專利名稱：測(cè)量自由感應(yīng)衰減信號(hào)的方法和設(shè)備及其在分析中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及井筒所穿透的地下地層的核磁共振("NMR")測(cè)量領(lǐng) 域。更具體地，本發(fā)明涉及利用井筒配套儀器(wellbore deployed instrument) 測(cè)量NMR自由感應(yīng)衰減信號(hào)的方法和設(shè)備，以及所述自由感應(yīng)衰減信號(hào)在 測(cè)定地層的NMR特性方面的用途。
背景技術(shù)：
用于測(cè)量地下地層NMR特性的NMR儀(稱作"測(cè)井(well logging)"工 具或儀器)沿鉆經(jīng)該地層的井筒內(nèi)部移動(dòng)。本領(lǐng)域中公知的NMR測(cè)井裝置 包括授予Kleinberg等并轉(zhuǎn)讓于本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專利No. 5,055,787中 所述的設(shè)備。作為一般性原則，'787專利中所披露的儀器通過如下進(jìn)行測(cè) 量在儀器一側(cè)的相鄰地下地層的區(qū)域中感生基本均勻的靜態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)B，以 測(cè)量該地下地層的核磁共振特性。該儀器具有安裝在儀器金屬機(jī)身外部的 射頻("RF")天線，使聚焦的振蕩RF磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)所述區(qū)域，以使地下地層孔隙 內(nèi)的流體的氫核^磁矩傾斜。該天線可在發(fā)射RF極化場(chǎng)之后用于接收從目標(biāo) 區(qū)域中發(fā)出的質(zhì)子進(jìn)動(dòng)信號(hào)。通過Q-開關(guān)(Q-switch)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收操作模 式之間天線能量的快速衰減。所披露的儀器提供具有橫向弛豫時(shí)間(T2)特性 的NMR信號(hào)衰減的直接測(cè)量，并進(jìn)一步提供在井筒內(nèi)進(jìn)行脈沖測(cè)量的快速 重復(fù)。為了預(yù)排列(prealign)比單磁體構(gòu)造自身可以預(yù)排列的數(shù)目更多的氫 核，還可偏移第一磁體構(gòu)造安裝額外的磁體陣列，以在測(cè)量地層之前對(duì)地 層進(jìn)行預(yù)極化。作為本領(lǐng)域已知的其它NMR測(cè)井儀器的實(shí)例Z787專利中所述的儀器 利用稱作Carr-Purcell-Meiboom-Gill ("CPMG")的脈沖序列或CPMG序列的 變型測(cè)量地下地層的橫向弛豫時(shí)間特性。施加RF場(chǎng)沿靜態(tài)^磁場(chǎng)方向?qū)Φ?進(jìn)行預(yù)極化之后，起動(dòng)CPMG序列，所述RF場(chǎng)具有的頻率基本等于氬核 的拉莫爾頻率(Larmor frequency),并具有經(jīng)選擇的幅度和持續(xù)時(shí)間以使氫核的核^茲自旋軸重新取向?yàn)闄M向垂直于(transverse to)靜態(tài)/磁場(chǎng)方向(稱作90度 脈沖)。質(zhì)子關(guān)于靜態(tài)磁場(chǎng)方向的自旋進(jìn)動(dòng)，在RF天線中感生出儀器檢測(cè) 到的并稱作自由感應(yīng)衰減(FID)的信號(hào)。經(jīng)過一段時(shí)間之后，氳核的核-茲自 旋變得彼此相位不同，使得所檢測(cè)到的RF》茲場(chǎng)信號(hào)基本衰減到零。經(jīng)過一 段選定的時(shí)間間隔之后，施加一系列的"再聚焦，，脈沖。該再聚焦脈沖具 有經(jīng)選擇的持續(xù)時(shí)間和振幅，以使氫核的自旋定相(phasing)反轉(zhuǎn)，最終使得 質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位復(fù)原。當(dāng)質(zhì)子進(jìn)動(dòng)相位復(fù)原時(shí)，在RF天線中感生RF信號(hào)并 被檢測(cè)。所述信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)稱作"自旋回聲(spin echo)"檢測(cè)。將再聚 焦脈沖和RF自旋回聲信號(hào)才企測(cè)重復(fù)選定數(shù)目個(gè)脈沖。各個(gè)連續(xù)自旋回聲的 振幅比前一個(gè)減小。自旋回聲振幅衰減的速度與地下地層中各種流體的橫 向弛豫時(shí)間(T2)特性有關(guān)?？赏ㄟ^分析連續(xù)自旋回聲振幅的多元指數(shù)衰減來 對(duì)地層中的流體進(jìn)行分析。分析結(jié)果為地下地層中各種含氫流體的丁2分布。 這種分布可能與地層的巖石物理性質(zhì)有關(guān)。如果測(cè)量純FID信號(hào)，則可將相同的分析應(yīng)用于所述FID信號(hào)。FID 信號(hào)可與有用的信息相關(guān)聯(lián)，例如地下地層中流體填充孔隙的體積分?jǐn)?shù)(孔 隙率)。盡管上述NMR設(shè)備在地層中感生了基本均勻的靜態(tài)磁場(chǎng)，但所述 靜態(tài)磁場(chǎng)仍存在一些不均勻度。這種不均勻度是研究的區(qū)域完全在設(shè)備外 部的"里朝外(inside out)"型NMR設(shè)備例如測(cè)井儀器的本質(zhì)上不可避免的 結(jié)果。靜態(tài)磁場(chǎng)的不均勻度對(duì)縮短FID信號(hào)衰減時(shí)間具有影響，使得其測(cè) 量變得不可行。此外，難以設(shè)計(jì)在研究區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)不均勻度為幾個(gè)ppm以內(nèi) 的磁體，以與測(cè)井儀器一同使用。感興趣的另 一種NMR性質(zhì)是縱向弛豫時(shí)間(T,)。本領(lǐng)域已知的測(cè)量地 下地層T,的方法包括利用連續(xù)CPMG序列之間的多個(gè)等待時(shí)間測(cè)定TVT2 比的方法。在授予Freedman等并轉(zhuǎn)讓于本發(fā)明受讓人的美國(guó)專利5486742 中描述了這種方法。本領(lǐng)域已知的T,測(cè)定方法的共同特征在于利用多脈沖 序列，不論序列之間是否具有單等待時(shí)間。獲取所述序列的時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)測(cè) 井儀器可在井筒中移動(dòng)的速度具有實(shí)際的限制作用。需要能夠利用NMR測(cè)井儀器測(cè)量FID信號(hào)的方法，以及測(cè)量地下地 層的T,特性時(shí)提高有效測(cè)井速度的方法。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，利用井下(downhole)測(cè)井工具獲得自由感應(yīng)衰 減信號(hào)的方法包括在樣區(qū)(sample volume)感生靜態(tài)^磁場(chǎng)。然后在所述樣區(qū)中 感生射頻磁場(chǎng)。該射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，以使所述靜態(tài)磁場(chǎng)的不均 勻度(inhomogeneity)對(duì)自由感應(yīng)衰減時(shí)間的影響最小化。然后檢測(cè)樣區(qū)的自由感應(yīng)衰減信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)方面，分析樣區(qū)中的物質(zhì)的方法包括在樣區(qū)中感 生靜態(tài)磁場(chǎng)。在樣區(qū)中感生射頻磁場(chǎng)。該射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，使 得核磁自旋以與靜態(tài)磁場(chǎng)排列成選定的第 一角度重新取向。然后在樣區(qū)中 感生重新取向的射頻磁場(chǎng)。該重新取向的磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，使得磁 自旋以選定的第二角度重新取向，并使靜態(tài)磁場(chǎng)的不均勻度對(duì)自由感應(yīng)衰 減時(shí)間的影響最小化。檢測(cè)樣區(qū)的自由感應(yīng)衰減信號(hào)。將感生重新取向的 射頻磁場(chǎng)和檢測(cè)自由感應(yīng)衰減信號(hào)重復(fù)進(jìn)行，直到基本取得核磁平衡。由下列說明和所附權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)勢(shì)將顯而易見。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明位于井筒中用于測(cè)量周圍地層的實(shí)例NMR測(cè)井儀 器的側(cè)視圖(現(xiàn)有技術(shù))。圖2為圖1所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案中使用的磁體陣列的放大截面 平面圖(現(xiàn)有技術(shù))。圖3為顯示將圖2所示的磁體陣列置于井筒內(nèi)時(shí)該磁體陣列周圍的磁 場(chǎng)線(由箭頭表示)的圖示(現(xiàn)有技術(shù))。圖4為顯示圖2和圖3所示的磁體陣列的磁場(chǎng)Bo等值線截面圖(現(xiàn)有技術(shù))。圖5為顯示圖2-4中的232高斯的磁場(chǎng)等值線以及顯示圖1所示優(yōu)選實(shí)施方案的研究區(qū)的圖示(現(xiàn)有技術(shù))。圖6顯示不同RF磁場(chǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間下的FID信號(hào)幅度的測(cè)試結(jié)果。 圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面用于反轉(zhuǎn)恢復(fù)測(cè)量1的實(shí)例脈沖序列。 圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面用于飽和恢復(fù)測(cè)量T,的實(shí)例脈沖序列。 圖9和IO顯示圖8所示的脈沖序列采用不同的再取向角度和再取向脈沖之間的延遲時(shí)間所得的測(cè)試結(jié)果圖■。
具體實(shí)施方式
如下所述，圖1 5旨在顯示根據(jù)本發(fā)明可使用的NMR測(cè)井儀器的一個(gè) 實(shí)例。應(yīng)當(dāng)清楚地理解的是，本發(fā)明各個(gè)方面的范圍不限于這種測(cè)井儀器 所示的實(shí)施。在圖1中示出了穿透其特性待測(cè)的地下地層11、 12的井筒10。 示出井筒10內(nèi)通過鎧裝電纜(armored electrical cable)或"鋼纜(wireline)" 8 與地面設(shè)備7相連的測(cè)井儀器13。儀器13優(yōu)選具有被成形以最小間隙(gap) 或間距(standoff)與井筒壁接觸的面14。儀器13還可具有伸縮臂15，其可在 儀器13運(yùn)行過程中啟動(dòng)，以將儀器13本體壓向井筒壁，其中面14被壓向 井筒壁。盡管儀器13在圖1中顯示成一體，但是儀器13可包括分立的部件， 例如短節(jié)(cartridge)、檢測(cè)儀(snode)或制動(dòng)板(skid),并且儀器13可與其它 測(cè)井儀器組合，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。同樣，盡管在本 申請(qǐng)中將鋼纜8示為將儀器13輸送至井筒10內(nèi)并將信號(hào)從儀器13傳輸至 地面設(shè)備7的工具，但顯然可采用替換性方案。例如，可采用無需電纜或 鋼纜的遙測(cè)形式，將所述儀器并入鉆柱(drill string)中。地層11、 12具有不同的特性如礦物組成、孔隙率、滲透性和流體含量， 這可通過儀器13的測(cè)量來測(cè)定。沉積在地層11、 12的井筒壁上的通常是 "泥餅，，層16,其是鉆井液("鉆井泥漿")自然滲透到地層ll、 U中而沉 積于井筒壁上的。在圖1所示的實(shí)例中，儀器13包括磁體陣列17和位于陣列17與接壁 面(wall engaging face) 14之間的天線18。磁體陣列17在井筒和儀器13周圍 的地層中產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)。天線18在經(jīng)選定的時(shí)刻產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)，該振蕩磁 場(chǎng)定向于地層12并疊加在與面14相對(duì)的地層部分中的靜態(tài)磁場(chǎng)上。如圖1 中的點(diǎn)劃線所示，儀器13的研究區(qū)9是位于儀器面14正前方的垂直狹長(zhǎng) 區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)磁體陣列17產(chǎn)生的磁場(chǎng)基本上是均勻的。在儀器13的 另 一個(gè)實(shí)例中，點(diǎn)劃線所示的預(yù)極化磁體19可位于磁體陣列17的正上方。儀器13通過如下進(jìn)行測(cè)量利用振蕩磁場(chǎng)的脈沖使地層12中的氫核 的核自旋通過磁力作用重新取向，然后對(duì)重新取向的氫核在研究區(qū)9內(nèi)的 靜態(tài)均勻場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)進(jìn)行一段時(shí)間的檢測(cè)。如圖1所示，研究區(qū)9不與接 壁面14的表面交疊，也不與井筒壁上的泥餅16交疊。在脈沖回聲型測(cè)量中，如本申請(qǐng)背景部分所描述的，例如，RF電流脈沖經(jīng)過天線18產(chǎn)生RF場(chǎng)脈沖，其中選擇RF頻率，以僅僅激發(fā)經(jīng)受研究區(qū) 9內(nèi)的靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度的氫核。在RF脈沖后在天線18中感生的信號(hào)代表研 究區(qū)9內(nèi)的核磁進(jìn)動(dòng)和衰減的量度，基本排除來自井筒流體、泥餅16或研 究區(qū)9之外的周圍地層部分的任何不良影響。儀器13或地面設(shè)備7中或者兩者中，可包括產(chǎn)生振幅和持續(xù)時(shí)間經(jīng)選 擇的RF電源脈沖的電路(未單獨(dú)示出)，和在選定時(shí)間檢測(cè)和測(cè)量天線18 中感生的電壓的接收器電路(未單獨(dú)示出)。參考圖2,磁體陣列17可由三個(gè)彩鈷永萬(wàn)茲體24、 25、 26組成，所述磁 體彼此平行地安裝在金屬合金殼體27中。磁體24、 25、 25沿井筒軸向延 伸，并且在優(yōu)選實(shí)施方案中長(zhǎng)12英寸。在圖2中，所述磁體的磁極位于磁 體的兩個(gè)相對(duì)側(cè)，并分別指向左和右。因而，在地層內(nèi)(圖1中的12),,茲體 周圍的靜態(tài)磁場(chǎng)的幅度沿井筒軸的縱向基本保持恒定。磁體24、 25、 26應(yīng)當(dāng)盡可能堅(jiān)固，并且應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受物理沖擊而不碎 裂。例如，優(yōu)選將所用的釤鈷磁體封閉在例如黃銅制成的堅(jiān)固外殼中，以 避免在磁體開裂或折斷時(shí)的任何爆炸性破碎。這些磁體是商業(yè)上可以得到 的，并且通常具有10500高斯的剩余感應(yīng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解的是， 其它石茲體可代替本申請(qǐng)的釤鈷^茲體，并且該^t體可具有與優(yōu)選實(shí)施方案中 所示尺寸不同的尺寸。優(yōu)選使用長(zhǎng)板狀(elongated slab)石茲體在地層12中產(chǎn)生靜態(tài)場(chǎng)，所述靜 態(tài)場(chǎng)在沿平行于井筒軸z軸的長(zhǎng)距離L內(nèi)是恒定的。大的長(zhǎng)度改善了信噪 比，且便于沿井筒軸進(jìn)行連續(xù)測(cè)井測(cè)量。然而，磁體不應(yīng)過長(zhǎng)致使儀器13 在結(jié)構(gòu)上不實(shí)用或者導(dǎo)致面14與洗出區(qū)(washed out zone)的井筒壁之間的 間隙過大。將磁體24、 26對(duì)稱安裝在殼體27的兩側(cè)，其北極朝向相同的方向。 磁體25平行于其它兩個(gè)磁體并位于其它兩個(gè)磁體之間，但^茲體25的北極 朝向與磁體24、 26相反的方向。此外，相對(duì)于磁體24、 26，磁體25稍向 遠(yuǎn)離面14的方向偏移。如圖2所示，磁體24、 26的北極指向儀器的面14 的方向，而磁體25的北極則指向背離面14的方向，盡管將該構(gòu)形顯然可 以反轉(zhuǎn)并仍產(chǎn)生相似的結(jié)果。參考圖2 4，通過將磁體24、 26的兩個(gè)N極設(shè)置成指向面14和位于 其外的(lying beyond)地層12，磁體陣列17在很遠(yuǎn)的距離來看就如同磁場(chǎng)的N極。然而，磁體25的反極定位顯著地改變以近距離和中等距離進(jìn)入地層12的磁場(chǎng)。在中等距離處，磁體陣列17的優(yōu)選配置在儀器面14正前方的 唯一限定區(qū)域中異常地產(chǎn)生有趣且重要的場(chǎng)。如更詳細(xì)地在圖4中所示， 存在明確限定的區(qū)域，在該區(qū)域中；茲場(chǎng)是基本上恒定的。該區(qū)域?yàn)镹MR測(cè) 量的主諧振區(qū)并對(duì)應(yīng)于圖1中的9所示的研究區(qū)。垂直于儀器縱軸的平面 中的靜態(tài)磁場(chǎng)方向的圖示在圖3中顯示，其中虛線圓圈表示直徑為8英寸(約 100 mm)的井筒，儀器(圖1中的13)置于所述井筒中并與井筒壁接觸。圖4 顯示圖3所示的同一平面的靜態(tài)磁場(chǎng)幅度的平面圖。圖5顯示圖3的平面 圖，該圖包括穿過恒定靜態(tài)磁場(chǎng)幅度為232.35高斯的區(qū)域繪出的線，對(duì)于 儀器的RF工作頻率，該線代表氫核中的NMR現(xiàn)象被激發(fā)的區(qū)域。如前所述，盡管本發(fā)明不限于使用圖1 5所示配置的儀器，但該儀器 可便于實(shí)施本發(fā)明，這是因?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1中的9)具有稍微不均勻的靜態(tài)磁 場(chǎng)。在本發(fā)明中，選擇應(yīng)用于天線(圖1中的18)的RF脈沖的某些特性，使 得能夠測(cè)量F1D信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，經(jīng)過多個(gè)磁致再取向RF脈沖之后測(cè) 量FID信號(hào)，可使得能夠僅用一個(gè)脈沖序列即可測(cè)量地下地層的T,特性。 以下對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說明。在下面的說明中，對(duì)于通過天線(圖1中的 18)傳輸射頻電流脈沖，從而在鄰近儀器(圖1中的13)的地層中或儀器內(nèi)引 起NMR現(xiàn)象，術(shù)語(yǔ)"RF脈沖"、"RF磁脈沖"、"RF磁場(chǎng)脈沖"和基本類 似的術(shù)語(yǔ)作為同義使用。根據(jù)天線的偶極矩和電流脈沖的振幅和持續(xù)時(shí)間， 通過天線傳輸RF電流脈沖具有在地層中感生射頻磁場(chǎng)的效果。在^r測(cè)電路 (未示出)與天線相連期間在天線中感生的電壓，意欲對(duì)應(yīng)于由NMR現(xiàn)象感 生的這種場(chǎng)的電箱t場(chǎng)幅度。在靜態(tài)磁場(chǎng)中預(yù)極化氫核之后且緊接著施加傾斜(90度)RF磁脈沖后測(cè)量的NMR信號(hào)為FID信號(hào)，該信號(hào)的幅度與時(shí)間的關(guān)系可由下式表示糊^。exp(-〃r;) G)其中Mo為平4軒A茲化強(qiáng)度(equilibrium magnetization) ， FID信號(hào)衰減時(shí)間常數(shù)rz由下式給出=i/r2+i/r2+-0/2 ②其中t2為自旋-自旋或橫向弛豫時(shí)間，y為受激氫核的回磁比 (gyromagnetic ratio), 為磁場(chǎng)不均勻度，T2'為樣品感生的不均勻度(sample-induced inhomogeneity)。計(jì)算出在60高斯的石茲場(chǎng)幅度下表征樣品感生的不均勻度的時(shí)間常數(shù)為2.7秒，其對(duì)r/沒有影響，因此可以忽略。矩形RF脈沖的頻率帶寬Av與RF脈沖的持續(xù)時(shí)間成反比。如果RF脈 沖的振幅保持恒定并改變RF脈沖持續(xù)時(shí)間，則RF脈沖的頻率帶寬改變并 且研究區(qū)中的磁場(chǎng)不均勻度(等式2中的ABo)也相應(yīng)改變。因而，F(xiàn)ID衰減 時(shí)間常數(shù)應(yīng)隨RF脈沖寬度改變。對(duì)于較小的RF脈沖持續(xù)時(shí)間，研究區(qū)內(nèi) 的頻率帶寬較大，從而應(yīng)當(dāng)觀察到較短的FID衰減時(shí)間r/。對(duì)于較大的脈 沖持續(xù)時(shí)間，研究區(qū)中的磁場(chǎng)頻率帶寬較小，因而FID衰減時(shí)間應(yīng)當(dāng)較長(zhǎng)。制造實(shí)驗(yàn)性NMR信號(hào)裝置以檢驗(yàn)上述假設(shè)。該裝置包括RF信號(hào)測(cè)試 發(fā)生器、測(cè)試天線、RF信號(hào)采集電路和譜分析儀。在該檢驗(yàn)裝置中，向天 線施加選定持續(xù)時(shí)間的RF電流脈沖。經(jīng)過5微秒的延遲后，測(cè)量天線中感 生的信號(hào)，即FID信號(hào)。在不同持續(xù)時(shí)間的多個(gè)RF脈沖中的每一個(gè)脈沖之 后測(cè)量的歸一化FID信號(hào)幅度在圖6中顯示。持續(xù)時(shí)間為40微秒的一個(gè) RF脈沖之后測(cè)量的FID信號(hào)顯示于曲線66。持續(xù)時(shí)間為70、 100和140孩i 秒的RF脈沖的相應(yīng)F1D信號(hào)幅度曲線分別如圖6中曲線64 、 62和60所示。如本領(lǐng)域所知，施加拉莫爾頻率的RF磁場(chǎng)造成的核自旋角位移(angular rotation)與RF磁場(chǎng)脈沖的持續(xù)時(shí)間和幅度的乘積有關(guān)。在一個(gè)實(shí)例中，可 利用選定持續(xù)時(shí)間和幅度的傾斜(90度)脈沖起動(dòng)用于測(cè)量地下地層的丁2特 性的CPMG序列，從而提供90度自旋再取向?？裳娱L(zhǎng)90度脈沖的持續(xù)時(shí) 間并可減小相應(yīng)的脈沖幅度，從而保持RF脈沖在90度時(shí)造成的有效的再 取向角。減小幅度進(jìn)而減小RF場(chǎng)帶寬，這具有減小研究區(qū)中的磁場(chǎng)不均勻 度的作用，使得可在90度RF脈沖結(jié)束之后測(cè)量FID信號(hào)。在選定的回聲 間時(shí)間(interecho time) (TE)之后，可跟隨常規(guī)CPMG序列中的180度再聚焦 (反轉(zhuǎn))RF脈沖的序列，其中測(cè)量各再聚焦脈沖之后的自旋回聲幅度?？蓪?duì) 所測(cè)得的自旋回聲幅度進(jìn)行常規(guī)分析，例如以獲得地層的T2分布。FID信 號(hào)特性可用于測(cè)定例如地層(圖1中的12)的孔隙率。從而，可使用具有帶寬 減小的90度脈沖和多個(gè)再聚焦脈沖的改進(jìn)的CPMG序列來測(cè)定地層(圖1 中的11、 12)的HD和丁2特性。另 一 個(gè)方面，可通過測(cè)量反轉(zhuǎn)恢復(fù)(inversion recovery)或々包和恢復(fù) (saturation recovery)脈沖序列中的FID信號(hào)，來測(cè)定地層(圖1中的11、 l2) 的T,(縱向弛豫時(shí)間)特性。施加多個(gè)再取向角較小的RF脈沖，各個(gè)脈沖產(chǎn) 生被監(jiān)測(cè)的FID信號(hào)。每個(gè)RF脈沖產(chǎn)生的再取向角可為約10 40度。磁化反轉(zhuǎn)脈沖(選定持續(xù)時(shí)間和幅度以使核磁自旋以180度重新取向)之后為第一這種"小角度"再取向脈沖。可選4奪各連續(xù)RF脈沖之間的時(shí)間延遲i:，以 優(yōu)化所得結(jié)果。如在上述FID測(cè)量方法中，可選擇再取向脈沖的持續(xù)時(shí)間 以提供較窄的RF磁場(chǎng)帶寬，并且相應(yīng)地減小幅度，從而增強(qiáng)在每個(gè)小角度 再取向脈沖之后測(cè)量FID信號(hào)的能力。使用小角度再取向RF脈沖的可能的優(yōu)勢(shì)在于，施加各再取向RF脈沖 之后，大部分的核磁化仍然沿靜態(tài)磁場(chǎng)方向存在。僅有小部分核磁化旋轉(zhuǎn) 到橫向垂直于(transverse to)靜態(tài)磁場(chǎng)的平面內(nèi)，這種^茲化用于觀測(cè)NMR信 號(hào)。因而，可重復(fù)施加另一小角度再取向RF脈沖，而不必等待核磁化沿靜 態(tài)箱t場(chǎng)方向回復(fù)(return)?？杉僭O(shè)在脈沖之間的延遲時(shí)間t內(nèi)4黃向-茲化不可逆地衰減并且對(duì)隨后 的FID信號(hào)基本沒有千擾。在施用大量小角度再取向RF脈沖之后，由于沿 靜態(tài)磁場(chǎng)方向的核磁化的增加而建立動(dòng)態(tài)平衡。重新取向引起的磁化旋轉(zhuǎn) 或者"翻轉(zhuǎn)(flip)，，角a和飽和恢復(fù)序列(在多個(gè)飽和再取向RF脈沖之后經(jīng)過 延遲時(shí)間t之后的小角度再取向脈沖)的穩(wěn)態(tài)磁化強(qiáng)度MsA通過下式關(guān)聯(lián)<formula>formula see original document page 11</formula>飽和脈沖之后核磁化的增加作為每個(gè)小角度再取向RF脈沖的時(shí)間的 函數(shù)，由下式給出<formula>formula see original document page 11</formula>其中A4^表示穩(wěn)態(tài)磁化強(qiáng)度，M)表示平衡磁化強(qiáng)度，"r為最后一個(gè)飽 和脈沖與第^+7)個(gè)低翻轉(zhuǎn)角RF脈沖之間的時(shí)間間隔，并且<formula>formula see original document page 11</formula> (5) 圖7顯示用于反轉(zhuǎn)恢復(fù)測(cè)量地層T,特性的RF脈沖單序列和信號(hào)檢測(cè) 事件的實(shí)例。預(yù)極化地層中氫核的核磁自旋之后，施加單反轉(zhuǎn)RF脈沖70(翻 轉(zhuǎn)角為180度)。經(jīng)過選定的延遲時(shí)間t之后，施加小角度再取向RF脈沖 72。小角度再取向脈沖72結(jié)束之后，測(cè)量FID信號(hào)71。在多個(gè)連續(xù)延遲時(shí) 間t中的每一個(gè)之后，重復(fù)前述的再取向脈沖，隨后測(cè)量如73、 75和77所示的FID信號(hào)。飽和恢復(fù)測(cè)定T,的單序列的實(shí)例顯示在圖8中。預(yù)極化氫核之后，施 加一 系列飽和RF脈沖80。經(jīng)過延遲時(shí)間t之后，施加小角度再取向RF脈 沖82。小角度再取向RF脈沖82之后測(cè)量FID信號(hào)84。在多個(gè)延遲時(shí)間t 中的每一個(gè)之后，施力n小角度再取向RF脈沖82，隨后測(cè)量如86、 88和90 所示的FID信號(hào)?？衫蒙鲜龅仁? 5確定T,。參考圖7和8，使用上述 脈沖序列，僅利用單序列就能夠確定地下地層的T、特性，而無需使用現(xiàn)有 技術(shù)方法所要求的間隔選定的序列間等待時(shí)間的多序列。利用水作為測(cè)試物質(zhì)以測(cè)定T,特性的方法的測(cè)試結(jié)果在圖9中顯示， RF翻轉(zhuǎn)角為10.66度。圖示在多個(gè)RF脈沖中的每一個(gè)之后測(cè)得的FID信 號(hào)幅度，延遲時(shí)間為50毫秒時(shí)圖示為曲線92及其相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，延遲時(shí)間 為100毫秒時(shí)圖示為曲線94及其相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，延遲時(shí)間為200毫秒時(shí)圖示 為曲線96及其相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)。相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果在圖IO中顯示，RF翻轉(zhuǎn)角為11.25度。圖IO所示結(jié) 果對(duì)于50毫秒、100毫秒和、200毫秒和400毫秒的延遲時(shí)間分別為曲線 100、曲線102、曲線104和曲線106。本發(fā)明的方法能夠確定測(cè)井的自由感應(yīng)衰減幅度和可由其確定的參 數(shù)。本發(fā)明的方法還能夠在 一個(gè)測(cè)量脈沖序列中確定地層的縱向弛豫時(shí)間， 而不需要測(cè)量序列之間具有等待時(shí)間的多脈沖序列。本發(fā)明的方法還可用 于確定地層和地層中流體的自擴(kuò)散常數(shù)。將前述方法描述為通過在鉆穿地層的井筒內(nèi)測(cè)量地層性質(zhì)的測(cè)井儀器 實(shí)施。對(duì)從地層中提取的流體樣品進(jìn)行類似的測(cè)量落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 因而，在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，從地層中提取流體樣品，可以基本上與 對(duì)地層本身相同的方式實(shí)施上述方法中的任一種。在授予Haddad等并在此 引入作為參考的美國(guó)專利7,036,362中描述了從地層中提取流體樣品的一種 設(shè)備。以上披露的用于感生靜態(tài)和RF磁場(chǎng)以及檢測(cè)NMR信號(hào)的部件可包 括在例如'362專利中所述的設(shè)備中，用于通過所述儀器對(duì)從地層中提取的 流體樣品實(shí)施上述NMR方法。盡管就數(shù)量有限的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但受益于本申請(qǐng)的 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，可作出不脫離如本申請(qǐng)所披露的本發(fā)明范 圍的其它實(shí)施方案。從而，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種使用井下測(cè)井工具獲得自由感應(yīng)衰減信號(hào)的方法，包括在樣區(qū)感生靜態(tài)磁場(chǎng)；在所述樣區(qū)感生傾斜的射頻磁場(chǎng)，該傾斜的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，以使靜態(tài)磁場(chǎng)的不均勻度對(duì)自由感應(yīng)衰減時(shí)間的影響最小化；和檢測(cè)所述樣區(qū)的自由感應(yīng)衰減信號(hào)。
2. 權(quán)利要求l的方法，還包括感生傾斜的射頻磁場(chǎng)之后經(jīng)過一段延遲時(shí)間后，在所述樣區(qū)感生再聚 焦的射頻》茲場(chǎng)；和檢測(cè)感生所述再聚焦的射頻磁場(chǎng)所產(chǎn)生的至少一個(gè)自旋回聲。
3. 權(quán)利要求2的方法，還包括將感生再聚焦的射頻磁場(chǎng)和其后檢測(cè)自旋回聲重復(fù)選定次數(shù)，并測(cè)定 所述樣區(qū)中的物質(zhì)的至少一種特性。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中所述傾斜的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)， 以使所述樣區(qū)中核的自旋以選定的第一角度重新取向。
5. 權(quán)利要求4的方法，其中所述選定的第一角度基本為90度。
6. 權(quán)利要求2的方法，其中所述再聚焦的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)， 以基本反轉(zhuǎn)所述樣區(qū)中的核自旋。
7. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一種特性包括所述樣區(qū)中多孔介 質(zhì)的孔隙中的流體的橫向弛豫時(shí)間。
8. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一種特性包括所述樣區(qū)中多孔介 質(zhì)的孔隙中的流體的自擴(kuò)散常數(shù)。
9. 權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一種特性包括所述樣區(qū)中多孔介 質(zhì)的孔隙中的流體的縱向弛豫時(shí)間。
10. 權(quán)利要求l的方法，還包括根據(jù)所檢測(cè)到的自由感應(yīng)衰減信號(hào)，測(cè)定所述樣區(qū)中的物質(zhì)的至少一種特性。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中所述至少一種特性包括多孔介質(zhì)的孔隙的體積分?jǐn)?shù)。
12. 權(quán)利要求1的方法，其中所述樣區(qū)設(shè)置在經(jīng)地下鉆出的井筒的周圍地層中。
13. 權(quán)利要求1的方法，其中所述樣區(qū)設(shè)置在從地下地層采出的流體 的選定區(qū)域中。
14. 一種測(cè)定樣區(qū)中的物質(zhì)的至少一種特性的方法，包括 在所述樣區(qū)中感生靜態(tài)磁場(chǎng)；在所述樣區(qū)中感生傾斜的射頻磁場(chǎng)，所述傾斜的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇 的參數(shù)，以使核磁自旋以選定的第一角度取向；經(jīng)過一段延遲之后，在所述樣區(qū)中感生再取向的射頻i茲場(chǎng)，所述再取 向的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，以使^茲自旋以選擇的第二角度重新取向 并使靜態(tài)磁場(chǎng)的不均勻度對(duì)自由感應(yīng)衰減時(shí)間的影響最小化；檢測(cè)所述樣區(qū)的自由感應(yīng)衰減信號(hào)；重復(fù)感生再取向的射頻磁場(chǎng)和檢測(cè)自由感應(yīng)衰減信號(hào)，以產(chǎn)生多個(gè)自 由感應(yīng)衰減信號(hào)；和由至少一個(gè)自由感應(yīng)衰減信號(hào)測(cè)定至少一種特性。
15. 權(quán)利要求14的方法，其中所述傾斜的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)， 以基本反轉(zhuǎn)核磁自旋。
16. 權(quán)利要求14的方法，其中所述傾斜的射頻磁場(chǎng)包括多個(gè)飽和射頻 磁場(chǎng)。
17. 權(quán)利要求14的方法，其中所述選擇的第二角度基本為10~40度。
18. 權(quán)利要求14的方法，還包括由單個(gè)測(cè)量脈沖序列測(cè)定樣區(qū)中的物質(zhì)的至少 一種特性。
19. 權(quán)利要求14的方法，其中所述樣區(qū)設(shè)置在經(jīng)地下鉆出的井筒的周圍地層中。
20. 權(quán)利要求14的方法，其中所述樣區(qū)設(shè)置在從地下地層采出的流體 的選定區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及測(cè)量自由感應(yīng)衰減信號(hào)的方法和設(shè)備及其在組成分析方面的用途。所述使用測(cè)井工具獲得自由感應(yīng)衰減信號(hào)的方法，包括在樣區(qū)感生靜態(tài)磁場(chǎng)。然后在樣區(qū)感生射頻(RF)磁場(chǎng)。射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，以使靜態(tài)磁場(chǎng)的不均勻度對(duì)自由感應(yīng)衰減時(shí)間的影響最小化。然后檢測(cè)樣區(qū)的自由感應(yīng)衰減信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，在感生射頻磁場(chǎng)之前，先在樣區(qū)感生再取向的射頻磁場(chǎng)，使磁自旋以選擇的第一角度重新取向。在該實(shí)例中感生的射頻磁場(chǎng)具有經(jīng)選擇的參數(shù)，以使自旋以第二角度重新取向。重復(fù)感生射頻磁場(chǎng)和檢測(cè)自由感應(yīng)衰減信號(hào)，直至基本達(dá)到核磁平衡。
文檔編號(hào)G01V3/32GK101328805SQ200810128528
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者克里什納默西·加尼森 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司