随钻核磁共振测井静磁场温度特性仿真研究

鲍忠利,于会媛,徐征,徐显能

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术研究院,河北三河065201;2.重庆大学电气工程学院,重庆400044)

0 引 言

随钻核磁共振测井技术是评估储层孔隙度、渗透率和流体类型的有效方法[1]。在随钻核磁共振测井系统中,需要将射频激励脉冲频率调到与目标区域内静磁场强度相匹配的拉莫尔频率,进而对目标区域内待测样品进行测量[2],其中永磁体、射频磁芯等铁磁材料用于产生目标区域内所需的静磁场。当测井现场的环境温度变化剧烈时,铁磁材料的磁畴分布改变,导致其电磁参数会随着外界温度发生变化,进而影响静磁场的强度与分布[3],甚至造成实际测量区域与设定的目标区域范围不一致。因此,进行随钻核磁共振测井的静磁场温度特性分析具有重要意义。

本文探究随钻核磁共振测井探头中目标区域静磁场的温度特性。首先在现有随钻核磁共振测井探头结构基础上,给出了永磁体剩磁和矫顽力参数随环境温度的变化规律,并通过有限元仿真分析排除了射频磁芯对静磁场温度特性的影响;为了确保静磁场强度的有限元仿真结果可靠性,搭建实验平台对随钻核磁共振测井探头静磁场强度进行了实测对比;通过有限元仿真分析不同温度下静磁场变化规律,在核磁共振射频场中心频率不变和可变2种情况下,分别讨论了随钻核磁共振测井探头的有效区域范围及对应静磁场的分布情况;为了保证不同温度下实际有效区域的位置固定,给出了对应射频场频率调整策略。有限元仿真结果为随钻核磁共振测井探头的优化设计与工程应用提供了数据参考。

1 随钻核磁共振探头的基本结构

随钻核磁共振测井探头磁体系统结构见图1。该磁体系统的永磁体由2个同轴空心圆柱钐钴磁体组成,且这2个钐钴磁体沿轴向反向充磁;这2个钐钴磁体之间为同轴的射频磁芯,用于调节静磁场的场型;目标区域为与磁体同轴的圆环区域。

图1 随钻核磁共振测井探头的磁体系统结构

由图1可见,该磁体系统为轴对称模型,为了提高计算效率,建立二维轴对称有限元仿真模型(见图2)。此时目标区域为矩形,其径向(R方向)位移为150～225 mm,轴向(Z方向)位移为-35～35 mm。

图2 随钻核磁共振测井磁体系统二维有限元仿真模型

2 环境温度对铁磁材料的影响

2.1 环境温度变化对钐钴磁体的影响

在环境温度上升的过程中,铁磁材料中的磁畴在外部温度的影响下发生扰动,导致铁磁材料磁性能变化[4],且铁磁材料的种类或成分不同时,温度对不同铁磁材料磁性能的影响也不同[5]。因此,当随钻核磁共振测井探头的工作深度与工作环境改变时,环境温度的变化通过改变铁磁材料的磁畴,对目标区域的静磁场强度和分布产生一定的影响。

钐钴材料具有负的可逆温度系数,即随着温度升高,剩磁和矫顽力等参数都会降低。剩磁的可逆温度系数α的计算公式为

(1)

式中,t为温度, ℃;Br,t为温度t下的剩磁,T;Br,25为常温25 ℃下的剩磁,T。矫顽力的可逆温度系数β定义为

(2)

式中,Hb,T为温度t下的矫顽力,kA/m;Hb,25为常温25 ℃下的矫顽力,kA/m。不同温度钐钴磁体的剩磁、矫顽力实测数据的拟合曲线见图3。

图3 钐钴磁体的剩磁、矫顽力随温度变化拟合曲线

由图3可见,随着温度升高,钐钴磁体的剩磁和矫顽力均线性下降。当温度为25 ℃常温时,钐钴磁体剩磁为1.083 T,矫顽力为808.26 kA/m;当温度升高到125 ℃时,剩磁为1.043 T,降低了0.040 T(相对下降了3.69%),矫顽力为762.23 kA/m,降低了46.03 kA/m(相对下降了5.71%)。因此,在分析静磁场温度特性时,必须考虑钐钴磁体受环境温度的影响。

2.2 环境温度变化对射频磁芯的影响

为了尽可能减小环境温度变化对目标区域静磁场的影响,射频磁芯需选用受温度影响较小的材料。由于射频磁芯的电磁参数受环境温度的影响很小,可通过目标区域静磁场强度的变化间接反映温度对射频磁芯的影响。将钐钴磁体的剩磁和矫顽力固定为25 ℃下的值,并结合不同温度下射频磁芯电磁参数,分别在25、50、75、100 ℃和125 ℃下,通过有限元仿真得到图2中径向(R方向)位移为165 mm、轴向(Z方向)位移为0处探测点的磁感应强度。结果表明,由25 ℃升温至125 ℃的过程中,探测点磁感应强度相对变化率为0.053 1%,由此可见,射频磁芯受环境温度变化的影响可以忽略。

3 静磁场温度特性仿真实验及结果分析

3.1 常温下目标区域静磁场分布

以图2中径向(R方向)位移为165 mm、轴向(Z方向)位移为0处作为探测点,探测点的静磁场强度作为中心磁感应强度。根据拉莫尔公式,以静磁场强度变化范围为±0.000 3 T对应的射频线圈频率变化范围作为射频线圈的激励带宽,得到静磁场的有效区域面积为1 050 mm2(见图4)。黄色区域为静磁场强度满足阈值要求的有效区域,蓝色区域为静磁场强度不满足阈值要求的无效区域。可以看出,实际的静磁场有效区域为月牙形。

图4 25 ℃时静磁场的有效区域分布图

为了分析随钻核磁共振测井探头目标区域的静磁场温度特性,采用有限元方法仿真了环境温度为25、50、75、100 ℃和125 ℃时探测点的静磁场强度随温度变化关系。结果表明,当温度升高时,探测点的静磁场强度线性下降;当温度为25 ℃时,探测点的静磁场强度为0.013 3 T;当温度升高到125 ℃时,探测点静磁场强度为0.012 7 T;当温度由25 ℃升至125 ℃时,静磁场强度降低了0.000 6 T,对应的拉莫尔频率下降约25.3 kHz。

3.2 静磁场实测及对比分析

为了验证有限元仿真结果的正确性,利用加热带装置对钐钴磁体加热,模拟实际井下的高温环境,通过高斯计测量从常温(25 ℃)到高温(125 ℃)时探测点的静磁场强度,实验平台示意图见图5。

图5 实验平台示意图

实验测试时,将高斯计固定在探测点处,由于只需考虑温度对钐钴磁体的影响,2个钐钴磁体均采用条状加热带缠绕加热,加热由外入内,每个磁体外表面放置4枚温度传感器,同时在磁体中空处放置1枚温度传感器,通过温度传感器来判断钐钴磁体所处的环境温度是否达到要求。测量的主要步骤:①测试常温无加热装置时探测点的静磁场强度;②测试常温放置加热装置时探测点的静磁场强度,此时探测点的静磁场强度与无加热装置时相同,表明加热装置本身不会影响探测点的静磁场强度;③利用加热装置将磁体的温度由25 ℃逐渐加热到125 ℃,并且每间隔5 ℃记录探测点的静磁场强度。测试结果表明,当温度从25 ℃升高到125 ℃时,有限元仿真得到的静磁场强度变化范围与实测结果相符,且有限元仿真一次曲线与实测一次曲线的斜率吻合;同时,由于实际磁体加工尺寸误差以及充磁方向的偏差,导致实测静磁场强度比有限元仿真整体小0.000 3 T左右。

在分析随钻核磁共振测井探头目标区域的静磁场温度特性时,重点关注静磁场随温度的相对变化。可以认为,有限元仿真得到的静磁场随温度的相对变化与实测结果相符。该随钻核磁共振测井探头磁体系统有限元仿真模型的合理性与正确性高,具有实际指导作用。在接下来的实验中,可利用有限元仿真结果代替实测结果,针对核磁共振射频场中心频率固定和可变这2种情况,分别讨论静磁场随环境温度的变化规律。

3.3 射频中心频率固定时有效区域的变化

为了分析随钻核磁共振测井探头在实际测井时有效区域随环境温度的变化规律,将射频场中心频率固定为25 ℃时探测点静磁场强度对应的拉莫尔频率,由于目标区域的静磁场强度和分布受环境温度的影响,不同温度时的实际探测点位置必然不同。为了分析实际探测点静磁场强度随温度的变化规律,分别仿真环境温度为25、50、75、100 ℃和125 ℃时实际探测点所在的径向(R方向)位移,结果见图6。由图6可见,在25 ℃时,实际探测点的径向(R方向)位移为165 mm;当环境温度升高到125 ℃时,探测点的径向(R方向)位移为151 mm。以实际探测点磁感应强度变化±0.000 3 T的范围作为静磁场的有效区域,给出温度分别为25、75 ℃和125 ℃时的有效区域分布(见图7)。

图6 实际探测点径向(R方向)位移随温度变化规律

图7 静磁场的有效区域面积随温度变化情况

由图7可见,随着环境温度的升高,虽然静磁场有效区域的形状和大小基本没有变化,但是实际探测点相对Z轴左移,对应有效区域范围整体向左移动。表明在实际测井过程中,若在环境温度改变时不调整射频场的激励频率,则实际核磁共振测量区域会逐渐趋向探头中心轴,即靠近井壁,最终造成核磁共振信号受井壁钻井液的干扰,影响核磁共振信号质量。因此,随着环境温度的升高,需要调整对应射频场的激励频率。

3.4 探测点位置固定时射频场频率的变化

在随钻核磁共振测井探头所处的环境温度变化时,为保持实际探测点和静磁场有效区域的位置不变,需要调整对应射频场的中心频率。为探究不同环境温度下射频场频率的变化情况,以图2中径向(R方向)位移为165 mm,且轴向(Z方向)位移为0处为探测点,且以探测点的磁感应强度变化±0.000 3 T的范围作为有效区域。分别采用有限元方法仿真了环境温度为25、50、75、100 ℃和125 ℃时探测点的磁感应强度。根据拉莫尔公式,在探测点处,射频场频率和有效区域面积随环境温度的变化曲线见图8。

图8 射频场频率和有效区域面积随温度变化情况

由图8可见,随着环境温度的升高,为了保持实际探测点位置的固定,射频场中心频率在不断变小。在常温25 ℃条件下,射频场中心频率为566.48 kHz;当温度升高到125 ℃时,射频场中心频率为541.15 kHz,即射频场中心频率降低了25.33 kHz。同时,随着环境温度的升高,射频场中心频率不断降低,有效区域面积呈现略微增大的趋势。在常温25 ℃条件下,探测点的静磁场有效区域面积为1 050 mm2;当温度升高到125 ℃时,有效区域面积为1 096 mm2,即有效区域面积增大了46 mm2。综上所述,对于图1所示的随钻核磁共振测井探头,通过调整射频场中心频率应对其所处环境温度变化,在测量区域远离钻井液干扰的同时,还能起到增加测量有效区域面积的作用。

4 结 论

(1)通过有限元仿真和实测验证了随钻核磁共振测井探头静磁场随环境温度变化的规律,有限元仿真与实测静磁场的拟合曲线斜率吻合。由此可认为,研究静磁场的变化规律时,本文的有限元仿真模型能够代替实验,具有实际指导作用。

(2)若射频场中心频率固定,随着环境温度的升高,实际探测点不断相对Z轴左移,有效探测区域逐渐靠近井眼,磁共振信号不可避免会受到钻井液的干扰。若采用调频方式,可以保证实际探测点的位置不发生改变,有效地避免钻井液对核磁共振信号的干扰,并且能提高有效区域面积。