CN108779670B - 用于使地下地层的流体成像的化学选择性成像器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于使地下地层流体成像的成像器和方法。所述成像器包含壳体，所述壳体具有限定接收穿过其中的所述地下地层的岩心样品的通道的侧壁。所述壳体安置于井下工具中并且具有流体入口以将流体从所述地下地层接收到所述通道中。所述成像器还包含安置于所述壳体的所述侧壁中的永磁体、安置于所述永磁体与所述通道之间的所述壳体的所述侧壁中的射频线圈、在所述永磁体与所述射频线圈之间的所述壳体的所述侧壁中的梯度场以及化学选择性成像器。所述化学选择性成像器以操作方式连接到所述射频线圈以根据脉冲序列选择性地脉冲频率，由此产生所述样品的个别流体测量值。

Description

用于使地下地层的流体成像的化学选择性成像器及其使用 方法
背景技术
本公开大体上涉及地层评估。更具体地说，本公开涉及地层评估技术，如地下地层和其中的流体的成像。
勘探可以用于定位有价值的烃，如石油和天然气。钻机安置于井场以钻井眼并且在井下部署工具来定位地下储层。井下工具，如钻探工具被推进到井眼中。井下工具，如电缆工具通过电缆部署到井眼中以收集地下样品用于评估。
井下工具通常具备测井装置，如核磁共振装置，以对地下地层进行成像。井下工具还具备采样工具，如探针，以将地下流体的样品抽取到井下工具中，以及取芯工具，如轴向和侧壁取芯装置，以切割地下地层的样品。井下工具的实例在美国专利第6047239号和第6897652号中提供。
在井下工具中捕获收集的样品并且将其取回到地面。样品被放入实验室用于测试。对样品进行测试以确定烃的存在。在一些情况下，可以使用核磁共振来测试岩心样品。测试的实例在美国专利第9133709号、第8499856号、第6220371号和第4769602号中提供
尽管在地层测试和取样方面取得了进展，但仍需要能够精确评估地下地层的技术和工具。
发明内容
在至少一个方面中，本发明涉及一种用于使地下地层的流体成像的成像器。所述成像器包含壳体，所述壳体具有限定接收穿过其中的所述地下地层的岩心样品的通道的侧壁。所述壳体安置于井下工具中并且具有流体入口以从所述地下地层接收流体并且进入所述通道。所述成像器还包含安置于所述壳体的所述侧壁中，定向为引导磁场通过所述通道的永磁体；安置于所述壳体的所述侧壁中，在所述永磁体与所述通道之间，定向为引导射频场通过所述通道的射频线圈；定位于所述壳体的所述侧壁中，在所述永磁体与所述射频线圈之间的磁场梯度，以选择性地引导梯度场通过所述通道；以及以操作方式连接到所述射频线圈的化学选择性成像器，以根据脉冲序列选择性地脉冲频率，由此产生所述岩心样品的个别流体测量值。
在另一方面中，本发明涉及一种使定位于地下地层中的流体成像的方法。所述方法涉及将所述地下地层的岩心样品放置在井下工具中的成像器的通道中，通过使流体样品从所述地层传递到所述通道中来驱替岩心样品，并且使所述岩心样品成像。所述成像涉及在沿所述通道的纵向轴线的方向上引导磁场通过所述通道，选择性地引导梯度场通过所述通道，通过引导射频场以与所述磁场和所述通道的所述纵向轴线正交的方向通过所述通道来选择性地脉冲，以及在所述脉冲期间产生所述岩心样品中的所述流体的图像。
最后，在另一方面中，本发明涉及一种使定位于地下地层中的流体成像的方法。所述方法涉及将所述地下地层的岩心样品放置在成像器的流体填充的通道中，引导磁场在沿所述通道的纵向轴线的方向上通过通道，选择性地引导梯度场通过所述通道，引导射频场沿所述通道的所述纵向轴线方向通过所述通道，根据预定的k空间采样图通过选择性地将所述射频场的频率脉冲到所述岩心样品并且将所述磁场梯度施加到所述岩心样品，选择性地获取所述岩心样品中的所述流体的核磁共振测量值，以及通过对所述获取的核磁共振测量进行压缩感测来产生所述岩心样品中的所述流体的图像。
通过参考本公开的实施例，可以获得上文简要概括的本公开的更具体的描述。然而，应注意，本公开的示例实施例不限制其范围。
具体实施方式
在以下描述中，阐述大量细节以提供本发明的理解。然而，所属领域的技术人员应理解，本发明可以在没有这些细节的情况下实施并且所描述的实施例的大量变化或修改是可能的。
公开了用于对地下地层进行化学选择性成像的技术。这些技术涉及对地下地层的岩心样品进行磁共振成像(MRI)(或核磁共振(NMR)成像)。可以使用能够在岩心样品处选择性地施加以射频振荡的磁场脉冲的装置在原位和/或在表面进行成像。使用单调谐或多调谐探针，化学选择性成像可以使任何核磁共振活性物质成像(例如，1H或23Na)。还可以进行对比成像(例如，弛豫和/或弥散)用于比较。
可以进行成像以选择性地测量岩心样品中的各种流体，如烃(例如原油或十二烷)和水性流体(例如，水、盐水等)。可以分别或组合地使用这类技术以使地层中的各种流体成像。具体来说，成像可以用于区分岩心样品中的水性流体和烃。这些图像可以用于例如对流体参数，如流动速率和产生的烃的类型特征化。从这种成像收集的信息可以用于例如识别特定流体、分别地使流体成像、评估含有流体的地层、确定井下参数、检测有价值的烃、提供用于规划油田作业的信息等等。
可以使用例如1D、2D或3D脉冲序列选择性地使成像流体成像。为了促进成像(例如，减少采集时间)，可以使用各种成像序列，如用于收集数据的经减小的样品尺寸的快速成像(利用弛豫增强(RARE)脉冲排序的快速采集)和用于从经减小的样品尺寸重构图像的压缩感测(CS)。快速成像技术可以与压缩感测组合使用以减少图像采集时间，其可以用于例如使工具在井下进行成像所花费的时间减到最少。
用于进行地下操作的井场置于地下地层周围，地下地层具有其中具有流体的储层。地层具有一个或多个孔隙，其中具有流体。孔隙部分流体可以位于孔隙中心，部分可以位于孔隙凹陷部分中。中心部分可以表示可获取流体和凹陷部分可以表示孔隙内的截留流体。
井场包含钻机、井下工具和地面单元。井下工具被部署到井眼中以测量地下参数。井下工具是经由电缆线部署到井眼中的电缆工具，但可以使用任何井下工具(例如，钻、盘管、生产和/或其它工具)。电缆线与地面单元连通，用于在其间传递信号。地面单元可以用于从井下工具收集数据和/或将信号(例如，动力、指令等)发送到井下工具。
井下工具可以包含用于进行各种操作的各种部件。井下工具包含电子件、流体取样器、岩心取样器、成像器和收集器。电子件可以包含各种器件，如动力、控制、处理、通信(例如遥测)和/或在井下操作中使用的其它器件。
流体取样器可以是传统的取样工具，其能够将流体样品从地下地层抽吸到井下工具中。岩心取样器可以是传统的侧壁取芯工具，其能够从围绕地层的井眼的壁切割岩心样品。可以在井下工具114中设置侧壁取芯或轴向取芯工具。收集器可以是用于存储收集的样品的容器。在美国专利第6047239号中提供了具有采样能力的电缆工具的实例。
成像器包含壳体，壳体具有侧壁，侧壁限定穿过其中的通道。流体取样器和核心取样器可以安置在成像器的周围(例如，在其上方)，以使流体样品和岩心样品分别通过入口并且进入通道以进行测量。成像器可以包含例如磁共振成像器(MRI)，其经配置以接收流体和岩心样品，如本文中进一步描述。
可以使用成像器使岩心样品成像。岩心样品可以传送通过位于壳体中的通道入口(例如，门)，通道入口设置成将岩心样品接收到通道中，因此岩心样品可以安置在成像器的通道中。使用岩心驱替，岩心样品可以用流体样品(或其它流体)饱和。流体和岩心样品可以从通道通过出口(例如，门)释放(例如，下落)并且进入收集器以用于存储和/或取回。井下工具可以具备各种装置以促进和/或控制采样和/或成像。举例来说，流体样品可以自由地传送通过成像器，或可以使用流体控制装置，如流线、阀门等来控制流体样品。
成像器可能能够在井下工具内的岩心样品上进行MRI。在成像期间，岩心样品可以饱和有采样流体。由成像器取得的测量值可以由地面单元收集，并且可以由其产生输出，如曲线，如本文进一步所描述。
可以使用传感器和/或其它装置进行额外测量以确定各种地下参数，如井下条件、地层参数、流体参数等。举例来说，井下工具可以具备可以收集附加测量值，如组成、温度、压力等的光学流体分析仪、仪表、光谱仪、变换器等。可以评估所收集的图像和/或测量值以确定各种地下参数。
对比成像器可以安置在井下或地面位置(例如，单机、实验室设备等)。对比成像器包含壳体，壳体具有限定通道的侧壁，其可以类似于上述成像器。成像器可以在任何方向上定向以便于操作。
通道成形为接收岩心样品和流体。岩心样品可以是圆柱形样品，其可以安置于壳体的线性通道中，或可以具有其它形状和/或尺寸。可以提供装置以将一个或多个样品自动插入和/或移出通道。
在测试期间，流体可以传送通过通道。可以任选地提供流线和/或其它流量控制装置以选择性地将流体传送到通道中以提供所需的岩心驱替。流体可以以所需的流动速率流动通过通道，或者封闭在其中以在测试期间保持静止。根据需要，可以从通道倾倒流体。流体可以是在测试期间传送通过岩心样品的任何流体。在一个实例中，流体是来自地层的原位流体，其用于复制地下条件。
成像器和/或岩心样品可以任选地旋转(例如，通过由马达驱动的旋转轴)，以在成像期间将岩心样品的取向改变角度。岩心样品相对于壳体的旋转允许沿基于磁场的方向取向的坐标信号选择到岩心样品旋转时的取向。
壳体具有传感器阵列，其包含永磁体、射频线圈和施加的磁场梯度。永磁体安置于侧壁中并且围绕通道径向设置，以将岩心样品环绕在其中。永磁体可以是任何永磁体，如海尔贝克(Halbach)磁体，其经布置以产生定向到通道纵轴的磁场。
射频线圈安置于侧壁中并且围绕通道径向设置，以将岩心样品环绕在其中。射频线圈安置于通道与永磁体之间。射频线圈可以是布置成产生沿通道的截面坐标轴以射频振荡的磁场线圈。磁场梯度定位于永磁体与射频线圈之间。
壳体可以具备成像单元(例如，上述地面单元)或与其耦合以用于提供动力、收集数据和/或向成像器发送指令。磁性线圈、射频线圈和磁场梯度可以与成像单元耦合以向其提供测量值。成像器和/或成像单元可以具备通信装置，如有线和/或无线耦合，以在其间定义通信链路。
成像单元可以具有能够将测量值转换成图像以供显示的传统显示器。成像单元可以包含例如处理器、数据库、遥测单元、电力单元和/或用于与成像器一起操作的其它电子器件。可将成像单元并入到井下工具和/或地面单元的电子件中。收集的测量值可用于产生输出，如曲线。任选地，可以提供一个或多个探针和/或传感器以收集测量值。举例来说，射频线圈的探针可以选择性地具备单一和/或多个谐振频率，例如以允许检测多个核。
可以使用成像单元从成像器收集图像参数(例如，流体的分布、残油饱和度等)和来自传感器的地下参数(例如，组成、温度、压力等)。成像和/或收集的测量值可以用于进行各种地层评估，如成像、流体分析、流出物分析、压缩感测等。举例来说，收集的数据可以用于导出地下参数，如电阻率和磁导率。
对比成像
可以使用各种对比成像技术，如弛豫和弥散成像来进行评估。这类技术可以涉及例如对所产生的图像的弛豫时间T1和T2的分析。可以使用例如依赖于NMR可测量量的差异的技术产产生像参数，如弛豫时间和扩散系数(D)，以提供烃与水性流体之间的对比。NMR测量值可以包含在岩石物理工作中使用的基线测量值，如弛豫时间T2。T2可以是通过施加射频激励在系统中产生的体磁化衰减的量度。磁相干的衰减可能是由核自旋与由静电场不均匀性以及分子间和分子内运动产生的变化磁场的相互作用引起的。
在多孔岩石环境中，烃和水性流体可能具有相似的T2。因此，用于提供流体相之间对比的技术可以探测第二流体特性，如弛豫时间T1和各种流体的扩散系数。T1可以是流体分子与环境交换能量的程度的量度。长T1可以指示弱耦合，而短T1可以指示强耦合。因此，T1弛豫时间可能取决于分子特性，如尺寸，并且较大的烃分子可能展现较长的T1。流体，如水性流体、液态烃和气态烃的自扩散系数可能是相当不同的，并且可以用于区分岩石样品中存在的流体相。在这些情况下，可以使用绘制T1对T2或D对T2的多维弛豫测量来提供所需的对比度。
可以使用NMR岩心分析和/或光谱方法进行图像的评估。这类评估可以用于在块状样品上提供所需的流体相区分。可以对例如标准自旋回波成像序列，如自旋翘曲(spin-warp)进行这些评估。自旋翘曲的实例描述于Edelstein,W.A.,Hutchison,J.M.S.,Johnson,G.和Redpath,T.，《自旋翘曲NMR成像和人体全身成像上的应用(Spin warp NMRimaging and applications to human whole-body imaging)》，《医学和生物学中的物理学(Physics in Medicine and Biology)》25，751(1980)]。
为了提供关于这些流体的空间分布的信息，在岩心驱替期间一维空间分辨的T2分布可用于提供流体鉴别。为了在流体之间的T2对比度低时提供期望的分离，可以进行多维弛豫测量，如D-T2和T1-T2。这些可以提供容积测量。关于超过相对体积的烃和水性流体的分布的进一步信息可以如本文中进一步描述的那样进行。
可以通过在注入的水性流体中使用的化学掺杂剂以提供弛豫对比度来确定单一岩心塞中的相的空间分布。在一个实例中，可以使用含有如Cu2+、Mn2+或Gd3+的物质的化学掺杂剂。这些物质可用于减少水性流体的弛豫时间，并且提供各种流体，如水性流体与烃之间的区别。
在另一个实例中，在展现不同T1值的系统中，可以使用T1归零来抑制来自样品中存在的T1环境之一的信号。RF激励脉冲的时序可以被设置为使得来自一个T1环境的磁化强度和所得MRI信号被信号抑制。岩心样品可以饱和有具有样品流体的多个流体相，如具有单一明确定义的T1的流体。
在又一实例中，NMR测量的化学选择性可以用于区分地层流体。给定物质的NMR响应取决于自旋的旋磁比，这是对于每种NMR活性物质唯一的量。在第一种情况下，可以在注入的盐水中使用D2O代替H2O以去除水性流体对图像的贡献。在另一情况下，可以对存在于地层流体中的氢(或其它NMR活性核，如钠23Na或碳13C)进行成像。
对比成像的实例提供于Mitchell,J.,Chandrasekera,T.C.,Holland,D.J.,Gladden,L.F.和Fordham,E.J.，《岩石物理岩心分析中的磁共振成像(Magnetic imagingin petrophysical core analysis)》，《物理学报告(Physics Reports)》，526，第165-225页(2013)。其它现有技术可用于评估，如描述于美国专利第9133709号、第8499856号、第6220371号、和第4769602号中的那些现有技术。
化学选择性成像
还可以在地层内使用成像器使用化学选择性成像技术进行评估，以产生流体，如烃和水性(盐水)的独立图像。化学选择性成像技术利用NMR波谱中化学位移的差异来区分岩心样品中的流体。
化学选择性成像包括：1)基于核磁共振(NMR)波谱中化学位移的差异将烃图像与水性(盐水)图像对比，和2)在代表性的储层流动速率下(例如，在vi＝1英尺天-1(0.304米天-1)下)的排水和渗吸实验期间，在减少连续油-水图像之间的像素模糊的时间尺度上获取1、2或3D图像。为了实现这一点，MRI脉冲序列(例如，具有弛豫增强的快速采集(RARE))可以与压缩感测(CS)组合使用。
化学选择性成像方法可以使用成像器来进行以使岩心样品中的流体成像。所述方法包含测量阶段、信号选择阶段、图像采集阶段和图像显示阶段。可以对岩心样品中的一种或多种流体进行方法。例如，可以对岩心样品中的一种或多种流体(例如，水性流体、烃)选择性地重复部分或全部方法。
测量阶段涉及收集测量值，如由成像单元产生曲线。所述曲线绘制由成像器产生的信号强度(a.u.)(y轴)对频率(Hz)(x轴)图线。所得曲线展示对应于流体组成的峰。所述峰分别对应于水性流体(W)和烃(D-十二烷)，其中所述峰分别在0Hz、300Hz。
信号选择阶段涉及对水相或烃相磁化的选择性激发。可以进行选择以指示要使哪种流体成像。举例来说，当进行水性流体的方法时，可以选择水峰。在另一个实例中，当进行烃的方法时，可以选择烃峰。
图像采集阶段涉及使用MRI脉冲序列获取与贯穿岩心样品的流体分布对应的原始空间数据。样品图案是kp1 m-1(y轴)对kp2 m-1(x轴)的曲线，其指示在图像采集期间必须测量的数据点。曲线上的数据点指示待获取的点的位置。亮区的强度指示数据采样的位置；而暗区指示未采样。可以使用快速数据采集来捕获此数据，并且使用压缩感测来重构数据以产生如在本文中进一步描述的图像。
图像显示阶段涉及产生岩心样品内的地层流体的图像。取决于可用时间，可以使用标准成像技术获取图像，或者通过利用所获取数据的压缩感测重构的快速采集来产生图像。尽管可以为3D图像，但也可以是1D或2D图像。可以显示一种或多种流体的一个或多个图像，如本文中进一步所描述。当产生图像时，图像采集阶段可以任选地以各种角度进行。
替代地，所述方法可以涉及脉冲排序。该方涉及相同的测量阶段，组合信号选择和图像采集阶段和图像显示阶段。对于各种流体，重复部分上述方法。
因为脉冲序列可以选择性地捕获特定流体的数据，所以脉冲序列可以用于确定哪些流体正在成像。可以以不同的脉冲频率重复方法来激励所选择的流体，如水和烃。
各种脉冲序列可以绘制成曲线图，其可以用于在图像采集阶段期间获取烃和水相分布的原始数据。
每个脉冲序列包含来自RF线圈的射频脉冲(rf)和一个或多个所施加的磁场梯度(GR,GP/GP1,GS/GP2)。可以应用脉冲序列以选择性地激发样品中存在的特定化学物质(例如油或盐水)。磁场包括读取梯度(GR)和相位梯度(GP/GP1,GS/GP2)，其被施加一段时间以实现核自旋的空间编码。
每个脉冲序列还包含代表化学选择性预处理的部分和代表脉冲激发部分的部分。以各种形状并且在不同角度下进行各脉冲序列，以产生被成像的样品的不同视角。每个脉冲序列包含：PSEL-选择性激励脉冲、PEX-非选择性激励脉冲、PREF-重聚焦脉冲。举例来说，对于在快速采集中使用的脉冲序列，180°重聚焦RF脉冲可以重复NRF次，以从系统的单次激励中对k空间多行采样。
每个脉冲序列具有不同的形状。射频(rf)脉冲产生由极化H原子诱导的自旋回波450。可以使用不同的相位梯度(GP/GP1,GS/GP2)来实现自旋的空间编码。
例如，脉冲序列包含用于激励的rf脉冲和使得仅在读取梯度的方向上实现空间分辨信息的读取梯度(GR)。可以以微秒发射的脉冲将rf场添加到磁场中。射频线r.f.上的脉冲的形状包含具有宽带的方形脉冲，其影响整个脉冲。读取梯度G R仅重复一次以产生1D图像。
在2D形式中，脉冲序列包含rf脉冲和GR脉冲，其具有附加的GP和GS脉冲。射频线r.f.上的脉冲的形状是高斯形，以仅影响样品的特定区域。这种形式还描绘了沿梯度线GP梯度迭代S1、S2。
这些梯度迭代指示重复GP以便产生2D图像。对于迭代S1、S2，相位梯度(GP)迭代NRF次。180°重聚焦脉冲可以重复NRF次。可以按需要通过改变各种梯度的强度来获取信息。每次读取梯度(GR)和切片梯度(GS)相同时，可以改变相位梯度(GP)的幅度，并且随后通过各种梯度值(S1和S2)迭代以产生2D图像。
在3D形式中，脉冲序列包含rf脉冲和读取梯度GR，其具有额外的第一和第二相位编码梯度GP1和GP2。在这种形式中，GP1和GP2脉冲各自包含梯度迭代S1、S2，指示这些脉冲重复NRF次以便产生期望的3D图像。对于3D图像，可以使用相同的读取梯度迭代GP1与GP2的所有组合。
这些脉冲序列描绘了示例性化学选择性RARE脉冲序列。这些脉冲序列具有在读取方向(kR)上的编码的k空间频率和在kP1和kP2上的相位编码。在施加读取梯度(GR)和相位梯度(GP/GP1,GS/GP2)时，产生曲线上的点。对于3D脉冲序列，相位编码梯度的幅度GP1和GP2确定对曲线上的哪些数据点进行采样。图像显示阶段使用压缩感测来从岩心图像重构流体图像。可以改变梯度的持续时间和幅度以控制所获取的空间分辨信息。通过改变这些，可以调节视场和成像区域以及分辨率以提供关于样品的所需聚焦级别。
MRI采集技术可用于欠采样数据以减少数据收集时间，并且压缩感测可用于从欠采样数据重构完整图像。图像采集技术可以包含例如具有弛豫增强(RARE)的快速采集、回波平面成像(EPI)、自旋翘曲和/或其它采集技术，并且通过使用欠采样和压缩感测重构可以进一步提高时间分辨率。RARE的实例描述于Hennig,J.,Nauerth,A.和Friedburg,H，《RARE成像：用于临床MR的快速成像方法(RARE imaging:a fast imaging method forclinical MR)》，《医学中的磁共振：医学磁共振学会官方期刊/医学磁共振学会(Magneticresonance in medicine:official journal of the Society of Magnetic Resonancein Medicine/Society of Magnetic Resonance in Medicine)》3，823-833(1986)；EPI的实例描述于Mansfield,P.《使用NMR自旋回波的多平面图像形成(Multi-planar imageformation using NMR spin echoes)》，《物理学期刊C：固态物理学(Journal of PhysicsC:Solid State Physics)》10，L55-L58(1977)；自旋翘曲的实例描述于Edelstein,W.A.,Hutchison,J.M.S.,Johnson,G.和Redpath,T.，《自旋翘曲NMR成像和人体全身成像上的应用》，《医学和生物学中的物理学》25，751(1980)。
MRI中的压缩感测基于以下要求，例如，(1)线性重构中的混叠伪像(例如，样品数据)必须是非相干的并且类似噪声；(2)所需图像展现变换稀疏性；(3)使用非线性算法重构图像，所述算法强制稀疏性和与获取的k空间数据的一致性。
假设重构的图像由x给出，其通过以下等式(1)与所获取的k空间测量值相关：
SFx+v＝y， (1)
其中S是子采样模式，F是将图像映射到k空间的傅里叶变换，v是正态分布的噪声(标准差σ和零均值)，并且y是含有所获取的k空间的测量值的向量。
由于欠采样和噪声的存在，等式1可能是一个不适定的问题，并且因此，可用于完全采样k空间数据集的线性图像重构方法，如傅里叶逆变换，可能导致由于违反奈奎斯特准则而含有混叠伪像的图像。因此，可以通过使用变分正则化方法来寻求x的近似解，所述方法根据由以下给出的正则化函数J平衡模型(等式1)和x的先验假设：
Figure GDA0003536390530000111
不等式约束的作用强制与所获取的k空间数据的一致性和正则项J并入xσ的重构的先验信息，其可能对抵消问题的任何不适定性是所需的。
在CS重构的情况下，先验信息是可以隐式地或在适当的变换域中稀疏地表示图像。用于将图像映射到变换域的正则化函数(J)的选择可以取决于待重构的图像的性质。举例来说，非平滑正则化器(如全变差(TV))可能更适合于具有锐边的图像，而平滑正则化器(如多贝西(Daubechies)小波变换)很适合于像素强度改变较平缓的图像。在本研究中，TV已被用作正则化函数J(x)，现将对此进行讨论。
总变差惩罚图像的梯度
Figure GDA0003536390530000125
的有限不同近似的2-范数的1-范数，如下所示：
Figure GDA0003536390530000121
在此，为CS重构设定纽曼(Neumann)边界条件。可以使用其它正则化函数，如小波变换。
一般来说，用于对x近似的吉洪诺夫正则化(Tikhonov-Regularization)方案写成如下所示：
Figure GDA0003536390530000122
并且正则化参数α(总是正的)对等式4中的保真度和正则化项的影响进行加权。在本研究中，如等式(5a)、(5b)所述，已经实现了包含布莱格曼(Bregman)迭代的等式5的修改：
Figure GDA0003536390530000123
Figure GDA0003536390530000124
使用布莱格曼方法，在每次迭代(等式5b)之后利用添加到k空间数据y的残差来解决一系列k问题(等式5a)。参见例如M.Benning,L.F.Gladden,D.J.Holland,C.-B.Schonlieb,T.Valkonen，《速度编码MRI测量的相位重构-稀疏促进变分方法的调查(Phase reconstruction from velocity-encoded MRI measurements-a survey ofsparsity-promoting variational approaches)》，《磁共振期刊(Journal of MagneticResonance)》，238(2014)26-43。
压缩感测可以与MRI脉冲序列组合使用，例如CS-RARE，其中k空间欠采样。压缩感测(CS)的实例描述于Lustig,M.,Donoho,D.L.,Santos,J.M.和Pauly,J.M，《压缩感测MRI(Compressed Sensing MRI)》，《IEEE信号处理杂志(IEEE Signal Processing Magazine)》25，72-82(2008)；和Lustig,M.,Donoho,D.和Pauly,J.M.，《稀疏MRI：压缩感测在快速MR成像中的应用(Sparse MRI:The application of compressed sensing for rapid MRimaging)》。《医学中的磁共振：医学磁共振学会官方期刊/医学磁共振学会》58，1182-95(2007)。
图像采集和压缩感测技术可以与地下材料的成像组合使用。地下材料成像的实例包含Chang,C.T.,Edwards,C.M.,1993，《多孔介质中的流体的质子MR二组分化学位移成像(Proton MR Two-Component Chemical Shift Imaging of Fluids in Porous Media)》，《测井分析者(The Log Analyst)》，34，第20-28页；Dereppe,J.M.,Moreaux,C.，《流体填充的多孔岩石的化学位移成像(Chemical Shift Imaging of Fluid Filled PorousRocks)》，《磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)》，9，第809-813页(1991)；Dereppe,J.M.，Moreaux,C.，《用于分析石灰石中的油-水替换的2D自旋回波和3D化学位移成像技术(2D Spin-Echo and 3D Chemical-Shift-Imaging Techniques for Analysis of Oil-Water Replacement in Limestone)》，《磁共振期刊》，91，第596-603页(1991)；Maudsley,A.A.,Hila,l,S.K.,Perman,W.H.,Simon,H.E.，《利用“四维”NMR的空间分辨高分辨率波谱学(Spatially Resolved High Resolution Spectroscopy by“Four-Dimensional”NMR)》，《磁共振期刊》，51，第147-152页(1983)；和Dechter,James J.,Komoroski,Richard A.,Ramaprasad,S.，《使用预饱和对沙岩和碳酸盐芯部中的个别流体的化学位移选择性成像(Use of Presaturation for Chemical-Shift Selective Imaging of IndividualFluids in Sandstone and Carbonate Cores)》，《磁共振期刊》，93，第142-150页(1991)。
化学选择性预处理部分449a和RARE成像脉冲序列部分449b可用于促进采集。通过使用化学选择性射频(r.f.)脉冲和乱场(homospoil)梯度，可以在脉冲序列的成像部分之前有效地抑制来自各种流体(例如，烃和水性流体)的信号。
针对用于2D和3D采集的RARE脉冲序列，对于2D应用，可以进行相位编码方向(P1)上的k空间的欠采样，而对于后者，可以在两个相位编码方向(P1和P2)上进行k空间的欠采样。在这两种情况下，k空间在读取方向(R)上被完全采样。使用压缩感测重构欠采样的k空间数据。
在2D脉冲测序实例中，化学选择性部分包含用于选择性激发其中一相的高斯形rf脉冲(r.f.)，接着是乱场梯度(GR,GP,GS)来破坏磁化。为了展示化学选择性成像，已获取二维(2D)切片图像。第一图像可以包含未经化学选择性预处理的水性流体和烃的参考图像。第二图像可以独立地包含水性流体和烃。表1描述了用于产生2D图像的实验参数：
表1-2D
Figure GDA0003536390530000141
表1表明，通过抑制来自烃的信号，仅检测到水性流体。相反，通过抑制来自水性流体的信号，仅检测到烃。
每次采集施加的180°重聚焦脉冲的数量可以由RARE因子(NRF)确定，并且采样k空间所需的r.f.激励总数(NEX)由在二相编码方向上的点NP1,2除以NRF得出。可以通过使用快速成像序列(如RARE、EPI等)使用快速测序产生图像，并且可以通过采用欠采样并且随后使用压缩感测进行图像重构来进一步提高时间分辨率。还可以通过使用压缩感测，如CS-RARE来提高标准成像序列的时间分辨率。RARE和EPI都可以使用从个别激发获取的多行k空间。可以从每次激发获得的数据线的数量的实际限制并且相应地采集时间加速可以通过所研究的样品的弛豫时间来确定。作为本发明主题的流体饱和岩心样品的横向弛豫时间预期在数十到数百毫秒的范围内。考虑具有T2＝150ms，回波时间TE＝4ms的水饱和岩心的RARE采集，可以合理地建议每次激发可以获取64行k空间。
通过使用压缩感测(CS)，可以从低于奈奎斯特率采样的多个测量值中恢复具有稀疏表示的信号，如图像。因此，将CS应用于超快速MRI采集，欠采样k空间可能引起采集图像时间的进一步减少，从而能够研究如实验室岩心驱替的时间分辨率更大的动态方法。
在3D实例中，例如当希望获得关于岩心内的流体分布的信息时可以提供各种脉冲配置。应用于MRI方案以监测实验室岩心驱替实验中的流体分布的自旋翘曲、RARE和CS-RARE技术的比较如下所示：
表2-3D
(1)自旋翘曲 (2)RARE (3)CS-RARE
读取方向上的像素，N<sub>R</sub>/- 256 256 256
第一阶段编码方向上的像素，N<sub>P1</sub>/- 128 128 128
第一阶段编码方向上的像素，N<sub>P2</sub>/- 128 128 128
每次激励采样的k空间的行数，N<sub>EX</sub>/- 1 64 64
回收延迟，TR/s 1.6 1.6 1.6
扫描次数，NS/- 8 8 8
k空间采样比，SF/％ 100 100 25
总图像采集时间(TACQ)可以使用等式6计算：
Figure GDA0003536390530000151
使用等式6，表3显示了表2中每种技术的总采集时间：
表3
(1)自旋翘曲 (2)RARE (3)CS-RARE
采集时间，T<sub>ACQ</sub>/min 3495 55 14
使用CS-RARE可以使总采集时间减到最少。为此，可以针对理论岩心驱替的情况计算在三个采集时间的过程中注入的流体量，如表3所示。表4列出了相关的样品特性和实验条件：
表4
塞直径，D/mm 38
塞长度，L/mm 76
塞体积，V/ml 87
岩石孔隙度，φ/％ 23
孔隙体积，P.V./ml 20
填隙速度，v<sub>i</sub>/英尺天<sup>-1</sup> 1
注射剂流动速率，Q/ml min<sup>-1</sup> 0.06
对于所考虑的三种情况中的每一种，在图像采集过程中注入的流体的孔隙体积(N.P.V)的总量可以使用等式7计算并且在表5中汇总。
Figure GDA0003536390530000161
对于所考虑的三种情况中的每一种，在图像采集过程中注入的流体的孔隙体积(N.P.V)的总量使用等式8计算并且在表5中汇总：
表5
(1)自旋翘曲 (2)RARE (3)CS-RARE
注入的P.V.的量，N.P.V/ml 10.50 0.16 0.04
表5表明，使用压缩感测的快速成像，如CS-RARE可以实现样品体积的显著减少，并且这类图像可以更好代表岩心驱替中特定时间点的流体饱和度。
3D图像可用于分别描绘在地层孔隙内驻留的每种流体。实施化学选择性3D CS-RARE MRI方法以在代表性储层条件下在实验室岩心驱替实验中使用成像器独立地使岩心样品内的烃和水性流体成像。3D脉冲序列可以根据曲线产生MRI测量。曲线上的白色像素确定GP1、GP2的值，这些值又相应确定需要获取哪些数据点。随后通过压缩感测处理数据以产生相应的3D图像以及由这种技术产生的组合流体图像。
将原始岩心切成两块，其中在环境条件下一半在水性流体中饱和，另一半在烃中饱和。对烃相重复所述方法施加期间产生的岩心样品中的水相的3D流体图像。对烃相重复所述方法的施加期间产生的岩心样品中的烃相的3D流体图像的第一半。在岩心样品的第二半中，水相和烃相在同一图上。
在上述实例中，进行化学选择性3D CS-RARE采集以用于石灰石岩心塞中吸收的a)十二烷和b)水性流体的选择性成像。a)和b)的采集时间为每个图像14分钟。将这两个图像组合以提供水性流体和烃的整体图像。
下表6示出了用于产生上述图像的岩心样品的实验参数：
表6
Figure GDA0003536390530000171
下表7示出了用于产生上述图像的岩心样品的岩石特性。
表7
水性流体 烃
岩石类型 Estaillades石灰石 Estaillades石灰石
塞直径，D/mm 38 38
塞长度，L/mm 约35 约35
塞体积，V/ml 40 40
吸收体积/ml 9.7 10.6
可以将使用化学选择性成像方法产生的图像与弛豫成像方法进行比较用于验证。可以进行一个或多个成像方法。举例来说，在可能不希望使用可能对岩石样品的状况产生负面影响的D2O、任何离子掺杂剂或其它流体的情况下，在可能存在低信号(例如，由于低天然丰度或低旋磁比)的情况下，在特定RF探针可能是优选的情况下等可以使用化学选择性成像方法，以避免来自标准单回波自旋回波成像序列等的长采集时间。可能影响成像选择的其它变化可以包含通过T1归零和标准自旋回波成像序列抑制来自表现出不同T1值的物质的信号，其中可以为每个初始RF激发获取2D k空间的单行。
可以改变化学选择性成像方法。举例来说，可以在其它NMR活性核(如氢、钠等)上进行方法。这可以用于替代基于化学位移分离选择烃或盐水。可以对各种脉冲序列、测量值、图像和/或其它数据进行比较以验证结果。举例来说，可以将弛豫成像结果与化学选择性成像结果进行比较。
成像可以与用传感器S，如流体分析仪感测的测量值组合使用，使得可以确定烃和盐水孔隙流体的分布。还可以使用来自光学流体分析仪的测量值来进行流出物分析。地层评价可以用于规划油田作业，如设计提高石油采收率(EOR)(例如注入)以促进生产。
在进行烃操作的示例方法中，可以使用例成像器来进行所述方法。所述方法包括将地层的岩心样品放置在成像器中。所述方法还包括通过以下来使岩心样品成像：引导磁场在沿通道的纵向轴线的磁方向上通过通道，选择性地引导梯度场通过通道，引导射频场在与通道的纵向轴线正交的方向上通过通道中的样品，以及选择性地脉冲射频场的频率。
所述方法还包括通过选择性地将射频场的频率脉冲到岩心样品和根据预定的k空间采样图将磁场梯度施加到岩心样品来选择性地获取岩心样品中的流体的核磁共振测量值。选择性获取可以包括进行快速采集，如RARE。所述方法还可以包括通过对所获取的核磁共振测量值进行压缩感测来产生岩心样品中的地层流体的图像。
选择性获取和/或产生可以通过以下来进行：从成像获得流体的波谱图像，选择用于化学选择性成像的相，通过从由选择性脉冲产生的曲线中选择样品点来获取图像，以及使用所选样品点的压缩感测来进行岩心样品内的地层流体的重构。所述方法还可以包括进行化学选择性成像以从流体图像中分离如烃的流体，和通过使用对比成像产生参考图像并且将产生的图像与参考图像进行比较来验证图像，以及基于验证的图像进行油田作业(例如，EOR)。
方法可以以任何顺序进行并且可以视需要重复。可以进行部分或全部方法。可以进行其它任选步骤，如还可以包括旋转样品并且在各种角度下重复成像。
虽然参考各种实施方案和开发形式描述了实施例，但是应理解，这些实施例是说明性的，并且本发明主题的范围不限于此。许多变化形式、修改、添加和改进是可能的。举例来说，可以使用本文中的一种或多种技术来进行一种或多种成像。可以使用本文中所提供的技术的各种组合。
针对本文中描述为单个实例的组件、操作或结构可以提供多个实例。总的来说，在示范性配置中呈现为独立组件的结构和功能性可以实施为组合结构或组件。类似地，呈现为单个组件的结构和功能性可实施为独立组件。这些和其它变化形式、修改、添加和改进可以属于本发明主题的范围。
可以对得益于本文中的教示的所属领域的技术人员来说显而易见的不同但等效的方式来修改和实践本发明。此外，不希望对本文中所展示的构造或设计的细节进行限制。尽管根据“包括”、“含有”或“包含”各种组件或步骤来描述系统和方法，但系统和方法也可以“基本上由各种组件和步骤组成”或“由其组成”。每当公开具有下限和上限的数值范围，则特定地公开落入所述范围内的任何数字和任何包含的范围。具体来说，本文公开的每个值范围(具有形式“a到b”或等效地，“a-b”)应理解为阐述包含在更宽的值范围内的每个数字和范围。每当公开仅具有特定下限、仅具有特定上限或具有特定上限和特定下限的数值范围时，所述范围还包含在指定下限和/或指定上限“周围”的任何数值。

Claims (12)

1.一种用于使地下地层流体成像的成像器，所述成像器包括：
壳体，其具有限定接收穿过其中的所述地下地层的岩心样品的通道的侧壁，其中配置所述壳体以安置于井下工具中，从而当将所述井下工具部署在井眼中时所述成像器可操作，所述壳体具有流体入口以将流体从所述地下地层接收到所述通道中；
永磁体，其安置于所述壳体的所述侧壁中，所述永磁体定向为引导磁场通过所述通道；
射频线圈，其安置于所述永磁体与所述通道之间的所述壳体的所述侧壁中，所述射频线圈定向为引导射频场通过所述通道；
磁场梯度，其安置于所述永磁体与所述射频线圈之间的所述壳体的所述侧壁中以选择性地引导梯度场通过所述通道；和
化学选择性成像单元，其中配置所述化学选择性成像单元以产生岩心样品中烃和水性流体的独立图像并以操作方式连接到所述射频线圈以利用具有弛豫增强脉冲序列的快速采集与压缩感测组合选择性地脉冲频率，由此产生所述岩心样品的个别流体测量值并基于核磁共振波谱中化学位移的差异将烃图像与水性流体图像对比。
2.权利要求1所述的成像器，其中所述射频线圈围绕所述通道圆周分布，并且定向为在与所述通道的纵向轴线正交的方向上引导所述射频场。
3.权利要求1或2所述的成像器，其中所述脉冲频率利用1D、2D和3D脉冲序列中的一种来获得。
4.权利要求1或2所述的成像器，其中所述通道具有出口以使所述岩心样品和所述地层流体从所述通道中通过。
5.权利要求1或2所述的成像器，其进一步包括安置于所述壳体中的通道入口，所述通道入口将所述岩心样品接收到所述通道中。
6.权利要求1或2所述的成像器，其中所述化学选择性成像单元以操作方式连接到所述成像器，配置所述化学选择性成像单元以显示所述岩心样品中的所述流体的图像。
7.一种使地下地层中的流体成像的方法，所述方法包括：
将所述地下地层的岩心样品放置在井下工具中的成像器的通道中；
通过使流体从地层传递到所述通道中来驱替所述岩心样品；
通过以下使驱替的岩心样品成像：
在沿所述通道的纵向轴线的方向上引导磁场通过所述通道；
选择性地引导梯度场通过所述通道；
在与所述通道的纵向轴线正交的方向上选择性地将射频场脉冲通过所述通道；和
通过利用具有弛豫增强脉冲序列的快速采集与压缩感测组合选择性地脉冲频率，在选择性脉冲期间产生所述岩心样品中的烃和水性流体的独立图像，由此基于核磁共振波谱中化学位移的差异将烃图像与水性流体图像对比。
8.权利要求7所述的方法，其进一步包括旋转所述岩心样品以改变成像期间岩心样品的取向和重复所述选择性脉冲。
9.权利要求7所述的方法，其进一步包括通过使用弛豫成像产生所述岩心样品的参考图像并且将所述参考图像与所述产生的图像进行比较来验证所述产生的图像。
10.一种使地下地层中的流体成像的方法，所述方法包括：
将所述地下地层的岩心样品放置在成像器的流体填充的通道中；
在沿所述通道的纵向轴线的方向上引导磁场通过所述通道；
选择性地引导梯度场通过所述通道；
在与所述通道的纵向轴线正交的方向上引导射频场通过所述通道；
通过选择性地将所述射频场的频率脉冲到所述岩心样品并且根据预定的k空间采样曲线将所述梯度场施加到所述岩心样品，选择性地获取所述岩心样品中的烃和水性流体的核磁共振测量值；和
通过利用具有弛豫增强脉冲序列的快速采集与压缩感测组合对所获取的核磁共振测量值进行选择性地脉冲频率来产生所述岩心样品中的烃和水性流体的独立图像，由此基于核磁共振波谱中化学位移的差异将烃图像与水性流体图像对比。
11.权利要求10所述的方法，其中还包括将所述成像器放置在井下工具中并且将所述井下工具部署在井眼中。
12.权利要求11所述的方法，其中进一步包括在将所述岩心样品放置在所述成像器的所述通道中之后，使所述流体从所述地层传递到所述通道中以填充所述通道。
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