CN101680936A - 用于高信噪比nmr测井的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量地层的核磁共振(NMR)属性的方法，该方法包括在极化间隔期间将磁场施加到地层的原子核，该磁场具有极化强度；将磁场改变到测量强度，在测量间隔期间将测量强度施加到地层的原子核；在测量间隔期间向地层施加至少一个射频(RF)脉冲序列；以及测量来自地层的NMR信号。

Description

用于高信噪比NMR测井的方法与装置

对相关申请的交叉引用

本申请是根据37CFR 1.53(b)作为于2006年7月27日提交的美国专利申请No.11/494,043的部分连续申请提交的，并且根据35U.S.C.120要求该申请的优先权，美国专利申请No.11/494,043又要求于2005年1月18号提交的美国专利申请No.11/037,488的优先权，美国专利申请No.11/037,488又要求于2004年2月9日提交的美国临时专利申请No.60/542,932的优先权，这些申请都通过引用而全部包含于此。

技术领域

本发明涉及利用核磁共振来测量地球地层的属性。具体而言，测量是在钻孔中执行的。

背景技术

在碳氢化合物的开采中，对地质地层(geologic formation)进行精确测量是很重要的。地表以下的地质地层可以包含油和气的储藏。地质地层可以包括地质层(formation layer)和各种结构。在对油和气的寻找过程中，获知地层层面和各种结构的位置与成分(composition)是很重要的。特别地，高度精确地获知地质地层是很重要的，从而不会浪费资源。测量地质地层的属性提供了对油和气的储藏的定位可能是有用的信息。典型地，油和气是通过在地表下进行钻孔来获取的。钻孔(borehole)还提供了对地质地层进行测量的通道。

测井(well logging)是用于从钻孔获取对地质地层的测量结果的技术。在一种实施方式中，“测井仪器”位于线缆(wireline)的一端上，降低到钻孔中。测井工具通过该线缆将数据发送到地面以进行记录。来自测井仪器的输出具有各种形式，并且可以称为“日志”。一种类型的测量结果涉及使用核磁共振(NMR)来测量地质地层的属性。

新一代的基于利用永磁体的核磁共振(NMR)测井仪器大约在十年前引入(见例如授予Taicher等的美国专利No.4,717,878、授予Kleiberg等的No.5,055,787和授予Reiderman等的No.6,452,388)。该新一代的NMR测井仪器已经证明比之前的NMR技术(例如地球磁场NMR测井)先进。所提供的优点包括更高的信噪比(SNR)、获得NMR松弛谱(relaxation spectra)时更高的分辨率、扩散测量(diffusion measurement)的能力及对所获得NMR数据的钻孔流体(borehole fluid)中质子没有影响的限定体积的勘测。

该新一代的NMR测井仪器典型地表现出高速率地减小与NMR传感器有一定距离的永磁体的静态磁场。高速率地减小静态磁场通常导致相对小的勘测区域。作为勘测区域小的结果，NMR测量的SNR太低，以至于不能允许具有可接受垂直分辨率的期望测井速度。低SNR还将NMR测量限制到大约二至四英寸的勘测深度。大约二至四英寸的勘测深度基本上是被喷射出的钻孔泥浆侵入的区域。通常，喷射出的钻孔泥浆会干扰获取对地质地层的精确NMR测量结果。

所需要的是SNR比在测井仪器中之前所获得的SNR高的用于执行NMR测量的装置与方法。优选地，更高的SNR使得能够实现具有可接受垂直分辨率的期望的测井速度，还使得能够实现超过二至四英寸深度的勘测区域。

发明内容

现有技术的缺点是通过用于测量地层核磁共振(NMR)属性的方法克服的，该方法还提供了附加的优点，该方法包括在极化间隔期间对地层的原子核(nuclei)施加磁场，该磁场具有极化强度；将磁场改变至一测量强度，在测量间隔期间向地层的原子核施加该测量强度；在测量间隔期间对地层施加至少一个射频(RF)脉冲序列；以及测量来自地层的NMR信号。

还公开了用于从钻孔测量地层核磁共振(NMR)属性的仪器，该仪器包括磁芯；关于该磁芯布置的至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以便磁化磁芯，并且该绕组还适于在极化磁场和测量磁场之间切换；以及用于发送射频(RF)脉冲序列和/或接收NMR信号的天线。

还公开了存储在机器可读介质上的计算机程序产品，该产品包括用于从钻孔测量地层核磁共振(NMR)属性的指令，所述指令包括以下指令：在极化间隔期间对地层的原子核施加磁场，该磁场具有第一极化强度；将磁场减小至第一测量强度，在测量间隔期间对地层的原子核施加该第一测量强度；在测量间隔期间对地层施加至少一个射频(RF)脉冲序列；以及测量来自地层的NMR信号。

还公开了用于生产测井仪器的方法，所述测井仪器用于从钻孔测量地层核磁共振(NMR)属性，该方法包括选择磁芯；关于该磁芯设置至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以便磁化磁芯，并且该绕组还适于在极化磁场和测量磁场之间切换；选择天线；以及将磁芯、绕组和天线设置到一个组件中，其中测井仪器包括该组件。

附图说明

现在参考附图，其中在几个图中相同的元件都采用相同标号：

图1示出了在穿入地中的钻孔中的测井仪器的示例实施方式；

图2示出了用于NMR测井测量的现有技术磁体的示例实施方式；

图3示出了磁场的径向依赖性的现有技术例子；

统称为图4的图4A、4B、4C和4D描述了用在NMR测井测量中的磁场及所产生的磁化的示例方面；

图5示出了用于执行NMR测井测量的测井仪器的示例实施方式；

图6示出了具有两个天线的测井仪器的示例实施方式；

图7示出了具有两个天线和预极化永磁体的磁体组件的示例实施方式；

统称为图8的图8A、8B、8C和8D示出了极化磁场的可快速切换源的示例方面；

图9示出了由带缠绕环堆叠(a stack of ribbon wound rings)制成的磁芯的示例实施方式；

图10示出了由纵向叠组(longitudianl pack)制成的磁芯的示例实施方式；

统称为图11的图11A、11B、11C和11D示出了具有一个强度的静态磁场、两个CPMG序列及磁化相对于时间的示例图；

统称为图12的图12A、12B、12C和12D示出了具有两个强度的静态磁场、两个CPMG序列及磁化相对于时间的示例图；

统称为图13的图13A、13B和13C示出了从本质上更深的区域获得NMR松弛数据的示例方面；

图14示出了耦合到测井仪器的计算机的示例实施方式；

图15给出了用于操作测井仪器在钻孔中执行NMR测量的示例方法；以及

图16给出了用于生产测井仪器的示例方法。

具体实施方式

该教导提供了具有高信噪比(SNR)的用于执行核磁共振(NMR)测量的装置与方法。高SNR提供了大约每分钟三十至四十英尺的测井速度和大约二至四英尺的垂直测量分辨率。高SNR还使得能够超出被喷射出的钻孔泥浆所侵入区域执行地质地层的NMR测量。

在典型的实施方式中，该装置包括用在测井仪器中的细长的可切换磁体和具有很多圈的感测芯。而且，在典型的实施方式中，该方法要求先向勘测区域内的原子核施加高极化磁场，然后施加相对较低的测量磁场。在施加测量磁场的同时，还将一系列低频的射频脉冲施加到原子核。测量由于原子核的进动(procession)导致的回声，以确定勘测区域的特性。射频脉冲的低频使得能够在接收回声的接收磁芯中增加圈数。由此，增加的圈数提供高SNR。在详细讨论该装置与方法之前，先提供某些定义。

作为惯例，应当注意本文中所使用的变量贯穿整个公开内容。因此，之前定义的变量通常不再次介绍。为了方便引用，提供以下定义。术语“M_Z(t)”表示纵向磁化，其涉及时间常量T₁，其中T₁是磁化向量恢复到其原始幅值63％所需的时间(称为“纵向松弛时间”)。术语“M_xy(t)”表示横向磁化，其涉及时间常量T₂，其中T₂是磁化向量下降到其原始幅值37％所需的时间(称为“横向松弛时间”)。关于NMR测量的术语“射频(RF)脉冲序列”涉及一系列设计成从地质地层产生NMR信号的射频脉冲。典型地，RF脉冲序列是包括“初始脉冲”的CPMG脉冲序列，其中“初始脉冲”也称为“预备脉冲”。施加初始脉冲，以便将核自旋(nuclear spin)旋转到与静态磁场垂直的平面。当原子核在静态磁场中进动时，原子核产生NMR信号(称为自由感应衰减(free inductin decay))。原子核最终失相(dephase)并停止产生NMR信号。跟在初始脉冲之后的另一个射频脉冲重新将原子核在垂直平面中对准，以便产生自旋回声。称为“重新聚焦脉冲”的后续射频脉冲用于在原子核自旋失相后重新磁化原子核。在有些实施方式中，RF脉冲序列可以包括一个RF脉冲。术语“激励”涉及将静态磁场和CPMG脉冲序列施加到地质地层的原子核。激励使原子核进动并产生自旋回声。自旋回声也称为“NMR回声信号”和“NMR信号”。

参考图1，测井仪器10示为布置在钻孔2中。钻孔2钻过大地7并穿过地层4，其中地层4包括不同的层4A-4E。仪器10一般通过包铁电缆(armored electrical cable)6或本领域中已知的类似的运输工具下降到钻孔2中并从钻孔2中撤回。如在此所使用的，测井仪器10用于对地层4进行具有高SNR的核磁共振测量。

在典型的实施方式中，钻孔2包括例如会在油开采时发现的物质，包括以下液体的混合物，所述液体包括水、钻探流体(drilling fluid)、泥浆、油和各种地层固有的地层流体。本领域技术人员将认识到在地面下(subsurface)环境中可能遇到的各种特征可以称为“地层”。因此，应当认识到尽管术语“地层”通常指感兴趣的地质地层，在此所使用的术语“地层”在有些情况下包括任何感兴趣的地质点(例如测区)。

图2呈现现有技术的NMR测井测量的传感器单元的示例实施方式。参考图2，永磁体9在方向11横向磁化。永磁体9产生静态磁场B₀，该静态磁场从永磁体9径向(半径为r)衰减，B₀∝1/r²。图3示出了现有技术的静态磁场B₀的径向依赖性。静态磁场B₀对半径为r的范围呈现出梯度。参考图2，一般为脉动的射频(RF)磁场B_RF通过天线12生成。静态磁场B₀具有方向14。RF磁场B_RF具有方向15。静态磁场B₀和RF磁场B_RF是相互正交的。典型地，NMR测量是当测井仪器10在轴向16(钻孔2的轴的方向)移动时执行的。为了在测井仪器10移动的同时便于实现执行NMR测量所需的基本的平动对称性(translational symmetry)，永磁体10和天线12做成细长状。细长状还可以确保静态磁场B₀和RF磁场B_RF的幅值的基本的轴向对称性。由于静态磁场B₀在径向的梯度，原子核只在基本上很窄的激励区域内被激励，在这个区域内静态磁场B₀对应于RF磁场B_RF的频率。该频率位于频带Δω中，其包括在RF磁场B_RF的带宽中。关于r＝r₀的窄激励区域19的例子在图3中示出，其中r₀对应于RF磁场B_RF的工作频率ω₀。图3还示出了与激励区域19关联的梯度18。激励“壳(shell)”的厚度Δr由下式给出：

$\mathrm{\Δr}=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\γ}\·G_0}---\left(1\right)$

其中，γ是原子核的磁旋比(gyro-magnetic ratio)，而G₀是静态磁场B₀在r＝r₀处的梯度。

基于互易原理(Reciprocity Principle)，在天线12中感应出的NMR信号(S)可以如下计算：

S≈ω₀·M_n·B′_A·V_S    (2)

其中，ω₀是工作频率；M_n是原子核的磁化强度；B’_A是天线12的天线灵敏度函数(即，由在天线12中流动的单位电流产生的RF磁场B_RF)；而V_S是敏感体积。

可以对工作频率ω₀和敏感体积V_S给出以下等式。

ω₀≈γ·B₀    (3)

$V_S=\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{\mathrm{\γ}\·G_0}\·2\mathrm{\π}\·r_0\·l_A$ (其中l_A是天线12的长度)(4)

由于B₀∝1/r²，静态磁场B₀在r＝r₀处的梯度可以如下表示。

$G_0=\frac{2\·B}{r_0}---\left(5\right)$

因为工作频率ω₀(来自等式(3))与静态磁场B₀成比例，而敏感体积(来自等式(4)和(5))与静态磁场B₀成反比，所以NMR信号(来自等式(2))不依赖于静态磁场B₀。将等式(5)、(4)和(3)替换到等式(2)中，NMR信号可以如下给出。

S≈π·M_n·B′_A·Δω·r₀ ²·l_A    (6)

参考等式(6)，可以注意到降低工作频率ω₀将不会导致较低的NMR信号S。还可以注意到，根据等式(3)，较低的工作频率ω₀将由较低的静态磁场B₀导致，而根据等式(5)，较低的B₀对应于较小的静态磁场梯度G₀。参考等式(1)，可以看到，较小的静态磁场梯度G₀将导致较大的Δr。较大的Δr(或者较大的敏感体积的径向范围)相对于测井仪器10的横向运动提供NMR测量的更好的稳定性。

图2中呈现的现有技术磁体(永磁体10)提供充当极化磁场的静态磁场B₀和测量磁场。典型地，磁化强度M_n与极化原子核的静态磁场B₀成比例。因此，关于等式(6)，NMR信号S对静态磁场B₀具有线性依赖性。在利用永磁体10的情况下，对给定的勘测半径r₀降低工作频率ω₀导致静态磁场B₀的减小，并且磁化强度M_n相应地减小。因此，在现有技术的NMR系统中，降低工作频率ω₀将导致NMR信号S的减小。

该教导在极化与测量时间间隔期间提供不同的静态磁场强度。所述不同的静态磁场强度称为极化磁场B_P(具有强度B_P的静态磁场)和测量磁场B_M(具有强度B_M的静态磁场)。极化磁场B_P和测量磁场B_M是由“可切换的”磁体提供的。图4示出了磁场的示例方面和通过不同静态磁场强度所产生的用于NMR测量中的磁化。参考图4，原子核是由极化磁场B_P20极化的。典型地，极化磁场B_P20具有高幅值。极化磁场B_P20通常施加与最大期望纵向松弛时间可比较的一段时间。在极化磁场B_P20施加之后，极化磁场B_P20以三至十的因子减小，以产生测量磁场B_M22。测量磁场B_M22用于NMR松弛测量。用于从极化磁场B_P20切换到测量磁场B_M22的时间间隔基本上比被勘测区域中的期望最小纵向松弛时间短。将静态磁场强度从B_P切换到B_M被认为是绝热处理(adiabatic process)，这是因为静态磁场的方向实际上没有改变。测量磁场B_M22在测量间隔期间施加到地层4的原子核。在完成切换之后，RF磁场B_RF施加到勘测区域中的原子核。RF磁场B_RF一般是以CPMG脉冲序列(或CPMG脉冲串)的形式脉动的。通常，RF磁场B_RF与极化磁场B_P和测量磁场B_M正交。图4B示出了示例CPMG脉冲序列。

RF磁场B_RF的工作频率ω₀选择成选择期望的勘测深度r₀，其中核磁化强度M_xy在与静态磁场垂直的平面内。图4C示出了核磁化强度M_xy的示例实施方式。核磁化强度M_xy在测井仪器10的天线中引起RF自旋回声信号。图4D示出了示例核磁化强度分量M_z。核磁化强度分量M_z具有与极化磁场B_P和测量磁场B_M的方向相同的方向。极化磁场B_P和测量磁场B_M的方向是Z轴方向，其中Z轴方向与钻孔2的轴垂直。

图5示出了用于实现这里的教导的测井仪器10的例子。测井仪器10包括磁芯30和切换绕组32。切换绕组32传导电流，以便在方向34磁化磁芯30，以产生横向偶极(dipole)。横向偶极矩与轴向16垂直，其中轴向16与钻孔2共线。依赖于磁芯30的磁化强度的量，横向偶极提供极化磁场B_P或者测量磁场B_M。参考图5，测井仪器10还包括用于生成RF磁场B_RF的NMR天线36。RF磁场B_RF的方向38(X轴方向)与极化磁场B_P或者测量磁场B_M的方向(平行于Z轴)垂直。NMR天线36还可以用作用于接收NMR信号的接收器线圈。如以下将进一步解释的，对于磁芯30，为了便于生成高强度的极化磁场B_P20，在除去切换绕组32中的电流后具有残余磁化强度是优选的。

如以上所讨论的，该教导基于利用(1)勘测区域内的高极化磁场和对应的高核磁化强度及(2)相对低的测量磁场B_M和对应的相对低的工作频率ω₀执行NMR测量。以下推理解释了：对于给定的核磁化强度，较小的测量磁场BM(与极化磁场BP成比例)将如何便于实现更高的SNR。

用于NMR信号的等式(6)说明，对于给定的核磁化强度M_n，NMR信号不依赖于工作频率ω₀。为了估计低工作频率ω₀对SNR有什么影响，SNR可以如下基于等式(6)表示，并且该天线热噪声与有效损耗电阻R_eff的平方根成比例：

$\mathrm{SNR}\∝\frac{{B^{\′}}_{A1}\·n_r}{\sqrt{R_{\mathrm{eff}}}}---\left(7\right)$

其中，B′_A1是用于NMR天线36的每一圈天线绕组的天线灵敏度函数，而n_r是接收器线圈中的圈数。天线灵敏度函数依赖于芯的几何形状和NMR天线36的绕组。

对有效损耗电阻R_eff起作用的源是用于NMR天线36的导线的电阻损耗和由于与传导性环境耦合造成的损耗。传导性环境可以包括钻孔2中的传导性钻探泥浆和传导性地层4中的至少一个。电类型损耗P_lossE与电阻损耗关联，而磁类型损耗P_lossM与由于和传导性环境耦合而造成的损耗关联。具有弱趋肤效应(skin effect)的磁类型损耗P_lossM与磁通量的平方和工作频率ω₀的平方成比例。对于地层4和钻孔2中的损耗弱趋肤效应是典型的。磁通量基本上与NMR天线36的电流-圈数乘积成比例。电类型损耗P_lossE与电流平方成比例并与NMR天线36中的圈数成线性关系。电类型损耗P_lossE的频率依赖性大致是NMR天线36中电流频率的平方根。因此，总的损耗可以描述为：

P_loss＝P_lossM+P_lossE＝(I_r·n_r)²·F_M(ω)+I_r ²n_r·F_E(ω)    (8)

其中，I_r等于接收器线圈中的电流，F_M(ω)∝ω²是磁类型损耗P_lossM的频率依赖性，而

是电类型损耗P_lossE的频率依赖性。

基于以上所述，有效损耗电阻可以表示为

$R_{\mathrm{eff}}=P_{\mathrm{loss}}/{I_r}^2=k_M\·{n_r}^2\·{\mathrm{\ω}}^2+k_E\·n_r\sqrt{\mathrm{\ω}}---\left(9\right)$

其中k_M和k_E是常量。

依赖于传导性钻探泥浆和传导性地层4的传导性，在频率范围0.5-1MHz之内，磁类型损耗P_lossM与电类型损耗P_lossE可比较，或者相对于电类型损耗P_lossE占主导地位。频率范围0.5-1MHz对于测井仪器10是典型的。如果磁类型损耗P_lossM占主导地位，则从等式(9)和(7)得出SNR是与工作频率ω₀成反比的，而独立于接收器线圈中的圈数，使得

$\mathrm{SNR}\∝\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(10\right)$

可以看到，对于等式(10)和(3)，降低工作频率ω₀并相应地减小测量磁场B_M导致较高的SNR。较高SNR基于核极化，核极化是由在工作频率ω₀减小时不减小的极化磁场B_P提供的。

工作频率ω₀可以减小到在等式(9)中磁类型损耗P_lossM相对于电类型损耗P_lossE变得可以忽略的点。当磁类型损耗P_lossM相对于电类型损耗P_lossE可以忽略时，SNR可以表示为

$\mathrm{SNR}\∝\sqrt{n_r}\·4\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0}}---\left(11\right)$

因此，当到达表征为可忽略磁类型损耗P_lossM的低工作频率范围时，通过增加接收器线圈中的圈数，SNR的进一步提高也变得可能。关于等式(11)，SNR具有弱工作频率ω₀依赖性。

对接收器线圈中圈数的更高限制通常是由接收器线圈中的寄生电容和对应的自共振设置的。低工作频率ω₀将在接收器线圈中提供增加的圈数。

根据互易原理，NMR天线36中增加的圈数对于生成RF磁场是有利的。关于NMR天线36的功率损耗的表达式可以演变为：

P_loss＝P_lossM+P_lossE＝(I·n_r)²·F_M(ω)+I²n_S·F_E(ω)    (12)

其中，n_s是NMR天线36中的圈数。NMR天线36中的对于给定RF磁场强度B_RF所需的电流与圈数n_s成反比。该电流可以表示为I∝1/n_s。因此，对于低工作频率ω₀，等式(12)中的磁类型损耗P_lossM可以忽略，因此等式(12)可以重新写为：

$P_{\mathrm{loss}}\∝\frac{1}{n_s}\·\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(13\right)$

通过确定关于NMR天线36的功率损耗P_loss和电流I，NMR天线36的有效损耗电阻可以利用等式(9)来确定。

等式(13)和(11)可以结合起来，获得以下用于NMR传感器效率的表达式：

$\frac{\mathrm{SNR}}{\sqrt{P_{\mathrm{loss}}}}\∝\frac{\sqrt{n_r\·n_s}}{\sqrt{{\mathrm{\ω}}_0}}---\left(14\right)$

NMR天线36中较高的圈数一般不需要NMR天线36绕组横截面积的增加。在较低工作频率ω₀处较少的趋肤效应和邻近效应提供了对绕组横截面积的更好利用。

高SNR的一个优点是NMR测井速度可以提高。但是，测井仪器10必须设计成用于提高的NMR测井速度。期望的NMR测井速度是大约每分钟三十至四十英尺，并且具有大约二至四英尺的测量垂直分辨率。NMR测井速度的实际限制通常是由堆积数据和实现足够SNR所需的测量循环数设置的。例如，对于NMR天线36中二英尺长的孔，每分钟四十英尺的NMR测井速度和1.5秒的测量循环间隔(CPMG序列长度)，测井仪器10的移位是一英尺。可以注意到的信号衰减可被预测为是由于不适当的RF激励条件所产生的。因为对频繁进入的CPMG脉冲暴露的勘测区域的重要部分不受九十度预备脉冲的影响，所以导致不适当的RF激励条件。一种解决方案是使用具有基本上比在一个测量循环间隔期间测井仪器10的位移长的孔的NMR天线36。但是，基本上较长的孔将提供较弱的测量垂直分辨率。另一种解决方案是使用两个不同长度的天线。图6示出了具有两个天线的测井仪器10的示例实施方式。参考图6，测井仪器10包括长天线40和短天线42。长天线40在沿测井仪器10运动方向的足够长度上发送RF脉冲(也称为CPMG脉冲或者重新聚焦脉冲)。该运动方向在图6中描述为轴向16。短天线42接收由于原子核在所勘测区域内进动而引起的NMR信号。典型地，短天线42不会移动超出受预备脉冲和重新聚焦脉冲影响的区域。为了加速与极化磁场B_P关联的高核极化的恢复，预先极化的永磁体可以放到磁芯30的前面。图7示出了具有两个天线和预极化的永磁体44的测井仪器10(在轴向16移动)的示例实施方式。

图8示出了用于产生极化磁场B_P和测量磁场B_M的可快速切换源的示例方面。参考图8A，第一绕组52和第二绕组54被示为布置在磁芯30相对的侧。在有些实施方式中，第一绕组52和第二绕组54可以是例如在图5中所示的切换绕组32的一个连续绕组。为了快速切换，第一绕组52和第二绕组54需要低感应系数。总的来说，低感应系数是通过使用小的圈数来实现的，在有些情况下在第一绕组52和第二绕组54的每一个中都只有一圈。在可快速切换源的工作过程中，如图8A所示，电流脉冲沿方向56施加到第一绕组52和第二绕组54中的每一个。电流脉冲基本上在横向上产生磁芯30的磁化。横向的磁化产生横向的磁偶极。图8B示出了描绘横向磁化58的磁芯30的横截面视图。

磁芯30是由具有显著磁滞的磁性材料制成的。磁滞导致在电流脉冲后剩余的残余磁化。图8C示出了与切换横向磁偶极“开”和“关”相对应的示例磁滞循环64。参考图8C，在第一个电流脉冲60后，磁芯30的磁化强度对应于残余磁化强度62。典型地，横向磁化的强度58对应于残余磁化强度62。在残余磁化强度62处，在第一绕组52和第二绕组54中不需要电流来维持磁芯30中的磁化。相应地，在第一绕组52和第二绕组54中不需要电流来维持地层4的勘测区域中的磁场。残余磁化强度62使得可快速切换源能够在四秒的磁化-去磁循环中有效地产生每1m的长度上2,500A·m²个磁偶极，其中DC功耗大约200W。再次参考图8C，第二个电流脉冲66将磁芯30去磁到对应于测量磁场B_M的低磁化状态68。图8C还示出了包括极化磁场B_P和测量磁场B_M的时间依赖性磁场70。磁场70包括后沿72。对应于后沿72的时间间隔短到足以确保在该时间间隔期间没有显著的纵向松弛发生，但还要长到足以将磁场70的强度从B_P切换到B_M，以成为以上所讨论的绝热处理。图8D示出了描述减小的横向磁化强度69的磁芯30的横截面视图。典型地，减小的横向磁化强度69对应于磁滞循环64上的低磁化状态68。

可快速切换源的另一种实施方式可以基于纵向磁偶极。纵向磁偶极是从沿磁芯30纵轴指向的磁芯30的磁化发展的。用于产生纵向磁偶极的切换绕组可以是关于磁芯30布置的螺线管类型线圈，类似于图6中所描述的短天线42。

图9示出了磁芯30的示例实施方式。参考图9，磁芯30是由带缠绕环80的堆叠制成的。带缠绕环80可以由非晶态磁性材料制成。

图10示出了磁芯30的另一种示例实施方式。参考图10，磁芯30是由纵向叠组82制成的。纵向叠组82可以由适于纵向磁化的非晶态磁性带制成。

叠组82或环80中的带利用非传导层隔分开。带的厚度选择成薄到足以减小导电带中的涡流。涡流还会造成在B_P和B_M之间切换静态磁场时不期望的延迟。

磁芯30还可以由非传导性的铁氧体(ferrite)类型的磁性材料制成。

图11示出了与执行NMR测量的测井仪器10关联的磁场和磁化的图的例子。参考图11A，极化磁场B_P20切换到测量磁场B_M22。在切换发生后，至少两个CPMG脉冲序列连续运行。为了教导的目的，只讨论了两个CPMG脉冲序列，如图11B中所示的第一CPMG序列88和第二CPMG序列90。第一CPMG序列88具有与第二CPMG序列90的工作频率ω₀₂稍不同的工作频率ω₀₁。工作频率ω₀₁和ω₀₂之间的分离大到足以根据

从空间上隔开激励区域。但是，激励区域可以在空间上靠近到足以将NMR信号归结到大致相同的勘测深度。当第一CPMG序列88运行时，激励条件是在靠近r₀₁的厚度为

的激励区域(称为第一区域)实现的，其中G₀₁是测量磁场B_M在r₀₁处的梯度。在第一CPMG序列88的预备脉冲之后，第一区域的磁化基本上在与测量磁场B_M的方向垂直的平面内。在称为第二区域的区域中的超出第一区域的磁化基本上不受第一CPMG序列88的影响。第二区域的磁化强度衰减到对应于测量磁场B_M的新平衡状态。图11D示出了第二区域中的核磁化的纵向分量的例子。该纵向分量通常在与轴向16(见图5)垂直的Z轴方向。参考图11D，纵向分量沿曲线98从初始极化磁化强度M_ZP99衰减到初始磁化状态M_Z2100。第二CPMG序列90在具有持续时间TR的时间间隔91(见图11B)之后运行。第二CPMG序列90激励第二区域中的原子核。图11C示出了由于CPMG脉冲序列导致的自旋回声信号。参考图11C，第一回声序列92由第一CPMG序列88产生，而第二回声序列94由第二CPMG序列90产生。第一回声序列92和第二回声序列94也称为核磁化的横向分量。核磁化的横向分量一般是在X-Y平面内。

作为时间的函数的核磁化的纵向分量(即，曲线98)可以表示为：

$M_{Z2}\left(\mathrm{TR}\right)=(M_{\mathrm{ZP}}-M_{Z0})\·l^{\frac{\mathrm{TR}}{T_1}}+M_{Z0}---\left(15\right)$

在等式(15)中，M_ZP是用于第一CPMG序列88处于工作频率ω₀₁的初始极化磁化强度99；M_Z2(TR)是用于第二CPMG序列90处于工作频率ω₀₂的作为TR的函数的初始磁化条件100；T₁是纵向松弛时间。初始极化磁化强度99是通过对第一回声序列92幅值的测量来获得的。类似地，初始磁化条件100是通过对第二回声序列94幅值的测量来获得的。

基于等式(15)，可以估计T₁松弛时间。可以使用多个工作频率来获得T₁松弛曲线上的一组点。同时，T₂松弛数据是从多个CPMG回声序列获得的。

可以对纵向松弛时间进行估计，以减小极化磁场的持续时间。在多指数松弛谱的情况下，所述估计将使用最长的分量。所述估计使得有可能在完全核极化不发生的情况下推断并由此校正到完全极化。

图12示出了与执行NMR测量的测井仪器10关联的磁场与磁化的图的另一个例子。图12A示出了极化磁场B_P20和具有两个强度B_M1和B_M2的示例测量磁场。第一测量磁场B_M1102和第二测量磁场B_M2104在图12A中示出。两个强度B_M1和B_M2使得能够选择第一区域和第二区域，而不是象图11B所示那样使用两个具有不同工作频率的CPMG脉冲序列。图12B中所示的第一CPMG序列88和第二CPMG序列90具有相同的工作频率ω₀。图12C示出了针对由第一CPMG序列88和第二CPMG序列90导致的回声-自旋信号，核磁化强度的横向分量相对于时间的图的例子。图12D示出了核磁化强度的纵向分量相对于时间的图的例子。

如图4、11和12中所示的测井仪器10的操作没有指定在极化间隔期间要进行的任何实验或测量。极化间隔是极化磁场B_P20施加到地层4的时间间隔。将极化间隔用于获得附加信息是优选的。极化间隔可以用于从基本上比第一区域和第二区域更深的区域获得NMR松弛数据。

图13示出了测井仪器10从地层4的基本上更深的区域获得NMR松弛数据的操作的示例方面。图13A示出了作为半径r的函数的极化磁场B_P20和作为半径r的函数的测量磁场B_M22的径向依赖性的示例性方面。参考图13A，关于r₀₁的第一激励区域114是由测量磁场B_M22和具有工作频率ω₀的CPMG脉冲序列激励的。关于r₀₂的第二激励区域116是由极化磁场B_P20和具有工作频率ω₀的CPMG脉冲序列激励的。图13B示出了用于静态磁场的示例循环图。参考图13B，示出了循环第一静态磁场120和第二静态磁场122的方面。第一静态磁场120对应于第一激励区域114。类似地，第二静态磁场122对应于第二激励区域116。对于在图13中所示的测井仪器10的操作，采用两组CPMG脉冲序列。参考图13C，由回声序列曲线131-134表示的第一CPMG脉冲序列组在第一间隔130期间施加。第一间隔130在测量磁场B_M22施加过程中发生。第一CPMG脉冲序列组一般包括类似于图11B或12B中第一CPMG序列88和第二CPMG序列90的多个CPMG脉冲序列。

第一回声序列曲线131-134是对于单个CPMG回声序列从与例如图4C中所示自旋-回声量值的自旋-回声量值相对应的点导出的。再次参考图13C，第二CPMG脉冲序列组在第二时间间隔140期间施加。第二CPMG脉冲序列组在极化磁场B_P施加到第二激励区域116的过程中施加。第二时间间隔140包括第二回声序列曲线141-144。当第二激励区域116中的核磁化增加时(由于静态磁场的强度从B_M增加到B_P)，每个回声曲线的起始点(即，起始自旋-回声量值)根据T₁松弛曲线增加。如图11所示的操作，与第一回声序列曲线131-134相关的每个CPMG脉冲序列以稍微不同的频率运行，以便从空间上分开激励区域。与第二回声序列曲线141-144相关的第二CPMG脉冲序列组可以具有与和第一回声序列曲线131-134相关的第一CPMG脉冲序列组相同的工作频率组。由于第一CPMG脉冲序列组和第二CPMG脉冲序列组导致的激励区域的空间分离是通过极化磁场B_P和测量磁场B_M的径向依赖性而确保的。选择对于第一时间间隔130和第二时间间隔140的相同的工作频率组意味着对应于勘测半径r₀₁的测量磁场B_M等于对应于勘测半径r₀₂的极化磁场B_P(见图13A中的曲线B_P(r)和B_M(r))。

第一回声序列曲线131-134和第二回声序列曲线141-144之间的比较提供了与涉及钻探泥浆滤液侵入的地层4属性的径向依赖性有关的有价值信息。总的来说，钻探泥浆滤液的侵入剖面指示地层4的渗透性。

参考图14，示出了用于实现这里的教导的装置。在图14中，该装置包括耦合到测井仪器10的计算机100。典型地，计算机100包括提供操作测井仪器10必需的部件。不作为限制，示例部件包括至少一个处理器、存储装置、存储器、输入设备、输出设备等。由于这些部件对应本领域技术人员是已知的，因此在此不对其进行详细描述，也不对其进行进一步讨论。

典型地，将这里的教导简化到存储在机器可读介质上的算法。该算法是由计算机100实现的，并用于从钻孔2对地层4的属性进行测量。

图15给出了用于操作测井仪器10在钻孔2中执行NMR测量的示例性方法150。第一步151要求在极化间隔期间施加具有极化强度的磁场，以便极化地层4的原子核。第二步152要求将磁场的强度减小到测量强度。具有测量强度的磁场在测量间隔期间施加到地层4的原子核。第三步153要求向地层4施加至少一个RF脉冲序列。第四步154要求测量来自地层4的NMR信号。

图16给出了用于生产测井仪器10的示例性方法160。第一步161要求选择磁芯30。第二步162要求关于磁芯30设置至少一个切换绕组32。典型地，切换绕组32传导电流，以便磁化磁芯30，并且所述切换绕组适于在极化磁场B_P20和测量磁场B_M22之间切换。第三步163要求选择天线36。第四步164要求将磁芯30、切换绕组32和天线36设置到一个组件中，其中该组件包括在测井仪器中。

为了支持这里的教导，可以使用各种分析部件，包括数字和/或模拟系统。系统可以具有以下部件，例如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线的、无线的、脉冲泥浆(pulsed mud)、光学的或者其它的)、用户接口、软件程序、信号处理器(数字的或模拟的)及其它这种部件(例如电阻器、电容器、感应器及其它)，以便以本领域中得到很好认可的几种方式中的任意方式提供在此公开的装置和方法的操作与分析。这些教导可以(但不必需)与存储在计算机可读介质上的一组计算机可执行指令结合实施，当执行指令时，将使得计算机实施本发明的方法，其中计算机可读介质包括存储器(ROM、RAM)、光学的(CD-ROM)或者磁性的(磁盘、硬盘驱动器)或者任何其它类型。除了本公开内容中所描述的功能外，这些指令还可以提供设备操作、控制、数据收集和分析及系统设计者、所有者或其他这类人员认为相关的其它功能。

此外，为了提供这里教导的各方面，各种其它部件也可以被包括和调用。例如，为了支持在此所讨论的各方面或者支持超出本公开内容的其它功能，可以包括电源(例如，发电机、远程能量供给和电池中的至少一种)、压力源、制冷单元、激励力(例如平移力、推进力或旋转力)、磁体、电磁体、转发器、控制器、光学单元、电子单元或机电单元。

本领域技术人员将认识到各种部件或技术可以提供特定的需要或有利功能或特征。因此，支持所附权利要求可能需要的这些功能与特征及其变体被认为是作为这里教导的一部分和所公开的发明的一部分而被固有地包括在其中。

尽管已经参考示例性实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应当理解，在不背离本发明范围的情况下，可以进行各种变化而且其要素可以用等价物代替。此外，在不背离其本质范围的情况下，为了使特定的仪器、环境或材料适应本发明的教导，许多修改将是本领域技术人员可以认识到的。因此，希望本发明不被限定到作为预期执行本发明的最佳模式所公开的特定实施方式，本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施方式。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1、一种用于测量地层的核磁共振(NMR)属性的方法，该方法包括：

(a)在极化间隔期间将磁场施加到地层的原子核，该磁场包括极化强度；

(b)将磁场改变成测量强度，在测量间隔期间将测量强度施加到地层的原子核，其中具有测量强度的磁场的均匀性与具有极化强度的磁场的均匀性相比基本上没有发生变化；

(c)在测量间隔期间将至少一个射频(RF)脉冲序列施加到地层；以及

(d)测量来自地层的NMR信号。

2、如权利要求1所述的方法，其中测量强度小于极化强度。

3、如权利要求1所述的方法，其中至少一个RF脉冲序列包括CPMG脉冲序列，并且其中NMR信号包括关于原子核的横向松弛时间T₂的信息。

4、如权利要求1所述的方法，其中NMR信号包括关于原子核的纵向松弛时间T₁的信息。

5、如权利要求1所述的方法，还包括在测量间隔期间将磁场改变成至少一个附加的测量强度，以便获得关于原子核的纵向松弛时间T₁的信息。

6、如权利要求1所述的方法，还包括在测量间隔期间施加至少一个附加RF脉冲序列，其中该RF脉冲序列包括稍有不同的工作频率。

7、如权利要求1所述的方法，还包括在测量间隔之后的附加极化间隔期间向地层施加至少一个RF脉冲序列。

8、如权利要求7所述的方法，还包括在附加极化间隔期间施加至少一个附加RF脉冲序列，该至少一个附加的RF脉冲序列包括与在附加极化间隔期间所施加的至少一个RF脉冲序列稍有不同的工作频率。

9、如权利要求7所述的方法，还包括将在极化间隔期间所施加的磁场强度改变成在极化间隔期间的至少一个附加极化强度。

10、一种用于从钻孔测量地层的核磁共振(NMR)属性的装置，该仪器装置包括：

(a)测井仪器；

(b)布置该测井仪器中的磁芯；

(c)关于磁芯布置的至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以磁化磁芯，并适于在极化磁场和测量磁场之间切换，并且其中测量磁场的均匀性与极化磁场的均匀性相比基本上没有发生变化；以及

(d)用于发射射频(RF)脉冲序列和/或接收NMR信号的天线。

11、如权利要求10所述的仪器，其中绕组关于磁芯布置，以形成横向磁偶极和纵向磁偶极中的至少一个。

12、如权利要求10所述的仪器，其中磁芯包括磁性材料，该磁性材料包括显著的磁滞，其中，在绕组中电流停止后，所述磁滞提供磁芯的残余磁化。

13、如权利要求11所述的仪器，其中磁芯包括纵向连接的一系列带缠绕环，所述环包括非晶磁性材料。

14、如权利要求11所述的仪器，其中磁芯包括一系列纵向条板，所述条板包括至少一个条带，所述带包括非晶磁性材料。

15、如权利要求10所述的仪器，还包括至少一个其它的天线，用于发送RF脉冲序列和/或接收NMR信号。

16、如权利要求10所述的仪器，还包括在沿钻孔轴的前进的方向在磁芯前的磁体。

17、如权利要求12所述的仪器，其中磁芯包括非传导的铁氧体磁性材料。

18、一种存储在机器可读介质上的计算机程序产品，该产品包括用于测量地层的核磁共振(NMR)属性的指令，所述指令包括以下的指令：

(a)在极化间隔期间将磁场施加到地层的原子核，该磁场包括第一极化强度；

(b)将磁场减小到第一测量强度，在测量间隔期间将该第一测量强度施加到地层的原子核，其中具有该测量强度的磁场的均匀性与具有极化强度的磁场的均匀性相比基本上没有发生变化；

(c)在测量间隔期间将至少一个射频(RF)脉冲序列施加到地层；以及

(d)测量来自地层的NMR信号。

19、一种用于生产测井仪器的方法，所述测井仪器从钻孔测量地层的核磁共振(NMR)属性，该方法包括：

(a)选择磁芯；

(b)关于该磁芯设置至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以磁化磁芯，并且适于在极化磁场和测量磁场之间切换，并且其中测量磁场的均匀性与极化磁场的均匀性相比基本上没有发生变化；

(c)选择天线；以及

(d)将磁芯、绕组和天线设置到一个组件中，其中测井仪器包括该组件。

Claims (19)

1、一种用于测量地层的核磁共振(NMR)属性的方法，该方法包括：

(a)在极化间隔期间将磁场施加到地层的原子核，该磁场包括极化强度；

(b)将磁场改变成测量强度，在测量间隔期间将测量强度施加到地层的原子核；

(c)在测量间隔期间将至少一个射频(RF)脉冲序列施加到地层；及

(d)测量来自地层的NMR信号。

2、如权利要求1所述的方法，其中测量强度小于极化强度。

3、如权利要求1所述的方法，其中至少一个RF脉冲序列包括CPMG脉冲序列，并且其中NMR信号包括关于原子核的横向松弛时间T₂的信息。

4、如权利要求1所述的方法，其中NMR信号包括关于原子核的纵向松弛时间T₁的信息。

5、如权利要求1所述的方法，还包括在测量间隔期间将磁场改变成至少一个附加的测量强度，以便获得关于原子核的纵向松弛时间T₁的信息。

6、如权利要求1所述的方法，还包括在测量间隔期间施加至少一个附加RF脉冲序列，其中该RF脉冲序列包括稍有不同的工作频率。

7、如权利要求1所述的方法，还包括在极化间隔期间向地层施加至少一个RF脉冲序列。

8、如权利要求7所述的方法，还包括在极化间隔期间施加至少一个附加RF脉冲序列，该至少一个附加的RF脉冲序列包括与极化间隔期间所施加的至少一个RF脉冲序列稍有不同的工作频率。

9、如权利要求7所述的方法，还包括将在极化间隔期间所施加的磁场强度改变成在极化间隔期间的至少一个附加极化强度。

10、一种用于从钻孔测量地层的核磁共振(NMR)属性的仪器，该仪器包括：

(a)磁芯；

(b)关于该磁芯布置的至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以磁化磁芯，并且适于在极化磁场和测量磁场之间切换；以及

(c)用于发射射频(RF)脉冲序列和/或接收NMR信号的天线。

11、如权利要求10所述的仪器，其中绕组关于磁芯布置，以形成横向磁偶极和纵向磁偶极中的至少一个。

12、如权利要求10所述的仪器，其中磁芯包括磁性材料，该磁性材料包括显著的磁滞，其中，在绕组中电流停止后，所述磁滞提供磁芯的残余磁化。

13、如权利要求11所述的仪器，其中磁芯包括纵向连接的一系列带缠绕环，所述环包括非晶磁性材料。

14、如权利要求11所述的仪器，其中磁芯包括一系列纵向条板，所述条板包括至少一个条带，所述带包括非晶磁性材料。

15、如权利要求10所述的仪器，还包括至少一个其它的天线，用于发送RF脉冲序列和/或接收NMR信号。

16、如权利要求10所述的仪器，还包括在沿钻孔轴前进的方向上在磁芯之前的磁体。

17、如权利要求12所述的仪器，其中磁芯包括非传导的铁氧体磁性材料。

18、一种存储在机器可读介质上的计算机程序产品，该产品包括用于测量地层的核磁共振(NMR)属性的指令，所述指令包括以下的指令：

(a)在极化间隔期间将磁场施加到地层的原子核，该磁场包括第一极化强度；

(b)将磁场减小到第一测量强度，在测量间隔期间将该第一测量强度施加到地层的原子核；

(c)在测量间隔期间将至少一个射频(RF)脉冲序列施加到地层；以及

(d)测量来自地层的NMR信号。

19、一种用于生产测井仪器的方法，所述测井仪器用于从钻孔测量地层的核磁共振(NMR)属性，该方法包括：

(a)选择磁芯；

(b)关于该磁芯设置至少一个切换绕组，其中该绕组传导电流以磁化磁芯，并且适于在极化磁场和测量磁场之间切换；

(c)选择天线；以及

(d)将磁芯、绕组和天线设置到一个组件中，其中测井仪器包括该组件。

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