專利名稱：井筒中構(gòu)造特性的方位角nmr成像的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明處于核磁共振測試設備領域。特定地，本發(fā)明為用于在鉆井時對構(gòu)造特性的方位角成像進行NMR測試的設備。
背景技術(shù)：
已經(jīng)有很多種技術(shù)與鉆井配合來確定井筒周圍土地構(gòu)造中是否存在碳氫化合物(石油和天然氣)并估計其數(shù)量。這些方法都設計成確定構(gòu)造參數(shù)(在這一申請中稱為“感興趣參數(shù)”)，其中包括巖石構(gòu)造的孔隙度、液體含量和滲透性。通常，設計用于提供所需信息的工具用來對井筒做記錄。很多記錄都是在井筒鉆出之后完成的。移開鉆井設備以對井筒進行記錄增加了時間和金錢成本。最近，已經(jīng)可以在鉆井的同時對井筒進行記錄，稱作鉆孔同時測量(“MWD”)或鉆孔同時記錄(“LWD”)。還可以在將鉆繩從井筒中解扣時進行測量。這稱作解扣同時測量(“MWT”)。
最近發(fā)展的一項技術(shù)包括利用核磁共振(NMR)記錄工具和方法來確定其中巖石構(gòu)造的孔隙度、碳氫化合物飽和度和滲透性。NMR記錄工具用來激發(fā)井筒附近地質(zhì)構(gòu)造中的液體的原子核，從而可估算地址構(gòu)造的某些參數(shù)，例如自旋密度、縱向馳豫時間(技術(shù)中通常稱作“T1”)和橫向馳豫時間(通常稱作“T2”)。從這樣的測量中可以確定孔隙度、滲透性和碳氫化合物飽和度，這些參數(shù)提供了關于地址構(gòu)造的構(gòu)成和可開采碳氫化合物的總量的有用信息。
NMR井記錄儀器通常包括用以在土地構(gòu)造中引入靜磁場的永磁鐵和靠近磁鐵的傳輸天線，天線的形狀使得天線中的射頻功率(“RF”)脈沖在土地構(gòu)造中引入RF磁場。RF磁場通常與靜磁場正交。在RF脈沖之后，氫或其它原子核的原子核自旋軸關于靜磁場的進動旋轉(zhuǎn)在接收天線中引入電壓。進動旋轉(zhuǎn)發(fā)生在靜磁場強度與RF磁場頻率相當?shù)募ぐl(fā)區(qū)域中。可以設計RF脈沖序列來操縱原子核磁化，從而可獲得構(gòu)造的NMR特性的不同方面。
對于NMR井記錄，最常用的序列是CPMG序列，包含一個激發(fā)脈沖和許多重聚焦脈沖。對于這些NMR方法來說感興趣的區(qū)域通常完全處于巖石構(gòu)造內(nèi)部。然而，由靜磁場的強度和RF磁場的頻率所確定的敏感區(qū)卻可以處于鉆孔中，從而產(chǎn)生了錯誤信號。由于鉆孔的不同幾何尺寸，設計了不同的NMR記錄方法。對于探測裝置位于中心的小的軸對稱鉆孔來說，有可能獲得來自巖石構(gòu)造內(nèi)的軸對稱區(qū)域的信息。
NMR記錄中一個感興趣的問題是獲得關于環(huán)繞鉆孔的土地構(gòu)造的方位角信息。授予Sezginer等人的U.S.Patent 5,977,768提出使用分段天線來獲得這樣的信息。靜磁場由一對相對的平行于工具縱軸磁化的磁鐵來產(chǎn)生。檢查區(qū)域為環(huán)繞鉆孔的環(huán)形地帶。通過使用分段天線，每個天線主要接收來自一個象限的信號。授予Poitzsch等人的U.S.Patent 6,255,817提出一種用于分析來自Sezginer裝置的數(shù)據(jù)的方法。授予Ganesan等人的U.S.Patent 6,326.784公開了一種布置，其中使用梯度線圈來抑制檢查區(qū)域的某些部分的自旋回聲信號。正如本領域技術(shù)人員所知的，由相對磁鐵結(jié)構(gòu)確定的環(huán)形區(qū)域通常小于橫向雙極磁鐵布置所確定的區(qū)域。這一特征限制了獲得信號的區(qū)域進而降低了信號水平。
隨著工具使用橫向雙極磁鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個顯然無關的問題。一個例子就存在于“側(cè)視”NMR工具中，這種工具對工具的一側(cè)上的NMR激發(fā)敏感，而對另一側(cè)上的NMR激發(fā)更不敏感。工具的更敏感一側(cè)通常壓在鉆孔鄰近構(gòu)造的側(cè)墻上，從而給出NMR工具的RF場發(fā)生組件與NMR研究的構(gòu)造區(qū)之間的最小間隔。浴室工具的更不敏感一側(cè)朝向鉆孔。這一可使用的NMR技術(shù)在鉆孔直徑遠大于NMR工具直徑時最為有效。
通常，側(cè)視NMR工具以特殊關系建立靜和RF磁場分布以實現(xiàn)NMR工具某一側(cè)上的最大NMR敏感度。這些傳統(tǒng)的側(cè)視NMR技術(shù)都是眾所周知的，在下列專利中都有提出授予Taicher等人的U.S.Patent 4,717,877、授予Kleinberg等人的的U.S.Patent 5,055,787、授予Hanley等人的的U.S.Patent 5,488,342、授予Hanley的U.S.Patent5,646,528以及授予Prammer等人的U.S.Patent 6,0213,164。
Kleinberg’787專利提出一種側(cè)視NMR工具，它產(chǎn)生靜磁場，導致只在工具前側(cè)上的敏感區(qū)。這一工具前面的敏感區(qū)產(chǎn)生梯度基本為零的場，而這一工具后面的區(qū)域具有梯度相對較大的場。因此，與工具后面的NMR區(qū)域相比，工具前面敏感NMR區(qū)域的體積大得多并且對合成的NMR信號起更主要的貢獻。然而，’787專利技術(shù)只在工具前面的敏感區(qū)非?？拷ぞ叩臅r候才有用。因此這一條件限制了NMR研究的可實現(xiàn)的深度?！?87工具設計還需要敏感區(qū)中梯度基本為零。然而，在NMR井記錄中并不是總能實現(xiàn)這樣的零梯度，因為許多相關NMR技術(shù)依賴于NMR敏感區(qū)內(nèi)具有有限、已知的梯度。
Hanley’342專利提出一種NMR工具技術(shù)，它給出局域在工具前面的均勻區(qū)域。’342工具設計克服了敏感區(qū)要不切實際地靠近NMR工具的不利要求。然而，它也有不足之處，因為敏感區(qū)不是沿NMR工具或的縱軸或鉆孔軸延伸的，導致了由于運動影響而引起的難以接收的誤差。
Hanley’528公開了Jackson裝置的另一變體，其中將導電材料屏蔽罩鄰近電線圈組放置并垂直錯開，由此RF天線所產(chǎn)生的磁場不對稱地與磁鐵的軸錯開。與Jackson裝置中一樣，均勻靜場區(qū)域保持環(huán)形。Hanley’528裝置可以在大的鉆孔中工作，鉆孔信號減弱。兩種Hanley裝置都有這樣的缺點檢查區(qū)域的軸向延伸很小，從而它們不能在高度記錄速度下工作。
有幾種裝置致力于解決永磁鐵的基本Jackson結(jié)構(gòu)有限的軸向延伸問題。授予Taicher等人的U.S.Patent 4,717,877提出使用延長的柱狀永磁鐵，其中磁極位于磁鐵相對的曲面上。來自這種磁鐵的靜場與磁極位于延長磁鐵的對稱軸中心上的磁場相似，給出平行于鉆孔軸衍生的檢查區(qū)。Taicher裝置中的RF線圈也是雙極天線，其中心與磁鐵對稱軸重合，從而在鉆孔360°方位角中靜和磁場的都互相正交。
授予Prammer的U.S.Patent 6,023,164公開了Taicher專利的一個變體，其中工具在鉆孔中工作。在Prammer裝置中，NMR記錄探頭帶有套管，具有半圓形RF屏蔽罩覆蓋磁鐵的一個磁極。屏蔽罩阻擋來自探頭某一側(cè)的信號。探頭帶有將探頭未被覆蓋的一側(cè)壓在鉆孔側(cè)壁上的元件從而未覆蓋側(cè)所接收到的信號主要來自構(gòu)造。
對于Prammer’164和Hanley’528裝置來說，為了時探頭后面的場最弱而維持探頭前面的敏感度，屏蔽罩應當盡可能遠離前側(cè)區(qū)域。屏蔽罩的有效性受工具直徑限制。在沒有屏蔽罩存在時，Prammer’164和Hanley’528工具具有環(huán)形敏感區(qū)，從而以偏心方式使用兩種裝置中任何一個都會導致大的來自鉆孔液體的信號。
無源RF屏蔽罩通常盡可能遠離前側(cè)區(qū)域以便不會破壞所需區(qū)域中的NMR工具敏感度，并且還要盡可能靠近后側(cè)區(qū)域以獲得最大有效性。由此可見無源屏蔽罩的有效性最終受工具直徑的限制。如果我們無法用工具內(nèi)的屏蔽罩實現(xiàn)足夠的衰減，那么我們將不得不采用下列不合意方式之一使用大磁鐵使背面區(qū)域盡可能遠；減弱來自前面區(qū)域的信號；或在工具外面安置屏蔽罩。從而，沒有一種方法給出實際可行的解決方案。
授予Beard等人的U.S.Patent 6,348,792——其內(nèi)容在此完全引入作為參考——介紹了一種主級靜磁鐵和次級整形磁鐵組成的結(jié)構(gòu)。整形磁鐵用來將靜磁場整形以使在工具周圍更大的方位角扇區(qū)中與RF場相符合。裝置背后部分中的屏蔽罩減弱了工具后面的RF場。相對于現(xiàn)有技術(shù)來說靜和RF雙極都旋轉(zhuǎn)了90°，從而靜雙極指向工具側(cè)面而RF雙極指向工具前面。利用這一布置，充分增大了屏蔽罩中的渦電流，增大了其有效性。具有相同受讓人的授予Reiderman的U.S.Patent 6,445,180——其內(nèi)容在此完全引入作為參考——提出使用具有Beard專利的工具的主級和次級天線系統(tǒng)。兩者中更大的主級天線產(chǎn)生擴展的磁場，其大部分延伸到巖石構(gòu)造中，一部分留在鉆孔中。次級天線與主級天線同步工作，但是其電流沿與主級天線中電流方向相對的方向循環(huán)，導致在鉆孔內(nèi)的區(qū)域中抵消主級天線磁場的磁場，從而顯著減少來自鉆孔對探測到的NMR信號的貢獻。
這些特殊申請的局限在于裝置僅具有側(cè)視(side-looking)模式，對于大的鉆孔有用。然而，對于小的鉆孔，使用中央模式更為有利，該模式在NMR工具的所有側(cè)面上激發(fā)信號。從而不同直徑的鉆孔的記錄需要使用不同工具，由于要有更多工具的庫存，成本有所增加。與本申請具有相同受讓人的授予Reiderman等人的U.S.Patent6,525,535——其內(nèi)容在此完全引入作為參考——提出一種類似于Reiderman’180專利的方法和裝置，其中次級天線可在小鉆孔中用作增強天線。這使得有可能對多種鉆孔尺寸使用相同的記錄工具。
然而，當鉆孔非常大時，Reiderman’451申請的裝置可能無法完全抑制來自鉆孔的信號。這一狀況示于圖3a和3b中。圖3a示出置于鉆孔301中的記錄工具311。該工具示出處于側(cè)視模式中，檢查區(qū)域由321、323a和323b的組合表示。通過使用硬件補償(可包括阻流天線以及基本磁鐵和天線結(jié)構(gòu)的布置，它們都沒有在圖中示出)，來自鉆孔內(nèi)325區(qū)域的信號被抑制了。
圖3b示出處于大得多的鉆孔301’中的同一記錄工具311。如圖所示，一部分由323a和323b所表示的檢查區(qū)域現(xiàn)在落在鉆孔內(nèi)。鉆孔液體包括大量水，因而來自鉆孔液體的信號可能遠大于來自構(gòu)造的信號。即使在更小的具有大量沖失區(qū)的鉆孔中也會發(fā)生類似問題。因此需要使用一種不同于硬件補償?shù)姆椒▉硪种苼碜糟@孔內(nèi)的信號這有可能使得在大得多的鉆孔尺寸范圍內(nèi)使用相同的記錄工具。理論上，這一對來自選定方位角扇區(qū)的信號的抑制與上面關于構(gòu)造的方位角成像是同一問題。本發(fā)明致力于解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為利用鉆孔中傳送的核磁共振(NMR)記錄工具確定土地構(gòu)造的感興趣區(qū)域的參數(shù)的方法。記錄工具上的磁鐵用來在包括所述感興趣區(qū)域在內(nèi)的區(qū)域中產(chǎn)生靜磁場。一序列選定的射頻(RF)脈沖用來在所述區(qū)域中產(chǎn)生RF磁場，獲得表示感興趣參數(shù)的信號。在本發(fā)明某一實施方案中，RF脈沖具有與Bessel函數(shù)的零點相關的脈沖長度，信號為自由感應衰減。在本發(fā)明的替代實施方案中，RF脈沖包括激發(fā)脈沖和隨后的許多重聚焦脈沖，激發(fā)脈沖的長度與Bessel函數(shù)的零點相關，信號為自旋回聲信號。
利用本發(fā)明的兩種實施方案，通過進行反Hankel變換，獲得作為RF磁場強度的函數(shù)的自旋特性。從對RF磁場分布的認識，可以復原空間自旋分布。特定地，可對鉆孔內(nèi)和外的自旋之間以及自旋的方位角分布進行微分。


圖1(現(xiàn)有技術(shù))示出通常用于穿入土地構(gòu)造的鉆孔中的側(cè)視井記錄工具；圖2(現(xiàn)有技術(shù))為一示意圖，示出RF阻流天線的使用；圖3a和3b示出與大直徑鉆孔中的記錄相關的問題；圖4示出RF脈沖之后的自由感應衰減；圖5為一流程圖，示出用于確定縱向馳豫時間的本發(fā)明第一實施方案；圖5a示出圖2的工具結(jié)構(gòu)的RF場分布；圖5b示出本發(fā)明某一實施方案的示例性脈沖序列；圖5c示出相應于圖5b的脈沖序列的自由感應衰減；圖6示出根據(jù)用于確定橫向馳豫時間的本發(fā)明第二實施方案的改良CPMG序列；圖7a和7b示出一流程圖，說明用于確定橫向馳豫時間；以及圖7c示出適合于與圖7b所繪本發(fā)明實施方案一起使用的脈沖序列。
具體實施例方式
圖1(現(xiàn)有技術(shù))示出適合于與本發(fā)明的方法一起使用的井記錄NMR工具。記錄工具102用在穿入土地構(gòu)造107、108、109的鉆孔103中用于土地構(gòu)造特性的測量。圖1中的鉆孔103通常都填有所謂的“鉆探泥漿”。側(cè)視工具具有用于在鄰近鉆孔103的構(gòu)造107、108、109中的調(diào)查區(qū)域105中產(chǎn)生NMR激發(fā)脈沖并接收來自區(qū)域105的NMR信號的天線組件104。調(diào)查區(qū)域105是對工具的某一側(cè)。數(shù)據(jù)的處理可以由地面計算機完成，或者可以由井下處理器完成。
圖2(現(xiàn)有技術(shù))示出垂直于NMR工具的縱軸——通常平行于鉆孔103的軸——的優(yōu)選NMR探頭。磁鐵組件201在構(gòu)造中鄰近鉆孔103的感興趣區(qū)域105中引入所需的靜磁場分布。主RF天線組件202以發(fā)射模式在感興趣區(qū)域中產(chǎn)生RF磁場并以接收模式接收來自構(gòu)造的激發(fā)區(qū)域(感興趣區(qū)域)的NMR信號。第一天線組件、主RF天線包含天線繞組203和軟磁心204以提高發(fā)射模式和接收模式的第一天線效率。在打的鉆孔中，第二天線組件205用作有源阻流器，包含繞組206和優(yōu)選地軟磁心207以提高阻流器效率。天線和阻流器繞組可以是一圈扁平金屬線或者多圈繞組。這一布置在直徑大約12”(30cm)的鉆孔中工作得很好。在更小的鉆孔(通常直徑小于8”)中，第二天線組件可以工作在增強模式，入Reiderman’451所述。
正如上面所討論的，在直徑大于大約12.25”(30.75cm)的非常大的鉆孔或具有中等至嚴重沖失的更小鉆孔中，檢查區(qū)域中相當大一部分位于鉆孔中。本發(fā)明的方法致力于校正這一信號的影響。本方法也適用于確定土地構(gòu)造的特性中的方位角差異。
本發(fā)明基于旋轉(zhuǎn)框架共軛攝影法。Hoult(1979)首先描述了稱作旋轉(zhuǎn)框架共軛攝影法的技術(shù)。他描述了兩種方法。第一種方法對自旋的位置進行相位編碼而另一種對信號振幅中的自旋的位置進行編碼。在第一種方法中，磁化在空間變量射頻磁場下進行。磁化由一個沒有空間梯度的90°脈沖加到旋轉(zhuǎn)框架的xy平面中。在這一點，旋轉(zhuǎn)框架中的磁化的相位具有正比于位置的分量。在這一成像技術(shù)中下一步是改變空間變量RF磁場的振幅或時間長度并在90°脈沖之后收集自由感應衰減信號(FID)。然后進行Fourier變換產(chǎn)生圖像。
所描述的第二種方法與本發(fā)明有關。對位置進行FID的振幅編碼而不是對位置進行相位編碼。這里頂錐角是RF場的振幅的函數(shù)。改變了脈沖寬度并收集FID。振幅是位置的Fourier正弦變換。
圖4示出振幅旋轉(zhuǎn)框架共軛攝影法技術(shù)。對于下面的討論，使用了窄脈沖近似。結(jié)果是所有諧振偏移效應都可以忽略。提供脈沖過程中所施加的RF磁場的線圈形狀要使得RF磁場在給定方向上在整個樣品上線性變化。不失一般性，這一方向可標為x軸。從而磁場由下式給出B1(r→)=B10+G1xx···(1)]]>其中B10為常數(shù)G1x為RF磁脈沖的線性梯度。在施加長度為τ的脈沖之后，F(xiàn)ID信號的振幅由下式給出S(τ)∝∫vo1d3rm(r→)sin(γ(B10+G1xx)τ)···(2)]]>其中積分對樣品的整個體積進行。對y和z坐標的積分可以容易地進行，結(jié)果是信號為沿x軸投影的自旋強度的Fourier正弦變換，如下式所示S(τ)∝∫abdxm⊥(x)sin(γ(B10+G1xx)τ)···(2a)]]>其中m⊥為磁化沿給定軸的投影(本情形中的x軸)。積分上下限a和b為樣品的最大擴展范圍。對式(2a)進行正弦變換得到S(ω)=∫0∞dτsinωτS(τ)=∫0∞dτsinωτ∫abdxm⊥(x)sin(γ(B10+G1xx)τ)]]>∫abdxm⊥(x)∫0∞dτsinωτsin(γ(B10+G1xx)τ)---(2b)]]>∝∫abdxm⊥(x)δ(ω-γ(B10+G1xx))=m⊥(ω-γB10γG1x)]]>這樣，S(τ)的正弦變換正比于投影到x軸上ω＝γ(B10+G1xx)處的自旋密度。本發(fā)明的方法依賴于下述事實利用上面參考圖2描述的優(yōu)選硬件結(jié)構(gòu)，RF場從工具前面的最大值變化到后面的接近零。也有其它磁鐵和線圈結(jié)構(gòu)，其中在整個敏感區(qū)域中有空間變化的RF場，本發(fā)明的方法可與具有這種結(jié)構(gòu)的工具一起使用。
上述實施例可以概括為作為空間變量的任意函數(shù)的RF磁場。代入任意空間變化RF磁場B1＝B1(x)(對線性場來說B1＝B10+G1xx)，信號某一維數(shù)中的Fourier正弦變換為S(ω)∝∫dτ sin(ωτ)S(γB1(x)τ)＝∫dx m(x)δ(ω-γB1(x)) (3)=Σn=1N(γdB1(x)dx|xn)-1∫dxm(x)δ(x-xn),]]>其中xn為γB1(x)-ω的零點。變換考慮了任意函數(shù)的Δ函數(shù)的已知特性。這樣，如果RF磁場變化很大的話，變換了的信號可包含來自許多不同位置的信號。然而，對于單調(diào)函數(shù)來說對每個具有樣品中相應位置的頻率有一個零點?？梢匀菀椎貙⑴c小的B1值相關的信號從與大的B1相關的信號中分離出來。
上面關于FID描述了本發(fā)明的原理。在井記錄環(huán)境中，激發(fā)體積受頻帶限制。它不是由線圈體積確定而是由靜磁場的均勻性和空間分布來決定。敏感體積的范圍可以由下面的表達式近似ΔB0/B1≤1， (4)其中ΔB0為靜磁場和相應于RF工作頻率的磁場之差。遠離諧振的自旋對接收到的信號沒有貢獻因此不包括在敏感體積內(nèi)。式(4)僅僅是近似，更確切的表達式將需要對井記錄工具設計的詳細分析。因此，不能用窄脈沖近似并且在任何脈沖序列的分析中必須考慮非共振影響。
考慮圖4所示的跟隨了FID的單脈沖?；ヒ锥ɡ?Hoult和Richards，1976)給出線圈中電壓增量作為RF磁場和磁化的函數(shù)。在一些代數(shù)處理之后這一關系轉(zhuǎn)變?yōu)橄率霰磉_式(Hurlimann和Griffin，2000)S(t)≈2χμ0Iω02∫∫dω1d(Δω)ω1f(Δω,ω1)mx,y(Δω,ω1),···(5)]]>其中x為核磁磁化率，μ0為自由空間磁導率，I為線圈中電流，ω1＝γB1，而Δω＝ω0-γB。函數(shù)f為給定偏移頻率和RF場振幅下的質(zhì)子密度。參量mx，y為平衡時歸一化橫向磁化的分量。B為磁場而ω0為RF磁場的角頻率。式(5)要對ω1和Δω的所有值積分，但是實際上對Δω的積分可限制于幾倍ω1。
緊跟著脈沖之后，橫向磁化分量由下式給出(Morris，1986)mx=sinθcosθ(1-cos(τω12+Δω2)),my=sinθsin(τω12+Δω2),···(5a)]]>其中tanθ=ω1Δω···(5b)]]>在接近諧振處f(Δω，ω1)與Δω無關的特殊情形——例如具有基本輻射狀梯度的記錄工具——中，式(5)和(5a)得到緊接著脈沖的振幅在對整個Δω積分之后的簡單表達式。磁化的同相部分或x分量積分為零，而y或正交分量積分為S(τ)≈2χμ0Iω02∫0ω1maxdω1ω1f(ω1)πω1γGJ0(ω1τ),···(6)]]>其中G為靜磁場梯度，J0為零階Bessel函數(shù)而ω1max為B1(x)的最大值。如果G為常數(shù)與ω1無關，那么式(6)顯示NMR信號的振幅為作為RF磁場振幅的函數(shù)的質(zhì)子密度與RF振幅本身的乘積的有限Hankel變換。因為Bessel函數(shù)為完備集，利用反變換有限Hankel變換可以得到作為RF場振幅的函數(shù)的質(zhì)子密度。小心改變變量，可得到如下結(jié)果ω1f(ω1)=μ0IγGπχω02ω1max2Σn=1∞S(ω1maxτn)J12(ω1maxτn)J0(ω1τn).···(7)]]>這里τn的值與零階Bessel函數(shù)的零點j0，n有關，如下ω1maxτn＝j0，n. (8)在實際應用中反Hankel變換作為求和使用。
表I給出J0(x)初始零點的值。
表IJ0(x)的零點

式(6)中的和數(shù)是無窮的，不適合用于要在有限長度的時間內(nèi)進行的實驗。這樣，應當截斷這一數(shù)列作為近似。這一截斷去除了隨RF振幅快速振蕩的分量，導致作為RF振幅的函數(shù)的自旋密度的更平滑的估算。只要RF振幅是敏感區(qū)內(nèi)位置的合理行為函數(shù)，作為RF振幅的函數(shù)的密度可以映射為作為位置的函數(shù)的密度。例如，上面參考圖2所討論的優(yōu)選工具設計成發(fā)射過程中使用的RF振幅從工具前面大最大值單調(diào)變化到工具后面的最小值(幾乎為0)。從而一個簡單的變換將自旋密度從ω1的函數(shù)變成從前面到后面的角度的函數(shù)。
現(xiàn)在參看圖5，示出本發(fā)明第一實施方案的流程圖。為式(7)中的Bessel函數(shù)數(shù)列選擇了最多項數(shù)nmax。這是基于對工具的RF磁場的場梯度的經(jīng)驗和了解。一個實際的約束是可用在獲取數(shù)據(jù)上的采集時間的總量。N的值初始設為零501并遞增502。由式(8)和零階Bessel函數(shù)的第一個零點——即2.4048——確定脈沖長度τ1。獲取相應于選定的脈沖長度值的FID 503。進行檢查來看是否已經(jīng)超過了最大脈沖數(shù)505。如果答案是“否”507，則n的值遞增一502并選擇另一脈沖長度和獲取FID。如果答案是“是”509，則將所得數(shù)據(jù)變換到頻域之后根據(jù)式(7)進行反Hankel變換511，給出作為RF磁場(頻域中)的函數(shù)的自旋密度。利用已知的RF場強度的空間變化進行從RF磁場向空間位置的簡單映射513。一旦完成了這一步驟，那么就是一個直接的程序來確定信號中來自鉆孔內(nèi)(從而來自鉆孔液體)的部分和信號中在鉆孔外的部分。在上面參考圖2討論的優(yōu)選硬件裝置中，預定的RF磁場強度截止點將把分布分成兩個部分。低于截止點的部分將相應于來自鉆孔的信號而超過截止點的部分將相應于來自構(gòu)造的信號。利用上述方法，可以確定土地構(gòu)造的感興趣參數(shù)，例如自旋密度函數(shù)。
圖5a示出RF場強度的一個實施例。所示出的是圖2所示的器件的RF磁場分布。方位角為從器件的前面到器件的后面。軸上的零點為器件對稱軸。在示出的單元中，最大的B1為0.022。對于給定的軸向位置，RF磁場近似均勻地衰減，到大于大約100°的角度時接近零。
利用卡鉗——優(yōu)選地聲學卡鉗(未示出)——來獲得工具和任何可能出現(xiàn)在鉆井中的沖失的確切位置，可以進一步改善結(jié)果。利用卡鉗調(diào)整截止可以糾正沖失和/或不適當?shù)墓ぞ叨ㄎ凰赡軐е碌膯栴}。例如，授予Priest的U.S.Patent 5,638,337和5,737,277提出用于從聲學卡鉗數(shù)據(jù)確定鉆孔幾何尺寸的方法。Priest提出的方法或其它合適的方法可用于確定RF磁場的截止。
圖5b和5c中示出適用于圖5的流程圖中所描述的發(fā)明的脈沖序列。圖5b中所示的為一個示例性脈沖序列，包含三個持續(xù)時間分別為τ1、τ2、τ3的三個脈沖551、553、555，兩兩之間相隔時間TW。所得的自由感應衰減信號561、563、565示于圖5c中。按上面所討論的選擇τ，使用FID信號最大值用于分析。
本發(fā)明的另一實施方案使用了使用改進CPMG序列而得到的自旋回聲信號。Hurlimann和Griffin顯示回聲振幅的漸進行為在一級近似上與FID在單個脈沖之后一致。因此，有可能與改進CPMG序列一起使用本發(fā)明的方法。本發(fā)明的這一方面結(jié)合圖6進行了討論。
圖6中示出的是長度τa的尖脈沖601和跟隨其后的許多長度τb的重聚焦脈沖603。還示出了跟隨重聚焦脈沖之后的自旋回聲信號605。圖7的流程圖示出這樣的自旋回聲數(shù)據(jù)是如何杯用來得到所需的構(gòu)造特性的。
現(xiàn)在參看圖7a，n的值初始設為零701并遞增703。利用改進CPMG序列獲取自旋回聲信號705，該序列中尖脈沖持續(xù)時間τa根據(jù)式(8)選取。用于獲得自旋回聲信號的脈沖序列繪于圖7c中。圖7c示出第一改進CPMG序列751，具有尖脈沖τ1和跟隨其后的重聚焦脈沖，兩者之間相隔時間TE。重聚焦脈沖具有小于180°的頂錐角，正如授予Reiderman等人的U.S.Patent 6,163,153(與本申請具有相同的受讓人)中公開的那樣。應當指出本發(fā)明的方法也可與具有180°頂錐角的重聚焦脈沖一起使用。
回過來看圖7a，進行檢查看是否要應用更多的脈沖序列707。如果答案是“是”，那么n遞增一703并應用另一脈沖序列705。這一后續(xù)的脈沖序列在圖7c中由753繪出并在TW的等待時間之后跟隨第一脈沖序列751。如圖7c中所見，后續(xù)脈沖序列具有頂錐角τ2的尖脈沖?；氐綀D7a，繼續(xù)獲取附加脈沖序列的過程直到不用再獲取更多的序列707。這樣，得到了一組數(shù)據(jù)S(θa，n，m)，其中m為回聲數(shù)從而回聲發(fā)生在時間mTE處，其中TE為回聲間距，θa，n為尖脈沖的頂錐角τn。
在選定所需數(shù)目的的尖脈沖值之后，在709開始回聲信號的分析，在709設置回聲指數(shù)為0，遞增一711，并根據(jù)式(7)對第m個回聲信號將所有n個脈沖序列求和713。進行檢查看是否有更多的m值要處理715。求和了的自旋回聲信號代表作為RF場振幅和回聲時間的函數(shù)的自旋密度S(ω1，m)。保持ω1為常數(shù)，利用技術(shù)中已知的方法可以將這些回聲振幅反轉(zhuǎn)，S(ω1，m)變成S(ω1，T2)。換句話說，生成了圖7b中作為RF磁場和T2的函數(shù)的自旋密度圖717。接下來，利用已知的RF場振幅將自旋密度映射為空間位置。
用于表示圖7c的脈沖序列的一個方便形式為下式[τj-TE2-(R-TE)i-TW]j]]>其中TE為重聚焦脈沖R之間的時間間隔，τ1為尖脈沖，TW為等待時間，i為重聚焦脈沖的序數(shù)，j為對單個尖脈沖獲得的CPMG(或改進CPMG)序列的序數(shù)。對于改進CPMG序列來說，重聚焦脈沖的頂錐角小于180°。
在對上述實施方案的分析中，假設了發(fā)射RF的振幅和接收RF的振幅相同。換句話說，對發(fā)射和接收使用同一線圈。然而，本發(fā)明也很適用于發(fā)射和接收使用不同線圈的情況，這是本發(fā)明所公開的補充實施方案。在一般情形中，式(6)和(7)中的自旋密度函數(shù)由下式替代f(ω1)←∫dω1rω1rf(ω1，ω1r)，(9)其中ω1r為接收線圈中的電流1產(chǎn)生的RF磁場，f(ω1，ω1r)為作為接收和發(fā)射RF場振幅的函數(shù)的自旋密度分布。最先描述的兩個實施方案為這一一般情形的特例。
圖5a中所示的RF磁場分布可見對于上面所討論的示例性NMR工具來說在大約25cm和0°方位角處具有最大值。圖中只示出了分布的一半，負方位角上的分布基本相同。這樣在上面所討論的程序中，來自正和負方位角的值將被合在一起。這一事實會使得在獲得構(gòu)造特性的完整方位角圖像上存在問題。然而，這并不是接下來所討論的問題。
在本發(fā)明另一實施方案中，用旋轉(zhuǎn)工具進行測量。這一附加實施方案可容易地在MWD應用中完成，其中NMR工具在旋轉(zhuǎn)井底鉆具組件(BHA)(未示出)上運動，在BHA旋轉(zhuǎn)過程中進行測量，保留部分圖像。這一保留的圖像可以是來自，例如，零度方位線任何一側(cè)上的15°扇區(qū)的數(shù)據(jù)，給出一個30°扇區(qū)中的局部圖像。隨著NMR工具的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在另外的旋轉(zhuǎn)角度處重復測量，給出已成像數(shù)據(jù)的其它扇區(qū)。然后將各扇區(qū)圖像組合得到完整圖像。
上面提到的關于正和負方位角關于對稱方向重合的問題不是一個主要問題，因為在NMR信號采集過程中工具無論如何都會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導致一定量的拖尾。對于MWD設備來說，處理器可位于BHA中。
雖然前面討論了本發(fā)明的包括優(yōu)選實施方案在內(nèi)的幾個實施方案，但是對于本領域技術(shù)人員來說各種調(diào)整是顯而易見的。由于本公開是寫給那些本領域技術(shù)人員，因此預計前面的公開包含了所附權(quán)利要求的領域和精神中的所有變體。
權(quán)利要求
1.利用置于鉆孔中的核磁共振(NMR)工具確定土地構(gòu)造的某個區(qū)域的感興趣參數(shù)的方法，該方法包含(a)在包括所述感興趣區(qū)域的區(qū)域中形成靜磁場；(b)發(fā)射一射頻(RF)脈沖序列用以在所述區(qū)域中形成RF磁場，所述RF磁場在所述區(qū)域中具有空間變化的強度和與所述靜磁場的方向基本正交的方向，所述RF脈沖的子集進一步具有與Bessel函數(shù)的各零點相關的脈沖長度；(c)接收具有由所述RF磁場形成的振幅的NMR信號；以及(d)利用所述振幅確定所述感興趣參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述感興趣參數(shù)包含自旋密度函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述NMR信號包含與每個所述RF脈沖子集有關的自由感應延遲信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每個所述RF脈沖子集都是尖脈沖，該脈沖序列進一步包含多個與每個所述RF脈沖子集有關的重聚焦脈沖，并且其中所述NMR信號包含自旋回聲信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中確定所述感興趣參數(shù)進一步包含對所述信號進行反Hankel變換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中確定所述感興趣參數(shù)進一步包含使用空間映射將所述自旋密度映射到空間位置上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述RF脈沖序列為下述形式[τj-TE2-(R-TE)i-TW]j]]>其中TE為重聚焦脈沖R之間的時間間隔，τj為尖脈沖，TW為等待時間，i為重聚焦脈沖的序數(shù)，j為對單個尖脈沖獲得的CPMG(或改進的CPMG)序列的序數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中確定所述感興趣參數(shù)進一步包含將所述RF脈沖序列所得到的自旋回聲信號對某一選定的i值對所有序數(shù)j求和。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述求和為加權(quán)求和。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中確定所述感興趣參數(shù)進一步包含使用空間映射將所述自旋密度映射到空間位置上。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，進一步包含確定與感興趣區(qū)域在所述鉆孔之外的部分有關的自旋。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進一步包含確定與區(qū)域在所述鉆孔之外的部分有關的自旋。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，進一步包含將所述自旋分隔成方位角扇區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，進一步包含將所述自旋分隔成方位角扇區(qū)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進一步包含對所述工具的數(shù)個不同方位角取向重復(a)-(d)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進一步在底孔組件上將所述工具傳送到所述鉆孔中。
17.用于確定土地構(gòu)造的某個區(qū)域的感興趣參數(shù)的設備，包含(a)磁鐵，用于形成具有在該區(qū)域內(nèi)的方向的靜磁場；(b)發(fā)射器，用于在所述區(qū)域中發(fā)射一射頻(RF)磁場序列，所述RF磁場在所述區(qū)域中具有空間變化的強度和與所述靜磁場的方向基本正交的方向。(c)處理器，用于控制所述發(fā)射器并確定所述RF脈沖的具有與Bessel函數(shù)的零點相關的脈沖長度的子集。(d)接收器，用于接收由所述RF磁場形成的NMR信號；以及(e)處理器，用于從所述NMR信號的振幅確定所述感興趣參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設備，其中所述感興趣參數(shù)包含自旋密度函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的設備，其中所述NMR信號包含與每個所述RF脈沖子集有關的自由感應延遲信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的設備，其中每個所述RF脈沖子集都是尖脈沖，脈沖序列進一步包含多個與每個所述RF脈沖子集有關的重聚焦脈沖，并且其中所述NMR信號包含自旋回聲信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的設備，其中(e)中所述處理器配置成確定作為所述RF場強度的函數(shù)的自旋密度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設備，其中所述處理器配置成將所述自旋密度變換成空間位置。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的設備，其中所述RF脈沖序列為下述形式[τj-TE2-(R-TE)i-TW]j]]>其中TE為重聚焦脈沖R之間的時間間隔，τj為尖脈沖，TW為等待時間，i為重聚焦脈沖的序數(shù)，j為對單個尖脈沖獲得的CPMG(或改進的CPMG)序列的序數(shù)。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的設備，其中用同一天線來發(fā)射所述RF脈沖和接收所述信號。
全文摘要
用于進行NMR測量的方法和設備，抑制來自鉆孔內(nèi)對NMR信號的貢獻。在檢查區(qū)域內(nèi)，RF磁場具有空間變化的強度。NMR信號(自由感應延遲或自旋回聲信號)被轉(zhuǎn)換以給出作為場強度的函數(shù)的自旋密度。然后利用已知的RF場變化將這一轉(zhuǎn)換映射到空間位置上。可抑制來自鉆孔內(nèi)部的信號影響。還有可能得到自旋密度的方位角圖像。
文檔編號F16P3/14GK1735819SQ200380108435
公開日2006年2月15日 申請日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月19日
發(fā)明者卡爾·M·艾德瓦爾德斯 申請人:貝克休斯公司