Магнитная система для ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий

Полезная модель относится к геофизическим методам исследований скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу. Сутью изобретения является магнитная система для скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий (далее - ЯМК), в которой низкая температура, необходимая для поддержания соленоида в сверхпроводящем состоянии, поддерживается за счет использования материала с высокой удельной теплоемкостью при низких температурах. Скважинный прибор ЯМР-каротажа на основе сильного поля сверхпроводящего магнита с использованием криогенных технологий предназначен для определения состава и количества флюида в зоне вне буровой скважины на основе регистрации сигнала ЯМР и обработки ЯМР характеристик сигнала. Использование криогенных технологий приведет к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, и, как следствие, к увеличению глубинности исследования (удаления от оси скважины), повышению точности измерений. Целью заявленного технического решения является создание магнитного поля ЯМК-прибора за пределами скважины в 3-5 раз превышающего современные аналоги.

Полезная модель относится к геофизическим методам исследований скважин, в частности к ядерно-магнитному каротажу. Сутью изобретения является магнитная система для скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий (далее - ЯМК), в которой низкая температура, необходимая для поддержания соленоида в сверхпроводящем состоянии, поддерживается за счет использования материала с высокой удельной теплоемкостью при низких температурах. Скважинный прибор ЯМР-каротажа на основе сильного поля сверхпроводящего магнита с использованием криогенных технологий предназначен для определения состава и количества флюида в зоне вне буровой скважины на основе регистрации сигнала ЯМР и обработки ЯМР характеристик сигнала. Использование криогенных технологий приведет к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, и, как следствие, к увеличению глубинности исследования (удаления от оси скважины), повышению точности измерений.

Существует множество технических решений по ЯМР-каротажу и по устройству магнитных систем, в них используемых. Например: US 7733086, G01R 33/44; G01V 3/00; G01V 3/18, SYSTEMS AND METHODS FOR DEEP-LOOKING NMR LOGGING, опубл. 2009-03-19, заявитель HALLIBURTON ENERGY SERVICES, INC.

Предусматривается прибор для ЯМР каротажа для проведения ЯМР измерений во множестве чувствительных объемов простирающихся вплоть до 1-го метра от прибора. Прибор содержит магнитную сборку с использованием одного или более постоянных магнитов и, по меньшей мере, одного полюсного наконечника для протяжения полюса магнита и формирования магнитного поля, чтобы имитировать магнитный монополь в чувствительном объеме внутри формации. Объекты изобретения пригодны как для ЯМР каротажа, так и каротажа на вспомогательном канате, и могут быть использованы для направленного бурения. Технический результат: в дополнение к оценке пористости породы, углеводородного насыщения и магнитной проницаемости, ЯМР регистрация позволяет вычислить глинисто-связанную воду, капиллярно-связанную воду, и свободный объем жидкости, которые имеют важное значение для всесторонней оценки пласта.

Патент РФ 2378670 (Статус: по данным на 08.12.2010 - действует), G01V 3/32, УСТРОЙСТВО ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО КАРОТАЖА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН МАЛОГО ДИАМЕТРА, опубликовано: 10.01.2010, Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "ТНГ-Групп" (RU). Г. Бугульма.

Использование: для ядерно-магнитного каротажа скважин. Сущность заключается в том, что устройство ядерно-магнитного каротажа для исследования скважин малого диаметра содержит источник постоянного тока, усилитель, коммутатор, основную катушку индуктивности, соединенную через коммутатор с источником постоянного тока, при этом в него введены, по меньшей мере, две дополнительные катушки индуктивности, включенные попарно и последовательно основной катушки индуктивности, расположенные симметрично относительно ее средней точки, их входы соединены с основной катушкой индуктивности через коммутатор, а выходы подсоединены к усилителю. Технический результат: повышение общей добротности измерительного тракта, снижение уровня помех, повышение надежности и точности замера сигнала.

Патент РФ 2367982 (Статус: по данным на 08.12.2010 - действует), G01V 3/32, СПОСОБ КАРОТАЖА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, опубликовано: 20.09.2009, Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "Нефтегазгеофизика" (RU), г.Тверь.

Использование: для ядерно-магнитного каротажа нефтяных и газовых скважин. Сущность: заключается в том, что осуществляют генерирование в основном плоскопараллельного дипольного статического поля вблизи скважины с помощью, по крайней мере, одного удлиненного магнита, выполненного из проводящего редкоземельного материала, с направлением намагничивания, проходящим перпендикулярно продольной оси магнита, и также осуществляют генерирование плоскопараллельного дипольного радиочастотного поля с помощью радиочастотной катушки, витки которой лежат в плоскостях, параллельных плоскости намагниченности магнита, но сдвинуты от оси магнита по направлению, перпендикулярному вышеупомянутой оси и направлению намагниченности магнита, причем статическое поле определяет прилегающую к радиочастотной катушке дугообразную зону исследований вблизи скважины, где значения напряженности статического поля и частота радиочастотного поля удовлетворяют условиям возникновения ядерно-магнитного резонанса, и компонента радиочастотного поля, ортогональная к статическому полю, является в основном однородной, после чего в результате возбуждения ядер водорода производят прием сигналов ядерно-магнитного резонанса в основном от дугообразной зоны исследования, при этом дополнительно с помощью короткозамкнутых витков, изготовленных из высокопроводящего материала, генерируют одно или несколько квадрупольных радиочастотных полей, направленных таким образом, что в дугообразной зоне исследования они складываются с дипольным полем радиочастотной катушки, а в области, противоположной дугообразной зоне исследования, в том числе в области магнита и в области, находящейся за магнитом, компенсируют дипольное радиочастотное поле. Технический результат: компенсация радиочастотного поля в проводящем магните и буровом растворе скважины.

В отличие от приведенных технических решений сутью настоящей заявки является использование криогенных технологий, в частности использование магнитной системы из высокотемпературного сверхпроводника, что приведет к увеличению напряженности магнитного поля, создаваемого магнитом, и, как следствие, к увеличению глубинности исследования (удаления от оси скважины), повышению точности измерений.

Использование криогенных технологий в геофизических методах исследования скважин предлагалось ранее в патентах US6411087, US4312192, US4248298, US4313317, US4315417.

US6411087, G01R 33/44; G01V 3/18, NMR LOGGING TOOL WITH HI-TC TRAP FIELD MAGNET, опубл. 2002-06-25, заявитель, UNIV HOUSTON [US].

Магниты с замороженным полем (TFMs) на скважинном зонде ЯМР используются для формирования статического магнитного поля вокруг буровой скважины. Эти магниты сделаны из материала, имеющего высокую T_C (температуру перехода в сверхпроводящее состояние). Поскольку магнитное поле должно сохраняться в течение продолжительного времени (каротажа), предлагается поместить магнит в криостат, содержащий жидкий азот в качестве хладагента. При использовании магнитов с замороженным полем напряженность поля вокруг буровой скважины намного выше, чем при использовании обычных магнитов. При этом так же улучшается отношение сигнал шум для сигналов ЯМР. Напряженность магнитного поля в TFMs имеет достаточно низкое значение, так что задачи о неустойчивости не возникает. Напряженность поля выбирается на основе знания удельного сопротивления, диэлектрической постоянной и глубины скин-слоя для электромагнитных сигналов. Это позволяет использовать магниты с замороженным полем как в проводных линиях связи, так и при измерениях во время бурения (MWD). Технический результат: более сильное магнитное поле позволяет увеличить глубинность исследования скважины. Таким образом, известное техническое решение совпадает с заявленным техническим решением в отношении принципиальной возможности обеспечения усиления напряженности магнитного поля, что приводит к увеличению глубинности исследования скважины, при этом по мнению заявителя известное решение практически трудно реализуемо, т.к. существуют неразрешимые противоречия, не позволяющие в известной заявке реализовать цель данного изобретения,. Патент США 4312192 от 26 января 1982 г. Криостат для использования в буровых скважинах. (United States Patent US 4,312,192 Date of Patent: Jan. 26, 1982)

Устройство каротажа скважины и криостат позволяют поддерживать температуру полупроводникового датчика при криогенных температурах. Криостат имеет удлиненный однофазный теплоотвод из теплопроводящего твердого тела, на котором установлен детектор. При этом устройство теплоотвода приспособлено для подвода жидкого хладагента, который удаляется перед помещением каротажного прибора в скважину. При этом во время проведения измерений в скважине датчик находится при криогенных температурах, поскольку тепло поглощается и удерживается удлиненным однофазным теплоотводом. Теплоизоляционная трубка, обладающая такой же теплоемкостью и предварительно охлажденная до криогенных температур, находится вокруг теплоотвода. Технический результат: способность к поддержанию криогенных температур в течение длительного периода времени, компактность для использования в буровых скважинах, износостойкость, отсутствие проблем с отводом газооборазного хладагента, образующегося при нагреве криогенной жидкости. Таким образом, известное техническое решение совпадает с заявленным техническим решением в отношении принципа поддержания низких температур в течение длительного времени за счет использования идеи применения криоаккумулятора.

Известные технические решения, описанные в патентах США US4312192 и US6411087 являются наиболее близкими к предмету заявленного технического решения, однако по мнению заявителя ни одно из них не могут быть выбраны в качестве ближайшего аналога, т.к. в указанных изобретениях не представлены примеры конкретной реализации данных технических решений.

Необходимость использования криогенных технологий в геофизических методах исследования скважин обуславливается несколькими факторами, например, необходимостью поддержания необходимых температурных условий в оборудовании, предназначенном для работы в скважине, поддержанием криогенной температуры, необходимой для функционирования магнитной системы в методах ЯМК и прочими факторами. Для этого, обычно, предлагается использовать либо сжиженный газ, например, жидкий азот, либо твердое тело с большим значением скрытой теплоты плавления, например, пропан или фреон (в твердом агрегатном состоянии). При этом твердое тело охлаждается жидким азотом непосредственно перед помещением в скважину. Однако использование таких хладагентов имеет ряд проблем, например, при испарении жидкого хладагента выделяется газ, объем которого при испарении превышает первоначальный объем жидкости в сотни раз, дополнительно к этому всегда есть существенный риск, что каротажный прибор, прикрепленный к зонду, может застрять в скважине на несколько часов при высокой температуре окружающей среды (несколько сотен градусов Цельсия). При этих обстоятельствах даже твердое тело с большим значением скрытой теплоты плавления полностью перейдет в газовую фазу. Вследствие высокого давления, с которым сталкиваются в глубоких буровых скважинах, методы отвода паров не работают эффективно, таким образом, есть риск, что криостат разрушится в результате взрыва в следствие перехода жидкости в газообразное состояние при его нагреве в скважине. Как результат, использование обычных криогенных методов трудно или невозможно в использовании в каротаже, или же не известны способы поддерживания достаточно низких температур длительное время, необходимых для каротажа скважины.

В патенте США US4312192 предложен принципиально новый подход к проблеме, а именно создание криоаккумулятора, который компенсирует теплоприток за счет большой собственной теплоемкости. В качестве материала для аккумулятора предлагается использовать алюминий, в качестве криогенной жидкости для предварительного охлаждения криоаккумулятора предлагается использовать жидкий азот (Т=77 К или -196 С). Использованию данного технического решения в методе ЯМК мешает низкая удельная теплоемкость алюминия (материала криоаккумулятора) при низких температурах, необходимых для работы магнитной системы из высокотемпературного сверхпроводника.

Сущность заявленного технического решения заключается в реализации скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа в поле сверхпроводящего магнита, с использованием криогенных технологий, а именно: магнитная система состоит из одного или двух соленоидов с намоткой из высокотемпературного сверхпроводника, помещенного в криостат, работающий по принципу криоаккумулятора. Магнитная система перед опусканием в скважину предварительно охлаждается до температур жидкого гелия (около -269 ⁰С или 4 К), магнитное поле замораживается с помощью сверхпроводящего ключа, также изготовленного из высокотемпературного сверхпроводника, жидкий гелий извлекается из системы, криостат вакуумируется и опускается в скважину.

Существенным отличием заявленного способа от наиболее близких аналогов является:

- отсутствие криогенных жидкостей в процессе каротажа (что исключает проблемы с утилизацией испаряющегося хладагента),

- температура криогенной магнитной системы находится в пределах 4-20 К в течение времени, необходимого для цикла измерений (5 часов), что обеспечивает возможность создания напряженности магнитного поля, превышающего в 3-5 раз реально используемых в каротаже.

Целью заявленного технического решения является создание магнитного поля за пределами скважины в 3-5 раз превышающего современные аналоги, что обеспечивает возможность:

- увеличения глубинности (удаления от оси скважины) исследований в 3-5 раз (от 0,15 м у известных заявителю образцов техники до 0,5 м. в заявленном техническом решении).

- значительное повышение точности измерений контролируемых параметров.

- значительное повышения уровня безопасности выполнения работ, за счет отсутствия криогенной жидкости не посредственно в процессе проведения каротажа.

Заявленное техническое решение поясняется следующими материалами. Таблицей и Фиг.1., Фиг.2., Фиг.3., Фиг.4.

На Фиг.1 показана зависимость теплоемкости от температуры для некоторых металлов.

На Фиг.2 показана зависимость удельной теплоемкости от температуры для некоторых металлов в диапазоне от 4 до 35 К.

На Фиг.3 показана зависимость температуры металлического образца массой 20 кг от температуры (расчет).

На Фиг.4 показана зависимость температуры металлического образца из свинца массой 2.8 кг от времени, предварительно охлажденного до температуры 7 К.

В качестве материала для криоаккумулятора предлагается использовать вещество с наиболее низкой температурой Дебая. В таблице 1 приведены значения температур Дебая для различных веществ.

Из таблицы видно, что из всех приведенных веществ минимальное значение температуры Дебая имеет свинец. Это говорит о том, что свинец будет иметь наибольшую теплоемкость при низких температурах. Это подтверждается справочными данными [М.П.Малков, И.Б.Данилов, А.Г.Зельдович, А.Б.Фрадков, Справочник по физико-техническим основам глубокого охлаждения - госэнергоиздат: 1963], которые суммированы на Фиг.1. и Фиг.2. Из Фиг.1. и Фиг.2. также видно, что наибольшей теплоемкостью при низких температурах обладает свинец. Соответственно, криоаккумулятор из свинца будет иметь наибольшее время отогрева.

Был произведен расчет времени отогрева некоторых металлов при низких температурах. При этом теплоприток был взят равным Р = 0,3 Вт, что соответствует теплопритоку в типичных гелиевых криостатах.

Из Фиг.3. видно, что 20 кг металлического образца из свинца отогреваются до 20 К примерно за 5,5 часов. Данных условий должно быть достаточно для функционирования магнитной системы ЯМК из высокотемпературного сверхпроводника в течение 5 часов, создающей магнитное поле за пределами скважины в 3-5 раз превышающее современные работающие приборы ЯМК.

Более того, учитывая высокую плотность свинца (20 кг соответствуют свинцовому цилиндру с диаметром основания 10 см и высотой примерно 22 см), предлагается из свинца делать основу для сверхпроводящего соленоида.

Пример возможности реализации принципа, заложенного в заявленное техническое решение.

Ключевым моментом в реализации заявленного технического решения является возможность сохранения температуры сверхпроводящего соленоида в заданных пределах (4-20 К) в течение времени, достаточного для проведения каротажа. В специально поставленном эксперименте металлический образец из свинца массой 2,8 кг был помещен в криостат (сосуд дьюара), охлажден до температуры 4 К жидким гелием, после откачки которого механическим форвакуумным насосом до давления 10^-2 мБар измерялась зависимость температуры образца от времени. На Фиг.4. представлена измеренная зависимость, из которой видно, что образец остается в заданных пределах по температуре (4-20 К) в течение 45 минут. Если увеличить массу образца до 20 кг и считать теплоприток неизменным мы получим время отогрева около 5,5 часов, что соответствует ранее приведенным теоретическим оценкам и расчетам (Фиг.3.) и экспериментально доказывает возможность реализации заявленного технического решения.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как в результате исследований не обнаружены технические решения, обладающие совокупностью заявленных признаков, приводящих к реализации поставленных целей.

Доказательством соответствия заявленного решения критерию «промышленная применимость» является приведенный заявителем пример(таблица и Фиг.1-Фиг.4).Основа заявленного технического решения экспериментально продемонстрирована в лабораторных условиях Казанского (Приволжского) федерального университета. Экспериментально показана возможность поддержания низкой температуры в пределах 4-20 К в течение времени достаточного для проведения каротажа реальных скважин.

Таблица
Магнитная система для ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий(3начения температур Дебая для различных веществ)
Вещество	D, K
Алмаз	1860
Кремний	647
Железо	420
Алюминий	390
Медь	315
Германий	290
Серебро	215
Свинец	88

Магнитная система для скважинного прибора ядерно-магнитного каротажа с использованием криогенных технологий, в которой низкая температура, необходимая для поддержания соленоида в сверхпроводящем состоянии, поддерживается за счет использования материала с высокой удельной теплоемкостью при низких температурах.