CN101220743A

CN101220743A - 核磁共振模块

Info

Publication number: CN101220743A
Application number: CNA2007103003726A
Authority: CN
Inventors: Y·-Q·宋; R·盖洛
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Prad Research and Development Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: GB2445247B; CA2616274A1; US7667462B2; GB2445247A; CA2616274C; GB0724715D0; CN101220743B; NO20076556L; NO341693B1; US20080150524A1

Abstract

一种核磁共振模块，其可结合包括井下井壁取芯工具在内的各种不同工具以及生产过程控制器一起使用。在一个实施例中，该核磁共振装置包括围绕样品室构造的磁体组件。该磁体组件被构造和设置成在该样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场。梯度场的使用允许可适应各种不同应用场合的更灵活稳健的磁体组件设计。

Description

核磁共振模块

技术领域

本发明涉及核磁共振工具。

背景技术

核磁共振(NMR)已经成为一种普通的缆式测井服务，其已经被广泛用于评估岩石性质(诸如孔隙度、渗透率、束缚流体等)和流体性质(例如饱和度、粘度、含油率和含气率等)。NMR测量通常是通过让地层中的核子磁矩(“自旋”)围绕轴线进动来实现的。通过将极化强静磁场(B₀)施加在样品中使质子自旋排列在与此外加场平行的方向上，形成核子进动所围绕的轴线。接着，产生一系列射频(RF)脉冲，将振荡磁场B₁施加在样品上。静场B₀和振荡场B₁应当彼此大致垂直。RF脉冲序列通常以90度脉冲开始，该90度脉冲使磁化强度从B₀大致旋转至横向平面上。例如，施加另外的RF脉冲诸如180度脉冲以形成一系列自旋回波。例如在Edwards等人的美国专利第6,111,409号中讨论过的，一种可使用的普通RF脉冲序列为纠错CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)NMR脉冲序列，在此引入作为参考。在文献中NMR技术是众所周知的，例如在Kleinberg的美国专利第6,346,813号中讨论的那样，在此引入作为参考。

为了促进可靠的储层模拟，要定期对储层流体进行采样，以便能够对它们的化学组分和物理性质进行分析(例如采用NMR方法)。这种采样可使用探头通过压力下降提取流体来完成，如果流动性(mobility)(渗透率/粘度)高于该探头下限。可被用来提取储层流体的探头实例为Schlumberger的模块式地层动态测试器(MDT)。对于低渗透率或者低温储层，重油的流动性会非常低。许多技术建议在压力下降之前对地层进行加热以降低油的粘度。然而，不可预测这些策略是否会可靠地重现与原始地层流体一致的样品。另外，疏松砂岩地层会给MDT式采样工具带来额外的挑战。

发明内容

本发明的各方面和实施例涉及一种核磁共振(NMR)模块，其提供梯度磁场以得到一种灵活的、低场且相对低成本的设计。该NMR装置可结合包括例如井底井壁取芯工具在内的各种不同工具和***以及各种生产过程控制器一起使用。磁体组件可以构造在样品室周围，以使要被分析的样品包含在NMR装置中，从而对于所需要的NMR测量例如扩散、驰豫时间(例如纵向驰豫时间T₁和/或横向驰豫时间T₂)、化学位移和本领域公知的其它类型的测量，使得在维持足够的信噪比的同时允许使用低强度的磁场。如在下文中讨论的那样，磁体组件可被构造成在一个或多个方向上提供大致均匀的场，且还在至少一个方向上提供基本非均匀的场或梯度场。磁场可通过在样品室周围的磁体布局来控制，因此，在至少一个实施例中，可以在不需要特殊设计的、昂贵的均匀磁体的情况下实现场均匀性。这样提供了一种适用于许多不同应用场合的灵活稳健的设计。

根据一个实施例，核磁共振装置可包括：样品室；围绕该样品室布置且构造和设置成在样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场的磁体组件；放置成基本围绕该样品室的射频(RF)线圈；以及与该RF线圈耦合且构造和设置成控制该RF线圈以产生RF脉冲序列的控制器；和构造并设置成向该RF线圈提供RF功率以产生RF脉冲序列的RF功率源。在一个实例中，磁体组件可包括：布置在样品室第一侧的第一永磁体；正对第一永磁体布置在样品室第二侧的第二永磁体；第一极片(pole piece)，其与第一永磁体耦合以使该第一极片置于第一永磁体和样品室之间；以及第二极片，其与第二永磁体耦合以使该第二极片置于第二永磁体和样品室之间。在另一个实施例中，磁体组件还可包括磁屏蔽，其被布置成基本上包围第一和第二永磁体，第一和第二极片和样品室。在一个实例中，通过选择第一和第二永磁体的位置和场形成能力来控制非均匀磁场的梯度和强度。在另一个实例中，装置还包括脉冲场梯度模块。在另一个实例中，该装置还包括前置放大器和Q开关，其中该Q开关被耦合在前置放大器和RF功率源之间，并被构造和设置成在发射射频脉冲序列期间减少从RF功率源到前置放大器的泄漏。

核磁共振装置的另一个实施例包括：外部磁屏蔽；第一永磁体，其被布置在外部磁屏蔽内且接近该外部磁屏蔽内表面上的第一位置；第一极片，其与第一永磁体耦合以使该第一永磁***于该外部磁屏蔽与第一极片之间；第二极片，其被布置在该外部磁屏蔽内且接近该外部磁屏蔽内表面上的第二位置，其中该第二位置正对于该第一位置；样品室，其被布置在该外部磁屏蔽内且居中地位于第一和第二极片之间；在该样品室周围布置的射频线圈；以及与射频线圈耦合且构造和设置成控制射频线圈以产生射频脉冲序列的控制电路，其中第一永磁体在横向于样品室纵轴的第一方向上被磁化，以使磁场梯度沿着与该样品室纵轴垂直的轴线存在。在一个实例中，第一和第二极片可各自包括一平面，这些平面彼此相向。在另一个实例中，第二极片被构造和设置成为可旋转的，以使第二极片的平面相对于第一极片的平面形成角度，从而在同时垂直于第一方向和样品室纵轴的第二方向上形成磁场梯度。在一个实例中，外部磁屏蔽可由铁制成，且样品室可由诸如塑料这样的非导电和非磁性材料制成。根据一个实施例，控制电路可包括构造和设置成提供射频脉冲序列脉冲衰减的Q开关。在一个实例中，该核磁共振装置可与井壁取芯工具一体形成，样品室可构造和设置成接收由井壁取芯工具从地层中提取的芯。

根据另一个实施例，监视过程的方法可包括以下步骤：提供核磁共振装置，该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提供具有已知磁场梯度的磁场；在不中断该过程的情况下引导经历该过程的一系列样品以连续流的方式穿过样品室；以及对该一系列样品进行核磁共振测量以确定该系列样品的至少一种性质。在一个实例中，进行核磁共振测量的步骤包括执行检测在该系列样品中是否存在水分子的测量。例如，该系列样品可以是一系列木材样品。在另一个实例中，进行核磁共振测量的步骤包括确定该系列样品的各样品中的固体与液体成分的比例。

根据另一个实施例，对地层中的流体进行分析的井下方法可包括以下步骤：提供井下核磁共振装置，该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提供具有已知磁场梯度的磁场；从地层中提取包含有流体样品的芯；将该芯放置在样品室内；以及对该芯进行井下核磁共振测量以确定该流体的至少一种性质。

附图说明

在下文中，参考附图对本发明的各个方面和实施例进行描述。在不按比例画出的图中，在各图中说明的各个一致或几乎一致的零件用同样的数字表示。出于清晰的目的，不是每个零件都被标注在每个图中。在这些图中：

图1是根据本发明的NMR磁体组件的一个实施例的横截面图；

图2是根据本发明的NMR磁体组件的另一个实施例的横截面图；

图3A是由图2的磁体组件产生的磁通量的数字模拟；

图3B是由图2的磁体组件产生的磁场的数字模拟；

图4是使用根据本发明的实施例的NMR装置例如在水样品上得到的回波幅度与回波时间的图表；

图5A是使用根据本发明的实施例的NMR装置对一种原油样品进行NMR测量得到的二维T₁-T₂图；

图5B是使用根据本发明的实施例的NMR装置对所述原油样品进行NMR测量得到的二维D-T₂图；

图6是根据本发明的实施例的Q开关的方框图；以及

图7是根据本发明的实施例的NMR装置的方框图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及一种核磁共振装置，其可结合包括井下井壁取芯工具在内的各种不同工具以及生产过程控制器一起使用。不同于许多围绕着获取尽可能均匀的磁场进行设计的传统NMR模块，根据本发明的NMR装置的实施例被设计成在至少一个方向上具有故意不均匀的磁场。磁场在一个或多个方向上具有已知的场梯度，在一些实施例中，磁场在一个或多个方向上具有恒定的场梯度，而不是大致均匀分布。如下所述，使用梯度场可提供更灵活和便宜的磁体组件设计。

将意识到，本发明不限于在以下描述中陈述的或在附图中举例说明的零件安排和结构细节上的应用。本发明可以是其它的实施方式并可以以各种方式实行或完成。例如，将意识到，在此描述的方法和装置不限于用在井筒中或结合测井使用，而是可以被用在不同的环境和应用中。在此给出的具体实施的实例仅用于说明的目的，而不是作为限制。特别地，结合一个实施例进行描述的步骤、元件和特征不希望与另一个实施例中的类似功能相排斥。同样，在此使用的措词和术语仅用于描述的目的，不应被视为限制。在此使用“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“包括有”以及其变形意味着包含在下文中列出的项目和其等同物以及附加项目。

井壁取芯是一种采样技术，其包括提取例如岩层的“岩芯”，且可由诸如Schlumberger机械井壁取芯工具(MSCT)来完成。在测井中，从井筒壁提取岩芯，因此称作术语“井壁取芯”。与从岩体(例如从岩层)中提取流体样品的传统采样方法相比，所提取出的岩芯包括其内包含有流体的岩体的样品。井壁取芯可解决与传统采样有关的几个问题，特别是在结合现场测量(诸如例如由在此讨论的装置的实施例实施的NMR测量)时。在例如通过压力下降实现的传统井筒流体采样中，伴随发生的样品压力和/或温度变化会导致气体分解、沥青质沉淀以及脆弱的岩石或疏松砂岩瓦解。作为对比，在取芯过程中，原始流体会保留在岩芯内部，且可以在压力和温度相对于地层条件不发生变化的情况下实施岩芯提取。因此，对岩芯母体和其携带的流体的破坏最小。另外，还可以从疏松地层中提取岩芯，而这对于传统的流体采样设备来说是一种挑战。

根据一些实施例，NMR模块可结合在诸如Schlumberger MSCT这样的井壁取芯工具中。井壁取芯工具通常包括岩芯保存区域。在一个实例中，NMR模块被包括在岩芯保存区域内以提供关于岩芯的实时数据。根据一个实施例，紧接着岩芯提取之后，使用例如在此讨论的NMR模块测量岩芯内部的流体以确定该流体的各种特性，诸如粘度、组分、沥青质浓度等。井壁岩芯的这种现场测量对于取芯操作和与来自NMR缆式测井数据的比较来说，是非常有用的指导。特别地，现场测量具有这种的优点，即，数据是在样品的原始条件(例如温度、压力、流体组分、可湿度等)下获得的。

在一个实施例中，井壁取芯工具可在工具壳体内部的管子中运送所获取的岩芯。因此，这些岩芯是例如直径约为1.5英寸、长度约为3英寸的圆柱形。这决定了NMR模块磁体组件的基本几何结构。然而，将意识到，岩芯可以具有不同的尺寸，且其形状不必为圆柱形。因此，本领域技术人员可认识到，可以对下述磁体组件进行改变以适应不同尺寸或形状的岩芯。因为这种改变被期望为公开内容的一部分，且将意识到，本发明不限于在此举例说明和讨论的示例性磁体组件几何结构。

参见图1，在横截面图中说明了根据本发明的多个方面的NMR磁体组件的一个实施例。磁体组件100被构造在接收和容纳要被分析的岩芯(或其它样品)的样品室102周围。样品室通常由金属制成。然而，金属样品室会给NMR测量带来明显的信号损失。因此，根据一个实施例，样品室102由不会显著妨碍NMR测量的塑料或其它非导电、非磁性材料制成。另外，优选地，用还能够抵抗样品中的流体的化学侵袭的材料制成样品室。磁体组件100还包括磁屏蔽104，一个或多个永磁体106、108，极片110、112，以及NMR线圈114。NMR线圈连接到NMR电子设备(未示出)，诸如电源(图7的146)和控制由线圈产生的射频(RF)磁脉冲的频率、持续时间和时间间隔的控制器(图7的148)。永磁体106、108可提供上述静磁场B₀的源。在一个实例中，特别是在磁体组件可用在井下环境中的情况下，永磁体可以包括具有良好的热稳定性的材料，例如钐钴。可以如其上的箭头所示那样对各永磁体进行极化。在一个实例中，永磁体的极化发生在与样品室纵轴垂直的方向上。出于说明的目的，下面的讨论将使用在图1中说明的x、y、z方向，且称永磁体沿z方向被极化。然而，将意识到，所说明的x-轴、y-轴、z-轴的方向是任意的，可以沿任一方向对磁体进行取向和/或磁化。

再次参见图1，磁屏蔽104可提供磁通回路，从而特意使得磁场泄漏较小。在一个实例中，磁屏蔽104由高磁导率金属制成，例如铁或钢。将意识到，磁屏蔽104不必如图示那样是圆形的，而是可以根据样品室、NMR模块和可能与NMR模块一起使用的工具中的任一个的形状和设计考虑采用不同的形状。另外，磁屏蔽104不必是连续的，虽然提供连续屏蔽会有助于防止泄漏。极片110、112可由高磁导率材料制成，诸如铁或钢。如图1所示，极片110、112可附连在各永磁体106、108的内表面上。选定极片的面116的宽度以控制磁体组件中心的磁场强度，在本例中，控制样品室102中心的磁场强度。另外，在一个实施例中，设计极片110、112的形状以优化磁场沿x和y方向的均匀性。虽然在图1中图示出为两个永磁体和两个极片，但是将意识到，本发明并不受限于此，磁体组件100可根据样品室和整个磁体组件的几何结构，包括多于两个或少于两个永磁体和极片。

根据一个实施例，(多个)永磁体的布局主要决定样品室中的磁场和磁场梯度。例如，如果在样品室的相对侧放置相等数量的永磁体，使得M1＝M2(M1为由(多个)永磁体110产生的磁场强度，M2为由(多个)永磁体112产生的磁场强度)，那么装置中心(在该说明性实施例中为样品室中心)的磁场会相对比较均匀，z方向上的梯度会最小。作为对比，当两侧上产生的磁场出现不平衡时，沿z方向的场梯度会变大。然而，如果永磁体的总数保持不变(例如，M1变大，但是M2变小相同数量，这样M1+M2保持不变)，中心的磁场强度会保持几乎不变。将意识到，在此使用的措词“永磁体的数量”意指材料的磁场形成能力，而不是实际材料的体积量。话句话说，较小体积的高磁性材料可产生高强度磁场，且因此被称作大量永磁体(即使其实际体积会很小)。作为对比，较大体积的弱磁性材料可仅产生小磁场，因此被称作少量永磁体。

上述设计原理允许磁场强度和磁场梯度进行更灵活和独立的变化。特别地，通过永磁体的合适布局，可以在不要求由任何一块磁体产生的磁场都非常均匀的情况下，在至少一个方向上获得大致均匀的磁场。另外，磁体组件可被构造成具有特意不均匀的场，且而不是提供具有已知场梯度(在某些实施例中为恒定场梯度)的磁场。与试图获得尽可能均匀的磁场的传统***相比，这些原理可显著降低装置成本。另外，由于围绕样品室对磁体组件进行设计和构造，所以样品完全包含在装置内，从而得到改善的信噪比。因此，可以使用相对较低的磁场强度，同时还能为所需要的测量提供足够的信噪比。这也改善了装置的灵活性和有效性，因为对于某些应用来说，高场***可能会过于昂贵、庞大和危险。

通过合理安排永磁体、转动极片面和调节极片的相对尺寸，磁场设计也可以允许在除z方向以外的方向上形成磁场梯度。例如，为了沿轴线(y)方向形成梯度，可以将相等数量的永磁体放置在样品室的相对侧(例如，在图1中说明的永磁体106和108的位置上)，且可以沿着y方向逐渐减少永磁体的数量。在另一个实例中，可通过使极片中的一个倾斜来形成x梯度，例如如在图2中示出并在下文中得到更详细地讨论的那样。

参见图2，在横截面图中说明了根据本发明的NMR磁体组件118的另一个实施例。在该实施例中，如图示那样，(多个)永磁体120被安置在该组件的一侧。因此，沿z方向的磁场梯度最大。磁体组件118再次包括带有平坦极面116的两个极片110、112和外部磁屏蔽104。在一个实例中，极片110、112和该屏蔽由具有高磁导率的铁制成以引导磁通。在该实施例中，允许上极片110如虚线所示那样旋转。在一个实例中，从极面116为水平的中间位置开始，在任一方向(顺时针或逆时针)上，允许转动的角度约为20度。然而，将意识到，也可能有很多其它设计。如上所述，极片110的旋转被用来形成场梯度沿x方向的分量。

为了说明根据本发明的磁体组件的性能，构造并测试了图2的磁体组件的实施例。在该实例中，极片110、112和屏蔽104由铁制成。极面116在x方向上的跨度约为6.2英寸。屏蔽的外直径约为8.9英寸，其厚度约为0.5英寸，因此其内直径约为7.9英寸。磁体组件的长度(在y方向上)约为6英寸。为了易于搬运，永磁体102被装在铝架124中，且固定在极片112和屏蔽104上。如图2所示，永磁体120被放置在极片112和屏蔽104之间。铝架在z方向上约为1.1英寸，在x方向上约为1.6英寸。永磁体由钕、铁和硼合金制成(Nd-Fe-B)，且在此被称作“钕磁体”。由于磁性部分会在它们之间施加相当大的作用力，因此非磁性装配***被设计成引导下部子组件(包括永磁体120、架子124和极片112)***屏蔽104中。

参见图3A和3B，其说明了由上述示例性磁体组件118产生的磁通(图3A)和磁场(图3B)的数值计算结果。可以看到主要梯度在z方向上。如本领域技术人员所公知的那样，使用霍尔效应探头和三轴扫描仪对中心区域的磁场进行扫描。在磁体组件的中心区域，可以看到磁场在x-y平面上为大致均匀，且场强约为280高斯。当上极片110被转动时，在x方向上可观察到明显的场梯度。

根据一个实施例，在磁体组件中引入温度调节以改善场稳定性。然而，由于例如图2的磁体组件的梯度设计(即，磁体组件可被故意设计成具有已知的场梯度)，温度的变化仅会使谐振区域稍微发生偏移。对于温度系数为0.1％每度的钕磁体而言，温度变化5摄氏度相应造成位置偏移约0.1-约0.2厘米(cm)，这个量通常比样品的尺寸小很多。因此，对于至少一些实施例而言，温度调节是不需要的。

如上所述，根据本发明的实施例的NMR装置还包括RF NMR线圈114(见图1)和相关的NMR控制电路(未示出)。在一个实施例中，RF线圈是例如卷绕在Teflon模型(form)上的螺线管线圈。如图1所示，RF线圈被放置在磁体组件100中心或在该中心的附近。控制电路包括调谐RF线圈的RF谐振频率的调谐电路。如上所述，为了实施NMR测量，RF线圈被调谐至感兴趣的核子Lamor频率。通过该控制电路控制RF线圈以产生RF脉冲序列，诸如，例如CPMG序列，以实施NMR测量。在一个实施例中，NMR控制电路包括NMR控制台，诸如，例如可从Tecmag，TX购置的Apollo控制台。控制台可运行NMR处理软件，诸如由Tecmag供应并与Apollo控制台集成在一起的NTNMR软件。另外，也可包括RF功率放大器以及信号前置放大器。可从Miteq购买到合适信号前置放大器的一个实例，其具有零件号码AU-1579。在一个实施例中，NMR装置还包括脉冲场梯度模块144(见图7)以允许对样品进行脉冲场梯度测量，这对于本领域技术人员来说是公知的。电子控制器可与脉冲场梯度模块耦合以控制脉冲的强度和间隔。

根据一个实施例，如图6所示，调谐电路与Q开关集成在一起。Q开关122通过提供临界阻尼电流路径允许RF脉冲的振铃(ringdown)快速衰减。在该说明性实施例中，Q开关包括耦合在RF功率源136与电子设备之间的延长器(extender)130。延长器130可允许高功率RF信号(诸如RF脉冲)通过，但是阻挡低电平RF信号(诸如检测到的NMR信号)。Q开关还包括衰减器134，其可用来进一步减少RF脉冲期间的RF功率泄漏。双工器132可允许来自RF源136的高功率RF信号被传送到RF线圈(以产生RF脉冲)，以及在关闭高功率RF时，允许低电平NMR信号(经过衰减器)到达前置放大器，如用线138标示的那样。在一个实例中，双工器通过用FET作为开关，使用TTL脉冲来打开或关闭衰减器132。可提供数字控制电子设备140来控制双工器和衰减器的操作。在一个实例中，使用这种Q开关可以在180度脉冲之后，极大地将自旋回波接收的死时间减少至约50微秒。

通过使用根据本发明的实施例的NMR模块，对水样品实施CPMG实例。在该实例中，RF功率放大器是50瓦的放大器。RF螺线管线圈的长度约为2英寸且该线圈具有约2英寸的直径。谐振频率为1.16兆赫兹(MHz)。温度约为25摄氏度。匹配的滤波器被用来提取回波幅度。使用了两个不同的回波间隔时间T_e。在第一实例中，回波间隔为T_e1＝2毫秒(ms)。在第二实例中，回波间隔为T_e2＝3ms。参见图4，其说明了针对这两个实例的回波幅度对回波时间(单位为秒)的曲线。线126表示来自第一实例的数据，线128表示来自第二实例的数据。信号衰减显示了由自旋一自旋驰豫和梯度场的扩散造成的单指数特性。下列方程(1)描述了所测量的信号衰减率与T_e之间的关系。

\frac{1}{T_{2}} = \frac{1}{T_{2 b}} + \frac{1}{12} D (γG) T_{e}^{2} - - - (1)

其中：T₂为横向(自旋-自旋)驰豫时间；

对于水样品，T_2b＝0.206秒；

G为场梯度；

γ为核子的回磁比；以及

D为扩散系数。

具有不同T_e的两个实例的1/T₂的差值将允许直接测量扩散贡献：

Δ (\frac{1}{T_{2}}) = \frac{1}{12} D {(γG)}^{2} (T_{e 1}^{2} - T_{e 2}^{2}) - - - (2)

因此，使用方程(2)和图4中的数据，可以确定磁体中的场梯度。在该实例中，磁体组件中心附近的场梯度被确定约为20.4高斯/厘米。

根据本发明的NMR装置的实施例可被用于各种应用场合。如上所述，这种应用场合之一就是测井领域，其中NMR装置可结合井壁取芯工具一起使用。与缆式测井相比，根据本发明的实施例的NMR装置的优点在于，样品可以在NMR仪器内部，因此测量具有非常高的效率和相当高的质量。此外，因为信噪比高(因为与样品在NMR磁体组件外部相比，样品在NMR磁体组件内部时，填充因数好得多)，根据本发明的实施例的NMR装置允许对NMR信号进行更快的脉冲调制(pulsing)和获取。在表征重油时，这可能是非常重要的。由本发明的NMR装置提供的另一个优点在于，梯度磁场可以结合正确设计的RF脉冲一起使用，以仅仅选择样品的一部分进行检查，这类似于医学磁共振成像(MRI)中的切片选择。这样允许对选定体积内的样品的性质进行测量。通过改变RF脉冲的频率，围绕样品移动选定体积，从而形成样品性质的图像。该图像可被用来检查例如岩石基体和/或内部流体的非均匀性。例如，从岩层中取出的岩芯内的流体组分可能会因钻探泥浆的侵入而受到影响，从而横向于钻井方向引起流体性质和组分的梯度。

岩芯的这些和其它特征可通过结合井壁取芯工具使用该NMR装置得到测量。特别地，这种***能够在不需要将流体从岩石中提取出来的情况下彻底检查岩石内的流体。当然，如上所述，可以将内部包含有流体的岩芯从地层中提取出来并对其进行现场分析。这对于重油地层(由于其低流动性，MDT式测试不能恰当地提取流体)是非常重要的。因此，与缆式测井相比，根据本发明的实施例的NMR模块能够提供更好的测量，特别是针对于重油的测量，因为使用本发明的***，流体可以在其原始状态下被分析。

实施另一个实例来举例说明NMR装置的实施例在二维(2-D)NMR测量上的应用。在该实例中，对原油样品进行两次2-D测量。第一次是T₁-T₂关系的测量，第二次是D-T₂关系的测量。这些测量的细节对于本领域技术人员来说是公知的，且在文献中得到了很好的描述。对于T₁-T₂实例，使用了反转恢复(inversion-recovery)CPMG脉冲序列，对于36个不同的恢复时间获取1024个回波。对于D-T₂实例，受激回波-CMPG序列与在64个不同编码步骤得到的124个回波一起使用。使用二维拉普拉斯反演算法(FLI)来获得在图5A和5B中示出的二维图。图5A示出了T₁-T₂图，图5B示出了D-T₂图。该数据说明了NMR装置用于2-D NMR测量的能力。

根据一个实施例，具有不同磁体特征的几个磁体组件被安置在工具中用于串行或并行测量样品的不同性质。例如，磁体组件被设计成在不同的方向上具有场梯度，以获得样品性质(诸如流体组分)沿多个方向(例如沿芯轴线和横向于该芯轴线)的分布(或一维图像)。在另一个实例中，在样品室附近包括多个RF线圈以提供脉冲场梯度或伪静场梯度。这些梯度可用于例如样品成像、分子扩散测量、流体在样品内部的运动的测量、确定孔尺寸以及确定岩石的面积-体积比。

此外，集成有NMR模块的井壁取芯工具可被用来监视在样品状态发生改变时样品中的变化(诸如流体组分和分布(profile)的变化)。例如，该***被用来在样品压力和/或温度发生变化时监视样品，从而探测流体的热力学和相性质。在一个实例中，样品状况的这种变化是因气体或液体流入或流出样品、或因加热或冷却样品引起的。在另一个实例中，可通过将流体添加到样品中从而引起原始存在于样品内部的流体的自发吸液、排出或其它置换，而引起的样品状况的另一些变化。这些或其它变化可被执行以模拟不同的生产场景(诸如例如压力下降、注水、注二氧化碳和用于提高储层油回收的其它技术)期间的储层状况。在一个实例中，对于用流体或气体侵蚀样品的实验而言，对原始流体和置换流体，侵蚀的空间分布的测量都是非常重要的。另外，在改变岩芯状况之前和之后，将从储层提取出来的流体的组分与原始岩芯内的流体的组分进行比较都是有益的。对于岩石基体和流体，这种测试都可被用来直接在原始储层状态下评价不同的提取策略。

如上所述，根据本发明的NMR装置还可被用在除油田工业以外的各种应用场合中。例如，许多生产过程涉及要以连续流的方式移动加工材料穿过***。在这些环境下，为了执行过程和质量控制的非侵入式测量，理想的是将分析测试仪器在线地(inline)***生产流。例如，在化学工艺中，在生产***的不同阶段中会形成不同的分子。那么连续地确定流组分并使测量数据与工艺控制***结合以优化或改善工艺，是极其有用的。另外，在食品加工中，连续地检查原材料和成品(例如监视其含水率、脂肪和/或糖分含量)是重要的。

NMR谱和相关设备可普遍用于化学、生物和材料研究中，且正作为批处理式工艺用于进行分析。然而，由于其庞大的尺寸、成本以及操作和维护的复杂性，传统的高场***作为过程控制***并不是非常有效、稳健或成本有效的。特别地，将传统的***集成到生产线上是困难且/或昂贵的。另外，在这种***中用到的高磁场也会对环境造成危害。作为对比，低场NMR***要灵活的多且相对较便宜，且可被定制用于在线分析。根据一个实施例，根据本发明的NMR模块为低场设备。传统低场NMR设备的缺陷在于其较低的信噪比。本发明的NMR装置可通过两种途径避开这个问题。首先，因为样品完全包含在NMR装置内部，所以填充因子非常好，而这又有助于得到好的信噪比。第二，样品室可被设计成容纳更大的样品，提供更大的容积且因此提供更多的核子为NMR信号作出贡献，从而提高了信噪比。

在对不同NMR装置进行比较时，一个非常有意义的技术问题是场均匀性的问题。大多数NMR理论和装置都是围绕着非常均匀的磁场进行设计。高场均匀性在很大程度上是造成传统NMR***的高价格的原因。作为对比，根据本发明的实施例的NMR装置使用设计成形成具有恒定场梯度的非均匀磁场的磁体组件。均匀性要求的降低简化了磁体设计，降低了其成本。另外，对于温度变化和某些类型的电子漂移，梯度场的使用可允许***稳健地操作。因此，根据本发明的实施例的NMR装置非常适合提供在线(因为过程流可以被引导穿过样品室)和非侵入式测量。易于围绕现有加工线对磁体组件进行设计，且可以在不打断生产的情况下进行测量。

已经知道NMR对固体和液体表现出明显不同的特性。例如，固体中的质子-质子自旋相互作用要比在液体中的质子-质子自旋相互作用强的多，这就造成样品中的固体部分的信号快速衰减，而样品中的液体部分的信号的衰减则要慢的多。因此，来自固体和液体材料的混合物的信号被认为是分别具有快衰减时间常数和慢衰减时间常数的两个分量的总和。例如，来自同时包含液体成分和固体成分的样品的信号可用以下方程描述：

S (t) = Aexp (- \frac{t}{T_{f}}) + Bexp (- \frac{t}{T_{s}}) - - - (3)

其中：t为测量时间；

1/T_f为快时间常数；

1/T_s为慢时间常数；

A和B分别与固相材料和液相材料的数量成比例。

NMR测量可以针对一系列t值对S(t)进行测量。根据方程(3)并分析数据，可以确定所有的四个参数。因此，可以确定样品的组成(例如，固体与液体的比例)。这种测量对于在生产过程中产品从含有更多液体变成含有更多固体(或反之亦然)的化学和/或食品加工生产是有用的。因此，NMR模块可被用来监视生产过程的进度，且如果和生产控制电子设备集成在一起，其可被用来启动和/或停止生产过程的各个步骤。

本发明的NMR装置非常有用的另一个应用是在木材干燥方面的应用。新伐木材具有非常高的水含量。因此，树木被砍伐成木材后，在将木材用于建筑材料、家具、细木家具等之前，通常需要对木材进行干燥。通常是通过让木材移动穿过大烤箱来对其进行干燥的。按惯例，要将木块从烤箱中取出以对其进行检查，从而确定其是否充分干燥。然而，这种方法的效率非常低，因为可能要中断干燥过程以将木材从烤箱中取出，还因为木块大小不同，因此会出现有些木块是干燥的而其它木块并不干燥的情况。根据本发明的NMR装置可围绕现有木材干燥加工线进行设计(例如，以使至少一些木材通过样品室)，且可被用来在不中断干燥过程的情况下监视木材的干燥度。具体地，NMR装置被配置成检测水分子(例如，通过扩散或化学位移测量，这些都为本领域技术人员所公知)，因此提供有关木材干燥度的指示。

总而言之，本发明的各个方面和实施例涉及可用于许多不同应用场合的NMR装置或模块。在图7中示出了NMR装置的一般性方框图。该NMR模块的磁体组件可围绕着样品室进行构造，因此使得样品能够完全包含在NMR装置中，具有以下优点，即良好的填充因子、良好的信噪比以及随之出现的使用低强度磁场的可能性。永磁体和极片的布局可被控制成使得在样品室中形成在一个或多个方向上具有已知梯度的磁场，从而提供了一种灵活的、可能具有低成本的设计。在至少一个实施例中，该NMR装置可结合在井下井壁取芯工具中，允许在自然条件下对地层流体进行现场测量。另外，该装置的实施例可围绕着现有生产线或其它加工线进行构造以对各种过程进行非侵入式的现场监视。在图7中用方框142表示了一种工具装置。另外，可以在该装置被安置在工具中或在加工线上之后对该装置进行校准(例如，通过执行对诸如水样品这样的具有已知组分的样品的测量)，使得工作场的梯度可以被充分掌握，并在处理该装置获取的数据时得到考虑。在一个实施例中，NMR装置还包括可选的脉冲场梯度模块144以允许对样品进行脉冲场梯度测量。

因此，已经描述了至少一个实施例的各个方面，将意识到，本发明不限于在此描述的具体实施例，且本发明的原理可被用于更广泛的各种应用场合。因此，上述描述仅仅是一种举例的方式给出的，且包括对本领域技术人员来说显而易见的任何一种修改和改进。本发明的范围应该由提交的权利要求及其等同物的正确解释确定。

Claims

1.一种核磁共振装置，包括：

样品室；和

磁体组件，其被布置在样品室周围且被构造和设置成在样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场；

射频(RF)线圈，其被定位成基本上包围样品室；

控制器，其与RF线圈耦合且被构造和设置成控制RF线圈以产生RF脉冲序列；以及

RF功率源，其被构造和设置成向RF线圈提供RF功率以产生RF脉冲序列。

2.如权利要求1所述的核磁共振装置，其中磁体组件包括：

布置在样品室第一侧的第一永磁体；

正对第一永磁体布置在样品室第二侧的第二永磁体；

第一极片，其与第一永磁体耦合以使该第一极片位于第一永磁体和样品室之间；以及

第二极片，其与第二永磁体耦合以使该第二极片位于样品室和第二永磁体之间。

3.如权利要求2所述的核磁共振装置，其中磁体组件还包括：

磁屏蔽，其被布置成基本上包围第一和第二永磁体、第一和第二极片以及样品室。

4.如权利要求2所述的核磁共振装置，还包括：

脉冲场梯度模块；且其中控制器还与该脉冲场梯度模块耦合。

5.如权利要求2所述的核磁共振装置，其中

选择第一和第二永磁体的位置和场形成能力，使得在样品室内产生在至少一个方向上具有已知磁场梯度的非均匀磁场。

6.如权利要求2所述的核磁共振装置，还包括前置放大器和Q开关；

其中Q开关耦合在前置放大器和RF功率源之间，且被构造和设置成在发射RF脉冲序列期间减少从RF功率源到前置放大器的泄漏。

7.一种核磁共振装置，包括：

外部磁屏蔽；

第一永磁体，其被布置在外部磁屏蔽内且接近外部磁屏蔽的内表面上的第一位置；

第一极片，其与第一永磁体耦合以使第一永磁***于外部磁屏蔽和第一极片之间；

第二极片，其被布置在外部磁屏蔽内，且接近外部磁屏蔽的内表面上的第二位置，该第二位置正对着第一位置；

样品室，其被布置在外部磁屏蔽内，且居中地位于第一和第二极片之间；

布置在样品室周围的射频线圈；以及

控制电路，其与射频线圈耦合且被构造和设置成控制射频线圈以产生射频脉冲序列；

其中第一永磁体在横向于样品室纵轴的第一方向上被磁化，使得磁场梯度沿着与样品室纵轴垂直的轴存在。

8.如权利要求7所述的核磁共振装置，其中

第一和第二极片各自包括有平面，这些平面彼此相向。

9.如权利要求8所述的核磁共振装置，其中

第二极片被构造和设置成为可旋转的，以使第二极片的平面相对于第一极片的平面形成角度，从而沿着第二方向产生磁场梯度，第二方向垂直于第一方向和样品室纵轴。

10.如权利要求7所述的核磁共振装置，其中

外部磁屏蔽包括铁。

11.如权利要求7所述的核磁共振装置，还包括：

与控制电路耦合的脉冲场梯度模块。

12.如权利要求7所述的核磁共振装置，还包括：

射频功率源，其与射频线圈耦合以产生射频脉冲序列。

13.如权利要求12所述的核磁共振装置，其中

控制电路包括Q开关，该Q开关被构造和设置成在发射射频脉冲序列期间减少来自射频功率源的泄漏。

14.如权利要求7所述的核磁共振装置，其中

该装置和井壁取芯工具集成在一起，且其中样品室被构造和设置成接收通过井壁取芯工具从地层提取的芯。

15.如权利要求7所述的核磁共振装置，其中

样品室包括非导电、非磁性材料。

16.如权利要求15所述的核磁共振装置，其中

样品室包括塑料材料。

17.一种监视过程的方法，该方法包括：

提供一种核磁共振装置，该装置具有样品室且被构造和设置成在样品室内部形成具有已知磁场梯度的磁场；

引导以连续流的方式经历该过程的一系列样品穿过样品室，而不中断该过程；以及

对该一系列样品执行核磁共振测量以确定该一系列样品的至少一种性质。

18.如权利要求17所述的方法，其中执行核磁共振测量包括：

执行测量以检测该一系列样品中水分子的存在。

19.如权利要求18所述的方法，其中引导该一系列样品包括：

引导一系列木材样品通过样品室。

20.如权利要求17所述的方法，其中执行核磁共振测量包括：

确定该一系列样品的每个样品中的固体与液体成分的比例。

21.一种分析地层内流体的井下方法，该方法包括：

在井下提供核磁共振装置，其中该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提供具有已知磁场梯度的磁场；

提供来自地层的芯，该芯包括该流体的样品；

将该芯放置在样品室内部；以及

在井下对该芯进行核磁共振测量以确定该流体的至少一种性质。