消除核磁共振測量期間的振蕩的方法
2023-05-25 10:34:16
專利名稱：消除核磁共振測量期間的振蕩的方法
一般的說，本發明涉及測量鑽孔所穿過的地層的核磁共振特性的方法，更具體地說，涉及消除核磁共振(NMR)測量過程中諸如磁聲振蕩等振蕩的任何方法。
鑽孔核磁共振測量提供關於儲層的不同類型的信息。首先，這種測量結果提供地層中流體數量的指示。其次，這種測量結果提供關於該流體是被地層巖石包圍，還是不被包圍，可以自由生產的細節。最後，這種測量結果可以用來識別流體的類型-水、氣或油。
獲得核磁共振測量的一個途徑是採用局部產生的靜態磁場B0，後者可以由一塊或多塊永久磁鐵或電磁鐵產生；以及振蕩磁場B1，後者可以由一個或多個射頻天線產生，以激勵和檢測核磁共振，以便測量空隙率，自由流體比率、巖層的滲透率。見頒發給Taicher等人的美國專利No.4,717,878和頒發給Kleinberg等人的美國專利No.5,055,787。就產生核磁矩的時間常數T1而言，核自旋與所加的磁場B0對中。可以通過施加與靜態磁場B0垂直的射頻磁場B1來改變核磁化與所加的場之間的角度。射頻場的頻率等於由ω0＝γB0給出的拉莫爾頻率，式中γ是旋磁比。施加射頻脈衝之後，磁化開始圍繞B0旋進，並產生可在天線上檢測的信號。這種由天線檢測到的信號包括幹擾自旋迴波測量的寄生的虛假的振蕩。
虛假信號的一種來源是金屬中超聲駐波的電磁生成。見E.Fukushima和S.B.W.Roeder脈衝核磁共振中的虛假振蕩，33 J.Magn.Res.199-203(1979)。正如Fukushima等人文章所解釋的，在金屬趨膚效應深度內感應的射頻電流通過勞倫茨力與靜態磁場中的晶格反應，而且相干的超聲波進入金屬中傳播，形成駐波。在有靜態磁場存在的情況下，逆機理將聲能轉化為振蕩磁場，後者由天線拾取成為虛假的振蕩信號。
不同類型的磁聲互作用會在NMR天線上產生寄生信號。天線連線和NMR記錄設備的其它金屬部件可能受靜態磁場和天線所產生的射頻場影響。若天線處在磁鐵場的最強部分，則當射頻脈衝加在天線上時，天線內便產生聲波，天線經受進行中的一系列衰減的機械振蕩，本專業技術人員稱之為磁聲振蕩。這種振蕩會在天線內引起大電壓，疊加在由自旋迴波感應的電壓測量值上。
磁聲互作用的另一個來源是磁約束振蕩，後者典型地是當在天線內使用非導電性磁性材料，諸如磁性鐵氧體時引起的。若這種磁性材料處於射頻場的強的部分，則施加射頻脈衝就會在磁鐵內產生聲波。在射頻脈衝停止時該磁鐵經歷一系列衰減的機械振動。磁約束振蕩也能在天線內引起大電壓，疊加在由自旋迴波感應的電壓測量值上。
例如，在頒發給Taicher等人的美國專利No.5,712,566中描述了一種減輕磁聲互作用的一類良好的NMR記錄設備。在『566專利中公開的設備包括永久磁鐵，後者包括做成環柱形的硬質鐵氧體磁鐵材料，具有與該設備的縱軸平行的圓孔。一個或多個接收線圈布置在該磁鐵的外表面上。射頻發射線圈位於該磁鐵孔內靜態磁場為0的地方。發射線圈繞組圍繞軟質鐵氧體棒形成。這樣，磁聲線圈的振蕩由於發射線圈的結構而減小了。由於使用帶有鐵氧體棒的縱向偶極子天線，射頻場強的徑向依賴關係相對較小，所以磁鐵的磁約束振蕩減小了。另外，因為接收線圈基本上消除了接收線圈與磁約束的逆效應造成的寄生磁通的耦合，所以磁約束振蕩減小了。
『566專利中所公開的設備有幾個缺點。首先，永久磁鐵材料必須是非電導性的，使得用來產生射頻磁場的天線可能處於所述孔內。其次，因為把天線置入孔內，所以，天線的效率由於天線離地層的距離而降低。『566專利描述了一個替代實施例，其中磁鐵孔沿著徑向移向磁鐵的外表面。在『566專利最佳的和替代的實施例中，把天線放置在磁鐵孔內增大了天線到地層中的探查容積的徑向距離。在實際鑽孔布滿皺紋的情況下，探查容積可以位於鑽孔本身以內，而不是整個在地層內。
通常藉助相位交變脈衝序列來消除由CPMG序列的180°脈衝引起的磁聲互作用。如上所述，例如在頒發給Abdurrahman Sezginer的美國專利No.5,596,274和頒發給Kleinberg等人的美國專利No.5,023,551中，脈衝序列，諸如Carr-Purcel-Meiboom-Gill(CPMG)序列等，首先施加激勵脈衝，90°脈衝，引起自旋，以便開始進動。自旋傾斜90°之後，開始相移，再聚焦脈衝的載波，180°脈衝，相對於90°脈衝的載波、按照以下序列
CPMG(±)＝90°±x[tcp180°y tcp±echoj]，
發生相移。上式中括號中的表達式對於j＝1，2，...J重複，其中J是在單一的CPMG序列中收集的回波數，而tcp是回波間隔的一半。90°±x表示使自旋繞±x軸(相位交變)旋轉90°角的射頻脈衝。類似地，180°y表示使之繞y軸旋轉180°角的射頻脈衝。180°脈衝引起的振蕩通過組合一對相位交變CPMG序列來消除，就是說，從相鄰的CPMG(+)中的回波減去CPMG(-)中的回波。一般說來，90°脈衝引起的振蕩忽略不計。除振蕩以外，電子測量電路會引入基線偏移，使得絕對回波強度測量變得比較困難。相位交變脈衝序列操作還消除可能出現在測量中的虛假基線。
相位交變序列的缺點是要求測量兩個脈衝序列周期。因此，以這種方式用NMR記錄設備進行的測量由於記錄速度、每一個脈衝序列之間的等待時間和數據採集時間而使垂直解析度降低。另外，記錄設備在每一次測量之間沿著鑽孔的縱軸移動。CPMG(±)序列引起的回波可能是用面向不同地層的設備測量的，其中每一個地層具有不同的導電率。實驗室測試表明，磁聲互作用受地層導電率影響。
圖1a-1c表示NMR測量的實驗結果，其中相位交變脈衝序列是在兩種不同的導電率的情況下測量的。正相位周期測量結果(圖1a)是從0.25Ω-m(歐姆-米)的水樣本獲得的，而負相位周期測量結果(圖1b)是從0.9Ω-m(歐姆-米)的水樣本獲得的。圖1a表示正相位回波，基線偏移量和來自180°脈衝的最小振蕩，而圖1b舉例說明負相位回波，基線偏移量和來自180°脈衝的相當大的振蕩。當這些信號通過從正相位周期獲得的信號減去負相位周期獲得的信號而組合時，得到了圖1c所描述的結果，它表明相位交變脈衝序列並未完全消除振蕩和基線偏移量。
先有技術的上述缺點用本發明克服，本發明包括一種在對鑽孔周圍的地層進行核磁共振特性測量時消除振蕩的方法。靜態磁場施加在大塊地層中，它使大塊地層內的自旋核極化。把多個周期的選定的脈衝序列的振蕩磁場施加在大塊地層中，使得在該大塊地層中產生核磁共振信號。在單個脈衝序列周期的第一時間周期中，把第一組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，測量在地層中產生的信號。測得的信號包括振蕩成分和多個自旋迴波。然後，消除自旋迴波。在單個脈衝序列周期的第二時間周期中，把第二組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，測量在地層中產生的信號。測得的信號包括振蕩成分，並基本上排除自旋迴波。修正第一時間周期測得的信號，以消除振蕩成分。
在第二時間周期測得的信號可能還包括多個受激回波。在第二時間周期中，可以採用在時間延遲之後重複地施加短脈衝、以便破壞受激回波和自旋迴波的方法來消除自旋迴波和受激回波。作為另一方案，在第二時間周期中，可以應用相位交變脈衝序列來破壞受激回波和自旋迴波。
本發明包括一種在測量鑽孔周圍地層的核磁共振特性時消除基線信號的方法。把靜態磁場施加在大塊地層中，它使地層內的自旋核極化。把多個周期的選定的脈衝序列的振蕩磁場施加在大塊地層中，使得大塊地層內產生核磁共振信號。在單個脈衝序列周期的第一時間周期中，把第一組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，測量地層中所產生的信號。測得的信號包括基線成分和多個自旋迴波。消除自旋迴波。在單個脈衝序列周期的第二時間周期中，把第二組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，測量地層中所產生的信號。測得的信號包括基線成分，並基本上排除自旋迴波。修正第一時間周期期間測得的信號，以消除基線成分。
從下面對附圖的描述將明白本發明的優點。應該明白，附圖僅用於舉例說明的目的，而不用於限定本發明。
附圖中
圖1a-1c描述地層電導率對利用相位交變脈衝序列的核磁共振測量的影響；
圖2舉例說明按照本發明最佳實施例的新型脈衝序列；
圖3舉例說明作為把新型脈衝序列用於核磁共振測量的結果而獲得的實驗室數據；以及
圖4a-4b把用振蕩抑制器(RingKiller)修正的數據與用相位交變脈衝序列修正的數據加以比較。
參考圖2，圖中示出了CPMG脈衝-回波序列，它舉例說明在核磁共振測量過程中出現的諸如磁聲振蕩等振蕩，以及基線偏移。本專業技術人員已知的其它脈衝序列，諸如反演的Carr-Purcell序列(CPI)等亦在本發明的考慮之列。見T.C.Farrar和E.D.Becker的Pulseand Fourier Transform NMR(脈衝與富裡埃變換核磁共振)(AcademicPress，1971)。本發明首先在單個脈衝序列期間測量所需要的回波強度16和不希望有的結果18，就是說振蕩、測量噪聲及基線偏移。在單個脈衝序列期間，利用下面被稱作」RingKiller Approach」(振蕩抑制器)「破壞」(亦即，消除)自旋迴波，而不是不希望有的結果18。在單個脈衝序列期間破壞自旋迴波之後，測量不希望有的結果18，並用來修正第一次測得的自旋迴波和不希望有的結果18，以消除第一次測得的數據中的振蕩成分、測量噪聲和基線偏移。本發明最好用來消除180°脈衝造成的振蕩，但是，它可以用來消除來自任何長度的脈衝的振蕩，而不限於消除180°或者甚至90°脈衝造成的振蕩。
採用振蕩抑制器，執行包括激發脈衝12和一序列再聚焦脈衝14的CPMG序列。測得的信號包括自旋迴波16和不希望有的結果18，包括振蕩、測量噪聲和基線偏移。測得的信號可以寫成以下形式Snk＝Secho，n(kΔt)+R180，n(kΔt)+Snoise，n(kΔt)+d.c.對於1≤n≤N1 and 1≤k≤M(1)和Snk′＝R180，n(kΔt)+Snoise，n(kΔt)+d.c. 對於N1+1≤n≤N2 and 1≤k≤M(2)
式中Secho，n(t)表示第n個回波信號，R180，n(t)是相應的振蕩信號，Snoise，n(t)是測量噪聲，d.c.是基線偏移，Δt是接通時間(dwelltime)，N1是存在回波16的周期數，N2是實驗的周期總數，而M是每個回波周期的樣值數。方程式1描述破壞回波之前的信號，而方程式2表示破壞自旋迴波之後的信號。破壞自旋迴波之後的平均振蕩信號是
對於1≤k≤M (3)
只要在測量期間設備電子線路保持穩定，平均振蕩信號便包括振蕩、噪聲和基線偏移等不希望有的結果18。採用振蕩抑制器，測得的數據，Snk，按照下式對不希望有的結果18進行修正SRK，nk＝Snk-R180，k＝Secho，n(kΔt)+Snoise，n(kΔt) 對於1≤n≤N1 and 1≤k≤M.(4)
獲得核磁共振測量值用的電子電路在高溫環境下會受到溫度不穩定性的影響。圖3舉例說明溫度不穩定性對核磁共振數據的影響，其中再聚焦脈衝序列14期間產生的射頻高功率逐漸地加熱電子電路，從而改變系統的響應。仍參照圖3，振蕩信號的振幅在CPMG序列期間經歷了線性變化。在這個特定的實例中，振蕩抑制器按照下式考慮這種線性影響
SRK，nk＝Snk-(a+bn)R180，k-(1-a-bn)d.c.對於1≤n≤N1 and 1≤k≤M (5)
式中a是第一振蕩振幅與平均振蕩振幅的比值，而b是振蕩強度變化的斜率。一般說來，可以用式5的其它適當的形式來考慮非線性變化的影響。
在本發明的最佳實施例中，利用下文中稱作「丟失180°脈衝」法的破壞方法，來消除N1和N1+1之間時間間隔中的自旋迴波。參照圖2，採用丟失180°脈衝法，在一段長TCPMG的時間內記錄回波16以及包括振蕩、測量噪聲和基線偏移等不希望有的結果18，其中N1是存在回波16的周期數。對於時間周期N1+1，再聚焦脈衝至少延遲2TE(其中TE＝回波間隔)，後跟(N2-N1)個相隔TE再聚焦脈衝14』。在正常脈衝序列中，這種延遲相當於丟失至少一個180°脈衝。丟失至少一個180°脈衝的結果是，自旋散焦至少1.5TE。然後，在下一個180°脈衝建立散焦方向上的自旋之前，僅在TE內建立在聚焦方向上的自旋。自旋沒有機會完成再聚焦，從而破壞任何隨後的自旋迴波。
參照圖3，對丟失180°脈衝破壞法進行了測試，並在實驗室利用含有NiCl2溶液的水樣本進行了測量。由於電子電路的溫度不穩定性，利用振蕩抑制器修正後的測量信號是
SRK，nk＝Snk-(a+bn)R180，k-(1-a-bn)d.c.
對於0≤t≤64(毫秒)
式中a＝0.8，b＝0.005，以及
對於64(毫秒)≤t≤120(毫秒)
圖4a-4b把在自旋迴波存在的較早期間(0≤t≤4毫秒)(圖4a)，和在自旋迴波存在的較晚期間(59.5毫秒≤t≤63.5毫秒)(圖4b)用振蕩抑制器修正的數據與相位交變脈衝序列數據進行了比較。實驗室結果表明，利用振蕩抑制器從單一脈衝序列獲得的回波波形和強度與從一對相位交變脈衝序列獲得的基本上相同。
核磁共振測量結果很好地響應丟失180°脈衝破壞法，其中樣值具有相對較快的縱向鬆弛時間(T1)。對於具有較慢T1的樣值，由於射頻磁場中的不均勻性的緣故會產生受激回波。利用各種破壞法消除受激回波。在單個CPMG序列過程中，通過在短的時間延遲tdelay之後重複施加θ度的短脈衝來消除受激回波。重複這一序列使自旋隨機化，並破壞受激回波和自旋迴波。
或者，利用相位交變180°脈衝序列來消除受激回波。在單個CMPG序列過程中，通過在時間延遲tdelay之後在(+y)方向上施加180°脈衝，然後在(-y)方向上施加180°脈衝來消除受激回波。重複這一序列使自旋隨機化，並破壞受激回波以及自旋迴波。振蕩抑制器不限於上述破壞技術。其它消除自旋迴波但不消除不希望有的結果的方法，都在本發明考慮之列。
在本發明一個替代的實施例中，通過在長TCPMG的時間之後關閉再聚焦脈衝並進行基線修正(下稱「基線法」)來消除自旋迴波。基線法用於導電率非常高、並且其中振蕩造成的不希望有的結果可以忽略不計的樣本。見圖1a。採用基線法，執行包括激勵脈衝和一序列再聚焦脈衝的CMPG脈衝。測得的信號包括自旋迴波和包括測量噪聲以及基線偏移的不希望有的結果。在基線法中，測得的信號可以寫成以下形式Snk＝Secho，n(kΔt)+Snoise，n(kΔt)+d.c. 對於1≤n≤N1 and 1≤k≤M(6)以及Snk′＝Snoise，n(kΔt)+d.c. 對於N1+1≤n≤N2 and 1≤k≤M (7)
式中Secho，n(t)表示第n個回波信號，Snoise，n(t)是測量噪聲，d.c.是基線偏移，Δt是接通時間，N1是存在回波的周期數，N2是實驗的周期總數，而M是每個回波周期的樣值數。關閉再聚焦脈衝之後，平均基線信號為
只要在測量過程中設備電子線路保持穩定，平均基線信號便包括基線偏移的不希望有的結果。採用基線法，測得的數據按照下式對不希望有的結果進行修正SBL，nk＝Snk-SBL＝Secho，n(kΔt)+Snoise，n(kΔt) 對於1≤n≤N1 and 1≤k≤M.(9)
另外，在高溫環境下，可以對測得的數據進行關於電子電路的溫度不穩定性的修正。
以上對本發明最佳的和替代的實施例的描述都是為了舉例說明和描述的目的。並不準備窮舉或把本發明限制在已公開的精確形式。顯然，對於本專業的技術人員來說許多修改和改變都將是顯而易見的。例如，本發明可以用來消除任意長度的脈衝造成的振蕩。之所以選擇和描述這些實施例，是為了最好地解釋本發明的原理及其實際應用，以此使本專業的技術人員能夠就各個實施例和適合於設想的具體應用的各種修改來理解本發明。本發明的範圍準備由後附的權利要求書及其等價物來限定。
權利要求
1.一種在測量鑽孔周圍地層的核磁共振特性時消除振蕩的方法，它包括以下步驟
a)把靜態磁場施加在大塊地層中，它使大塊地層內的自旋核極化；
b)把多個周期的選定的脈衝序列的振蕩磁場施加在大塊地層中，使得在該大塊地層中產生核磁共振信號；
c)在單個脈衝序列周期中，步驟(b)還包括以下步驟
i)在第一時間周期中，把第一組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，並測量在地層中產生的信號，測得的信號包括振蕩成分和多個旋迴波；
ii)消除所述自旋迴波；
iii)在第二時間周期中，把第二組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，並測量在地層中產生的信號，測得的信號包括振蕩成分，並基本上排除自旋迴波；以及
iv)修正在所述第一時間周期測得的所述信號，以消除所述振蕩成分。
2.權利要求1的方法，其特徵在於在所述第一和第二時間周期測得的所述信號還包括基線信號和測量噪聲，以及修正在所述第一時間周期測得的所述信號的所述步驟還包括消除所述基線信號。
3.權利要求2的方法，其特徵在於它還包括對在所述第一和第二時間周期測得的所述信號進行平均的步驟，以及對在所述第一和第二時間周期測得的所述信號進行修正的步驟還包括把所述平均信號與來自所述第一時間周期的信號組合以消除振蕩、基線信號和測量噪聲，使得修正後的信號基本上包括具有最小外加噪聲的自旋迴波的步驟。
4.權利要求1的方法，其特徵在於在所述第二時間周期測得的信號還包括多個受激回波。
5.權利要求4的方法，其特徵在於還包括對在所述第二時間周期測得的信號進行修正，以便消除受激回波的步驟。
6.權利要求5的方法，其特徵在於還包括在時間延遲之後重複施加短脈衝，以便破壞所述受激回波的步驟。
7.權利要求5的方法，其特徵在於還包括施加相位交變脈衝序列，以便破壞受激回波的步驟。
8.一種在測量鑽孔周圍地層的核磁共振特性時消除基線信號的方法，它包括下列步驟
a)把靜態磁場施加在大塊地層中，它使大塊地層內的自旋核極化；
b)把多個周期的選定的脈衝序列的振蕩磁場施加在大塊地層中，使得大塊地層內產生核磁共振信號；
c)在單個脈衝序列周期中，步驟(b)還包括下列步驟
i)在第一時間周期，把第一組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，並測量所述地層中所產生的信號，測得的信號包括基線成分和多個自旋迴波；
ii)消除所述自旋迴波；
iii)在第二時間周期中，把第二組多個振蕩脈衝施加在所述大塊地層中，並測量地層中所產生的信號，測得的信號包括基線成分，並且基本上排除所述自旋迴波；以及
iv)修正第一時間周期期間測得的信號，以便消除基線成分。
9.權利要求8的方法，其特徵在於還包括消除在所述第二時間周期中施加任何振蕩脈衝的步驟。
10.權利要求1的方法，其特徵在於還包括下列步驟設置鑽孔設備，以所述鑽孔設備在地層中鑽孔，並在鑽孔過程中消除振蕩。
11.權利要求8的方法，其特徵在於還包括下列步驟設置鑽孔設備，以所述鑽孔設備在地層中鑽孔，並在鑽孔過程中消除基線信號。
12.一種在測量鑽孔周圍地層的核磁共振特性時消除振蕩的方法，它包括下列步驟
a)把靜態磁場施加在大塊地層中，它使大塊地層內的自旋核極化；
b)把多個周期的選定的脈衝序列的振蕩磁場施加在大塊地層中，使得大塊地層內產生核磁共振信號；
c)在單個脈衝序列周期中，步驟(b)還包括下列步驟
i)在第一時間周期中，把第一組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，並測量所述地層中所產生的信號，測得的信號包括振蕩成分、多個自旋迴波和多個受激回波；
ii)消除所述自旋迴波和所述受激回波；
iii)在第二時間周期中，把第二組多個振蕩脈衝施加在大塊地層中，並測量所述地層中所產生的信號，測得的信號包括振蕩成分，並且基本上排除所述自旋迴波和所述受激回波；以及
iv)修正所述第一時間周期期間測得的所述信號，以消除所述振蕩成分。
13.權利要求12的方法，其特徵在於還包括在時間延遲之後重複施加短脈衝，以便破壞所述自旋迴波和所述受激回波的步驟。
14.權利要求12的方法，其特徵在於還包括施加相位交變脈衝序列，以便破壞所述自旋迴波和所述受激回波的步驟。
全文摘要
本發明一般地涉及在測量鑽孔所穿越的地層的核磁共振特性時消除振蕩的方法。測量可以在鑽孔過程中或利用有線設備進行。在單個脈衝序列的第一時間周期中,測量結果包括所需要的自旋迴波和不希望有的結果,即,振蕩、測量噪聲和基線偏移。在單個脈衝序列的第二時間周期中,消除自旋迴波,但不消除不希望有的結果。利用在第二時間周期收集的信號校正在第一時間周期測得的信號,以便消除振蕩、測量噪聲和基線偏移。
文檔編號G01V3/32GK1246624SQ9910852
公開日2000年3月8日 申請日期1999年6月22日 優先權日1998年6月22日
發明者孫博芹, R·塔赫裡安 申請人:施盧默格海外有限公司