CN108474249B - 使用方位角相位编码对地下地层和特征进行成像 - Google Patents

Abstract

提供用于使用核磁共振(NMR)工具勘测井下地层的系统和方法。当所述工具移动穿过钻孔时，使所述地层磁化，并且获得所产生信号。根据本方法，所述采集的信号可进行方位角和/或侧向解析并且可重建以获得对所述地层在沿着所述钻孔的长度的多个位置处的参数的指示。

Description

使用方位角相位编码对地下地层和特征进行成像

背景

本公开涉及在对地下地层和特征进行成像的背景下使用核磁共振(NMR)。在某些实施方案中，本主题涉及用于有利于在钻孔中使用NMR结合方位角相位编码来进行方位角成像的方法。

这部分旨在向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可能涉及下文所描述和/或所要求保护的本技术的各个方面。据信，这一讨论有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应从这个角度来阅读，而不是作为任何形式的认可。

磁共振成像涉及样本空间内质子的空间定位。用于测井或井下流体表征的核磁共振(NMR)工具测量地层流体中的核自旋对所施加磁场的响应。井下NMR工具通常具有在期望的测试位置(例如，流体所处的位置)处产生静态磁场的永磁体。静态磁场在流体中产生磁化。磁化沿着静态场的方向对准。所诱发的磁化的量值与静态场的量值成比例。发射器天线产生时间依赖射频磁场，其具有垂直于静态场方向的分量。当射频等于拉莫尔频率时满足NMR共振条件，所述拉莫尔频率与静态磁场的量值成比例。射频磁场在磁化矢量上产生致使其围绕所施加的射频场的轴线旋转的扭矩。所述旋转导致磁化矢量形成垂直于静态磁场方向的分量。这致使磁化矢量以拉莫尔频率围绕静态场进动。在拉莫尔频率与发射器频率之间产生共振时，磁化被翻转到横向平面(即，与静态磁场矢量垂直的平面)。施加一系列射频脉冲以生成利用天线测量的自旋回波。

除其他事项之外，NMR测量结果可用于估算地层孔隙度和地层渗透率。例如，NMR测量结果的T2分布的曲线下面积等于NMR孔隙度。T2分布还类似于饱水岩石中的孔隙大小分布。原始报告的孔隙度由原始衰减的初始振幅与水箱中的工具响应的比率提供。这个孔隙度与岩石基质的岩性无关。

对渗透率的NMR估算基于理论模型，诸如自由流体(Coates)模型或平均T2模型。自由流体模型可应用于含水和/或烃类的地层，而平均T2模型可应用于仅含水的孔隙系统。通常需要对岩芯样本进行测量，以改进和定制这些模型以供本地使用。NMR渗透率趋于随渐增的孔隙度和渐增的孔隙大小而增加。

诸如黏度、分子组成、气油比和SARA(饱和烃、芳香烃、胶质、沥青质)馏分的原油性质是用于评估例如储层质量、可生产性和区室化的有用参数。已经开发了基于物理和经验模型的方程，所述方程将原油性质与核磁共振(NMR)测量结果相关联。流体的NMR响应提供了微观分子运动与宏观性质(诸如黏度和组成)之间的联系。通过Bloembergen、Purcell和Pound(BPP)的现象学弛豫理论建立了纯流体的黏度与弛豫时间之间的关系。Brown研究了具有各种组成和黏度的一系列原油中的质子弛豫。样本的黏度从约0.5cp变成400cp。经发现，弛豫时间在整个范围内表现出与黏度呈反比关系。自从Brown的早期研究以来，已经提出了若干种将原油性质与NMR响应相关联的物理和经验模型。对烷烃混合物中的分子动力学的理解导致一种将NMR扩散和弛豫性质与原油的分子组成相关联的比例定律理论的建立。还存在其他数据库方法，例如像，人工神经网络(ANN)和径向基函数。

储层流体的表征可用于储层开发和管理的若干方面。例如，使用诸如黏度和分子组成的流体性质来计算二次开采和三次开采的流速和波及效率。储层流体的气油比(GOR)是完井材料选择和地面设施设计的重要参数。沥青质和蜡浓度是完井、管道和地面设施中的流动保障的关键考虑因素。对储层中不同深度处的流体性质的估算提供了对储层内组成分级(compositional grading)和区室化的指示。从诸如可以在井下温度和压力条件下执行的NMR测井的测量结果获得流体性质是有用的。

钻孔图像允许为了石油和天然气勘探解释岩石记录。除了识别裂缝和断层之外，钻孔成像工具还用于各种其他应用，诸如层序地层学、相重建、地层学和成岩作用分析。钻孔成像工具可用于各种各样的地质和钻井环境中，从而提供范围从裂缝性碳酸盐岩到软薄层叠砂/页岩层序的地层中的岩石和流体性质的高分辨率钻孔图像。这些工具可产生高分辨率且通常几乎完整的钻孔覆盖，所述钻孔覆盖可以在交互式图形工作站处进行解释。

NMR测井工具在许多方面都与医学领域常用的测井工具不同。显然，井下工具的操作环境比成像设施的实验室环境要恶劣得多。此外，相对于典型的“封闭式”医疗NMR设备，井下NMR被配置成“里面朝外式”。也就是说，医疗设备通常会向内查看其目标区域，而井下NMR设备会向外观察周围的地层。

概述

本概述被提供来介绍一系列概念，这些概念将在以下详细描述中进一步描述。本概述既不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用来帮助限制所要求保护的主题的范围。

一方面，NMR工具利用旋转沿着钻孔长度的全部或一部分运行(即，随钻测井(LWD))。另外，提供用于在NMR采集期间使用方位角相位编码线圈在成像体积内诱发自旋的方法，其中诱发的自旋用方位角依赖相位进行编码。也就是说，方位角依赖相位传递关于自旋在钻孔中相对于工具的角方向的信息。在一个实施方案中，分析此数据以便获得作为沿着钻孔的方位角位置的函数的T₂分布曲线。根据一个方面，可以获得方位角信息数据并可将其用于评估场或操作。

附图简述

图1示出示例性井场系统；

图2示出现有技术的核磁共振测井工具；

图3描绘根据本公开的各方面的APEC脉冲序列的实例；

图4描绘根据本公开的各方面的APEC脉冲序列的另一实例；

图5A–5F描绘根据本公开的各方面的用于生成方位角和/或侧向可解析数据的各种线圈和场布置；

图6描绘根据本公开的各方面的适用于生成方位角依赖相位编码自旋的线圈；

图7描绘对应于如本文所讨论并根据本公开的各方面的方位角相编码线圈的磁场；

图8A-8D描绘根据本文所讨论的第二种方法处理的方位角对称地层的模拟测量结果和处理数据；

图9A-9D描绘根据本文所讨论的第二种方法处理的方位角非对称地层的模拟测量结果和处理数据；

图10A-10D描绘根据本文所讨论的第二种方法处理的具有随着方位角变化的高斯T₂分布的地层的模拟测量结果和处理数据；

图11A-11C描绘根据本公开的各方面的在方位角和侧向上变化的地层以及经历旋转和垂直运动的工具的模拟数据；

图12描绘根据本公开的各方面的模拟数据的重建孔隙度；

图13A-13D描绘根据本公开的各方面的APEC线圈和场构型；并且

图14描绘根据本公开的各方面的LPEC编码线圈和场构型。

详述

下文将描述一个或多个具体实施方案。所提供的描述和附图向本领域技术人员展示如何可以在实践中实施本公开的若干形式。为了提供对这些实施方案的简要描述，可能不在本说明书中描述实际实现方式的所有特征。就这一点而言，没有试图示出比本领域技术人员理解和实践本方法所需程度更详细的细节。应当理解，在任何工程或设计项目中开发实现方式时，均必须做出与实现方式特定相关的多个决定以便实现开发人员的特定目标，诸如遵守系统相关约束和业务相关约束，这些约束可根据实现方式的不同而不同。此外，应当理解，这种开发努力可能复杂且耗时，但对于受益于本公开的普通技术人员而言，这将仍然是常规的设计、建造和制造任务。

在介绍本发明的各种实施方案的元件时，冠词“一个(a)”、“一个(an)”、“所述(the)”以及“所述(said)”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除了所列元件之外，可能还有另外的元件。另外，以下讨论中的任何数值实例旨在是非限制性的，并且因此另外的数值、范围和百分比均在所公开的实施方案的范围内。此外，各个附图中的相同附图标号和符号指示相同元件。

本讨论涉及使用通常在随钻测井情况下采集的核磁共振(NMR)测量结果来执行方位角成像。在某些实施方案中，为了促进成像，使用施加调制DC脉冲的线圈在感兴趣的周围地层中诱发磁化模式。对于每个单独的相位编码，对应的灵敏度保持不变。

此类方法采用正演模型和相关联的反演算法作为方位角成像过程的一部分，并且如本文所讨论，可以使用各种不同种类的天线来采集方位角测量结果，所述天线包括但不限于梯度线圈，所述梯度线圈可以包括本文所讨论的某些实施方案中的方位角相位编码(APEC)线圈。在某些实现方式中，广义正演模型是地层依赖性质的线性变换，诸如方位角依赖T₂分布，并且是这些性质与时间依赖内核的卷积。反演算法基于在展开到合适的正交函数的基(诸如傅立叶或哈尔基)中之后对测量数据与已知内核进行的去卷积。

此类方位角信息对于地质导向和获得方位角依赖地层参数(诸如孔隙度、束缚流体体积、渗透率和对数平均T₂)可能是有用的。尽管本文描述了地下成像实例以提供有用的背景，但是实际上，本方法可以在各种环境中使用。

在提供这些不同实施方案的详细讨论之前，为不熟悉井场或NMR术语和原理中的一者或两者的人员提供某些井场术语和NMR概念的概括性概述。据此并转到图1，这个图示出可以采用本文所讨论的各种实施方案的井场系统。井场可以在陆上或者海上。在此示例性系统中，通过已知的方式进行旋转钻井来在地下地层中形成钻孔11。一些实施方案还可以使用定向钻井。

钻柱12悬置在钻孔11内并且具有井底总成100，所述井底总成100在其下端处包括钻头105。地面系统包括定位在钻孔11上方的平台和井架组件10，所述组件10包括转台16、方钻杆17、吊钩18和以及旋转接头19。钻柱12通过转台16进行旋转，所述转台16在钻柱的上端处接合方钻杆17。钻柱12通过方钻杆17和旋转接头19悬置于附接到游动滑车的吊钩18，所述旋转接头19允许钻柱相对于吊钩旋转。可以可替代地使用顶部驱动系统。

在此实施方案的实例中，地面系统还包括钻井液或泥浆26，所述钻井液或泥浆26存储在形成在井场处的凹坑27中。泵29通过旋转接头19中的端口将钻井液26递送到钻柱12的内部，从而致使钻井液如指向箭头8所指示的那样向下流动通过钻柱12。钻井液通过钻头105中的端口排出钻柱12，并且随后如指向箭头9所指示的那样通过钻柱的外侧与钻孔壁之间的环空区域向上循环。以此方式，钻井液对钻头105进行润滑，并且在其返回到凹坑27以便再循环时将地层岩屑向上送到地面。

所展示实施方案的井底总成100包括随钻测井(LWD)模块120、随钻测量(MWD)模块130、旋转导向系统和电机150以及钻头105。LWD模块120容纳在特定类型的钻铤中，并且可以包括一种或多种类型的测井工具。可采用例如像120A处所表示的多于一个的LWD和/或MWD模块。可以理解的是，在此对120位置处的模块的引用可以可替代地表示120A位置处的模块，等等。LWD模块包括用于测量、处理并存储信息以及用于与地面设备进行通信的能力。在本实施方案中，LWD模块包括NMR测量设备。

MWD模块130也容纳在特定类型的钻铤中，并且可以包括用于测量钻柱和钻头的特性的一个或多个设备。MWD工具还包括用于向井下系统生成电力的装置。这通常可以包括通过钻井液的流动提供动力的泥浆涡轮发电机，应当理解，可以采用其他动力和/或电池系统。在某些实施方案中，MWD模块可以包括以下类型的测量设备中的一个或多个：钻压测量设备、扭矩测量设备、振动测量设备、冲击测量设备、黏/滑测量设备、方向测量设备以及倾度测量设备。

图2示出美国专利号5,629,623中所描述的用于在使用脉冲核磁共振(NMR)进行钻井的同时进行地层评估的一种类型的设备的实施方案，所述专利以引用方式并入本文，应当理解，其他类型的NMR/LWD工具也可以用作LWD工具120或LWD工具套件120A的一部分。如‘623专利中所描述的，所述设备的一种构型的实施方案包括：修改的钻铤，所述修改的钻铤具有用陶瓷绝缘体填充的轴向沟槽或狭槽，并且包括RF天线1126，所述RF天线1126由非磁性罩盖1146保护并且产生和接收脉冲RF电磁能。在示出的实施方案中，RF天线的导体在一端处接地到钻铤。在另一端处，导体通过压力馈送通道1152和1153联接到RF变压器1156。圆柱形磁体1122在地层中产生静态磁场。RF天线1126还可以布置成使得钻铤本身产生振荡RF磁场。所述振荡RF磁场(其激励地层中物质的原子核)是轴对称的，以便有利于在旋转钻柱期间进行测量。

考虑到井场和常规的NMR工具设计的前述讨论，讨论与本方位角相位编码方法有关的图像重建的各方面。具体地，在讨论用于方位角成像的反演算法之前，提供对本方法中采用的广义正演模型的概述。如上所述，广义正演模型是地层性质的线性变换，诸如方位角依赖T₂分布，并且是这些性质与时间依赖内核的卷积。据此，使f(T₂，ψ)表示地层角度ψ处的未知T₂分布，其中0≤ψ≤2π。这个角度是相对于钻孔定义的。例如，它在钻孔的上部处为零。表示为M_t(ψ)的地层中的CPMG磁化衰减是这种未知的T₂分布的拉普拉斯变换：

(1)

所测量的数据是这种方位角依赖磁化与已知内核的卷积，所述已知内核取决于工具几何形状并且针对本文所描述的各种方位角相位编码实施方案可能有所不同，如下文更详细地讨论的。

本实施方案

本讨论涉及使用在随钻测井背景下采集的核磁共振(NMR)测量结果来执行方位角成像，如以上所描述的。此类方法采用正演模型和反演算法作为方位角成像过程的一部分，并且如本文所讨论，可以使用各种不同种类的部件来采集方位角测量结果，所述部件包括但不限于梯度线圈，所述梯度线圈可以包括方位角相位编码线圈。广义正演模型是地层依赖性质的线性变换，诸如方位角依赖T₂分布，并且是这些性质与时间依赖内核的卷积。反演算法基于在展开到合适的正交函数的基(诸如傅立叶或哈尔基)中之后对测量数据与已知内核进行的去卷积。此类方位角信息对于地质导向和获得方位角依赖地层参数(诸如孔隙度、束缚流体体积、渗透率和对数平均T₂)可能是有用的。

方位角相位编码(APEC)-在一个实施方案中，在此称为方位角相位编码(APEC)，利用方位角依赖性相位(诸如通过使用方位角相位编码线圈(即，APEC线圈))来对诱发的旋磁自旋进行编码。可在测量的信号中利用存在于自旋中的方位角相位编码。在这个概念中，通过将指向不同角度(即，不同方位角位置)的线圈发射到周围地层中来进行多次测量。反演算法用于使用方位角依赖相位编码从这些多个测量结果估算方位角依赖地层性质。

图3和图4示出用于方位角相位编码操作的样本脉冲序列的实例。具体地，图3描绘单个APEC脉冲142与Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列结合的脉冲序列140的实例。相反地，图4描绘一对偏移且相反的APEC脉冲142与Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列结合的脉冲序列144的实例。下文将更详细地描述此类APEC脉冲的各方面及其在成像操作中的用途。

APEC实现方式中的基本编码策略利用随钻测井(LWD)工具的旋转运动来消除将不同脉冲施加到APEC线圈的需要。具体地，脉冲场梯度导致空间上变化的横向磁化的相移，并且这种空间变化对于方位角成像是有用的。以此方式，在不改变编码脉冲的情况下使用改变单个测量的空间灵敏度的旋转运动效果。在一个实现方式中，可以使用具有180°_x和180°_y回聚脉冲的Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)脉冲序列来检测横向磁化，如图3和图4所示。在这种实现方式中，假设两个测量是以相同的工具取向采集的。与常规的梯度编码(诸如在医学MRI中)不同，将变化的APEC线圈的灵敏度曲线与旋转运动相结合可减少或消除对多个梯度脉冲区域的需求和/或减少某些目标分辨率所需的必要最大梯度脉冲值。

这个APEC方法的变化或改进-在上述APEC方法的版本中，回聚180°脉冲的相位在x与y之间切换。这可能是合乎需要的，以便由于CPMG脉冲串在严重不均匀场中仅保留信号的复合信号的单个分量而恢复APEC编码信号的完整复相。然而，在一个变型中，由于多个编码实例之间的位置变化，因此获得两个分量(即，x和y分量)对于重建不是必需的，并且此投影性质可以作为替代结合到重建内核中。对于不重复的优点，将不使用常规的全相位交替对(PAP)，其中初始脉冲的相位在其他相同条件的采集之间以180°进行相位交替。例如，在一个实现方式中，对于相对较弱的场扰动(即，信号相位的微小改变)，仅使用180°_y回聚脉冲将允许采集更多信号。来自脉冲瞬变的残余信号将诸如通过从不具有APEC脉冲的全PAP采集中减去所收集的瞬变而被去除。对于由PAP完成的相干性选择，其将CPMG脉冲的缺陷从所采集的信号中去除，PAP可以针对不同的APEC脉冲应用继续，从而将其分辨率作为APEC反演内核的一部分来结合，如下所述。以举例的方式，可以将一组NMR脉冲相位的图像和另一组NMR脉冲相位的第二图像组合以生成相干性选择图像。

在基本的APEC实现方式中，只采用单个编码脉冲强度和宽度。可替代地，在另一个实现方式(即，混合相衬(PC)编码/相位编码(PE)实施方案)中，可以诸如通过反演信号、增大或减小其量值或使脉冲归零来改变梯度/APEC线圈脉冲强度和/或宽度。这些变化在存在时将对不同的采集刻印不同的磁化曲线，从而允许类似于常规的相位编码来解析位置信息。由于存在工具运动(即，旋转运动)，因此针对不同取向重复样本脉冲幅度的混合将与APEC型重建一起进行，但是存在于常规MRI重建中的傅立叶惯例本身不适用于此取样。这种多个脉冲强度的结合可进一步改进APEC反演。

考虑到上述讨论，并且关于要讨论的下一个变化，应当理解，在基本实现方式中，单个编码相对较弱，并且磁化曲线中的变化是类似于APEC线圈的灵敏度曲线的波形。由于此脉冲在强度上增加，所以随着不同位置之间的相位差增加，将形成多个波。这是APEC概念中的前述变化中所讨论的不同编码曲线的源。在本变型(即，分辨率匹配相位编码实施方案)中，此有效波长可以与编码脉冲中的至少一些的期望分辨率相匹配。当这样匹配时，整体APEC内核性质可以在线圈的长度(期望解析的元素)的自然变化较小时得到改进。

在另一实施方案中，可以采用侧向相位编码线圈和/或多个APEC线圈。以举例的方式，多个APEC线圈(即使仅用于方位角成像)将允许更多种类的编码曲线。此类曲线可以具有相同的形状但是处于不同的取向或者可以是不同的曲线类型以直接针对具有较弱梯度脉冲的较高空间频率分量进行编码。以举例的方式，在一个实现方式中，可以采用两组APEC线圈，其中它们相应的编码曲线均相对于彼此位移90°。

类似地，虽然APEC概念提供改进的方位角分辨率，但是也可以通过添加具有线性场斜坡的第二线圈或不同线圈(例如，侧向相位编码线圈(LPEC))或其他合适曲线来提供或改进侧向(即，在钻孔的方向上)分辨率。在这种情况下，可以修改内核以对对应于不同空间位置的系数而非傅立叶系数求解，如在本文所讨论的APEC实施方案中进行的那样，因为沿侧向工具方向不存在周期性边界条件。

APEC线圈实现方式-考虑到前述多线圈讨论，并且以举例的方式，图5A-5F示意性地描绘根据这些实施方案的多个方位角和/或侧向线圈的各种实现方式。例如，图5A描绘相对于工具160的多个APEC线圈，其中不同的APEC线圈具有不同的取向(此处彼此偏移90°)，如由线圈灵敏度区域152、154所示。相反地，在图5B中提供了两个APEC线圈，其中相应的灵敏度区域或曲线152、154被不同地成形。

在某些实施方案中，具有另外方位角变化的APEC线圈或主要用于方位角变化的第二APEC线圈(如上所讨论)将允许二维纹理图像。然而，由于方位角运动得不到保证，因此可以利用多个梯度脉冲强度(如上所讨论)来产生方位角分辨率。另外，APEC线圈强度相对于灵敏区域上的方位角将不存在简并性，使得可以可靠地解析不同的方位角。在某种意义上，这种方位角编码可以类似于常规的MRI相位编码，除了反演是沿着侧向维度耦合到APEC反演。

转到图5C和图5D，代替描绘多个APEC线圈，描绘相对于工具160的多个侧向线圈。每个侧向线圈具有单独的灵敏度区域或曲线152、154，其中图5C描绘在工具160的两侧上具有灵敏度的多个侧向线圈的实现方式，而图5D作为替代描绘单侧测井实现方式。图5E描绘其中方位角和侧向曲线都变化的实现方式。与前述实例不同，图5F描绘装备有具有线性场斜坡曲线156的线性侧向线圈的工具160。

利用电缆测井NMR工具上的侧向变化的LPEC线圈，只要检测区域相对于测量之间的工具运动是较长的，本APEC技术可实现小于检测区域(即，工具的RF线圈，通常为6英寸或更长)的侧向分辨率。利用APEC方法的可能的解决方案可以通过结合工具的侧向检测灵敏度曲线的去卷积来改进当前的分辨率。

在本文所讨论的APEC概念的进一步增强中，可以实现全二维(2D)或三维(3D)图像重建，其中三维对应于径向深度或穿透到周围地层中(与本文中对应于钻孔方向或维度的侧向维度相反)。

关于这个概念，应当理解，对于随钻测井(LWD)APEC成像，APEC反演是针对方位角维度的，并且数据针对不同的钻孔(即，侧向)位置进行分组。在这种意义上，APEC方法已经生成多维图像，其中每个图像是针对定义的侧向位置的并且包括方位角图像数据，即，每个图像可以由侧向位置和方位角定义。类似地，梯度中的不同NMR共振频率下的多个切片将为3D视图增加深度维度(即，径向深度)，其中APEC反演将被单独应用于每个切片。在这两个实例中，APEC算法仅沿着成像维度中的一个进行反演。

相反地，通过结合APEC线圈曲线的知识和沿着多个维度的(即，沿着钻孔旋转和线性地)工具运动的知识，APEC反演过程可被应用来产生全2D或3D重建。在2D LWD图像重建的情况下，在给定时间处的在工具的已知深度和角度的情况下的APEC线圈的侧向和方位角曲线将给出将这些测量结果与方位角和侧向位置的图像中的元素相关联的内核。

例如，对于工具160已经在测量之间移动距离d的两个方位角测量，数据测量地层的不同部分。两个数据测量之间的差值直接与来自检测器边缘的信号相关。反演内核中的这种差值的系统考虑允许沿着侧向维度进行成像。此信息与APEC方法的结合允许2D APEC反演。类似于2D实现方式，可以通过了解器械的3D-APEC线圈曲线和三维位置来实现3DAPEC反演。这种方法可以利用沿着三维的运动和具有不同曲线的多个APEC线圈的组合，如前述APEC变型中所讨论的。

在随钻测井期间发生连续侧向运动(即，在钻孔方向上的运动)的情况下，并且在2D APEC反演的情况下，检测线圈灵敏度(不仅仅是工具160的APEC线圈灵敏度)随时间推移而变化。检测线圈的灵敏度仅允许可见地层的窗口(而不是连续的)。如同下文所讨论的多线圈概念一样，NMR检测曲线随着时间而变化，并且其结合到APEC内核中可以增加更高程度的分辨率。有限的侧向检测区域还针对任何给定的采集块定义有限的侧向视场。据此，可以将大数据集分解成多个部分(诸如基于侧向视场检测区域)，并且这些部分以高分辨率单独反演，而不是一次反演整个数据集。

正演模型和内核–APEC概念：

对于这些实施方案中的某些(例如，在随钻测井背景下采用的APEC)，测量通过正演模型进行描述：

在APEC实现方式中，方程(2)的左侧表示当线圈在其通电(即，被发射)时指向角度θ_j时的时间t处的测量数据。这一角度θ_j是相对于钻孔(诸如从钻孔的上部)定义的。例如，如果线圈取向指向钻孔的上部，那么θ_j被确定为零。

在APEC实施方案方式中，当以角度θ_j发射线圈时，这个角度对于整个CPMG回波串保持相同，并且在一个CPMG测量期间不随时间推移而变化。这是因为APEC线圈的发射仅发生在脉冲序列的开始处，如参考图3和图4以及相关讨论中所描述的。

参考正演模型，在APEC发射时测量角度θ_j，并且这个角度与正在采集的数据集相关联。角度(也称为“工具面”)的测量可以通过重力和地球磁场的测量的组合来完成。例如，在水平钻井过程中，重力指向下方并且为工具取向提供很好的参考系。对于垂直井，地球磁场可以提供磁北方向，所述磁北方向可以用作穿过钻孔的方向，从而用作工具面测量结果。对于钻井下井仪器串，这种测量常常在钻头附近执行，并且它在LWD NMR工具并不远远落后的情况下可能是足够的。或者，这种6轴系统(磁力仪和重力仪)可以更靠近NMR工具被容纳，只要工具磁体的作用力可以针对磁力计进行校正。

采集对应于不同的发射角度的多个CPMG测量结果(即，j＝1，...，N_c)，以生成对应于不同角度的数据。为了成像的目的，在一个实现方式中，可以假设所有的测量结果(即，j＝1，...，N_c)在一个深度处得出，并且因此对应于该深度处的地层图像中的一次扫描。如将理解的，在给定深度的扫描中可以覆盖的方向(即，发射角度)越多，对应于该扫描的倒象的质量越好。

关于本文所讨论的方位角成像实施方案的不同的时间依赖内核，APEC概念的时间依赖内核由下式给出：

其中A_j是指发射通过线圈的电流，γ是原子核的旋磁比，γ和Δt是常数，B(θ_j–ψ)是沿着静态磁场方向的APEC线圈B场的已知强度(例如，每1安培电流的已知B场)，并且Δt是APEC编码脉冲的持续时间。图6和7中示出了这个概念以及相关联的场的图解，其中图6示出引起方位角依赖相位编码自旋的线圈200(例如，鞍形线圈)，并且其中图7描绘来自图6的线圈200的磁场，所述磁场可以通过实验测量并用于由方程(3)给出的内核的构造中。这个磁场(沿着B₀场的分量)可以用函数形式来近似表示：

(4)B(θ_j-ψ)∝cos(θ_j-ψ)。

如从这一讨论中可以理解的，可以通过改变梯度来动态改变APEC内核(即，在改变内核时改变脉冲的强度)。

反演算法-综述

如上所述，反演算法基于在数据已经展开到合适的正交函数的基中之后对测量数据与已知内核进行的去卷积。反演算法计算方位角依赖T₂分布f(T₂，ψ)，这是通过测量数据M_t(θ_j(t))，j＝1，...，N_c计算的。反演可以两个步骤执行。首先，计算方位角依赖磁化M_c(ψ)。接下来，通过对M_t(ψ)的估算，采用逆类拉普拉斯算法来估算f(T₂，ψ)。

a)对方位角依赖磁化的估算-在任何时刻t处，方位角依赖磁化均为周期性的，其中周期为2π。因此，它可以用傅立叶基表示：

其中傅立叶系数a_o,t、a_n,t以及b_n,t由下式给出：

在这个实例中，内核的傅立叶表达式可以表示为：

其中傅立叶系数x₀和x_n、y_n可以从已知的内核计算出：

在本文所讨论的APEC概念的情况下，这些傅立叶系数不依赖于时间t。

在任何时间t处，方程(2)(即，用于APEC概念的相应正演模型)可以被重写为：

当内核对称时，y_n＝0。在这些情况下，系数a_0,t,a_n,t,b_n,t,n＝1，…N_F可以通过线性方程组来求解：

其中N_F是指傅立叶系数的数量。通过这些估算的系数，方位角ψ处的任何时间t处的估算磁化为：

b)对方位角依赖T₂分布的估算-通过磁化数据

可以估算方位角依赖T₂分布。例如，在一个实现方式中，可以对象限中的重建磁化数据求平均，并且可以使用逆类拉普拉斯变换来估算T₂分布。

考虑到关于正演模型和反演算法的前述讨论和评论，以下实例和模拟提供了对本概念的另外见解。

第一个实例：来自方位角对称地层的模拟数据–在此实例中，假设一个地层，其中T₂弛豫是方位角对称的，弛豫时间为0.1秒。

APEC实例–基于这种假设的方位角对称地层，APEC内核用于数据采集和分析。如上所述，APEC内核用于其中梯度线圈以各自对应于PAP的测量对之间变化的工具取向激活(即，“发射”)的实现方式中。在本实例的背景下，这导致使用APEC概念在烧孔内核进行十四次测量所用的时间内采集的七个测量结果。

转到附图，图8A描绘具有测量噪声的这七个角度之一处的数据，其中噪声标准偏差为

重建数据

(ψ＝0°处)是使用上述反演算法获得并且连同真实磁化的叠层一起示出于图8B中，所述叠层示出：重建数据与真实衰减匹配良好。图8C示出随方位角变化的在时间t＝200μs处的真实磁化以及通过方程(15)进行的傅立叶重建。图8D示出每个象限中的重建T₂分布，这是从

获得的。估算的T₂分布非常接近模型数据的真实T₂分布，其中弛豫时间在所有象限中均为0.1秒。

第二个实例：来自方位角非对称地层的模拟数据–在实例中，模拟地层在一个象限中方位角不同，即，非对称。具体地，在此实例中，假设地层的T₂弛豫时间为方位角非对称的，其中弛豫时间在三个象限中为0.1秒并且在第四象限中为3秒。所发射的角度的数量以及噪声标准偏差与之前的方位角对称的实例(即，APEC概念的七个角度)类似。如下文所讨论，此实例中的方位角非对称性在某些附图中是明显的(例如，图9B和9D)。如这些实例中所示的这种非对称性导致更长的弛豫时间，其中T₂在“第四”象限中为多秒。

APEC实例–转到图9A-9D，基于这种方位角非对称地层，APEC内核用于数据采集和分析。如上所述，在本实例的背景下，APEC内核的使用导致七个测量结果由于梯度线圈以相同的工具取向激活而被采集。

转到附图，图9A描绘具有测量噪声(即，另外噪声)的七个角度处测量的数据，其中噪声标准偏差为

在图9B中，针对四个象限示出估算的

具有较大弛豫时间的象限与较高频带一样清晰可辨。转到图9C，示出随方位角变化的在时间t＝200μs处的真实磁化以及通过方程(15)进行的傅立叶重建。图9D示出每个象限中的重建T₂分布，这是从

获得的。估算的T₂分布接近于真实T₂分布，其中弛豫时间在三个象限中为0.1秒并且在第四象限中为3秒，如在图9D中可以看到的。

第三个实例：在每个象限中具有高斯T₂分布的方位角非对称地层-在实例中，模拟某一地层，其中T₂分布在每个象限中都是高斯的。

APEC实例–转到图10A-10D，基于具有高斯T₂分布的这种非对称地层，APEC内核用于数据采集和分析。如上所述，在本实例的背景下，APEC内核的使用导致七个测量结果由于梯度线圈以相同的工具取向激活而被采集。

在图10A中示出在这七个角度处测量的磁化衰减的实例，其具有加性噪声(σ_e＝0.7)的情况下进行的。在图10B中，针对四个象限示出重建磁化衰减。

转到图10C，示出随方位角变化的在时间t＝200μs处的真实磁化以及通过方程(15)进行的傅立叶重建。也就是说，图10C描绘对每个象限内平均的特定时刻处的磁化中的方位角变化的估算。图10D描绘显示出并且表现出良好的一致性的真实和潜在估算的T₂分布，其显示出与重建值非常一致。

第四个实例：深度和方位角变化的孔隙度–在此实例中，针对图11A所示的地层模拟具有加性噪声的数据。

APEC实例–关于APEC内核，数据是在每个深度处的(如在前述实例中的)七个角度处采集的。模拟了两种不同的情形：第一种情形是

以及第二种情形是

图11B和11C分别示出这两种情形的重建地层性质。

对于APEC内核，可以看出，分析确实适用于重建图像的主要特征(即，在这种情况下为正弦波)。正如可能预期的，在分析较低信噪比下的数据时存在更大的图像劣化。转到图12，该图描绘9英尺深度处的傅立叶重建孔隙度。来自两种内核的重建孔隙度确实适用于逼近真实孔隙度。

根据前述讨论，描述了适用于对方位角成像磁化衰减进行建模的广义正演模型。这种广义正演模型可以与多种不同的内核和技术(诸如本文所讨论的APEC概念)一起使用。此外，本文描述了适用于从采集的数据估算方位角依赖T₂分布的反演算法。关于这种反演算法，任何时间t处的方位角磁化都是用其傅立叶展开来表示的。可替代地，可以作为替代采用其他正交基组，诸如哈尔展开。

样本线圈构型

虽然前述讨论涉及本方法的方法论和实现方式的各种实例，但是现在讨论可能与这些方法中的一个或多个相关的各种硬件和线圈方面。

随钻测井(LWD)APEC线圈–在一个实现方式中，对于适用于LWD应用的APEC线圈，针对主静态场B₀假设类Jasper-Jackson构型，如图13A中的附图标号210所示。如图13A所描绘，主静态磁场210(即，B₀)在背离磁体212的中心进行指向的方向上。在此描绘的实例中，APEC场曲线与右边的B₀共线、与左边的B₀反向平行、并且与顶部和底部上的B₀垂直。

可以使用两个或更多个表面环来局部地增加每个线圈附近的场强度并在方位角上移动远离环时降低场强度。更多单独的环将增加振荡的次数，这可能在没有更强的梯度脉冲的情况下提供更高分辨率的分化。单个APEC环将产生单个周期的最简单曲线，其中一端最小，而另一端最大(参见图13B中的单环线圈216和图13C中的相关联的场218)。形成近似方形齿状图案的单个环将产生对应于切换方向的电流，类似地生成增强和减弱场强度的区域的交替。为了最小化编码场中的侧向变化，可以至少部分地基于工具的长度来确定环的宽度。相反地，图13D中示出两匝线圈布置。

测井电缆侧向相位编码线圈(LPEC)系统–在测井电缆应用中使用LPEC线圈(如上所讨论)的实现方式中，其中仅提供工具的侧向运动，主磁场可以平行于或垂直于工具表面进行取向。

在主场垂直的应用中，类似于所提出的LWD APEC设计，沿工具侧向(即，沿钻孔方向)间隔的单个环或多个环将产生合适的场变化，因为每个环将局部地增大场并且将在进一步远离时减小场。与APEC实例一样，增加环的数量将增加振荡次数，并伴随着对应的优点和缺点。如将理解的，工具的侧向运动和维度缺乏在方位角成像背景中经历的周期性。因此，线圈的绝对(即，非相对)定位与成像过程相关。对于单个环设计，无论环是在顶部还是底部处，都将在顶部处提升场，并且在底部处降低场，反之亦然。居中线圈在中部处提升场，从而在边缘处将其降低。结合多个环的变化可能涉及交替环的方向，从而使编码场中的切换的次数减半并使其强度近似地加倍。

图14中示出这样的实例，其中B₀ 210离开工具表面进行指向。多个线圈230安装在工具160的表面上以产生侧向磁场梯度232。在所描绘的示例中，最顶部的线圈230是产生平行于B₀的场的线圈，因此与B₀产生相加效应，而最底部的线圈230产生反平行于B₀的场，因此相对于B₀产生相减效应。在所描绘的示例中，表示线圈230的“条”的数量对应于LPEC线圈的相对数量，其中更多的线圈产生更多的场。

在旨在利用LPEC获得沿井深分辨率的应用中，其中主场与主表面的方位角取向平行，可以采用各种结构。以举例的方式，可以采用“8字形”表面线圈，其中线圈是侧向定位的，其具有单个表面环设计，但是具有侧向取向的“8字形”构型。这些都可被类似地采用，使得8字形构型用于改变施加的磁场的取向。

在另一个实例中，可以采用斜线或X线圈设计，其可由跨越工具的灵敏体积的长度的单个或一对细长环组成。对于单个环或斜线，环在方位角上很窄，并且在它沿着工具长度向上行进以在方位角上从灵敏区域的一侧跨越到灵敏区域的另一侧时缓慢地缠绕在工具周围。也就是说，如果工具表面未被缠绕，那么单个线圈将沿着未被缠绕的表面形成对角线或“斜线”。由这样的线圈沿着主场B₀的方向产生的场的分量将在一端处添加到主场并且在另一端处从主场中减去，从而在主场上施加侧向梯度(可能是均匀梯度)。

X线圈实施方案在概念上类似于斜线构型，但是具有取向与第一环相反的第二环，使得线圈形成围绕工具灵敏区域居中的“X”。也就是说，如果工具表面未被缠绕，那么两个线圈将沿着未被缠绕的表面形成“X”。对线圈进行反射将使场强度加倍，并减少与施加场正交的场的无效分量。

在主场与主表面的侧向取向平行的应用中，可以采用多种构型。以举例的方式，在一个实现方式中，可以采用环表面线圈。在一个这样的实施方案中，在垂直主场的背景下提到的相同的表面线圈布置(参见图14)也可用于平行于主场的取向。然而，在这种实现方式中，环的场的有效分量与工具的表面平行，而不是垂直，从而使环正上方的场基本上不变，并且增大其上方的场，同时减小下方的场，或反之亦然。因此，居中环设计将产生具有侧向距离的斜坡，所述侧向距离在某一点之后下降到零。交替相邻环的方向可以用来提供锯齿状的LPEC线圈曲线。

尽管仅几个实例已经在上文得到详细描述，但是本领域的技术人员将容易理解，在实质上未脱离本公开的情况下，在实例中可能有许多修改。因此，所有此类修改旨在包括在如以下权利要求书所限定的本公开的范围内。

Claims (16)

1.一种勘测地球地层的方法，其包括：

在穿透地层的钻孔中旋转核磁共振NMR工具，所述NMR工具具有永磁体、发射器天线和一个或多个方位相位编码APEC线圈，所述永磁体生成静态主磁场B₀，所述静态主磁场B₀进而在钻孔流体中生成沿着B₀对准的磁化，所述发射器天线被构造成在所述流体中生成射频横向磁化，所述一个或多个方位相位编码APEC线圈被构造成在所述横向磁化中生成空间上变化的相移，所述空间上变化的相移基本上是围绕所述NMR工具的圆周的方位正弦波；

向所述一个或多个方位相位编码APEC线圈施加调制的DC脉冲以生成脉冲场梯度，所述脉冲场梯度进而在所述横向磁化中生成空间上变化的相移，并利用围绕所述NMR工具的圆周的方位角依赖灵敏度对自旋进行编码；

使所述发射器天线测量响应于所述B₀场、所述横向磁化和所述脉冲场梯度生成的回波，其中所测量的回波包括所述方位角依赖灵敏度；

处理所测量的回波以计算围绕所述圆周的多个方位角取向上的所述地球地层的参数的指示。

2.如权利要求1所述的方法，其中使用具有交替的180°_x和180°_y相位回聚脉冲的CPMG脉冲串来检测针对给定方位角取向的所述回波。

3.如权利要求1所述的方法，其中使用仅具有180°_y相位回聚脉冲的CPMG脉冲串来检测针对给定方位角取向的所述回波。

4.如权利要求1所述的方法，其还包括在至少包括所述脉冲场梯度的施加的脉冲序列期间测量工具面角度θ。

5.如权利要求1所述的方法，其包括通过在所述地球地层内在不同的方位角取向处施加所述脉冲场梯度来在所述地球地层内在不同的方位角取向处采集另外的回波。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述处理所述回波包括使用反演算法来生成对方位角依赖T₂分布的估算。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述反演算法首先计算所述空间上变化的相移的估算，并且其次根据此估算计算所述方位角依赖T₂分布。

8.如权利要求7所述的方法，其中在所述反演算法的运算中采用的傅立叶系数不依赖于时间。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述处理所述回波是根据基于下式的正演模型执行的：

其中ψ是地层角度，M_t(θ_j)表示时间t处测量的数据,所述时间t是所述一个或多个方位相位编码APEC线圈在生成另外的磁场时指向角θ_j的时刻，θ_j表示所述工具的工具面相对于所述地层的角度,M_t(ψ)是地层中的CPMG磁化衰减，并且k(θ_j-ψ)是方位相位编码APEC概念的时间依赖内核。

10.如权利要求1所述的方法，其中用于处理所述回波的时间依赖内核由下式给出：

其中A_j是指通过所述一个或多个方位相位编码APEC线圈发射的电流，γ和Δt是常数，B(θ_j–ψ)是每1安培电流的已知B场强度，θ_j表示所述工具的工具面相对于所述地层的角度，并且ψ是地层角度。

11.如权利要求1所述的方法，其中从所处理的回波重建的数据的相对标准偏差取决于所述NMR工具的旋转速率。

12.如权利要求1所述的方法，其包括改变所述调制的DC脉冲的脉冲强度和脉冲宽度中的一者或两者，针对不同的采集序列刻印不同的磁化曲线，并且允许解析所述方位角取向。

13.如权利要求1所述的方法，其中施加所述调制的DC脉冲包括将与编码脉冲相关联的波长与期望的分辨率进行匹配。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个方位相位编码APEC线圈包括两个或更多个径向偏移的线圈。

15.如权利要求1所述的方法，其中在多个取向上采集所述回波以改进分辨率。

16.如权利要求1所述的方法，其中：

所述永磁体生成的磁场B₀径向背离所述永磁体的中心；以及

所述一个或多个方位相位编码APEC线圈被构造成在所述NMR工具的第一方位侧上生成与B₀共线的场，在与第一方位侧相对的方位侧上生成与B₀反向平行的场，以及在与第一方位侧垂直的方位侧上生成与B₀垂直的场。

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