CN111033291A - 用于使用核磁共振来确定含氢样本的性质的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于利用核磁共振(NMR)脉冲序列来研究样本的NMR方法和设备。在各种实施方案中，所述NMR脉冲序列具有固态部分和谱线窄化部分。在其他实施方案中，所述NMR脉冲序列具有第一谱线窄化部分和第二谱线窄化部分，其中不同部分的序列是不同的。在其他实施方案中，所述NMR脉冲序列具有T1部分和谱线窄化部分。对所检测到的信号的处理准许确定所述样本的特性，在一些情况中，包括辨别样本的多种组分。

Description

用于使用核磁共振来确定含氢样本的性质的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月11日提交并且标题为“APPARATUS A ND METHODS FORDETERMINING PROPERTIES OF HYDROG EN-CONTAINING SAMPLES USING NUCLEAR MAGNETICRE SONANCE”的美国申请第15/675,575号的优先权，所述申请通过引用并入本文中。
本申请与2017年8月11日提交并且标题为“APPARATUS AND METHODS FORDETERMINING PROPERTIES OF LIQUID-BEA RING SOLIDS USING NUCLEAR MAGNETICRESONANCE”的美国申请第15/675,555号有关，所述申请通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及使用核磁共振(NMR)设备和方法来确定物质的特性。更明确地说，本公开涉及用于使用NMR工具来确定诸如页岩等样本的性质的设备和方法，并且尤其可在井下使用，但本公开不限于此。
背景技术
核磁共振(NMR)技术可以在各种应用中使用。举例来说，在油田服务的领域中，NMR测井工具可以提供关于地层中的流体以及地层的孔隙度的信息。此类信息可以与使用其他技术收集的数据结合以在工程师在忙各种事情时更好地通知他们，所述事情包括例如地层评估、完井工程、地质表征、储层开采等。
可以以各种方式将NMR测井工具引入到井筒中。举例来说，NMR测井工具可以包括在井底钻具组合中并且在钻井作业期间进行测量。还可以使用其他技术，诸如电缆技术，将NMR测井工具下放到井筒中。
核磁共振(NMR)测井的一般背景陈述于例如美国专利No.5,023,551中。简要地，在常规NMR操作中，核的自旋自身沿着外部施加的静磁场对准。此平衡状态可能会受到振荡磁场的脉冲(例如，射频(RF)脉冲)干扰，这样会使所述自旋远离静场方向偏斜。在偏斜之后，两件事会同时出现。第一，自旋以拉莫尔频率围绕所述静场回旋，所述拉莫尔频率由ω0＝γx B0给出，其中B0是静场的强度，并且γ是回转磁比。第二，自旋根据衰减时间T1而返回到平衡方向，所述衰减时间被称作纵向驰豫时间常数或自旋晶格驰豫时间常数。对于氢核，γ/2π＝4258Hz/高斯，因此，例如，对于为235高斯的静场，回旋频率将是1MHz。分子核的自旋还与第二驰豫时间常数T2相关联，所述第二驰豫时间常数被称作横向驰豫时间常数或自旋-自旋驰豫时间常数。在九十度偏斜脉冲结束时，所有自旋都指向垂直于所述静场的共同方向，并且所述自旋都以拉莫尔频率回旋。净回旋磁化随着时间常数T2衰减，因为单独的自旋以不同的速率旋转并且失去其共同相位。在分子水平下，失相是由自旋的随机运动造成。邻近自旋和附近顺磁中心的磁场呈现为以随机运动随着自旋随机地波动的磁场。在非均匀场中，不同位置处的自旋以不同的速率回旋。因此，除了流体的分子自旋-自旋驰豫之外，所施加的场的空间不均匀性也会导致失相。场中的空间不均匀性可能是归因于岩石颗粒的磁化率的微观不均匀性或归因于磁体的宏观特征。
用于在实验室与测井中采集NMR数据的广泛使用的技术使用被称作CPMG(卡尔-珀塞耳-梅布尔-吉尔)序列的RF脉冲序列。如众所周知的，在每个脉冲序列之前的等待时间之后，九十度脉冲致使自旋开始回旋。随后，施加一百八十度脉冲以致使在横向平面中失相的自旋重聚焦。通过重复地使用一百八十度脉冲使自旋重聚焦，一连串的“自旋回波”出现，并且测量并处理所述回波系列。可以使用这种技术可靠地获得横向驰豫时间常数T2或多个T2的分布。在测井中，传统上使用在井筒中位于“井下”(原位)的一组设备来执行CPMG序列。虽然原位执行所述CPMG序列允许相对快速地进行数据收集，但是设备和环境的限制可能会使得难以获得准确的井下数据。举例来说，归因于设备功率的限制、设计约束和井下条件，原位CPMG序列的信噪比(SNR)保持为低的。另外，虽然CPMG序列可用于测量与储层流体的性质相关的T2分布，但是CPMG序列不是很适合于研究具有强的偶极相互作用的固体样本，因为组成CPMG序列的pi(π)脉冲旋转不会使附近的氢原子之间的共核偶极-偶极相互作用重聚焦。
更明确地说，固体是通过归因于分子相互作用(所述分子相互作用在液体中一般会归因于布朗运动而被平均)的存在所致的短的横向相干时间来表征。这些各向异性分子相互作用，诸如偶极-偶极相互作用，会导致NMR谱线(峰值)的变宽或横向驰豫时间的变短。举例来说，相隔开核间距离r的两个核自旋I1与I2之间的磁偶极-偶极相互作用的哈密顿量由下式给出
Figure BDA0002391243620000031
其中μ0是真空磁导率，并且h是普朗克常数。当存在多个氢原子时，总的偶极哈密顿量是所有对的方程式(1)的和。在实验室中，可以通过使用魔角自旋(MAS)技术来部分地克服归因于固体中的偶极耦合所致的谱线变宽。参见例如E.R.Andrew,"Magic AngleSpinning",Solid State NMR Studies of Biopolymers,John Wiley&Sons.pp.83–97(2010)。这种技术涉及通过使样本沿着轴线相对于B0成特定角度(～54°)快速地自旋来平均掉所述相互作用，从而导致谱线宽度的显著减小。在实验室中已广泛地使用MAS来研究油田固体以及粘性流体，诸如干酪根、沥青和重油。然而，这种技术在测井中无法在井下实施。
在NMR测井工具中，取决于所述工具，可用的最短回波时间可能是在200μs与1050μs之间。由于含有干酪根的页岩样本的驰豫时间归因于强的偶极相互作用而可能短至100μs，因此无法通过当前的测井工具来准确地测量这样短的驰豫分量。
发明内容
提供本概述是为了介绍一些概念，在下文在具体实施方式中进一步描述所述概念。本概述不意欲标明要求保护的标的的关键或必要特征，也不意欲用作限制要求保护的标的的范围的辅助。
本公开的说明性实施方案包括使样本经受NMR脉冲序列的方法和设备，所述NMR脉冲序列结合了后面跟有谱线窄化脉冲序列的(第一)固态脉冲序列，所述谱线窄化脉冲序列自身是与所述第一固态脉冲序列不同的(第二)固态脉冲序列的重复序列。所述第一固态脉冲序列产生未受到偶极相互作用影响的回波，并且因此，此第一回波的信号被视为样本的总氢含量的表示。所述谱线窄化序列随后产生一连串脉冲，所述脉冲可以用于找到与所述样本中的流体(液体和气体)更相关的样本的氢含量。在一些实施方案中，使用从处理与所述谱线窄化序列回波有关的信息而获得的样本的流体(氢)含量与从处理所述第一回波信息而获得的样本的总氢含量之间的差值来获得所述样本的固体部分的氢含量的指示。
在其他实施方案中，所述NMR脉冲序列结合了包括一连串重复的第一固态脉冲序列的第一谱线窄化脉冲序列，所述第一谱线窄化脉冲序列后面跟着包括一连串第二固态脉冲序列的第二谱线窄化脉冲序列。可以处理由第一谱线窄化脉冲序列产生的回波和由第二谱线窄化脉冲序列产生的回波以获得所述样本中的不同含氢物质的指示。
在其他实施方案中，所述NMR脉冲序列结合了后面跟着谱线窄化脉冲序列的T1脉冲序列。可以处理T1信息和所述谱线窄化脉冲序列的回波以获得T1-化学位移交会图，所述图可以用于辨别出样本中的各种物质。
可以参考结合所提供的图式进行的以下详细描述来理解所公开的设备和方法的额外方面、实施方案、目标和优点。
附图说明
图1是NMR井孔测井工具系统的框图。
图2是NMR井孔测井工具的电路的示意图。
图3a至图3l是结合了固态脉冲序列和谱线窄化序列的十二个不同的NMR脉冲序列的图。
图4a和图4b是分别比较来自图3a的脉冲序列、处理后的固态脉冲序列和处理后的谱线窄化脉冲序列的假设结果与假设的处理后的反演结果的假设图。
图5是结合了使用一连串重复的第一固态脉冲序列的第一谱线窄化序列的NMR脉冲序列的图，所述第一谱线窄化序列后面跟着使用一连串第二固态脉冲序列的第二谱线窄化脉冲序列。
图6a和图6b是分别示出来自图5的脉冲序列的假设回波和处理后的反演结果的假设图。
图7是利用结合了固态脉冲序列与谱线窄化脉冲序列的NMR脉冲序列的处理后的结果的方法的流程图。
图8是对干酪根的样本执行的固体回波固态脉冲序列的结果的强度对地层成熟度的图。
图9是利用结合了第一谱线窄化序列与第二谱线窄化序列的NMR脉冲序列的处理后的结果的方法的流程图。
图10是结合了T1部分与谱线窄化部分的NMR脉冲序列的图。
图11是利用结合了T1部分与谱线窄化序列部分的NMR脉冲序列的处理后的结果的方法的流程图。
图12是由图10的T1 NMR脉冲序列导致的T1-化学位移图。
图13是利用根据图3a至图3l、图5和图10中的任一者的NMR脉冲序列的井口设备的框图。
具体实施方式
本文中示出的具体细节只是举例并且只是用于说明性地论述本公开的实例，并且呈现所述具体细节是为了提供被认为是本公开的原理和概念性方面的最有用和最容易被理解的描述的事物。就此来说，未试图比必要程度更详细地示出细节，结合图式进行的描述使本领域的技术人员了解了本公开的若干种形式实际上可以如何体现。此外，相同的元件符号和标记在各图式中指示相同的元件。
NMR测量系统48如图1中所见包括NMR电缆工具50，所述电缆工具可以被编程有下文描述的一个或多个NMR测量序列。在一个实施方案中，工具50被建构以接收测井序列数据52，所述测井序列数据限定将由所述工具执行的NMR测量序列。数据52又可以包括状态描述符，所述状态描述符中的每一者指示所述NMR测量序列在所述序列的相关联的时间片或间隔期间的状态。因此，归因于此布置，如下文所描述，工具50可以响应于所述状态描述符而产生NMR测量序列。在一些实施方案中，所述状态描述符可以通过处理器或计算机60(例如，位于井的表面处)产生，所述处理器或计算机可以包括相关联的存储器62，如下文所描述，所述存储器经由电缆缆线109将所得数据52传送到工具50。如下文所描述，计算机60还可以经由电缆109从工具50接收磁共振(MR)数据55以便进行处理。可以经由除了上述电缆技术之外的其他技术(例如，在工具50被下放到井下之前经由串行链路)将数据52载入到工具50中。
每个状态描述符与所述NMR测量序列的特定时间间隔相关联并且指示在该时间间隔期间控制工具50的各种信号的逻辑状态。举例来说，特定的状态描述符可以指示确立所传输的射频(RF)脉冲的载波信号的频率的数字信号的状态，并且相同的状态描述符可以指示指示所述载波信号的相位的另一个数字信号的状态，仅举出几个例子。作为另一个实例，如下文所描述，特定的状态描述符可以指示用于操作工具50的开关以产生NMR测量序列的电压的逻辑电平。在一些实施方案中，每个状态描述符还可以指示相关联的时间间隔的持续时间。
工具50可以存储用于若干个NMR测量的状态描述符。以此方式，可以在工具50被下放到井下之前选择将要使用的序列。此外，归因于工具50存储用于多个NMR测量序列的状态描述符的能力，工具50可以在井下使用不同的序列。
工具50包括主体51，所述主体可以具有一个或多个磁体和电路53。所述磁体被配置成产生静场，并且电路53电联接到工具50的NMR传感器57。如下文所描述，所述电路从电缆109接收数据52并且与传感器57交互以执行给定的NMR测量序列并且还将NMR数据55(经由电缆109)传送到计算机60以便进行处理。
参看图2，在一些实施方案中，电路53与计算机60通信以基于状态描述符来执行给定的NMR测量序列，诸如在下文相对于图3a至图3i、图5和图9所描述。为此，将井下控制器110联接到电缆109以与计算机60通信，以便接收数据52并且将所得的状态描述符提供到可编程脉冲序列发生器111。脉冲序列发生器111又执行所述状态描述符以产生控制所述NMR测量序列的信号(在信号线113上)。在NMR测量序列的过程中，脉冲序列发生器111可以执行以下动作：产生操作功率放大器118以产生RF传输脉冲的信号；与共振调谐电路120通信(经由串行总线)以控制主接收天线132(由电感器表示)的共振频率；控制(经由ACQ信号)数字接收器电路114的激活；控制传输电路的激活并产生用于控制电路53的各种开关的信号，如下文进一步描述。
除了脉冲序列发生器111之外，电路53还包括频率合成器116，所述频率合成器联接到脉冲序列发生器111以基于所执行的状态描述符来产生用于电路53的时钟信号。举例来说，频率合成器116可以基于由所执行的状态描述符指示的RF频率和相位来产生时钟信号。脉冲序列发生器111随后可以使用这些时钟信号中的一者来通过与功率放大器118交互而产生RF传输脉冲。总线117在数字接收器114、井下控制器110与脉冲序列发生器111之间建立通信。电路53联接到NMR传感器57的多个天线132、134和136。可以使用主天线132来传输RF脉冲和接收自旋回波信号。在一些实施方案中，使用其他天线134和136来接收自旋回波信号。天线132、134和136可以沿着传感器57的长度分布。
传输脉冲(例如，重聚焦脉冲或偏斜脉冲)的产生可以按以下方式发生。第一，脉冲序列发生器111执行特定的状态描述符，所述描述符指示(经由被称作RF的信号)RF脉冲将在下一个NMR测量状态期间产生。以此方式，在下一个NMR测量状态期间，脉冲序列发生器111使用由频率合成器提供的时钟信号来产生信号以在功率放大器118的输出端处产生RF脉冲。在下一个状态期间，脉冲序列发生器111执行下一个状态描述符，所述状态描述符致使脉冲序列发生器111激活适当的开关以将功率放大器118的输出端子联接到所述三个天线(天线132、134或136)中的一者并且隔离其余的两个天线。此描述符的执行还致使脉冲序列发生器111进行以下行为：使激活开关144以使接收电路的前置放大器146的输入端子短路的信号有效；使去活开关142以使前置放大器146与功率放大器118的输出端子脱耦的信号失效；以及使ACQ信号失效以停用数字接收器114(所述数字接收器从前置放大器146接收输出信号)，仅举出可以通过特定的状态描述符控制的信号的几个实例。
为了接收自旋回波信号，适当的状态描述符致使ACQ信号变为有效以启用数字接收器114；致使BS信号失效以使前置放大器146能够接收信号；以及致使适当的开关有效/失效以将主天线132联接到前置放大器146的输入端子，同时使其余的天线134和136与电路53的其余部分隔离。为了应用于储层岩石，通常希望使用非常短的回波时间，诸如200us、100us或甚至更短。有源RF开关、Q-阻尼电路或有源阻尼接收器电路的使用可以有效地减小系统振铃和缩短回波时间。参见D.I.Hoult,“Fast recovery,high sensitivity NMRprobe and preamplifier for low frequencies”,Review of Scientific Instruments,Vol.58,page 193(1979)。
如图2中所绘示，经由由对状态描述符的执行而产生的信号来控制开关180、开关168和开关166以选择性地将天线132、136和134分别联接到功率放大器118的输出端子。经由由对状态描述符的执行而产生的信号来控制开关182、164和170以选择性地将天线132、134和136的线圈分别转接至接地。
在一个方面中，将了解，可以实施除了图2中所示的电路以外的电路以及除了图1中所示的系统以外的系统以产生NMR脉冲序列并检测由所述NMR脉冲序列与地层的相互作用而导致的信号(即，测量响应)。
现在转向图3a至图3l，提供十二个不同的有利脉冲序列。所述脉冲序列中的每一者结合了：第一固态脉冲序列部分，所述第一固态脉冲序列部分产生不会受到偶极相互作用影响的回波；以及谱线窄化序列部分，所述谱线窄化序列部分利用一连串第二固态脉冲序列。可以通过图1和图2中的系统和设备或者使用其他设备来实施所述脉冲序列中的每一者。
更明确地说，图3a示出被称作单次二次回波脉冲的第一固态脉冲序列部分，所述第一固态脉冲序列部分后面跟着被称作固体回波脉冲序列的重复序列的谱线窄化脉冲序列部分。所述单次二次回波脉冲序列部分包括第一九十度激发脉冲(90x)，在2τ+τp的时间段之后跟有第二九十度激发脉冲(90-y)，在时间段τ之后跟有长度τp的180度脉冲(180x)，在时间段2τ之后跟有各自间隔开时间段2τ的三个180度脉冲(180x、180-x、180-x)，并且跟有另一个九十度激发脉冲(90-y)，在一个实施方案中，所述另一个九十度激发脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化固体回波脉冲序列部分的开头。在此九十度脉冲之后记录第一回波。所述谱线窄化固体回波脉冲序列包括第一九十度激发脉冲与在等待时段τ之后跟着的第二九十度激发脉冲的重复(N次)，其中在所述等待时段期间记录回波。
图3b示出脉冲序列的另一个实施方案，所述脉冲序列利用被称作WAHUHA脉冲序列的固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟着谱线窄化固体回波脉冲序列。所述WAHUHA脉冲序列包括第一九十度激发脉冲(90x)，在时间段τ之后跟有第二九十度激发脉冲(90x)，在时间段τ之后跟有第三九十度激发脉冲(90-y)，在时间段2τ之后跟有第四九十度激发脉冲(90y)，在时间段τ之后跟有第五九十度激发脉冲(90-y)，在一个实施方案中，所述第五九十度激发脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。在此第五九十度脉冲之后记录第一回波。谱线窄化固体回波脉冲序列部分如先前相对于图3a所描述般继续，其中记录额外的回波。
图3c示出脉冲序列的另一个实施方案，所述脉冲序列利用被称作魔术回波脉冲序列的固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟着谱线窄化固体回波脉冲序列。所述魔术回波脉冲序列部分包括第一九十度激发脉冲(90x)，在时间段τ之后跟着第二九十度激发脉冲(90y)，在时段4τ(在所述时间期间提供自旋-锁定+x和-x脉冲)之后跟着另一个九十度激发脉冲(90y)，在一个实施方案中，所述另一个九十度激发脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。在此九十度脉冲之后记录第一回波。谱线窄化固体回波脉冲序列部分如先前相对于图3a所描述般继续，其中记录额外的回波。
图3d示出脉冲序列的另一个实施方案，所述脉冲序列利用固体回波脉冲序列作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟着重复的单次二次回波脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分。如先前所描述，所述固体回波脉冲序列包括第一九十度激发脉冲，在等待时段τ之后跟着第二九十度激发脉冲，其中在所述等待时段期间记录回波。在一个实施方案中，所述第二九十度激发脉冲可能会被考虑并且可以用作所述单次二次回波谱线窄化脉冲序列的开头，所述单次二次回波谱线窄化脉冲序列包括以下项的重复序列：第一九十度激发脉冲(90x)、在时间段2τ+τp之后跟有第二九十度激发脉冲(90-y)、在时间段τ之后跟有长度为τp的180度脉冲(180x)、在时间段2τ之后跟有各自间隔开时间段2τ的三个180度脉冲(180x、180-x、180-x)以及在之后跟有另一个九十度激发脉冲(90-y)，在所述另一个九十度激发脉冲之后记录回波。因为所述单次二次回波脉冲序列重复多(N)次，所以记录由此导致的多个回波。
图3e示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用WAHUHA序列(如相对于图3b所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的单次二次回波脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分(如相对于图3d所描述)。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。请注意，将WAHUHA序列的脉冲相隔开的时间τ1可能会不同于将谱线窄化二次回波脉冲序列的脉冲相隔开的时间τ。
图3f示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用魔术回波脉冲序列(如相对于图3c所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的单次二次回波脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分(如相对于图3d所描述)。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。同样，请注意，所述固态序列的τ1可能会不同于谱线窄化脉冲序列的时间τ。
图3g示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用固体回波脉冲序列(如相对于图3d所描述)作为固体脉冲序列部，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的WAHUHA固态脉冲序列(所述重复的WAHUHA固态脉冲序列如图所示是相对于参看图3b所描述的WAHUHA脉冲序列稍稍被截短，并且仅指示该序列的最后三个脉冲)的谱线窄化脉冲序列部分。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作WAHUHA谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。
图3h示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用单次二次回波脉冲序列(如相对于图3a所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的WAHUHA固态脉冲序列(如相对于图3g所描述)的谱线窄化脉冲序列部分。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。同样，请注意，所述固态序列的τ1可能会不同于谱线窄化脉冲序列的时间τ。
图3i示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用魔术回波脉冲序列(如相对于图3c所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的WAHUHA固态脉冲序列(如相对于图3g所描述)的谱线窄化脉冲序列部分。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。同样，请注意，所述固态序列的τ1可能会不同于谱线窄化脉冲序列的时间τ。
图3j示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用固体回波脉冲序列(如相对于图3d所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的魔术回波脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分(如相对于图3c所描述)。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。
图3k示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用单次二次回波脉冲序列(如相对于图3a所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的魔术回波脉冲序列(如相对于图3c所描述)的谱线窄化脉冲序列部分。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。同样，请注意，所述固态序列的τ1可能会不同于谱线窄化脉冲序列的时间τ。
图3l示出脉冲序列的实施方案，所述脉冲序列利用WAHUHA脉冲序列(如相对于图3b所描述)作为固态脉冲序列部分，所述固态脉冲序列部分后面跟有重复的魔术回波脉冲序列(如相对于图3c所描述)的谱线窄化脉冲序列部分。在一个实施方案中，固态脉冲序列部分的最后一个脉冲可能会被考虑并且可以用作谱线窄化脉冲序列部分的开头。记录由所述固态脉冲序列部分导致的回波，并且记录由谱线窄化脉冲序列部分导致的多个回波。同样，请注意，所述固态序列的τ1可能会不同于谱线窄化脉冲序列的时间τ。
如先前所指示，在图3a至图3l的脉冲序列中的每一者的固态脉冲序列部分之后记录回波，并且在图3a至图3l的谱线窄化脉冲序列部分的每个子序列之后记录额外的回波。如将在下文中更详细地描述，所述固态脉冲回波的幅值指示样本的总氢含量，所述总氢含量可以包括被研究的样本的固体与流体中所含的氢，而谱线窄化脉冲序列的回波可以基于样本中所含的特定物质的移动性或粘性的差异而指示所述特定物质中所含的氢。结果，可以利用幅值之间的差值来提供对样本中的不同物质(诸如具有各种粘度、束缚水或自由水和气相的油)的含量的指示。
现在转向图4a，会看到由利用图3c的脉冲序列(固态魔术回波脉冲序列后跟着谱线窄化固体回波脉冲序列)来研究含有固体烃和流体烃的样本而导致的所记录的回波的假设幅值(强度)图。将所述回波信息与由使用谱线窄化魔术回波脉冲序列和使用谱线窄化固体回波脉冲序列来研究相同的样本而导致的所记录的回波进行比较。提供包括固态魔术回波脉冲序列以及后面跟着的谱线窄化固体回波脉冲序列的脉冲序列使得第一回波能够携载来自固体的信息以及使通过谱线窄化固体回波脉冲序列重聚焦的其余回波对流体敏感。
在使用快速逆拉普拉斯变换来反演图4a的回波数据信息之后获得的假设结果见于图4b中。更明确地说，图4b提供由对由所述脉冲序列中的每一者导致的数据的处理而导致的T2分布图。在相应曲线下面的面积与图4a中的第一回波的强度成正比，所述强度又与样本的总氢含量相关。另外，魔术回波-谱线窄化固体回波序列的T2分布提供关于样本的流体部分的氢含量和移动性的信息，所述氢含量和移动性是独特的并且不同于谱线-窄化固体回波和谱线窄化魔术回波序列结果。
根据一个方面，提供脉冲序列的额外实施方案，所述脉冲序列可用于分析含烃样本。所述脉冲序列中的每一者结合了产生第一回波的第一谱线窄化脉冲序列部分以及产生第二回波的第二谱线窄化脉冲序列部分。可以通过图1和图2中的系统和设备或者使用其他设备来实施所述脉冲序列中的每一者。更明确地说，修改图3a至图3l的脉冲序列中的每一者，使得固态脉冲序列重复M次以构成第一谱线窄化脉冲序列部分，并且谱线窄化部分后面跟有所描述的第二谱线窄化脉冲序列部分。这样的脉冲序列的一个实例见于图5中，其中利用重复(M)的魔术回波脉冲序列的第一谱线窄化脉冲序列部分后面跟有利用重复(N)的固体回波脉冲序列的第二谱线窄化脉冲序列部分。图5的2D脉冲序列类似于图3c的脉冲序列，差别是所述序列的魔术回波脉冲序列部分重复M次。
现在转向图6a，会看到由利用图5的脉冲序列通过含有固体烃和流体烃的样本的井孔工具进行的研究所导致的所记录的回波的幅值(强度)的假设图。在使用2D逆拉普拉斯变换来反演图5的回波数据信息之后获得的假设结果见于图6b中。更明确地说，图6b示出由处理由结合了魔术回波谱线窄化脉冲序列部分的脉冲序列导致的数据而导致的假设分布图，所述魔术回波谱线窄化脉冲序列部分后面跟着固体回波脉冲序列部分，其中对照由处理来自固体回波谱线窄化序列的回波数据而获得的T2SE-谱线窄化值来标绘由处理来自魔术回波谱线窄化序列的回波数据而获得的T2-ME-谱线窄化值。如图6b的2D图中所见，可以使用所确定的驰豫时间的比率和绝对值来识别样本的特性，并且明确地说，可以识别样本中的不同物质(诸如干酪根区别于沥青和其他较轻流体)，因为不同物质的T2-ME-谱线窄化/T2-SE-谱线窄化比率是不同的。
在一个实施方案中，如图7中所示的方法包括在204时将NMR工具定位在井孔中并且在206时激活所述工具以根据图3a至图3l的脉冲序列中的任一者来产生脉冲序列。在208时，检测、记录和处理由所述脉冲序列导致的回波。在210时，使用由所述脉冲序列的脉冲窄化序列部分导致的回波的强度来确定样本的特性，并且明确地说是样本的总有机氢含量。在220时，使用由所述脉冲序列的谱线窄化部分导致的回波系列来找到样本的特性，例如，样本的流体有机氢含量的强度。这可以通过从所述一连串回波中找到T2衰减并且计算时间t＝0时的强度来完成。在230时，找到由所述脉冲窄化序列部分导致的回波的强度与由所述谱线窄化部分导致的回波的强度之间的差异并且将所述差异归到样本的特性，诸如样本(例如干酪根)的固体有机氢含量。在240时，任选地使用样本的固体有机氢含量来找到由样本表示的地层的成熟度的指示(如下文参看图8来论述)，所述指示可以用于作出关于地层的开采的决策。
在一个实施方案中，可以在地层的多个深度处重复步骤204–230或204–240，并且可以将各种深度处的固体有机氢含量和/或成熟度指示彼此进行比较。同样，此信息可以用于作出关于地层的开采的决策。
图8是针对不同成熟度的各种样本，经由固体回波脉冲序列所获得的T2信号的积分对样本的成熟度的图。更明确地说，从图8中可以看到使用谱线窄化脉冲序列测量的总有机氢与使用镜质体反射率测量的成熟度相关。成熟的过程会归因于干酪根转化成烃(诸如逸出的油和气体)而导致干酪根中的总有机氢减少。因此，干酪根样本的总有机氢含量预计会随着成熟度而减少。
现在转向图9，根据另一个实施方案，在304时将NMR工具定位在井孔中并且在306时激活所述工具以根据参看图5所论述的脉冲序列中的任一者而产生脉冲序列。在308时，检测、记录和处理由所述脉冲序列导致的回波。在一个实施方案中，所述处理涉及2D逆拉普拉斯变换。在310时，使用由所述脉冲序列的二维谱线窄化序列部分导致的第一回波的强度来确定样本的特性，并且明确地说是样本的总有机氢含量。在320时，使用由所述脉冲序列的第二谱线窄化部分导致的回波来找到样本的特性，并且明确地说是样本的流体有机氢含量的强度。这可以通过从回波中找到T2衰减并且计算时间t＝0时的强度来完成。在330时，找到脉冲窄化序列部分的结果与来自第二谱线窄化部分的结果之间的差异并且将所述差异归到样本的特性，诸如样本(例如干酪根)的固体有机氢含量。在340时，任选地使用样本的固体有机氢含量来找到由样本表示的地层的成熟度的指示，所述指示可以用于作出关于所述地层的开采的决策。
在一个实施方案中，在350时，使用由所述脉冲序列的第一二维脉冲窄化部分导致的多个回波来产生T2图，诸如图4a中所示的T2图，可以将所述T2图倒置并且与从所述序列的第二脉冲窄化脉冲部分的回波获得的T2图结合使用来获得如图6b中所见的比率T2-谱线窄化-1/T2-谱线窄化-2。如图6b中所见，可以使用驰豫时间的比率和绝对值来识别样本的特性，并且明确地说是样本中的不同物质(诸如干酪根区别于沥青和其他较轻流体)，因为不同物质的T2-谱线窄化-1/T2-谱线窄化-2比率是不同的。此信息还任选地用于找到由所述样本表示的地层的成熟度的指示，所述指示可以用于作出关于所述地层的开采的决策。
在另一个实施方案中，在308时，代替利用2D逆拉普拉斯变换，使用逆拉普拉斯变换与傅里叶变换的组合来处理所检测到的回波数据以获得T2-谱线窄化-化学位移图，所述T2-谱线窄化-化学位移图可以区分出样本的不同组分并且可以在355时标绘所述图。
在一个实施方案中，可以在地层的多个深度处重复步骤304至330、或304–340、或304–308和350、或304-308和350(或其任何组合)。可以将从各种深度获得的信息彼此进行比较。同样，此信息可以用于作出关于所述地层的开采的决策。
转向图10，会看到另一个脉冲序列实施方案，并且所述脉冲序列实施方案包括：T1脉冲序列部分，所述T1脉冲序列部分包括相隔时间τ1并且在改变时间τ1的同时重复M次的九十度脉冲；和二维(固体回波类型)谱线窄化脉冲序列部分，所述二维(固体回波类型)谱线窄化脉冲序列部分包括一连串(N)个九十度脉冲并在所述脉冲之间产生回波。将了解，在图10中所示的脉冲序列中，所述序列的固体回波谱线窄化脉冲序列部分利用前面的T1脉冲序列部分的最后一个脉冲作为其第一脉冲，但是此种情形并非必须的。
虽然图10示出了T1脉冲序列后跟着2D固体回波谱线窄化序列的序列，但是根据另一个方面，T1序列可以被添加到图3a至图3l的脉冲序列中的任一者。使用2D逆拉普拉斯变换来处理将会给出T1-T2谱线窄化图，所述T1-T2谱线窄化图将会区分开样本的不同组分。利用逆拉普拉斯变换与傅里叶变换的组合进行处理也可以用于获得T1-化学位移图，所述T1-化学位移图将区分开样本的不同组分。因此，根据一个方面，图11中示出了一种方法，所述方法包括：在404时将工具定位在井孔中；在406时激活所述工具并且产生具有T1脉冲序列部分后面跟着谱线窄化序列部分的脉冲序列；以及在408时检测、记录和处理回波，其中所述处理可以包括进行2D逆拉普拉斯变换和/或逆拉普拉斯和傅里叶变换。在450时，如果利用2D拉普拉斯逆变换，那么标绘并显示T1-T2谱线窄化图。在455时，如果利用逆拉普拉斯和傅里叶变换，那么标绘并显示T1-化学位移图。在任一种情况中，所得的图都将提供关于样本中的多种物质的信息并且可以用于作出关于地层的开采或处理的决策。另外，可以通过将所述工具移动到井孔中的另一个位置并且重复步骤404-408和450和/或455来继续所述方法。
T1-化学位移图见于图12中，其中两种组分(即，HFB和单晶CaF2)的氟谱的化学位移尺寸明显分开，并且可以测量到其不同的驰豫时间。明确地说，在化学位移为约58ppm并且T1是约7秒时，可见一信号并且所述信号达到约2x104的最大强度的幅值。在化学位移为0ppm(无化学位移)并且T1是开始于1秒并且延长至6秒时，可见到达到约2.5x104的最大强度的幅值的第二明显分开的信号。
根据另一个方面，先前描述的脉冲序列可以在井口(例如，在实验室中)使用来表征样本，仅举例来说，诸如页岩样本。更明确地说，转向图13，NMR设备500包括：计算机或处理器560；脉冲编程器511，所述脉冲编程器在计算机或处理器560中实施并且被编程以产生结合图3a至图3l、图5和图10中的任一者所描述的脉冲序列；发射器528；磁体531；探针533，所述探针具有样本(未图示)可以位于其中的线圈(未图示)；接收器534；模/数转换器550；以及累加器580和傅里叶变换器590，所述累加器和傅里叶变换器也可以独立地实施或通过计算机或处理器560实施。通常，所述样本(未图示)可以在由磁体531和探针533产生的磁场内旋转。这与图1的井下工具50截然不同，在所述井下工具中，样本是工具所处于的固定地层。将所述发射器、栅极和功率放大器528与探针533一起使用来产生结合图3a至图3l、图5和图10所描述并且在脉冲编程器511中编程的脉冲序列，使得通过接收器534获得所得的回波信号并且通过模/数转换器550、累加器580和傅里叶变换器590来处理所述所得的回波信号。
在一个方面中，上文描述的方法和过程中的一些(诸如产生所要的脉冲序列和处理由所述脉冲序列导致的所测得的回波)至少部分地通过计算机或处理器来执行。术语“计算机”和“处理器”不应被理解为将本文中公开的实施方案限于任何特定的装置类型或系统。处理器可以包括计算机系统。所述计算机系统还可以包括用于执行上文描述的方法和过程中的任一者的计算机处理器(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器或通用计算机)。所述计算机系统还可以包括存储器，诸如半导体存储器装置(例如，RAM、ROM、PROM、EEPROM或快闪可编程RAM)、磁性存储器装置(例如，软盘或固定磁盘)、光学存储器装置(例如，CD-ROM)、PC卡(例如，PCMCIA卡)或其他存储器装置。
上文描述的方法和过程中的一些可以实施为用于与计算机处理器一起使用的计算机程序逻辑。所述计算机程序逻辑可以体现为各种形式，包括源代码形式或计算机可执行形式。源代码可以包括用各种编程语言(例如，目标代码、汇编语言或高级语言(诸如C、C++或JAVA))编写的一连串计算机程序指令。此类计算机指令可以存储在非暂时性计算机可读介质(例如存储器)中并且由所述计算机处理器执行。所述计算机指令可以作为具有伴随的印刷或电子文档(诸如压缩打包软件)的可移除存储介质以任何形式来分发、通过计算机系统预载(例如，在系统ROM或固定磁盘上)或从服务器或电子公告牌经由通信系统(例如因特网或万维网)来分发。
可选地或另外地，所述处理器可以包括联接到印刷电路板、集成电路(例如，专用集成电路(ASIC))和/或可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列(FPGA))的离散电子部件。可以使用此类逻辑装置来实施上文描述的方法和过程中的任一者。
虽然在上文仅详细地描述了几个实例，但是本领域的技术人员将容易地了解到在未实质偏离本公开的情况下在所述实例中许多修改是可能的。因此，仅举例来说并且不作限制，虽然各种实施方案描述了特定的谱线窄化脉冲序列，但是其他谱线窄化脉冲序列可以用于所述谱线窄化脉冲序列部分。此外，虽然特定的电路被描述为用于产生所述脉冲序列，但是将了解，可以利用其他电路。因此，所有此类修改意欲包括在如在以下权利要求书中限定的本公开的范围内。在权利要求书中，手段加功能语句意欲涵盖本文中被描述为执行所述功能的结构并且不仅包括结构等效物而且还包括等效结构。除了权利要求明确将词语“用于……的装置”与相关联的功能一起使用的那些情况之外，本申请人明确不希望对本文中的任一项权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段。

Claims (19)

1.一种核磁共振(NMR)工具，所述NMR工具包括：
磁体；
发射器，所述发射器包括脉冲序列发生器和功率放大器，其中所述脉冲序列发生器产生NMR脉冲序列，所述NMR脉冲序列包括：第一部分，所述第一部分包括第一类型的固态脉冲序列；和谱线窄化脉冲序列部分，所述谱线窄化脉冲序列部分利用与所述第一类型不同的第二类型的重复固态脉冲序列；
接收器，所述接收器包括至少一个天线，所述至少一个天线被布置成检测由NMR场与样本的相互作用而产生的信号，所述信号包括跟着所述固态脉冲序列部分的至少一个第一回波以及在所述谱线窄化脉冲序列部分的脉冲之间的多个第二回波；以及
处理器，所述处理器处理所述至少一个第一回波和所述多个第二回波并且确定所述样本的氢含量的指示。
2.如权利要求1所述的NMR工具，其中所述处理器使用逆拉普拉斯变换来处理所述第一回波和所述多个第二回波。
3.如权利要求1所述的NMR工具，其中所述NMR工具包括主体和联接到所述主体的电缆，所述磁体、所述发射器和所述接收器位于所述主体中。
4.如权利要求1所述的NMR工具，其中所述NMR脉冲序列的所述第一部分包括利用所述第一类型的重复固态脉冲序列并且产生多个第一回波的另一个谱线窄化脉冲序列部分。
5.如权利要求4所述的NMR工具，其中所述处理器使用逆2D拉普拉斯变换来处理所述第一多个第一回波和所述多个第二回波。
6.一种核磁共振(NMR)工具，所述NMR工具包括：
磁体；
发射器，所述发射器包括脉冲序列发生器和功率放大器，其中所述脉冲序列发生器产生NMR脉冲序列，所述NMR脉冲序列包括T1脉冲序列部分和利用重复固态脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分；
接收器，所述接收器包括至少一个天线，所述至少一个天线被布置成检测由NMR场与样本的相互作用而产生的信号，所述信号包括在所述谱线窄化脉冲序列部分的脉冲之间的多个回波；
处理器，所述处理器处理所述检测到的信号并且确定所述样本的氢含量的指示。
7.如权利要求6所述的NMR工具，其中所述处理器使用2D逆拉普拉斯变换来处理所述信号。
8.如权利要求6所述的NMR工具，其中所述处理器使用逆拉普拉斯变换与傅里叶变换的组合来处理所述信号并且产生T1-化学位移图，所述T1-化学位移图将所述样本的多种物质彼此区分开。
9.如权利要求6所述的NMR工具，其中所述NMR工具包括主体和联接到所述主体的电缆，所述磁体、所述发射器和所述接收器位于所述主体中。
10.一种研究具有有固体氢含量的固体部分和有流体氢含量的流体部分的样本的方法，所述方法包括：
产生NMR场并使所述样本经受所述NMR场，所述NMR场根据NMR脉冲序列而改变，所述NMR脉冲序列包括具有第一类型的固态脉冲序列的第一部分和具有谱线窄化脉冲序列的第二部分，所述谱线窄化脉冲序列利用与所述第一类型不同的第二类型的重复固态脉冲序列；
检测由所述NMR场与所述样本的相互作用而产生的信号，所述信号包括跟着第一类型部分的所述固态脉冲序列的至少一个第一回波以及在所述谱线窄化脉冲序列的脉冲之间的多个第二回波；以及
处理所述至少一个第一回波和所述多个第二回波以确定所述样本的氢含量的指示。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述处理包括进行逆拉普拉斯变换。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述NMR脉冲序列的所述第一部分包括利用所述第一类型的重复固态脉冲序列并且产生多个第一回波的另一个谱线窄化脉冲序列部分。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述处理包括使用2D逆拉普拉斯变换来处理所述第一多个第一回波和所述多个第二回波。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法还包括使用所述2D逆拉普拉斯变换的结果来产生图T2-谱线窄化-T2-谱线窄化图。
15.一种研究具有有固体氢含量的固体部分和有流体氢含量的流体部分的样本的方法，所述方法包括：
产生NMR场并使所述样本经受所述NMR场，所述NMR场根据NMR脉冲序列而改变，所述NMR脉冲序列包括T1脉冲序列部分和利用重复固态脉冲序列的谱线窄化脉冲序列部分；
检测由所述NMR场与所述样本的相互作用而产生的信号，所述信号包括在所述谱线窄化脉冲序列部分的脉冲之间的多个回波；
处理所述检测到的信号并且确定所述样本的氢含量的指示。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述处理包括进行逆拉普拉斯-拉普拉斯变换。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述处理包括进行逆拉普拉斯变换与傅里叶变换的组合。
18.如权利要求17所述的方法，所述方法还包括使用逆拉普拉斯变换与傅里叶变换的所述组合的结果来产生T1-化学位移图。
19.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括使用T1-化学位移图来将所述样本的多种物质彼此区分开。
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