nicht immer möglich.

Beispielsweise stellt 8 seitliche weggeschnittene Ansichten 810, 820 eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar. In diesem Fall entsprechen die Ansichten 810, 820 dem Formen von Feldern mithilfe der Konfiguration aus 5. Die einzelne aktive NMR-Zone 830 ist lang und tief. Wenn Magnetlängen und Poltrennung angepasst werden und magnetisch leitfähiges Material auf die Konfiguration aus 5 angewandt wird, existieren drei Zonen 840, 850, 860 bei derselben Frequenz. Leider liegt die Sattelpunktzone 850 im Bohrloch. Während dieses Profil in einigen Fällen in einigen Fällen nützlich für die Messung sein kann, ist es nicht allgemein wünschenswert.

9 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten 910, 920, 930 eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar. Hier ist zu sehen, dass die Polmagnete weiter von der Mitte (d. h. dem Zentralmagnet in einer Konfiguration mit drei Magneten, wie etwa derjenigen aus 5) weg bewegt wurden, die Kissenzone 940 sich nach außen jenseits der Bohrlochwand bewegt und die Frequenz des empfindliche Volumens (mittig im Spin oder antennenresonant) abfällt.

10 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten 1010, 1020 eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte und einer Betriebsfrequenz von 295 kHz gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar. 11 stellt seitliche weggeschnittene Ansichten 1110, 1120 eines Abschnitts eines modellierten radialsymmetrischen Magnetfeldprofils bei Bewegung von Polmagneten weg von der Mitte und einer Betriebsfrequenz von 716 kHz gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar. Diese Ansichten entsprechen dem Vergrößern des Zentralmagnetaußendurchmessers und Trennen der Polmagnete von dem Zentralmagnet, um eine sekundäre Zone zu erzeugen, die radial gerichtet ist und jenseits der Bohrlochwand liegt. Die Gesamtmagnetspanne nähert sich in diesem Fall drei Metern an. Die resultierende Frequenz des empfindlichen Volumens wäre in vielen Situationen jedoch niedriger als erwünscht.

Daher führt eine Konfiguration mit drei Magneten (aus 5) wahrscheinlich nicht für die obere 1030, untere 1040 und mittlere 1050 aktive NMR-Zone zugleich zu gewünschten Untersuchungstiefen (siehe 8), einer gewünschten NMR-Betriebsfrequenz (siehe 9), einer gewünschten Werkzeuglänge und einer tiefen DOI (siehe 10). In der Praxis ergibt sich mit nur drei Magneten nur ein einziger Sattelpunkt (d. h. Zonen 1050, 1150) auf natürliche Weise im Spalt zwischen dem mittleren und dem oberen/unteren Magnet. Das Hinzufügen weiterer Magnete und leitfähigen Materials kann jedoch dazu beitragen, die Art der erzeugten Felder zu steuern, um zusammen mit der Gesamtlänge des Werkzeugs ein wünschenswertes Ergebnis bereitzustellen. Die folgenden Figuren zeigen einige nicht einschränkende Beispiele.

1213 sind schematische Ansichten von NMR-Werkzeugkonfigurationen 1200, 1300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Hier können die Konfigurationen 1200, 1300 beliebige oder alle Elemente beinhalten, die jeweils in den Konfigurationen 200A, 200B und 300B aus 2A, 2B und 3C gezeigt sind. Außerdem sind ein magnetisch leitfähiges Material 1210, wie etwa Ferrit, oder weichmagnetisches Verbundmaterial Ferrotron 559H, erhältlich von Fluxtrol, Inc. aus Auburn Hills, Michigan, USA und/oder ein oder mehrere Ausgleichsmagnete 1220 jeweils zwischen dem Zentralmagnet 510 und dem ersten und zweiten Endstückmagnet 520, 530 angeordnet. Durch Hinzufügen kleiner innerer Magnete (z. B. Magnete 1220) zwischen dem Zentralmagnet 510 und den Endstückmagneten 520, 530 kann eine radial (d. h. in dominanter Feldrichtung) empfindliche Zone mit einer tieferen und wünschenswerteren DOI erzeugt werden.

Tatsächlich sind viele Variationen möglich. Bei der Werkzeugkonfiguration 1200 beispielsweise sind die Felder 1230 und DOI symmetrisch aufgrund der symmetrischen Position und Größe des magnetisch leitfähigen Materials 1210 und der Ausgleichsmagnete 1220. Die Enden der Ausgleichsmagnete 1220 können den Endstückmagneten 520, 530 und dem Zentralmagnet 510 gegenüberliegen oder an ihnen ausgerichtet sein, abhängig von der gewünschten Feldstärke und -form. Die Magnete 510, 520, 530, 1220 können Ringe (ähnlich wie oder identisch mit dem Ringmagnet 510’ in 5), rechteckige Abschnitte (z. B. ähnlich wie oder identisch mit dem Pseudozylindermagnet 510’’ aus 5) oder eine beliebige Form (z. B. dreieckig, quadratisch oder elliptisch) umfassen.

In einigen Ausführungsformen weisen die Magnete 510, 520, 530, 1220 eine Restfeldausrichtung an der Längsachse 560 des Werkzeugs auf. In einigen Ausführungsformen ist die Restfeldausrichtung radialsymmetrisch und in anderen geneigt. Beispielsweise kann ein Pseudozylinder (z. B. der Zylinder 510’’ aus 5) mittels der kreisförmigen Anordnung mehrerer rechteckiger Magnete gleicher oder unterschiedlicher Größe um den Azimutalumfang des Werkzeugs gebildet werden.

In vielen Ausführungsform ist Symmetrie weder nötig noch erwünscht. Während also die Konfiguration 1200 vollkommen symmetrisch ist, ist die Konfiguration 1300 asymmetrisch. Die Asymmetrie in Konfiguration 1300 ergibt sich aus der Verwendung von Ausgleichsmagneten unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher Mengen an magnetisch leitfähigem Material. Daher sind die Ausgleichsmagnete 1320 kleiner und die Menge an zu ihnen benachbartem magnetisch leitfähigem Material 1310 ist kleiner als im oberen Abschnitt 1360 der Konfiguration 1300, während die Ausgleichsmagnete 1380 größer sind und die Menge an zu ihnen benachbartem magnetisch leitfähigem Material 1370 im unteren Abschnitt 1390 der Konfiguration 1300 größer ist. Das Ergebnis ist, dass die Felder 1330 für Konfiguration 1300 unterschiedlich sind und eine unterschiedliche DOI aufweisen. Hingegen sind die Felder 1230 gleich und weisen die gleiche DOI auf. In jeder Konfiguration 1200, 1300 können eine oder mehrere Antennen (z. B. Antennen 15 und 16 aus 2A, oder Antennen 35, 26, 37A, 37B in 3B) über dem magnetisch leitfähigen Material 550 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist Kupfer zwischen einer oder mehreren Antennen (z. B. Antennen 15 und 16 aus 2A, oder Antennen 35, 26, 37A, 37B in 3B) und dem magnetisch leitfähigen Material 550 angeordnet. Diese Antennen und das Kupfer sind in 12 und 13 nicht gezeigt, um das Erscheinungsbild anderer Elemente nicht zu verdecken; für eine Ansicht der Anwendung dieser Merkmale wird der Leser auf 15 verwiesen.

14 stellt ein Feldprofil 1400 der Kissenzone in dem Magnetfeld dar, die durch Hinzufügen von magnetisch leitfähigem Material zu der Werkzeugkonfiguration erzeugt wurde, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die Kissenzone wird hier nur durch Hinzufügen des magnetisch leitfähigen Materials zwischen dem Zentralmagnet und einem der Endstückmagnete erzeugt. Zusätzlich zu Magneten können NMR-Werkzeuge, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen konstruiert sind, mit einem magnetisch leitfähigen Material zwischen den Magneten und einer oder mehreren Antennen betrieben werden (siehe 15). Diese Konstruktion trägt dazu bei, die Antennenfeldpenetration des Magnets zu reduzieren, die Klingeln verursachen könnte. Diese Konstruktion trägt außerdem dazu bei, das B1-Magnetfeld nach außen in die Formation zu fokussieren, um das verfügbare SNR zu erhöhen. Diese Konfiguration ist im Wesentlichen die gleiche wie die Konfiguration 1200 aus 12, mit magnetisch leitfähigem Material 1210 und ohne Ausgleichsmagnets 1220. Die resultierende radiale Kissenzone tritt bei einer Frequenz von 205 kHz mit einer Werkzeuggesamtlänge von etwa 3 m mit Polmagneten (Endstückmagneten, die weiter beabstandet sind als in 12 gezeigt) auf, um eine größere DOI zu erlangen.

1516 sind schematische Ansichten von NMR-Werkzeugkonfigurationen 1500, 1600 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 17 stellt symmetrische Feldprofile 1700, 1800 der Magnetfelder dar, die den NMR-Werkzeugkonfigurationen aus 1516 entsprechen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

Bis zu dieser Stelle wurde noch nicht der Vorteil der Verwendung zusätzlicher Ausgleichsmagnete 1560 erörtert, die an äußeren Enden der Endstückmagnete 520, 530 angeordnet sind. Bei Implementierung dieser Ausführungsform, wie in 15, 16, 18 und 20 gezeigt, werden anstelle des Erzeugens der zweiten und dritten empfindlichen Zone (gezeigt als Komponenten der Felder 502 in 5) zwischen den zwei Endstückmagneten einer Konfiguration mit drei Magneten (gezeigt als Magnete 510, 520, 530 in 5) die zweite und dritte Zone 1502, 1504 außerhalb der Konfiguration mit drei Magneten 510, 520, 530 erzeugt, während die mittlere Zone 1506 zwischen den zwei Endstückmagneten 520, 530 angeordnet bleibt. In einer anderen Ausführungsform sind Ausgleichsmagnete 1560 benachbart zu nur einem der Endstückmagnete (z. B. Magnet 520) angeordnet. Diese Option stellt nur zwei empfindliche Zonen 1502, 1506 bereit.

In 15 wurden die zusätzlichen Ausgleichsmagnete 1560 in symmetrischer Weise hinzugefügt, wobei die Polmagnetisierung entgegengesetzt zu derjenigen der proximalen Endstückmagnete 520, 530 ist. Zwischen den Ausgleichsmagneten 1560 und den Endstückmagneten 520, 530 ist ein magnetisch leitfähiges Material 1550 angeordnet. Eine oder mehrere Antennen 37A, 37B können über dem magnetisch leitfähigen Material 1550 angeordnet sein. Wie bei vorhergehenden Ausführungsformen der Fall, können die Antennen 35, 36 auch über dem magnetisch leitfähigen Material 550 angeordnet sein. Immer wenn eine Antenne über magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist, kann Kupfer 1570 zwischen der Antenne und dem magnetisch leitfähigen Material angeordnet sein. Wie in 16 zu erkennen ist, können Ausgleichsmagnete 1660 zu der Konfiguration aus 15 hinzugefügt werden, um die Verteilung des empfindlichen Felds sowie die DOI fein einzustellen. Es kann eine beliebige Anzahl Ausgleichsmagnete 1560, 1660 verwendet werde, doch reichen in vielen Fällen zwei solche Magnete aus, um die Untersuchungsziele zu erreichen. Die Konfigurationen aus 15 und 16 erlauben es, dass die mittlere empfindliche Zone 1506 symmetrisch nicht beeinträchtigt wird.

Erneut können symmetrische Konfigurationen wie 1516 gezeigt in vielen Anwendungen nützlich sein. In anderen kann eine asymmetrische Verteilung der empfindlichen Volumina erwünscht sein. Daher ermöglicht die Konfiguration in 16 bei Bedarf wenigstens zwei Arten von Asymmetrie. Bei der ersten Art wurden Ausgleichsmagnete 1660 radial unter dem magnetisch leitfähigen Material 1550 hinzugefügt. Bei der zweiten Art wurden die Ausgleichsmagnete 1670 in Längsrichtung zwischen dem Endstückmagnet 530 und dem magnetisch leitfähigen Material 1680 hinzugefügt. Es können noch weitere Ausgleichsmagnet 1690 hinzugefügt werden, möglicherweise unter dem magnetisch leitfähigen Material 1680. Die Ausgleichsmagnete 1660, 1670, 1690 können hinzugefügt werden, um bei Bedarf symmetrische Zonen 1502, 1504 oder asymmetrische Zonen (z. B. siehe 18) bereitzustellen.

Einige Ausführungsformen (z. B. symmetrische) stellen daher die gleiche DOI für jede der äußeren empfindlichen Zonen 1502, 1504 bereit. Einige Ausführungsformen (z. B. asymmetrische) stellen eine unterschiedliche DOI für jede der äußeren empfindlichen Zonen 1502, 1504 bereit. Bei den letzteren können unterschiedlichen Untersuchungstiefen (DOIs) unter Verwendung desselben Werkzeugs bereitgestellt werden. Für eine Empfindlichkeitszone kann eine beliebige Anzahl Frequenzen verwendet werden. Sattelpunktregionen und Regionen jenseits des Sattelpunkts könnten eine einzelne Antenne nutzen, wenn diese Ausführungsform verwendet wird.

18 ist eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration 1800 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 19 stellt asymmetrische Feldprofile 1900, 1910 der Magnetfelder dar, die der NMR-Werkzeugkonfiguration aus 18 entsprechen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In diesem Fall wird eine asymmetrische Konfiguration 1800 angewandt, indem größere Ausgleichsmagnete 1660 an einem Ende des Werkzeugs und kleinere Ausgleichsmagnete 1670, 1690 am anderen Ende des Werkzeugs verwendet werden, wodurch jeweils ein größeres und ein kleineres empfindliches Volumen 1502, 1504 bereitgestellt wird. Um in dieser Konfiguration 1800 eine axialsymmetrische empfindliche Zone 1506 beizubehalten, muss möglicherweise die Größe der Zentral- und/oder Endstückmagnete 510, 520, 530 angepasst werden.

20 ist eine schematische Ansicht einer NMR-Werkzeugkonfiguration 2000 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Hier wurden die Konfigurationen 1200 (aus 12) und 1800 (aus 18) kombiniert, so dass mehrere Ausgleichsmagnete 1220 längs zwischen dem Zentralmagnet 510 und den einzelnen Endstückmagneten 520, 530 angeordnet sind. Außerdem wurden weitere Ausgleichsmagnete 1660 längs zwischen den Endstückmagneten 520, 530 und Ausgleichsmagneten 1560 angeordnet. Das Endergebnis ist symmetrisch, doch andere Ausführungsformen müssen nicht derart eingeschränkt sein, so dass mehrere DOIs mittels einer einzigen Werkzeugkonfiguration erlangt werden können. Weitere Paare Ausgleichsmagnete können verwendet werden, um die Längserstreckung der Konfiguration 2000 oder einer beliebigen anderen hier beschriebenen Konfiguration zu erhöhen. Es gibt keine theoretische Einschränkung der Erweiterungsmenge und der Anzahl erzeugter empfindlicher Zonen, doch können praktische Einschränkungen bezüglich der Werkzeuglänge vorliegen.

21 ist ein Blockdiagramm von Vorrichtungen 2110 und Systemen 2100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Hier ist zu erkennen, dass das System 2100 eine Steuereinrichtung 2125 zum Bilden einer Schnittstelle zu einer gesteuerten Vorrichtung 2170, wie etwa einer Geosteering-Einheit, und/oder einer Benutzeranzeige oder Touchscreen-Schnittstelle herzustellen, die in Anzeigeeinheiten 2155 enthalten oder davon getrennt sein kann. Das System 2100 kann ferner eine Anzahl von Sensoren untertage, einschließlich Antennen ANT1, ANT2, ... ANTN, als Teil der Vorrichtung 2110 beinhalten, die ein Untertagewerkzeug 102 ähnlich wie oder identisch mit dem Werkzeug 102 aus den vorangehenden Figuren umfasst (z. B. 1A, 1B, 1C). Die Vorrichtung 2110 kann somit ein Untertagewerkzeug 102 umfassen, das jeweils gemäß einer beliebigen der Konfigurationen 200A, 200B, 300B, 1200, 1300, 1500, 1600, 1800, 2000 aus 22A, 2B, 3B, 12, 13, 15, 16, 18 bzw. 20 konstruiert ist. Die Vorrichtung 2110 kann ferner Sender und/oder Empfänger (gemeinsam Sendeempfänger 2104) umfassen, die an der Vorrichtung 2110 oder an einer Oberflächenposition entfernt von der Vorrichtung 2110 angeordnet sein können. Wenn das System 2100 auf diese Weise konstruiert ist, kann es Messungen und andere Daten (die z. B. NMR-Messungen in einer geologischen Formation entsprechen) empfangen, damit diese gemäß verschiedenen hier beschriebenen Verfahren verarbeitet werden.

Die Verarbeitungseinheit 2102 kann an die Sendeempfänger 2104 gekoppelt sein, um Messungen unter anderen von den Antennen ANT1, ANT2, ..., ANTN zu erlangen. Die Verarbeitungseinheit 2102 kann ein Oberflächenarbeitsplatzrechner sein oder als Teil der Vorrichtung 2110 an einem Gehäuse des Untertagewerkzeugs 102 angebracht sein.

Das Vermessungssystem 2100 kann eine Steuereinrichtung 2125, andere elektronische Vorrichtungen 2165 und eine Kommunikationseinheit 2140 beinhalten. Die Steuereinrichtung 2125 und die Verarbeitungseinheit 2102 können derart gefertigt sein, dass sie die Antennen ANT1, ANT2, ..., ANTN zum Akquirieren von Messdaten betreiben, wie etwa Signalen, die Sensormessungen darstellen und sich möglicherweise aus NMR-Anregung der umgebenden Formation ergeben.

Elektronische Vorrichtungen 2165 (z. B. elektromagnetische Sensoren, Stromsensoren) können in Verbindung mit der Steuereinrichtung 2125 verwendet werden, um Aufgaben im Zusammenhang mit dem Vornehmen von Messungen untertage durchzuführen. Die Kommunikationseinheit 2140 kann Bohrlochkommunikation in einem Bohrvorgang beinhalten. Diese Untertagekommunikation kann Telemetrie beinhalten.

Das System 2100 kann auch einen Bus 2127 zum Bereitstellen gemeinsamer elektrischer Signalwege zwischen den Komponenten des Systems 2100 beinhalten. Der Bus 2127 kann einen Adressbus, einen Datenbus und einen Steuerbus beinhalten, die jeweils unabhängig konfiguriert sind. Der Bus 2127 kann auch gemeinsame leitfähige Leitungen verwenden, um eins oder mehrere von Adresse, Daten oder Steuerung bereitzustellen, deren Verwendung von der Steuereinrichtung 2125 geregelt werden kann.

Der Bus 2127 kann Instrumente für ein Kommunikationsnetz beinhalten. Der Bus 2127 kann derart konfiguriert sein, dass die Komponenten des Systems 2100 verteilt sind. Eine solche Verteilung kann zwischen Untertagekomponenten wie etwa den Sendeempfängern 2104 und Komponenten vorgesehen sein, die an der Oberfläche eines Bohrlochs angeordnet sein können. Alternativ können mehrere dieser Komponenten gemeinsam angeordnet sein, etwa an einen oder mehreren Kragen eines Bohrstrangs, dessen Teil das Werkzeug 102 ist.

In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das System 2100 Peripherievorrichtungen, die Anzeigen 2155, weiteren Speicher oder andere gesteuerte Vorrichtungen 2170 beinhalten können, die in Verbindung mit der Steuereinrichtung 2125 oder der Verarbeitungseinheit 2102 arbeiten können. Die Anzeige 2155 kann Diagnose- und Messinformationen für das System 2100 auf Grundlage der Signale anzeigen, die gemäß den oben beschriebenen Ausführungsform erzeugt werden.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 2125 derart gefertigt sein, dass sie einen oder mehrere Prozessoren beinhaltet. Die Anzeige 2155 kann gefertigt oder programmiert sein, um mit Anweisungen zu arbeiten, die in der Verarbeitungseinheit 2102 (beispielsweise dem Speicher 2106) gespeichert sind, um eine Benutzerschnittstelle zum Verwalten des Betriebs des Systems 2100 zu implementieren, einschließlich einer oder mehrerer Komponenten, die in dem System 2100 verteilt sind. Eine solche Benutzerschnittstelle kann in Verbindung mit der Kommunikationseinheit 2140 und dem Bus 2127 betrieben werden. Verschiedene Komponenten des Systems 2100 können in die Bohrgarnitur aus 1C integriert sein, die wiederum zum Unterbringen der Magnete, des magnetisch leitfähigen Materials, der Antennen ANT1, ANT2, ..., ANTN usw. verwendet werden kann, wie sie in den verschiedenen hier beschriebenen Konfigurationen 200A, 200B, 300B, 1200, 1300, 1500, 1600, 1800, 2000 gezeigt sind, so dass Vorgänge und Verarbeitungen durchgeführt werden können, die identisch zu oder ähnlich wie die zuvor oder später erörterten Verfahren sind. Somit können verschiedene Ausführungsformen erzielt werden.

Bezug nehmend auf 121 beispielsweise ist zu sehen, dass in einigen Ausführungsformen eine Vorrichtung 2110 ein Untertagewerkzeug 102 umfasst, das an eine Magnetbaugruppe angebracht ist, die einen Zentralmagnet 510 zwischen zwei Endstückmagneten 520, 530 und einen oder mehrere Ausgleichsmagnete 1220 beinhaltet, wobei magnetisch leitfähiges Material 1210 zwischen dem Zentralmagnet 510 und einem der Endstückmagnete 520, 530 angeordnet ist (siehe z. B. 12). Das magnetisch leitfähige Material 1210 kann über einem Magnet 1220 an derselben Längsposition wie der Magnet angeordnet sein, wie in 12 gezeigt, oder das magnetisch leitfähige Material 1550 kann, wie in 15 gezeigt, in Längsrichtung von der Position des Ausgleichsmagnets 1560 versetzt sein. In einigen Ausführungsformen ist das magnetisch leitfähige Material 550 über dem Zentralmagnet 510 angeordnet und das magnetisch leitfähige Material 12010 ist außerdem über den Ausgleichsmagneten 1220 angeordnet, so dass die Längsposition des magnetisch leitfähigen Materials 1210 und der jeweiligen Ausgleichsmagnete 1220 ungefähr gleich ist (siehe z. B. 12). In einigen Ausführungsformen ist das magnetisch leitfähige Material 550 über dem Zentralmagnet 510 angeordnet und das magnetisch leitfähige Material 1550 ist außerdem in Längsrichtung von den Ausgleichsmagneten 1560 versetzt (so dass die Ausgleichsmagnete 1560 unmittelbar der Formation ausgesetzt sind), weshalb die Längsposition des magnetisch leitfähigen Materials 1550 und der jeweiligen Ausgleichsmagnete 1560 unterschiedlich ist (siehe 15).

In einigen Ausführungsformen umfasst daher eine Vorrichtung 2110 eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds 1230 in einem Volumen in einer geologischen Formation, wobei die Magnetbaugruppe an einem Untertagewerkzeug 102 angebracht ist, wobei die Magnetbaugruppe einen Zentralmagnet 510 mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende; einen ersten Endstückmagnet 520, der von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist; und einen zweiten Endstückmagnet 530 umfasst, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist. Die Vorrichtung 2110 umfasst ferner wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet 1220 oder 1320, der längs zwischen dem Zentralmagnet 510 und dem ersten Endstückmagnet 520 angeordnet ist, wobei der erste Ausgleichsmagnet 1220 oder 1320 benachbart zu erstem magnetisch leitfähigem Material 1210 oder 1310 angeordnet oder wenigstens teilweise davon umgeben ist, wobei der erste Ausgleichsmagnet zum Formen eines ersten statischen Magnetfelduntervolumens 1230, 1330 dient, das von dem Zentralmagnet 510 und dem ersten Endstückmagnet 510 bereitgestellt wird.

Es kann Kupfer verwendet werden, um den Zentralmagnet und/oder die Ausgleichsmagnete von den RF-Antennenimpulsen abzuschirmen. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher Kupfer 1570, das radial zwischen dem ersten Ausgleichsmagnet 1220 und dem ersten magnetisch leitfähigen Material 1210 oder zwischen dem Zentralmagnet 510 und zentralem magnetisch leitfähigem Material 550 angeordnet ist.

Ausgleichsmagnete können als einstückige Ringe oder separate Elemente gebildet sein, die eine ringartige Struktur bilden. In einigen Ausführungsformen umfasst daher der wenigstens eine erste Ausgleichsmagnet mehrere einteilige ringförmige Elemente (z. B. in Ring 510’) und/oder eine Reihe rechteckiger Elemente, die zum Bilden eines Rings geformt sind (z. B. in Ring 510’’).

Ein zweiter Ausgleichsmagnet kann hinzugefügt werden, so dass der die Position des ersten Ausgleichsmagnets an der Längsachse des Werkzeugs spiegelt. Weiteres magnetisch leitfähiges Material kann benachbart zu dem zweiten Ausgleichsmagnet angeordnet sein oder diesen wenigstens teilweise umgeben In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1670, der zwischen dem Zentralmagnet 510 und dem zweiten Endstückmagnet 530 angeordnet ist, wobei der zweite Ausgleichsmagnet 1380 benachbart zu zweitem magnetisch leitfähigem Material 1370 angeordnet ist oder wenigstens teilweise von dem zweiten magnetisch leitfähigen Material 1370 und Kupfer 1570 umgeben ist (nicht in 13 gezeigt, aber siehe das Kupfer 1570, das zwischen den Magneten 1220 und dem magnetisch leitfähigen Material 1210 in 20 angeordnet ist).

Weitere Sätze aus Ausgleichsmagneten und magnetisch leitfähigem Material können hinzugefügt werden, um das Muster, das von dem ersten und zweiten Ausgleichsmagnet hergestellt wurde, um eine gewünschte Strecke symmetrisch nach außen zu erweitern. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher wenigstens einen Satz weitere Ausgleichsmagnete 1660, der benachbart zu dem weiteren magnetisch leitfähigen Material 1550 angeordnet oder wenigstens teilweise davon umgeben ist, um eine Anordnung des wenigstens einen ersten und zweiten Ausgleichsmagnets 1220 und des ersten und zweiten magnetisch leitfähigen Materials 1210 in symmetrischer Weise entlang einer Längsachse 560 des Werkzeugs nach außen zu erweitern.

Der erste und zweite Ausgleichsmagnet und/oder das erste und zweite magnetisch leitfähige Material können mit relativen Größendifferenzen zusammengebaut werden, um unterschiedliche Untersuchungstiefen zu ermöglichen. In einigen Ausführungsformen sind somit geologische Formationstiefen der Untersuchung, die dem ersten Ausgleichsmagnet 1320 und dem zweiten Ausgleichsmagnet 1380 zugeordnet sind, unterschiedlich.

In den meisten Ausführungsformen definieren die Zentral- und Endstückmagnete Magnetfelder mit einer orthogonalen Ausrichtung. In einigen Ausführungsformen definiert der Zentralmagnet 510 daher eine erste Magnetfeldausrichtung und der erste und zweite Endstückmagnet 520, 530 definieren eine zweite Magnetfeldausrichtung im Wesentlichen orthogonal zur ersten Magnetfeldausrichtung.

Die Zentral- und Endstückmagnete können Permanentmagnete, Elektromagnete und andere Arten von Magneten umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst daher wenigstens einer von dem Zentralmagnet 510 oder dem ersten und zweiten Endstückmagnet 520, 530 einen oder mehrere Permanentmagnete.

Die Vorrichtung 2110 kann eine oder mehrere Antennen beinhalten, die verwendet werden können, um eine NMR-Antwort von einem oder mehreren Magnetfeldern zu erfassen, die von den Magneten definiert werden. In einigen Ausführungsformen definieren daher der Zentralmagnet 510 und der erste und zweite Endstückmagnet 520, 530 ein statisches Magnetfeldgesamtvolumen, das mehrere gesonderte Untervolumina 1502, 1504, 1506 umfasst, wobei die mehreren gesonderten Untervolumina 1502, 1504, 1506 das erste statische Magnetfelduntervolumen 1506 beinhalten, das in einer ersten Richtung parallel zu einer Längsachse des Werkzeugs 560 länglich ist, wobei das Magnetfeld im ersten statischen Magnetfelduntervolumen 1506 im Wesentlichen gleichmäßig in der ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei die Vorrichtung ferner umfasst: Antennen 35, 36, 37A, 37B, die an jeweiligen Positionen an der Längsachse 560 angeordnet sind, wobei jede der Antennen 35, 36, 37A, 37B dazu dient, eine Kernmagnetresonanzvorrichtungsantwort von einem jeweiligen der gesonderten Untervolumina 1502, 1504, 1506 zu erfassen, wenn die Antennen 35, 36, 37A, 37B in Betrieb sind.

Das magnetisch leitfähige Material kann so ausgewählt sein, dass es eine relativ niedrige Leitfähigkeit aufweist, so dass Verluste im Material niedriger sind als diejenigen in den Antennen und der Formation. In einigen Ausführungsformen ist die Leitfähigkeit des ersten magnetisch leitfähigen Materials 550 somit dazu ausgewählt, Verluste in dem magnetisch leitfähigen Material 550 auf weniger als erwartete Verluste in den Antennen 35, 36, 37A, 37B oder der zu untersuchenden geologischen Formation zu reduzieren.

Antennen in der Vorrichtung 2110 können verschiedene Arten umfassen, wie etwa eine oder mehrere Transversal-Dipolantennen, um kreisförmig-polarisierte Erregung in dem Magnetfeldvolumen zu erzeugen, oder um möglicherweise mittels Quadraturspulenerfassung eine Antwort von dem Magnetfeldvolumen zu akquirieren. Kupfer kann über dem Zentralmagnet angeordnet sein, wobei das magnetisch leitfähige Material über dem Kupfer und unter der oder den Antennen liegt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher ferner eine Antennenbaugruppe 35, 36, umfassend eine Transversal-Dipolantenne 35, die über dem Zentralmagnet 510 angeordnet ist, wobei Kupfer 1570 und zentrales magnetisch leitfähiges Material 550 zwischen dem Zentralmagnet 510 und der Antennenbaugruppe 35, 36 angeordnet sind.

In einigen Ausführungsformen umfasst eine Vorrichtung 2110 ein Untertagewerkzeug 102, das an einer Magnetbaugruppe angebracht ist, die einen Zentralmagnet 510 zwischen zwei Endstückmagneten 520, 530 beinhaltet, wobei magnetisch leitfähiges Material 1210 zwischen dem Zentralmagnet 510 und einem ersten Ende von einem der Endstückmagnete 520, 530 angeordnet ist und ein oder mehrere Ausgleichsmagnete 1560 neben einem zweiten Ende von einem der Endstückmagnete 520, 530 angeordnet sind (siehe z. B. 20). In einigen Ausführungsformen umfasst eine Vorrichtung 2110 daher eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds 1506 in einem Volumen in einer unterirdischen Region, wobei die Magnetbaugruppe einen Zentralmagnet 510 mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende; einen ersten Endstückmagnet 520 mit einem proximal Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist; und einen zweiten Endstückmagnet 530, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist; wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet 1560 umfasst, der von dem distalen Ende des ersten Endstückmagnets 520 beabstandet ist. Die Vorrichtung 2110 umfasst ferner ein Untertagewerkzeug 102, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist, ferner umfassend ein erstes magnetisch leitfähiges Material 1550, das benachbart zu einer Längsachse 560 des Werkzeugs angeordnet ist oder diese wenigstens teilweise umgibt, wobei das erste magnetisch leitfähige Material 1550 zwischen dem ersten Endstückmagnet 520 und dem ersten Ausgleichsmagnet 1560 angeordnet ist.

Das magnetisch leitfähige Material kann zum Umgeben weiterer Ausgleichsmagnete verwendet werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher ferner wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1560, der benachbart zu dem ersten magnetisch leitfähigen Material 1550 angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt.

Es kann Kupfer zwischen dem magnetisch leitfähigen Material und weiteren Ausgleichsmagneten angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher ferner Kupfer 1570, das zwischen dem magnetisch leitfähigen Material und dem wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet angeordnet ist.

Die Vorrichtung 2110 kann eine symmetrische, gespiegelte Anordnung weiterer magnetischer und magnetisch leitfähiger Elemente beinhalten. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher ferner wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1560, der von einem distalen Ende des zweiten Endstückmagnets 530 beabstandet ist, und zweites magnetisch leitfähiges Material 1550, das zwischen dem zweiten Endstückmagnet 530 und dem zweiten Ausgleichsmagnet 1560 angeordnet ist, um eine Anordnung des ersten Ausgleichsmagnets 1560 und des ersten magnetisch leitfähigen Materials 1550 um einen Mittelpunkt 2010 des Zentralmagnets 510 zu spiegeln.

Die Vorrichtung 2110 kann eine asymmetrische Anordnung weiterer magnetischer und magnetisch leitfähiger Elemente beinhalten. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 2110 daher ferner wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1220, der zwischen dem Zentralmagnet 510 und dem zweiten Endstückmagnet 530 angeordnet ist, und zweites magnetisch leitfähiges Material 1210, das benachbart zu dem wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1220 angeordnet ist oder diesen wenigstens teilweise umgibt.

In einigen Ausführungsformen umfasst ein System 2100 ein Werkzeug 102, das magnetisch leitfähiges Material 1310, 1370 und Ausgleichsmagnete 1320 umfasst, die innerhalb und/oder außerhalb der Verbindung zwischen dem Zentralmagnet 510 und Endstückmagneten 520, 530 angeordnet sind (siehe z. B. 13). Das Werkzeug 102 ist an einen Sender und Empfänger (z. B. Sendeempfänger 2104) gekoppelt, um eine NMR-Antwort in einer geologischen Formation anzuregen und zu empfangen. In einigen Ausführungsformen umfasst ein System 2100 daher eine Magnetbaugruppe zum Erzeugen eines Magnetfelds in einem Volumen in einer unterirdischen Region, wobei die Magnetbaugruppe beliebige oder alle Komponenten aus FIG. 200A, 200B, 300B, FIG. 1213, FIG. 1516, FIG. 18, und/oder FIG. 20 umfasst. Zu diesen gehören ein Zentralmagnet 510 mit einem ersten axialen Ende und einem zweiten, gegenüberliegenden axialen Ende; ein erster Endstückmagnet 520 mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende von dem ersten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist; und ein zweiter Endstückmagnet 530, der von dem zweiten axialen Ende des Zentralmagnets 510 beabstandet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das System 2100 ferner wenigstens einen ersten Ausgleichsmagnet 1220, 1660, der benachbart zu dem ersten magnetisch leitfähigen Material 1210, 1550 angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine erste Ausgleichsmagnet 1220, 1660 neben einem Ende des ersten Endstückmagnets 520, das proximal zum Zentralmagnet 510 ist (wie es z. B. bei dem Magnet 1220 der Fall ist), oder neben einem Ende des ersten Endstückmagnets 520 angeordnet ist, das distal zum Zentralmagnet 510 ist (wie es z. B. bei dem Magnet 1660 der Fall ist). Das System 2100 umfasst ferner ein Untertagewerkzeug 102, das an der Magnetbaugruppe angebracht ist, ferner umfassend einen Sender und einen Empfänger (wie z. B. den Sendeempfänger 2104), um eine NMR-Antwort in dem Magnetfeldvolumen anzuregen und zu empfangen.

Das Werkzeug kann ein Wireline- oder Bohrwerkzeug umfassen. In einigen Ausführungsformen des Systems 2100 umfasst das Untertagewerkzeug 102 daher eins von einem Wireline-Werkzeug oder einem Bohrwerkzeug (siehe z. B. 1A, 1B, 1C).

Magnetische Ausgleichselemente können zu beliebigen der Konfigurationen hinzugefügt werden und derart abgemessen sein, dass sie ähnliche oder unterschiedliche DOIs bereitstellen. In einigen Ausführungsformen umfasst daher ein System 2100 wenigstens einen zweiten Ausgleichsmagnet 1660’’, der benachbart zu dem zweiten magnetisch leitfähigen Material 1550 angeordnet ist oder dieses wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine zweite Ausgleichsmagnet 1660’’ neben einem Ende des zweiten Endstückmagnets 530, das proximal zum Zentralmagnet 510 ist, oder neben einem Ende des zweiten Endstückmagnets 530 angeordnet ist, das distal zum Zentralmagnet 510 ist, wobei geologische Formationstiefen der Untersuchung, die dem ersten Ausgleichsmagnet 1660’ und dem zweiten Ausgleichsmagnet 1660’’ zugeordnet sind, unterschiedlich sind.

Zu der Grundkonfiguration können eine oder mehrere Antennen hinzugefügt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst ein System 2100 daher ferner mehrere Antennen 35, 36, 37A, 37B, die an jeweiligen Positionen an einer Längsachse des Werkzeugs 560 angeordnet sind, wobei jede der Antennen 35, 36, 37A, 37B dazu dient, eine kernmagnetische Antwort von einem jeweiligen von mehreren entsprechenden gesonderten Magnetfelduntervolumina zu erfassen, die von dem zentralen und dem ersten und zweiten Endstückmagnet 510, 520, 530 definiert werden. Es können weitere Ausführungsformen erzielt werden.

Weitere Verfahren

In einigen Ausführungsformen umfasst eine nicht-transitorische maschinenlesbare Speichervorrichtung darauf gespeicherte Anweisungen, die bei Ausführung durch eine Maschine die Maschine in eine angepasste, bestimmte Maschine umwandeln, die Vorgänge ausführt, die ein oder mehrere Merkmale umfassen, die ähnlich wie oder identisch zu denjenigen sind, die in Bezug auf die hier beschriebenen Verfahren und Techniken beschrieben wurden. Eine hier beschriebene maschinenlesbare Speichervorrichtung ist eine physische Vorrichtung, die Informationen (z. B. Anweisungen, Daten) speichert, die beim Speichern die physische Struktur der Vorrichtung verändern. Zu Beispielen von maschinenlesbaren Speichervorrichtungen können, ohne darauf beschränkt zu sein, Speicher 2106 in der Form von Lesespeicher (ROM), Schreib-/Lesespeicher (RAM), einer Magnetdisk-Speichervorrichtung, einer optischen Speichervorrichtung, einem Flash-Speicher und anderer elektronischer, magnetischer und/oder optischer Speichervorrichtungen gehören.

An der physischen Struktur gespeicherter Anweisungen können von einem oder mehreren Prozessoren wie beispielsweise der Verarbeitungseinheit 2102 Betriebsvorgänge durchgeführt werden. Das Durchführen von Betriebsvorgängen an diesen physischen Strukturen kann die Maschine veranlassen, eine spezialisierte Maschine zu werden, die Vorgänge gemäß den hier beschriebenen Verfahren durchführt. Die Anweisungen können Anweisungen beinhalten, die die Verarbeitungseinheit 2102 veranlassen, zugeordnete Daten oder andere Daten im Speicher 2106 zu speichern. Der Speicher 2106 kann die Ergebnisse von NMR-Messungen von Formationsparametern, Bohrbetriebsparametern, Verstärkungsparametern, Kalibrierungskonstanten, Identifikationsdaten, Sensorpositionsinformationen usw. speichern. Der Speicher 2106 kann ein Protokoll der Messungen und Positionsinformation speichern, die von dem System 2100 bereitgestellt werden. Der Speicher 2106 kann daher eine Datenbank beinhalten, beispielsweise eine relationale Datenbank.

Die Vorrichtung 2110 und das System 2100 und jedes ihrer Elemente können vorliegend jeweils als „Module“ bezeichnet werden. Solche Module können Hardwareschaltungen und/oder einen Prozessor und/oder Speicherschaltungen, Softwareprogrammmodule und -objekte und/oder Firmware und Kombinationen davon beinhalten, wie es der Architekt der Vorrichtung 2110 und des Systems 2100 wünscht und wie es für jeweilige Implementierungen verschiedener Ausführungsformen angemessen ist. In einigen Ausführungsformen können diese Module beispielsweise in einem Vorrichtungs- und/oder Systembetriebssimulationspaket enthalten sein, wie etwa einem Paket zum Simulieren elektrischer Softwaresignale, einem Paket zum Simulieren von Energieverbrauch und -verteilung, einem Paket zum Simulieren von Leistung/Wärmeableitung, einem Formationsbildgebungspaket, einem Energieerfassungs- und -messpaket und/oder einer Kombination aus Software und Hardware, die zum Simulieren verschiedener möglicher Ausführungsformen verwendet wird.

Es versteht sich auch, dass die Vorrichtungen und Systeme verschiedener Ausführungsformen in anderen Anwendungen als für Vermessungsvorgänge verwendet werden können und dass verschiedene Ausführungsformen daher in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt sind. Die Darstellungen der Vorrichtung 2110 und des Systems 2100 sollen ein allgemeines Verständnis der Struktur verschiedener Ausführungsformen bieten und nicht als vollständige Beschreibung aller Elemente und Merkmale von Vorrichtungen und Systemen dienen, die die hier beschriebenen Strukturen nutzen könnten.

Zu Anwendungen, die die neuartigen Vorrichtungen und Systeme verschiedener Ausführungsformen beinhalten können, gehören elektronische Schaltungen, die in Hochgeschwindigkeitscomputern verwendet werden, Kommunikations- und Signalverarbeitungsschaltungen, Modems, Prozessormodule, eingebettete Prozessoren, Datenswitches und anwendungsspezifische Module. Diese Vorrichtungen und Systeme können außerdem in Unterkomponenten innerhalb von verschiedenen elektronischen Systemen enthalten sein, wie etwa unter anderem in Fernsehgeräten, Mobiltelefonen, PCs, Arbeitsplatzrechnern, Radios, Fahrzeugen, Geothermalwerkzeugen, NMR-Bildgebungssystemen und intelligenten Messwandlerschnittstellenknoten-Telemetriesysteme. Einige Ausführungsformen beinhalten eine Anzahl Verfahren.

Beispielsweise ist 22 ein Ablaufdiagramm, das mehrere Verfahren 2211 gemäß verschiedenen Ausführungsformen darstellt. Die Verfahren 2211 können von einem Prozessor implementierte Verfahren zum Ausführen auf einem oder mehreren Prozessoren umfassen, die die Verfahren ausführen. Eine Ausführungsform des Verfahrens 2211 beispielsweise kann an Block 2221 mit dem Einsetzen einer Magnetbaugruppe als Teil einer Vorrichtung untertage beginnen. Die Vorrichtung kann beispielsweise eine beliebige Form der Vorrichtung 2110 aus 21 umfassen, wie etwa ein Wireline-Werkzeug oder ein Bohrwerkzeug usw. Das Verfahren 2211 kann an Block 2225 mit der Akquisition von NMR-Daten unter Verwendung der an 2221 eingesetzten Vorrichtung fortfahren. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 2211 die Aktivierung von symmetrischen Empfindlichkeitszonen an Block 2229. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 2211 die Aktivierung von asymmetrischen Empfindlichkeitszonen an Block 2229. Ob die Zonen symmetrisch oder asymmetrisch sind, wird von der Konfiguration der Magnetbaugruppe an der an Block 2221 eingesetzten Vorrichtung bestimmt. Das Verfahren 2211 kann fortfahren, um die Handlungen an den Blöcken 2221, 2225 und/oder 2229 zu wiederholen.

Es sei angemerkt, dass die hier beschriebenen Verfahren nicht in der beschriebenen Reihenfolge oder in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Darüber hinaus können verschiedene Aktivitäten, die in Bezug auf die hier identifizierten Verfahren beschrieben wurden, in iterativer, serieller oder paralleler Weise ausgeführt werden. Die verschiedenen Elemente jedes Verfahrens (z. B. der Verfahren aus 4A, 4B und 22) können innerhalb der und zwischen den Verfahren gegeneinander ausgetauscht werden. Informationen einschließlich Parametern, Befehlen, Operanden und anderer Daten können in der Form von einer oder mehreren Trägerwellen gesendet werden.

Nach der Lektüre und dem Nachvollziehen des Inhalts dieser Offenbarung wird ein einschlägiger Durchschnittsfachmann die Art und Weise verstehen, wie ein Softwareprogramm von einem computerlesbaren Medium in einem computerbasierten System gestartet werden kann, um die in dem Softwareprogramm definierten Funktionen auszuführen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ferner die verschiedenen Programmiersprachen kennen, die verwendet werden können, um ein oder mehrere Softwareprogramme zu erstellen, die zum Implementieren und Ausführen der hier offenbarten Verfahren ausgelegt sind.

Die Programme können beispielsweise in einem objektorientierten Format unter Verwendung einer objektorientierten Sprache wie etwa Java oder C# strukturiert sein. In einem anderen Beispiel können die Programme in einem prozedural orientierten Format unter Verwendung einer prozeduralen Sprache wie etwa Assembly oder C strukturiert sein. Die Softwarekomponenten können unter Verwendung beliebiger einer Anzahl Mechanismen kommunizieren, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind, wie etwa Anwendungsprogrammschnittstellen oder Techniken zur Kommunikation zwischen Prozessen, einschließlich Remote Procedure Calls. Die Lehren verschiedener Ausführungsformen sind nicht auf eine bestimmte Programmiersprache oder -umgebung beschränkt.

Kurz gefasst nutzen die hier offenbarten Vorrichtungen, Systeme und Verfahren weitere Ausgleichsmagnets und magnetisch leitfähiges Material, um das NMR-Magnetfeld zum Bereitstellen einer variablen DOI mit verbessertem SNR zu formen. Die resultierende Flexibilität des ausgelegten Werkzeugs kann den Wert der von einem Einsatz-/Explorationsunternehmen gebotenen Dienstleistungen wesentlich erhöhen.

Die begleitenden Zeichnungen, die einen Teil des vorliegenden Dokuments bilden, zeigen veranschaulichend, aber nicht einschränkend, spezifische Ausführungsformen, in denen der Gegenstand ausgeübt werden kann. Die dargestellten Ausführungsformen werden ausführlich genug beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die hier offenbarten Lehren auszuüben. Andere Ausführungsformen können benutzt und davon abgeleitet werden, so dass strukturelle und logische Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Die ausführliche Beschreibung ist daher nicht als einschränkend zu verstehen, und der Umfang verschiedener Ausführungsformen wird nur durch die beigefügten Ansprüche zusammen mit allen Äquivalenten definiert, die diesen Ansprüchen zustehen.

Die Zusammenfassung der Offenbarung soll einen schnellen Überblick auf die Art der technischen Offenbarung bieten. Sie wird unter der Annahme eingereicht, dass sie nicht zum Auslegen oder Einschränken des Umfangs oder der Bedeutung der Ansprüche herangezogen wird. Aus der vorstehenden ausführlichen Beschreibung geht zudem hervor, dass zum Zweck der vereinfachten Darstellung der Offenbarung verschiedene Merkmale in einer einzelnen Ausführungsform zusammengefasst wurden. Dieses offenbarte Verfahren soll nicht als Absicht ausgelegt werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale benötigen, als in den jeweiligen Ansprüchen ausdrücklich dargelegt. Vielmehr liegt der Erfindungsgegenstand, wie die nachfolgenden Ansprüche zeigen, in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Daher bilden die folgenden Ansprüche einen Teil der ausführlichen Beschreibung, wobei jeder Anspruch für sich allein als separate Ausführungsform gilt.