Состав материала и структура постоянного магнита, обеспечивающие подавление вихревых токов в измерительной аппаратуре, использующей метод ядерного магнитного резонанса

Состав материала и структура постоянного магнита, обеспечивающие подавление вихревых токов в измерительной аппаратуре, использующей метод ядерного магнитного резонанса

Реферат

 

Использование: в способах электромагнитного каротажа скважин методом ядерного магнитного резонанса. Сущность: зонд содержит антенну, создающую в расположенных вокруг зонда аппаратуры пластах магнитное поле высокой частоты и принимающую при возникновении в исследуемых пластах ядерных магнитных резонансов характеризующие их сигналы, и магнит, создающий в исследуемых пластах постоянное магнитное поле. Магнит изготовлен из порошкового обладающего электропроводностью и свойствами постоянного магнита материала. Размер частиц в этом материале с учетом частоты магнитного поля высокой частоты достаточно мал и, по существу, предотвращает возникновение в магните внутризеренных потерь мощности магнитного поля высокой частоты. Магнит изготовлен из отдельных электрически изолированных друг от друга блоков из магнитного материала, толщина которых меньше скиновой глубины проникновения в магнитный материал магнитного поля высокой частоты. Ориентация прилегающих друг к другу граней соседних блоков обеспечивает образование разрывов в цепи возможного протекания через магнит вихревых токов, возникающих в нем под действием магнитного поля высокой частоты. В предпочтительном варианте магнитный материал представляет собой связанный эпоксидной смолой сплав самарий-кобальт. Технический результат: снижение связанных с вихревыми токами потерь в постоянном магните. 3 с.п., 22 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к аппаратуре и способам электромагнитного каротажа скважин. В частности изобретение относится к устройству и способу, которые снижают влияние вихревых токов, индуцируемых в постоянном магните, на измерения, проводимые с помощью аппаратуры, предназначенной для каротажа скважин методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Существующие в настоящее время системы измерений, предназначенные для электромагнитного каротажа скважин, имеют схемы, соединенные с антеннами, которые в пластах, расположенных вокруг ствола скважины, индуцируют переменные электромагнитные поля, и схемы, которые измеряют различные электромагнитные явления, которые возникают в результате взаимодействия этих переменных электромагнитных полей с пластами. На основании измерения таких электромагнитных явлений можно судить о петрофизических свойствах исследуемых пластов. Одной из измерительных систем, которые предназначены для электромагнитного каротажа скважин и на работу которых отрицательно влияют вихревые токи, возникающие в содержащихся в них обладающих электропроводностью элементах, является измерительная система, которая основана на измерениях по методу ЯМР. Примером такой основанной на методе ЯМР системы является система, описанная в патенте США 4710713 на имя Taicher и др. Аналогичная система измерений по методу ЯМР описана и в патенте США 4350955 на имя Jackson и др. В системе, предложенной у Taicher и др. в патенте 4710713, равно как и в системе, предложенной у Jackson и др. в патенте 4350955, имеются постоянные магниты, которые индуцируют в пластах постоянное магнитное поле, и антенна, через которую проходят импульсы энергии высокой частоты (ВЧ). Проходящие через антенну импульсы энергии ВЧ индуцируют магнитное поле ВЧ в стволе скважины, во всех обладающих электропроводностью элементах опущенного в скважину ЯМР-зонда системы и в расположенных вокруг него пластах. Под действием проходящей через антенну опущенного в скважину ЯМР-зонда энергии ВЧ в стволе скважины, в расположенном вокруг зонда пласте и во всех обладающих электропроводностью элементах зонда возникают вихревые токи.

Антенна, которая используются в измерительной системе, описанной в патенте США 4350955 на имя Jackson и др., работает как трехмерный диполь. Магнитное поле, создаваемое такой антенной, направлено в основном вдоль диполя параллельно его продольной оси. Такую антенну обычно называют продольной симметричной вибраторной антенной. Антенна индуцирует магнитное поле ВЧ в стволе скважины, в пластах, расположенных вокруг опущенного в скважину зонда измерительной системы, и в обладающем свойствами постоянного магнита материале, расположенном по обе стороны диполя вдоль продольной оси зонда. При индуцировании в пластах магнитного поля ВЧ с достаточно большой для проведения ЯМР-измерений амплитудой антенна генерирует в постоянном магните относительно сильное магнитное поле ВЧ. При этом в обладающем электропроводностью материале, из которого изготовлен постоянный магнит, возникают потери мощности ВЧ.

В измерительной системе, предложенной у Taicher и др. в патенте 4710713, имеется составной в целом цилиндрический постоянный магнит, который намагничен перпендикулярно его продольной оси. Моделью такого магнита может служить двумерный диполь бесконечной длины. Магнит индуцирует в стволе скважины и в пластах постоянное магнитное поле, которое обладает по существу одинаковой напряженностью в любом тонком кольцевом цилиндрическом объеме, расположенном на заданном расстоянии по радиусу от оси магнита. В системе, предложенной у Taicher и др. в патенте 4710713, имеется также антенна, которая расположена вокруг магнита и предназначена для создания магнитного поля ВЧ и приема ЯМР-сигналов. Моделью такой антенны также может служить двумерный диполь бесконечной длины. Магнитное поле, создаваемое такой антенной, направлено по существу перпендикулярно ее продольной оси. Антенну такого типа обычно называют поперечной симметричной вибраторной антенной. Диполь, образованный постоянным магнитом, расположен на одной оси и ортогонально диполю, образованному антенной, создающей магнитное поле ВЧ.

Измерительная система, предложенная у Taicher и др. в патенте 4710713, обладает рядом недостатков. В частности напряженность магнитного поля ВЧ, которое создается антенной в пластах, расположенных вокруг опущенного в скважину зонда, уменьшается в квадратичной зависимости с увеличением расстояния от оси магнита. Поэтому для создания в исследуемом объеме пласта магнитного поля ВЧ с достаточной для проведения необходимых ЯМР-измерений амплитудой антенна должна излучать очень мощное магнитное поле ВЧ, воздействию которого оказывается подверженной и область, в которой находится постоянный магнит. При изготовлении магнита из обладающего электропроводностью и свойствами постоянного магнита материала возникающие в магните вихревые токи являются причиной весьма значительных потерь мощности ВЧ. Измерительная система, предложенная у Taicher и др. в патенте США 4710713, обычно используется только в тех случаях, когда постоянный магнит изготовлен из не обладающего электропроводностью материала, такого, как феррит.

Еще одна система для ЯМР-каротажа скважин описана в патенте США 5055787 на имя Kleinberg и др. В используемом в этой системе скважинном зонде имеются постоянные магниты, которые индуцируют в определенном исследуемом объеме пласта магнитное поле по существу с нулевым градиентом. Эти магниты установлены в определенной части корпуса зонда, который соприкасается со стенкой ствола скважины. Антенна, установленная в зонде измерительной системы, предложенной у Kleinberg и др. в патенте США 5055787, расположена в пазу, выполненном на внешней поверхности корпуса зонда, что позволяет изготовить корпус зонда из высокопрочного материала, в частности из стали. Изготовленный из такого материала корпус зонда служит одновременно экраном, препятствующим проникновению переменных электромагнитных полей ВЧ в постоянный магнит и ограничивающим связанные с этим потери мощности ВЧ.

Измерительная система, которая предложена у Kleinberg и др. в патенте США 5055787 и в которой наличие экранирующего постоянный магнит корпуса зонда позволяет уменьшить потери от вихревых токов, возникающих в обладающих электропроводностью элементах зонда, имеет тем не менее ряд весьма существенных недостатков. Одним из этих недостатков является то, что эта система позволяет исследовать только те объемы пласта, расстояние от которых до поверхности зонда не превышает 0,8 см, а их протяженность в радиальном направлении от поверхности зонда не превышает 2,5 см. Результаты измерений, полученные с помощью такой системы, могут иметь большие погрешности, обусловленные неровностью стенки ствола скважины, наличием на стенке ствола скважины имеющих значительную толщину отложений твердой фазы бурового раствора (так называемой "фильтрационной корки бурового раствора") и содержанием жидкости в исследуемой зоне пласта.

Еще один способ снижения связанных с вихревыми токами потерь в постоянном магните используемого для ЯМР-каротажа зонда описан в выданных на имя Sezginer патентах США 5376884 и 5486761. В зондах, описанных в этих патентах, используются расположенные с зазором рядом друг с другом вытянутые магниты, между которыми находится контур ВЧ. В такой конструкции можно использовать сравнительно мощные постоянные магниты, изготовленные в частности из содержащих редкоземельные элементы металлов и должным образом экранированные. Основным недостатком каротажных зондов, описанных в патентах США 5376884 и 5486761, является наличие в них относительно больших по площади проводящих поверхностей, которые отрицательно влияют на пространственное распределение передаваемого магнитного поля ВЧ и уменьшают отношение сигнал/шум (С/Ш) принимаемых зондом ЯМР-сигналов.

Следует отметить, что отношение сигнал/шум в зондах, используемых для электромагнитного каротажа скважин, и прежде всего в зондах, используемых для ЯМР-каротажа скважин, зависит от добротности Q имеющейся в зонде антенны и возрастает с увеличением добротности. Зависимость показателя С/Ш от добротности Q антенны определяется главным образом конкретной геометрией скважинного зонда. Высокие значения потерь от вихревых токов ограничивают добротность Q антенны и поэтому накладывают определенные ограничения на геометрию зонда.

Строго говоря, аппаратура, предложенная у Jackson и др. в патенте США 4350955, равно как и аппаратура, предложенная у Taicher и др. в патенте США 4710713, наиболее пригодна для ЯМР-каротажа пластов. Однако в той и другой аппаратуре предпочтительно использовать по существу не обладающие электропроводностью постоянные магниты. Магнитные материалы, используемые для изготовления постоянных магнитов, делятся в основном на два класса. К первому классу относятся ферриты, которые представляют собой окислы ферромагнитных металлов. Второй класс образуют ферромагнитные металлы и их сплавы вместе с другими металлами и/или редкоземельными элементами. Магнитные материалы, которые относятся к первому классу, не обладают электропроводностью, а все магнитные материалы второго класса являются электрическими проводниками. Магнитные материалы как первого, так и второго класса можно использовать для изготовления так называемых "связанных" постоянных магнитов. Связанные постоянные магниты обычно изготавливают прессованием или литьевым формованием порошковых магнитных материалов в несущей матрице. В качестве несущей матрицы обычно используют не обладающую электропроводностью полимерную или эпоксидную смолу. Плотность магнитного материала в таких магнитах, а поэтому и напряженность создаваемого ими магнитного поля, меньше, чем у магнитов, изготовленных спеканием и состоящих только из металлических материалов. Однако изготовление постоянных магнитов прессованием или литьевым формованием во многих случаях исключает необходимость в дополнительной обработке магнитов и снижает общие затраты на их изготовление [см., например, "New Resin-Bonded Sm-Co Magnet Having High Energy Product (SAM)", Proceeding of the Fourth International Workshop on Rare Earth-Cobalt Permanent Magnets and Their Applications (материалы 4-го Международного симпозиума по постоянным магнитам из сплава кобальта с редкоземельными элементами и по их применению), Hakone National Park, Япония (1979)].

Удельное электрическое сопротивление любого состоящего из связанного порошка постоянного магнита зависит прежде всего от удельного сопротивления самого магнитного порошка, относительного содержания в готовом магните магнитного порошка и несущей матрицы и от конкретного способа изготовления магнита, от которого зависит степень контакта между собой отдельных частиц порошка. Не обладающие электропроводностью ферритные магнитные материалы имеют низкую остаточную намагниченность, которая приблизительно в три раза меньше, чем у таких содержащих редкоземельный металл материалов, как самарий-кобальт, альнико (сплав алюминия, никеля и кобальта) или неодим-железо-бор, которые являются хорошими электрическими проводниками. Магниты, изготовленные из ферритов, примерно в полтора раза слабее некоторых выпускаемых промышленностью магнитов, содержащих связанные материалы с редкоземельным металлом типа самария-кобальта или неодима-железа-бора, при этом электрическая проводимость связанных магнитов значительно меньше, чем у магнитов, изготовленных спеканием из тех же самых материалов. Однако при определенных размерах частиц магнитного порошка и определенных пропорциях входящих в состав магнита материалов в связанном магните внутри самих проводящих ток частиц и между этими частицами во всей структуре магнита возникают значительные приводящие к потерям мощности вихревые токи.

Другие недостатки, связанные с использованием ферритного магнитного материала, заключаются в том, что такой материал, напоминающий по своим свойствам керамику, обладает повышенной хрупкостью и легко ломается. Такая особенность ферритного магнитного материала особенно нежелательна при использовании магнитов в зондах для каротажа скважин, когда опущенный в скважину зонд находится под воздействием очень высокого гидростатического давления и подвержен воздействию механических ударов. Ферриты обладают также низкой коэрцитивной силой (Н_c) и поэтому склонны к необратимому размагничиванию, теряя около 0,2% своей намагниченности при изменении температуры на один градус Цельсия. Температура в стволе некоторых скважин может превышать температуру на поверхности земли на 100-150^oС. При таких температурах остаточная намагниченность (В_r) материала постоянного магнита снижается приблизительно на 20-30%, и при этом одновременно весьма значительно уменьшается и коэрцитивная сила (Н_c) материала магнита, результатом чего при изготовлении постоянного магнита из феррита является его необратимое размагничивание.

У некоторых магнитных материалов при использовании их для каротажа скважин были обнаружены некоторые специфические недостатки. Из-за высокой акустической добротности керамики в изготовленных из нее магнитах при проведении ЯМР-исследований возникают затухающие магнитоакустические колебания. Магнитные материалы на основе альнико обладают очень низким значением коэрцитивной силы (Н_c) и поэтому склонны к необратимому размагничиванию. Магниты из альнико и из неодима-железа-бора обладают очень плохими температурными характеристиками и по этой причине непригодны для использования в каротажной аппаратуре.

В настоящее время известны магниты, состоящие из связанных смолой самария-кобальта или неодима-железа-бора. Так, в частности, в заявке на патент Великобритании 2141236, поданной 23 мая 1984 г. на имя Clow и др., описан зонд для ЯМР-каротажа скважин, который по своей конструкции аналогичен зонду, предложенному у Jackson и др. в упомянутом выше патенте США 4350955. В зонде, предложенном у Clow и др. в заявке 2141236, используются магниты, состоящие из связанного смолой самария-кобальта. В заявке 2141236 на имя Clow и др. ничего не сказано о каких-либо конкретных ограничениях на структуру используемого в зонде магнита или на состав магнитного материала и в этой связи, если эту проблему рассматривать с практической точки зрения, следует отметить, что предложенная у Clow и др. аппаратура до сих пор не нашла промышленного применения главным образом потому, что высокая электрическая проводимость магнитов из самария-кобальта существенно искажает генерируемое антенной магнитное поле ВЧ. В этой связи необходимо также подчеркнуть, что использование магнитов, состоящих из связанных смолой самария-кобальта или неодима-железа-бора и изготовленных по известной технологии, в наиболее приемлемых для промышленного использования системах ЯМР-каротажа скважин, таких, например, как система, предложенная у Taicher и др. в патенте 4710713, невозможно из-за их электропроводности.

В изобретении предлагается работающая по методу ядерного магнитного резонанса аппаратура для каротажа скважин, которая содержит антенну, индуцирующую магнитное поле высокой частоты в расположенных вокруг зонда аппаратуры пластах и принимающую сигналы, характеризующие появление в пластах ядерных магнитных резонансов. В одном из вариантов антенна выполнена в виде поперечной симметричной вибраторной антенны. В опускаемом в скважину зонде имеется также магнит, с помощью которого в пластах создается постоянное магнитное поле. Магнит изготовлен из порошкового обладающего электропроводностью и свойствами постоянного магнита материала. Размеры частиц магнитного материала, если их соотносить с частотой магнитного поля высокой частоты, настолько малы, что позволяют существенно снизить межзеренные потери мощности магнитного поля высокой частоты. Магнит собирается из электрически изолированных блоков из магнитного материала, каждый из которых имеет толщину, меньшую толщины скин-слоя, образующегося в магнитном материале под действием магнитного поля высокой частоты. Ориентация соприкасающихся друг с другом граней блоков препятствует протеканию через магнит вихревых токов, возникающих в результате воздействия на него магнитного поля высокой частоты. В предпочтительном варианте изобретения в качестве материала для изготовления магнита используется порошковый связанный эпоксидной смолой самарий-кобальт.

Фиг. 1 - изображение предназначенной для каротажа скважин по методу ЯМР системы измерений, часть элементов которой расположена в пробуренной в пластах скважине.

Фиг.2 - изображение ЯМР-зонда с поперечной симметричной вибраторной антенной.

Фиг.3А и 3Б - изображение магнита показанного на фиг.2 ЯМР-зонда, разделенного на сегменты и используемого вместе с поперечной симметричной вибраторной антенной.

Фиг. 3В - изображение магнита, используемого с продольной симметричной вибраторной антенной.

Фиг.4 - график зависимости поглощаемой предлагаемым в изобретении магнитом мощности ВЧ от толщины блока.

Фиг.5 - график зависимости добротности Q антенны от толщины блока предлагаемого в изобретении магнита.

Фиг. 6 - график зависимости поглощаемой порошковым магнитным материалом мощности ВЧ от размера частиц.

1. Описание всего комплекса аппаратуры для ЯМР-каротажа скважин/ На фиг. 1 показана часть предназначенной для каротажа скважин системы измерений (называемая в дальнейшем "измерительной гирляндой" 22), которая опущена в ствол скважины 11, проходящей через несколько пластов 21, 23, 25, 27. Измерительная гирлянда 22 содержит различные датчики, предназначенные для измерения определенных свойств пластов 21, 23, 25, 27 в заданном исследуемом объеме 58 земной коры, называемом обычно "исследуемым объемом". Измерительная гирлянда 22, в состав которой может входить выполненный в соответствии с изобретением зонд работающей по принципу ЯМР системы измерений, подвешена к армированному электрическому кабелю 30 и обычно опускается в ствол скважины 11 лебедкой или с помощью другой известной в технике и предназначенной для этой цели системы перемещения. В состав измерительной аппаратуры для ЯМР-каротажа скважин входит являющийся частью измерительной гирлянды 22 ЯМР-зонд 42, в котором имеется антенна (на фиг.1 не показана) и изготовленный в соответствии с изобретением сборный постоянный магнит (на фиг. 1 отдельно не показан). Измерительная гирлянда 22 соединена через электрический кабель 30 с наземной аппаратурой 54, в состав которой входит схема (отдельно не показана) для декодирования и интерпретации сигналов, поступающих в нее от измерительной гирлянды 22 по кабелю 30. Такого рода схемы для декодирования и интерпретации сигналов, поступающих в них по кабелю 30 от измерительной гирлянды 22, достаточно хорошо известны в технике.

Измерительная гирлянда 22, в которую входит ЯМР-зонд 42, предпочтительно центрируется в стволе скважины 11с помощью верхнего и нижнего центраторов 56 и 57, которые закреплены на ней на некотором расстоянии друг от друга в осевом направлении. В качестве центраторов 56 и 57 можно использовать различные хорошо известные в технике устройства, например гнутые пружины или снабженные приводом "рычаги", которые описаны в патенте США 4614250, выданном на имя Panetta и др. В состав измерительной гирлянды 22 могут входить и другие различные предназначенные для каротажа скважин датчики, которые для удобства на фиг.1 отдельно не показаны.

На фиг.2 в упрощенном виде показан являющийся частью измерительной гирлянды (обозначенной позицией 22 на фиг.1) ЯМР-зонд 42. ЯМР-зонд 42 содержит постоянный магнит 61, который в соответствии с настоящим изобретением изготовлен из обладающего электропроводностью магнитного материала. Подробно такие обладающие электропроводностью магнитные материалы, из которых можно изготовить магнит 61, рассмотрены ниже. Зонд 42 содержит также антенну, которая в рассматриваемом варианте выполнена в виде поперечной симметричной вибраторной антенны 70. В рассматриваемом варианте магнит 61 обладает по существу однородным намагничиванием в направлении его продольной оси 78 и имеет вектор поперечной намагниченности в направлении 82, по существу перпендикулярном продольной оси 78. Проходящая через антенну 70 мощность высокой частоты ("ВЧ") создает магнитное поле ВЧ в пространстве, расположенном вокруг зонда 42 (в том числе и в показанных на фиг.1 пластах 21, 23, 25, 27), а также во внутреннем объеме самого зонда 42, где расположен постоянный магнит 61. Соответствующие электронные схемы, предназначенные для создания проходящей через антенну мощности ВЧ, а также схемы, предназначенные для измерения значений ЯМР-сигналов, принимаемых антенной 70, хорошо известны в технике. К таким схемам относятся, в частности, схемы, описанные в патенте США 4710713, выданном на имя Taicher и др.

Излучаемое антенной 70 магнитное поле ВЧ будет однородным только либо в отсутствие магнита 61, либо при его по существу полной прозрачности в отношении проходящего через него магнитного поля ВЧ. В занимаемом магнитом 61 пространстве однородному магнитному полю ВЧ должно соответствовать синусоидальное относительно азимутального направления вокруг продольной оси 78 распределение плотности электрического тока в антенне 70. Направление 92 магнитного поля ВЧ для поперечной симметричной вибраторной антенны 70, показанной на фиг.2, по существу перпендикулярно продольной оси 78 и перпендикулярно направлению 82 намагничивания магнита 61. Геометрия входящих в состав ЯМР-зонда 42 антенны 70 и магнита 61 по фиг.2 лишь иллюстрирует принципы, лежащие в основе изобретения. В этой связи особенно необходимо подчеркнуть, что изобретение предусматривает возможность использования не только самых разных по форме антенн, создающих разные по конфигурации поля ВЧ (например, поле ВЧ, генерируемое продольной симметричной вибраторной антенной), но и самых разных по форме магнитов 61. Поэтому конкретная форма антенны 70 и направление 82 намагничивания магнита 61, о которых идет речь в настоящем описании, не следует рассматривать как признаки, ограничивающие объем изобретения.

Если магнит 61 изготовлен из обладающего электропроводностью материала, то магнитное поле ВЧ, излучаемое антенной 70, индуцирует в самом магните 61 вихревые токи. Возникновение в магните вихревых токов сопровождается появлением двух эффектов, отрицательно влияющих на характеристику ЯМР-зонда 42. Во-первых, некоторая часть мощности ВЧ поглощается самим магнитом 61, что приводит к снижению добротности Q антенны 70. Во-вторых, сами вихревые токи создают вторичное магнитное поле ВЧ, которое вносит значительные искажения в поле ВЧ, создаваемое антенной 70 в исследуемом объеме пластов (исследуемый объем 58 на фиг.1). Отрицательный эффект от этих двух связанных с возникновением вихревых токов явлений зависит от электрической проводимости материала магнита и от геометрии магнита 61 и антенны 70. От геометрии магнита и антенны зависит, в частности, траектория движения протекающих в магните вихревых токов. Показанные на фиг.2 направления течения вихревых токов соответствуют конкретной показанной на фиг.2 конфигурации магнита 61 и антенны 70.

2. Конструкция магнита для ЯМР-зонда, обладающего необходимыми магнитными свойствами и оказывающего незначительное влияние на работу системы измерений из-за возникающих в нем вихревых токов.

Как уже было отмечено выше, в настоящее время известны магнитные материалы, в частности связанные смолой самарий-кобальт, которые применительно к предназначенной для ЯМР-каротажа скважин аппаратуре обладают лучшими магнитными и механическими свойствами, чем обычно используемые в такого рода аппаратуре ферритные материалы. Однако такие более пригодные материалы являются по существу электрическими проводниками, и при их использовании в предназначенной для ЯМР-каротажа скважин аппаратуре в чистом виде они не только существенным образом искажают создаваемое зондом магнитное поле ВЧ, но и, как было показано выше, из-за потерь мощности ВЧ в магните снижают отношение полезный сигнал/шум.

Объемная электрическая проводимость обладающих электропроводностью магнитов, изготовленных из рассмотренных выше связанных смолой магнитных материалов, снижается по мере увеличения в готовом магните доли содержащейся в нем смолы по отношению к содержащемуся в нем магнитному материалу. Однако при очень небольшой доле содержащегося в магните магнитного материала магнитные свойства магнита будут не лучше, чем магнитные свойства магнита, изготовленного из не обладающего электропроводностью феррита.

Задача, которая ставится в изобретении, заключается в том, чтобы при изготовлении магнита из связанных смолой обладающих электропроводностью магнитных материалов эти материалы сохраняли в составе готового магнита свои механические и магнитные свойства, а также свою соответствующую электропроводность, необходимую при использовании магнита в зонде предназначенной для ЯМР-каротажа скважин системы измерений.

На фиг. 3А показана схема магнита, позволяющая лучше понять основной принцип, который лежит в основе изобретения. Постоянный магнит 61 можно изготовить подробно рассмотренным ниже способом из связанного смолой обладающего электропроводностью порошкового магнитного материала, такого как самарий-кобальт. Из такого связанного смолой порошкового магнитного материала можно изготовить отдельные "блоки", которые собираются друг с другом в готовый постоянный магнит 61, показанный на фиг.3А. Блоки, обозначенные позицией 61А, имеют по существу плоские грани и легко собираются в готовый магнит 61. Между плоскими гранями соседних блоков 61А проложены тонкие листы 61В (прокладки) из электроизоляционного материала, которые электрически изолируют блоки 61А друг от друга.

Достаточно, чтобы проложенные между соседними блоками 61А изолирующие прокладки 61В были расположены более или менее параллельно плоскости, параллельной главному направлению 92 магнитного поля ВЧ. Изолирующие прокладки 61В, отделяющие друг от друга показанные на фиг.3А блоки 61А, расположены по существу параллельно плоскости, образованной продольной осью 78 и направлением 92 магнитного поля ВЧ, и образуют разрывы в цепи возможного (при отсутствии таких прокладок) протекания через магнит 61 вихревых токов. Такая ориентация изолирующих прокладок 61В наиболее пригодна для магнита 61, работающего с поперечной симметричной вибраторной антенной 70 по фиг.2. Ниже рассмотрены и другие варианты расположения изолирующих прокладок 61В, которые используются при другой ориентации постоянного и переменного высокочастотного магнитных полей.

Изготовление магнита 61 из отдельных собранных друг с другом электрически изолированных блоков 61А позволяет уменьшить влияние на работу системы измерений вихревых токов, возникающих в магните 61 под действием магнитного поля ВЧ. Влияние такого "секционирования" постоянного магнита 61 на обусловленные вихревыми токами потери мощности можно оценить следующим образом. Удельная поглощаемая постоянным магнитом мощность ВЧ Р (поглощаемая мощность на единицу объема), обусловленная вихревыми токами, протекающими внутри имеющего бесконечные размеры плоского "листа", рассчитывается по следующей формуле: где = ₀/; w = a(/2)^1/2; и В обозначают соответственно круговую (угловую) частоту и плотность магнитного потока магнитного поля ВЧ, обозначает удельное электрическое сопротивление "листового" материала и а обозначает толщину отдельного "листа".

При расчете потерь мощности по формуле (1) в качестве параметров "листа" нужно учитывать данные по каждому из отдельных показанных на фиг.3А блоков 61А. Методика расчета удельной поглощаемой постоянным магнитом из-за вихревых токов мощности приведена, например, в работе W.R. Smithe, Static and Dynamic Electricity, изд-во McGraw-Hill Book Company, Inc., New York (1950).

На фиг.4 показан график зависимости удельной поглощаемой постоянным магнитом мощности от толщины а блока ("листа"). Показанные на фиг.4 кривые вычислены для значений частоты магнитного поля ВЧ f или /2, равной 0,5 МГц, интенсивности магнитного потока магнитного поля ВЧ В, равной 1 мТл, и трех различных значений удельного сопротивления магнитного: =1,4x10^-6Омм; =1x10^-4Омм; =1x10^-2Омм. Первое значение удельного сопротивления магнитного материала соответствует изготовленным спеканием магнитам из неодима-железа-бора. Более высокие значения удельного сопротивления соответствуют магнитам, изготовленным из связанных смолой порошкообразных содержащих редкоземельные элементы металлов (самарий-кобальт), которые подробно описаны ниже.

Следует отметить, что значение удельной поглощаемой каждым отдельным блоком (позиция 61А на фиг.3А) мощности сначала достигает максимума, а затем с увеличением толщины а блока (позиция 61А на фиг.3А) начинает снижаться. Точка перелома лежит выше предельного значения поглощаемой мощности, отложенной на фиг.4 по вертикальной оси. Величина поглощаемой мощности в точке перелома соответствует потерям мощности, обусловленным поверхностным эффектом, когда мощность поглощается только имеющим определенную толщину слоем материала (так называемым "слоем скиновой глубины"), расположенным на внешней поверхности каждого блока (позиция 61А на фиг.3А). По мере увеличения толщины отдельных блоков 61А сверх скиновой глубины материала, из которого изготовлены блоки 61А, значение удельной поглощаемой мощности в них будет снижаться из-за отсутствия вихревых токов в материале блока, расположенном под его имеющим скиновую глубину слоем. Значительное поглощение мощности, обусловленное скиновым эффектом, вызывает сильное искажение магнитного поля ВЧ вне каротажного зонда (а следовательно, и в исследуемых пластах) и должно быть поэтому сведено к предельно достижимому минимуму. С этой целью с учетом частот магнитного поля ВЧ, на которых обычно работает ЯМР-зонд, в предлагаемых в изобретении магнитах используются магнитные материалы, скиновая глубина которых намного превышает габаритные размеры магнита (позиция 61 на фиг.3А).

Из уравнения (1) следует, что для любого значения удельных потерь мощности в магнитном материале, скиновая глубина которого превышает толщину блока, суммарные потери мощности в любом блоке зависят от квадрата его толщины. Собрав магнит из относительно тонких блоков, можно ослабить влияние на работу системы измерений возникающих в постоянном магните вихревых токов. Теоретически, изготовив магнит из очень тонких блоков, можно добиться того, чтобы суммарные потери мощности в магните 61 были весьма незначительными. На практике однако изготовить готовый магнит "ламинированием" из большого количества таких тонких секций достаточно трудно и дорого. Поэтому в изобретении ставится задача найти такую толщину блоков, при которой ЯМР-зонд будет иметь необходимую для надежной работы аппаратуры характеристику и при которой количество блоков в готовом магните 61 не будет слишком большим.

Существенным моментом является то, что в предлагаемом в изобретении магните 61 толщина а всех блоков 61А магнита выбирается таким образом, чтобы при любом значении электропроводности магнитного материала и при любой частоте магнитного поля ВЧ антенна (позиция 70 на фиг.2) имела минимальное заданное значение добротности Q. Методика выбора необходимой толщины блока заключается в следующем. Как показано на фиг.3А, поверхностные вихревые токи j_ec на поверхностях соседних блоков 61А компенсируют друг друга с точки зрения их влияния на магнитное поле ВЧ, проникающее снаружи в каждый отдельный блок 61А. Суммарное влияние вихревых токов j_ec на магнитное поле ВЧ вне магнита 61 будет в этом случае таким же, как в однополюсном магните, у которого вихревые токи распределены только вдоль поверхности магнита 61 (см. фиг. 2). Такие поверхностные вихревые токи создают вторичное магнитное поле ВЧ, которое полностью подавляет наружное магнитное поле (В), создаваемое внутри магнита 61 (из-за значительного скинового эффекта), и почти полностью подавляет поле ВЧ в исследуемом объеме (позиция 58 на фиг.1). Зная минимально допустимую добротность Q антенны 70, которая может быть определена разработчиком системы, можно вычислить максимальную толщину а блока для конкретной геометрии антенны и магнита. Для магнита 61, показанного на фиг. 3А, суммарная поглощаемая магнитом 61 мощность Р_ab может быть вычислена из уравнения (1) по следующей формуле: Р_ab = R_m ²L_aP, (2) где R_m и L_a обозначают соответственно радиус магнита 61 и длину антенны (позиция 70 на фиг.2). Добротность Q определяется как отношение максимальной магнитной энергии W_mag к общей поглощенной энергии W_ab. W_ab=P_abxT, где Т обозначает период магнитного поля ВЧ: Q=Wmag/P_abТ (3) Максимальную магнитную энергию можно вычислить по следующей формуле: W_mag = (B²/2₀)dv, (4) где интеграл берется по всему объему. При синусоидальном распределении относительно азимута плотности тока j_a в антенне (позиция 70 на фиг.2) формулу для расчета суммарной магнитной энергии можно представить в следующем виде: W_mag = (1/₀)R²_mL_aB². (5) Зависимость добротности Q от толщины а блока показана графически на фиг. 5. Для ЯМР-зонда 42 величину добротности Q можно принять равной приблизительно 20. При добротности Q=20 толщина а блока должна быть равной приблизительно 0,2 см и 1,5 см для магнитных материалов, у которых удельное электрическое сопротивление составляет соответственно 10^-4 и 10^-2Омм. Все вычисления проводили для частоты магнитного поля ВЧ, равной 0,5 МГц. Аналогичным образом можно вычислить толщину блоков и для других значений частоты магнитного поля ВЧ и для других значений электропроводности материалов, используемых для изготовления