CN1249436A - 使用梯度线圈进行的具有角向分辨率的核磁共振测井 - Google Patents

Abstract

本发明一般来说涉及用于获得被一钻孔横贯的地层构造的具有角向分辨率的核磁共振测量结果的一种装置和方法。所说测量可以在钻井过程中进行或者使用一个钢丝绳起下测井工具进行。在所说工具周围设置至少一个梯度线圈。利用所说线圈在所说构造朝向线圈的区域中产生一个磁场。该磁场基本平行于由构成所说工具一部分的一对永磁体产生的静磁场。该附加磁场引起所说区域中自旋的附加相移,使得受到该附加磁场作用的自旋不形成自旋回波。

Description

使用梯度线圈进行的具有角向分辨率的核磁共振测井

本发明涉及测井领域，更具体地说，本发明涉及用于在钻井过程中(使用MWD或LWD装置)或者在钻井之后(使用钢丝绳起下工具)确定并孔周围地层构造的核磁共振测井特性的一种方法和装置，所说测井特性为相对于井孔的角位置的函数。

钻孔核磁共振测量能够提供有关油层的不同类型的信息。第一，测量结果可以指示出地层构造中的流体含量。第二，测量结果给出有关流体是否限制在地岩层中和可自由开采的详细信息。最后，可以使用测量结果识别流体类型，水、气或油。

获得核磁共振测量结果的一种方法是利用一个局部产生的静磁场B₀，该磁场可以用一个或多个永磁体或电磁体产生，和一个振荡磁场B₁，该磁场可以用一个或多个RF天线产生，以激励和检测核磁共振特性，从而确定一种构造的孔隙率、自由流体比、和渗透性。参见授予Taicher等人的美国专利US-4717878和授予Kleinberg等人的美国专利US-5055787。核自旋与具有时间常数T1的施加磁场B₀方向在一条直线上，并产生一个净核磁化效应。通过施加与静磁场B₀垂直的一个RF场B₁可以改变核磁化与施加磁场之间的角度。该RF磁场的频率等于由公式ω＝γB₀给出的拉莫尔频率，其中γ为旋磁比。在施加一个RF脉冲之后，磁化强度开始围绕B₀进动，并在天线中产生一个可检测的信号。

获得核磁共振测量结果的另一种方法是利用一个局部产生的静磁场B0，该磁场可以用一个或多个永磁体或电磁体产生，和一个方位定向的振荡磁场B1，该磁场可以用一个或多个天线段产生，所说天线段发射和/或从测井装置周围的不同部分中接收信号。参见转让给Schlumberger Technology Corporation公司的美国专利申请Nos.08/880343和09/094201(律师案卷号Nos.24784和24784-CIP)。使用旋转方位角天线难以获得典型的长回波序列(～600个自旋回波)。由于天线只能沿测量方向保持定位很短的时间，所以由于测量工具旋转产生的信号衰减要比仅仅由于构造特性引起的衰减迅速。

授予Kleinberg等人的美国专利US-5796252中公开了一种核磁共振测井装置，该装置包括多个永磁体、一个RF天线、和用于产生磁场梯度的一个线圈。在‘252专利中记载的技术采用脉冲磁场梯度获得与构造流体的扩散特性有关的信息。如果在构造中存在内部梯度，则施加一个脉冲序列以减少或基本消除构造构造内部梯度的影响。‘252专利没有教导使用线圈获得方位角核磁共振测量结果的方法。

授予Zvi Paltiei的美国专利US-5212447记载了包括多个永磁体和一个RF天线的一种核磁共振装置。‘447专利需要使用一个磁场梯度线圈确定扩散系数，即一种物质的分子在大量的同一种物质中自由移动的速率。该‘447专利使用扩散系数确定下列岩石物理参数中的至少一种：水/碳氢化合物鉴别度、水和碳氢化合物饱和度、渗透率、空隙大小和空隙大小分布、油粘滞度、由于构造弯曲造成的电阻的平均增加的量度、和构造的q-空间图象。该‘447专利没有教导使用线圈获得方位角核磁共振测量结果。

本发明的基本目的是获得方位角核磁共振测量结果。这种测量结果可以用于确定构造特征，例如孔隙率、约束流体体积、T₂、T₁、和渗透率。能够测量这些特征的方位角变化有助于解释异种构造和根据地质状况在偏斜和水平的钻孔中实现操纵控制。

本发明的另一个目的是提高使用至少一个梯度线圈的测量工具的垂直分辨率。

本发明用于以核磁共振测井技术确定作为相对于钻孔角位置函数的钻孔周围地层构造特性的装置和方法克服了现有技术中存在的上述缺点。本发明还实现方位角磁共振成象。设置在钻孔中在地层构造中来回移动的一种钢丝绳牵引或即钻即测装置通过从勘测区域获得核磁共振测量结果确定构造特征。该装置包括用于产生一个静磁场B₀的一个装置。一个RF天线在与形成所说静磁场相同的区域产生一个振荡磁场B₁以获得核磁共振测量结果。该装置包括至少一个梯度线圈。由所说梯度线圈产生的磁场基本平行于所说静磁场B₀。

当在梯度线圈中施加一个电流脉冲时，在勘测区域某一部分中的自旋将产生完全或不完全的移相。梯度线圈的几何结构决定了自旋是否经历径向、角向或轴向移相。为了产生完全移相，梯度场通过改变磁场空间强度使得在某一部分的净磁化强度为零来改变在勘测区域该部分中的自旋相位。为了产生不完全移相，梯度场改变在勘测区域某一部分中的自旋相位使得在该部分中的净磁化强度不为零，并且具有与在勘测区域的其余部分中的净磁化不同的相位。

将构造的横截面分区以形成钻孔周围的多个角向距离段、轴向段、或径向段。此外，描述对钻孔的径向分区。在勘测区域的构造中施加一个脉冲序列。该脉冲序列包括一个对称相位交变脉冲序列，即不使用梯度线圈的测量，和/或一个梯度相位交变脉冲序列，即，使用梯度线圈的测量。梯度线圈使至少在所说区段中的自旋产生移相。在一个实施例中，通过从对称测量结果中减去梯度测量结果获得方位角测量结果。在一个第二实施例中，通过将不同的单象限分解测量结果结合获得方位角测量结果。在一个第三实施例中，设置了多个方位角测量结果接收箱，将每次的核磁共振测量结果增加到与存放测量结果的接收箱相关的缓存器的内容中。

从以下对于附图的描述可以清楚地了解本发明的优点。应当理解这些附图仅仅是用于说明的目的，而不是为了限定本发明。

在附图中：

图1表示即钻即测型井底钻具组件；

图2表示一种即钻即测装置；

图3表示象限/线圈位置确定程序的流程图；

图4表示一种核磁共振即钻即测工具；

图5示意性表示与本发明的梯度线圈结合使用的电子电路；

图6表示本发明的一个实施例中的梯度线圈；

图7a表示用于本发明优选实施例的脉冲序列；

图7b表示使用角向天线获得的对于T2频谱的旋转效应的模拟；

图8a-8b表示用于径向移相的一个梯度线圈几何结构和所得的磁场强度；

图9a-9b表示用于角向移相的一个梯度线圈几何结构和所得的磁场强度；

图10a-10b表示用于轴向移相的一个梯度线圈几何结构和所得的磁场强度；

图11a-11b表示在不完全移相和完全移相情况下核磁共振信号的角向分布。

参见图1，该图表示了一种即钻即测装置10，利用该装置可以实现本发明的各个实施例。在钻孔14中设置有一根钻杆柱12，在钻杆柱下端带有一个钻头16。所说钻杆柱12和固定在其上的钻头16由一个旋转台(未示出)转动，所说旋转台与钻杆柱12上端的方钻杆啮合。或者，可以利用“顶部驱动”型钻机使钻杆柱12从表面开始旋转。在任何一种情况下，一个装置将钻井液或泥浆通过钻杆柱12中心的一条通道向下泵入钻杆柱中。钻井液经由钻头16中的出口离开钻杆柱12，然后向上循环到钻杆柱12外侧与井孔14边缘之间的区域中。正如众所周知的，从而钻井液将构造切块带到地面。

将设计用于在钻井同时进行构造评估的测井工具20(LWD)、在钻井同时用钻杆柱获取构造特征的测井工具22(MWD)、或者两种工具(LWD/MWD)的组合与钻杆柱12相连。典型的MWD工具22测量和/或计算井孔下部组件(刀面)的方向、倾斜度、和旋转方向。例如在美国专利US-5473158中描述了用于本发明的一种MWD工具。驱动电路模块24，和采集与处理器电路模块26与LWD工具20相连。这些模块24、26从中控制和获得测量信息。下面介绍本发明所构思的LWD工具20。

图2表示MWD测井工具22，所说工具包括沿工具的x和y轴方向取向的磁强计H_x和H_y(32、34)。所说x和y轴位于工具的径向横截面内。工具的z轴沿其纵轴方向取向。加速度计插件36的加速度计G_x和G_y(其也包括沿工具z轴的一个加速度计)以类似方式沿工具的x和y轴取向。一个微型计算机30响应H_x和H_y信号及G_x和G_y信号以连续地测定 矢量与

矢量之间在MWD工具22的横截面内的夹角φ。

矢量表示指向地球磁北极的矢量在MWD工具22的x-y平面上投影的部分。 矢量表示地球重力矢量在工具22的横截面中的向下分量。表示这一夹角φ的信号不断地传送到井下计算机30中(其包括一个象限/线圈位置确定程序)。

图3为描述象限/线圈位置确定程序100的流程图。如上所述，经常地计算所说

矢量(指向地球磁极的一个矢量在x-y平面内的不变指向矢量)与一个 矢量(指向地球重心的一个矢量在x-y平面内不变地指向下的矢量)之间的夹角φ。当该装置在钻孔中旋转时，装置的x和y轴以钻杆柱12的角速度转动，所以

矢量和 矢量的x和y分量总是随时间变化的。此外，当装置在井孔14中转动时，在工具的x轴与该 矢量之间总是形成一个夹角θ(t)。角度θ(t)是根据磁强计32和34的H_x和H_y信号确定的，并且该角度随时间变化，因为它是从MWD工具22(和LWD工具20)的x轴到

矢量方向测得的。

在步骤102，按照象限/线圈位置确定程序100，根据下列关系式，确定作为x和y轴以及时间函数的向下矢量角度

$\mathrm{\θ}\left(t\right)={\cos }^{-1}\left[\frac{H_x\left(t\right)}{\sqrt{(H_x{\left(t\right)}^2+H_y{\left(t\right)}^2)}}\right].---\left(1\right)$ 按照该程序向下矢量的角度确定为

＝θ(t)-φ。

在步骤104，可以在工具周围利用角度范围限定四个象限：Q_BOT(t)＝

-45°至

+45°Q_LEFT(t)＝

+45°至 +135°Q_TOP(t)＝

+135°至

+225°Q_RIGHT(t)＝ +225°至

-45°.术语“象限”用于说明本发明中在MWD装置或LWD装置的360°圆周限定的四个90°角距离区段。可以限定其它的角距离区段，其数量少于或多于4，并且这些区段可以是不等分的。

图4表示根据本发明的一个优选实施例构成的一种核磁共振(NMR)即钻即测型工具20。所说工具20围绕钻铤42的轴40对称地旋转，所说钻铤与井孔轴基本在一条直线上。利用安装在钻铤42内部的管状、轴向极化的永磁体44、46产生一个静磁场。测井工具内部的通道48使得钻井泥浆可以向钻头流动。在磁体44、46之间的区域，有一个凹入区50。在所说凹入区50中设置有一个RF天线52。可取的是，所说天线52包括缠绕在凹入区周围的一个线圈。由这样一种线圈结构产生的RF磁场基本上是轴对称的。利用所说天线52检测NMR信号是在本发明的构思之内。但是，可以使用一个独立的天线或接收器检测所说信号。在所说凹入区50中天线52之下填充一种非导电物质54。可取的是，这种物质54是一种铁氧体物质以提高天线52的效率。或者，所说物质54可以包括塑料、橡胶、或增强环氧树脂合成材料。

仍然参见图4，为了获得方位角NMR测量结果，在凹入区50中设置至少一个梯度线圈56。在本发明的一个优选实施例中，三个梯度线圈56a、56b和56c沿圆周方向设置在凹入区周围，并且彼此分开120°的角距离区段。可以使用其它数量的梯度线圈，即少于或多于3，并且这些线圈可以分隔不等于120°的角距离和/或不均等的角区段。每个线圈56a、56b和56c都由与材料54的外表面曲率一致的环绕导线构成。由每个梯度线圈56a、56b和56c朝向所说线圈的构造区域中产生的磁场基本上平行于由永磁体44、46产生的静磁场。应当指出，本发明的方法和梯度线圈还可以与产生旋转对称静磁场的任何工具结合使用，例如在授予Taicher等人的美国专利US-5757186和授予MelvinMiller的专利US-5280243中公开的工具。

图5为与梯度线圈56a、56b和56c结合使用的驱动电子电路组件24中包含的电路的示意图。所说驱动电子电路组件包括一个高压电源60和电容器62。开关S₁、S₂、和S₃由时序控制/线圈选择硬件64控制。所说梯度线圈56a、56b和56c通过所说开关与所说时序控制/线圈选择硬件64相连。

如图6所示，所说梯度线圈56a、56b和56c分别以与x轴的已知角度α₁、α₂、和α₃取向。因此，每个梯度线圈的角度，从工具20的x轴测量，是一个不变的角度α。所以，计算机程序100通过将一个线圈与x轴的角度与相对于x轴限定的一个象限的角度θ(t)进行比较来确定线圈56a、56b和56c位于哪一个象限中。向下矢量 和四个象限Q_BOT、Q_RIGHT、Q_TOP、和Q_LEFT在空间中固定的，但是定义为随LWD装置的x和y轴的旋转时间的函数。

如本领域技术人员所知的，在基本NMR测量中，向勘测构造中施加一个脉冲序列。在授予Abdurrahman Sezginer的美国专利US-5596274和授予Kleinberg等人的美国专利US-5023551中，向勘测构造施加一个脉冲序列，例如Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列，首先施加一个激励脉冲，即一个90°脉冲，该脉冲序列使自旋转动到横向平面。在自旋旋转90°和开始移相之后，再聚焦脉冲，即180°脉冲的载波按照下列关系式相对于90°脉冲序列的载波发生相移：其中括号内的表示式对于n＝1，2，…N重复，其中N为在一个CPMG序列中收集的回波数量，并且回波间隔为

90°_±x表示使自旋围绕±x轴转动90°角度的一个RF脉冲，如通常在磁共振测量的旋转帧中定义的(相位交变)。在施加90°脉冲与施加180°脉冲之间的时间t₀小于t_cp，即回波间隔的一半。CPMG序列使得能够获得对称测量结果(即不使用梯度线圈的测量结果)。准确的时间参数t₀、t₁和t₂依赖于各种因素(例如，所施加脉冲的形状)。

按照本发明，施加于梯度线圈56a、56b和56c的电流脉冲产生一个基本平行于所说静磁场的附加磁场。该电流脉冲是在第一个90°脉冲与180°反相脉冲之间施加的。该附加磁场导致自旋发生附加的相移。由于所说180°反相脉冲不补偿附加的相移，所以受到附加磁场作用的自旋不形成自旋回波。但是，对于没有受到附加磁场作用的自旋，在时间2t_cp时产生一个自旋回波，同时在每个反相脉冲之后在时间t_cp连续产生较低幅值的自旋回波。该脉冲序列为：其中t^a ₀为90°脉冲与梯度脉冲持续时间δ之间的时间，t^b ₀为梯度脉冲与180°反相脉冲之间的时间，并且 $t_0^a+\mathrm{\δ}+t_0^b=t_0.$ 此外，如前所述，由于非共振效应，不同相的磁化在几个回波内就消失。由于随后的180°_y脉冲和不均匀磁场的作用，NMR信号的x分量在几个回波内衰减。所以，我们只关注信号的y分量。于是，如果忽略驰豫，则可以将第一NMR回波信号表示为： $\mathrm{Signal}=3m\left[{\∫}_{r\∈R^3}(M_x^0+i{M}_y^0)\left(r\right)\exp (-\mathrm{i\γG}\left(r\right)\mathrm{\δ})\mathrm{dc}\left(r\right)\right],$ 其中i为复数虚部单位；γ为旋磁比；M⁰ _x和M⁰ _y分别为在没有施加梯度脉冲情况下在第一回波时间在位置r的磁化的x和y分量；G(r)为在同一位置平行于

的梯度磁场的分量；δ为梯度脉冲的持续时间；dc(r)表示NMR井下测量仪的微分灵敏度。图7b表示使用角向天线对于T₂频谱的旋转效应的模拟。这表明利用旋转角向天线是无法获得精确的T₂频谱的。但是，利用本发明的轴向对称天线和梯度线圈，可以获得较好的T₂频谱。

利用在转让给Schlumberger科技公司的美国专利申请No.09/102719(Atty.Docket.No.20.2697)中所述的RingKiller脉冲序列可以消除相位交变脉冲序列。利用该脉冲序列，在一个单脉冲序列的第一时间周期内，NMR测量结果包括所需的自旋回波和不需要的影响，即阻尼振荡、测量噪声、和基线漂移。在该单脉冲序列的第二时间周期内，所说自旋回波消失，而不是不需要的影响。利用在所说第二时间周期内采集的信号，校正在所说第一时间周期内测得的信号以消除阻尼振荡分量、测量噪声、和基线漂移。使用任何序列组合方法，包括但不限于在转让给Numar公司的WO 98/43064中所述的阻尼振荡抑制方法，消除阻尼振荡都在本发明的构思范围内。

根据梯度线圈56a、56b和56c几何设计的不同，施加于线圈56a、56b或56c的电流脉冲的持续时间、强度、在感测区域(例如一个象限)中的自旋将按照下列方式之一发生移相：径向移相、角向移相、轴向移相、或不完全移相。在梯度线圈中激励足够幅度的电流使得受到所说线圈的磁场梯度作用的自旋的附加相移分布在从-180°到180°的范围内，并且可能在感测区域内变化360°的若干倍。对于径向、轴向、和角向移相，产生一个变化的附加相角，从而在感测区域(例如一个象限)内的自旋响应平均为零。

图8a表示用于产生径向相移的一个梯度线圈的几何结构。这是通过利用一个线圈产生一个强梯度磁场，从而使由于梯度线圈56a、56b、或56c作用而产生的附加相位在感测区域厚度范围内变化至少2π实现的。图8b表示在地壳层内的磁场强度。在靠近梯度线圈的壳层区域，自旋旋转速度快于朝向所说壳层外部的自旋。

图9a表示用于产生角向相移的一种梯度线圈的几何结构。这是通过利用两个串联线圈从而使两个线圈中电流沿相反方向流动而产生一个强梯度磁场实现的。当相反方向的电流在两个线圈中流动时，在一个线圈附近的自旋旋转速度快于平均自旋速度，而在另一个线圈附近的自旋旋转速度更慢于平均自旋速度，从而所说附加相位在所说感测区域的一部分的方位角上变化。图9c表示沿方位角的磁场强度。

将方向相移线圈转动90°形成用于产生轴向相移的梯度线圈几何结构(参见图10a)。相角沿测井工具的纵轴方向变化。图10b表示沿测井工具长度方向的磁场强度。在所有三种情况下(径向、角向、和轴向相移)，在感测区域上磁化的空间平均值为零，所以对于测得的NMR信号没有贡献。

在不完全相移情况下，流过梯度线圈56a、56b和56c的电流强度弱于上述三种情况，并且附加相移变化的强度不足以使在感测区域上磁化的完全平均值非零。然而，所说附加梯度磁场引起感测区域中自旋相对于测井工具周围其它区域中自旋(即没有受到附加磁场作用的自旋)相位产生一定相移。在这种情况下，在感测区域上磁化的平均值为非零值，并且具有与勘测区域的其余部分中的净磁化不同的相位，而且所说自旋仍然发生相移。由于所检测的NMR信号是对相位灵敏的(即仅仅测得某些相位的贡献)，沿梯度线圈56a、56b或56c方向的附加相移足以实现方位角测量。利用图8a、9a和10a所示的任何几何结构设计都能够实现不完全的相移。

这些梯度线圈对于获得方位角测量结果具有许多优点。首先，只需在梯度脉冲长度时间内，而不是在整个脉冲序列持续时间内，将一个线圈适合地设置在一个所需象限中。第二，因为自旋回波是利用轴对称天线检测的，可以在测井工具在井孔中旋转的同时记录长回波串。第三，因为所说线圈不具有RF天线的调整要求，所以这种线圈简化了NMR-LWD工具的设计。第四，可以使用同一天线进行对称和轴对称测量。第五，可以使用所说天线获得具有极好的空间分辨率、特别是垂直分辨率的NMR测量结果。

本发明可以采用获得方位角NMR测量的不同模式。按照一种“简单分解”模式，使用至少一个线圈以在一个选定的象限分解自旋，但是，也可以使用多个线圈分解多个象限。在任何一种情况下，获得两种测量结果：一个对称相位交变脉冲序列(PAPS)，具有固定的等待时间，其后为一个梯度PAPS，具有可变等待时间，通过激励所说象限中的线圈将所说象限分解。在本发明的一个优选实施例中，使用了前述的梯度脉冲序列。通过将梯度测量结果从对称测量结果中减去生成方位角测量结果。按照这种模式，对于每2个PAPS获得一次对称测量结果，对于每8个PAPS获得一次方位角扫描结果。因为结合了这两种测量，所以方位角测量的测量噪声高于在对称或梯度测量中的噪声。

通过将不同的单象限分解测量相结合可以减少噪声贡献。在这种情况下，通过分解每个象限获得4次梯度PAPS测量结果。然后，按照下列关系式将这些测量结果结合以生成合成方位角和对称测量结果：方位角(PAPSQ_BOT)＝-2/3PAPSQ_BOT+1/3(PAPSQ_TOP+PAPSQ_RIGHT+PAPSQ_LEFT)和对称(PAPS)＝1/3(PAPSQ_BOT+PAPSQ_TOP+PAPSQ_RIGHT+PAPSQ_LEFT).对于这种模式，对称PAPS和梯度PAPS都具有可变等待时间。

当钻杆柱不转动时(滑动)可以使用梯度线圈获得钢丝绳起下工具和LWD工具的方位角信息。可以采用简单分解模式。使用至少一个线圈分解该线圈面对的象限中的自旋，但是，如果该工具具有一个以上的线圈，则可以分解线圈所朝向的每个象限的自旋。如果所说工具对于每个象限包含一个线圈，则可以生成对称方位角和对称测量结果。

图11a和11b分别表示在不完全相移和完全相移情况下NMR信号的角向分布。每个角向分布被称为一个“核函数”(表示为k(θ))。在特定的钻探深度，利用工具20获得的方位角测量函数S(θ)为所说核函数与实际的角向NMR信息函数f()(例如，孔隙率、约束流体体积、T₂、或渗透率)根据下列关系式的卷积：

所以，所说构造中NMR信息f的重构包括解决从所获得的信息S与核函数K去卷积的问题。这个问题可以在富里叶空间求解为： $\hat{f}=\frac{\hat{S}}{\hat{K}}.$

方位角函数f()总是所说方位角的周期函数。所以，它可以扩展为一个富里叶级数：其中富里叶系数a0、a1、b1可以写为：

实际的测量并不直接给出函数f()，而是给出其与角向灵敏度核函数k()的卷积，所说核函数是由梯度线圈限定的。可以将测得信号v()写为：

利用：

和

可以将测得信号v()写为方程(10)：利用对核函数k()的富里叶展开：以及 $x_0=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}k\left(x\right)\mathrm{dx},---\left(12\right)$ $x_1=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}k\left(x\right)\cos \left(\mathrm{lx}\right)\mathrm{dx},$ 和                            (13) $y_1=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}k\left(x\right)\sin \left(\mathrm{lx}\right)\mathrm{dx},---\left(14\right)$ 测量信号v()可以写为：这是测量信号v()的富里叶展开。由于核函数k()是对称的，所以消去了富里叶系数y₁。方程15变为：

为了从测量结果中重构函数f()，必须确定富里叶系数a₀、a₁、和b₁。可以通过将方程16的线性系统翻转过来确定这些系数。为了翻转方程16，将富里叶展开限定在预定阶数。这种限定与使用核函数在富里叶展开的前几级基函数上的投影的去卷积，即仅仅使用前几个富里叶系数重构核函数，是等价的。

如果相应的核函数富里叶系数较小的话，对于在方程16中所列测得的NMR数据，构造函数f()的高阶富里叶系数对于测量结果的影响并不非常强。所以，从所测得的数据不可能确定这些较高阶的系数，特别是在测量结果充满噪声时。另一方面，如果较高阶系数的影响不是可以忽略不计的话，将方程16限制到太少的系数可能导致无法正确地确定较低阶的系数。在这些情况下，f()的较高阶富里叶系数会影响对于较低阶系数的估算。方程16可以求解的阶数取决于测得数据的数量、数据的质量、和核函数的富里叶系数。

将方程16限定在K阶，引入2K+1维矢量 $\stackrel{\→}{a}={(a_0,a_1,b_1,...,a_K,b_K)}^{\′},$ 并定义

为沿方向

                   _ii＝1，...，N，所取测量结果的N维矢量，则可以将矢量

写为： $\stackrel{\→}{v}=X\stackrel{\→}{a},---\left(17\right)$ 其中矩阵X定义为：方程(17)的最小二乘解为： $\stackrel{\→}{a}={\left(X^{\′}X\right)}^{-1}{X}^{\′}\stackrel{\→}{v}.---\left(19\right)$ 在方程(19)中可以包含一正则项以减小富里叶系数估算值的统计不确定性。富里叶系数的标准偏差

可以利用每次角向测量的标准偏差σ计算出来： ${\left({\stackrel{\→}{\mathrm{\σ}}}_a\right)}_i=\mathrm{\σ}\left|\right|\left({\left(X^{\′}X\right)}^{-1}{X}^{\′}{)}_i\right||,---\left(20\right)$ 其中((X′X)^-1X′)为矩阵(X′X)^-1X′的第i行矢量。

定义矢量

则沿任何方向的构造函数f()的重构f_R()为：

依赖于方位角的标准偏差σ_f()可以写为：

方位角数据的获取依赖于工具转动。按照本发明，获得井孔完全扫描的角向信息的最有效方式是以测量结果在扫描区域均等分布的方式采样数据。如果以固定的时间间隔采集数据，不能总是保证在一次扫描中覆盖所有方向(Q_BOT、Q_RIGHT、Q_TOP、和Q_LEFT)。实现完全覆盖的一种方法是根据已经获得的当前扫描数据为每次测量选择最好的方向。为了具有可以从中选择的不同方向，LWD工具20装备有以120°间隔安装的多个梯度线圈。在每一次采集数据时，可以根据已经获取的数据选择对于实际扫描最为有利的梯度线圈。由于富里叶系数是通过求逆运算从已获得的测量结果计算出来的，所以选择新方向的一个标准是使矩阵X的条件数目最小。另一个标准是按照使测量方向在孔径周围均等分布的方式选择新方向。在这种情况下，选择每一个新方向以使其至最接近相邻方向的距离最大(方位角不同)。

获取方位角数据的第二种可能方案是测量数据的装箱。按照这种获取方案，定义多个角向数据箱，并将每次NMR测量结果添加到与存取测量结果的数据箱相关从缓存器的内容中。对于LWD工具20，可取的是设置7个数据箱。为了对每个数据箱获得较好的统计量和确保在每个数据箱中有足够的测量结果，这种方法要求进行多次单独的测量，例如每个数据箱10次测量或每次扫描70次测量。

获取角向数据的第三种可能方案是在一次完整扫描中对每个象限Q_BOT、Q_RIGHT、Q_TOP、和Q_LEFT进行一次测量。为了确保总是在所需象限获得这些测量结果，定义多个可以在其中获取数据的时间窗口。通过钻杆柱旋转控制在每个窗口中进行数据采集的实际时间。通过定向地激励梯度线圈获取数据的一种优选方法是利用一个矩形函数来逼近所说核函数。在这种情况下，沿特定方向，例如Q_BOT，所取的测量结果a₁可以写为：a₁＝x₂+x₃+x₄，                                          (24)其中x₂、x₃、和x₄为在其它三个方向(即，该梯度线圈没有指向的方向)测得的函数值。将在所有四个方向的测量结果结合得到以下方程系： $\stackrel{-}{a}=M\stackrel{\→}{x},----\left(25\right)$ 其中矩阵： $M=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 1& 1\\ 1& 0& 1& 1\\ 1& 1& 0& 1\\ 1& 1& 1& 0\end{array}\right].---\left(26\right)$ 方程26的解为 $\stackrel{\→}{x}=M^{-1}\stackrel{\→}{a},$ 其中矩阵： $M^{-1}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{cccc}-2& 1& 1& 1\\ 1& -2& 1& 1\\ 1& 1& -2& 1\\ 1& 1& 1& -2\end{array}\right].---\left(27\right)$

以上对于本发明优选和替换实施例的描述只是为了说明和解释的目的。而不是穷举性的或者将本发明限制为所公开的具体形式。在获取方位角数据的同时，本发明可以进行例如孔隙率、约束流体体积(BFV)、T₂、T₁和渗透性测量。还可以进行方位角磁共振成象，这对于解释异质构造和根据地质构造在偏斜或水平井孔中进行操纵是有用的。显然，对于本领域技术人员来说可以作出许多改进和改变。例如，MWD工具22的功能还可以在LWD工具20中执行，或者在MWD22和LWD20工具之间分开。而且，使用钢丝绳起下工具，可以将梯度线圈安装在与工具相连的一个垫板上。本领域技术人员应当理解，本发明的方法和梯度线圈对于消除井孔流体的磁共振信号，获得具有轴向分辨率的NMR测量结果、或者具有改善的垂直分辨率的NMR测量结果是有用的。例如，可以将沿井孔纵轴的凹入区域50的长度限定在勘测区域的轴向范围内。可以将一个或多个梯度线圈设置在所说凹入区50中沿井孔纵轴的已知位置上。施加于所说梯度线圈的电流脉冲将使自旋沿构造的轴向区段发生相移。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基本应用，从而使本领域的其它技术人员能够理解本发明，对于特定的用途可以采用各种实施例和作出各种改进。因此，本发明的范围仅由所附权利要求及其它们的等价物限定。

Claims (76)

1、用于确定井孔周围地质构造勘测区域中的核磁共振特性的一种装置，它包括：

a)可以在井孔中移动的测井装置；

b)在所说测井装置中用于在所说井孔周围和勘测区域内施加一个静磁场的装置；

c)在所说测井装置中用于在所说井孔周围和勘测区域内施加一个RF磁场的天线装置，从而所说天线装置从所说构造中选定原子核感生出多个自旋回波信号；

d)在所说测井装置中用于施加一个磁场梯度以使所说勘测区域一部分中的自旋发生相移的梯度装置；和

e)用于检测从所说勘测区域产生的核磁共振信号的装置。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括用于将所说构造的横截面划分为围绕所说井孔的多个角距离区段的装置，其中所说梯度装置通过在至少一个区段中在空间上改变所说静磁场强度来改变自旋相位，使得在所说区段上的净磁化基本为零。

3、如权利要求2所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿径向变化。

4、如权利要求2所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿角向变化。

5、如权利要求2所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿轴向变化。

6、如权利要求1所述的装置，其特征在于它还包括用于将所说构造横截面划分为围绕所说井孔的多个角距离区段的装置，和用于通过施加基本平行于所说静磁场的梯度场改变至少一个区段中的自旋相位的装置，使得在所说区段上的净磁化非零并且具有与所说勘测区域的其余部分的净磁化不同的相位。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿径向变化。

8、如权利要求6所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿角向变化。

9、如权利要求6所述的装置，其特征在于所说自旋相位在所说区段上沿轴向变化。

10、如权利要求7所述的装置，其特征在于所说梯度装置包括一个线圈。

11、如权利要求8所述的装置，其特征在于所说梯度装置包括至少两个线圈，所说至少两个线圈是相互连接的，使得电流沿相反方向流动。

12、如权利要求9所述的装置，其特征在于所说梯度装置包括至少两个线圈，所说至少两个线圈是相互连接的，使得电流沿相反方向流动。

13、如权利要求8所述的装置，其特征在于所说梯度装置包括一个线圈。

14、如权利要求13所述的装置，其特征在于所说线圈具有至少两个非同心环路。

15、如权利要求14所述的装置，其特征在于电流在所说非同心环路中沿相反方向流动。

16、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括用于将所说构造横截面划分为至少一个轴向区段的装置，其中所说梯度装置通过在所说区段中在空间上改变所说静磁场强度来改变自旋相位，使得在所说区段上的净磁化基本为零。

17、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括用于将所说构造横截面划分为至少一个轴向区段的装置，其中所说梯度装置通过在所说区段中在空间上改变所说静磁场强度来改变自旋相位，使得在所说区段上的净磁化非零并且具有与所说勘测区域的其余部分的净磁化不同的相位。

18、如权利要求2所述的装置，其特征在于还包括用于产生一个脉冲序列和自旋回波的装置，其提供了具有角向分辨率的核磁共振测量结果。

19、如权利要求18所述的装置，其特征在于还包括用于产生包括多个相位交变的RF脉冲和自旋回波的一个第一脉冲序列的装置，和用于产生包括多个相位交变的RF脉冲、至少一个梯度脉冲和自旋回波的一个第二脉冲序列的装置。

20、如权利要求18所述的装置，其特征在于还包括用于产生包括多个相位交变RF脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个脉冲序列的装置。

21、如权利要求6所述的装置，其特征在于还包括用于产生一个脉冲序列和自旋回波的装置，其提供了具有角向分辨率的核磁共振测量结果。

22、如权利要求21所述的装置，其特征在于还包括用于产生包括多个相位交变的RF脉冲和自旋回波的一个第一脉冲序列的装置，和用于产生包括多个相位交变的RF脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个第二脉冲序列的装置。

23、如权利要求21所述的装置，其特征在于还包括用于产生包括多个相位交变的RF脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个脉冲序列的装置。

24、如权利要求1所述的装置，其特征在于所说磁场梯度在所说勘测区域中具有与所说静磁场基本相同的极化取向。

25、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括用于将所说构造的横截面划分为至少一个径向区段的装置，其中所说梯度装置消除了井孔流体的磁共振信号。

26、如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括与所说测井装置相连并用于压抵在所说井孔壁上的一个垫板，所说垫板承载至少一个面对所说井孔壁的梯度装置。

27、用于测量井孔周围地层构造的一个勘测区域中的核磁共振特性的一种方法，它包括以下步骤：

a)在所说构造中钻一个井孔；

b)在所说勘测区域施加一个静磁场；

c)在所说勘测区域施加一个RF磁场；

d)从所说构造的选定原子核感生多个自旋回波信号；

e)施加磁场梯度以使所说勘测区域的一部分中的自旋发生相移；和

f)检测来自所说勘测区域的核磁共振信号。

28、如权利要求27所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：将所说构造的横截面划分为围绕所说井孔的多个角距离区段，和通过在空间上改变所说静磁场强度来改变至少一个区段中自旋的相位，使得在所说区段上的净磁化基本为零。

29、如权利要求28所述的方法，其特征在于它还包括径向改变所说区段内的自旋相位的步骤。

30、如权利要求28所述的方法，其特征在于它还包括角向改变所说区段内的自旋相位的步骤。

31、如权利要求28所述的方法，其特征在于它还包括轴向改变所说区段内的自旋相位的步骤。

32、如权利要求28所述的方法，其特征在于它还包括产生一个脉冲序列和自旋回波的步骤，其提供了具有角向分辨率的核磁共振测量结果。

33、如权利要求28所述的方法，其特征在于它还包括产生一个脉冲序列和自旋回波的步骤，其提供了具有角向分辨率的构造图象。

34、如权利要求32所述的方法，其特征在于它还包括产生包括多个相位交变的RF脉冲和自旋回波的一个第一脉冲序列，和产生包括多个相位交变的RF脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个第二脉冲序列的步骤。

35、如权利要求34所述的方法，其特征在于所说第二脉冲序列为：

其中t^a ₀为90°脉冲与持续时间为δ的梯度脉冲之间的时间，t^b ₀为梯度脉冲与180°反相脉冲之间的时间，并且 $t_0^a+\mathrm{\δ}+t_0^b=t_0.$

36、如权利要求34所述的方法，其特征在于它还包括向至少一个区段施加所说第二脉冲序列和向其余多个角距离区段施加所说第一脉冲序列的步骤。

37、如权利要求26所述的方法，其特征在于所说多个角距离区段包括至少四个区段。

38、如权利要求34所述的方法，其特征在于所说第一脉冲序列施加于至少一个区段。

39、如权利要求32所述的方法，其特征在于它还包括产生包括多个相位交变的Rf脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个脉冲序列的步骤。

40、如权利要求39所述的方法，其特征在于它还包括向至少一个区段施加所说脉冲序列的步骤。

41、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括在钻探到所说构造中的同时测量核磁共振特性的步骤。

42、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括将磁共振信号映射到角向或轴向位置以生成所说构造图象的步骤。

43、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括将所说构造横截面划分为至少一个轴向区段和通过在空间上改变所说区段静磁场强度来改变自旋相位使得在所说区段上的净磁化基本为零的步骤。

44、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括将所说构造横截面划分为至少一个轴向区段和通过在空间上改变所说区段静磁场强度来改变自旋相位使得在所说区段上的净磁化非零并且具有与所说勘测区域其余部分的净磁化不同的相位。

45、如权利要求27所述的方法，其特征在于所说梯度磁场在所说勘测区域中具有与所说静磁场基本相同的极化取向。

46、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括将所说构造的横截面划分为井孔周围的多个角距离区段，和通过施加基本平行于所说静磁场的梯度磁场来改变在至少一个区段的自旋相位使得在所说区段上的净磁化非零并且具有与所说勘测区域其余部分的净磁化不同的相位的步骤。

47、如权利要求46所述的方法，其特征在于它还包括径向改变所说区段上的自旋相位的步骤。

48、如权利要求46所述的方法，其特征在于它还包括角向改变所说区段上的自旋相位的步骤。

49、如权利要求46所述的方法，其特征在于它还包括轴向改变所说区段上的自旋相位的步骤。

50、如权利要求46所述的方法，其特征在于它还包括产生一个脉冲序列和自旋回波的步骤，其提供了具有角向分辨率的核磁共振测量结果。

51、如权利要求50所述的方法，其特征在于它还包括产生包括多个相位交变的RF脉冲和自旋回波的一个第一脉冲序列和产生包括多个相位交变的RF脉冲、至少一个梯度脉冲和自旋回波的一个第二脉冲序列的步骤。

52、如权利要求51所述的方法，其特征在于所说第二脉冲序列为：其中t^a ₀为90°脉冲与持续时间δ的梯度脉冲之间的时间，t^b ₀为梯度脉冲与180°反相脉冲之间的时间，并且t^a ₀+δ+t^b ₀＝t₀。

53、如权利要求51所述的方法，其特征在于它还包括向至少一个所说区段施加所说第二脉冲序列和向其余多个角距离区段施加所说第一脉冲序列的步骤。

54、如权利要求53所述的方法，其特征在于所说多个角距离区段包括至少四个区段。

55、如权利要求51所述的方法，其特征在于向至少一个区段施加所说第一脉冲序列。

56、如权利要求50所述的方法，其特征在于它还包括产生包括多个相位交变RF脉冲、至少一个梯度脉冲、和自旋回波的一个脉冲序列的步骤。

57、如权利要求56所述的方法，其特征在于它还包括向至少一个区段施加所说脉冲序列的步骤。

58、如权利要求46所述的方法，其特征在于所说梯度磁场在所说勘测区域中具有与所说静磁场基本相同的取向。

59、如权利要求32所述的方法，其特征在于在一个脉冲序列期间，所说产生一个脉冲序列和自旋回波的步骤包括以下步骤：

i)在一个第一时间周期内，在所说勘测区域施加一第一组RF脉冲和至少一个梯度脉冲，并测量在所说勘测区域中产生的信号，所测得的信号包括阻尼振荡分量和自旋回波；

ii)消除所说自旋回波；

iii)在一个第二时间周期内，在所说勘测区域中施加一第二组RF脉冲和至少一个梯度脉冲，并测量在所说勘测区域中产生的信号，所测得的信号包括阻尼振荡分量，而基本不包含自旋回波；和

iv)校正在所说第一时间周期中测得的信号以消除所说阻尼振荡分量。

60、如权利要求50所述的方法，其特征在于在一个脉冲序列期间，所说产生一个脉冲序列和自旋回波的步骤包括以下步骤：

i)在一个第一时间周期内，在所说勘测区域施加一第一组RF脉冲和至少一个梯度脉冲，并测量在所说勘测区域中产生的信号，所测得的信号包括阻尼振荡分量和自旋回波；

ii)消除所说自旋回波；

iii)在一个第二时间周期内，在所说勘测区域中施加一第二组RF脉冲和至少一个梯度脉冲，并测量在所说勘测区域中产生的信号，所测得的信号包括阻尼振荡分量，而基本不包含自旋回波；和

iv)校正在所说第一时间周期中测得的信号以消除所说阻尼振荡分量。

61、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括在施加所说梯度磁场的同时将一个梯度装置设置在与至少一个区段相对位置的步骤。

62、如权利要求34所述的方法，其特征在于所说产生一个第一脉冲序列的步骤还包括施加一固定等待时间的步骤。

63、如权利要求34所述的方法，其特征在于所说产生一个第一脉冲序列的步骤还包括施加可变等待时间的步骤。

64、如权利要求34所述的方法，其特征在于所说产生一个第二脉冲序列的步骤还包括施加可变等待时间的步骤。

65、如权利要求39所述的方法，其特征在于所说产生一个第一脉冲序列的步骤还包括施加固定等待时间的步骤。

66、如权利要求61所述的方法，其特征在于它还包括使用流过所说梯度装置的电流限定一个角向灵敏度核函数k()的步骤。

67、如权利要求61所述的方法，其特征在于它还包括测量所检测核磁共振信号的步骤，其中所测得的信号v()包括一个角向函数f()与角向灵敏度核函数k()的卷积。

68、如权利要求67所述的方法，其特征在于它还包括根据所测得的信号重构所说角向函数f()的步骤。

69、如权利要求68所述的方法，其特征在于所说重构步骤还包括以下步骤：确定所说角向灵敏度核函数k()的一阶富里叶展开；确定所测得信号v()的二阶富里叶展开；和确定所说角向函数k()的一组富里叶系数。

70、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括以固定时间间隔测量所检测的核磁共振信号的步骤。

71、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括在对所说井孔的角向扫描的选定位置测量所检测的核磁共振信号的步骤。

72、如权利要求46所述的方法，其特征在于它还包括从多个角距离区段中的每一个获得所检测核磁共振信号的至少一个测量结果的步骤。

73、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括定义至少一个时间窗口，并且在所说时间窗口中测量所检测核磁共振信号的步骤。

74、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括测量所检测核磁共振信号和将所测得的信号划分到多个数据箱中的步骤。

75、如权利要求74所述的方法，其特征在于它还包括将所说构造的横截面划分为多个角距离区段的步骤，其中每个数据箱代表从至少一个所说角距离区段中测得的信号。

76、如权利要求27所述的方法，其特征在于它还包括在所说测井装置周围设置多个梯度装置和选择至少一个所说梯度装置施加所说梯度磁场的步骤。

Images