專利名稱：利用運動檢測裝置檢測井下測井儀運動對核磁共振測量的影響的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及內(nèi)外同步(inside-out)核磁共振(NMR)測量，特別是涉及檢測包圍井孔的巖層性質(zhì)、例如巖層之氫含量的NMR測量中井下測井儀的運動效應(yīng)。
背景技術(shù)：
核磁共振(NMR)測量可以用于測定一種樣品例如人體組織(為了醫(yī)學(xué)成象目的)或一種巖層結(jié)構(gòu)(為測井目的)的性質(zhì)。例如對于巖層結(jié)構(gòu)，NMR測量可以用于測定該巖層的空穴率、結(jié)構(gòu)類型、滲透性和含油量，并對上述各種性質(zhì)進(jìn)行勘測。
參看

圖1，作為一個例子，NMR可以用在隨鉆測井(LWD)操作上，以便對巖層10的性質(zhì)進(jìn)行勘測。按照這種方式，一個軸對稱的NMR井下測井儀6可以是鉆具組5的一部分，該鉆具組5用于在巖層10中鉆出井孔3。作為井下測井儀6的例子可以是在下述專利文件中描述的井下測井儀中的一種，這些專利文件是1998年1月6日授權(quán)于Sezginer等人的名稱為“Pulsed NuclearMagnetism Tool For Formation Evaluation While Drilling Including aShortened or Truncated CPMG Sequence”的US5705927號專利、1994年1月18日授權(quán)于Miller的名稱為“System For Logging a Well During the DrillingThereof”的US5280243號專利，1998年5月26日授權(quán)于Taicher等人的名稱為“Nuclear Magnetic Resonance Well Logging Apparatus and Method Adaptedfor Measurement-While-Drilling”的US5757186號專利，1982年9月21日授權(quán)于Jackson等人的名稱為“Magnetic Resonance Apparatus”的US4350955號專利或1998年11月5日遞交的名稱方“Apparatus and Method for Obtaininga Nuclear Magnetic Resonance Measurement While Drilling”的流水號09/186950號US專利申請。
NMR測量過程與大多數(shù)其它井下巖層測量相比有兩個明顯的區(qū)別特征。第一，來自該巖層的NMR信號是從一個小的共振體積，例如基本上薄的共振殼體或體積20a(見圖2)中產(chǎn)生的，共振體積20a可以有一個正比于振蕩磁場振幅和反比于靜磁場梯度的徑向厚度。隨著共振區(qū)的形狀不同，該共振體積可以擴展，作為一個例子，可以從在一個方向上小到1mm且在另一方向上長到幾英寸。第二，該NMR的測量可以不是瞬時的，這兩點結(jié)合在一起便使該NMR測量易于隨井下測井儀產(chǎn)生一些運動，例如產(chǎn)生歸于如下所述的NMR井下測井儀6在井孔3周邊運動的那種運動。
為了進(jìn)行NMR測量，NMR井下測井儀6可以包括用于建立稱為B0的靜磁場的一個或多個永久磁鐵；一個用于發(fā)射垂直于磁場B0的隨時間變化之磁場B1的射頻(RF)線圈即天線；和用于接收響應(yīng)于NMR測量的來自巖層的自旋回波的RF線圈，即天線，這些將在下面描述。可以將這兩個線圈組合成一個單個的發(fā)射/接收天線。
作為一個例子，NMR井下測井儀6可以通過發(fā)射NMR檢測序列(NMRdetection sequences)以便使核產(chǎn)生自旋回波來測量巖層10中的氫核的自旋—自旋的弛豫時間T2。接著可以對這些自旋回波進(jìn)行分析，從而獲得T2時間分布，從該分布中可以獲得巖層的性質(zhì)。例如在圖4中示出的Carr-PurcellMeiboom-Gill(CPMG)序列15就是一種這樣的NMR檢測序列。通過利用序列15可以獲得T2時間分布，這種分布可以用于測定巖層10的性質(zhì)并對其進(jìn)行勘測。
使用CPMG序列15測量T2時間的技術(shù)可以包括下述步驟在第一步驟中，NMR井下測井儀6發(fā)射B1磁場脈沖持續(xù)一段適當(dāng)?shù)臅r間間隔，以便提供一個90°的激發(fā)脈沖14a，使那些原來沿著磁場B0的方向取向的氫核自旋轉(zhuǎn)動。雖然在圖中沒有詳細(xì)示出，但每個脈沖實際上是一個射頻(RF)載波信號的包絡(luò)或脈沖串。當(dāng)這些自旋偏離磁場B0方向繞B1轉(zhuǎn)動時，這些自旋就立刻開始圍繞B0進(jìn)動。當(dāng)這些自旋轉(zhuǎn)動90°到垂直于磁場B0的平面中時，脈沖停止。這些自旋繼續(xù)在這個平面內(nèi)先是同步進(jìn)動，接著逐漸失去同步。在第二步驟中，在跟隨激發(fā)脈沖14a的固定時間Tcp內(nèi)，NMR井下測井儀6發(fā)射B0磁場脈沖并持續(xù)一段時間(比激發(fā)脈沖14a長)，以便提供NMR再聚焦脈沖14b，使那些正在進(jìn)動的自旋轉(zhuǎn)過180°的角度，相對載波相移±90°。NMR脈沖14b使這些自旋再同步、并且發(fā)射一個輔助自旋回波信號16(見圖5)，該回波信號在使NMR脈沖14b 180°再聚焦后在稱為Tcp的時間達(dá)到峰值。步驟2可以在2Tcp間隔內(nèi)重復(fù)“K”次(此處K被稱為回波數(shù)，作為例子可以假設(shè)為從幾到幾千的范圍內(nèi)的值)。在步驟3中，在完成上述自旋回波序列后，需要一段等待時間(通常稱為等待時間)，以便在開始下一個CPMG序列15以收集另一組自旋回波信號之前使這些自旋返回到沿磁場B0的平衡狀態(tài)。觀察每組自旋回波的衰減，并用于產(chǎn)生T2分布。
T2時間表征在施加90°激發(fā)脈沖14a后使這些自旋不可逆地?fù)p失它們同步進(jìn)動的時間。照此下去，在90°激發(fā)脈沖14a結(jié)束時，所有這些自旋都指向在垂直于靜磁場B0的一個共同方向，而這些自旋以一個被稱為拉摩頻率的共振頻率相對一個完全均勻的磁場B0進(jìn)動。拉摩頻率ωL可以用方程ωL＝γB0表示，式中γ是在研究中的那些核的回磁比?？墒谴艌鯞0實際上是不均勻的，并且，這些脈沖激發(fā)的自旋大約在頻率范圍|Δω|＜γB1內(nèi)，其中Δω＝γB0-ωrf是失諧頻率，ωrf是RF脈沖的載波頻率。這樣一來，在激發(fā)后，由于靜態(tài)磁場B0不均勻使這些自旋產(chǎn)生相移T2*，這種衰減是可逆的，并且可以通過產(chǎn)生正弦回波信號的再聚焦脈沖14b使其反向。另外，發(fā)生不可逆的相移(自旋-自旋弛豫)，該不可逆的相移用T2時間常數(shù)描述。這種效應(yīng)引起回波振幅隨T2時間常數(shù)連續(xù)衰減。于是通常只測量T2＞＞T2*的自旋。
如上所述，T2時間分布可以用于測定巖層的性質(zhì)。例如參看圖6，巖層可以包括含有結(jié)合中流體的若干小空穴和含有自由的可開采流體的若干大空穴。T2分界時間(在圖6中稱為T分離(Tseparation))可以用于將T2分布區(qū)分成兩部分一部分包括一些比該T分離短的時間，該部分表征結(jié)合中的流體，另一部分包括一些比該T分離長的時間，此部分表征自由的可開采的流體。通常通過觀察自旋回波信號16幅度的衰減來計算每個T2時間，該自旋回波信號16由一個特定的CPMG序列15產(chǎn)生。遺憾的是，鉆具組5(見圖1)可能運動得過于迅速，從而使NMR井下測井儀6不能精確地觀察上述衰減?？墒荰2時間與稱為自旋點陣弛豫時間T1的另一時間常數(shù)相關(guān)。時間T1表征使這些自旋返回到平衡取向所需的時間?？紤]到時間T1和T2兩者，可以認(rèn)為每個自旋在T1衰減期間如同以很密螺距的螺旋線向平衡位置回動。幸好T1與T2時間近似成正比。結(jié)果，可以用以T1為基礎(chǔ)的測量代替以T2為基礎(chǔ)的測量。事實上關(guān)于建立結(jié)合中流體分界值的早期工作是利用T1進(jìn)行的，這些結(jié)果用T2表示出并且曾用于工業(yè)上。
以極化為基礎(chǔ)的測量既可以用反轉(zhuǎn)恢復(fù)程序也可用飽和恢復(fù)程序。在1991年6月11月授權(quán)于Kleinberg等人的名稱為“Nuclear Magnetic ResonancePulse Sequences For Use With Borehole Logging Tools”的US5023551號專利中描述了反轉(zhuǎn)恢復(fù)程序的一個例子。在連同運動的內(nèi)外同步狀態(tài)下，使區(qū)域飽和比使區(qū)域完全反轉(zhuǎn)或許更容易。因此可以推薦使區(qū)域飽合。
再返回參看圖2，通常利用以極化為基礎(chǔ)的測量而不用上述的以衰減為基礎(chǔ)的測量來測量T1時間。在這種方法中，每個以極化為基礎(chǔ)的測量可以首先包括一個飽和程序，以便使在共振區(qū)內(nèi)(如在圖2中所示的圓筒形共振殼體即體積20a)的自旋飽和。接著經(jīng)過一個極化周期，以便使共振體積20a在磁場中極化。然后，利用一個檢測序列例如CPMG序列，以便從巖層10產(chǎn)生自旋回波信號。再分析第一批少數(shù)回波信號的幅值，以便確定信號的幅值。因為只需觀察第一批少數(shù)回波以確定信號的幅值，進(jìn)行T1測量的持續(xù)時間比以衰減為基礎(chǔ)的T2測量持續(xù)時間短，因此NMR井下測井儀6往往不太容易運動。上述檢測序列可以以可變的等待時間連續(xù)重復(fù)(在相應(yīng)的飽和序列后)幾次，以便獲得T1時間分布。
作為一個例子，可以利用以極化為基礎(chǔ)的測量去測定在共振體積20a中的氫核的T1時間(見圖2)。在這種方式中，NMR井下測井儀6首先可以在體積20a內(nèi)自旋飽和?？墒菢O化周期可能長到足以使NMR井下測井儀6產(chǎn)生明顯移動(在圖3中示出的從用標(biāo)號“6a”指示的位置到用標(biāo)號“6b”指示的位置)，然后使NMR井下測井儀6接收來自共振體積20b的自旋回波信號(見圖3)，該體積20b與先前飽和體積20a部分重疊。結(jié)果，這個新共振體積20b可能包括一個自旋未飽和的區(qū)(通常稱為“運動的新鮮自旋進(jìn)入”的效應(yīng))，留下的只是原來的飽和體積20a的一部分。遺憾的是，當(dāng)新鮮的自旋可能引起測量誤差時，以極化為基礎(chǔ)的NMR技術(shù)或許不能允許“新鮮的自旋”在極化期間進(jìn)入。例如這些測量值可能錯誤地表示一個比實際存在于該巖層中結(jié)合中的流體體積(BFV)大的結(jié)合中流體體積。
識別由運動效應(yīng)引起的潛在問題的方法可以用一種運動檢測裝置例如應(yīng)變儀、超聲距離探測器、加速度計，或者磁場強度計。在這種檢測方式中，可以用所述運動檢測裝置建立用于評價NMR測量質(zhì)量的閾值。在1997年12月29日遞交的名稱為“Method for Formation Evaluation while Drilling”PCT/US97/23975號PCT申請中描述了這樣一種裝置?？墒且恍﹤鹘y(tǒng)的運動檢測裝置并沒有指出具體的校正，而這些校正在井下測井儀運動時對測量數(shù)據(jù)的補償是必要的。
因此，繼續(xù)需要用一種能更精確地檢測井下測井儀的運動對NMR測量影響的裝置。還需要一種能更精確地定量表示NMR測量中井下測井儀運動效應(yīng)的裝置。
發(fā)明概述按照本發(fā)明的一個方面，提供一種核磁共振測量裝置，該裝置與一個樣品之間可能有相對運動，該裝置包括至少一個磁鐵；至少一個線圈；以及與所述的至少一個線圈相耦合并適合于采用所述至少一個磁鐵和至少一個線圈的電路，以便使存在在樣品的不同區(qū)域中的自旋飽和；完成這些區(qū)域的特性的核磁共振測量；以及指示這些測量特性。
按照本發(fā)明的另一方面提供一種井下核磁共振測量裝置，該裝置與大地巖層之間可能有相對運動，該裝置包括至少一個磁鐵；至少一個線圈；至少一個表示該核磁共振測量裝置的運動特性的運動裝置，與所述的至少一個線圈耦合并適合于采用所述至少一個磁鐵和至少一個線圈以及所述至少一個運動裝置的電路，以便對大地巖層的一個區(qū)域完成若干核磁共振測量，該測量包括若干自旋回聲；檢測若干自旋回聲；和根據(jù)表示特性的運動校正該測量結(jié)果。
按照本發(fā)明的又一方面提供一種可用于核磁共振測量裝置的方法，包括利用至少一個運動裝置指示該核磁共振測量裝置運動的特性，完成對大地巖層區(qū)的若干核磁共振測量，這些測量包括若干自旋回聲；檢測這些自旋回聲；利用該運動特征校正該測量結(jié)果。
附圖簡述通過下面的描述、附圖和權(quán)利要求書可以使本發(fā)明的優(yōu)點和其它特點更加清楚。
圖1是一個地下鉆井的簡圖；圖2是沿圖1中線2-2剖切的鉆井的橫剖視圖；圖3是在NMR井下測井儀運動后該鉆井的另一橫剖視圖；圖4和圖5是表示CPMG脈沖序列的波形圖；圖6是T2弛豫時間的典型分布；
圖7是說明利用對井下測井儀運動而言具有不同靈敏度的不同測量來確定運動效應(yīng)的算法的流程圖；圖8、11、12和13是NMR測量井下測量儀的簡圖；圖9和10是表示在低和高梯度磁場中進(jìn)行的測量中的運動效應(yīng)的曲線；圖14是沿圖13中線14-14剖切的井下測井儀的剖視圖；圖15是說明用于獲得根據(jù)T1和T2測量的運動效應(yīng)的算法程序圖；圖16是說明用于獲得根據(jù)NMR測量的運動效應(yīng)的算法流程圖，所述的NMR測量是在一些徑向相鄰的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的；圖17是說明用于確定根據(jù)自旋回波信號之形狀的運動效應(yīng)的算法的流程圖；圖18是用于根據(jù)自旋回波信號確定運動效應(yīng)的系統(tǒng)方框圖；圖19示出了在運動情況下的圖8中的系統(tǒng)的濾波器輸出信號；圖20示出了在未運動情況下的圖8中的系統(tǒng)的濾波器輸出信號；圖21A示出對井下測井儀未運動情況下發(fā)生的自旋回波信號的譜響應(yīng)；圖21B示出了對在井下測井儀未運動情況下發(fā)生的自旋回波信號的一個時間域響應(yīng)的對稱分量；圖22A和23A示出了對在井下測井儀運動期間發(fā)生的自旋回波信號的譜響應(yīng)的對稱分量；圖22B和23B示出了對在井下測井儀運動期間發(fā)生的回波信號的時間域響應(yīng)的對稱分量；圖24示出了對于在鞍點的幾何測井儀運動期間發(fā)生的自旋回波信號的時間域響應(yīng)的反對稱分量；圖25、26和27是說明從一個實驗裝置上的模擬井下測井儀的運動中接收的回波信號的曲線；圖28是說明用于確定根據(jù)兩個相鄰的不同徑向區(qū)域之初始飽和的運動效應(yīng)的算法流程圖；圖29是說明按照本發(fā)明的一個實施例的以極化為基礎(chǔ)的測量的流程圖；圖30是說明NMR脈沖序列的波形圖；圖31、34、36和38是表明在一個共振區(qū)中飽和的等場強線圖；圖32、33、35、37和39是從一個包圍NMR井下測井儀的區(qū)域接收到的相對信號振幅的圖，表明飽和狀態(tài)；圖40和41是說明對于具有和不具有自由交錯的漸近周期的不同脈沖數(shù)目在共振區(qū)域中的飽和的等場強線圖；圖42和43是說明對于具有和不具有自由交錯的漸近周期的脈沖不同數(shù)目在共振區(qū)域中的飽和的等場強線圖。
優(yōu)選實施例詳述一個根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例是通過利用NMR測量本身檢測在該NMR測量期間的井下測井儀運動效應(yīng)。按這種方式，該方法可以包括檢測、表征和/或量化井下測井儀的運動效應(yīng)。該方法可以用于對已記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，例如確定一個測量過的空穴率是否準(zhǔn)確，確定回波振幅賴以精確的最大回波數(shù)，確定整個T2譜是否有效，和/或確定結(jié)合中的流體的測量是否精確，這些只是列舉出的少數(shù)幾個例子。如果運動測量的精度高到能精確量化運動效應(yīng)，則可以修正測量的數(shù)據(jù)，以便抵消井下測井儀的運動效應(yīng)。對于可以實時獲得運動效應(yīng)的指示的某些實施例，可以修正這種測量方法，以便抑制運動效應(yīng)。
下面至少描述五種方式，這五種方式中可以通過NMR測量本身檢測和量化井下測井儀運動，這五種方式分別是1.可以對來自具有不同靈敏度的回波衰減測量的NMR信號進(jìn)行比較，以便獲得運動效應(yīng)；2.可以對以T1和T2為基礎(chǔ)的測量進(jìn)行比較，以便獲得運動效應(yīng)；3.可以在幾個徑向相鄰的共振殼體內(nèi)進(jìn)行測量，以便獲得運動效應(yīng)；4.可以分析自旋回波信號的形狀或頻率成分，以便獲得運動效應(yīng)；5.可以利用不同寬度的飽和區(qū)域以檢測在若干個極化周期中的運動。
下述的某些技術(shù)允許進(jìn)行一些適應(yīng)測量數(shù)據(jù)的調(diào)整，以便抵消測井儀的運動。對于某些技術(shù)，這些必要的調(diào)整從測量數(shù)據(jù)本身看來可能是明顯的；然而在那些從測量的NMR數(shù)據(jù)中不能直接看出修正的實施例子中，可以將這些測量數(shù)據(jù)與自旋動力學(xué)的模擬和井下測井儀響應(yīng)和/或與井下測井運動有關(guān)的外部數(shù)據(jù)結(jié)合使用。這樣一來，測量數(shù)據(jù)可以指示位移，并可以調(diào)節(jié)NMR測量的模似，直到該模擬結(jié)果與觀察到的位移相符為止。一旦發(fā)生這種情況，就可以在該模擬中使用的參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)這些運動數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)。如果井下測井儀的穩(wěn)定狀態(tài)運動不變化，則可以用其它一些方法進(jìn)行校正。
雖然下面描述的NMR測量技術(shù)通常可以成對組合在一起，但是可以用下述技術(shù)的不同組合確定運動效應(yīng)。
在某些實施例中，下述的技術(shù)可以與運動檢測裝置使用，例如應(yīng)變儀，超聲測距裝置，加速度計和磁場強度計等結(jié)合起來。這樣，在某些實施例中，可以用(一些)運動檢測裝置檢測最大的運動閾值，在該閾值下那個(那些)NMR測量可能是不可校正的或不可靠的。作為另一個例子，如果這個或這些運動檢測裝置不采用被下述技術(shù)所提供的附加數(shù)據(jù)就可能難于進(jìn)行標(biāo)定和解釋，可以利用由一個或一些NMR測量完成的一些運動指示來對運動檢測裝置提供的運動指示進(jìn)行解釋。下述的運動檢測裝置和運動檢測技術(shù)的其它應(yīng)用組合是可能的。
如下所述，在某些實施例中，為了校正NMR測量和核查NMR測量的質(zhì)量可以利用一個或幾個運動檢測裝置本身檢測和表征運動效應(yīng)。
在本申請中，短語“運動”和“井下測井儀的運動”一般是指發(fā)生在樣品與由NMR井下測量儀產(chǎn)生的那些場之間的相對運動。因此，根據(jù)具體的實施例，上述運動可以起因于井下測井儀的運動，樣品的運動(例如樣品是一種流體)或樣品和井下測井儀兩者的運動。
1.用NMR測量檢測和表征運動效應(yīng)A.對具有不同運動靈敏度的一些回波串的衰減的不同測量的比較參看圖7，根據(jù)本發(fā)明的一種方法包括完成(程序32)一些具有不同運動靈敏度的NMR測量，接著利用(程序36)上述測量確定運動效應(yīng)。隨著具體的實施例的不同，可以在不同的時間和/或在不同的空間位置上完成這些測量。因為運動效應(yīng)在響應(yīng)來自不同測量的回波信號串上產(chǎn)生差別，所以可以分析這些回波信號串，以便獲得例如尚能為對運動而言靈敏度最低的那個測量提供有用信號的最高回波數(shù)。
在某些實施例中，對運動的靈敏度可以通過改變共振區(qū)域的大小而改變，即通過測量不同場的幾何特性(作為具有兩個不同幾何特性的例子是鞍點幾何形狀和梯度幾何特性)或者通過利用不同梯度進(jìn)行測量。例如，參看圖8，構(gòu)成一個按照本發(fā)明的NMR井下測井儀40，以利用兩個不同梯度在兩個不同位置上進(jìn)行兩個不同的測量。這樣，NMR井下測井儀40可以包括上部永磁鐵44、中間永磁鐵46和下部永磁鐵48，這三個永磁鐵外切于NMR井下測井儀40的內(nèi)保護(hù)套60。上部永磁鐵44和中部永磁鐵46產(chǎn)生一個徑向軸對稱的靜磁場B0，而中部永磁鐵46和下部永磁鐵48產(chǎn)生另一個徑向軸對稱靜磁場B0。作為一個例子，因為上部永磁鐵44和中部永磁鐵46彼此靠得比中部永磁鐵46和下部磁鐵48彼此靠得近，所以上部磁場B0的梯度比下部磁場B0的梯度大(這樣上部對運動的靈敏度比較高)。為了方便起見，在下面的描述中將下部磁場B0用LG標(biāo)出，表示低梯度，而上部磁場B0用“HG”標(biāo)出，表示高梯度。
連同NMR井下測井儀40的其它一些部件一起，井下測井儀40可以包括一個用于發(fā)射B1脈沖并接收上部磁場B0的自旋回波信號的射頻(RF)線圈54和一個用于發(fā)射B1脈沖并接收下部磁場B0的自旋回波信號的RF線圈56。線圈54和56可以與(NMR井下測井儀40的)電子電路42相耦合，連同其它器件一起，該電子電路包括B1脈沖發(fā)生器43和一個用于在向井上發(fā)射自旋回波指令之前存儲接收到的自旋回波之指令的存儲器45。
電子電路42可以與運動裝置41(如只作為少數(shù)幾個例子舉出的加速度計，應(yīng)變儀，超聲測距儀和/或磁場強度計等)耦合，上述運動裝置指示NMR井下測井儀40的運動。這個指示可以在向井上發(fā)射之前由電子電路42進(jìn)一步處理。
作為一個例子，磁鐵44和46的北極可以彼此面對，以便產(chǎn)生一個具有從NMR井下測井儀40的縱軸線離開的徑向延伸等場強線的磁場B0，與此類似，磁鐵46和48的南極可以彼此面對，以便產(chǎn)生一個具有徑向延伸到NMR井下測井儀40之縱向軸線的等場強線的磁場B0，在某些實施例中，為了產(chǎn)生更均勻磁場B0，NMR井下測井儀40可以包括可導(dǎo)磁的套筒50和52，套筒50和52外接在套簡60上，它們可以分別固定在上部磁鐵44與中部磁鐵46之間以及中部磁鐵46與下部磁鐵48之間。
作為一個更具體的例子，HG磁場的強度可以為17G/cm，而LG磁場強度可以為3G/cm。這樣，為了分辯脈沖幅值，共振殼的厚度的比是17/3。換句話說，HG測量對運動的靈敏度約是LG測量對運動靈敏度的6倍。圖9示出了由于同一運動引起的兩個模擬衰減的例子(HG和LG測量)。在經(jīng)一定的位移后，HG信號已完全消失，而LG信號仍保持。這個信號是否由于運動繼續(xù)衰減或不衰減，現(xiàn)在不能根據(jù)HG信號確定，這進(jìn)一步的衰減很可能取決于該井下測井儀的未來未知的軌跡。在圖10中，LG測量的時間基線是用梯度比刻度的。如圖所示，這兩條初始衰減曲線如預(yù)期那樣非常相似，這兩條曲線的歧離出現(xiàn)在回波數(shù)接近200之處，這是因為對于模擬的圓周運動和場幾何特性，對失諧頻率的變化率 隨時間改變。
在某些實施例中，可以把兩個或兩個以上的按標(biāo)準(zhǔn)制造的分別具有不同運動靈敏度的NMR井下測井儀單元重疊在一起，其中的每個單元可以建立不同的場幾何特性，即建立不同運動靈敏度的因素。作為例子，這些單元中的一個是NMR井下測井儀60，NMR測量井下測井儀單元61(示在圖11中)，井下測井儀單元61(示在圖11中)，井下測井儀單元77(示在圖12中)，或井下測井儀單元86(示在圖13和14中)。參看圖11，井下測井儀單元61可以包括外接在套筒60圓周上的上部永久磁鐵64和下部磁鐵74。上磁鐵64和下磁鐵74彼此協(xié)同產(chǎn)生徑向軸對稱磁場B0。磁鐵64和74的北極可以彼此相對，以便產(chǎn)生具有從NMR井下測井儀60的縱軸線離開的徑向延伸等場強線的磁場B0。在某些實施例中，可以把一個導(dǎo)磁件72外接在套筒60的圓周上，并可以將其固定在上磁鐵64和下磁鐵74之間。這種布置的結(jié)果是，導(dǎo)磁的套筒72使磁場B0聚焦，從而使磁場B0的梯度最小，于是便產(chǎn)生一個比較均勻的磁場。單元61可以包括也可以不包括套筒72。這種布置的詳細(xì)描述可以參看1998年3月3日遞交的名稱為“Nuclear Magnetic Resonance Apparatus and Method ForGenerating an Axisymmetric Magnetic Field Having Straight Contour Linesin the Resonance Region”的US流水號09033965和1982年9月21日授權(quán)的名稱為“Magnetic Resonance Apparatus”的US4350955號專利，這兩篇專利文件在此作為參考被引用。
單元61包括例如線圈66和70的梯度線圈，這些線圈也外接在套筒28上。線圈66和70可以固定在磁場64和74之間，以便使這兩個線圈64和74為磁場B0提供一個正分量，根據(jù)具體的實施例該正分量可以(或不需要)與磁場B0大致方向一致。在某些實施例中，可以把線圈64和74只形成為單個的一對電流回路，或形成多個電流回路，使這些電流在數(shù)值上相等、環(huán)流方向相反。例如線圈64和74可以形成一個鞍形線圈。例如在線圈66和70之間還可采用一第三線圈68。
在圖12中示出了徑向軸對稱磁場B0的另一個例子，該圖示出了NMR井下測井儀單元77。該井下測井儀單元77包括永久磁鐵64和74，這兩個磁鐵可以被一個外接在套筒60圓周上的環(huán)形永磁鐵84代替，作為例子，該套筒80可以固定在梯度線圈80和82之間。與磁鐵64和74相類似，磁鐵84產(chǎn)生從井下測井儀單元77的軸線離開的徑向延伸的B0等場強線。作為一個例子，磁鐵84的頂部可以形成磁鐵84的北極，而磁鐵84的底部可以形成南極。
在圖13中示出一個產(chǎn)生不同于圖13所示徑向軸對稱B0幾何特性的B0磁場幾何特性的井下測井儀單元86的例子。將該井下測井儀單元86設(shè)計成具有兩維(2D)雙極B0，該設(shè)計方案在1994年1月18日授權(quán)的名稱為“System ForLogging a Well During the Drilling Thereof”的US5280243號專利中有進(jìn)一步描述，這篇專利被本申請作為參考引證。按照這種方式，井下測井儀單元86包括一個環(huán)形磁鐵，該環(huán)形磁鐵建立一個如圖13和14中所示的B0磁場的雙極圖形分布。在上述井下測井儀中的對應(yīng)物不同之處是，井下測井儀86的RF線圈92和94與井下測井儀86的縱軸線不同軸，而將RF線圈92和94排列成能在B1場中產(chǎn)生一個雙極圖形分布的場，以便在共振區(qū)內(nèi)使B1場的等場強線大致垂直于B0的等場強線。井下測井儀單元86可以包括梯度線圈88和90，這兩個線圈分別可以包括一個或幾個用于產(chǎn)生梯度場的矩形環(huán)路，該梯度場與由井下測井儀單元86的環(huán)形永久磁鐵建立的B0場一致。
可以利用除了梯度和場幾何特性的技術(shù)之外的其它一些技術(shù)產(chǎn)生不同的運動靈敏度。例如共振區(qū)的大小影響運動的靈敏度，于是可以通過改變在各個測量之間的B1脈沖強度改變共振區(qū)的大小。對于這種技術(shù)(在某些實施例中)可以用同一測量裝置，例如上述的井下測井儀或井下測井單元中的一個。作為另一個例子，可以通過在測量之間改變各個B1脈沖之間的間隔來改變靈敏度，因為對運動的靈敏度大致隨該間隔的平方增加。作為另一個例子，可以利用測量一些類似量但有不同運動靈敏度的不同脈沖序列。那么，可以將Carr-Purcell-Freeman-Hill(CPFII)序列用于一種測量，而將CPMG序列用于另一測量。
作為另一變化的實例，可以將同一序列(例如CPMG序列)用于兩種測量，但可以使一個序列相對另一序列有所改變。例如一種測量可以用一個標(biāo)準(zhǔn)的CPMG序列，而另一種測量可以用一個修改的CPMG序列，例如包括修改的脈沖，非180°再聚焦脈沖，不同形狀的脈沖和/或頻率調(diào)制脈沖的CPMG序列。
上述技術(shù)的潛在缺點在于這些測量必須在時間和/或空間上分開進(jìn)行。為了說明這些結(jié)論，假設(shè)在不運動的情況下，NMR信號(因此和該測量的巖層)在兩種測量中是相同的。對于一個連續(xù)運動測井的測井儀，這個狀態(tài)不能始終滿足。另外，這個運動在這兩種測量期間應(yīng)該相同或至少具有相同的特征。因此，在某些實施例中，可以把上述的技術(shù)用于質(zhì)量控制，而不用于定量地確定運動效應(yīng)。然而，在其它一些實施例中，可以把上述技術(shù)用于定量測量，特別是通過在同一時間向多個體積提供脈沖或利用交錯提供脈沖的技術(shù)，將這些測量作為建立在空間上(例如徑向隔開)緊密地靠在一起的共振體積和使上述序列同時運行。
對鉆孔的同時進(jìn)行測井(LWD)的應(yīng)用而言，鉆具組的NMR的橫向振動可能是最主要的運動。因此，將磁場選擇為軸對稱的，以便在轉(zhuǎn)動同時使持續(xù)測量時間延長。因此，共振區(qū)的徑向延伸可能是運動靈敏度的一個重要參量。
因為對于應(yīng)用電纜NMR的共振區(qū)是打算用于高測井速度的，所以只要一些位移很大(例如大于1英寸)，這些縱向位移就影響電纜NMR測量。可以利用其它的設(shè)備，例如通過測量該電纜向井口的速度來測量這些大的縱向位移。對于電纜NMR，橫向運動可能是個問題，該橫向移動是由梯度幾何特性引起的，因為其殼體的寬度非常窄。在某些實施例中，對于電纜NMR，這些測量發(fā)生在徑向彼此隔開的一些殼體中，可以用一種能提供在空間上間隔很小且不使測量的垂直分辯率遞減的不同梯度的技術(shù)。再結(jié)合經(jīng)調(diào)整的脈沖幅度可以獲得不同的殼體的厚度(從而獲得不同的靈敏度)。
B.以T1和T2為基礎(chǔ)的測量的比較一般說來，回波衰減測量即以T2為基礎(chǔ)的測量的運動效應(yīng)比極化即以T1為基礎(chǔ)的測量的運動效應(yīng)大，因此可以通過比較這兩種測量來表征運動，這兩種測量是對相類似的量進(jìn)行測量，但其中一個是以T1為基礎(chǔ)的測量，另一個是以T2為基礎(chǔ)的測量。對此參看圖15，具有觀察優(yōu)越性的方法100可以包括完成(程序102)以T1為基礎(chǔ)的和以T2為基礎(chǔ)的NMR測量，接著比較(程序106)這些測量結(jié)果，以便獲得運動效應(yīng)。這些測量不必非得按特定的順序完成，這些測量可以以交互方式完成?？梢杂靡粋€或多個上述討論過的NMR測量測井儀或測井儀單元完成這些測量。
作為一個例子，可以完成一個以具有錐形截止的T2為基礎(chǔ)的測量，以便測定結(jié)合中的流體(BFV)，也可以完成以T1為基礎(chǔ)的局部極化測量，以便測定該BFV。然后可以比較這兩個結(jié)果，以便確定運動效應(yīng)。上述局部極化測量在測量體積中的磁化(體積的磁化將被后面的讀出程序詢問)是完全飽和的，而如果NMR測量測井儀在極化期間移出該飽和區(qū)，這樣就把一些新鮮的自旋引入到該測量體積內(nèi)，使完全飽合可能不出現(xiàn)。然而如下面將進(jìn)一步描述的那樣，如果在讀出程序中回波少到40，該完全飽合的體積可以在運動狀態(tài)下擴展到約4個共振殼體的厚度。通?？梢匀缦滤龅脑谧x出程序的結(jié)尾利用適當(dāng)?shù)摹邦A(yù)先處理程序”可以優(yōu)化飽合。為了比較以T1為基礎(chǔ)的測量和以T2為基礎(chǔ)的測量且進(jìn)行定量的修改，比值T1/T2必須近似或已知。然而，如果所描述的方法只用于質(zhì)量控制，這個比值的精確值可能不是重要的。
C.在相鄰區(qū)域中進(jìn)行的測量的比較參考圖16，另一種獲得運動效應(yīng)的方法110是觀察在測量期間發(fā)生的測井儀運動導(dǎo)致的在附近一些區(qū)域中的自旋極化損失超出的預(yù)期量(下面將進(jìn)一步描述的效應(yīng))。作為結(jié)果，該方法110可以包括使不同的區(qū)域飽和及完成(方框112)在不同區(qū)域的測量，接著利用(方框116)測量結(jié)果確定運動效應(yīng)。作為一個例子，以T2為基礎(chǔ)的測量可以在一個內(nèi)部第一共振殼體進(jìn)行，接著可以在一個鄰近的外部共振殼體進(jìn)行第二種以時間T2為基礎(chǔ)的測量。徑向相鄰的殼體只是一個不同區(qū)域的例子。在其它一些實施例子，這些測量可以在其它一些區(qū)域中進(jìn)行。
為了測定運動效應(yīng)可以比較這些測量結(jié)果。這樣，在不運動的情況下，來自在外部殼體中進(jìn)行的測量的最大信號損失不應(yīng)超過某一數(shù)值，倘若如此，可以按下面的描述檢測運動，然后量化。為了完成這些測量可以利用一個或幾個上述的NMR測量的測井儀或測井單元。
更具體地說，作為一個例子，在殼體1中，可以用一個大致具有多于5個脈沖(例如40個脈沖)的CPMG回波串。根據(jù)這個測量可以獲得初始振幅，即對應(yīng)一些足夠長的極化時期的空穴率φ1。在最后的回波過后，立刻按Δω切換RF頻率，然后在一個徑向鄰近的殼體II內(nèi)記錄標(biāo)準(zhǔn)的CPMG回波信號串。這個回波信號串產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的回波衰減常數(shù)和一個初始幅值即空穴率φ11。因為這兩個體積靠在一起，所以我們預(yù)料該巖層不會從一種狀況變到另一種狀況，如果這兩種測量不互相干擾，我們可以預(yù)計φ1與φ2相等。在不運動的情況下，在殼體II中的最大信號損失不超過比值F。如果φ11不比(1-F)φ1小很多，則在上述第一序列期間，在第一回波串的時間刻度上以及在該殼體厚度的一部分的長度刻度上都無明顯的運動發(fā)生。因此來自第一序列的那些結(jié)果是可靠的。此外，來自第二序列的那些結(jié)果好象也不太受運動的影響。于是，殼體1的回波串提供精確的空穴率和結(jié)合中流體體積BFV。殼體II的第二回波串提供一個程度以1-F為刻度的或許未失真的T2分布。通過把這兩個測量相結(jié)合來提高信噪比可能是值得懷疑的，因為F是不確定的。
如果φ11比(1-F)φ1小很多，則在第一序列期間在第一回波串上的時間刻度上和在至少在殼體厚度的一部分的長度刻度上發(fā)生運動。于是第一序列的回波衰減可能被運動縮短，因此，不能用于確定BFV。另外，第二測量可能不受運動影響。因此只有φ1是可靠的。利用同樣的推理，如果第一脈沖序列是一個長的序列(脈沖數(shù)比100大很多)，則能夠檢測對應(yīng)一個完整T2分布的信息。
如果在圖8的HG/LGLWD的測井儀設(shè)計中，這個方法是在高梯度條件下使用，并且顯示出沒有運動效應(yīng)，則，該LG甚至更可能不受運動影響。如果在第一測量期間沒有達(dá)到飽和平穩(wěn)值，而且只要有足夠多的關(guān)于T2分布的信息(例如，來自以前的測量)，則可以獲得有關(guān)在第一序列期間的傳遞運動的定量信息。
D.自旋回波信號形狀的分析參看圖17，另一種方法120通過觀察測井儀運動時在檢測脈沖串期間自旋回波信號頻率成分的變化來表征測井儀的運動效應(yīng)。方法120包括發(fā)出(程序122)一系列NMR脈沖，以便產(chǎn)生自旋回波信號。然后分析這些自旋回波信號(程序124)，以便測定運動效應(yīng)。
如果測井儀在檢測回波串期間不運動，則自旋回波信號的形狀和幅值由于磁化而發(fā)生初始變化，該磁化不與沿著從回波信號(每一脈沖系列的一個表征)到回波信號的實際轉(zhuǎn)動軸線一致。根據(jù)已知的測量參數(shù)預(yù)言的這些變化在一些回波信號中逐漸減少。對剩下的序列，回波信號的幅值隨著自旋的弛豫而衰減，但回波信號的形狀保持不變。
為了檢測回波，應(yīng)對相當(dāng)數(shù)量的回波信號數(shù)字化，通過把這個輸入的樣品矢量與一個濾波器矢量相乘，然后計算合成矢量來計算該回波能量。為了優(yōu)化信噪化，而使該濾波器矢量具有所期望回波的形狀。如果該回波偏移這個形狀，則將獲得一個減小的信號，甚至這個回波最大值與原來相同圖18示出一個可以用于反映測井儀運動效應(yīng)的系統(tǒng)126。系統(tǒng)126包括至少如下所述的兩個不同類型的濾波器128和130，系統(tǒng)126可以用于檢測井下測井儀的運動。作為一個例子，在某些實施例中，系統(tǒng)126可以是NMR井下測井儀的電子線路的一部分。然而，在另一些實施例中，系統(tǒng)126可以用于處理由NMR井下測井儀提供的測井?dāng)?shù)據(jù)。
圖19示出在沒有運動情況下用兩個不同回波檢測濾波器記錄后的回波串?；夭ù?40是由寬帶濾波器(濾波器128，作為例子)檢測，而回波串142是由匹配的帶阻濾波器(濾波器130，作為例子)檢測。寬帶濾波器的一個簡單的例子應(yīng)是除了在回波的最大值處之外都為零值。如圖19所示，如果井下測井儀不發(fā)生運動，用這兩條曲線140和142表示的回波串的衰減互相成比例。然而，如果發(fā)生運動，這些衰減不再互相成比例，這正如圖20中的曲線140和142中所示那樣這兩條曲線由于運動而比較快地衰減，但衰減的速率不同。帶阻信號衰減較快。因此這種技術(shù)包括比較由匹配的寬帶濾波器(濾波器128和130作為例子)提供的兩個信號的比值來產(chǎn)生一個如被圖18中的方框132所示的運動指示。或者更一般地說，該技術(shù)包括比較由不同濾波器檢測的信號的比值，所述不同的濾波器對運動具有不同的運動依賴關(guān)系。
濾波器128和130可以是幾種不同類的濾波器，例如，除了上述的濾波器外，濾波器128和130中的一個可以是適于提供幅值隨運動數(shù)值增加而增加的輸出信號的濾波器。
圖21A，21B，22A，22B，23A，23B和25示出了在以下各種情況中在頻率和時間域上理想化的回波形狀，即在沒有運動的情況下[(見圖21A(頻率域350)和圖21B(時間域352)]；就軸對稱的梯度幾何特性而言，在存在運動的情況下[見圖22A(無運動的頻率域354和有運動的頻率域356)和22B(無運動的時間域358和響應(yīng)運動的時間域360)]；以及就鞍點或非定向梯度幾何特性而言，在存在運動的隋況下[見圖23A(沒有運動的頻率域362和運動的頻率域364)，23B(沒有運動的時間域的對稱分量368和時間域的對稱分量366)和24(有運動的時間域反對稱分量370)]。
每個回波信號是一個復(fù)數(shù)矢量。通過相位校正所輸入的回波信號，將這個合成信號分解成一個吸收的(對稱的)實數(shù)分量和一個彌散的(反對稱的)虛數(shù)分量。反對稱分量經(jīng)常(但不總是)大至為零，因此被忽略。然而，如圖24所示，對于具有鞍形點幾何特性的運動的情況下，虛數(shù)彌散分量370不為零。這兩種場幾何特性在井下測井儀運動的情況下對自旋在靜磁場中運動的方式是不同的在軸對稱梯度的情況下，對于朝向較低B0運動的每個自旋，有某個自旋會朝向較高B0運動。這將引起在吸收通道內(nèi)的信號的對稱分裂和在彌散通道中的一些信號的抵消。對于鞍形點幾何特征，測井儀的橫向運動使自旋徑向離開鞍點運動。不管是否朝向或離開測井儀，這個運動始終是朝向較低的B0。因此，運動歸結(jié)為平均信號頻率凈移動和歸結(jié)于在時間域內(nèi)的一個非零的彌散信號。
在圖25中示出回波形狀變化的例子，這個圖用于模擬線性梯度場中鋸齒形運動中的情況。樣品是水，該樣品位于一個放置在B0的鞍形點中心的一定尺寸的Hassler線圈中。利用下述技術(shù)模擬這個運動，在第一50個回波期間，使頻譜儀的工作頻率ωrf線性增加，在從回波50到回波100期間使頻率線性回到起始頻率。
如圖所示，為了顯示回波信號10至40，使那些已激發(fā)的自旋離開共振狀態(tài)運動，使吸收的回波形狀發(fā)生變化(用曲線160表示)。耗散的信號(用曲線162表示)也增加。
在圖26中示出了合成的傅立葉變換回波信號，回波的最大值隨鋸齒運動的頻率變化。在不運動的狀態(tài)下，回波的幅值由于T2的弛豫在脈沖序列結(jié)尾將下降到0.8左右。在圖27中示出了用于獲得表征回波信號的幅值的不同情況的結(jié)果。菱形符號表示在回波最大值處選取的吸收通道中的信號幅值。如上所述，這構(gòu)成一個非常寬頻帶的、但帶噪聲的檢測濾波器。十字線表示對吸收的信號R的所有樣品的(規(guī)一化的)和，上述吸收信號R等同于在積分前把一個平方濾波器用于時間數(shù)據(jù)上。這個積分表示優(yōu)化窄帶濾波器的嚴(yán)格的信噪比，該信噪比受運動的影響比受回波的最大值的影響大得多。通過比較兩個測量，在這種情況下可以無歧意地檢測由于運動引起的衰減。通過利用噪聲的但受運動影響較小的空白帶數(shù)據(jù)來代替信噪比優(yōu)化的窄帶數(shù)據(jù)可以使運動效應(yīng)最小。
參看圖27，實線表示用等權(quán)重對那些試樣的幅值 求和的結(jié)果，式中I表示彌散信號。因為通過改變頻譜儀的工作頻率來模擬運動，所以所有的自旋都曾精確地經(jīng)歷同樣的頻率變化，與在鞍點幾何特性中的運動效應(yīng)類似，在這個實驗中出現(xiàn)耗散信號。如上所述，在軸對稱梯度幾何特性中，橫向運動使自旋位移到測井儀的低場強一側(cè)，在相對的高場強位置上，這些自旋的彌散信號消失。如果可能(例如在鞍形點幾何特性和非軸對稱梯度幾何特性中)，則以模數(shù)值的方式檢測的回波可以近似提供如同選取回波最大時那樣的對運動的靈敏度。它的優(yōu)點是能提高信噪比，其缺點是有一個不得不扣除的非零的噪聲背景。
通過分析回波形狀測定運動的方法的至少一個優(yōu)點是這種技術(shù)不需要附加的NMR測量(這些測量將占用寶貴的測量時間)，這種技術(shù)反而是對測量本身毫無損害地從NMR測量中獲得的副產(chǎn)物。因此，與在此描述的以NMR為基礎(chǔ)的運動測量不同，在NMR測量與運動測量之間沒有任何時間間隔和空間間隔。另外，測量精度適合于被測量的效應(yīng)。因此，這種技術(shù)可以用于定量表征在NMR測量中的運動效應(yīng)。
為了消除因“內(nèi)外同步”NMR的信噪比通常較小而引起的問題，可以用兩個方案，第一個方案是把那些未處理的回波形狀疊加，然后只對疊加的回波進(jìn)行上述分析。當(dāng)然，它只能獲得平均的測井儀運動參數(shù)。盡管如此，仍可以分出是由于測井儀運動還是由于T2弛豫引起回波衰減，以便供獲得平均運動參數(shù)的情況使用。然而，對于非軸對稱梯度幾何特性的情況，在橫向通道中由反對稱運動引起的信號平均為零，因為其符號取決于運動方向。因此，在這種情況下，應(yīng)該把反對稱信號幅值以模數(shù)值的方式疊加。雖然反對稱的鞍點幾何特性經(jīng)受了橫向運動，但在耗散通道中的信號總是具有相同符號。
第二個方案是對每個回波串中的相鄰的回波求和，直到信噪比能滿足分析為止。為了使結(jié)果精確，這種技術(shù)要求運動應(yīng)慢到足以在整個疊加的回波組中的頻率成分基本上不變化。
E.比較來自不同寬度的飽和區(qū)的測量在某些實施例中，上面討論過的技術(shù)可以較好地適用于在高至接近共振區(qū)橫向厚度的測量期間的井下測井儀的運動。然而，井下測井儀隨時可以自由地在井孔中從一個壁到另一個壁運動，并超過共振區(qū)的橫向厚度。為了適應(yīng)這些較大的運動，可以采用極化即以T1為基礎(chǔ)的NMR測量，因為這些測量依靠檢測信號的幅值，而不依靠檢測T2的分布。然而，這些方法賴于全部自旋飽和。使大體積飽和的技術(shù)將在下節(jié)中描述。按照這種方式，如果測井儀運動到飽和區(qū)之外，則就使不完全飽和的新鮮的自旋運動到測量區(qū)域中，并且由于增加測量的幅值而影響測量。這樣一來，就可以利用極化方法檢測這個狀態(tài)，從而檢測測井儀的運動。
因此，在某些實施例中，可以用NMR測量(例如上述的測井儀)完成具有等效飽和脈沖系列的極化實驗，還可以應(yīng)用具有上述的不同運動靈敏度的測量。例如，可以利用一個高梯度(HG)場和一個低梯度(LG)場測量結(jié)合中的流體體積(BFV)，然后可以比較這些結(jié)果，以便測定運動效應(yīng)。利用HG和LG，可以獲得在運動顯著大于共振區(qū)的橫向厚度的運動情況下的運動效應(yīng)。
在某些實施例中，可以通過比較兩種利用不同飽和脈沖系列以產(chǎn)生不同寬度飽和區(qū)的處于相同梯度的測量來檢測在極化期間的橫向位移。這可以通過例如利用對于飽和脈沖的不同的自旋取向角(flip-angle)或一些在下面的預(yù)調(diào)節(jié)自旋的說明中描述的其它技術(shù)而獲得。參看圖28，按照本發(fā)明的方法164可以使具有預(yù)定寬度的第一區(qū)域飽和(程序164)。接著，方法164包括使具有不同寬度的另一區(qū)飽和的步驟。在上述第一和第二區(qū)完成測量，然后比較這些結(jié)果(程序174)，以便獲得運動效應(yīng)。
雖然這些比較方法能對測量的質(zhì)量進(jìn)行控制，但不能對測量進(jìn)行定量校正，因為這些測量是分別在不同的時間和深度下，即在可能是一些不同運動狀態(tài)的條件下完成的。只有在極化期間出現(xiàn)大位移和在回波檢測期間存在可忽略的(相對T2刻度)運動的情況下才可能進(jìn)行定量校正。如果發(fā)生大的運動，則回波串不因運動而畸變，并且可以在長T2分量中核查這些回波串。因為T2≤T1，出現(xiàn)比極化時間大的那些T2時間可被認(rèn)為是由經(jīng)歷過長極化時間的“新鮮的自旋”所造成的。為了區(qū)別T2大于極化時間的那些自旋，回波串的持續(xù)時間必須與該極化時間相當(dāng)或大于該極化時間。在這種情況下，可以把這些自旋從分析中扣除。這樣，這種技術(shù)可以用作一個質(zhì)量控制標(biāo)志。如果回波分析產(chǎn)生一些具有比在這個作用的極化周期中所預(yù)料的大的T2分量，則這個實驗系列的初始回波幅值是不可信賴的，因為它包含新鮮自旋的作用，而只有低T2分量的幅值是可用的。
F.預(yù)調(diào)整自旋a簡介本部分提出使得用于以T1為基礎(chǔ)的測量的大區(qū)域飽和的技術(shù)，并涉及在該飽和區(qū)域中的運動效應(yīng)。在這種情況下，參看圖29，為了獲得按照本發(fā)明的以極化為基礎(chǔ)的T1測量的方法的實施例250可以利用一種NMR測井儀，例如上述的一些NMR測井儀和測井儀單元。該方法250包括使特性待測量的一個樣品的某一區(qū)域內(nèi)的自旋飽和(程序252)。接著經(jīng)過預(yù)定時間間隔(程序254)以便使在這個區(qū)域中的自旋至少局部極化。隨后，方法250包括提供(程序256)一系列檢測脈沖(作為例子，可提供以CPMG為基礎(chǔ)的脈沖序列，)，以便從該樣品的一個共振區(qū)產(chǎn)生自旋回波。
原則上，每個以極化為基礎(chǔ)的NMR測量包括三個插入程序252，254和256(見圖29)，可以利用一個或幾個測量以便獲得每個T1值。當(dāng)然，上述檢測脈沖系列(即程序252)可以用于完成飽和(即完成程序256的功能)，并且在滿足下述兩個要求時可以省去程序252，這兩個要求是這些測量逐次重復(fù)(所謂“重疊”試驗)和信號檢測脈沖序列268完全使下次測量的磁化畸變。如果采用這種技術(shù)，當(dāng)?shù)谝粶y量在不正確的極化時間內(nèi)完成的情況下，應(yīng)將從第一測量獲得的結(jié)果廢棄。
從這三個基本程序252，254和256還可以產(chǎn)生其它一些變型。作為另一個例子，順序程序254-程序256-程序252也可以用來完成每個測量，從編程的觀點上看這個變型可能是具有優(yōu)越性的。當(dāng)利用上述的第二變型時，第一測量被取消。只要能實現(xiàn)程序252，254和256的功能，可以對方法250作出其它改變。
飽和的瞄準(zhǔn)點應(yīng)是用射頻(RF)輻射使一個大的區(qū)域或體積飽和，而不管飽和是否由明確的飽和程序或檢測脈沖序列完成。如下面詳細(xì)描述和通過模擬舉例那樣，隨著具體的實施例的不同，可以通過提供一個RF脈沖序列，例如CPMG檢測序列來產(chǎn)生飽合，這可滿足為通過緩慢改變在NMR測井儀運動或不運動期間之外的脈沖序列的一個特性，通過隨機地改變脈沖序列的所述特性，或者利用這些技術(shù)的組合達(dá)到那個期望的飽和。NMR測井儀的運動可以使飽和區(qū)擴大，這將在下面進(jìn)一步描述。
一個具有一些不變參量的簡單的CPMG序列在自旋分布中形成一些所謂“空穴”的陡飽和區(qū)。上述空穴燒穿(holeburning)現(xiàn)象正向遠(yuǎn)處蔓延，但因為這些空穴彼此明顯分開，所以只使飽和降低。另外，只要在這些空穴的位置上的磁化發(fā)生畸變，繼續(xù)上述序列可能不會進(jìn)一步提高飽合，如下所述，通過“掠過”在該整個飽和體積內(nèi)的那些空穴，NMR井下測井儀的運動可以增加飽和密度。
為了使再聚焦脈沖數(shù)增加到為測量回波串的初始幅值所必需的再聚焦脈沖標(biāo)準(zhǔn)數(shù)(例如10)，可以修改該CPMG檢測脈沖序列。如果NMR測井儀在極化期間的運動始終與在檢測程序期間NMR測井儀的運動相匹配，本方法可形成大飽和區(qū)域。但是如果NMR測井儀在檢測的程序258期間是靜止的，而在極化期間運動，則出現(xiàn)欠飽和。一些模擬(在下面討論)表明即使在測井儀不運動的情況下，通過緩慢改變在整個時間的脈沖序列的特性也可以使飽和的范圍擴大，以便擴大這個飽和區(qū)，這將在下面進(jìn)一步描述。在本說明書中，術(shù)語“脈沖序列的特性”一般可以指例如脈沖指令的一個包絡(luò)或一段RF下載波頻率。作為改變該包絡(luò)的可能方式的一些例子，該包絡(luò)可以包括一串皆具有一段持續(xù)時間(所謂tp)”的脈沖320(見圖30)。脈沖320可以(從中心到中心)分開所謂te時間間隔。在這種方式下，tp持續(xù)時間和/或te時間間隔(作為例子)可以改變，以便擴大飽和區(qū)，這將在下面進(jìn)一步描述。
檢測的脈沖序列(即用于飽和目的的脈沖序列)的特性不僅可以緩慢改變，而且也可以按脈沖一脈沖間的非相關(guān)的即隨機的方式改變，這將在下面進(jìn)一步描述。隨機的極限是非相干的噪聲輻射。上述特性的隨機改變與其中飽和效應(yīng)向遠(yuǎn)處波及的那個特性的緩慢變化形成對照，因為，該脈沖序列的相干的、非隨機的特性占優(yōu)勢，結(jié)果，特性的慢改變可能形成一些被相繼的脈沖逐漸燒穿的激發(fā)的遠(yuǎn)的失諧空穴。當(dāng)然這些隨機變化使該序列的相繼脈沖對同一個空穴無作用。作為結(jié)果，脈沖的隨機改變一般提供一個比較均勻的飽和密度。如下所述(用模擬說明)的那樣，可以把這兩種技術(shù)結(jié)合起來，以便提高飽和區(qū)的范圍和密度圖紋。還如下所述那樣，如果在僅有的幾個脈沖期間存在快到足以掃過把相鄰空穴分開的整個距離上的一些空穴，則這些脈沖序列的相干組元發(fā)生畸變，并且一系列緩慢改變特性的脈沖可以實現(xiàn)類似于具有一些隨機改變特性的脈沖序列。
如下所述，在CPMG序列中的再聚焦脈沖的取向角可能不需要大到能使在與某些其它變化(例如載波頻率段的改變)結(jié)合的條件下產(chǎn)生失諧飽和區(qū)的程度，因此通過使RF脈沖變短，可以降低飽和所需要的功率。在足夠短的脈沖的情況下，空穴燒穿的影響可以略去。事實是，在脈沖間的自由回旋周期可以縮短，并可以在相當(dāng)短的時間達(dá)到飽合。在很短脈沖的限制范圍內(nèi)，這種技術(shù)產(chǎn)生具有指定頻譜的相干的噪聲輻射，以便滿足要求。在實踐中，根據(jù)脈沖的最后的上升和下落時間設(shè)定脈沖持續(xù)的下限。如下所述，為達(dá)到飽和所需要的時間和功率與飽和帶寬之間存在折衷方案。
b.采用一個CPMG序列的飽和在下文中，詳細(xì)討論利用—個CPMG序列的具有和不具有由慢運動引起的 變化的飽和的例子。作為—個實例，雖然上述描述具體參考了一個CPMG序列，但是上述的空穴燒穿可以被以大量重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖〔building block ofpulses〕為特征的所有多脈沖序列完成。
在—個CPMG序列期間的重復(fù)的相干脈沖以Δω＞＞ω1，激發(fā)選定的自旋，其中ω1近似等于共振體積的徑向厚度。
這些激發(fā)步驟隨著Δω增加變得越來越慢，但在具有大量空穴的情況中，這些激發(fā)要從脈沖到脈沖地匯總。由于橫向磁化隨T2衰減，所以那些選定的自旋變成“飽和的”。這些空穴的間隔(所謂Δωh)由上述脈沖序列的周期確定。不可忽略的脈沖持續(xù)時間和失諧效應(yīng)引起某些偏差，使這些空穴的間隔Δωh近似地按0下式描述，Δωh=2πte,]]>其中te是從一個再聚焦的脈沖的開始到下一個再聚焦脈沖的開始的回波間隔。
與弛豫相關(guān)，這種簡單的CPMG序列技術(shù)在某些失諧頻率上引起空穴燒穿。在兩個燒穿的空穴之間進(jìn)行測量或許是不可能的，因為該測量區(qū)域的寬度Δωs擴大到Δωs≈2ω1，其中對于持續(xù)時間tp的180°再聚焦的脈沖變?yōu)?amp;Delta;ωs≈2πtp.]]>因為Te總是大于tp，所以Δωs＞Δωh，并且在共振區(qū)中可以有一些被燒穿的空穴。為了計算信號損失的程度，必須考慮場幾何特性、弛豫時間和檢測的帶寬。
為了說明空穴的分布，圖31示出了留在MZ＝1的縱向磁化作用中的空穴分布的計算的等場強線圖的兩維等場強線圖280(從模擬中獲得)，水平軸表示ω0的線性變化，垂直軸表示tp的線性變化。白色區(qū)域表示磁化作用的完全保守區(qū)，黑色區(qū)表示從100％飽和減少，或反向磁化區(qū)。在Δω0＝0時提供第一CPMG脈沖序列并示出了對在這個CPMG序列結(jié)束后立刻出現(xiàn)的失諧磁化作用M2的影響。該CPMG脈沖的序列參數(shù)是te＝500μs，tp180＝125μs，其中k是再聚焦的脈沖＝1000的數(shù)目。弛豫時間要選擇長一些，但為回波串的持續(xù)時間的一部分。在這個模擬中，最好用矩形脈沖。雖然，本發(fā)明的實施例可以用大致矩形的脈沖，也可以用基本上為非矩形的脈沖。在圖31中，第一激發(fā)脈沖的效應(yīng)沒有被模擬。
圖32示出了對幾個弛豫時間的模擬的最后相對信號幅值282(即MZ/M∞)，這些相對信號幅值可以得到在變化了橫座標(biāo)Δω的那個頻率上的一個第二測量值，該第二測量值在平均的Δω＝±0.75ω1時對應(yīng)ω1tp＝π隨著從第一測量值(如上所述的)飽和而降低。這意味著這個載波頻率ω0已經(jīng)在測量之間移動Δω。這些相對信號幅值282分別與不同的T1時間(作為一個例子近似等于2*T2)相關(guān)聯(lián)。第二次測量的一些參數(shù)與第一次測量的一些參數(shù)相同，并且脈沖的觸發(fā)角被選為180°，在圖中(和在模擬中)假設(shè)dω1dω0=0,]]>即在軸對稱的B0和B1梯度幾何特性中，B0場在共振區(qū)的鄰域中不變。在這種情況下，水平刻度正比于在第一和第二測量之間的半徑(共振范圍的)的差。另外，在上述半徑差比這兩個半徑小得多時ω1是不變的這一假設(shè)近似成立，這個事實證明了在圖中選擇不變的取向角是正確的。
從圖32可以清楚看出，飽和區(qū)基本上不擴大到 即共振區(qū)的徑向厚度的兩倍之外，如果共振區(qū)的徑向移動小于 只要完全飽和，下一個測量就開始。圖33表明分別與在第一脈沖序列中的再聚焦脈沖的數(shù)目相關(guān)的一些相對的信號幅值284。正如所看到的那樣，在較小Δω情況下的大多數(shù)飽和出現(xiàn)在第一次的十個回波內(nèi)。在此和在下述的例子中，選擇T1＝2·T2＝100msec(毫秒)。
在第一CPMG序列期間的測井儀運動可以引起在一些鄰近的共振范圍內(nèi)的損失增加。例如圖34示出在第一脈沖序列期間對于一個測井儀的橫向速度為-20ω1/S時失諧的MZ磁化產(chǎn)生的等場強度線286。水平軸線代表失諧頻率Δω與第一CPMG脈沖序列的ω1(脈沖幅值)之比。上述等場強度線描述了在第一CPMG脈沖序列之后留下的相對的縱向磁化作用。假設(shè)脈沖的幅值不變，脈沖的參數(shù)和弛豫時間與上述相同。垂直軸線代表在具有載頻ωRF的第一CPMG脈沖序列中使用了多少再聚焦的脈沖，上述載頻正比于這個脈沖序列的持續(xù)時間。再聚焦脈沖數(shù)k的范圍從頂部圖的1個再聚焦脈沖(即一個分組間隔近似500s)到底部圖的100個再聚焦脈沖(即一個分組間隔近似50ms)。在這個例子中，在50ms期間，NMR測井儀通過+1ω1距離，這個距離大約是殼體寬度的一半。在開始時，載頻ωRF相應(yīng)于Δω＝0，在結(jié)束時，載頻ωRF相應(yīng)于Δω＝+1·ω1，如圖所示，如果增加弛豫時間和/或回波，則NMR測井儀的位移掠過自旋分布上的空穴，從而使飽和密度增加。
在圖35中示出了當(dāng)對一個(矩形、為了模擬目的)寬度為±0.75ω1的殼體取平均時的最終的相對信號幅值(即Mz/M∝)288。從頂?shù)降祝?88表示相應(yīng)于k＝1，11，21，31，41，51，61，71，81，91的結(jié)果。需要指出的是，這個損耗隨著回波數(shù)的增加而增加，而對于回波數(shù)大于10而言，這個損耗比NMR測井儀不運動時的飽和效應(yīng)強很多，這正如圖32和35所示那樣。這時飽和范圍的寬度大于5ω1。這個損耗在與自旋的弛豫時間可比擬的時間內(nèi)增加，并且可以產(chǎn)生具有小Δω的負(fù)信號。精確的分布圖取決于運動和自旋系統(tǒng)的弛豫時間，對于比較短的弛豫時間，這個分布也變窄。
假設(shè)上面的CPMG脈沖序列中的脈沖最好是矩形脈沖。然而實際的“矩形”脈沖根本達(dá)不到理想矩形，但是應(yīng)得到無限小的上升和下降時間。這就限制了包含在這些脈沖中的頻譜寬度。在遠(yuǎn)離共振的狀態(tài)下，燒穿的空穴的寬度和燒穿速度正比于在該空穴位置上的脈沖的頻率分量的幅值。因此在某些實施例中，在遠(yuǎn)離共振狀態(tài)下，空穴的燒穿可能沒有在上述的模擬中有效。在某些實施例中，可以有意地使用非矩形脈沖。
對于在本申請討論過的脈沖，寬頻率分布是有利的。因此，在某些實施例中，具有盡可能短的上升和衰減時間常數(shù)的矩形脈沖可能是優(yōu)選的。另外，通過改變脈沖包絡(luò)的形狀可以優(yōu)化飽和范圍，以便適應(yīng)脈沖的頻率含量。
一般說來，通過輻射一個具有緩慢變化參量的重復(fù)的多個脈沖序列和寬帶脈沖可以產(chǎn)生在不運動狀態(tài)下的向遠(yuǎn)處擴展的飽和。如果上述脈沖序列的參數(shù)在該脈沖序列被提供的同時緩慢改變，則燒穿的空穴的位置緩慢地在自旋分布上運動，并增加飽和?？勺兊拿}沖序列的參數(shù)包括*回波間隔te的改變；*tp的變化；*通過例如脈沖的幅度、場方向和載波頻率ωRF使 變化； 的變化，以及；*脈沖相的變化。
也可以使這些參數(shù)的組合變化及其他一些參數(shù)變化。通過實際改變B0和B1場(例如，磁鐵間隔和RF功率的變化)或通過樣品和NMR測井儀的相對運動使 和 變化。在這種情況下，樣品相對NMR測井儀的運動可以由樣品的運動(例如流體流動或擴散)或測井儀的運動引起。
另一種改變 的方法是借助一個電磁鐵或“梯度線圈”例如NMR測井儀40(見圖8)、測井單元61(見圖11)、測井單元77(見圖12)或測井單元86(見圖13和14)的梯度線圈改變靜磁場，當(dāng)然，這些僅是幾個例子。因此，作為上述的一些布置的結(jié)果是使自旋繞ω0+ω0梯度進(jìn)行。如果這兩個矢量平行，則效應(yīng)最大。于是，作為這個技術(shù)的結(jié)果，不改變ωRF也能改變Δω0。這對改變ωRF是有利的，因為具有高質(zhì)量因數(shù)的天線的帶寬限制了ωRF的可能變化范圍(不進(jìn)行重調(diào)，因為如果通過利用機械開關(guān)切換電容器，在至少一個飽和脈沖序列期間這是不實用的)。在某些實施例中，這個方法的缺點可能是為了激勵電磁鐵需要相當(dāng)多的能量(與用作一個成象裝置的磁鐵相比)，這是因為必需改變整個飽和脈沖序列的幅值才能激發(fā)。為了利用梯度線圈(或幾個線圈)有各種方法*在一整個脈沖(B1場的)期間在梯度線圈中建立恒定電流，以便對這個脈沖有效地改變共振范圍的半徑；*在一整個脈沖(B1場的)期間改變該梯度線圈中的電流，以便在不改變rf脈沖頻率的情況下產(chǎn)生“掃描脈沖”。隨著實際參數(shù)的不同，掃描脈沖可以使特定區(qū)域反相、激發(fā)特定范圍或使該區(qū)域飽和；*在這些脈沖(B1場的)之間激勵梯度線圈，以便破壞可能保持的橫向磁化作用。如果這個梯度脈沖的持續(xù)時間(所謂t梯度(tgrad))短到能使取向角α＝ω0gradlenttgrad(α＝ω0梯度t梯度)在整個飽和范圍內(nèi)的變化可以略去，這類似于隨機地改變B1場脈沖的相位；*在梯度線圈中的電流可以隨B1場的每個脈沖同時脈沖地產(chǎn)生，作為一個例子，這種技術(shù)可以用在反向存儲脈沖序列(代替飽和脈沖序列)中，以便使繞NMR井下測量儀的大的區(qū)域反向；*梯度線圈可以用于產(chǎn)生上述的隨機的或連續(xù)的變量；可以有其他利用一個或幾個梯度線圈的情況。
C具有隨機變化的CPMG脈沖系列也可以隨機地改變CPMG脈沖序列的脈沖串的特性。作為一些實例，例如每個脈沖的tp持續(xù)時間可以隨機地改變，以便隨機地產(chǎn)生例如0°，90°，180°和270°脈沖相位(在一些典型的NMR譜儀上至少可以獲得三個脈沖相位)。參看圖36(示出了一個對應(yīng)于不同回波數(shù)的相對信號損失的等場強線290)和圖37(示出了一個在±0.75ω1徑向體積厚度上求平均的情況下，相應(yīng)于不同回波數(shù)的相對信號損失的等強場線292)，圖中示出的例子中，隨機產(chǎn)生脈沖，而且NMR測井儀不運動。除了脈沖相位無規(guī)則之外，所有的自旋和脈沖參量與上述的那些例子相同。
如圖中可以看出的那樣，在自旋分布中飽和燒穿出一些寬的和明顯分開的帶。飽和范圍的寬度小于受運動影響的CPMG脈沖序列所產(chǎn)生的區(qū)域的寬度，但飽和變化曲線比由CPMG序列形成的變化曲線平滑得多。這表明在共振范圍的限度(利用相干特性)和可靠的定量的飽和變化曲線(利用隨機特性)之間的折衷。應(yīng)該指出的是，由CPMG脈沖序列產(chǎn)生的變化曲線對于具有T1，2(例如100ms)≤tm(例如50ms)的自旋而言是比較平滑的形狀，其中tm是CPMG脈沖序列的持續(xù)時間。在這個隨機相位序列期間發(fā)生運動能對CPMG脈沖序列的性能稍有提高，并且使變化曲線保持平滑。
因為不是每個空穴都是以相同的“速度”燒穿而成，所以出現(xiàn)一些沒有完全飽和的帶。隨著位置Δω的不同，如從圖中可以看出那樣，某些空穴甚至可能完全被消除，作為一個例子，在圖38中，所有的第四空穴都未出現(xiàn)。這些未充分飽和的點的位置取決于再聚焦脈沖的持續(xù)時間失諧狀態(tài)，一個持續(xù)時間tp的脈沖使一個自旋繞其“有效的旋轉(zhuǎn)軸”轉(zhuǎn)動通過角度α(Δω)=ω12+Δω2tp,]]>該旋轉(zhuǎn)軸指出 的方向。那些非飽和的“節(jié)點”出現(xiàn)在α為2π的倍數(shù)處。因此通過改變ω1·tp也可以使這些點飽和。
在圖38(示出一個相應(yīng)于不同回波數(shù)的相對信號損失的等場強線294)和圖39(表示在±0.75ω1徑向體積厚度上求平均時對于不同回波數(shù)的相對信號損失的圖296)中示出了這種運動效應(yīng)，這是作為一個緩慢增加脈沖寬度(在圖30中用“tp”表示)的例子。在這個模擬中，脈沖長度從第一再聚焦脈沖的125μs(180°脈沖)線性增加到第100個再聚焦脈沖的250μs(360°脈沖)，同時t自由(tfree)(如圖30中所示，在脈沖間的間隔)保持不變。所有的其它參量與先前的例子相同，最終的飽和變化曲線比脈沖長度沒有改變的變化曲線平滑且略為寬一些。
另外，一般來講，通過改變脈沖序列的各種參量和在相干的和隨機特性之間采取折衷，可以在運動的特定范圍內(nèi)優(yōu)化脈沖序列的飽和效應(yīng)，所述的各種參量例如是大致與燒穿的空穴間距成反比的te，tp和脈沖相位等。
上述的飽和脈沖序列的例子利用了遠(yuǎn)離共振空穴燒穿效應(yīng)(far-off-resonance hole burning effect)，以便產(chǎn)生飽和。如上所述，持續(xù)時間為tp的脈沖使自旋轉(zhuǎn)動，該自旋始終以大于額定取向角α(0)的角度α(Δω)不共振。因此，對于具有α(0)＝180°的再聚焦脈沖(即“180°脈沖”)，該脈沖始終保持α(Δω)＞180°的遠(yuǎn)離共振狀態(tài)。另一方面，如果α(Δω)＝(2n+1)·180°，則發(fā)生最佳激勵和最佳激勵遠(yuǎn)離共振。于是，某一個自旋轉(zhuǎn)動離開縱軸的有效的取向角是θ＝θmax，而θmax=2arctan(ω1Δω)]]>是對應(yīng)給定Δω的最大有效的取向角。因此利用180°脈沖產(chǎn)生非共振飽和可能浪費能量。
圖40和41說明了與在脈沖序列中使用的再聚焦脈沖的α(0)有關(guān)的飽和曲線變化(在共振殼體厚度上求平均)。其相位如上所述隨機地變化。在圖46中，示出了在t自由進(jìn)展時間(即如圖30所示的再聚焦脈沖間的時間間隔)設(shè)定為375μs時的相對信號損失198。在圖41中示出了在t自由時間設(shè)定為零時的相對信號損失100。在圖40和41兩幅圖中，示出了對于1至100個脈沖在相應(yīng)于9°，20°，30°，45°，90°和180°取向角下的信號損失298和300，所述的取向角是Δω的函數(shù)。通過改變tp脈沖持續(xù)時間可獲得不同的取向角。正象從圖中可以看到那樣，這些信號損失分布對于不同的t自由時間幾乎是相同的，因此，在隨機相位變化情況下，上述飽和圖紋主要由脈沖持續(xù)時間確定而不由自由進(jìn)展時間(free evolution period)持續(xù)的長短確定。
通過脈沖的上升時間常數(shù)(稱為tr)可確定與一個給定硬件一起使用的最小脈沖持續(xù)時間。如果tp＜3tr，則脈沖在被斷開之前不能達(dá)到最大的ω1，并且當(dāng)tp進(jìn)一步減少時，該脈沖迅速變得不太有效。對于一個測井的NMR裝置，一個合適的推定時間是tr＝5……30μs。
當(dāng)tp減少時，飽和范圍變寬。實際上感興趣的主要是具有|Δω|<(2πtp)2-ω12]]>的范圍，即在兩個內(nèi)部未飽和節(jié)點中的具有α(Δω)＜2π的范圍。最大取向角α隨Δω增加而減少。因此飽和范圍越寬，用于產(chǎn)生飽和所需要的脈沖越多。如果在飽和狀態(tài)的時間常數(shù)是Ts，則只有具有T1＞Ts的自旋可以完全被飽和。因此可以在飽和的帶寬與仍可以飽和的最低T1之間取折衷。這也表明在一些實施例中，通過使最小的t自由變成盡可能小的值來使脈沖序列盡可能短是有優(yōu)越性的，這可以借助可購到的硬件獲得。
圖42和43分別示出了相應(yīng)具有t自由(圖24)和沒有t自由(圖25)的脈沖序列的損失102和104。顯示出的兩個損失102和104是對應(yīng)不同的弛豫時間的。對于t自由＝375μs的情況，再聚焦脈沖的脈沖100的序列是40ms長，對于沒有自由進(jìn)展周期的情況，脈沖序列僅為2.4ms長。對于額定的取向角α(0)＝35°，這兩個脈沖序列都可以使自旋隨自由流體弛豫時間(T1＞50ms)飽和，但是，沒有自由進(jìn)展周期的那個脈沖序列可以使自旋以比T1低20倍的時間飽和，時間T1對希望要在結(jié)合中流體截斷裝置的下方消散自旋分布是必須的。在這兩種情況下，產(chǎn)生飽和所需要的能量是10035180≈20]]>倍的用于一個單個180°再聚焦脈沖的能量，這個能量看來對一些下井孔NMR測井儀沒有提出任何嚴(yán)重問題，這些NMR測井儀通?？梢援a(chǎn)生來自在tw期間儲存在電容器中的能量的數(shù)百個180°再聚焦脈沖串。
在一些實施例中，用包括自由進(jìn)展周期的脈沖序列燒穿的曲線變化比用連續(xù)輻射燒穿的花紋稍微平滑一些。這可能是由在自由進(jìn)展周期內(nèi)發(fā)生的附加相移引起，上述自由進(jìn)展時間在第二種情況下不存在，但也不嚴(yán)格這樣。另外，如果將具有軸對稱場幾何特性的測井儀移動距離 則每個自旋根據(jù)它的方位中的位置可以用頻率間隔Δω=dω0/dγ→·Δγ→]]>表示不同的位移。這將引起實際飽和曲線變化的附加的有效平滑。
在上述的模擬中，利用一個隨機數(shù)發(fā)生器選擇四個脈沖相位。因此，脈沖序列的性能從一個序列到另一個序列稍有變化，而在一些實施例中，可以使用具有幾個相位的預(yù)定脈沖序列，以便優(yōu)化飽和性能。在一些實施例中，最優(yōu)的參量變化可以是非周期性的變化。
II為了校正和核查NMR測量的質(zhì)量而進(jìn)行檢測和用特征表述的運動傳感器的使用如果測井儀的運動是已知的，則可以數(shù)字模擬測井儀的NMR響應(yīng)，并在一些極限范圍內(nèi)，可以利用例如三種類型檢測裝置加速度計，應(yīng)變儀和磁場強度計校正運動畸變的測量數(shù)據(jù)。也可以用其它類型的運動檢測裝置，例如超聲傳感器。這些運動檢測裝置可以是測井儀或測井儀單元的電路42(見圖8，作為例子)的部分。
磁場強度計記錄瞬時方向，從而記錄測井儀隨時間的轉(zhuǎn)動。這個信息用于幫助其它一些測量。例如，可以用磁場強度計來旋轉(zhuǎn)在一個參照于加速度計的固定在大地上的框架中的其它傳感器所測得的參數(shù)?？梢杂么艌鰪娪嬁鄢蓽y井儀旋轉(zhuǎn)引起的加速度分量。
可以利用加速度計描繪測井儀的軌跡特性，所述的軌跡是通過下述技術(shù)獲得的，這些技術(shù)包括a.重復(fù)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波(例如取出DC偏移，低頻數(shù)字的和位移的噪聲和高頻的噪聲，這些成分都與宏觀的鉆孔運動無關(guān))；b.對加速度數(shù)據(jù)積分一次，以便產(chǎn)生一個隨時間變化的速度軌跡，以及c.再次對上述速度積分，以便產(chǎn)生一個隨時間變化的位置軌跡?？筛鶕?jù)有用的物理假設(shè)選擇積分常數(shù)。這些假設(shè)例如是在足夠長的時間周期內(nèi)的平均位移和速度是零?？梢詮囊粋€或幾個加速度計的測量中提取的有用信息包括關(guān)于運動幅值的信息；平均運動半徑；運動頻率；位置、速度和加速度的柱形座標(biāo)圖；沖擊記錄和表述，以及沖擊靜力學(xué)。在一些實施例中，可以在測井儀的相對側(cè)固定一對加速度計。這樣使該對加速度計的靈敏軸指向同一方向，以便可以用所指示的加速度的和來獲得測井儀的轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，以及可以利用指示的加速度差來獲得測井儀的平移運動數(shù)據(jù)。
用應(yīng)變儀直接測量鉆具的彎曲，這些應(yīng)變儀可以例如放置在鉆孔里或在該鉆孔內(nèi)的基座上。使該鉆具的彎曲與裝配這些應(yīng)變儀的鉆孔的截面的橫向位移相關(guān)聯(lián)。這樣，這些應(yīng)變儀即使用未知的比例因子可測量只在二重積分后才可能受到加速度計干擾的相同位移軌跡。因此，這些應(yīng)變儀可以用于動態(tài)修改加速度儀的數(shù)據(jù)。例如這些技術(shù)之一包括識別具有零速度和位置的點并連續(xù)地調(diào)整以這個數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的加速度積分。另一種技術(shù)是使用那些測定運動幅值的加速度計和測定運動頻率的應(yīng)變儀。
特別是在低梯度運動和開始甚至與以T1為基礎(chǔ)的方法相干擾的大幅值運動的情況下，上述的傳感器的靈敏度足以表征這個運動，因此可用作對NMR測量的質(zhì)量控制標(biāo)志，也可以用從一個或幾個傳感器獲得的上述數(shù)據(jù)校正回波幅值。
雖然已經(jīng)用有限的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員利用本說明書可作出種種改型和改變。權(quán)利要求覆蓋了所有落在本發(fā)明的構(gòu)思和保護(hù)范圍內(nèi)的這類改型和改變。
權(quán)利要求
1.一種核磁共振測量裝置，該裝置與一個樣品之間可能有相對運動，該裝置包括至少一個磁鐵；至少一個線圈；以及與所述的至少一個線圈相耦合并適合于采用所述至少一個磁鐵和至少一個線圈的電路，以便使存在在樣品的不同區(qū)域中的自旋飽和，完成這些區(qū)域的特性的核磁共振測量，以及指示這些測量特性。
2.一種可用于核磁共振測量裝置的方法，包括利用至少一個運動裝置指示該核磁共振測量裝置運動的特性，完成對大地巖層區(qū)的若干核磁共振測量，這些測量包括若干自旋回聲；檢測這些自旋回聲；利用該運動特征校正該測量結(jié)果。
3.如權(quán)利要求79所述的方法，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一個磁場強度計。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的至少一個運動檢測裝置包括一個加速度計。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的至少一個運動檢測裝置包括一個應(yīng)變儀。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的至少一個運動檢測裝置包括一個加速度計和一個磁場強度計。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的至少一個運動檢測裝置包括一個應(yīng)變儀和一個磁場強度計。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述應(yīng)用步驟包括調(diào)整該測量結(jié)果，以補償該運動。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述測量結(jié)果校正是通過去掉由該運動檢測裝置表示特性的加速度分量來完成的。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于表示裝置運動的特性的步驟包括檢測一平均運動半徑。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于表示裝置運動的特征的步驟包括檢測該裝置的瞬時取向。
12.一種井下核磁共振測量裝置，該裝置與大地巖層之間可能有相對運動，該裝置包括；至少一個磁鐵；至少一個線圈；至少一個表示該核磁共振測量裝置的運動特性的運動裝置，與所述的至少一個線圈耦合并適合于采用所述至少一個磁鐵和至少一個線圈以及所述至少一個運動裝置的電路，以便對大地巖層的一個區(qū)域完成若干核磁共振測量，該測量包括若干自旋回聲；檢測若干自旋回聲；根據(jù)表示特性的運動校正該測量結(jié)果。
13.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一磁場強度計。
14.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一加速度計。
15.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一應(yīng)變儀。
16.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一加速度計和一磁場強度計。
17.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述至少一個運動檢測裝置包括一應(yīng)變儀和一磁場強度計。
18.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述應(yīng)用步驟包括調(diào)整該測量結(jié)果以補償該運動。
19.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于所述測量結(jié)果校正是通過去除由該運動檢測裝置表示特性的加速度分量來完成的。
20.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于表示裝置運動特性的步驟包括確定一平均運動半徑。
21.如權(quán)利要求12的井下核磁共振測量裝置，其特征在于表示裝置運動特性的步驟包括確定該裝置的瞬時取向。
全文摘要
按照本發(fā)明的一個方面，提供一種核磁共振測量裝置，該裝置與一個樣品之間可能有相對運動，該裝置包括至少一個磁鐵；至少一個線圈；以及與所述的至少一個線圈相耦合并適合于采用所述至少一個磁鐵和至少一個線圈的電路，以便使存在在樣品的不同區(qū)域中的自旋飽和；完成這些區(qū)域的特性的核磁共振測量；以及指示這些測量特性。按照本發(fā)明的又一方面提供一種可用于核磁共振測量裝置的方法，包括利用至少一個運動裝置指示該核磁共振測量裝置運動的特性，完成對大地巖層區(qū)的若干核磁共振測量，這些測量包括若干自旋回聲；檢測這些自旋回聲；利用該運動特征校正該測量結(jié)果。
文檔編號G01V3/32GK1548986SQ20041004468
公開日2004年11月24日 申請日期1999年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月30日
發(fā)明者P·斯派爾, M·E·波伊茨施, S·F·克拉里, P 斯派爾, 克拉里, 波伊茨施 申請人:施盧默格控股有限公司