专利名称：用于产生脉冲序列的设备和方法
本申请是1998年3月3日提交的美国专利申请No.09/033965的部分继续申请。
一般来说，本发明涉及用于测量被一个井孔贯穿的地层构造的核磁共振特性的一种设备和方法，更具体地说，本发明涉及用于产生脉冲序列的一种设备和方法。
人们已经清楚地认识到，具有非零核自旋磁矩的地层构造中的原子粒子，例如质子，具有与施加在该构造上的静磁场沿同向排列的趋势。这种磁场可以自然产生，例如地磁场BE。用于施加垂直于BE的第二磁场的RF脉冲在横向平面(垂直于BE)中产生一个磁化分量，该分量以被称为拉莫尔频率ωL的特征谐振频率围绕BE矢量进动，所说拉莫尔频率的高低取决于静磁场的强度和粒子的旋磁比。围绕例如0.5高斯的磁场BE进动的氢原子核(质子)的特征频率大约为2k赫兹。如果使许多氢原子核同相地进动，这些质子的组合磁场能够产生在接收器线圈中产生可检测到的振荡电压，形成本领域技术人员称之为自由感应衰减或自旋回波的状态。存在于岩石孔隙中的水和碳氢化合物的氢原子核产生与由其它固体物质产生的信号不同的核磁共振(NMR)信号。
授予Taicher等人的美国专利US-4717878和授予Kleinberg等人的美国专利US-5055787都记载了NMR测井设备，这些设备应用永磁体使氢原子核极化和产生静磁场B0，应用RF天线激励和探测核磁共振信号以确定一种构造的孔隙率、自由流体比率、和渗透性。原子核以时间常数T1与所施加的磁场B0同向排列。在经过一段时间的极化之后，通过施加垂直于所说静磁场B0的一个RF场B1，可以改变核磁化方向与所施加磁场方向之间的夹角，所说静磁场的拉莫尔频率fL＝γB0/2π，其中γ为质子的旋磁比，B0表示静磁场强度。在RF脉冲结束之后，质子在垂直于B0的平面内进动。一个再聚焦RF脉冲序列产生一个自旋回波序列，这些自旋回波在天线中产生可以检测到的NMR信号。
授予Melvin Miller的美国专利US-5280243记载了用于在钻探过程中进行构造评估的一种核磁共振测井仪。这种测井仪包括由设置在沿钻轴外侧纵向延伸的环形凹槽中的一个永磁体和设置在钻轴外侧一个非导磁性套管上的一个天线构成的一个探测器部分。静磁场量值梯度沿径向方向。天线产生基本同时垂直于测井仪纵轴和静磁场方向的RF磁场。在专利‘243所述装置中，磁体的轴向尺寸与其直径相比必须较长，以使所产生的磁场的特性近似于一个2维偶极子。
授予Taicher等人的美国专利US-5757186记载了一种即钻即测型测井仪，这种测井仪包括用于对地层构造进行核磁共振测量的一个检测装置。所说NMR检测装置安装在形成于钻轴外表面的一个环形凹槽中。在一个实施例中，在凹槽中插入一个磁力线封闭罩，在磁力线封闭罩的外径向表面上设置有一个磁体。该磁体是由多个径向段构成的，这些磁体段是从测井仪的纵轴径向向外磁化的。磁力线封闭罩用于使磁场具有适合的取向。
在专利‘243和‘186中公开的测井仪存在同样的问题两者都需要使用非导电磁体，并将磁体设置在钻轴外侧。在专利‘243的测井仪中，钻轴的外表面必须包含一个凹进区域以容纳非导电磁体。在专利‘186的测井仪中，钻轴的外表面必须包含一个凹进区域以容纳磁力线封闭罩、非导电磁体、和天线。因为钻轴的强度是其半径的函数，为仅仅容纳磁体或磁力线封闭罩和天线而减小钻轴外径会导致钻轴具有不可接受的薄弱部分，这一部分在钻探过程中可能发生弯曲或折断。
授予Kleinberg等人的美国专利US-5557201记载了用于在钻探过程中进行构造评估的一种脉冲核磁测井仪。这种测井仪包括一个钻头、一根钻杆柱、和安装在由非磁性合金制成的钻轴内的一个脉冲核磁共振装置。这种测井仪包括形成在钻杆柱和脉冲NMR装置内部的一条通道，钻探泥浆穿过该通道泵入井孔中。所说脉冲NMR装置包括两个管形磁体，它们按照相同磁极彼此面对的方式安装，并且围绕着所说通道，在钻杆柱外表面上位于两个磁体之间安装有一个天线线圈。这种测井仪用于使被本领域技术人员称之为鞍点的测量区域内的原子核发生共振。
授予Sezginer等人的美国专利US-5705927也记载了用于在钻探过程中进行构造评估的一种脉冲核磁测井仪。这种测井仪包括设置在测井仪内部或外部的调整磁体，该磁体通过增大井孔中静磁场的强度抑制井孔流体的磁共振信号，从而使井孔中的拉莫尔频率大于由设置在测井仪凹进部分中的一个RF天线所产生的振荡场的频率。这个调整磁体还减小了探测区域中静磁场的梯度。
在被一个井孔贯穿的构造中产生一个基本轴对称的静磁场。提供一个脉冲程序装置，该装置自适应地控制RF脉冲序列的生成和向所说构造的施加。为了控制所说RF脉冲，将存储器装置的一部分划分成多个表，并将控制信息保存在所说表中。所说的多个表可以包括下列各种表描述堆栈缓存器布局的缓存器表、限定累积在缓存器中的获取信号的采集表、规定信号采集所应用的检测滤波器的滤波器系数表、指定各个缓存器所使用的自旋动态校正的自旋动态校正表、和指定从所获取的缓存数据计算出的核磁共振特征值的数据处理表。除了脉冲程序装置以外，其它任务也可以共享保存在所说表中的控制信息。
所说脉冲程序装置还包括用于产生脉冲序列的一个脉冲序列模板，它包括依赖于重复和时序变量的一系列状态。可以利用一个计算方框跟据序列配置参数计算出这些变量。时间变量包括等待时间、回波间隔、和所获取回波的数量。配置参数包括激励脉冲的持续时间、脉冲幅值、和脉冲形状。所说状态序列还包括所说脉冲序列部分的多个替换状态。在实践中，可以根据所说设备的外部条件选择其中一种替换状态。
从以下对于附图的说明可以清楚地了解本发明的优点。应当理解，这些附图仅仅用于说明，而不是用于限定本发明。
在附图中
图1表示一种即钻即测型设备；图2表示所说低梯度探测器；图2a-2d表示对应于四个低梯度磁体配置的等高线
图3a-3d表示对应于四个低梯度磁体配置的梯度|B0|的等高线；图4表示所说高梯度探测器；图4a表示对应于高梯度磁体配置的等高线
图4b表示对应于高梯度磁体配置的梯度|B0|的等高线；图5表示简单数据采集模式；图6表示交叉存取数据采集模式；图7表示脉冲串数据采集模式；和图8为表示脉冲程序装置的方框示意图。
参见图1，图中表示了一种核磁共振(NMR)即钻即测型测井仪10。所说测井仪10包括一个钻头12、钻杆柱14、多个RF天线36、38，和至少一个梯度线圈56。所说测井仪10还包括封装在钻轴22内的电路20。所说电路20包括天线36、38的RF谐振电路、一个微处理器、一个数字信号处理器、和一条低压总线。所说测井仪10还包括多个管形磁体30、32、和34，它们都沿平行于测井仪10纵轴的方向极化，但是彼此相对，即以相同的磁极彼此面对。磁体30、32和34可以由导电材料或是非导电材料制成。磁体30、32、和34以及天线36、38的配置形成至少两个具有基本轴对称的静磁场和RF磁场的NMR探测区域60、62。
用于在所说构造中钻井的装置24包括钻头12和钻轴22。所说钻轴22可以包括用于在钻井过程中使测井仪在井孔内的径向运动稳定的一个稳定装置(未示出)，但是，所说稳定装置并不是必需的；所以，测井仪10可以在稳定运动或不稳定运动状态下工作。泥浆流动套管28构成了用于运载钻探流体通过钻杆柱14的一条通道90。一个驱动机构26转动所说钻头12和钻杆柱14。在授予Clark等人的美国专利US-4949045中对于这种驱动机构给予了充分的介绍。但是，也可以在钻杆柱中设置一个井下泥浆马达作为驱动机构26。
本发明的实现方案之一是组合N+1个磁体以便在所说地层构造中获得至少N个探查区域。本发明设想的组合形式包括，但是不限于，低梯度-低梯度、高梯度-高梯度、高梯度-低梯度、低梯度-高梯度组合，或者是高梯度、低梯度、和鞍点区域的组合。所说构造中高梯度和低梯度静磁场区域的组合具有若干优点。例如，高梯度区域可能具有较高的信噪比，但是当测井仪10在井孔中作横向运动时可能会产生信号损失。另一方面，当测井仪10处于运动状态时，低梯度区域对于信号损失问题的敏感度较低。而且，在测井仪运动速度适中的情况下，在低梯度区域中可以获得比在高梯度区域中更长的回波脉冲串，从而提供较多的有关渗透率、约束流体和自由流体、以及碳氢化合物类型的信息。此外，将在两种梯度区域获取的数据结合可以提供有关测井仪10的横向运动量的定量信息，并且可以用于对NMR数据进行运动校正，或者，至少可以控制数据的质量。可以将诸如应变仪、加速度计、或磁强计，或这些装置的任意组合构成的装置的测量结果与NMR信息结合在一起以控制数据的质量或者对自旋回波串进行校正。在将高梯度静磁场区域和低梯度静磁场区域结合的情况下，高梯度区域具有较强的扩散效应，所以在确定碳氢化合物类型技术方面比低梯度区域更为有益。最后，低梯度区域的静磁场具有较低的强度量值，所以这个区域由于具有较低的拉莫尔频率而较少受到构造和井孔中流体导电性的影响。低梯度探测器参见图2，在下文中称之为低梯度探测器的测井仪的一个部分中，一个中部磁体30与一个下部磁体32沿轴向分开。这些磁体30、32产生其极化方向沿径向的一个基本轴对称的静磁场，而且在合理长的圆柱体形壳层内，所说静磁场具有十分恒定的量值。本发明的实现方案之一是激励构造中分别以不同的RF频率谐振的多个圆柱体形自旋壳层，和用RF脉冲序列顺序地探询每个壳层。
磁体30、32之间的区域适合安置诸如电子器件、RF天线、和其它类似部件。例如，多个电路盒70可以构成泥浆套管28的一个组成部分。这些电路盒70可以安置RF电路(例如，Q-开关、双工器、和前置放大器)，优选的是贴近所说RF天线设置。在本发明的一个优选实施例中，所说电路盒70构成透磁部件16的一个组成部分。在这种情况下，为了保持磁场的轴对称性，在每个电路盒70之上设置一个高透磁性的盖罩72。
所说透磁部件16设置在钻轴22内部位于磁体30、32之间。部件16可由单个部件构成或者由在磁体30、32之间的多个部分组合而成。部件16由适合的透磁材料，例如铁氧体、透磁钢或其它铁镍合金、抗腐蚀透磁钢、或在部件设计中用作结构部件的透磁钢，如15-5Ph不锈钢制成。所说透磁部件16使磁场集中，并且也可以运载钻探泥浆通过所说钻杆柱或者为所说钻轴柱提供结构支撑。此外，部件16改善了由磁体30、32产生的静磁场的形状，和使由于在获取NMR信号过程中测井仪的垂直和横向运动所引起的静磁场的变化最小。在磁体30、32之间的管段28可以包括透磁部件16。在这种情况下，位于磁体30、32之下的各个套管段应当由非磁性部件构成。或者，可以由磁体30、32之间包围着管段28的透磁性支架构成部件16。在这种情况下，所说管段可以由磁性或非磁性材料制成。本发明的实现方案之一是将所说支架和管段结合构成部件16。
磁体30、32沿平行于测井仪10纵轴的方向极化，并以相同的磁极彼此面对。对于每个磁体30、32来说，感生磁力线沿着测井仪10的轴向从磁体30、32的一端出发进入地层构造中，并传播进入磁体30、32的另一端。在中部磁体30和下部磁体32之间的区域中，感生磁力线从中心向外传播到构造中，沿基本垂直于测井仪10轴向的一个方向生成一个静磁场。然后，感生磁力线对称地从中部磁体30上方和下部磁体32下方传播进去，并沿纵向会聚在套管28内部。由于磁体之间存在间隔，在中部磁体30与下部磁体32之间的中部区域中的静磁场强度与鞍点区域相比在空间上是均匀的。
磁体30、32之间的间隔量是根据以下几个因素确定的(1)选择必需的磁场强度和均匀特性；(2)产生在探测区域具有较小径向变化的场，从而使在脉冲序列期间(即CPMG、CPI或其它序列)接收的回波对于测井仪横向运动的敏感度较低；(3)探查深度；和(4)使谐振电路与低压遥测总线之间的干扰最小，以便改善检测NMR信号的接收天线与构造之间的隔离。随着磁体30、32之间的间隔减小，磁场强度逐渐增大，均匀性变差。相反，随着磁体30、32之间间隔增大，磁场强度逐渐减小，并且变得更加均匀。
图2a-2d表示对应于中部磁体30和下部磁体32的四种实验室模拟配置的
的高等线。使用具有预定直径(在模拟所有配置时使用不变的直径)的测井仪计算出这些模拟结果。对应于图2a的配置包括使中部磁体30与下部磁体32分开25英寸的一个非透磁性部件。对应于图2b的配置包括使中部磁体30与下部磁体分开18英寸的一个非透磁性部件。对应于图2c的配置包括使中部磁体30和下部磁体32分开8英寸的一个非透磁性部件。对应于图2d的低梯度探测器包括使中部磁体30与下部磁体32分开25英寸的一个透磁部件16。上述尺寸是仅仅为了说明距离和/或透磁或非透磁材料对于
的影响而模拟的。图3a-3d分别表示对应于图2a-2d所示配置的梯度|B0|的等高线。
在低梯度探测器中，透磁部件16使大部分的磁通量进入测井仪10的中部部分。举例来说，图2d中所示B0场在径向距离测井仪10纵轴大约7英寸处的量值是图2a中所示B0场的两倍，图2a中的B0场是利用由非透磁材料部件隔开的相同磁体配置产生的。此外，所说低梯度探测器沿径向产生更长和更均匀的静磁场。在测井仪的这个部分测得的NMR信号对于测井仪的垂直运动的敏感度是相当小的。参见图3d，利用所说低梯度探测器，在径向距离测井仪纵轴大约7英寸的距离处测得相对较小，大约3高斯/厘米的梯度。这种低梯度使得所测量的NMR信号对于测井仪10的横向运动的敏感度相当小。当运动速度适中时，可以在这个区域获得较长的回波串，从而提供更多的与渗透率、约束和自由流体、和碳氢化合物类型有关的信息。在低梯度探测器的情况下，当采用其它梯度配置时，测井仪10周围的富质子井孔区域仅仅以比施加到探测区域中的频率较高的频率谐振，亦即，没有质子井孔信号。当以相同的RF频率激励时，在钻探泥浆中存在的其它NMR敏感原子核如钠-23与氢相比需要在高得多的静磁场强度下发生谐振。对于低梯度探测器，在可以探测到这种不想要的信号的测井仪周围的井孔区域或接近天线处不产生这种较高的磁场强度。高梯度探测器参见图4，在下文中称之为高梯度探测器的测井仪的另一部分中，一个中部磁体30与一个上部磁体34沿轴向分开。磁体30、34沿平行于测井仪10的纵轴的方向极化，并以相同磁极彼此面对。这些磁体30、34产生一个基本轴对称的静磁场，其极化方向是径向的，并且在合理长的圆柱体形壳层上，所说静磁场具有相当恒定的量值。本发明的实现方案之一是激励构造中多个圆柱体形自旋壳层，其中每个壳层以不同的RF频率谐振。
如图2c所示，如果磁体30与磁体34之间的间隔大约为8英寸，则静磁场强度的等高线基本是直线，并且
的强度大于低梯度区域的静磁场强度。但是，如图3c所示，梯度|B0|在径向距离测井仪纵轴大约7英寸距离处变大。|B0|的等高线弯曲的，表示梯度沿轴向发生变化。
通过在磁体30、34之间插入一个透磁部件16可以改进所说高梯度探测器。图4a表示对应于其中透磁性部件16将所说上部磁体34与中部磁体30分开8英寸的一种配置的
的等高线。图4a所示的等高线表示一个强度略大的磁场，它比图2c所示等高线具有较好的信噪比和沿轴向较小的弯曲度。此外，如图4b所示，所说透磁部件16在轴向产生更为恒定的梯度|B0|，这使得对于受到扩散影响的NMR测量结果的分析简单了。
在高梯度探测器的情况下，当采用其它梯度配置结构时，测井仪10周围富质子井孔区域仅仅以比在探查区域所施加频率高的频率谐振，即没有质子井孔信号。所说高梯度探测器对于井孔流体中少量的钠是敏感的。对于30％NaCl浓度的井孔流体，或许是最不利的情况，由于钠信号造成的孔隙率测量值的误差大约为0.08pu。在低梯度探测器中，钠信号大大小于在高梯度探测器中。因此，对于两种NMR探测器来说钠信号都可以忽略不计。天线和梯度线圈参见图2和图4，利用设置在凹进部分50、52中的天线36、38在探测区域中产生一个RF磁场。所说RF磁场可以利用一个或多个RF天线段产生，这些RF天线在测井设备的不同圆周扇面中发射和接收。参见转让给Schlumberger技术公司的美国专利申请No.08/880343和09/094201(律师档案编号No.24784和24784IP)。可取的是，每个天线36、38都包括圆周状缠绕在凹进区域50、52上的一个线圈18。由这样一种线圈结构产生的RF场是基本轴对称的。本发明的实现方案之一是利用天线36、38探测NMR信号。但是，也可以使用独立的天线或接收器探测信号。在凹进区域50、52中天线36、38之下填充有非导电材料54。可取的是，材料54为一种铁氧体，以提高天线36、38的效率。或者，材料54可以包含塑料、橡胶、或加强的环氧树脂合成材料。天线36、38在RF电路激励下谐振，以在探测区域中生成一个RF磁场。
所说凹进区域52在钻轴中形成一个浅槽，而不减少钻轴的内径，这通常用于增加钻轴上外径凹进用以设置天线的区域的强度。凹进区域50的深度大于凹进区域52。由于机械方面的限制，只能在钻轴内径大大减小的位置具有一个深凹区域。本发明的实现方案之一是凹进区域50、52具有基本相同的深度，或者凹进区域52具有大于区域50的深度。
探查区域中圆柱体形自旋壳层可以利用设置在所说凹进区域50和/或52中的至少一个具有方向敏感性的梯度线圈56沿轴向，或者可取地，沿方位角分段。在本发明的一个优选实施例中，三个梯度线圈呈圆周状设置在凹进区域周围，并且彼此之间的角距离为120°。可以采用其它数量的梯度线圈，少于或多于三个，并且这些线圈可以分开不是120°的角度和/或呈非相等角度分布。每个线圈56都由导线环路构成，它们与材料54的外表面曲率一致。由各个梯度线圈56在朝向所说线圈的构造区域中产生的磁场基本平行于由所说磁体产生的静磁场。
如本领域技术人员所知的，在基本NMR测量中，需要向探查构造施加一个脉冲序列。在授予Abdurrahman Sezginer的美国专利US-5596274中和授予Kleinberg等人的美国专利US-5023551中，一个脉冲序列，诸如Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列，首先向所说构造施加一个激励脉冲，即一个90°脉冲，该脉冲使所说自旋旋转到横向平面。在所说自旋转动90°并且开始失相之后，再聚焦脉冲，即180°脉冲的载波按照下述关系式相对于90°脉冲序列的载波发生相移
，其中括弧中的表示式相对于n＝1，2，…，N重复，其中N为在一个CPMG序列中收集的回波数量，回波间隔为
表示使所说自旋围绕±x轴转动90°角的一个RF脉冲，如在磁共振测量(相位交替变换)的转动结构中所定义的一样。施加90°脉冲与180°脉冲之间的时间t0小于tcp，即回波间隔的一半。CPMG序列使得能够获得对称测量结果(即，不使用梯度线圈的测量结果)。精确的定时参数，t0、t1和t2依赖于各种因素(例如所施加脉冲的形状)。
在本发明中，施加到梯度线圈56的电流脉冲产生基本平行于所说静磁场的一个附加磁场。所说电流脉冲在所说第一90°和180°反相脉冲之间施加。这个附加场引起自旋的一个附加相移。由于180°反相脉冲对于附加相移没有补偿，所以受到附加场作用的自旋不形成自旋回波。但是，对于没有受到附加场作用的自旋，在时间2tcp产生一个自旋回波，而在每个反相脉冲之后在时间tcp连续产生低波幅的自旋回波。所说脉冲序列为
，其中t0a为90°脉冲与梯度脉冲持续时间δ之间的时间，t0b为所说梯度脉冲与180°反相脉冲之间的时间，并且t0a+δ+t0b＝t0。由于随后的180°y反相脉冲和非均匀磁场的作用，NMR信号的x分量在几个回波时间内衰减。所以，我们仅仅关注信号的y分量。因此，忽略弛豫时间，第一NMR回波信号可以表示为
其中i为复数虚部单位；γ为旋磁比；Mx0和My0为在没有梯度脉冲情况下在第一回波时间在位置r处的x和y磁化分量；G(r)为梯度磁场在同一位置平行于
的分量；δ为梯度脉冲的持续时间；而dc(r)表示NMR探测器的差动灵敏度。
所说梯度线圈56对于获取方位角测量结果具有许多优点。首先，因为使用轴对称天线探测自旋回波，可以在测井仪在井孔中转动的同时记录长回波序列。其次，由于线圈56无需象RF天线36、38那样进行调谐，所以线圈56使NMR-LMD测井仪的结构简化。第三，可以使用相同的天线36、38进行对称和轴对称测量。第四，可以使用所说线圈56获得具有极好的空间分辨率，特别是垂直分辨率的NMR测量结果。
本发明提供了获得方位角NMR测量数据的不同模式。例如，‘简单分解’模式使用至少一个线圈56在选定的象限内分解自旋，其中象限定义为测井仪10周围的一个角距离区段，但是，可以使用更多的线圈56分解多个象限。在任何一种情况下，都获得两种测量结果具有固定等待时间的一个对称相位交变脉冲序列(PAPS)，其后为具有可变等待时间的一个梯度PAPS，通过起动该象限中的线圈56分解选定象限。在一个优选实施例中，使用了上述梯度脉冲序列。从梯度测量结果中减去对称测量结果生成方位角测量结果。在这种模式下，对于每两个PAPS获得一个对称测量数据，对于每8个PAPS获得一次方位角扫描。因为将两种测量方式结合在一起，所以方位角测量的测量噪声大于对称或梯度测量中的噪声。
通过将不同的单个象限分解测量结果结合可以减少噪声影响。例如，通过分解各个象限可以获得四个梯度PAPS测量结果。将这些测量结果结合生成一个合成方位角和对称测量结果。通过将不使用所说梯度线圈56获得的测量结果与使用一个或多个梯度线圈56获得的测量结果相结合，可以生成地层构造的轴向或方位角分辨“图象”。所获得的渗透率和约束流体数据，特别是方位角图象形式的数据对于提高极其偏斜和水平井孔的岩石物理学分析水平和在钻探过程中作出地质井孔位置的确定是非常需要的。脉冲长度和工作频率的最佳化在选定的RF工作频率下，对于90°脉冲的持续时间t90，以及180°脉冲的持续时间t180，存在一个最佳持续时间，这个最佳时间可以确保所需的信噪比。在测井仪的主标定过程中可以寻找所说的最佳脉冲长度，从而可以正确地，或者当所说静磁场以一种没有预料到的方式变化时，例如由于在钻探过程中磁性碎屑的积累引起变化时，预置所有脉冲长度。参见转让给Schlumberger技术公司的美国专利申请No.09/031926(律师档案编号No.24786)。这种技术也可以用于选择满足其它条件，例如保持探查深度不变的条件的适合频率。
通过利用至少两个不同的脉冲持续时间和利用与构造的NMR特性无关的一种预定模式测量一种采样的NMR响应可以确定最佳脉冲长度。或者，利用至少两个不同的脉冲持续时间并结合利用从构造的NMR特性计算出来的一种模式可以确定所说最佳脉冲长度。在第一种情况下，积累数据可以提高信噪比，但是，积累过程可能需要很长的时间以获取构造数据。可取的是，在测井仪10暂停钻探操作时的静止时间窗口期间，例如在往钻杆柱上添加新的钻杆段期间积累测量数据。在第二种情况下，如果构造的T2分布是已知的，可以构成一种最好的数据采集模式，这种模式对于一个采集时间单元具有最大的信噪比，并且形成所获得回波的最佳线性组合。实验室模拟表明最佳采集数据模式的最佳时序是当回波序列的持续时间大约等于T2，max即构造的最大T2时间时，和当等待时间tw大约等于2.5×T2，max时(假定T1/T2为常数1.5)时实现的。最佳采集模式可以在百分之几秒到几秒时间的量级内确定最佳脉冲长度。可以采用类似的技术使NMR信号相对于频率最佳化(例如鞍点结构)。所说T2分布有效地帮助了对于测井仪10脉冲长度的有效调节。数据采集模式如上所述，测井仪10具有多个天线36、38。在本发明的一个优选实施例中，这些天线36，38并不同时发送或采集数据。可取的是，在一个天线36采集数据之后，另一个天线38在电源重新充电的同时经历最短的等待时间，以便传送下一个脉冲序列。本发明实现方案之一是同时传送或采集数据。此外，本发明还设想出无需等待时间的数据采集技术。
基于这些设计选择，可以采用多种数据采集模式。举例来说，下面记述了NMR数据采集的三个代表性时序适合于水湿砂岩地带的快速时序，适合于碳酸盐地带的慢速时序，和适合于碳氢化合物矿脉地带(或者油基泥浆渗入区域)的非常慢速时序。在表1中给出这些时序。
表I对于每种数据采集时序可以使用若干种不同的模式，包括，但是不限于，下列模式简单模式、交叉存取模式、和脉冲串模式。利用测井仪10获取T2信息的最简单方法是利用两个天线采用同一时序进行CPMG测量。图5表示运用表I所示的快速衰减、慢速衰减、和非常慢速衰减时序时所使用的简单数据采集模式。每个天线36、38交替获取一个长的脉冲序列，这样从每个天线36、38获得有效的渗透率测量数据。
运用交叉存取模式，所说高梯度天线在两个不同频率下测量至少两个圆柱体形壳层，而所说低梯度天线利用单一频率进行测量。图6表示使用表I所示时序中的快速衰减采样、慢速衰减成分、和非常慢速衰减成分时的交叉存取测量。
脉冲串模式提高了信噪比，特别是对于快速衰减成分。此外，脉冲串模式根据约束流体测量结果可以提供有用的T1值。参见转让给Numar公司的国际专利申请WO 98/29639(记载了用于确定纵向弛豫时间T1的一种方法)。还可参见转让给Schlumberger技术公司的美国专利申请No.09/096320(律师档案编号24785)(其中记载了用于极化构造中约束流体的一种方法)。图7表示利用略作改变的表I中时间对于快速衰减采样、慢速衰减成分、和非常慢速衰减成分的脉冲串测量。
除了简单模式、交叉存取模式、和脉冲串模式以外，利用本发明，通过探测井下状态，该操作在钻探作业中形成一个间歇，确定钻探模式，和利用该模式控制数据采集可以使构造评估测量最佳化。标准的转动钻探作业包含许多的自然停顿，在这个期间测井仪保持静止状态在钻杆柱上添加新的钻杆段的连接时间，泥浆循环和钻杆管可能转动的循环时间，以及钻杆柱卡住和在恢复钻探之前必须拔出的探索或抖动时间。可以利用这些自然停顿进行NMR测量，所说自然停顿不会中断正常的钻探作业，或者故意暂停作业。所说钻探模式包括，但是不限于，钻孔、滑动、下钻、泵浆、探索、短起下钻(上下)和钻杆管连接。测定钻探模式提高了获取需要较长的时间或者要求安静的环境的NMR测量数据，例如，确定T1、T2、天线调谐和碳氢化合物类型的能力。参见转让给Schlumberger技术公司的美国专利申请No.09/031926(律师档案编号24786)。还可以根据环境的变化(例如冲蚀度、盐度等)和/或构造的NMR特性的变化(例如长T1与短T1的比值)调节采集数据模式。
利用在一个时间窗口上接收器电压的硬件积分获得自旋回波幅值。所说测井仪10利用相位敏感检测测量自旋回波信号加噪声幅值的同相和正交分量。可以使用在授予Robert Freedman的美国专利US-5381092中公开的技术在井下计算窗口总数，并将所说窗口总数传送到地面以进行T2转换处理和分析。此外，可以实施授予Abdurrahman Sezginer的美国专利US-5363041中公开的技术，利用一个线性算子映射弛豫时间相对于自旋回波的分布，生成线性算子的单值分解，确定SVD的矢量，和利用所说矢量压缩自旋回波数据。可取的是，在井下计算T2型谱，并传送到地面。这种技术具有消除在将计算T2型谱所需数据传送到地面过程中产生的遥测瓶颈效应的优点。可以使用一个数字信号处理器转换所说T2数据。所说自旋回波的幅值Aj由下列关系式表征Aj=Σi=1MXjiai+ηj]]>其中ηj为测量值Aj中的噪声，ai为在T2，i时刻所取的T2分布幅值，
表示矩阵X的矩阵元，其中tw为等待时间，c为一个常数(T1/T2的比值)，Δt为回波间隔，而j＝1，2，…N，其中N为在一个脉冲序列中收集的回波数量。用矩阵符号表示，该方程变为
因为噪声η是未知的，所以利用最小二乘法解，即函数
的最小值可以近似求得
。这个方程的解受到数据中存在的噪声的严重影响，并且即使所说T2型谱不具有负的分量，这个解也可能具有负值分量。为了解决这个问题，在该函数中加入一调整项，
，并在ai≥0，i＝1…M约束条件下使用一种适合的迭代求最小值算法(例如共轭梯度投影算法)求出函数
的最小值。参见Ron S.Dembo和Ulrich Tulowitzski所写的文章“0n the Minimization of Quadratic Functions Subjectto Box Constrains”，Yale Department of Computer Science(1984年9月)(记载了共轭梯度投影方法)。利用数字信号处理器进行T2转换的所需时间是非常合理的。例如，假定在所说T2域中有1800个回波和30个采样，则数字信号处理器的转换只需要不到2秒的时间。脉冲程序装置在利用测井仪10进行基本NMR测量时，电子设备向探查构造施加一个脉冲序列。测井仪10包括一个脉冲程序装置80，该装置自适应地选择和控制施加到所说构造的脉冲序列。所说脉冲程序装置80利用在测量控制方框82(参见图8)中的信息和测井仪10的工作条件建立所说脉冲序列。可取的是，所说测量控制方框82保存在井下存储器中。方框82的结构是固定的，以使脉冲程序装置80容易在井下自发地适应和修改所说脉冲序列的时序。将方框82的一部分分为多个表84、86和88是有利的。所说的这些表84、86、88不是用于控制基于所说脉冲程序装置输出的脉冲序列的所有测井仪操作，而只是控制所说的这些操作。这使得所说脉冲程序装置80能够在不造成测井仪配置矛盾的前提下改变所说脉冲序列。所说的多个表84、86和88可以包括，但是不限于，下列各种表描述堆栈缓存器布局的缓存器表、限定累积在缓存器中的获取信号的采集表、规定信号采集所使用的检测滤波器的滤波器系数表、指定各个缓存器所使用的自旋动态校正的自旋动态校正表、和指定从所获取的缓存数据计算出的核磁共振特征值的数据处理表。
所说脉冲程序装置80包括用于产生脉冲序列的一个脉冲序列模板94，它包括依赖于重复和时序变量的一系列状态。可以利用计算方框92由序列配置参数计算出这些变量。计算方框92可以一种可执行或可解释结构实施。根据将要测量的物理量，例如T2的不同，可以将时间变量定义为等待时间tw、回波间隔techo、和所获取回波的数量。配置参数包括，但是不限于，t90、脉冲幅值、和脉冲形状。因为这些参数随着测井仪10工作条件的变化而变化，所以可以在测井仪10标定期间或者在测井仪10工作期间周期地计算这些参数。例如，所说脉冲幅值和形状依赖于天线品质因素，进而依赖于测井仪10周围构造的导电性。
通常，在脉冲程序装置80开始产生一个脉冲序列之后，所说序列按照确定方式运行，直至结束为止。为了利用测井仪10实施某些方位角测量模式，所说脉冲程序装置80具有在所说脉冲序列执行过程中改变脉冲序列的性能。程序装置80可以停止所说脉冲序列的执行，并进入一种HALT(暂停)状态，直到一个外加信号在时间tc结束了该状态或者直到经过一个最大时间长度tmax为止。如在本说明书数据采集模式一节中所述，由于可以与所说数据采集时序配合的不同模式中至少一种(交叉存取模式)需要交叉存取若干测量数据，所说程序装置80补偿了在暂停状态下经过的时间。可取的是，补偿是通过将暂停事件分组实现的。例如，一个分组可以包含一对暂停事件，其中一个暂停事件按照如上所述方式运行，另一个暂停事件是持续时间为tmax-tc的一个正常事件。将事件分组使得所说程序装置80可以将具有可变和确定时序的序列相结合。
此外，如在脉冲序列模板94中所定义的，所说状态序列对于序列的各个部分可以包括若干种不同的实施方式。在实践中，有一种实施方式(分支)是根据测井仪的外部条件(例如测井仪的方位)选择的。
为了说明和介绍本发明，上文中已经介绍了本发明的优选和替换实施例。它们并非是穷举或者将本发明限定为所公开的具体形式。显然，对于本领域技术人员来说可以作出许多改变和变化。选择并介绍这些实施例的目的是为了更好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于具体用途的各种改进。本发明的范围由所附的权利要求和它们的等价物所限定。
权利要求
1.用于测量在一个井孔周围的地层构造的核磁共振特性的一种方法，其特征在于该方法包括以下步骤a)在被所说井孔贯穿的构造中产生基本轴对称的静磁场；b)自适应地控制RF磁场脉冲序列的生成和向所说构造的施加；c)探测所说构造中的核磁共振信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括将存储器的一部分划分成多个表，和将控制信息保存在所说表中的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于它还包括定义一个模板以执行所说RF磁场脉冲的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于它还包括定义至少一个状态序列和将所说状态序列保存在所说模板中的步骤。
5.如权利要求3-4所述的方法，其特征在于它还包括定义多个替换状态序列和将所说替换状态序列保存在所说模板中的步骤。
6.如权利要求3-5所述的方法，其特征在于它还包括选择至少一个所说状态序列或替换状态序列，并执行所选择的状态序列或所选择的替换状态序列的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括按照确定方式执行所说RF磁场脉冲直到所说脉冲结束的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于它还包括在执行所脉冲序列的过程中改变所说RF磁场脉冲序列的步骤。
9.如权利要求7-8所述的方法，其特征在于它还包括暂停执行所脉冲序列一定时间；恢复执行所说脉冲序列；和补偿一定时间的步骤。
10.用于测量一个井孔周围的地层构造的核磁共振特性的一种设备，其特征在于该设备包括a)用于在被所说井孔贯穿的构造中产生基本轴对称静磁场的装置；b)用于自适应地控制RF磁场脉冲序列的生成和向所说构造的施加的装置；c)用于探测所说构造中的核磁共振信号的装置。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于它还包括一存储器，将存储器的一部分划分成多个表的装置，和用于将控制信息保存在所说表中的装置。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于它还包括用于定义一个模板以执行所说RF磁场脉冲的装置。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于它还包括用于定义至少一个状态序列的装置和将所说状态序列保存在所说模板中的装置。
14.如权利要求12-13所述的设备，其特征在于它还包括用于定义多个替换状态序列的装置和将所说替换状态序列保存在所说模板中的装置。
15.如权利要求12-14所述的设备，其特征在于它还包括用于选择至少一个所说状态序列或替换状态序列的装置，和执行所选择的状态序列或所选择的替换状态序列的装置。
16.如权利要求10所述的设备，其特征在于它还包括用于按照确定方式执行所说RF磁场脉冲直到所说脉冲结束的装置。
17.如权利要求16所述的设备，其特征在于它还包括用于在执行所脉冲序列的过程中改变所说RF磁场脉冲序列的装置。
18.如权利要求16-17所述的设备，其特征在于它还包括用于暂停执行所脉冲序列一定时间的装置；用于恢复执行所说脉冲序列的装置；和用于补偿一定时间的装置。
全文摘要
本发明涉及使用一种测井仪产生一个脉冲序列的方法。提供一个脉冲程序装置,用以自适应地控制RF磁场脉冲序列的生成和向一个地层构造中的施加。为了控制所说RF脉冲,将存储器的一部分划分成多个表,并将控制数据保存在所说表中。所说脉冲程序装置利用所说存储装置中的信息和所说测井仪的工作条件生成所说脉冲序列。所说分区存储器的结构使得所说脉冲程序装置可以在井下自动地适应和改变所说脉冲序列的时序。
文档编号G01V3/32GK1253295SQ99123508
公开日2000年5月17日 申请日期1999年11月5日 优先权日1998年11月5日
发明者P·斯佩尔, R·海德勒 申请人:施卢默格控股有限公司