专利名称：多梯度、多te回波串的时域数据结合的制作方法
技术领域：
本发明涉及从核磁谐振测量数据获得参数的方法。特别地，本发明改进测井记录获取效率和与从来自磁场梯度的各区域的s个多次回波序列得到的叠加信号的地层评估。
背景技术：
新一代多频率核磁谐振(NMR)测井(logging)设备可以获取可用于同时表征地层(formation)岩石性能(例如，孔隙度、结合(bound)和可动流体和渗透性)和储层流体性能的数据。但是，获取同时用于这些表征目的的数据常常需要各种NMR获取参数和序列。高分辨率地层表征需要产生不牺牲垂直分辨率的高S/N回波(echo)数据的获取方案。流体性能随深度的变化一般比岩石性能慢，但得到流体性能需要使流体对比度(例如，气、油和水之间的差异)最大化的NMR回波数据获取。以最佳的方式实现的所述数据获取是通过以最佳的方式改变获取方案中的磁场梯度(G)、回波间间隔(TE)和极化时间(polarization time)(TW)的组合而实现的。
在存在静磁场且存在RF激励的影响的情况下，NMR测井基于核自旋的静态和动态方面。当磁矩的汇集(assembly)，诸如氢核的汇集，被暴露于静磁场中时，磁矩趋于沿磁场的方向排列，导致整体磁化。在存在静磁场的情况下在这种整体磁化中建立平衡的速率由公知为自旋晶格弛豫(relaxation)时间T1的参数表征。另一相关且常使用的NMR测井参数是自旋-自旋弛豫时间T2(也常称为横向驰豫时间)，该自旋-自旋弛豫时间T2是由测井工具的整个检测体积中的局部磁场的不均匀性导致的特性衰减时间。两种弛豫时间以及磁化强度提供有关岩层孔隙度、岩层流体的成分和量和其它参数的信息。在现有技术中说明了得到下向井眼环境中的NMR测量值的方法。在授权给Taicher的美国专利No.4717877和授权给Strikman的美国专利No.4710713中说明了实施这些技术的有用的技术和装置。
在NMR测井中得到的另一测量参数是地层中的流体的扩散。一般地，扩散是指由于热能导致的气态或液态的原子的移动。自扩散是重要参数，因为它与流体的粘度逆相关，该粘度是钻孔测量中的十分重要的参数。在均匀的磁场中，扩散对测量的NMR回波的衰减速率影响很小。在存在梯度磁场的情况下，虽然扩散运动与不存在场梯度的情况一样，但原子核的去相的速度大大提高，由此导致衰减速率加快。这种衰减速率取决于G2D，这里，G是磁场梯度，D是扩散率值。
可从NMR测井记录(logs)导出的一个重要的岩石物理参数是不可约结合体积(bound volume irreducible)BVI。在现有技术中说明了用于估算BVI的常用方法。该方法使用T2cutoff值用于计算，使得，BVI=∫T2minT2cutoffP(T2)dT2---(1)]]>这里，P(T2)是表观T2分布，单个T2分量由下式表示T2-1=T2B-1+ρSV+T2Diff-1---(2)]]>这里，T2B是大量流体的驰豫，ρ是表面驰豫率，S是孔隙表面面积，V是孔隙体积，T2Diff是由于扩散效应导致的增加的衰减时间。扩散项T2Diff-1=γ2G2TE2Dfluid12---(3)]]>取决于(a)场梯度G，该场梯度G与获取频率相关；(b)回波间时间TE，该回波间时间TE是获取参数；(c)扩散率D，该扩散率D是流体性能和(d)γ，该γ是回磁比，它是取决于原子核各类的性能。在NMR测井中，通常只关心质子自旋。值得注意的是包含可由操作人员改变的两个参数的倍增因子G*TE。很显然，通过使用不同的G*TE因子获取的数据将导致不同的表观T2分布P(T2)。等式(1)表示，如果使用相同的T2cutof值计算相同地层的BVI，结果P(T2)会取决于梯度和TE。如果G*TE的值较小，那么T2Diff-1项对等式(2)中的T2-1贡献远小于大量流体驰豫项T2B-1或表面驰豫项ρ(S/V)。在这种情况下，可以忽略T2-1与扩散的相关性。但是，如果G*TE的值较大，那么T2Diff-1会变为T2-1的主要起作用的项。
如果不考虑工具和获取相关性，T2cutoff值取决于岩石表面矿物学。常用的作法是从基于实验室的NMR测量“校准”T2cutoff。一般在其中没有施加外部梯度因此T2Diff-1的贡献可忽略不计的磁场装置中实施这些实验室测量。它与在测井工具测量中发现的外部梯度是不一致的。组合的回波串使得单个T2cutoff的使用与实验室岩芯NMR导出的T2cutoff一致，使得得到更好的用于岩芯记录结合(core-log integration)的装置。
授权给Paltiel的美国专利No.5212447说明了用于确定由井筒穿透的地球岩层的自扩散常数的方法和装置。Paltiel的447公开了用于进行钻孔NMR测量的技术，该技术包括以下步骤提供沿钻孔的希望的位置上的磁场梯度；在存在磁场梯度的情况下得到至少一组、优选两组或更多组NMR数据；检测扩散对至少第一回波的衰减的影响并由此确定扩散系数。得到至少一组NMR数据包含实施两组NMR数据获取，使得各组在以下参数的至少一个上有差异允许分子扩散的时间、磁场梯度的大小、和施加脉冲的时间(如果使用磁场梯度脉冲)。
授权给Taicher的美国专利No.5698979公开了多孔介质中的分隔的孔隙中的原子核的移动性能的测量方法。该方法包括以下步骤向介质施加静磁场以极化原子核；在介质的孔隙内产生第一幅值的磁场梯度；施加无线频率磁场，以激励原子核从原子核接收NMR信号；并从NMR信号的幅值的衰减速率计算移动性能。Taicher的979施加具有第一幅值、第二幅值和幅值梯度的静磁场，并依次激励原子核，并接收与由第一和第二磁化幅值限定的区域对应的频率上的谐振信号。移动计算由来自第一和第二频率的谐振信号的幅值的衰减速率的差决定。
授权给Akkurt的美国专利No.6316940公开了使用用户调整的测量参数从不同的流体中分离各信号的方法。Akkurt的940基于作为用于地质构成的NMR测量中的盐水相(brine phase)的主驰豫机制的强制扩散。改变某些测量参数，以提高扩散驰豫在盐水相中的作用。提高的扩散驰豫反过来建立用于盐水相的T2分布的上限，该极限可被计算。一旦发现该上限，就可以将具有比该上限长的T2的任何相明确鉴定为不为盐水。被改变的测量参数是工具的回波间时间TE和磁场G。
授权给Menger的美国专利No.6377042公开了通过在时域中将不同的NMR脉冲回波串(train)合并到单个回波串中得到分辨率提高的NMR数据的方法和系统。可以用不同的回波间隔、等待时间和被优化为对应T2波谱的快和慢部分的信噪比参数获取输入回波串。合并的回波串在一个步骤中被转化为完整的T2波谱，由此克服现有技术方法中的不定性和其它限制。在优选实施例中，合并过程不需要有关T1的先验的信息，并且被合并的回波串关于T2分辨率被优化。Menger的042的方法公开了包含部分地恢复和完全恢复的数据的转化和收集(binning)输入数据。在第二步中，在一定的范围内为所有收集器(bin)计算的虚构的(invented)数据之间的差，使得可以计算“人造”回波串，该“人造”回波串可被添加到原始的部分地恢复的数据中。在第三步中，对数据进行合并，以得到最终的回波串，该回波串作为用于标准T2转化的输入被提供。为了更全面地了解岩层，必须尽可能多地考虑许多参数，包括对静磁场(即，场梯度)的改变。Menger的042涉及改变回波串参数，但没有涉及场梯度参数的变化的影响。
目前，多重G、TE和TW数据未在时域处理中被组合以得到地层岩石性能。主要的障碍是，不同的G-TE数据不能被简单地叠加。部分上由更早的NMR工具的硬件限制因素规定的常用作法是记录(log)多通道(multiple passes)，每个通道具有单独的评估目标。即使使用可在单个通道中获取综合数据的多频率工具，数据也不能被经济地使用。因此，为了满足地层岩石和流体性能表征需要，要求要么放慢测井记录速度，要么牺牲垂直分辨率。
很明显，需要发展提高测井记录获取效率并使所有数据的经济效用最大化的方法。本发明着重解决上述问题。
发明内容
本发明是通过使用在地层中的钻孔中传送的测井工具确定地球地层的所关心的参数的装置和方法。通过使用第一和第二射频(RF)脉冲序列，从所关心的第一和第二区域获取多次回波序列。确定至少部分地取决于地球地层中的流体的扩散率的校正因子，并通过使用校正因子组合第一和第二多次回波序列，以得到组合的多次回波序列。第二脉冲序列具有至少一个与所述第一脉冲序列的参数不同的参数，并且/或者，所述第一区域中的静磁场的梯度与所述第二区域中的静磁场的梯度不同。在本发明的优选实施例中，使用多频率测井工具，第一和第二区域不同，且所述第一区域中的静磁场与所述第二区域中的静磁场不同。测井工具包含用于移动(shift)地球地层中的静磁场的装置(arrangement)。这种装置由此可通过在不同的RF频率获取数据，产生系列敏感区(volume)。
当第一RF脉冲序列在以下方面的至少一个方面与第二RF脉冲序列不同时，可以使用该方法(i)与梯度或梯度分布对应的RF频率；(ii)再聚焦脉冲之间的间隔。当极化(polarization)时间和/或两个序列的脉冲的数量相同或不同时，可以使用该方法。校正因子是关系到第一和第二多次回波序列的乘数因子。
校正因子还取决于以下方面的至少一个方面(i)与所述第一RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(ii)与所述第二RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(iii)与所述第一RF脉冲序列相关的回波间(interecho)时间；(iv)与所述第二RF脉冲序列相关的回波间时间；(v)所述第一多次回波序列的噪声级和(vi)所述第二多次回波序列的噪声级。
可以从测量的扩散率，并通过对(i)流体的温度和(ii)流体的深度(或压力)的至少一个进行校正，得到流体扩散率。
在本发明的任选的实施例中，当第一多次回波序列和第二多次回波序列的噪声级存在差异时，可以使用时间相关的加权。
当第一和第二RF脉冲序列仅在等待时间上不同时，可以从组合的回波序列确定粘土结合水和毛细结合水区。当第一和第二脉冲序列仅在频率上不同时，可以从组合的回波序列确定整个(entire)孔隙度分布。当所关心的第一和第二区域在与静磁场相关的梯度上不同时，可以从组合的序列确定粘土结合水、毛细结合水和可动流体区。
在本发明的优选实施例中，通过使用最高的频率获取最长的回波串。在本发明的任选的实施例中，当所关心的第一区域的梯度和回波间时间的乘积与所关心的第二区域的梯度和回波间时间的乘积不同时，该方法包含应用插入法以为相同密度产生数据点，并应用时间相关的加权函数。
通过参照以下附图，可最佳地理解本发明，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且，其中，图1概略地表示钻孔中的偏心NMR测井工具；图2、图2A和图2B表示用于实现希望的场配置的本发明的磁铁、天线和防护罩(shield)的结构；图3表示在本发明的优选实施例中的数据采集方法的流程图；图4表示水扩散率的温度相关性；图5a和图5b分别表示作为探测深度的函数的磁场和梯度强度；图6表示本发明的优选方法的流程图；图7a～d表示由于梯度场中的扩散导致的回波衰减的例子；图8表示在没有施加的梯度的实验室装置中和在梯度工具环境中导出的T2cutoff值之间的差异；图9表示在多参数变化的情况下的本发明的方法的流程图。
具体实施例方式
本发明的方法结合时域中的不同G-TE多次回波序列。被组合的多次回波序列可被用于得到具有提高的垂直分辨率的粘土结合水、毛细结合水区和总的孔隙度信息。未组合形式的相同数据被用于流体性能估计。因此，可更经济地对数据进行使用。
图1表示适于应用本发明的设备。钻孔10已以典型的方式被钻入潜在的产烃储层将被探测的地表下地质层12中。NMR测井工具14已通过电缆16和概略地由卷轴18表示的适当的地面装置被下放到孔10内，并正穿过包含不同成分的多个层12a～12g的地层12被提升，以测量地层的一个或更多个特性。NMR测井工具具有弓形弹簧22，以在钻孔内将工具保持在偏心位置上，使得工具的一侧接近钻孔壁。由23表示用于提供静磁场的永久性磁铁，并且磁铁配置是线偶极子(line dipole)。由工具14产生的信号通过电缆16传至地面，并通过另一导线19从电缆16传至用于处理、记录和/或显示或用于传输到用于处理、记录和/或显示的另一地点的适当的地面设备20。
图2示意性地表示适于使用本发明以在梯度场上工作的磁性结构。在授权给Beard等的美国专利6348792中说明了该工具，该专利与本申请具有相同的受让人，在此包含该专利的全部内容作为参考。应当指出，本发明的方法与具体的磁铁配置无关，并可和侧视或居中的工具甚至填充器件(pad device)一起使用，只要工具在梯度场中工作。本发明的方法甚至可与单频率测井工具一起使用。图2中的工具断面图示出主磁铁217、第二磁铁218、包含导线219和芯材料210的收发器天线。箭头221和223分别表示主磁铁217和第二磁铁218的极化(例如，从北极到南极)。图2中示出的装置的值得注意的特征是提供静场的磁铁的极化朝向工具的侧面，而不是如现有设备中那样朝向工具的前面(图2中的右侧)。下面讨论这种旋转的构造的重要性。
第二磁铁218被定位为，通过在由导线219和软磁心210限定的RF偶极子附近添加第二磁偶极子，增大静磁场的形状。这样将有效静偶极子的中心移动到更接近RF偶极子的位置，由此增加检测区的方位角范围，上面已讨论了对其的需要性。第二磁铁218还减少了高磁导率磁心210作用在主磁铁217上的分路效应。在不存在第二磁铁的情况下，磁心210会有效缩短DC场。因此，除了用作用于将静场整形到工具的前面的整形磁铁外，第二磁铁还用作关于磁心210中的静场的补偿(bucking)磁铁。本领域技术人员可以理解，可以简单地通过在磁心中设置间隙，实现补偿功能和有限的整形功能。但是，由于在工具的前侧需要某些种类的场整形，因此，在本发明的优选实施例中，第二磁铁同时用于场整形和补偿。如果磁心210中的静场接近于零，那么来自磁心的磁致伸缩振荡(ringing)可基本上被消除。
如上所述，在探测区域中，静场梯度基本上均匀，且静场强度处于预定的极限内，以表现出基本上均匀的拉莫尔频率。本领域技术人员可以理解，可以通过图2中所示的磁铁构造以外的其它磁铁构造实现场整形和补偿的组合。例如，图2A示出单个磁铁227和产生与由图2中的磁铁217和218的组合产生的静场基本上相同的静场的磁心230。具有磁铁237和磁心240的图2B中的配置导致基本上类似的场构造。由图2、图2A和图2B中的磁铁配置实现的是沿垂直于磁化方向的方向的非对称的静磁场。在本发明的可选的实施例(未示出)中，省略第二磁铁。
回到图2，收发器导线219和磁心件210应优选向工具的侧面尽可能远地被分开。这种分开通过增加天线的有效RF偶极子，增加收发器天线效率，并扩大RF磁场等值线的形状，使得它们更好地与静磁场等值线一致。第二磁铁优选由不导电的材料制成，以使RF场产生的涡流最小化，由此增加RF天线效率。
磁心优选由铁氧体以外的粉末状软磁性材料制成。它优选具有较高的饱和磁通密度，并包含小到可透过RF磁场的粉末材料的粒子。在授权给Reiderman等的美国专利No.6452388中说明了这种材料，在此包含其全部内容作为参考。
图3表示本发明的优选实施例中的数据采集方法的流程图。在该优选实施例中，多频率NMR数据被采集(301)。在替代性实施例中，可以用诸如TE的不同测井参数在单一频率下采集多个回波频率。典型的RF脉冲序列可以是CPMG序列，虽然在本发明的优选实施例中，使用再聚焦脉冲的倾角小于180°的优化的再聚焦脉冲序列。在授权给Reiderman等的美国专利6163153和授权给Slade等的美国专利6466013中说明了这种被修改的再聚焦脉冲，两个专利都与本申请具有相同的受让人，在此包含这些专利的全部内容作为参考。接收的信号回波受诸如回波间时间(TE)、等待时间(TW)、回波的数量(NE)、RF频率(f)和静磁场梯度(G)的RF场的各种参数的影响。接收的信号的强度直接随RF频率而变化，且各频率对应于具有不同的磁场梯度强度的敏感区。由于扩散，信号的回波衰减随磁梯度增加而增加。数据采样速率与TE成反比。TW对信号的影响随偏振的程度而变化，而偏振的程度取决于涉及的流体的类型。
为了计算水(盐水)的扩散率，需要井身的温度和压力，该井身的温度与压力与地层的接近。由此，本发明的方法采集作为深度的函数的温度(303)，并采集作为深度的函数的压力(305)。温度和压力有助于水扩散率的计算(307)。一般地，水扩散率对温度变化敏感，但对压力变化不太敏感。因此，如果不直接采集压力数据，由液压梯度公式得到的计算足以满足本应用。并且，在不能得到直接的温度测量数据的情况下，可以接受从地热梯度计算的地层温度。即使使地层饱和的流体可以包含水以外的流体，校正因子也利用水(盐水)扩散率。本发明中说明的校正方法适用于毛细结合水体积和CBW估算，且这些体积分数中的流体主要是水。并且，可从有效孔隙度(MPHE)和BVI之间的差计算大体积可动(BVM)流体。影响扩散率的地层中的流体的不确定性对这些关键岩石物理参数的不利影响会很小。图4表示基于公布的粘度数据和Vinegar的D-η相关关系的水扩散率的温度相关性。可以例如在CRC Handbook of Chemistry and Physics中找到所述粘度数据。使用五阶多项式用于平滑。温度(单位是℃)沿横坐标，水的扩散率(单位是cm2/sec)沿纵座标。
图5a说明作为探测深度(DOI)的函数的磁场强度(B)。以Gauss(高斯)为单位沿纵座标表示磁场，以英寸为单位表示DOI。随着DOI增加，磁场强度减小。图5b表示磁场梯度(G)与相同的DOI的关系，场梯度(单位是Gauss/cm)沿纵轴，DOI(单位是英寸)沿横轴。对于每一获取，选择一组NMR RF频率。对于给定的硬件配置，工具梯度被已知为是各频率的函数。
一般地，对于具有图5中所示的磁场强度分布的测井工具，磁场梯度随频率的增加而增加。一般地，地层岩石中的孔隙中的流体具有总梯度G→total=G→ext+G→int---(4)]]>即，外部梯度和内部梯度的矢量和。内部梯度由于母岩(matrix)和流体之间的磁化率差而产生。它一般同时取决于孔隙几何形状和岩石的类型(矿物学)。内部梯度原则上十分重要。它与TE无关，但取决于场强度Gint~Δx·B0rpore]]>并由此频率相关(Δx表示流体和固态母岩之间的磁化率差，rpore表示母岩中的孔隙的有效半径)。但是，在NMR测井工具的当前操作范围内，B0在2的因子内变化，且内部场梯度的变化也限于此范围。更重要的是，时间和Gint的随机取向的总体平均消除了<GintGext>项。相位移由此与内部梯度和外部梯度的平方和成正比(式(5))。
(G→total)2‾=Gint2+Gext2+2<GintGext>≈Gint2+Gext2---(5)]]>因此，可以将作为梯度的函数的等式(3)的扩散衰减速率分开地描述为分别由于内部梯度和外部梯度T2Diff-1=T2Diff,int-1+T2Diff,ext-1=γ2Gint2TE2Dfluid12+γ2Gext2TE2Dfluid12---(6)]]>可以将内部梯度在等式(2)中的影响插入以下各余项中T2-1=[T2B-1+ρSV+T2Diff,int-1]+T2Diff,ext-1---(7)]]>等式(7)中的括号内的项与外部梯度无关。内部梯度强度变化如式
Gint∝B0∝f那样线性地与频率变化成比例，而外部梯度变化比线性比例f大。在大多数情况下，平均上G→ext>>G→int]]>且T2Diff，int-1不是方括号中的主导项，此时，我们可以取等式(7)的方括号中的量与频率无关的近似。因此，如果所有要被组合的数据都具有相同的TE，那么可以认为，对于所有的多次回波序列，括号中的项都近似相同。如果这些回波序列的TE值不同，那么只有当由于内部梯度导致的衰减项远小于组合的体量(bulk)和表面驰豫项、或远小于外部梯度项时，括号内的项才是近似有效的。在许多情况下这些条件在实际上是近似有效的。在以下的段落中，梯度仅指外部梯度。
一般地，通过使用多指数模型代表在梯度场Gj中在频率fj获得的多次回波序列E(fj,k,TE)=ΣiN_compMi·exp(-k·TE/T2i)·exp(-k·TE·γ2Gj2TE2Dfluid12)---(8)]]>这里，i，j，k分别指示第i个T2分量、第j个频率、第k个回波。N-comp指T2分量的数量。这里，等式(9)中示出的标准多次回波序列由此由ES表示，等式(10)中示出的具有比标准多次回波序列短的长度的毛细结合水的多次回波序列由EB表示。
ES(fS,k,TE)=ΣiN_compMi·exp(-k·TE/T2i)·exp(-k·TE·γ2GS2TE2Dfluid12)---(9)]]>EB(fB,k,TE)≈ΣiN_compMi·exp(-kTE/T2i)·exp(-kTE·γ2GB2TE2Dfluid12)---(10)]]>分别通过使用频率fS和fB获得ES和EB。两个多次回波序列的回波的数量NE可以以NEB≤NES的方式不同。使用相同的TE用于两个多次回波序列，并且两个序列被完全极化(polarize)。一般地，用于毛细结合水的多次回波序列不与标准多次回波序列叠加。但是，校正由于梯度效应导致的EB上的回波幅值差异使得ES和EB可被叠加在一起。但是，如果NEB＜＜NES，且NEB·TEB较小，那么，如果
exp(-NEB·TEBγ2·G2·TEB2Di12)≈1]]>则最大梯度效应很小，使得梯度校正可被避免。
由于最高的频率产生最佳的信噪比(SNR)，因此，在本发明的优选方法中，通过使用最高的频率，获得最长的多次回波序列。因此，一般情况下fS＞fB。但是，不应把对用于获得最长的多次回波序列的频率的选择视为对本发明的限制。
通过使用本发明的方法，可以得到多种岩石物理参数。例如，如果两个多次回波序列A和B仅在等待时间(TW)上不同，那么这两个多次回波序列可被取平均值。得到的等式是E‾=(wAA+wBBwA+wB)=Σi=1NMiexp(-kTET2i)exp(-kTEγ2G2TE2Di12)(wApA,i+wBpB,iwA+wB)]]>这里，wA和wB分别是信号A和信号B的权重。信号A和信号B的极化因子被示为pA，i和pB，i。对于非常长的TW，各信号被完全极化(p＝1)。否则，0＜p＜1。该等式可用于得到完全极化的部分孔隙度，诸如CBW或毛细结合水。部分极化信号的其它部分可被舍弃。
如果两个多次回波序列A和B仅在频率在不同，并且对于这两个频率工具磁场梯度导致项exp(-kTEγ2·G2·TE2Di12)]]>中的所有k之间的差异可忽略不计，那么这两个多次回波序列可以被加权平均，且可以通过使用E‾=(wAA+wBBwA+wB)=Σi=1NMiexp(-kTET2i)exp(-kTEγ2G2TE2Di12)]]>用该结果得到整个孔隙度分布。如果两个多次回波序列A和B仅在G上不同，那么可以在实施梯度校正后，对两个多次回波序列进行加权平均，并且，通过利用E‾=(wAA+wBB′wA+wB)≈Σi=1NMiexp(-kTET2i)exp(-kTEγ2GA2TE2Di12)]]>用该结果得到整个孔隙度、有效孔隙度、CBW、毛细结合水体积和BVM。这里，B′是经梯度校正的多次回波序列B。梯度校正包含根据给定温度和压力条件下的两个G值和水扩散率计算校正因子。前面说明的时间相关的权重因子被用于两个多次回波序列的各个回波上。
如果两个回波序列A和B由于(1)只有TE不同或(2)G和TE均不同的任一原因而在G*TE上不同，那么G*TE效果的校正可被实施，然后进行内插以使数据点具有相同的数据密度TE，并在平均之前应用时间相关的加权函数。采取的权重取决于TE、噪声的标准偏差和G*TE校正因子，并以前面所述的方式被执行。被加权平均的多次回波序列和被校正的G*TE仅用于得到地层参数，不用于得到流体性能。
图6表示本发明的优选方法的流程图。在框601中，在标准多次回波序列的和SES(fS)和BVI多次回波序列的和SEB(fB)之间进行比较。SES(fS)具有相应的回波长度NES，SEB(fB)具有相应的回波长度NEB。通过采用回波的最少数量(min{NEB，NES})并对从1到min{NEB，NES}的各回波序列求和。为了去除随机噪声的影响，这种求和被应用在大量的垂直平均回波数据上。如果以相一致的方式SEB(fB)-SES(fS≤0，那么不需要对噪声进行校正。否则，可以实施本发明的方法。
在框602中，逐个回波地将多次回波序列乘以因子β=exp(-k·TE·γ2(GS2-GB2)TE2Dwater12)---(11)]]>这里，k是回波的索引(index)。可以从获知的相应储层温度和激活频率导出Dwater和梯度值。在fS方面，该乘法的结果近似预定的EBEB(fS，k，TE)≈EB(fB，k，TE)·β(TE，Dwater，fB，fS)(12)在框603中，比较SEB(fB)和SES(fS)。通过采用回波的最小量(min{NEB，NES})并对从1到min{NEB，NES}的各回波序列求和。这种求和被应用在大量的垂直平均数据上，以去除随机噪声的影响。如果差大于确定的容限，那么前进到框604。
在框604中，比较从由EB(fS，k，TE)和ES(fS，k，TE)得出的T2值得到的有效孔隙度(MPHE)。为了去除随机噪声的影响，将该比较应用于大量的垂直平均数据。如果|MPHE(EB)-MPHE(ES)|≤ε(容限)且SEB(fS)＞SES(fS)，那么表示有待校正，对于有待校正的情况，用稍大于1的因子如用于β的等式那样增加GS2-GB2，并重新处理。如果|MPHE(EB)-MPHE(ES)|≤ε(容限)且SEB(fS)＜SES(fS)，那么表示校正过度，对于校正过度的情况，用稍大于单位1的因子减小梯度GS2-GB2，并重新处理。
图6的流程图概略地说明的过程可用于用相同的TE但在不同的频率(和梯度)下获得的那些多次回波序列。在多次回波序列之间TE不同而频率可相同或不同的另一实施例中，可应用的替代性方法是，通过用SE/TE代替SE，使用回波的和的较小的修改。
图7a～d举例说明了由梯度场中的扩散(diffusion)导致的回波衰减。模拟的数据与基本上在425～800kHz的频率范围内工作的试验工具磁铁和梯度配置一致。频率被大致限定为12个离散的频率数，最低频率由#1表示，最高频率由#12表示。模拟数据的使用只表示为例子，不必限于上述频率范围，且不表示对本发明的限制。一般地，对于所有频率，在TE＝0.6ms或更低，对于回波数据的第一个30ms梯度影响很小。图7a～d说明了梯度对于100ms T2分量的影响。100ms的T2值可被用于说明目的，因为它是10ms和1000ms的两个相同加权分量的几何平均数。在图7a和图7c中可以看出参数D、G和TE对衰减因子的影响。在图7a中，TE＝0.6ms，G值被设为14、20和26Gauss/cm(分别为曲线701、703和705)。沿纵坐标测量衰减因子，沿横坐标测量时间(单位是毫秒)。在图7c中，TE＝0.4ms，G值被设为14、20和26Gauss/cm(分别为曲线702、704和706)。沿纵坐标测量衰减因子，沿横坐标测量时间(单位是毫秒)。从图7c中的回波幅值的衰减可以看到图7a中所示的影响，从图7d中的回波幅值的衰减可以看到图7c中所示的影响。图7b示出，在TE＝0.6ms，对于14Gauss/cm(711)、20Gauss/cm(713)、和14Gauss/cm(715)之间的施加的梯度，回波衰减数据的30ms上的差异小于2.5％。沿纵坐标测量回波幅值，沿横坐标测量时间(单位是毫秒)。如图7d(坐标轴与图7b相同)所示，在TE＝0.4ms，这种差异减少到2％，这里，各曲线表示G＝26、30和14Gauss/cm基本上相同(716)。示出的梯度差比频率#3和#10之间的梯度差大。在其它情况(即，在Chen和Edwards在2002年11月5日提交的美国专利申请No.10/288115中讨论的FE3情况，该专利的全部内容被包含作为参考，并与本申请具有相同的受让人)下，影响可甚至比图7b和图7d中所示的影响小。
如果频率#9被用于最长的多次回波序列，频率#6和#12被用于毛细结合水的完全极化的多次回波序列，那么叠加的结果具有接近下式的平均衰减效果decayavg=13exp(-(nTE)TE2γ2G62D/12)+exp(-(nTE)TE2γ2G92D/12)+exp(-(nTE)TE2γ2G122D/12)]]>≈1-(nTE)TE2γ2(G62+G92+G122)D/36]]>=1-(nTE)TE2γ2(G92)D/12+(nTE)TE2γ2(2G92-G62-G122)D/36]]>=decay9+Δ]]>因此，三频率平均数据和中间频率(#9)之间的回波衰减差由下式给出Δ=(nTE)TE2γ2(2G92-G62-G122)D/36]]>如果采用以下近似G12-G9≈G9-G6≡dG，Δ≈-23·(nTE)TE2γ2dG2D/12]]>由于G9为～26Gauss/cm，并且，如果dG为～6Gauss/cm，那么该效果对于CBW型多次回波序列产生很小的因子，NE·TE＝10ms，对于碎屑(clastic)T2cutoff，产生较小的因子，NE·TE＝33ms，但对于标准多次回波序列产生很大的差NE·TE＝500ms。
图8表示在没有施加的梯度801的实验室设置中导出的T2cutoff值和在具有图5b中所示的梯度值的梯度工具环境中得到的表观T2cutoff之间的差异。图8中的所有数据都假定200°F的温度环境。水平线810和820与T2cutoff曲线801、803、805和807的截距表示在使用从实验室数据导出的标准砂岩或石灰石T2cutoff值时应在测井数据分析(interpretation)中使用的等效T2cutoff值。垂直线与T2cutoff曲线的截距表示当使用33ms(825)或90ms(815)截止值以分析测井数据时的等效实验室T2cutoff值。
图8中的例子基于达到26Gauss/cm的工具梯度。如果工具在较高的梯度场操作，那么对于较大的G·TE组合，等效T2cutoff可低于33ms。在这种情况下，必须进行校正。
在本发明的另一实施例中，在两个不同的频率(并因此在两个不同的梯度G)和两个不同的TE需要两个多次回波序列。可以通过第一修正等式(11)以组合两个序列，以包含在时间t＝k·TEs的CPMG多次回波序列中的第k个回波的TE差ζ(t)=exp(-k·TES·γ2(GS2TES2-GB2TEB2)Dwater12)---(13)]]>两个多次回波序列可重新具有相同或不同的波长NE·TE。要进行校正，对于受随机噪声污染的单个回波 将根据适用性而来自等式(11)或等式(13)的乘数应用于同时包含信号S(t)和噪声N(t)的测量的回波信号M(t)。第二项(噪声项)表示噪声可通过与信号相同的因子被放大(或缩小)。为了取该数据与其它数据的平均值，将β2(t)或ζ2(t)的时间相关权重因子应用于多次回波序列M(t)，使得 并且，如果校正因子是β，可以使用类似的处理。因此，对于在长多次回波序列端出现的具有非常大的t的回波，加权因子非常小。这对应于强度与噪声级的强度相当的信号。
当噪声的标准偏差与初始多次回波序列的标准偏差不同时，本发明还使得可进行分析。应通过用第l个多次回波序列的噪声的标准偏差σl乘以β或ζ，进一步修改权重。并且，可以通过等式
ξl=ζl(t)·σl·TEl]]>作为添加因子包含由于在初始多次回波序列之间不同的TE导致的数据采样率差。因此，当考虑所有这些因子时，加权因子是 图9表示用于诸如梯度、回波间间隔和标准偏差的多参数变化情况的方法的本发明的方法的流程图。在框901中采集NMR数据，并在框903中计算水的扩散率。将扩散率确定为给定深度的温度和压力的函数。在框905中计算作为频率的函数的梯度强度。使用框901、903和905中的数据，在框911中校正梯度对多次回波序列的影响。在框913中可计算多次回波序列中的噪声的单个标准偏差。在框915中，根据涉及的参数(G、TE和噪声的标准偏差)计算诸如等式(12)所述的权重。在框921中，应用框915的权重并在时域中组合多次回波序列。框921结果使得操作人员可在框923中进行岩石物理参数的计算。
已参照测井电缆多频测井装置说明了本发明。但是，本发明的方法可被用于在钻井管上传送的形成部分底孔组件的测井并钻井(logging while drilling)(LWD)装置上。它可特别地与单频装置一起使用。
虽然上述公开针对本发明的优选实施例，但本领域技术人员很容易理解其各种修改。所附权利要求书的范围和精神内的所有变化都应包含在上述公开内。
权利要求
1.一种地球地层的测井方法，该测井方法通过使用在所述地层中的钻孔中传送的NMR测井工具，该方法包括以下步骤(a)通过使用第一射频(RF)脉冲序列从所关心的第一区域获取第一多次回波序列；(b)通过使用第二RF脉冲序列从所关心的第二区域获取第二多次回波序列；(c)至少部分地根据所述地球地层中的流体的扩散率确定至少一个校正因子；和(d)通过使用所述至少一个校正因子组合所述第一和第二多次回波序列，以得到组合的多次回波序列，其中，存在以下条件中的至少一个条件(A)所述第二RF脉冲序列具有至少一个与所述第一RF脉冲序列的参数不同的参数；和(B)所述第一区域中的静磁场的梯度与所述第二区域中的静磁场的梯度不同。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述第二区域与所述第一区域相同。
3.根据权利要求1的方法，其中，所述第二区域与所述第一区域不同。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述测井工具是多频测井工具，且所述第一区域中的静磁场与所述第二区域中的静磁场不同。
5.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在所述测井工具上使用场移动装置，用于在地球地层中移动静磁场。
6.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个参数是以下参数中的至少一个(i)频率、(ii)再聚焦脉冲之间的间隔、(iii)极化时间和(iv)脉冲的数量。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个校正因子是与所述第一和第二多次回波序列有关的乘法因子。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个校正因子还取决于以下参数的至少一个(i)与所述第一RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(ii)与所述第二RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(iii)与所述第一RF脉冲序列相关的回波间时间；(iv)与所述第二RF脉冲序列相关的回波间时间；(v)所述第一多次回波序列的噪声级和(vi)所述第二多次回波序列的噪声级。
9.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤从测量的扩散率得到所述流体扩散率并对(i)所述流体的温度和(ii)所述流体的深度中的至少一个实施校正。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述第一和第二RF脉冲序列具有基本上相同的频率和基本上相同的回波间时间，且所述至少一个校正因子由关系式β=exp(-k·TE·γ2(GS2-GB2)TE2D12)]]>给出，这里，k是回波索引，TE是回波间间隔，γ是回磁比，GS是与所述第一多次回波序列对应的静磁场的梯度，GB是与所述第二多次回波序列对应的静磁场的梯度，D是流体扩散率。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个参数包含不同的频率和不同的TE值，并且所述至少一个校正因子由关系式ζ(t)=exp(-k·TES·γ2(GS2TES2-GB2TEB2)Dwater12)]]>给出，这里，k是所述回波的回波索引，TES是与所述第一脉冲序列对应的回波间间隔，TEB是与所述第二脉冲序列对应的回波间间隔，γ是回磁比，GS是与所述第一脉冲序列对应的静磁场的梯度，GB是与所述第二脉冲序列对应的静磁场的梯度，Dwater是水扩散率。
12.根据权利要求1的方法，其中，在所述第一多次回波序列和所述第二多次回波序列的噪声级之间存在差异，以及，所述至少一个校正因子取决于所述噪声级之一。
13.根据权利要求1的方法，其中，在所述第一多次回波序列的回波间间隔和所述第二多次回波序列的回波间间隔之间存在差异，并且其中所述至少一个校正因子取决于所述回波间间隔之一。
14.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个参数只包含等待时间，该方法还包括从所述组合的多次回波序列确定粘土结合水和毛细结合水体积的步骤。
15.根据权利要求1的方法，其中，所述至少一个参数只包含频率，该方法还包括从所述组合的多次回波序列确定整个孔隙度分布的步骤。
16.根据权利要求1的方法，其中，所关心的第一和第二区域在相关静磁场的梯度上不同，该方法还包括以下步骤从所述组合的多次回波序列确定(i)有效孔隙度、(ii)粘土结合水和(iii)毛细结合水体积中的至少一个。
17.根据权利要求10的方法，还包括以下步骤(i)比较从所述第一多回波序列和所述第二多次回波序列得到的总孔隙度；(ii)比较所述第一和第二多次回波序列的回波的和；和(iii)基于所述比较调整所述校正因子。
18.根据权利要求1的方法，其中，所关心的所述第一区域的梯度和回波间时间的乘积与所关心的所述第二区域的梯度和回波间时间的乘积不同，该方法还包括以下步骤(i)进行内插以使数据点具有相同的数据密度；和(ii)应用时间相关的加权函数。
19.一种用于地球地层的装置，该装置包括(a)在所述地层中的钻孔中传送的测井工具上的磁铁，所述磁铁在所述地球地层中的所关心的第一和第二区域中产生静磁场；(b)在所述第一和第二区域中产生第一和第二射频脉冲序列的所述测井工具上的天线；(c)从所述第一和第二区域获得第一和第二多次回波序列的所述测井工具上的天线；(d)处理器，该处理器用于(i)确定至少部分地取决于所述地球地层中的流体的扩散率的至少一个校正因子；和(ii)通过使用所述至少一个校正因子组合所述第一和第二多次回波序列，以得到组合的多次回波序列，其中，存在以下条件中的至少一个条件(A)所述第二脉冲序列具有至少一个与所述第一脉冲序列的参数不同的参数；和(B)所述第一区域中的静磁场的梯度与所述第二区域中的静磁场的梯度不同。
20.根据权利要求19的装置，其中，所述第一和第二区域相同。
21.根据权利要求19的装置，其中，所述第一和第二区域不同。
22.根据权利要求19的装置，其中，所述测井工具是多频测井工具，且所述第一区域中的静磁场与所述第二区域中的静磁场不同。
23.根据权利要求19的装置，其中，所述测井工具包括用于在地球地层中移动静磁场的装置。
24.根据权利要求19的装置，其中，所述至少一个参数是以下参数中的至少一个(I)再聚焦脉冲之间的间隔、(II)极化时间和(III)脉冲的数量。
25.根据权利要求19的装置，其中，所述校正因子是与所述第一和第二多次回波序列有关的乘法因子。
26.根据权利要求19的装置，其中，所述至少一个校正因子还取决于以下参数的至少一个(I)与所述第一RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(II)与所述第二RF脉冲序列相关的静磁场的梯度；(III)与所述第一RF脉冲序列相关的回波间时间；(IV)与所述第二RF脉冲序列相关的回波间时间；(V)所述第一多次回波序列的噪声级和(VI)所述第二多次回波序列的噪声级。
27.根据权利要求19的装置，还包括使用所述处理器以从测量的扩散率得到所述流体扩散率并对(i)所述流体的温度和(ii)所述流体的深度中的至少一个实施校正。
28.根据权利要求19的装置，其中，所述第一和第二RF脉冲序列具有基本上相同的频率和基本上相同的回波间时间，且所述至少一个校正因子由关系式β=exp(-k·TE·γ2(GS2-GB2)TE2D12)]]>给出，这里，k是回波索引，TE是回波间间隔，γ是回磁比，GS是与所述第一RF回波序列对应的静磁场的梯度，GB是与所述第二RF回波序列对应的静磁场的梯度，D是流体扩散率。
29.根据权利要求19的装置，其中，所述至少一个参数包含不同的频率和不同的TE值，并且所述至少一个校正因子由关系式ζ(t)=exp(-k·TES·γ2(GS2TES2-GB2TEB2)Dwater12)]]>给出，这里，k是所述回波的回波索引，TES是与所述第一RF脉冲序列对应的回波间间隔，TEB是与所述第二RF脉冲序列对应的回波间间隔，γ是回磁比，GS是与所述第一脉冲序列对应的静磁场的梯度，GB是与所述第二脉冲序列对应的静磁场的梯度，D是流体扩散率。
30.根据权利要求19的装置，其中，在所述第一多次回波序列和所述第二多次回波序列的噪声级之间存在差异，并且其中所述至少一个校正因子取决于所述噪声级之一。
31.根据权利要求19的装置，其中，在所述第一多次回波序列的回波间间隔和所述第二多次回波序列的回波间间隔之间存在差异，并且其中所述至少一个校正因子取决于所述回波间间隔之一。
32.根据权利要求19的装置，其中，所述至少一个参数只包含等待时间，该处理器还从所述组合的多次回波序列确定粘土结合水和毛细结合水体积。
33.根据权利要求19的装置，其中，所述至少一个参数只包含频率，该处理器还从所述组合的回波序列确定整个孔隙度分布。
34.根据权利要求19的装置，其中，所关心的第一和第二区域在相关静磁场的梯度上不同，所述处理器还从所述组合的序列确定(i)有效孔隙度、(ii)粘土结合水和(iii)毛细结合水体积中的至少一个。
35.根据权利要求27的装置，其中，所述处理器还执行以下步骤(I)比较从所述第一多回波序列和所述第二多次回波序列得到的总孔隙度；(II)比较所述第一和第二多次回波序列的回波的和；和(III)基于所述比较调整所述校正因子。
36.根据权利要求19的装置，其中，所关心的所述第一区域的梯度和回波间时间的乘积与所关心的所述第二区域的梯度和回波间时间的乘积不同，所述处理器还执行以下步骤(I)进行内插以使数据点具有相同的数据密度；和(II)应用时间相关的加权函数。
全文摘要
当用(i)不同回波间隔、(ii)不同静场梯度、(iii)不同极化时间或(iv)由于流体扩散率导致的噪声级中的一种参数或更多种参数得到NMR自旋回波测量时，自旋回波测量不能被简单地组合。但是，通过应用校正因子，这种组合变为可能，从而给出改进的地层性能的分析。
文档编号G01V3/32GK1806182SQ200480016164
公开日2006年7月19日 申请日期2004年5月5日 优先权日2003年5月9日
发明者陈颂华 申请人:贝克休斯公司