CN100335916C - 井筒中构造特性的方位角nmr成像 - Google Patents

Abstract

用于进行NMR测量的方法和设备，抑制来自钻孔内对NMR信号的贡献。在检查区域内，RF磁场具有空间变化的强度。NMR信号(自由感应延迟或自旋回声信号)被转换以给出作为场强度的函数的自旋密度。然后利用已知的RF场变化将这一转换映射到空间位置上。可抑制来自钻孔内部的信号影响。还有可能得到自旋密度的方位角图像。

Description

井筒中构造特性的方位角NMR成像

技术领域

本发明处于核磁共振测试设备领域。特定地，本发明为用于在钻井时对构造特性的方位角成像进行NMR测试的设备。

背景技术

已经有很多种技术与钻井配合来确定井筒周围土地构造中是否存在碳氢化合物(石油和天然气)并估计其数量。这些方法都设计成确定构造参数(在这一申请中称为“感兴趣参数”)，其中包括：岩石构造的孔隙度、液体含量和渗透性。通常，设计用于提供所需信息的工具用来对井筒做记录。很多记录都是在井筒钻出之后完成的。移开钻井设备以对井筒进行记录增加了时间和金钱成本。最近，已经可以在钻井的同时对井筒进行记录，称作钻孔同时测量(“MWD”)或钻孔同时记录(“LWD”)。还可以在将钻绳从井筒中解扣时进行测量。这称作解扣同时测量(“MWT”)。

最近发展的一项技术包括利用核磁共振(NMR)记录工具和方法来确定其中岩石构造的孔隙度、碳氢化合物饱和度和渗透性。NMR记录工具用来激发井筒附近地质构造中的液体的原子核，从而可估算地址构造的某些参数，例如自旋密度、纵向驰豫时间(技术中通常称作“T₁”)和横向驰豫时间(通常称作“T₂”)。从这样的测量中可以确定孔隙度、渗透性和碳氢化合物饱和度，这些参数提供了关于地址构造的构成和可开采碳氢化合物的总量的有用信息。

NMR井记录仪器通常包括用以在土地构造中引入静磁场的永磁铁和靠近磁铁的传输天线，天线的形状使得天线中的射频功率(“RF”)脉冲在土地构造中引入RF磁场。RF磁场通常与静磁场正交。在RF脉冲之后，氢或其它原子核的原子核自旋轴关于静磁场的进动旋转在接收天线中引入电压。进动旋转发生在静磁场强度与RF磁场频率相当的激发区域中。可以设计RF脉冲序列来操纵原子核磁化，从而可获得构造的NMR特性的不同方面。

对于NMR井记录，最常用的序列是CPMG序列，包含一个激发脉冲和许多重聚焦脉冲。对于这些NMR方法来说感兴趣的区域通常完全处于岩石构造内部。然而，由静磁场的强度和RF磁场的频率所确定的敏感区却可以处于钻孔中，从而产生了错误信号。由于钻孔的不同几何尺寸，设计了不同的NMR记录方法。对于探测装置位于中心的小的轴对称钻孔来说，有可能获得来自岩石构造内的轴对称区域的信息。

NMR记录中一个感兴趣的问题是获得关于环绕钻孔的土地构造的方位角信息。授予Sezginer等人的U.S.Patent 5,977,768提出使用分段天线来获得这样的信息。静磁场由一对相对的平行于工具纵轴磁化的磁铁来产生。检查区域为环绕钻孔的环形地带。通过使用分段天线，每个天线主要接收来自一个象限的信号。授予Poitzsch等人的U.S.Patent 6,255,817提出一种用于分析来自Sezginer装置的数据的方法。授予Ganesan等人的U.S.Patent 6,326.784公开了一种布置，其中使用梯度线圈来抑制检查区域的某些部分的自旋回声信号。正如本领域技术人员所知的，由相对磁铁结构确定的环形区域通常小于横向双极磁铁布置所确定的区域。这一特征限制了获得信号的区域进而降低了信号水平。

随着工具使用横向双极磁铁结构产生了一个显然无关的问题。一个例子就存在于“侧视”NMR工具中，这种工具对工具的一侧上的NMR激发敏感，而对另一侧上的NMR激发更不敏感。工具的更敏感一侧通常压在钻孔邻近构造的侧墙上，从而给出NMR工具的RF场发生组件与NMR研究的构造区之间的最小间隔。浴室工具的更不敏感一侧朝向钻孔。这一可使用的NMR技术在钻孔直径远大于NMR工具直径时最为有效。

通常，侧视NMR工具以特殊关系建立静和RF磁场分布以实现NMR工具某一侧上的最大NMR敏感度。这些传统的侧视NMR技术都是众所周知的，在下列专利中都有提出：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专利提出一种侧视NMR工具，它产生静磁场，导致只在工具前侧上的敏感区。这一工具前面的敏感区产生梯度基本为零的场，而这一工具后面的区域具有梯度相对较大的场。因此，与工具后面的NMR区域相比，工具前面敏感NMR区域的体积大得多并且对合成的NMR信号起更主要的贡献。然而，’787专利技术只在工具前面的敏感区非常靠近工具的时候才有用。因此这一条件限制了NMR研究的可实现的深度。’787工具设计还需要敏感区中梯度基本为零。然而，在NMR井记录中并不是总能实现这样的零梯度，因为许多相关NMR技术依赖于NMR敏感区内具有有限、已知的梯度。

Hanley’342专利提出一种NMR工具技术，它给出局域在工具前面的均匀区域。’342工具设计克服了敏感区要不切实际地靠近NMR工具的不利要求。然而，它也有不足之处，因为敏感区不是沿NMR工具或的纵轴或钻孔轴延伸的，导致了由于运动影响而引起的难以接收的误差。

Hanley’528公开了Jackson装置的另一变体，其中将导电材料屏蔽罩邻近电线圈组放置并垂直错开，由此RF天线所产生的磁场不对称地与磁铁的轴错开。与Jackson装置中一样，均匀静场区域保持环形。Hanley’528装置可以在大的钻孔中工作，钻孔信号减弱。两种Hanley装置都有这样的缺点：检查区域的轴向延伸很小，从而它们不能在高度记录速度下工作。

有几种装置致力于解决永磁铁的基本Jackson结构有限的轴向延伸问题。授予Taicher等人的U.S.Patent 4,717,877提出使用延长的柱状永磁铁，其中磁极位于磁铁相对的曲面上。来自这种磁铁的静场与磁极位于延长磁铁的对称轴中心上的磁场相似，给出平行于钻孔轴衍生的检查区。Taicher装置中的RF线圈也是双极天线，其中心与磁铁对称轴重合，从而在钻孔360°方位角中静和磁场的都互相正交。

授予Prammer的U.S.Patent 6,023,164公开了Taicher专利的一个变体，其中工具在钻孔中工作。在Prammer装置中，NMR记录探头带有套管，具有半圆形RF屏蔽罩覆盖磁铁的一个磁极。屏蔽罩阻挡来自探头某一侧的信号。探头带有将探头未被覆盖的一侧压在钻孔侧壁上的元件从而未覆盖侧所接收到的信号主要来自构造。

对于Prammer’164和Hanley’528装置来说，为了时探头后面的场最弱而维持探头前面的敏感度，屏蔽罩应当尽可能远离前侧区域。屏蔽罩的有效性受工具直径限制。在没有屏蔽罩存在时，Prammer’164和Hanley’528工具具有环形敏感区，从而以偏心方式使用两种装置中任何一个都会导致大的来自钻孔液体的信号。

无源RF屏蔽罩通常尽可能远离前侧区域以便不会破坏所需区域中的NMR工具敏感度，并且还要尽可能靠近后侧区域以获得最大有效性。由此可见无源屏蔽罩的有效性最终受工具直径的限制。如果我们无法用工具内的屏蔽罩实现足够的衰减，那么我们将不得不采用下列不合意方式之一：使用大磁铁使背面区域尽可能远；减弱来自前面区域的信号；或在工具外面安置屏蔽罩。从而，没有一种方法给出实际可行的解决方案。

授予Beard等人的U.S.Patent 6,348,792——其内容在此完全引入作为参考——介绍了一种主级静磁铁和次级整形磁铁组成的结构。整形磁铁用来将静磁场整形以使在工具周围更大的方位角扇区中与RF场相符合。装置背后部分中的屏蔽罩减弱了工具后面的RF场。相对于现有技术来说静和RF双极都旋转了90°，从而静双极指向工具侧面而RF双极指向工具前面。利用这一布置，充分增大了屏蔽罩中的涡电流，增大了其有效性。具有相同受让人的授予Reiderman的U.S.Patent 6,445,180——其内容在此完全引入作为参考——提出使用具有Beard专利的工具的主级和次级天线***。两者中更大的主级天线产生扩展的磁场，其大部分延伸到岩石构造中，一部分留在钻孔中。次级天线与主级天线同步工作，但是其电流沿与主级天线中电流方向相对的方向循环，导致在钻孔内的区域中抵消主级天线磁场的磁场，从而显著减少来自钻孔对探测到的NMR信号的贡献。

这些特殊申请的局限在于装置仅具有侧视(side-looking)模式，对于大的钻孔有用。然而，对于小的钻孔，使用中央模式更为有利，该模式在NMR工具的所有侧面上激发信号。从而不同直径的钻孔的记录需要使用不同工具，由于要有更多工具的库存，成本有所增加。与本申请具有相同受让人的授予Reiderman等人的U.S.Patent6,525,535——其内容在此完全引入作为参考——提出一种类似于Reiderman’180专利的方法和装置，其中次级天线可在小钻孔中用作增强天线。这使得有可能对多种钻孔尺寸使用相同的记录工具。

然而，当钻孔非常大时，Reiderman’451申请的装置可能无法完全抑制来自钻孔的信号。这一状况示于图3a和3b中。图3a示出置于钻孔301中的记录工具311。该工具示出处于侧视模式中，检查区域由321、323a和323b的组合表示。通过使用硬件补偿(可包括阻流天线以及基本磁铁和天线结构的布置，它们都没有在图中示出)，来自钻孔内325区域的信号被抑制了。

图3b示出处于大得多的钻孔301’中的同一记录工具311。如图所示，一部分由323a和323b所表示的检查区域现在落在钻孔内。钻孔液体包括大量水，因而来自钻孔液体的信号可能远大于来自构造的信号。即使在更小的具有大量冲失区的钻孔中也会发生类似问题。因此需要使用一种不同于硬件补偿的方法来抑制来自钻孔内的信号：这有可能使得在大得多的钻孔尺寸范围内使用相同的记录工具。理论上，这一对来自选定方位角扇区的信号的抑制与上面关于构造的方位角成像是同一问题。本发明致力于解决这一问题。

发明内容

本发明为利用钻孔中传送的核磁共振(NMR)记录工具确定土地构造的感兴趣区域的参数的方法。记录工具上的磁铁用来在包括所述感兴趣区域在内的区域中产生静磁场。一序列选定的射频(RF)脉冲用来在所述区域中产生RF磁场，获得表示感兴趣参数的信号。在本发明某一实施方案中，RF脉冲具有与Bessel(贝塞尔)函数的零点相关的脉冲长度，信号为自由感应衰减。在本发明的替代实施方案中，RF脉冲包括激发脉冲和随后的许多重聚焦脉冲，激发脉冲的长度与Bessel函数的零点相关，信号为自旋回声信号。

利用本发明的两种实施方案，通过进行反Hankel(汉克尔)变换，获得作为RF磁场强度的函数的自旋特性。从对RF磁场分布的认识，可以复原空间自旋分布。特定地，可对钻孔内和外的自旋之间以及自旋的方位角分布进行微分。

附图说明

图1(现有技术)示出通常用于穿入土地构造的钻孔中的侧视井记录工具；

图2(现有技术)为一示意图，示出RF阻流天线的使用；

图3a和3b示出与大直径钻孔中的记录相关的问题；

图4示出RF脉冲之后的自由感应衰减；

图5为一流程图，示出用于确定纵向驰豫时间的本发明第一实施方案；

图5a示出图2的工具结构的RF场分布；

图5b示出本发明某一实施方案的示例性脉冲序列；

图5c示出相应于图5b的脉冲序列的自由感应衰减；

图6示出根据用于确定横向驰豫时间的本发明第二实施方案的改良CPMG序列；

图7a和7b示出一流程图，说明用于确定横向驰豫时间；以及

图7c示出适合于与图7b所绘本发明实施方案一起使用的脉冲序列。

具体实施方式

图1(现有技术)示出适合于与本发明的方法一起使用的井记录NMR工具。记录工具102用在穿入土地构造107、108、109的钻孔103中用于土地构造特性的测量。图1中的钻孔103通常都填有所谓的“钻探泥浆”。侧视工具具有用于在邻近钻孔103的构造107、108、109中的调查区域105中产生NMR激发脉冲并接收来自区域105的NMR信号的天线组件104。调查区域105是对工具的某一侧。数据的处理可以由地面计算机完成，或者可以由井下处理器完成。

图2(现有技术)示出垂直于NMR工具的纵轴——通常平行于钻孔103的轴——的优选NMR探头。磁铁组件201在构造中邻近钻孔103的感兴趣区域105中引入所需的静磁场分布。主RF天线组件202以发射模式在感兴趣区域中产生RF磁场并以接收模式接收来自构造的激发区域(感兴趣区域)的NMR信号。第一天线组件、主RF天线包含天线绕组203和软磁心204以提高发射模式和接收模式的第一天线效率。在打的钻孔中，第二天线组件205用作有源阻流器，包含绕组206和优选地软磁心207以提高阻流器效率。天线和阻流器绕组可以是一圈扁平金属线或者多圈绕组。这一布置在直径大约12”(30cm)的钻孔中工作得很好。在更小的钻孔(通常直径小于8”)中，第二天线组件可以工作在增强模式，入Reiderman’451所述。

正如上面所讨论的，在直径大于大约12.25”(30.75cm)的非常大的钻孔或具有中等至严重冲失的更小钻孔中，检查区域中相当大一部分位于钻孔中。本发明的方法致力于校正这一信号的影响。本方法也适用于确定土地构造的特性中的方位角差异。

本发明基于旋转框架共轭摄影法。Hoult(1979)首先描述了称作旋转框架共轭摄影法的技术。他描述了两种方法。第一种方法对自旋的位置进行相位编码而另一种对信号振幅中的自旋的位置进行编码。在第一种方法中，磁化在空间变量射频磁场下进行。磁化由一个没有空间梯度的90°脉冲加到旋转框架的xy平面中。在这一点，旋转框架中的磁化的相位具有正比于位置的分量。在这一成像技术中下一步是改变空间变量RF磁场的振幅或时间长度并在90°脉冲之后收集自由感应衰减信号(FID)。然后进行Fourier变换产生图像。

所描述的第二种方法与本发明有关。对位置进行FID的振幅编码而不是对位置进行相位编码。这里顶锥角是RF场的振幅的函数。改变了脉冲宽度并收集FID。振幅是位置的Fourier正弦变换。

图4示出振幅旋转框架共轭摄影法技术。对于下面的讨论，使用了窄脉冲近似。结果是所有谐振偏移效应都可以忽略。提供脉冲过程中所施加的RF磁场的线圈形状要使得RF磁场在给定方向上在整个样品上线性变化。不失一般性，这一方向可标为x轴。从而磁场由下式给出：

$B_1\left(\stackrel{\→}{r}\right)=B_{10}+G_{1x}x---\left(1\right)$

其中B₁₀为常数G_1x为RF磁脉冲的线性梯度。在施加长度为τ的脉冲之后，FID信号的振幅由下式给出

$S\left(\mathrm{\τ}\right)\∝\underset{\mathrm{vol}}{\∫}{d}^3\mathrm{rm}\left(\stackrel{\→}{r}\right)\sin \left(\mathrm{\γ}(B_{10}+G_{1x}x)\mathrm{\τ}\right)---\left(2\right)$

其中积分对样品的整个体积进行。对y和z坐标的积分可以容易地进行，结果是信号为沿x轴投影的自旋强度的Fourier正弦变换，如下式所示：

$S\left(\mathrm{\τ}\right)\∝{\∫}_a^b\mathrm{dx}{m}_{\⊥}\left(x\right)\sin \left(\mathrm{\γ}(B_{10}+G_{1x}x)\mathrm{\τ}\right)---\left(2a\right)$

其中m_⊥为磁化沿给定轴的投影(本情形中的x轴)。积分上下限a和b为样品的最大扩展范围。对式(2a)进行正弦变换得到：

$S\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{d\τ}\sin \mathrm{\ω\τS}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{d\τ}\sin \mathrm{\ω\τ}\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{dx}{m}_{\⊥}\left(x\right)\sin \left(\mathrm{\γ}(B_{10}+G_{1x}x)\mathrm{\τ}\right)$

$\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{dx}{m}_{\⊥}\left(x\right)\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\mathrm{d\τ}\sin \mathrm{\ω\τ}\sin \left(\mathrm{\γ}(B_{10}+G_{1x}x)\mathrm{\τ}\right)$

$\∝\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\mathrm{dx}{m}_{\⊥}\left(x\right)\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\γ}(B_{10}+G_{1x}x))=m_{\⊥}\left(\frac{\mathrm{\ω}-\mathrm{\γ}{B}_{10}}{\mathrm{\γ}{G}_{1x}}\right)---\left(2b\right)$

这样，S(τ)的正弦变换正比于投影到x轴上ω＝γ(B₁₀+G_1xx)处的自旋密度。本发明的方法依赖于下述事实：利用上面参考图2描述的优选硬件结构，RF场从工具前面的最大值变化到后面的接近零。也有其它磁铁和线圈结构，其中在整个敏感区域中有空间变化的RF场，本发明的方法可与具有这种结构的工具一起使用。

上述实施例可以概括为作为空间变量的任意函数的RF磁场。代入任意空间变化RF磁场B₁＝B₁(x)(对线性场来说B₁＝B₁₀+G_1xx)，信号某一维数中的Fourier正弦变换为：

$S\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\∫\mathrm{d\τ}\sin \left(\mathrm{\ω\τ}\right)S\left(\mathrm{\γ}{B}_1\left(x\right)\mathrm{\τ}\right)$

$=\∫\mathrm{dxm}\left(x\right)\mathrm{\δ}(\mathrm{\ω}-\mathrm{\γ}{B}_1\left(x\right))$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{\γ}\frac{{\mathrm{dB}}_1\left(x\right)}{\mathrm{dx}}{|}_{x_m}\right)}^{-1}\∫\mathrm{dxm}\left(x\right)\mathrm{\δ}(x-x_n),---\left(3\right)$

其中x_n为γB₁(x)-ω的零点。变换考虑了任意函数的Δ函数的已知特性。这样，如果RF磁场变化很大的话，变换了的信号可包含来自许多不同位置的信号。然而，对于单调函数来说对每个具有样品中相应位置的频率有一个零点。可以容易地将与小的B₁值相关的信号从与大的B₁相关的信号中分离出来。

上面关于FID描述了本发明的原理。在井记录环境中，激发体积受频带限制。它不是由线圈体积确定而是由静磁场的均匀性和空间分布来决定。敏感体积的范围可以由下面的表达式近似：

ΔB₀/B₁≤1，            (4)

其中ΔB₀为静磁场和相应于RF工作频率的磁场之差。远离谐振的自旋对接收到的信号没有贡献因此不包括在敏感体积内。式(4)仅仅是近似，更确切的表达式将需要对井记录工具设计的详细分析。因此，不能用窄脉冲近似并且在任何脉冲序列的分析中必须考虑非共振影响。

考虑图4所示的跟随了FID的单脉冲。互易定理(Hoult和Richards，1976)给出线圈中电压增量作为RF磁场和磁化的函数。在一些代数处理之后这一关系转变为下述表达式(Hurlimann和Griffin，2000)：

$S\left(t\right)\≈\frac{2\mathrm{\χ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{\mathrm{\ω}}_0^2\∫\∫d{\mathrm{\ω}}_{1}d\left(\mathrm{\Δ\ω}\right){\mathrm{\ω}}_{1}f(\mathrm{\Δ\ω},{\mathrm{\ω}}_1)m_{x,y}(\mathrm{\Δ\ω},{\mathrm{\ω}}_1),---\left(5\right)$

其中χ为核磁磁化率，μ₀为自由空间磁导率，I为线圈中电流，ω₁＝γB₁，而Δω＝ω₀-γB。函数f为给定偏移频率和RF场振幅下的质子密度。参量m_x，y为平衡时归一化横向磁化的分量。B为磁场而ω₀为RF磁场的角频率。式(5)要对ω₁和Δω的所有值积分，但是实际上对Δω的积分可限制于几倍ω₁。

紧跟着脉冲之后，横向磁化分量由下式给出(Morris，1986)：

$m_x=\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}(1-\cos \left(\mathrm{\τ}\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_1}^2+{\mathrm{\Δ\ω}}^2}\right)),$

$m_y=\sin \mathrm{\θ}\sin \left(\mathrm{\τ}\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_1}^2+{\mathrm{\Δ\ω}}^2}\right),---\left(5a\right)$

其中

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\Δ\ω}}---\left(5b\right)$

在接近谐振处f(Δω，ω₁)与Δω无关的特殊情形——例如具有基本辐射状梯度的记录工具——中，式(5)和(5a)得到紧接着脉冲的振幅在对整个Δω积分之后的简单表达式。磁化的同相部分或x分量积分为零，而y或正交分量积分为：

$S\left(\mathrm{\τ}\right)\≈\frac{2\mathrm{\χ}}{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{\mathrm{\ω}}_0^2\underset{0}{\overset{{\mathrm{\ω}}_{1\max }}{\∫}}d{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}f\left({\mathrm{\ω}}_1\right)\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\γG}}{J}_0\left({\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\τ}\right),---\left(6\right)$

其中G为静磁场梯度，J₀为零阶Bessel函数而ω_1max为B₁(x)的最大值。如果G为常数与ω₁无关，那么式(6)显示NMR信号的振幅为作为RF磁场振幅的函数的质子密度与RF振幅本身的乘积的有限Hankel变换。因为Bessel函数为完备集，利用反变换有限Hankel变换可以得到作为RF场振幅的函数的质子密度。小心改变变量，可得到如下结果：

${\mathrm{\ω}}_{1}f\left({\mathrm{\ω}}_1\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{I\γG}}{\mathrm{\π\χ}{\mathrm{\ω}}_0^2{\mathrm{\ω}}_{1\max }^2}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S\left({\mathrm{\ω}}_{1\max }{\mathrm{\τ}}_n\right)}{\left({\mathrm{\ω}}_{1\max }{\mathrm{\τ}}_n\right)}{J}_0\left({\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\τ}}_n\right).---\left(7\right)$

这里τ_n的值与零阶Bessel函数的零点j_0，n有关，如下

ω_1maxτ_n＝j_0，n.                                  (8)

在实际应用中反Hankel变换作为求和使用。

表I给出J₀(x)初始零点的值。

表I：J₀(x)的零点

N	j0，n
		1	2.4048
2	5.5201
		3	8.6537
4	11.7915
		5	14.9309

式(6)中的和数是无穷的，不适合用于要在有限长度的时间内进行的实验。这样，应当截断这一数列作为近似。这一截断去除了随RF振幅快速振荡的分量，导致作为RF振幅的函数的自旋密度的更平滑的估算。只要RF振幅是敏感区内位置的合理行为函数，作为RF振幅的函数的密度可以映射为作为位置的函数的密度。例如，上面参考图2所讨论的优选工具设计成发射过程中使用的RF振幅从工具前面大最大值单调变化到工具后面的最小值(几乎为0)。从而一个简单的变换将自旋密度从ω₁的函数变成从前面到后面的角度的函数。

现在参看图5，示出本发明第一实施方案的流程图。为式(7)中的Bessel函数数列选择了最多项数n_max。这是基于对工具的RF磁场的场梯度的经验和了解。一个实际的约束是可用在获取数据上的采集时间的总量。N的值初始设为零501并递增502。由式(8)和零阶Bessel函数的第一个零点——即2.4048——确定脉冲长度τ₁。获取相应于选定的脉冲长度值的FID 503。进行检查来看是否已经超过了最大脉冲数505。如果答案是“否”507，则n的值递增一502并选择另一脉冲长度和获取FID。如果答案是“是”509，则将所得数据变换到频域之后根据式(7)进行反Hankel变换511，给出作为RF磁场(频域中)的函数的自旋密度。利用已知的RF场强度的空间变化进行从RF磁场向空间位置的简单映射513。一旦完成了这一步骤，那么就是一个直接的程序来确定信号中来自钻孔内(从而来自钻孔液体)的部分和信号中在钻孔外的部分。在上面参考图2讨论的优选硬件装置中，预定的RF磁场强度截止点将把分布分成两个部分。低于截止点的部分将相应于来自钻孔的信号而超过截止点的部分将相应于来自构造的信号。利用上述方法，可以确定土地构造的感兴趣参数，例如自旋密度函数。

图5a示出RF场强度的一个实施例。所示出的是图2所示的器件的RF磁场分布。方位角为从器件的前面到器件的后面。轴上的零点为器件对称轴。在示出的单元中，最大的B₁为0.022。对于给定的轴向位置，RF磁场近似均匀地衰减，到大于大约100°的角度时接近零。

利用卡钳——优选地声学卡钳(未示出)——来获得工具和任何可能出现在钻井中的冲失的确切位置，可以进一步改善结果。利用卡钳调整截止可以纠正冲失和/或不适当的工具定位所可能导致的问题。例如，授予Priest的U.S.Patent 5,638,337和5,737,277提出用于从声学卡钳数据确定钻孔几何尺寸的方法。Priest提出的方法或其它合适的方法可用于确定RF磁场的截止。

图5b和5c中示出适用于图5的流程图中所描述的发明的脉冲序列。图5b中所示的为一个示例性脉冲序列，包含三个持续时间分别为τ1、τ2、τ3的三个脉冲551、553、555，两两之间相隔时间TW。所得的自由感应衰减信号561、563、565示于图5c中。按上面所讨论的选择τ，使用FID信号最大值用于分析。

本发明的另一实施方案使用了使用改进CPMG序列而得到的自旋回声信号。Hurlimann和Griffin显示回声振幅的渐进行为在一级近似上与FID在单个脉冲之后一致。因此，有可能与改进CPMG序列一起使用本发明的方法。本发明的这一方面结合图6进行了讨论。

图6中示出的是长度τ_a的尖脉冲601和跟随其后的许多长度τ_b的重聚焦脉冲603。还示出了跟随重聚焦脉冲之后的自旋回声信号605。图7的流程图示出这样的自旋回声数据是如何杯用来得到所需的构造特性的。

现在参看图7a，n的值初始设为零701并递增703。利用改进CPMG序列获取自旋回声信号705，该序列中尖脉冲持续时间τa根据式(8)选取。用于获得自旋回声信号的脉冲序列绘于图7c中。图7c示出第一改进CPMG序列751，具有尖脉冲τ1和跟随其后的重聚焦脉冲，两者之间相隔时间TE。重聚焦脉冲具有小于180°的顶锥角，正如授予Reiderman等人的U.S.Patent 6,163,153(与本申请具有相同的受让人)中公开的那样。应当指出本发明的方法也可与具有180°顶锥角的重聚焦脉冲一起使用。

回过来看图7a，进行检查看是否要应用更多的脉冲序列707。如果答案是“是”，那么n递增一703并应用另一脉冲序列705。这一后续的脉冲序列在图7c中由753绘出并在TW的等待时间之后跟随第一脉冲序列751。如图7c中所见，后续脉冲序列具有顶锥角τ2的尖脉冲。回到图7a，继续获取附加脉冲序列的过程直到不用再获取更多的序列707。这样，得到了一组数据S(θ_a，n，m)，其中m为回声数从而回声发生在时间mTE处，其中TE为回声间距，θ_a，n为尖脉冲的顶锥角τ_n。

在选定所需数目的的尖脉冲值之后，在709开始回声信号的分析，在709设置回声指数为0，递增一711，并根据式(7)对第m个回声信号将所有n个脉冲序列求和713。进行检查看是否有更多的m值要处理715。求和了的自旋回声信号代表作为RF场振幅和回声时间的函数的自旋密度S(ω₁，m)。保持ω₁为常数，利用技术中已知的方法可以将这些回声振幅反转，S(ω₁，m)变成S(ω₁，T₂)。换句话说，生成了图7b中作为RF磁场和T₂的函数的自旋密度图717。接下来，利用已知的RF场振幅将自旋密度映射为空间位置。

用于表示图7c的脉冲序列的一个方便形式为下式：

${[{\mathrm{\τ}}_j-\frac{\mathrm{TE}}{2}-{(R-\mathrm{TE})}_i-\mathrm{TW}]}_j$

其中TE为重聚焦脉冲R之间的时间间隔，τ_j为尖脉冲，TW为等待时间，i为重聚焦脉冲的序数，j为对单个尖脉冲获得的CPMG(或改进CPMG)序列的序数。对于改进CPMG序列来说，重聚焦脉冲的顶锥角小于180°。

在对上述实施方案的分析中，假设了发射RF的振幅和接收RF的振幅相同。换句话说，对发射和接收使用同一线圈。然而，本发明也很适用于发射和接收使用不同线圈的情况，这是本发明所公开的补充实施方案。在一般情形中，式(6)和(7)中的自旋密度函数由下式替代：

f(ω₁)←∫dω_1rω_1rf(ω₁，ω_1r)，               (9)

其中ω_1r为接收线圈中的电流1产生的RF磁场，f(ω₁，ω_1r)为作为接收和发射RF场振幅的函数的自旋密度分布。最先描述的两个实施方案为这一一般情形的特例。

图5a中所示的RF磁场分布可见对于上面所讨论的示例性NMR工具来说在大约25cm和0°方位角处具有最大值。图中只示出了分布的一半，负方位角上的分布基本相同。这样在上面所讨论的程序中，来自正和负方位角的值将被合在一起。这一事实会使得在获得构造特性的完整方位角图像上存在问题。然而，这并不是接下来所讨论的问题。

在本发明另一实施方案中，用旋转工具进行测量。这一附加实施方案可容易地在MWD应用中完成，其中NMR工具在旋转井底钻具组件(BHA)(未示出)上运动，在BHA旋转过程中进行测量，保留部分图像。这一保留的图像可以是来自，例如，零度方位线任何一侧上的15°扇区的数据，给出一个30°扇区中的局部图像。随着NMR工具的继续旋转，在另外的旋转角度处重复测量，给出已成像数据的其它扇区。然后将各扇区图像组合得到完整图像。

上面提到的关于正和负方位角关于对称方向重合的问题不是一个主要问题，因为在NMR信号采集过程中工具无论如何都会发生旋转，导致一定量的拖尾。对于MWD设备来说，处理器可位于BHA中。

虽然前面讨论了本发明的包括优选实施方案在内的几个实施方案，但是对于本领域技术人员来说各种调整是显而易见的。由于本公开是写给那些本领域技术人员，因此预计前面的公开包含了所附权利要求的领域和精神中的所有变体。

Claims (27)

1.一种利用在钻孔中传送的核磁共振工具确定土地构造的某个区域的感兴趣参数的方法，该方法包含：

(a)在所述区域中产生静磁场；

(b)发射射频脉冲序列并在所述区域中产生射频磁场，所述射频磁场在所述区域中具有空间变化的强度，所述射频脉冲的至少一个具有与贝塞尔函数的零点相关的脉冲长度；

(c)接收由所述射频磁场产生的核磁共振信号；以及

(d)利用所述接收的核磁共振信号确定所述感兴趣参数。

2.根据权利要求1的方法，其中所述感兴趣参数包含至少以下之一：(i)自旋密度函数，(ii)孔隙度，(iii)流体含量，(iv)渗透性，(v)纵向驰豫时间和(vi)横向驰豫时间。

3.根据权利要求1的方法，其中所述核磁共振信号包含自由感应延迟信号。

4.根据权利要求1的方法，其中所述射频脉冲序列包含尖脉冲和重聚焦脉冲，并且其中所述核磁共振信号包含自旋回声信号。

5.根据权利要求3的方法，其中确定所述感兴趣参数进一步包含对所述核磁共振信号进行反汉克尔变换。

6.根据权利要求5的方法，其中确定所述感兴趣参数进一步包含使用空间映射将所述自旋密度映射到空间位置上。

7.根据权利要求4的方法，其中所述射频脉冲序列为下述形式：

${[{\mathrm{\τ}}_j-\frac{\mathrm{TE}}{2}-{(R-\mathrm{TE})}_i-\mathrm{TW}]}_j$

其中TE为重聚焦脉冲R之间的时间间隔，τ_j为尖脉冲，TW为等待时间，i为重聚焦脉冲的序数，j为对单个尖脉冲获得的CPMG序列的序数或改进的CPMG序列的序数。

8.根据权利要求7的方法，其中确定所述感兴趣参数进一步包含将从所述射频脉冲序列得到的自旋回声信号对某一选定的i值对序数j求和。

9.根据权利要求8的方法，其中所述求和为加权求和。

10.根据权利要求9的方法，其中确定所述感兴趣参数进一步包含使用空间映射将所述自旋密度映射到空间位置上。

11.根据权利要求6的方法，进一步包含确定与在所述钻孔之外的区域的一部分有关的自旋。

12.根据权利要求10的方法，进一步包含确定与在所述钻孔之外的区域的一部分有关的自旋。

13.根据权利要求6的方法，进一步包含将所述自旋分隔成方位角扇区。

14.根据权利要求10的方法，进一步包含将所述自旋分隔成方位角扇区。

15.根据权利要求1的方法，进一步包含对所述工具的多个不同方位角取向重复步骤(a)-(d)。

16.根据权利要求15的方法，进一步在底孔组件上将所述核磁共振工具传送到所述钻孔中。

17.一种用于确定土地构造的某个区域的感兴趣参数的设备，包含：

(a)磁铁，用于在该区域内产生静磁场；

(b)发射器，用于在所述区域中发射一射频脉冲序列并在所述区域生成射频磁场，所述射频磁场在所述区域中具有空间变化的强度；

(c)处理器，用于控制所述发射器并确定所述射频脉冲的至少一个具有与贝塞尔函数的零点相关的脉冲长度；

(d)接收器，用于接收由所述射频磁场产生的核磁共振信号；以及

(e)处理器，用于从所述核磁共振信号确定所述感兴趣参数。

18.根据权利要求17的设备，其中所述感兴趣参数包含至少以下之一：(i)自旋密度函数，(ii)孔隙度，(iii)流体含量，(iv)渗透性，(v)纵向驰豫时间和(vi)横向驰豫时间。

19.根据权利要求17的设备，其中所述核磁共振信号包含自由感应延迟信号。

20.根据权利要求17的设备，其中所述射频脉冲序列包含尖脉冲和重聚焦脉冲，并且其中所述核磁共振信号包含自旋回声信号。

21.根据权利要求17的设备，其中(e)中的所述处理器配置成确定作为所述射频场强度的函数的自旋密度。

22.根据权利要求21的设备，其中所述处理器配置成将所述自旋密度变换成空间位置。

23.根据权利要求21的设备，其中所述射频脉冲序列为下述形式：

${[{\mathrm{\τ}}_j-\frac{\mathrm{TE}}{2}-{(R-\mathrm{TE})}_i-\mathrm{TW}]}_j$

其中TE为重聚焦脉冲R之间的时间间隔，τ_j为尖脉冲，TW为等待时间，i为重聚焦脉冲的序数，j为对单个尖脉冲获得的CPMG序列的序数或改进的CPMG序列的序数。

24.根据权利要求17的设备，其中用同一天线来发射所述射频脉冲和接收所述核磁共振信号。

25.根据权利要求17的设备，其中(c)中的所述处理器和(e)中的所述处理器相同。

26.根据权利要求1的方法，其中所述贝塞尔函数是零阶和第一类贝塞尔函数。

27.根据权利要求17的设备，其中所述贝塞尔函数是零阶和第一类贝塞尔函数。

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