DE19952787A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-EigenschaftInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Berechnen einer Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten gerichtet. Die Spinechoamplituden werden durch Hardware-Integration der Empfängerspannungen über ein Zeitfenster erhalten. Ein linearer Operator wird verwendet, um eine Relaxationszeitverteilung auf Spinechos abzubilden, um eine Eigenwertzerlegung (SVD) des linearen Operators zu erzeugen, um die Vektoren der SVD zu bestimmen und um die Spinechodaten unter Verwendung der Vektoren zu komprimieren. Um einen Telemetrieengpaß zu beseitigen, wird das T¶2¶-Spektrum im Bohrloch (24) berechnet und an die Oberfläche übertragen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen
einer Kernresonanz-Eigenschaft einer Bodenformation gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche 1 bzw. 12.
Atomteilchen einer Bodenformation mit einem von null verschiedenen
magnetischen Kernspinmoment, z. B. Protonen, neigen dazu, sich auf ein wäh
rend der Bildung auf die Formation einwirkendes statisches Magnetfeld auszurich
ten. Ein solches Magnetfeld kann wie im Fall des Erdmagnetfelds BE natürlich
entstanden sein. Ein HF-Impuls, der ein zweites zu BE transversales Magnetfeld
anlegt, erzeugt eine Magnetisierungskomponente in der Querebene (senkrecht zu
BE), die eine Präzession mit einer als die Larmor-Frequenz ωL bekannten
charakteristischen Resonanz um den Vektor BE aufweist, die von der Stärke des
statischen Magnetfelds und von dem gyromagnetischen Verhältnis des Teilchens
abhängt. Wasserstoffkerne (Protonen), die eine Präzession um ein Magnetfeld BE
von 0,5 Gauß ausführen, besitzen z. B. eine charakteristische Frequenz von etwa
2 kHz. Falls eine Population von Wasserstoffkernen gleichphasig zur Präzession
gebracht wird, können die überlagerten Magnetfelder der Protonen in einer
Empfängerspule eine nachweisbare Oszillationsspannung erzeugen, wobei diese
Bedingungen dem Fachmann als freier Induktionsabfall oder als ein Spinecho
bekannt sind. In Gesteinsporen auftretende Wasserstoffkerne von Wasser und
Kohlenwasserstoffen erzeugen Kernresonanzsignale (NMR-Signale), die sich von
Signalen, die von anderen Festkörpern herrühren, unterscheiden.
US 4 717 878 und US 5 055 787 beschreiben NMR-Werkzeuge, die zum
Polarisieren von Wasserstoffkernen und zum Erzeugen eines statischen Magnet
felds B0 Permanentmagneten und zum Anregen und zum Erfassen der Kernreso
nanz HF-Antennen verwenden, um die Porösität, den Anteil freier Fluide und die
Permeabilität einer Formation zu bestimmen. Die Atomkerne richten sich mit einer
Zeitkonstanten T1 auf das angelegte Feld B0 aus. Nach einem Polarisationszeit
raum kann der Winkel zwischen der Kernmagnetisierung und dem angelegen Feld
durch Anlegen eines HF-Felds B1 mit der Larmor-Frequenz fL = γB0/2π, wobei γ
das gyromagnetische Verhältnis des Protons und B0 die Stärke des statischen
Magnetfelds bezeichnen, senkrecht zu dem statischen Feld B0 geändert werden.
Nach Abschluß des HF-Impulses führen die Protonen eine Präzession in der zu B0
senkrechten Ebene aus. Eine Folge von Neufokussierungs-HF-Impulsen erzeugt
eine Folge von Spinechos, die ein in der Antenne erfaßbares NMR-Signal
erzeugen.
US 5 280 243 beschreibt ein Kernresonanz-Werkzeug zur Formationsbe
wertung beim Bohren. Die Sonde enthält einen Probenabschnitt, der einen Per
manentmagneten, der in einer in Längsrichtung verlaufenden ringförmigen Aus
sparung außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist, und eine in einer nichtlei
tenden magnetischen Hülse außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnete Antenne
enthält. Der Gradient der Stärke des statischen Magnetfelds verläuft in Radialrich
tung. Die Antenne erzeugt ein HF-Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht so
wohl zur Längsachse des Werkzeugs als auch zur Richtung des statischen Feldes
ist. Bei dieser Vorrichtung muß der Magnet, damit sich die Magnetfelder ihrem
gewünschten 2D-Dipolverhalten annähern, in Axialrichtung lang im Vergleich zu
seinem Durchmesser sein.
US 5 757 186 beschreibt ein Werkzeug zum Messen beim Bohren, das
eine Abtastvorrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen der Boden
formation enthält. Die NMR-Abtastvorrichtung ist in einer in der Außenoberfläche
des Bohrkopfschafts ausgebildeten kreisförmigen Aussparung angebracht. Bei
einer Ausführung ist in die Aussparung ein Fluß-Verschluß eingesetzt. An der
radialen Außenoberfläche des Fluß-Verschlusses ist ein Magnet angeordnet. Der
Magnet ist aus mehreren radialen Segmenten konstruiert, die von der Längsachse
des Werkzeugs aus radial nach außen magnetisiert sind. Der Fluß-Verschluß ist
erforderlich, um das Magnetfeld auf die richtige Richtung auszurichten.
Die Werkzeuge der US 5 280 243 und der US 5 757 186 leiden an den
üblichen Problemen: Beide Werkzeuge erfordern die Verwendung eines nichtlei
tenden Magneten, der außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist. Für das
Werkzeug der US 5 280 243 muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts eine
ausgesparte Fläche besitzen, um den nichtleitenden Magneten aufzunehmen. Für
das Werkzeug der US 5 757 186 muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts
eine ausgesparte Fläche besitzen, um den Fluß-Verschluß, den nichtleitenden Ma
gneten und die Antenne unterzubringen. Da die Stärke des Bohrkopfschafts eine
Funktion seiner Radien ist, führt das Verringern des Außendurchmessers zum
Unterbringen des Magneten allein oder des Fluß-Verschlusses, des Magneten und
der Antenne zu einem inakzeptabel schwachen Abschnitt des Bohrkopfschafts,
der sich während des Bohrbetriebs biegen oder brechen kann.
US 5 557 201 beschreibt ein Impuls-Kernmagnet-Werkzeug zur Forma
tionsbewertung beim Bohren. Das Werkzeug enthält eine Bohrkrone, einen
Bohrstrang und eine gepulste Kernresonanzvorrichtung, die in einem aus einer
nichtmagnetischen Legierung hergestellten Bohrkopfschaft untergebracht sind.
Das Werkzeug enthält in dem Bohrstrang und in der gepulsten NMR-Vorrichtung
einen Kanal, durch den der Bohrschlamm in das Bohrloch gepumpt wird. Die
gepulste NMR-Vorrichtung umfaßt zwei Hohlmagneten, die in der Weise
angebracht sind, daß sie den Kanal umgeben, wobei gleiche Pole einander
gegenüberliegen, und eine Antennenspule, die an einer Außenoberfläche des
Bohrstrangs zwischen den Magneten angebracht ist. Dieses Werkzeug ist so
beschaffen, daß es die Kerne in einem als der Sattelpunkt bekannten Meßgebiet
zur Resonanz anregt.
US 5 705 927 beschreibt außerdem ein auf dem gepulsten Kernmagne
tismus beruhendes Werkzeug zur Formationsbewertung beim Bohren. Das Werk
zeug enthält entweder innerhalb oder außerhalb des Werkzeugs angeordnete
Trimmagneten, die das Kernresonanzsignal der Bohrlochfluide dadurch unter
drücken, daß sie die Stärke des statischen Magnetfelds in dem Bohrloch erhöhen,
so daß die Larmor-Frequenz in dem Bohrloch über der Frequenz des von der in
einer ausgesparten Fläche des Werkzeugs liegenden HF-Antenne erzeugten
oszillierenden Felds liegt. Außerdem verringern die Trimmagneten den Gradienten
des statischen Magnetfelds in dem Untersuchungsgebiet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den
Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 12 zu schaffen, mit denen es möglich ist, die
Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der An
sprüche 1 bzw. 12 gelöst.
Es ist vorgesehen, daß an eine von einer Bohrung durchquerte Formation
ein im wesentlichen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld angelegt wird.
Außerdem wird an die Formation ein oszillierendes Magnetfeld angelegt. Die
Kernresonanzsignale von der Formation werden erfaßt und an einen in der
Bohrung befindlichen Signalprozessor gesendet. Der Signalprozessor berechnet
aus den erfaßten Signalen eine Verteilung der Spin-Spin-Relaxationszeiten. Die
Spin-Spin-Relaxationszeiten können an eine Oberfläche der Bohrung (in der
Bohrung nach oben) gesendet werden.
Die mehreren Signale werden mit einer durch die Beziehung
gekennzeichneten Signal- und Echoamplitude Aj erfaßt, wobei ηj das Rauschen in
der Messung Aj und aj die Amplitude der bei T2,i genommenen T2-Verteilung ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante
(das Verhältnis T1/T2), Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . ., N mit N der Anzahl der
in einer einzelnen Impulsfolge gesammelten Echos ist. In der Matrixschreibweise
lautet die Gleichung = X + . Da das Rauschen η unbekannt ist, kann durch
Auffinden, eines Minimums des Funktionals J = || - X||2, angenähert werden.
Das Funktional kann durch einen Regularisierungsterm λ||||2 ergänzt werden,
wobei unter Verwendung eines geeigneten Iterationsminimierungsalgorithmus das
Funktional Jλ() = || - X||2 + λ||||2 minimiert wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Be
schreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbil
dungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Erstellen eines Bohrberichts beim Bohren.
Fig. 2 zeigt eine Niedergradientensonde.
Fig. 2a-2d zeigt die vier Niedergradienten-Magnetkonfigurationen ent
sprechenden Äquipotentiallinien |0|.
Fig. 3a-3d stellen Niedergradienten-Magnetkonfigurationen entsprechende
Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B0| dar.
Fig. 4 zeigt eine Hochgradientensonde.
Fig. 4a stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende
Äquipotentiallinien |0| dar.
Fig. 4b stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende
Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B0| dar.
Fig. 5 zeigt eine einfache Datenerfassungs-Betriebsart.
Fig. 6 zeigt eine verschachtelte Datenerfassungs-Betriebsart.
Fig. 7 zeigt eine Stoß-Datenerfassungs-Betriebsart.
Fig. 8 stellt ein Blockdiagramm eines Impulsprogrammierers dar.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Werkzeug 10 zum Erstellen eines Kernreso
nanz-(NMR)-Bohrberichts beim Bohren eine Bohrkrone 12, einen Bohrstrang 14,
mehrere HF-Antennen 36, 38 und wenigstens eine Gradientenspule 56. Ferner
umfaßt das Werkzeug 10 eine in einem Bohrkopfschaft 22 untergebrachte Elektro
nikschaltungsanordnung 20. Die Elektronikschaltungsanordnung 20 umfaßt eine
HF-Resonanzschaltungsanordnung für die Antennen 36, 38, einen Mikroprozes
sor, einen Digitalsignalprozessor und einen Niederspannungsbus. Ferner umfaßt
das Werkzeug 10 mehrere Hohlmagneten 30, 32 und 34, die in einer Richtung
parallel zu der Längsachse des Werkzeugs 10, jedoch entgegengesetzt zueinan
der, d. h. mit gegenüberliegenden gleichen Magnetpolen, polarisiert sind. Die
Magneten 30, 32 und 34 enthalten entweder ein leitendes oder ein nichtleitendes
Material. Die Konfiguration der Magneten 30, 32 und 34 und der Antennen 36, 38
schafft wenigstens zwei NMR-Gebiete der Erfindung 60, 62 mit einem im wesent
lichen axialsymmetrisch-statischen HF-Magnetfeld.
Eine Einrichtung zum Bohren eines Bohrlochs 24 in der Formation umfaßt
die Bohrkrone 12 und den Bohrkopfschaft 22. Der Bohrkopfschaft 22 kann eine
(nicht gezeigte) Stabilisierungseinrichtung zum Stabilisieren der Radialbewegung
des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch beim Bohren enthalten, wobei die Stabilisie
rungseinrichtung jedoch nicht zwingend ist; das Werkzeug 10 kann somit un
stabilisiert oder stabilisiert arbeiten. Eine Schlammstromhülse 28 definiert einen
Kanal 90, der das Bohrfluid durch den Bohrstrang 14 befördert. Ein Antriebsme
chanismus 26 dreht die Bohrkrone 12 und den Bohrstrang 14. Der Antriebsme
chanismus 26 ist angemessen in US 4 949 045 beschrieben. Allerdings kann als
der Antriebsmechanismus 26 in dem Bohrstrang 14 ein Schlammotor im Bohrloch
angeordnet werden.
Um wenigstens N Untersuchungsgebiete in der Formation zu erhalten,
können N + 1 Magneten 30, 32, 34 kombiniert werden. Die Kombinationen kann
ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen
Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem
hohen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit
einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein
Gebiet mit einem hohen Gradienten oder eine Kombination eines Gebiets mit
einem hohen Gradienten, eines Gebiets mit einem niedrigen Gradienten und eines
Gebiets mit einem Sattelpunkt enthalten. Die Kombination von statischen
Feldgebieten mit einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten in der Forma
tion bietet mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann das Gebiet mit dem hohen Gra
dienten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, bei der Längsbewegung
des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 jedoch einen Signalverlust erfahren. An
dererseits hat das Gebiet mit dem niedrigen Gradienten eine niedrigere Empfind
lichkeit gegenüber Signalverlustproblemen, wenn das Werkzeug 10 in Bewegung
ist. Außerdem können bei einer mäßigen Bewegung des Werkzeugs 10 in dem
Gebiet mit dem niedrigen Gradienten längere Echozüge als in dem Gebiet mit
dem hohen Gradienten erhalten werden, um somit mehr Informationen über die
Permeabilität, über ein gebundenes und ein freies Fluid und über die Arten der
Kohlenwasserstoffe zu liefern. Außerdem kann die Kombination der mit beiden
Gradientengebieten erfaßten Daten quantitative Informationen über die Stärke der
Längsbewegung, die das Werkzeug 10 erfährt, liefern und somit zur Bewegungs
korrektur der NMR-Daten oder wenigstens zur Qualitätskontrolle der Daten ver
wendet werden. Zur Qualitätskontrolle der Daten oder zum Vornehmen von Kor
rekturen an dem Spin-Echo-Zug können Messungen von Vorrichtungen wie etwa
Dehnungsmeßgeräten, Beschleunigungsmeßgeräten oder Magnetometern oder
von irgendwelchen Kombinationen dieser Vorrichtungen mit den NMR-Informatio
nen integriert werden. Bei der Kombination von statischen Magnetfeldern mit
einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten zeigt das Gebiet mit dem hohen
Gradienten eine höhere Diffusionswirkung und ist somit von größerem Interesse
für die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten als das Gebiet mit
dem niedrigen Gradienten. Schließlich besitzt das Gebiet mit einem niedrigen
Gradienten ein statisches Magnetfeld mit einer niedrigen Amplitude, wobei dieses
Gebiet mit seiner niedrigeren Larmor-Frequenz somit weniger durch die Leitfähig
keit der Formation und des Bohrlochfluids beeinflußt wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist in einem als eine Niedergradientensonde
verwendeten Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von einem
unteren Magneten 32 getrennt. Diese Magneten 30, 32 erzeugen ein im wesentli
chen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisation und
mit einer über eine angemessen lange Zylinderschale ziemlich konstanten Stärke.
In der Formation können mehrere Zylinderschalen von Spins angeregt werden,
wobei jede Schale mit einer anderen HF-Frequenz resonant ist und wobei jede
Schale aufeinanderfolgend mit Folgen von HF-Impulsen abgefragt wird.
Der Bereich zwischen den Magneten 30, 32 ist geeignet, um Teile wie
etwa elektronische Bauelemente, eine HF-Antenne und andere ähnliche Dinge
unterzubringen. Zum Beispiel können mehrere Elektronikpakete 70 einen einteili
gen Teil der Schlammhülse 28 bilden. In diesen Paketen 70 kann die HF-Schal
tungsanordnung (z. B. der Q-Schalter, der Duplexer oder der Vorverstärker)
zweckmäßig in enger Nachbarschaft der HF-Antenne untergebracht sein. Vor
zugsweise bilden die Pakete 70 einen einteiligen Teil eines magnetisch perme
ablen Teils 16. Um in diesem Fall die Axialsymmetrie des Magnetfelds zu erhalten,
liegt über jedem Paket 70 eine stark magnetische permeable Abdeckung 72.
Das magnetisch permeable Teil 16 ist in dem Bohrkopfschaft 22 zwischen
den Magneten 30, 32 positioniert. Das Teil 16 kann aus einem Einzelstück oder
aus mehreren zwischen den Magneten 30, 32 kombinierten Abschnitten bestehen.
Das Teil 16 ist aus einem geeigneten magnetisch permeablen Material wie etwa
aus Ferrit, permeablem Stahl oder einer anderen Eisen-Nickel-Legierung, aus
korrosionsbeständigem permeablem Stahl oder aus permeablem Stahl mit einer
Strukturfunktion in der Konstruktion des Teils wie etwa aus dem rostfreiem Stahl
15-5 Ph konstruiert. Das magnetisch permeable Teil 16 fokussiert das Magnetfeld
und kann außerdem entweder Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang 14 befördern
oder eine konstruktive Abstützung für den Bohrkopfschaft 22 schaffen. Ferner
verbessert das Teil 16 die Form des von den Magneten 30, 32 erzeugten
statischen Magnetfelds und minimiert die Änderungen des statischen Magnetfelds
infolge einer vertikalen Bewegung und einer Längsbewegung des Werkzeugs 10
während der Zeitdauer der Erfassung des NMR-Signals. Das Segment der Hülse
28 zwischen den Magneten 30, 32 kann das magnetisch permeable Teil 16 um
fassen. In diesem Fall sollen die Segmente der Hülse 28 unter den Magneten 30,
32 aus einem nichtmagnetischen Teil bestehen. Alternativ wird das Teil 16 durch
einen magnetisch permeablen Baugruppenträger definiert, der das Segment der
Hülse 28 zwischen den Magneten 30, 32 umgibt. In diesem Fall kann das Seg
ment aus einem magnetischen oder nichtmagnetischen Material bestehen. Um
das Teil 16 zu bilden, können der Baugruppenträger und das Segment integriert
werden.
Die Magneten 30, 32 sind in einer Richtung parallel zu der Längsachse
des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole einander gegenüberlie
gen. Für jeden Magneten 30, 32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von
einem Ende des Magneten 30, 32 nach außen in die Formation, entlang der
Achse des Werkzeugs 10 und zum anderen Ende des Magneten 30, 32 nach in
nen. In dem Gebiet zwischen dem Mittelmagneten 30 und dem unteren Magneten
32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von der Mitte nach außen in die
Formation, wo sie ein statisches Feld in einer im wesentlichen senkrecht auf der
Achse des Werkzeugs 10 stehenden Richtung erzeugen. Hierauf laufen die Linien
der magnetischen Induktion über dem Mittelmagneten 30 und unter dem unteren
Magneten 32 symmetrisch nach innen, wobei sie in Längsrichtung in der Hülse 28
zusammenlaufen. Wegen des Abstands ist die Stärke des statischen Magnetfelds
in dem Mittelgebiet zwischen dem mittleren Magneten 30 und dem unteren
Magneten 32 im Vergleich zu einem Sattelpunktfeld räumlich homogen.
Der Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird auf der Grundlage meh
rerer Faktoren bestimmt: (1) Auswahl der erforderlichen Magnetfeldstärke- und
Homogenitätseigenschaften; (2) Erzeugen eines Felds mit kleinen radialen Ab
weichungen in der interessierenden Richtung, so daß die während einer Impuls
folge (d. h. CPMG, CPI oder anderen Folgen) empfangenen Echos gegenüber
einer Längsbewegung des Werkzeugs weniger empfindlich sind; (3) Untersu
chungstiefe; und (4) Minimieren der Schnittstelle zwischen der Resonanzschal
tungsanordnung und dem Niederspannungs-Telemetrie-Bus zum Verbessern der
Isolation der Empfangsantenne, die die NMR-Signale von der Formation erfaßt.
Mit sinkendem Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird das Magnetfeld stär
ker und inhomogener. Umgekehrt wird das Magnetfeld mit steigendem Abstand
zwischen den Magneten 30, 32 schwächer und homogener.
Die Fig. 2a-2d zeigen die den vier Labormodellkonfigurationen des Mit
telmagneten 30 und des unteren Magneten 32 entsprechend Äquipotentiallinien
von |0|. Diese Modellergebnisse wurden unter Verwendung eines Werkzeugs mit
einem vorgegebenen Durchmesser berechnet (wobei zum Modellieren aller
Konfigurationen ein konstanter Durchmesser verwendet wurde). Die den Fig. 2a
bis 2c entsprechende Konfiguration umfaßt ein nichtmagnetisches permeables
Teil, das einen Mittelmagneten und einen unteren Magneten 30, 32 um 25, 18
bzw. 8 Zoll trennt. Die Niedergradientensonde umfaßt entsprechend Fig. 2d ein
magnetisch permeables Teil 16, das einen Mittelmagneten und einen unteren
Magneten 30, 32 um 25 Zoll trennt. Die obenerwähnten Abmessungen wurden
lediglich modelliert, um die Wirkung des Abstands und/oder eines magnetisch
permeablen Teils oder nicht magnetisch permeablen Teils auf |0| zu zeigen. Die
Fig. 3a-3d stellen die den jeweils in den Fig. 2a-2d gezeigten Konfigurationen
entsprechenden Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B0| dar.
In der Niedergradientensonde schließt das magnetisch permeable Teil 16
einen signifikanten Anteil des Magnetflusses zur Mitte des Werkzeugs 10 kurz. Zur
Erläuterung ist die Stärke des in Fig. 2d gezeigten Felds B0 in einem Abstand von
etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 doppelt so groß wie das
in Fig. 2a gezeigte, von der gleichen, jedoch durch ein nichtmagnetisches
permeables Teil getrennten Magnetkonfiguration erzeugte Feld B0. Außerdem
erzeugt die Niedergradientensonde ein in Axialrichtung längeres und gleichförmi
ger verlaufendes statisches Magnetfeld. Das in diesem Abschnitt des Werkzeugs
10 gemessene NMR-Signal ist gegenüber der Vertikalbewegung des Werkzeugs
10 wesentlich weniger empfindlich. In Fig. 3d wird mit der Niedergradientensonde
in einem Abstand von etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10
ein verhältnismäßig kleiner Gradient von etwa 3 Gauß/cm gemessen. Dieser
niedrige Gradient führt zu einem gemessenen NMR-Signal, das gegenüber der
Längsbewegung des Werkzeugs 10 wesentlich unempfindlicher ist. Wenn die
Bewegung mäßig ist, können in diesem Gebiet längere Echozüge erfaßt werden,
was somit mehr Informationen über die Permeabilität, über das gebundene und
freie Fluid und über die Arten der Kohlenwasserstoffe liefert. Im Fall der Nieder
gradientensonde sowie bei anderen Gradientenkonstruktionen liefert das proto
nenreiche Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 lediglich bei höhe
ren Frequenzen als sie an das Untersuchungsvolumen angelegt werden Reso
nanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Andere in dem Bohrschlamm
befindlichen NMR-empfindlichen Kerne wie etwa Natrium-23 erzeugen beim
Anregen mit der gleichen HF-Frequenz bei signifikant höheren statischen
Magnetfeldstärken als Wasserstoff eine Resonanz. Für die Niedergradientensonde
werden diese höheren Feldstärken in dem Bohrlochgebiet in der Umgebung des
Werkzeugs 10 oder in der Nähe der Antenne, wo solche unerwünschten Signale
erfaßt werden könnten, nicht erzeugt.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist in einem als eine Hochgradientensonde ver
wendeten weiteren Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von
einem oberen Magneten 34 getrennt. Die Magneten 30, 34 sind in einer Richtung
parallel zur Längsachse des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole
einander gegenüberliegen. Diese Magneten 30, 34 erzeugen ein im wesentlichen
axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisierung, wobei
das statische Magnetfeld über eine angemessen lange Zylinderschale eine ziem
lich konstante Größe besitzt. Es können mehrere Zylinderschalen von Spins in der
Formation angeregt werden, wobei jede Schale bei einer anderen HF-Frequenz in
Resonanz ist.
Falls der Abstand zwischen den Magneten 30 und 34, wie in Fig. 2c ge
zeigt ist, etwa 8 Zoll beträgt, sind die Äquipotentiallinien der statischen Magnet
feldstärke im wesentlichen gerade, wobei die Stärke von |0| größer als die
Stärke des statischen Magnetfelds des Gebiets mit dem niedrigen Gradienten ist.
Wie in Fig. 3c gezeigt ist, wird der Gradient |∇B0| in einem Abstand von etwa 7
Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 jedoch größer. Die Äquipoten
tiallinien von |∇B0| sind gekrümmt, was eine Abweichung des Gradienten in Axial
richtung bezeichnet.
Die Hochgradientensonde wird durch Einsetzen eines magnetisch perme
ablen Teils 16 zwischen den Magneten 30, 34 verbessert. Fig. 4a stellt die Äqui
potentiallinien von |0| dar, die einer Konfiguration entsprechen, bei der das ma
gnetisch permeable Teil 16 den unteren Magneten und den Mittelmagneten 30, 34
um 8 Zoll trennt. Die Äquipotentiallinien aus Fig. 4a zeigen ein geringfügig
stärkeres Feld, was ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und weniger Krüm
mung in Axialrichtung als die Äquipotentiallinien aus Fig. 2c bezeichnet. Außerdem
erzeugt das magnetisch permeable Teil 16, wie in Fig. 4b gezeigt ist, in
Axialrichtung einen stärker konstanten Gradienten |∇B0|, der die Interpretation der
durch die Diffusion beeinflußten NMR-Messungen vereinfachen kann.
Im Fall der Hochgradientensonde liefert das protonenreiche Bohrlochge
biet in der Umgebung des Werkzeugs 10 wie bei anderen Gradientenkonstruktio
nen lediglich bei höheren als den an das Untersuchungsvolumen angelegten Fre
quenzen Resonanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Die Hoch
gradientensonde ist empfindlich gegenüber einem kleinen Teil des Natriums von
dem Bohrlochfluid. Für ein Bohrlochfluid mit einer NaCl-Konzentration von 30%,
dem möglicherweise schlimmsten Fall, beträgt der Fehler der abgeschätzten Po
rösität infolge des Natriumsignals etwa 0,08 pu. In der Niedergradientensonde ist
das Natriumsignal wesentlich kleiner als in der Hochgradientensonde. Folglich ist
das Natriumsignal für beide NMR-Sonden vernachlässigbar.
Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, wird von den in den ausgesparten
Bereichen 50, 52 vorgesehenen Antennen 36, 38 in den Untersuchungsgebieten
ein HF-Magnetfeld erzeugt. Das HF-Feld kann durch eine oder durch mehrere HF-
Antennensegmente, die von verschiedenen Umfangssektoren der Vorrichtung
zum Erstellen des Bohrberichts aus senden und/oder empfangen, erzeugt werden.
Bevorzugt umfaßt jede Antenne 36, 38 eine entlang des Umfangs um den
ausgesparten Bereich 50, 52 gewickelte Spule 18. Das durch eine solche Spu
lenanordnung erzeugte HF-Feld ist im wesentlichen axialsymmetrisch. Die Anten
nen 36, 38 können zum Erfassen von NMR-Signalen verwendet werden. Jedoch
kann zum Erfassen der Signale auch eine gesonderte Antenne oder ein geson
derter Empfänger verwendet werden. In dem ausgesparten Bereich 50, 52 unter
den Antennen 36, 38 ist ein nichtleitendes Material 54 vorgesehen. Um die Wirk
samkeit der Antennen 36, 38 zu erhöhen, ist das Material 54 bevorzugt ein Ferrit.
Alternativ kann das Material 54 ein Kunststoff-, Gummi- oder verstärktes Epoxid
harz-Verbundmaterial umfassen. Die Antennen 36, 38 werden durch die HF-
Schaltungsanordnung in Resonanz versetzt, um in den Untersuchungsgebieten
ein HF-Magnetfeld zu erzeugen.
Der ausgesparte Bereich 52 bildet eine flache Nut in dem Bohrkopfschaft
22, ohne daß, wie üblich, zum Erhöhen der Feldstärke in einem Gebiet des
Bohrkopfschafts 22, in dem zur Schaffung einer Antenne der Außendurchmesser
ausgespart wurde, der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts 22 verringert wird.
Der ausgesparte Bereich 50 besitzt eine größere Tiefe als der ausgesparte
Bereich 52. Wegen mechanischer Beschränkungen kann es nur einen tief
ausgesparten Bereich geben, in dem der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts
22 wesentlich verringert ist. Entweder können die ausgesparten Bereiche 50, 52
im wesentlichen die gleiche Tiefe haben, oder der ausgesparte Bereich 52 kann
eine größere Tiefe als der Bereich 50 haben.
Die Zylinderschalen der Spins in dem Untersuchungsgebiet können unter
Verwendung wenigstens einer in dem ausgesparten Bereich 50 und/oder 52 an
geordneten richtungsempfindlichen Gradientenspule 56 axial oder bevorzugt azi
mutal segmentiert sein. Bevorzugt sind um den ausgesparten Bereich 50 und/oder
52 entlang des Umfangs drei Gradientenspulen positioniert und durch ein
Winkelabstandssegment von 120° getrennt. Es können andere Anzahlen von
Gradientenspulen 56, d. h. weniger oder mehr als drei, definiert werden, wobei
solche Spulen 56 durch von 120° verschiedene und/oder ungleiche Winkelab
stände getrennt sein können. Jede Spule 56 ist mit Drahtschleifen konstruiert, die
der Krümmung der Außenoberfläche des Materials 54 entsprechen. Das von jeder
Gradientenspule 56 in einem der Spule 56 gegenüberliegenden Gebiet der For
mation erzeugte Magnetfeld ist im wesentlichen parallel zu dem von den Magne
ten 30, 32, 34 erzeugten statischen Magnetfeld.
In der grundlegenden NMR-Messung wird an die untersuchte Formation
eine Impulsfolge angelegt. In US 5 596 274 und US 5 023 551 wird an die Forma
tion mittels einer Impulsfolge wie etwa der Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Folge
(CPMG-Folge) an die Formation zunächst ein Anregungsimpuls, ein 90°-Impuls,
der die Spins in die Querebene dreht, angelegt. Nachdem die Spins um 90° ge
dreht wurden und eine Phasenverschiebung zwischen ihnen entstanden ist, wird
der Träger der Neufokussierungsimpulse, die 180°-Impulse, in bezug auf den
Träger der 90°-Impulsfolge gemäß der folgenden Beziehung:
phasenverschoben, wobei der Klammerausdruck für n = 1, 2, . . ., N, mit N der An
zahl der in einer einzelnen CPMG-Folge gesammelten Echos und dem Echoab
stand tEcho = 2tcp = t180°y + t1 + t2, wiederholt wird. 90°±x bezeichnet einen HF-
Impuls, der bewirkt, daß sich die Spins, wie es üblicherweise in dem Drehrahmen
der Kernresonanzmessungen (mit alternierender Phase) definiert ist, um einen
Winkel von 90° um die ±x-Achse drehen. Die Zeit zwischen dem Anlegen des 90°-
Impulses und des 180°-Impulses t0 ist kleiner als tcp, dem halben Echoabstand.
Die CPMG-Folge ermöglicht die Erfassung einer symmetrischen Messung (d. h.
einer Messung ohne Verwendung der Gradientenspulen). Die genauen Zeitpara
meter t0, t1 und t2 hängen von verschiedenen Faktoren (z. B. von der Form der
angelegten Impulse) ab.
Hier erzeugt ein an die Gradientenspule 56 angelegter Stromimpuls ein im
wesentlichen zu dem statischen Magnetfeld paralleles Zusatzmagnetfeld. Der
Stromimpuls wird zwischen dem ersten 90°-Impuls und dem um 180° phasenver
kehrten Impuls angelegt. Dieses Zusatzfeld bewirkt eine zusätzliche Phasenver
schiebung für die Spins. Da der um 180° phasenverkehrte Impuls die zusätzliche
Phasenverschiebung nicht kompensiert, bilden die dem Zusatzfeld unterworfenen
Spins kein Spinecho. Für Spins, die dem Zusatzfeld nicht unterworfen sind, tritt
jedoch zur Zeit 2tcpein Spinecho auf, wobei zum Zeitpunkt tcp nach jedem pha
senverkehrten Impuls Spinechos mit aufeinanderfolgend kleinerer Amplitude auf
treten. Die Impulsfolge ist
wobei t0 a die Zeitdauer zwischen dem 90°-Impuls und dem Gradientenimpuls mit
der Dauer δ, t0 b die Zeitdauer zwischen dem Gradientenimpuls und dem 180°-
Umkehrimpuls und t0 a + δ + t0 b = t0 ist. Infolge der aufeinanderfolgenden 180°y-
Impulse und der inhomogenen Felder fällt die x-Komponente des NMR-Signals
innerhalb weniger Echos ab. Somit liegt der Schwerpunkt lediglich auf der y-Kom
ponente des Signals. Damit kann das erste NMR-Echosignal unter Vernachlässi
gung der Relaxation als
dargestellt werden, wobei i die komplexe imaginäre Einheit; γ das gyromagneti
sche Verhältnis; M°x bzw. M°y die x- bzw. y-Komponente der Magnetisierung am
Ort r zum Zeitpunkt des ersten Echos in Abwesenheit des Gradientenimpulses;
G(r) die Komponente des Gradientenfelds parallel zu 0 am selben Ort; δ die
Dauer des Gradientenimpulses; und dc(r) die differentielle Empfindlichkeit der
NMR-Sonde ist.
Die Gradientenspulen 56 bieten eine Anzahl von Vorteilen, was das Er
halten von Azimutmessungen betrifft. Zunächst können während der Drehung des
Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 lange Echozüge aufgezeichnet werden, da die
axialsymmetrische Antenne die Spinechos erfaßt. Zweitens vereinfacht die Spule
56 den Entwurf eines NMR-LWD-Werkzeugs, da die Spule 56 nicht die Abstim
mungsanforderungen einer HF-Antenne 36, 38 besitzt. Drittens kann die gleiche
Antenne 36, 38 zum Ausführen symmetrischer und axialsymmetrischer Messun
gen verwendet werden. Viertens können die Spulen S6 verwendet werden, um
NMR-Messungen mit einer ausgezeichneten räumlichen und insbesondere verti
kalen Auflösung zu erhalten.
Es werden verschiedene Betriebsarten zum Erhalten von azimutalen
NMR-Messungen betrachtet. Zum Beispiel verwendet eine "einfache Zerstörungs"-
Betriebsart wenigstens eine Spule 56 zum Zerstören der Spins in einem
ausgewählten Quadranten, wobei ein Quadrant als ein Winkelabstandssegment
über den Umfang des Werkzeugs 10 definiert ist, wobei jedoch mehrere Spulen 56
zum Zerstören mehrerer Quadranten verwendet werden können. In jedem Fall
werden zwei Messungen erhalten: eine symmetrische Impulsfolge mit alternieren
der Phase (PAPS) mit einer festen Wartezeit, auf die eine Gradienten-PAPS mit
einer variablen Wartezeit folgt, wobei der ausgewählte Quadrant durch Aktivieren
der Spule 56 in dem Quadranten zerstört wird. Bevorzugt wird die obenerwähnte
Gradientenimpulsfolge verwendet. Die Azimutmessung wird durch Subtrahieren
der Gradientenmessung von der symmetrischen Messung erzeugt. In dieser Be
triebsart wird für jeweils zwei PAPS eine symmetrische Messung erhalten, wäh
rend für jeweils acht PAPS eine Azimutabtastung erhalten wird. Da die zwei Mes
sungen kombiniert werden, ist das Meßrauschen für die Azimutmessung höher als
das Rauschen in der symmetrischen Messung oder in der Gradientenmessung.
Der Rauschbeitrag kann durch Kombinieren verschiedener Einzelqua
dranten-Zerstörungsmessungen reduziert werden. Zum Beispiel können durch
Zerstören jedes Quadranten vier Gradienten-PAPS-Messungen erhalten werden.
Die Messungen werden zum Erzeugen einer synthetischen Azimutmessung und
einer symmetrischen Messung kombiniert. Durch Kombinieren der ohne Aktivieren
der Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen mit den mit Aktivieren einer
oder mehrerer Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen können axial oder
azimutal aufgelöste "Bilder" der Formation erzeugt werden. Die erfaßten Daten
und insbesondere die in Form von Azimutbildern der Porösität und des ge
bundenen Fluids erfaßten Daten sind sehr wünschenswert zur Verbesserung der
petrophysikalischen Interpretation in stark abweichenden und horizontalen
Bohrungen und zur Entscheidungsfindung beim Bohren über die Plazierung von
Bohrungen auf der Grundlage geologischer Erkenntnisse.
Für eine gewählte Betriebs-HF-Frequenz gibt es für den 90°-Impuls t90
sowie für die 180°-Impulse t180 eine optimale Dauer, die ein gewünschtes Signal-
Rausch-Verhältnis sicherstellt. Die Suche nach einer optimalen Impulslänge kann
während der Haupteichung des Werkzeugs ausgeführt werden, so daß sämtliche
Impulslängen richtig initialisiert werden, oder sie kann ausgeführt werden, wenn
sich das statische Magnetfeld wie etwa bei einer Änderung infolge der Akkumula
tion magnetischen Bohrmehls während des Bohrprozesses in einer nicht vorher
sagbaren Weise ändert. Außerdem kann dieses Verfahren verwendet werden, um
die geeignete Frequenz zur Erfüllung weiterer Kriterien wie etwa dem, die Unter
suchungstiefe konstant zu halten, zu wählen.
Die optimale Impulslänge kann unabhängig von den NMR-Eigenschaften
der Formation durch Messen der NMR-Antwort eines Abtastwerts unter Verwen
dung von wenigstens zwei verschiedenen Impulsdauern und einer im voraus de
finierten Betriebsart bestimmt werden. Alternativ kann die optimale Impulslänge
unter Verwendung wenigstens zweier verschiedener Impulsdauern und außerdem
einer aus den NMR-Eigenschaften der Formation berechneten Betriebsart be
stimmt werden. Im ersten Fall verbessert die Datenstapelung das Signal-Rausch-
Verhältnis, wobei das Stapelverfahren möglicherweise aber eine lange Zeitdauer
zum Erfassen der Daten von der Formation benötigt. Bevorzugt werden die ge
messenen Daten während eines stationären Zeitfensters, wenn das Werkzeug 10
eine Pause vom Bohrbetrieb einlegt, wie etwa während des Zeitraums, während
dessen der Bohrstrang mit einem neuen Abschnitt des Bohrrohrs verlängert wird,
akkumuliert. Falls die T2-Verteilung der Formation im zweiten Fall bekannt ist,
kann eine beste Erfassungsbetriebsart konstruiert werden, die das höchste Signal-
Rausch-Verhältnis pro Einheit der Erfassungszeit und eine optimale Linear
kombination der erfaßten Echos liefert. Laborsimulationen zeigen, daß die opti
male Zeitgebung für die beste Erfassungsbetriebsart dann erreicht wird, wenn die
Dauer des Echozugs etwa gleich T2,max, dem dominierenden T2 der Formation ist,
und wenn die Wartezeit tw (unter der Voraussetzung eines konstanten Ver
hältnisses T1/T2 von 1,5) etwa gleich 2,5 × T2,max ist. Die beste Erfassungsbe
triebsart bestimmt über mehrere Sekunden die optimale Impulslänge innerhalb
weniger Prozent. Ein ähnliches Verfahren (z. B. die Sattelpunkt-Konstruktion) kann
zum Optimieren des NMR-Signals in bezug auf die Frequenz verwendet werden.
Die T2-Verteilung hilft wirksam beim effizienten Abstimmen der Impulslängen für
das Werkzeug 10.
Wie oben beschrieben wurde, besitzt das Werkzeug 10 mehrere Antennen
36, 38. Bevorzugt senden oder erfassen diese Antennen 36, 38 keine Daten
gleichzeitig. Nachdem eine Antenne 36 Daten erfaßt, erfährt die andere Antenne
38 statt dessen eine minimale Wartezeit, während der sich die Stromversorgung
auflädt, um die nächste Impulsfolge zu senden. Jedoch ist es möglich, Daten
gleichzeitig zu senden oder zu erfassen oder eine Datenerfassung ohne eine er
forderliche Wartezeit vorzusehen.
Auf der Grundlage dieser Entwurfsprioritäten können mehrere Datener
fassungs-Betriebsarten verwendet werden. Unten werden beispielhaft drei reprä
sentative Zeitgebungen für die NMR-Datenerfassung beschrieben: eine für was
serfeuchte Sandsteinzonen geeignete schnelle Zeitgebung, eine für Karbonatzo
nen geeignete langsame Zeitgebung und eine für Kohlenwasserstoff führende
Zonen (oder für den Einbruch von Öl-Bohrschlamm) entwickelte sehr langsame
Zeitgebung. Die Zeitgebungen sind in Tabelle I dargestellt.
Bei jeder Datenerfassungszeitgebung können mehrere verschiedene Be
triebsarten verwendet werden, zu denen die folgenden zählen: einfache Betriebs
art, verschachtelte Betriebsart und Stoßbetriebsart. Daneben sind jedoch weitere
Betriebsarten möglich. Die einfachste Möglichkeit zum Erfassen von T2-Informa
tionen mit dem Werkzeug 10 besteht im Ausführen von CPMG-Messungen mit
beiden Antennen 36, 38 unter Verwendung der gleichen Zeitgebung. Fig. 5 zeigt
die einfache Datenerfassungs-Betriebsart bei Verwendung mit der schnell abfal
lenden, mit der langsam abfallenden und mit der sehr langsam abfallenden Zeit
gebung aus Tabelle I. Jede Antenne 36, 38 erfaßt alternierend eine lange Impuls
folge, was eine wirksame Porösitätsmessung von jeder Antenne 36, 38 liefert.
Bei der verschachtelten Betriebsart mißt die Hochgradientenantenne we
nigstens zwei Zylinderschalen bei zwei verschiedenen Frequenzen, während die
Niedergradientenantenne eine Messung unter Verwendung einer einzelnen Fre
quenz erhält. Fig. 6 zeigt für schnell abfallende Abtastwerte, für langsam abfal
lende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten eine ver
schachtelte Messung unter Verwendung der Zeitgebung aus Tabelle I.
Die Stoßbetriebsart verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis insbeson
dere für die schnell abfallenden Komponenten. Außerdem schafft die Stoßbe
triebsart ein nutzbares T1 auf der Grundlage einer Messung der gebundenen
Fluide. Siehe WO 98/29639 und außerdem US-Patentanmeldung Nr. 09/096.320,
die ein Verfahren zum Polarisieren des gebundenen Fluids einer Formation be
schreiben. Fig. 7 zeigt Stoßmessungen für schnell abfallende Abtastwerte, für
langsam abfallende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten
unter Verwendung leicht modifizierter Zeitgebungen aus Tabelle I.
Zusätzlich zur Verwendung der einfachen Betriebsart, der verschachtelten
Betriebsart und der Stoßbetriebsart können die Formationsbewertungsmessungen
dadurch optimiert werden, daß die im Bohrloch herrschenden Bedingungen, die
eine Pause während des Bohrbetriebs erzeugen, und die Bohrbetriebsart erfaßt
wird, wobei die Betriebsart zum Steuern der Datenerfassung verwendet wird.
Standard-Drehbohroperationen umfassen mehrere natürliche Pausen, während
derer das Werkzeug stehenbleibt: die Anschlußzeit, während der ein neuer Ab
schnitt des Bohrrohrs zu dem Bohrstrang hinzugefügt wird, die Umwälzzeit, wenn
Schlamm umgewälzt und das Bohrrohr möglicherweise gedreht wird, und die
Fangarbeits- oder Rüttel-Zeit, während der der Bohrstrang haftet und vor dem
Fortsetzen des Bohrens freigelegt werden muß. Diese natürlichen, ohne Unter
brechung der normalen Bohroperationen auftretenden Pausen oder absichtlich
ausgelöste Pausen werden zum Ausführen von NMR-Messungen verwendet. Die
Bohrbetriebsarten können das Bohren, das Gleiten, das Schalten, das Umwälzen,
die Fangarbeit, ein kurzes Anschlagbohren (nach oben oder nach unten) und
Bohrrohrverbindungen umfassen. Das Bestimmen der Bohrbetriebsart verbessert
die Fähigkeit, NMR-Messungen zu erhalten, die, wie z. B. T1, T2, die Antennen
abstimmung und die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten, einen
langen Zeitraum erfordern oder von einer ruhigen Umgebung profitieren. Es ist
außerdem möglich, die Erfassungsbetriebsarten auf der Grundlage von Änderun
gen in der Umgebung (z. B. der Auswaschung, des Salzgehalts usw.) und/oder
von Änderungen in den NMR-Eigenschaften der Formation (z. B. einem langen T1
gegenüber einem kurzen T1) einzustellen.
Die Spinechoamplituden werden durch Hardwareintegration der Empfän
gerspannungen über ein Zeitfenster erhalten. Das Werkzeug 10 verwendet eine
phasenempfindliche Erfassung zum Messen der phasengleichen Komponenten
und der Quadratur-Komponenten der Spinecho-Signal- und Rausch-Amplituden.
Die in US 5 381 092 offenbarten Verfahren können verwendet werden, um die
Fenstersummen im Bohrloch zu berechnen und zur T2-Inversionsverarbeitung und
-darstellung an die Oberfläche zu senden. Außerdem können die in US 5 363 041
offenbarten Verfahren realisiert werden, die einen linearen Operator zum Abbilden
einer Relaxationszeitverteilung auf die Spinechos verwenden, eine
Eigenwertzerlegung (SVD) des linearen Operators erzeugen, die Vektoren der
SVD bestimmen und die Spinechodaten unter Verwendung der Vektoren
komprimieren. Bevorzugt wird das T2-Spektrum im Bohrloch berechnet und an die
Oberfläche übertragen. Dies bietet den Vorteil, einen durch das Senden der er
forderlichen Daten zum Berechnen des T2-Spektrums an die Oberfläche erzeug
ten Telemetrie-Engpasses zu beseitigen. Zum Invertieren der T2-Daten kann ein
Digitalsignalprozessor verwendet werden. Die Amplituden Aj der Spinechos wer
den durch die folgende Beziehung:
gekennzeichnet, wobei ηj das Rauschen in der Messung Aj, ai die Amplitude der
bei T2,i genommenen T2-Verteilung ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante
(das Verhältnis T1/T2), Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . ., N mit N der Anzahl der
in einer einzelnen Impulsfolge gesammelten Echos ist. In der Matrixschreibweise
lautet die Gleichung = X + . Da das Rauschen η unbekannt ist, kann durch
Finden der Lösung mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate, d. h. eines
Minimums des Funktionals J = || - X||2, angenähert werden. Die Lösung dieser
Gleichung wird stark durch das in den Daten vorhandene Rauschen beeinflußt,
wobei sie, obgleich das Spektrum von T2 keine negativen Komponenten besitzt,
negative Komponenten besitzen kann. Zur Lösung dieses Problems wird das
Funktional durch einen Regularisierungsterm λ||||2 ergänzt und das Funktional
Jλ() = || - X||2 + λ||||2 unter Verwendung eines geeigneten Iterationsminimie
rungsalgorithmus (z. B. des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens) unter
der Nebenbedingung ai ≧ 0 für i = 1 . . . M minimiert. Siehe Ron S. Dembo und
Ulrich Tulowitzski, On the Minimization of Quadratic Functions Subject fo Box
Constrainfs, Yale Department of Computer Science (September 1984)
(Beschreibung des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens). Die unter
Verwendung eines Digitalsignalprozessors zum Ausführen der T2-Inversion erfor
derliche Zeit ist sehr angemessen. Zum Beispiel erfordert die Inversion in einem
Digitalsignalprozessor unter der Voraussetzung von 1800 Echos und 30 Ab
tastwerten in dem T2-Bereich weniger als zwei Sekunden.
Für die grundlegende NMR-Messung mit dem Werkzeug 10 legt die Elek
tronikschaltungsanordnung eine Impulsfolge an die untersuchte Formation an. Das
Werkzeug 10 enthält einen Impulsprogrammierer 80, der die an die Formation
angelegte Impulsfolge angepaßt auswählt und steuert. Der Impulsprogrammierer
80 richtet die Impulsfolge unter Verwendung der in dem Meßsteuerblock 82 (siehe
Fig. 8) gefundenen Informationen und der Betriebsbedingungen des Werkzeugs
10 ein. Bevorzugt ist der Meßsteuerblock 82 in einer Speichervorrichtung im
Bohrloch untergebracht. Die Konstruktion des Blocks 82 ist feststehend, um zu
ermöglichen, daß der Impulsprogrammierer 80 die Zeitgebung der Impulsfolgen
autonom im Bohrloch leicht anpaßt und ändert. Vorteilhaft wird ein Abschnitt des
Blocks 82 in mehrere Tabellen 84, 86 und 88 unterteilt. Anstatt alle von der
Impulsfolge abhängigen Werkzeugoperationen durch den Impulsprogrammierer 80
zu steuern, werden zum Steuern dieser Operationen die Tabellen 84, 86, 88
verwendet. Dadurch kann der Impulsprogrammierer 80 die Impulsfolgen ändern,
ohne Widersprüche in der Werkzeugkonfiguration einzuführen. Die mehreren
Tabellen 84, 86 und 88 können die folgenden Tabellen umfassen:
eine Puffertabelle, die die Anordnung der Stapelpuffer beschreibt,
eine Erfassungstabelle, die die in den Puffern akkumulierten erfaßten Si gnale definiert,
eine Filterkoeffiziententabelle, die das bei einer Signalerfassung verwen dete Erfassungsfilter vorschreibt,
eine Spindynamik-Korrekturtabelle, die die für jeden Puffer zu verwen dende Spindynamikkorrektur angibt, und
eine Datenverarbeitungstabelle, die die aus den erfaßten Puffern berech nete Kernresonanz-Charakteristik angibt.
eine Puffertabelle, die die Anordnung der Stapelpuffer beschreibt,
eine Erfassungstabelle, die die in den Puffern akkumulierten erfaßten Si gnale definiert,
eine Filterkoeffiziententabelle, die das bei einer Signalerfassung verwen dete Erfassungsfilter vorschreibt,
eine Spindynamik-Korrekturtabelle, die die für jeden Puffer zu verwen dende Spindynamikkorrektur angibt, und
eine Datenverarbeitungstabelle, die die aus den erfaßten Puffern berech nete Kernresonanz-Charakteristik angibt.
Der Impulsprogrammierer 80 enthält eine zum Erzeugen der Impulsfolgen
nutzbare Impulsfolgenschablone 94, die eine von den Wiederholungs- und Zeit
gebungsvariablen abhängige Folge von Zuständen umfaßt. Diese Variablen wer
den unter Verwendung des Rechenblocks 92 aus den Folgenkonfigurationspara
metern berechnet. Der Rechenblock 92 kann als eine ausführbare oder als eine
interpretierende Struktur realisiert werden. Auf der Grundlage der zu messenden
physikalischen Größe, z. B. T2, können Zeitgebungsvariablen wie etwa die War
tezeit tw, der Echoabstand tEcho und die Anzahl der erfaßten Echos definiert wer
den. Zu den Konfigurationsparametern können t90, die Impulsamplitude und die
Impulsform zählen. Da sich diese Parameter mit den Betriebsbedingungen des
Werkzeugs 10 ändern können, können sie periodisch während der Eichung oder
während des Betriebs des Werkzeugs 10 berechnet werden. Zum Beispiel hängt
die Impulsamplitude und -form von dem Antennenqualitätsfaktor und somit von der
Leitfähigkeit der Formation in der Umgebung des Werkzeugs 10 ab.
Normalerweise läuft eine Impulsfolge, nachdem sie der Impulsprogram
mierer 80 ausgelöst hat, deterministisch bis zu ihrem Abschluß ab. Um mit dem
Werkzeug 10 bestimmte Azimutmeß-Betriebsarten zu realisieren, besitzt der Im
pulsprogrammierer 80 die Fähigkeit, die Impulsfolge während der Ausführung der
Folge zu ändern. Der Programmierer 80 kann die Ausführung der Impulsfolge an
halten und in einen HALT-Zustand eintreten, bis ein externes Signal den Zustand
zum Zeitpunkt tc beendet oder bis eine maximale Zeitdauer tmax abgelaufen ist.
Da die letzte der mit der Datenerfassungszeitgebung zu verwendenden verschie
denen Betriebsarten (die verschachtelte Betriebsart) ein Verschachteln mehrerer
Messungen vorsieht, kompensiert der Programmierer 80, wie zuvor in dem Ab
schnitt über die Datenerfassungs-Betriebsarten diskutiert wurde, die während des
HALT-Zustands vergangene Zeitdauer. Bevorzugt wird die Kompensation durch
Gruppieren der HALT-Ereignisse ausgeführt. Zum Beispiel kann ein Gruppieren
ein Paar HALT-Ereignisse umfassen, wobei ein HALT-Ereignis wie zuvor be
schrieben arbeitet, während das andere HALT-Ereignis ein normales Ereignis der
Dauer tmax - tc ist. Das Gruppieren von Ereignissen ermöglicht, daß der Pro
grammierer 80 Folgen mit einer variablen und mit einer deterministischen Zeitge
bung zusammenfaßt.
Außerdem kann die in der Impulsfolgenschablone 94 definierte Folge der
Zustände für Teile der Folge mehrere Alternativen umfassen. Eine der Alternativen
(eine Verzweigung) wird in Echtzeit in Abhängigkeit von den externen Bedin
gungen des Werkzeugs 10 (z. B. vom Azimut des Werkzeugs 10) gewählt.
Claims (22)
1. Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft einer
Bodenformation beim Erstellen eines Bohrberichts einer Bohrung,
gekennzeichnet durch
das Erzeugen eines im wesentlichen axialsymmetrisch-statischen Magnet felds in einer von einer Bohrung durchquerten Formation;
das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation;
das Erfassen der Kernresonanzsignalen von der Formation;
das Bereitstellen eines Signalprozessors in der Bohrung; und
das Berechnen einer Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten aus den erfaßten Signalen mit dem Signalprozessor.
das Erzeugen eines im wesentlichen axialsymmetrisch-statischen Magnet felds in einer von einer Bohrung durchquerten Formation;
das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation;
das Erfassen der Kernresonanzsignalen von der Formation;
das Bereitstellen eines Signalprozessors in der Bohrung; und
das Berechnen einer Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten aus den erfaßten Signalen mit dem Signalprozessor.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertei
lung der Spin-Spin-Relaxationszeiten an eine Oberfläche der Bohrung gesendet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an
die Formation eine Folge von HF-Magnetfeldimpulsen angelegt wird, wobei die
Verteilung der Spin-Spin-Relaxationszeiten verwendet wird, um eine optimale
Zeitdauer des Anlegens jedes Impulses an die Formation zu bestimmen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß mehrere Signale mit einer Signal- und Rausch-Amplitude
erfaßt werden, wobei das Rauschen in dem Signal und ai die Amplitude der bei T2,i genommenen Spin-Spin-Relaxationszeiten ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante, Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . . N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Im pulsfolge gesammelten Echos ist.
erfaßt werden, wobei das Rauschen in dem Signal und ai die Amplitude der bei T2,i genommenen Spin-Spin-Relaxationszeiten ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante, Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . . N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Im pulsfolge gesammelten Echos ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das der
Signal- und Rausch-Amplitude = X + unter einer Nebenbedingung ≧ 0
angenähert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Minimum des Funktionals J = || - X||2 bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Regularisierungsparameter λ gewählt und ein Minimum des Funktionals
Jλ() = || - X||2 + λ||||2 bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Funktional unter Verwendung eines Konjugierte-Gradienten-Projektions-
Algorithmus minimiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Funktional unter Verwendung eines Konjugierte-Gradienten-Projektions-
Algorithmus minimiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß an die Formation eine Folge von HF-Magnetfeldimpulsen angelegt wird,
wobei die Verteilung der Spin-Spin-Relaxationszeiten zur Auswahl einer optimalen
Betriebsfrequenz verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich
net, daß an die Formation eine Folge von HF-Magnetfeldimpulsen angelegt wird,
wobei die Verteilung der Spin-Spin-Relaxationszeiten zum Aufrechterhalten einer
im wesentlichen konstanten Untersuchungstiefe in der Formation verwendet wird.
12. Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft in einem
Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs
(24),
gekennzeichnet durch
Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen eines im wesentlichen axial symmetrisch-statischen Magnetfelds in einer von einer Bohrung durchquerten Formation;
Einrichtungen (36, 38) zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation;
Einrichtungen (38, 36) zum Erfassen der Kernresonanzsignale von der Formation; und
eine in der Bohrung befindliche Einrichtung (20) zum Berechnen einer Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten aus den erfaßten Signalen.
Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen eines im wesentlichen axial symmetrisch-statischen Magnetfelds in einer von einer Bohrung durchquerten Formation;
Einrichtungen (36, 38) zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation;
Einrichtungen (38, 36) zum Erfassen der Kernresonanzsignale von der Formation; und
eine in der Bohrung befindliche Einrichtung (20) zum Berechnen einer Verteilung von Spin-Spin-Relaxationszeiten aus den erfaßten Signalen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Senden der Verteilung der Spin-Spin-Relaxationszeiten an eine Oberfläche
der Bohrung.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch Ein
richtungen (36, 38) zum Anlegen einer Folge von Magnetfeldimpulsen an die
Formation und eine Einrichtung, die unter Verwendung der Verteilung der Spin-
Spin-Relaxationszeiten eine optimale Zeitdauer, während der jeder Impuls an die
Formation angelegt wird, bestimmt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet
durch Einrichtungen (36, 38) zum Anlegen einer Folge von Magnetfeldimpulsen an
die Formation und eine Einrichtung, die unter Verwendung der Verteilung der
Spin-Spin-Relaxationszeiten eine optimalen Betriebsfrequenz auswählt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Einrichtungen
(36, 38) zum Anlegen einer Folge von Magnetfeldimpulsen an die Formation und
eine Einrichtung, die unter Verwendung der Verteilung der Spin-Spin-
Relaxationszeiten eine im wesentlichen konstanten Untersuchungstiefe in der
Formation aufrechterhält.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet
durch Einrichtungen (38, 36) zum Erfassen mehrerer Signale mit einer Signal-
und Rausch-Amplitude
wobei ηj das Rauschen in dem Signal und ai die zu T2,i genommene Amplitude der Spin-Spin-Relaxationszeiten ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante, Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . . N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Im pulsfolge gesammelten Echos ist.
wobei ηj das Rauschen in dem Signal und ai die zu T2,i genommene Amplitude der Spin-Spin-Relaxationszeiten ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei tw die Wartezeit und c eine Konstante, Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . . N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Im pulsfolge gesammelten Echos ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Annähern des der Signal- und Rausch-Amplitude = X + unter einer
Nebenbedingung ≧ 0.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Bestimmen eines Minimums des Funktionals J = || - X||2.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zur Auswahl eines Regularisierungsparameters λ und zum Bestimmen eines
Minimums des Funktionals Jλ() = || - X||2 + λ||||2.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Minimieren des Funktionals unter Verwendung eines Konjugierte-Gradienten-
Projektions-Algorithmus.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Minimieren des Funktionals unter Verwendung eines Konjugierte-Gradienten-
Projektions-Algorithmus.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/187,130 US6184681B1 (en) | 1998-03-03 | 1998-11-05 | Apparatus and method for computing a distribution of spin-spin relaxation times |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19952787A1 true DE19952787A1 (de) | 2000-05-11 |
Family
ID=22687726
Family Applications (1)
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