CN1246624A

CN1246624A - 消除核磁共振测量期间的振荡的方法

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Publication number: CN1246624A
Application number: CN99108527.2A
Authority: CN
Inventors: 孙博芹; R·塔赫里安
Original assignee: Schlumberger Overseas SA
Current assignee: Schlumberger Overseas SA
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2000-03-08
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: US6121774A; EP0967490A3; ID23279A; EP0967490B1; NO993044D0; EG22220A; NO324658B1; CN1195994C; NO993044L; AR018678A1; CA2273126C; AU715153B1; CA2273126A1; EP0967490A2

Abstract

本发明一般地涉及在测量钻孔所穿越的地层的核磁共振特性时消除振荡的方法。测量可以在钻孔过程中或利用有线设备进行。在单个脉冲序列的第一时间周期中,测量结果包括所需要的自旋回波和不希望有的结果,即,振荡、测量噪声和基线偏移。在单个脉冲序列的第二时间周期中,消除自旋回波,但不消除不希望有的结果。利用在第二时间周期收集的信号校正在第一时间周期测得的信号,以便消除振荡、测量噪声和基线偏移。

Description

消除核磁共振测量期间的振荡的方法

一般的说，本发明涉及测量钻孔所穿过的地层的核磁共振特性的方法，更具体地说，涉及消除核磁共振(NMR)测量过程中诸如磁声振荡等振荡的任何方法。

钻孔核磁共振测量提供关于储层的不同类型的信息。首先，这种测量结果提供地层中流体数量的指示。其次，这种测量结果提供关于该流体是被地层岩石包围，还是不被包围，可以自由生产的细节。最后，这种测量结果可以用来识别流体的类型-水、气或油。

获得核磁共振测量的一个途径是采用局部产生的静态磁场B₀，后者可以由一块或多块永久磁铁或电磁铁产生；以及振荡磁场B₁，后者可以由一个或多个射频天线产生，以激励和检测核磁共振，以便测量空隙率，自由流体比率、岩层的渗透率。见颁发给Taicher等人的美国专利No.4,717,878和颁发给Kleinberg等人的美国专利No.5,055,787。就产生核磁矩的时间常数T₁而言，核自旋与所加的磁场B₀对中。可以通过施加与静态磁场B₀垂直的射频磁场B₁来改变核磁化与所加的场之间的角度。射频场的频率等于由ω₀＝γB₀给出的拉莫尔频率，式中γ是旋磁比。施加射频脉冲之后，磁化开始围绕B₀旋进，并产生可在天线上检测的信号。这种由天线检测到的信号包括干扰自旋回波测量的寄生的虚假的振荡。

虚假信号的一种来源是金属中超声驻波的电磁生成。见E.Fukushima和S.B.W.Roeder脉冲核磁共振中的虚假振荡，33 J.Magn.Res.199-203(1979)。正如Fukushima等人文章所解释的，在金属趋肤效应深度内感应的射频电流通过劳伦茨力与静态磁场中的晶格反应，而且相干的超声波进入金属中传播，形成驻波。在有静态磁场存在的情况下，逆机理将声能转化为振荡磁场，后者由天线拾取成为虚假的振荡信号。

不同类型的磁声互作用会在NMR天线上产生寄生信号。天线连线和NMR记录设备的其它金属部件可能受静态磁场和天线所产生的射频场影响。若天线处在磁铁场的最强部分，则当射频脉冲加在天线上时，天线内便产生声波，天线经受进行中的一系列衰减的机械振荡，本专业技术人员称之为磁声振荡。这种振荡会在天线内引起大电压，叠加在由自旋回波感应的电压测量值上。

磁声互作用的另一个来源是磁约束振荡，后者典型地是当在天线内使用非导电性磁性材料，诸如磁性铁氧体时引起的。若这种磁性材料处于射频场的强的部分，则施加射频脉冲就会在磁铁内产生声波。在射频脉冲停止时该磁铁经历一系列衰减的机械振动。磁约束振荡也能在天线内引起大电压，叠加在由自旋回波感应的电压测量值上。

例如，在颁发给Taicher等人的美国专利No.5,712,566中描述了一种减轻磁声互作用的一类良好的NMR记录设备。在‘566专利中公开的设备包括永久磁铁，后者包括做成环柱形的硬质铁氧体磁铁材料，具有与该设备的纵轴平行的圆孔。一个或多个接收线圈布置在该磁铁的外表面上。射频发射线圈位于该磁铁孔内静态磁场为0的地方。发射线圈绕组围绕软质铁氧体棒形成。这样，磁声线圈的振荡由于发射线圈的结构而减小了。由于使用带有铁氧体棒的纵向偶极子天线，射频场强的径向依赖关系相对较小，所以磁铁的磁约束振荡减小了。另外，因为接收线圈基本上消除了接收线圈与磁约束的逆效应造成的寄生磁通的耦合，所以磁约束振荡减小了。

‘566专利中所公开的设备有几个缺点。首先，永久磁铁材料必须是非电导性的，使得用来产生射频磁场的天线可能处于所述孔内。其次，因为把天线置入孔内，所以，天线的效率由于天线离地层的距离而降低。‘566专利描述了一个替代实施例，其中磁铁孔沿着径向移向磁铁的外表面。在‘566专利最佳的和替代的实施例中，把天线放置在磁铁孔内增大了天线到地层中的探查容积的径向距离。在实际钻孔布满皱纹的情况下，探查容积可以位于钻孔本身以内，而不是整个在地层内。

通常借助相位交变脉冲序列来消除由CPMG序列的180°脉冲引起的磁声互作用。如上所述，例如在颁发给Abdurrahman Sezginer的美国专利No.5,596,274和颁发给Kleinberg等人的美国专利No.5,023,551中，脉冲序列，诸如Carr-Purcel-Meiboom-Gill(CPMG)序列等，首先施加激励脉冲，90°脉冲，引起自旋，以便开始进动。自旋倾斜90°之后，开始相移，再聚焦脉冲的载波，180°脉冲，相对于90°脉冲的载波、按照以下序列：

CPMG(±)＝90°_±x[t_cp180°_y t_cp±echo_j]，

发生相移。上式中括号中的表达式对于j＝1，2，...J重复，其中J是在单一的CPMG序列中收集的回波数，而t_cp是回波间隔的一半。90°_±x表示使自旋绕±x轴(相位交变)旋转90°角的射频脉冲。类似地，180°_y表示使之绕y轴旋转180°角的射频脉冲。180°脉冲引起的振荡通过组合一对相位交变CPMG序列来消除，就是说，从相邻的CPMG(⁺)中的回波减去CPMG(^-)中的回波。一般说来，90°脉冲引起的振荡忽略不计。除振荡以外，电子测量电路会引入基线偏移，使得绝对回波强度测量变得比较困难。相位交变脉冲序列操作还消除可能出现在测量中的虚假基线。

相位交变序列的缺点是要求测量两个脉冲序列周期。因此，以这种方式用NMR记录设备进行的测量由于记录速度、每一个脉冲序列之间的等待时间和数据采集时间而使垂直分辨率降低。另外，记录设备在每一次测量之间沿着钻孔的纵轴移动。CPMG(^±)序列引起的回波可能是用面向不同地层的设备测量的，其中每一个地层具有不同的导电率。实验室测试表明，磁声互作用受地层导电率影响。

图1a-1c表示NMR测量的实验结果，其中相位交变脉冲序列是在两种不同的导电率的情况下测量的。正相位周期测量结果(图1a)是从0.25Ω-m(欧姆-米)的水样本获得的，而负相位周期测量结果(图1b)是从0.9Ω-m(欧姆-米)的水样本获得的。图1a表示正相位回波，基线偏移量和来自180°脉冲的最小振荡，而图1b举例说明负相位回波，基线偏移量和来自180°脉冲的相当大的振荡。当这些信号通过从正相位周期获得的信号减去负相位周期获得的信号而组合时，得到了图1c所描述的结果，它表明相位交变脉冲序列并未完全消除振荡和基线偏移量。

先有技术的上述缺点用本发明克服，本发明包括一种在对钻孔周围的地层进行核磁共振特性测量时消除振荡的方法。静态磁场施加在大块地层中，它使大块地层内的自旋核极化。把多个周期的选定的脉冲序列的振荡磁场施加在大块地层中，使得在该大块地层中产生核磁共振信号。在单个脉冲序列周期的第一时间周期中，把第一组多个振荡脉冲施加在大块地层中，测量在地层中产生的信号。测得的信号包括振荡成分和多个自旋回波。然后，消除自旋回波。在单个脉冲序列周期的第二时间周期中，把第二组多个振荡脉冲施加在大块地层中，测量在地层中产生的信号。测得的信号包括振荡成分，并基本上排除自旋回波。修正第一时间周期测得的信号，以消除振荡成分。

在第二时间周期测得的信号可能还包括多个受激回波。在第二时间周期中，可以采用在时间延迟之后重复地施加短脉冲、以便破坏受激回波和自旋回波的方法来消除自旋回波和受激回波。作为另一方案，在第二时间周期中，可以应用相位交变脉冲序列来破坏受激回波和自旋回波。

本发明包括一种在测量钻孔周围地层的核磁共振特性时消除基线信号的方法。把静态磁场施加在大块地层中，它使地层内的自旋核极化。把多个周期的选定的脉冲序列的振荡磁场施加在大块地层中，使得大块地层内产生核磁共振信号。在单个脉冲序列周期的第一时间周期中，把第一组多个振荡脉冲施加在大块地层中，测量地层中所产生的信号。测得的信号包括基线成分和多个自旋回波。消除自旋回波。在单个脉冲序列周期的第二时间周期中，把第二组多个振荡脉冲施加在大块地层中，测量地层中所产生的信号。测得的信号包括基线成分，并基本上排除自旋回波。修正第一时间周期期间测得的信号，以消除基线成分。

从下面对附图的描述将明白本发明的优点。应该明白，附图仅用于举例说明的目的，而不用于限定本发明。

附图中：

图1a-1c描述地层电导率对利用相位交变脉冲序列的核磁共振测量的影响；

图2举例说明按照本发明最佳实施例的新型脉冲序列；

图3举例说明作为把新型脉冲序列用于核磁共振测量的结果而获得的实验室数据；以及

图4a-4b把用振荡抑制器(RingKiller)修正的数据与用相位交变脉冲序列修正的数据加以比较。

参考图2，图中示出了CPMG脉冲-回波序列，它举例说明在核磁共振测量过程中出现的诸如磁声振荡等振荡，以及基线偏移。本专业技术人员已知的其它脉冲序列，诸如反演的Carr-Purcell序列(CPI)等亦在本发明的考虑之列。见T.C.Farrar和E.D.Becker的Pulseand Fourier Transform NMR(脉冲与富里埃变换核磁共振)(AcademicPress，1971)。本发明首先在单个脉冲序列期间测量所需要的回波强度16和不希望有的结果18，就是说振荡、测量噪声及基线偏移。在单个脉冲序列期间，利用下面被称作”RingKiller Approach”(振荡抑制器)“破坏”(亦即，消除)自旋回波，而不是不希望有的结果18。在单个脉冲序列期间破坏自旋回波之后，测量不希望有的结果18，并用来修正第一次测得的自旋回波和不希望有的结果18，以消除第一次测得的数据中的振荡成分、测量噪声和基线偏移。本发明最好用来消除180°脉冲造成的振荡，但是，它可以用来消除来自任何长度的脉冲的振荡，而不限于消除180°或者甚至90°脉冲造成的振荡。

采用振荡抑制器，执行包括激发脉冲12和一序列再聚焦脉冲14的CPMG序列。测得的信号包括自旋回波16和不希望有的结果18，包括振荡、测量噪声和基线偏移。测得的信号可以写成以下形式：S_nk＝S_echo，n(kΔt)+R_180，n(kΔt)+S_noise，n(kΔt)+d.c.对于1≤n≤N₁ and 1≤k≤M(1)和S_nk′＝R_180，n(kΔt)+S_noise，n(kΔt)+d.c. 对于N₁+1≤n≤N₂ and 1≤k≤M(2)

式中S_echo，n(t)表示第n个回波信号，R_180，n(t)是相应的振荡信号，S_noise，n(t)是测量噪声，d.c.是基线偏移，Δt是接通时间(dwelltime)，N₁是存在回波16的周期数，N₂是实验的周期总数，而M是每个回波周期的样值数。方程式1描述破坏回波之前的信号，而方程式2表示破坏自旋回波之后的信号。破坏自旋回波之后的平均振荡信号是：

对于1≤k≤M (3)

只要在测量期间设备电子线路保持稳定，平均振荡信号便包括振荡、噪声和基线偏移等不希望有的结果18。采用振荡抑制器，测得的数据，S_nk，按照下式对不希望有的结果18进行修正：S_RK，nk＝S_nk- R_180，k＝S_echo，n(kΔt)+S_noise，n(kΔt) 对于1≤n≤N₁ and 1≤k≤M.(4)

获得核磁共振测量值用的电子电路在高温环境下会受到温度不稳定性的影响。图3举例说明温度不稳定性对核磁共振数据的影响，其中再聚焦脉冲序列14期间产生的射频高功率逐渐地加热电子电路，从而改变系统的响应。仍参照图3，振荡信号的振幅在CPMG序列期间经历了线性变化。在这个特定的实例中，振荡抑制器按照下式考虑这种线性影响：

S_RK，nk＝S_nk-(a+bn) R_180，k-(1-a-bn)d.c.对于1≤n≤N₁ and 1≤k≤M (5)

式中a是第一振荡振幅与平均振荡振幅的比值，而b是振荡强度变化的斜率。一般说来，可以用式5的其它适当的形式来考虑非线性变化的影响。

在本发明的最佳实施例中，利用下文中称作“丢失180°脉冲”法的破坏方法，来消除N₁和N₁+1之间时间间隔中的自旋回波。参照图2，采用丢失180°脉冲法，在一段长T_CPMG的时间内记录回波16以及包括振荡、测量噪声和基线偏移等不希望有的结果18，其中N₁是存在回波16的周期数。对于时间周期N₁+1，再聚焦脉冲至少延迟2T_E(其中T_E＝回波间隔)，后跟(N₂-N₁)个相隔T_E再聚焦脉冲14’。在正常脉冲序列中，这种延迟相当于丢失至少一个180°脉冲。丢失至少一个180°脉冲的结果是，自旋散焦至少1.5T_E。然后，在下一个180°脉冲建立散焦方向上的自旋之前，仅在T_E内建立在聚焦方向上的自旋。自旋没有机会完成再聚焦，从而破坏任何随后的自旋回波。

参照图3，对丢失180°脉冲破坏法进行了测试，并在实验室利用含有NiCl₂溶液的水样本进行了测量。由于电子电路的温度不稳定性，利用振荡抑制器修正后的测量信号是：

S_RK，nk＝S_nk-(a+bn) R_180，k-(1-a-bn)d.c.

对于0≤t≤64(毫秒)

式中a＝0.8，b＝0.005，以及

{\overline{R}}_{180, k} = \frac{1}{N_{2} - N_{1}} Σ_{N_{1} + 1}^{N_{2}} S_{nk}^{'}

对于64(毫秒)≤t≤120(毫秒)

图4a-4b把在自旋回波存在的较早期间(0≤t≤4毫秒)(图4a)，和在自旋回波存在的较晚期间(59.5毫秒≤t≤63.5毫秒)(图4b)用振荡抑制器修正的数据与相位交变脉冲序列数据进行了比较。实验室结果表明，利用振荡抑制器从单一脉冲序列获得的回波波形和强度与从一对相位交变脉冲序列获得的基本上相同。

核磁共振测量结果很好地响应丢失180°脉冲破坏法，其中样值具有相对较快的纵向松弛时间(T₁)。对于具有较慢T₁的样值，由于射频磁场中的不均匀性的缘故会产生受激回波。利用各种破坏法消除受激回波。在单个CPMG序列过程中，通过在短的时间延迟t_delay之后重复施加θ度的短脉冲来消除受激回波。重复这一序列使自旋随机化，并破坏受激回波和自旋回波。

或者，利用相位交变180°脉冲序列来消除受激回波。在单个CMPG序列过程中，通过在时间延迟t_delay之后在(+y)方向上施加180°脉冲，然后在(-y)方向上施加180°脉冲来消除受激回波。重复这一序列使自旋随机化，并破坏受激回波以及自旋回波。振荡抑制器不限于上述破坏技术。其它消除自旋回波但不消除不希望有的结果的方法，都在本发明考虑之列。

在本发明一个替代的实施例中，通过在长T_CPMG的时间之后关闭再聚焦脉冲并进行基线修正(下称“基线法”)来消除自旋回波。基线法用于导电率非常高、并且其中振荡造成的不希望有的结果可以忽略不计的样本。见图1a。采用基线法，执行包括激励脉冲和一序列再聚焦脉冲的CMPG脉冲。测得的信号包括自旋回波和包括测量噪声以及基线偏移的不希望有的结果。在基线法中，测得的信号可以写成以下形式：S_nk＝S_echo，n(kΔt)+S_noise，n(kΔt)+d.c. 对于1≤n≤N₁ and 1≤k≤M (6)以及S_nk′＝S_noise，n(kΔt)+d.c. 对于N₁+1≤n≤N₂ and 1≤k≤M (7)

式中S_echo，n(t)表示第n个回波信号，S_noise，n(t)是测量噪声，d.c.是基线偏移，Δt是接通时间，N₁是存在回波的周期数，N₂是实验的周期总数，而M是每个回波周期的样值数。关闭再聚焦脉冲之后，平均基线信号为：

只要在测量过程中设备电子线路保持稳定，平均基线信号便包括基线偏移的不希望有的结果。采用基线法，测得的数据按照下式对不希望有的结果进行修正：S_BL，nk＝S_nk- S_BL＝S_echo，n(kΔt)+S_noise，n(kΔt) 对于1≤n≤N₁ and 1≤k≤M. (9)

另外，在高温环境下，可以对测得的数据进行关于电子电路的温度不稳定性的修正。

以上对本发明最佳的和替代的实施例的描述都是为了举例说明和描述的目的。并不准备穷举或把本发明限制在已公开的精确形式。显然，对于本专业的技术人员来说许多修改和改变都将是显而易见的。例如，本发明可以用来消除任意长度的脉冲造成的振荡。之所以选择和描述这些实施例，是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，以此使本专业的技术人员能够就各个实施例和适合于设想的具体应用的各种修改来理解本发明。本发明的范围准备由后附的权利要求书及其等价物来限定。

Claims

1.一种在测量钻孔周围地层的核磁共振特性时消除振荡的方法，它包括以下步骤：

a)把静态磁场施加在大块地层中，它使大块地层内的自旋核极化；

b)把多个周期的选定的脉冲序列的振荡磁场施加在大块地层中，使得在该大块地层中产生核磁共振信号；

c)在单个脉冲序列周期中，步骤(b)还包括以下步骤：

i)在第一时间周期中，把第一组多个振荡脉冲施加在大块地层中，并测量在地层中产生的信号，测得的信号包括振荡成分和多个旋回波；

ii)消除所述自旋回波；

iii)在第二时间周期中，把第二组多个振荡脉冲施加在大块地层中，并测量在地层中产生的信号，测得的信号包括振荡成分，并基本上排除自旋回波；以及

iv)修正在所述第一时间周期测得的所述信号，以消除所述振荡成分。

2.权利要求1的方法，其特征在于：在所述第一和第二时间周期测得的所述信号还包括基线信号和测量噪声，以及修正在所述第一时间周期测得的所述信号的所述步骤还包括消除所述基线信号。

3.权利要求2的方法，其特征在于：它还包括对在所述第一和第二时间周期测得的所述信号进行平均的步骤，以及对在所述第一和第二时间周期测得的所述信号进行修正的步骤还包括把所述平均信号与来自所述第一时间周期的信号组合以消除振荡、基线信号和测量噪声，使得修正后的信号基本上包括具有最小外加噪声的自旋回波的步骤。

4.权利要求1的方法，其特征在于：在所述第二时间周期测得的信号还包括多个受激回波。

5.权利要求4的方法，其特征在于还包括对在所述第二时间周期测得的信号进行修正，以便消除受激回波的步骤。

6.权利要求5的方法，其特征在于还包括在时间延迟之后重复施加短脉冲，以便破坏所述受激回波的步骤。

7.权利要求5的方法，其特征在于还包括施加相位交变脉冲序列，以便破坏受激回波的步骤。

8.一种在测量钻孔周围地层的核磁共振特性时消除基线信号的方法，它包括下列步骤：

b)把多个周期的选定的脉冲序列的振荡磁场施加在大块地层中，使得大块地层内产生核磁共振信号；

c)在单个脉冲序列周期中，步骤(b)还包括下列步骤：

i)在第一时间周期，把第一组多个振荡脉冲施加在大块地层中，并测量所述地层中所产生的信号，测得的信号包括基线成分和多个自旋回波；

ii)消除所述自旋回波；

iii)在第二时间周期中，把第二组多个振荡脉冲施加在所述大块地层中，并测量地层中所产生的信号，测得的信号包括基线成分，并且基本上排除所述自旋回波；以及

iv)修正第一时间周期期间测得的信号，以便消除基线成分。

9.权利要求8的方法，其特征在于还包括消除在所述第二时间周期中施加任何振荡脉冲的步骤。

10.权利要求1的方法，其特征在于还包括下列步骤：设置钻孔设备，以所述钻孔设备在地层中钻孔，并在钻孔过程中消除振荡。

11.权利要求8的方法，其特征在于还包括下列步骤：设置钻孔设备，以所述钻孔设备在地层中钻孔，并在钻孔过程中消除基线信号。

12.一种在测量钻孔周围地层的核磁共振特性时消除振荡的方法，它包括下列步骤：

c)在单个脉冲序列周期中，步骤(b)还包括下列步骤：

i)在第一时间周期中，把第一组多个振荡脉冲施加在大块地层中，并测量所述地层中所产生的信号，测得的信号包括振荡成分、多个自旋回波和多个受激回波；

ii)消除所述自旋回波和所述受激回波；

iii)在第二时间周期中，把第二组多个振荡脉冲施加在大块地层中，并测量所述地层中所产生的信号，测得的信号包括振荡成分，并且基本上排除所述自旋回波和所述受激回波；以及

iv)修正所述第一时间周期期间测得的所述信号，以消除所述振荡成分。

13.权利要求12的方法，其特征在于还包括在时间延迟之后重复施加短脉冲，以便破坏所述自旋回波和所述受激回波的步骤。

14.权利要求12的方法，其特征在于还包括施加相位交变脉冲序列，以便破坏所述自旋回波和所述受激回波的步骤。