DE112014003677T5

DE112014003677T5 - Magnetresonanzsender

Info

Publication number: DE112014003677T5
Application number: DE112014003677.3T
Authority: DE
Inventors: Yi-Qiao Song
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-04-28
Also published as: US9851420B2; CN105637353B; US20150042337A1; CN105637353A; WO2015021355A1

Abstract

Beschrieben wird ein Sender für ein Magnetresonanz(MR)-System, wie etwa ein Kernmagnetresonanz(NMR)-System. Der Sender beinhaltet eine Spule zum Anlegen von NMR-Impulssequenzen an eine Substanz. Die Spule beinhaltet einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt. Der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt lassen Strom mit entgegengesetzter Polarität durch. Der Sender kann auch eine Senderschaltung zum Erzeugen der NMR-Impulssequenzen und Bereitstellen der NMR-Impulssequenzen an die Spule beinhalten. Die Senderschaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der selektiv den ersten Spulenabschnitt mit Strom versorgt, und einen zweiten Schalter, der selektiv den zweiten Spulenabschnitt mit Strom versorgt. Der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters erzeugt die NMR-Impulssequenzen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität als PCT-Anmeldung der nicht vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/963826, eingereicht am 9. August 2013, mit demselben Titel.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Magnetresonanz(MR)-Systeme und insbesondere MR-Sender.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Magnetresonanz(MR)-Systeme können dazu verwendet werden, Eigenschaften einer Substanz zu bestimmen. Ein Beispiel eines MR-Systems ist ein Kernmagnetresonanz(nuclear magnetic resonance, NMR)-System. Ein NMR-System führt eine NMR-Messung durch Anlegen eines statischen Magnetfelds an die Substanz durch. Das statische Magnetfeld erzeugt eine Anfangsmagnetisierung von Atomkernen in der Substanz. Das NMR-System beinhaltet auch einen NMR-Sender mit einer Spule, die ein oszillierendes Magnetfeld mit einer bestimmten Frequenz an die Substanz anlegt. Das oszillierende Feld besteht aus einer Sequenz von Impulsen, die die Magnetisierung der Atomkerne von der Anfangsmagnetisierung fortbewegen. Die NMR-Impulssequenz kann derart angeordnet sein, dass Impulse und das statische Feld mit den Kernen interagieren, um ein Resonanzsignal, das aus „Echos” besteht, innerhalb wenigstens eines Teils der Substanz zu erzeugen. Das Resonanzsignal wird detektiert und dann zum Bestimmen von NMR-Eigenschaften wie etwa T₁-Relaxationszeit, T₂-Relaxationszeit und Abschwächung des Signals aufgrund von Molekulardiffusion verwendet. Diese NMR-Eigenschaften können zum Bestimmen der Eigenschaften der Substanz verwendet werden.
In einigen Fällen werden die NMR-Impulssequenzen mit unterschiedlichen Frequenzen an die Substanz angelegt, um unterschiedliche Teile einer Substanz in einem inhomogenen Magnetfeld zu untersuchen oder unterschiedliche Atomkerne zu untersuchen. Um zwischen Frequenzen umzuschalten, verwenden Schmalband-NMR-Sender Reihen fest angeordneter Kondensatoren und mechanische Schalter, die an die Spule gekoppelt sind. Die mechanischen Schalter stellen die Spule zwischen einer vorgegebenen Anzahl fest angeordneter Kondensatoren auf verschiedene Frequenzen ein. Diese Schmalbandsender weisen mehrere Nachteile auf. Erstens ist der Schaltprozess langsam (z. B. Schaltzeiten von 10–100 ms). Zweitens bringen die Schalter in den Kondensatorreihen Rauschen in die NMR-Messung ein. Drittens kann ein vorgegebener gesonderter Satz von Schmalbandfrequenzen festgelegt werden, da jede Frequenz von separaten Kondensatoren abhängig ist. Viertens bringt der Frequenzumschaltprozess Dynamik ein und behält möglicherweise nicht die Phasenkohärenz der Impulssequenzwellenform bei. Entsprechend schalten Schmalband-NMR-Senders nicht effizient und wirksam zwischen Frequenzen um.
KURZDARSTELLUNG
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen einen Sender für ein Magnetresonanz(MR)-System wie etwa ein Kernmagnetresonanz(NMR)-System. Der Sender beinhaltet eine Spule zum Anlegen von NMR-Impulssequenzen an eine Substanz. Die Spule beinhaltet einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt. Der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt lassen Strom mit entgegengesetzter Polarität durch.
In einigen Ausführungsformen kann der Sender eine Senderschaltung zum Erzeugen der MR-Impulssequenzen und Bereitstellen der MR-Impulssequenzen an die Spule beinhalten. Die Senderschaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der selektiv den ersten Spulenabschnitt mit Strom versorgt, und einen zweiten Schalter, der selektiv den zweiten Spulenabschnitt mit Strom versorgt. Der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters erzeugt die MR-Impulssequenzen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen auch eine Verfahren zum Anlegen von MR-Impulssequenzen an eine Substanz. Das Verfahren beinhaltet das Anlegen von Strom an einen ersten Spulenabschnitt einer Spule und das Anlegen von Strom an einen zweiten Spulenabschnitt der Spule. Der Strom fließt mit entgegengesetzter Polarität durch die Spulenabschnitte. In einigen Ausführungsformen wird der Strom mithilfe eines ersten Schalters selektiv an den ersten Spulenabschnitt angelegt, und der Strom wird mithilfe eines zweiten Schalters selektiv an den zweiten Spulenabschnitt angelegt. Der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters erzeugt die MR-Impulssequenzen.
Weitere veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen ein Magnetresonanz(MR)-System. Das System beinhaltet eine Spule mit einem ersten Spulenabschnitt und einem zweiten Spulenabschnitt. Der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt sind mit entgegengesetzter Polarität gewunden. Das System beinhaltet auch einen ersten Transistor, der an den ersten Spulenabschnitt gekoppelt ist und den ersten Spulenabschnitt selektiv mit Strom versorgt, und einen zweiten Transistor, der an den zweiten Spulenabschnitt gekoppelt ist und den zweiten Spulenabschnitt selektiv mit Strom versorgt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für Fachleute werden die Vorteile verschiedener Ausführungsformen anhand der folgenden Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen deutlicher, die unter Bezugnahme auf die unten kurz beschriebenen Zeichnungen erörtert werden.
1 zeigt eine NMR-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine Spule gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt ein Kabel mit mehreren Drahtlitzen;
4 zeigt eine Spule gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt eine Senderschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 zeigt Schaltlogik gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 zeigt ein Logging-while-Drilling(LWD)-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 zeigt ein LWD-NMR-Vermessungsmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
9 zeigt ein Verfahren zum Anlegen von Hochfrequenzimpulsen an eine Substanz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen einen Sender für ein Magnetresonanz(MR)-System wie etwa Kernmagnetresonanz(NMR)-System. Der Sender beinhaltet eine Spule zum Anlegen von NMR-Impulssequenzen an eine Substanz. Die Spule beinhaltet einen ersten Spulenabschnitt und einen zweiten Spulenabschnitt. Der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt lassen Strom mit entgegengesetzter Polarität durch. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet der Sender auch eine Senderschaltung zum Erzeugen der NMR-Impulssequenzen und Bereitstellen der NMR-Impulssequenzen an die Spule. Die Senderschaltung beinhaltet einen ersten Schalter, der selektiv den ersten Spulenabschnitt mit Strom versorgt, und einen zweiten Schalter, der selektiv den zweiten Spulenabschnitt mit Strom versorgt. Der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters erzeugt die NMR-Impulssequenzen. Auf diese Weise können verschiedene Ausführungsformen der Spule und Senderschaltung NMR-Impulssequenzen über einen breiten Frequenzbereich übertragen, während sie außerdem eine vereinfachte Senderschaltungsauslegung bereitstellen. Einzelheiten verschiedener Ausführungsformen werden im Folgenden erörtert.
1 zeigt eine NMR-System 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das NMR-System 100 beinhaltet eine Spule 102, die an die NMR-Elektronik 104, 106, 108 gekoppelt ist. Eine Probensubstanz 101 ist innerhalb und/oder außerhalb der Spule 102 angeordnet. Die Spule 102 legt NMR-Impulssequenzen an die Substanz 101 an. Die NMR-Elektronik beinhaltet einen Sender 104 und einen Empfänger 106. Der Sender 104 und der Empfänger 106 sind jeweils an die Spule 102 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen kann das NMR-System 100 jedoch separate Sender- und Empfängerspulen beinhalten.
2 zeigt eine Detailansicht der Spule 102. Die Spule 102 beinhaltet einen ersten Spulenabschnitt 202 und einen zweiten Spulenabschnitt 204, die jeweils eine Vielzahl von Windungen entlang einer Längsachse 203 der Spule beinhalten. In dieser Ausführungsform ist jeder Spulenabschnitt um ein Kernelement 206 gewunden. Jeder Spulenabschnitt weist ein bestimmtes Windungslängenstück L_A und L_B entlang der Längsachse 203 der Spule 102 auf, und die Windungslängenstücke überlagern einander längs der Längsachse 203. Der erste Spulenabschnitt 202 beinhaltet Verbindungen A+ und A– an seinen Enden, während der zweite Spulenabschnitt 204 Verbindungen B+ und B– an seinen Enden beinhaltet. Der erste Spulenabschnitt 202 und der zweite Spulenabschnitt 204 lassen Strom mit entgegengesetzter Polarität durch. In einer Ausführungsform beispielsweise sind die Verbindungen A+ und B+ der Spulenabschnitte an einen Anschluss einer Stromquelle gekoppelt, während die Enden A– und B– der Spulenabschnitte an einen anderen Anschluss der Stromquelle gekoppelt sind. Auf diese Weise lassen die Spulenabschnitte Strom über die Länge des Kernelements 206 hinweg mit entgegengesetzten Richtungen durch.
In einigen Ausführungsformen sind die einzelnen Windungen der Spulenabschnitte zueinander versetzt, wie in 2 gezeigt. In anderen Ausführungsformen überlagern die Windungen der Spulenabschnitte einander. In einer Ausführungsform beispielsweise sind die Spulenabschnitte aus einem Kabel mit mehreren isolierten Litzen hergestellt, wie etwa ein Litzenkabel. 3 zeigt ein Beispiel eines Kabels 300 mit mehreren Drahtlitzen, die voneinander isoliert sind. Drei der sieben Drahtlitzen sind für den ersten Abschnitt der Spule 302 vorgesehen, und drei andere Drahtlitzen sind für den Abschnitt der Spule 304 vorgesehen. Die verbleibende Drahtlitze kann für den Nullleiter 306 vorgesehen sein.
Die Spule und Spulenabschnitte sind auf keine bestimmten Abmessungen oder Konfigurationen beschränkt. Beispielsweise kann jeder Spulenabschnitt zwischen 2 und 20 Windungen aufweisen. Außerdem kann das Windungslängenstück jedes Spulenabschnitts zwischen 1,3 cm und 13 cm betragen, und der Querschnitt der Spule kann zwischen 6,5 cm² und 645 cm² betragen. Die Spule und Spulenabschnitte sind ebenfalls nicht auf die Konfiguration aus 2 beschränkt. Beispielsweise zeigt 4 eine Spule 400 mit einer planaren Konfiguration. Die planare Konfiguration beinhaltet ebenfalls einen ersten Spulenabschnitt 402 und einen zweiten Spulenabschnitt 404. In veranschaulichenden Ausführungsformen kann jeder Spulenabschnitt in dieser planaren Konfiguration 1 bis 10 Schleifen aufweisen. Die Verbindungspunkte bei A+ und A– sind von den Verbindungspunkten B– und B+ beabstandet, um elektrisches Rauschen zwischen den Verbindungen zu vermeiden.
Der NMR-Sender 104 beinhaltet auch eine NMR-Senderschaltung 110, die an die Spule 102 gekoppelt ist. Die Senderschaltung 110 erzeugt NMR-Impulssequenzen und stellt die NMR-Impulssequenzen an die Spule 102 bereit. Die Senderschaltung 110 ist „nicht-resonant”, da die Resonanzfrequenz nicht der interessierenden Larmorfrequenz entsprechen muss. Im Gegensatz dazu stellen, wie oben erläutert, Schmalbandschaltungen ihre Resonanzfrequenzen in Anpassung an die interessierende Larmorfrequenz ein, indem sie eine bestimmte Kapazität für die Schaltung wählen. Obwohl die nicht-resonante Senderschaltung 110 und Spule 102 Kondensatoren verwenden können und eine gewisse zugehörige Kapazität aufweisen, wird diese Kapazität nicht spezifisch in Anpassung an eine interessierende Larmorfrequenz ausgewählt.
5 zeigt eine Senderschaltung 110 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die NMR-Senderschaltung 110 beinhaltet zwei Schalter 502 und 504. Der erste Schalter 502 ist an den ersten Spulenabschnitt 202 gekoppelt und dazu konfiguriert, den ersten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen. Der zweite Schalter 504 ist an den zweiten Spulenabschnitt 204 gekoppelt und dazu konfiguriert, den zweiten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen. Jeder Schalter und entsprechende Spulenabschnitt sind parallel angeordnet. In einer bestimmten Ausführungsform sind die Schalter 502, 504 Transistoren, wie etwa Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET), bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar transistor, IGBT) oder verschiedene andere Schalter, die auf der Familie des Hochfrequenzschaltens (HFS) beruhen. In verschiedenen Ausführungsformen können die Schalter in weniger als 10 ns schalten.
Die Senderschaltung 110 kann auch eine Stromquelle (z. B. eine Hochleistungsstromquelle) 506 beinhalten, die über den ersten Schalter 502 selektiv an den ersten Spulenabschnitt 202 und über den zweiten Schalter 504 selektiv an den zweiten Spulenabschnitt 204 gekoppelt ist. Die Stromquelle 506 stellt Strom bei einer bestimmten Spannung an den ersten Spulenabschnitt 202 und den zweiten Spulenabschnitt 204 bereit. Die Verbindungen A+ und B+ der Spulenabschnitte 202, 204 sind an einen positiven Anschluss der Stromquelle 506 gekoppelt, während die Enden A– und B– der Spulenabschnitte an die Schalter 502, 504 gekoppelt sind, die dann an die Masse gekoppelt sind. Obwohl in 5 nicht gezeigt, sind die Spulenabschnitte 202, 204 mit entgegengesetzter Polarität angeordnet, wie beispielsweise in 2 gezeigt. Die Schaltung 110 kann auch einen Lastwiderstand (R) 508 oder eine Sicherung beinhalten, der bzw. die in Reihe mit der Stromquelle 506 verwendet werden kann, um den Strom zu begrenzen, der an die Schalter 502, 504 angelegt wird.
Durch selektives Koppeln der Spulenabschnitte 202, 204 an die Stromquelle 506 steuern die Schalter 502, 504 die Taktung des Stromflusses in jedem Abschnitt der Spule. Das Ein- und Ausschalten dieser Schalter 502, 504 anhand einer bestimmten Schaltlogik erzeugt einen Strom in der Spule 102 und erzeugt somit Hochfrequenzstrahlung. Auf diese Weise erzeugt der Betrieb der Schalter 502, 504 Hochfrequenzimpulse und die NMR-Impulssequenzen.
6 zeigt ein Beispiel der Schaltlogik 600, die zum Betreiben des ersten Schalter 502 und des zweiten Schalters 504 verwendet wird. In diesem Fall beinhaltet die Schaltlogik einen Satz von zwei nichtüberlagernden Digitalsignalen, die mit φ₁ und φ₂ bezeichnet sind. Die Signale φ₁ und φ₂ dienen zum Betreiben der einzelnen Schalter. Das erste Signal φ₁ betreibt den ersten Schalter 502, während das zweite Signal φ₂ den zweiten Schalter 504 betreibt. Die Schaltlogik beinhaltet häufig eine Periode mit positivem Strom (oder negativem Strom), die durch Einschalten eines Schalters erzeugt wird, gefolgt von einer Periode ohne Strom, die durch Ausschalten des Schalters erzeugt wird. In verschiedenen Ausführungsformen wechselt die Schaltlogik zwischen dem Einspeisen von Strom in die einzelnen Spulenabschnitte 202, 204, wie in 5 gezeigt, und erzeugt auf diese Weise Wechselstrom in der Spule 102. Der Gesamtstrom, der von den Spulenabschnitten erzeugt wird, lässt sich gemäß der folgenden Beziehung bestimmen: I_T = |I_A| – |I_B|, (1) wobei I_T der Gesamtstrom durch die Spule, I_A der Strom durch den ersten Spulenabschnitt und I_B der Strom durch den zweiten Spulenabschnitt ist. Der Strom in einem Spulenabschnitt wird von dem anderen abgezogen, da die Spulenabschnitte mit entgegengesetzter Polarität gewunden sind. 6 zeigt den Gesamtstrom 602 in der Spule 102, der durch die Schaltlogik 600 erzeugt wird. Wie in der Figur gezeigt, erzeugt die Schaltlogik eine sinusförmige Wellenform in der Spule 102. Das Wiederholen der Schaltlogik bei einer bestimmten Frequenz erzeugt Hochfrequenzleistung und NMR-Impulssequenzen mit einer bestimmten Frequenz. In diesem Fall ist die Wellenform als eine Quadratwellenform gezeigt. Die Wellenform kann abhängig von der Induktanz der Spule und dem Widerstand in der Spule und der Senderschaltung auch andere Formen aufweisen (z. B. dreieckig).
Der Sender 104 beinhaltet auch einen Treiber 112, der an die Senderschaltung 110 gekoppelt ist. In einer bestimmten Ausführungsform kann der Treiber 112 ein Computerprozessor sein. Der Treiber 112 dient zum Steuern des Betriebs der Schalter 502, 504 in der Senderschaltung 110. Wie in 5 gezeigt, sind die einzelnen Schalter 502, 504 auch an den Treiber 102 gekoppelt, so dass der Treiber den Betrieb der Schalter steuern kann. Der Treiber 112 schaltet die Schalter 502, 504 gemäß einer Schaltlogik (z. B. φ₁ und φ₂) um. In verschiedenen Ausführungsformen empfängt der Treiber 112 außerdem NMR-Impulssequenzen von einem NMR-Spektrometer 108. In einigen Ausführungsformen werden die NMR-Impulssequenzen über eine Vielzahl von Kanälen gesendet. Eine Addiererschaltung (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um die Vielzahl von Kanälen zu kombinieren. Außerdem beinhaltet der Sender 104 in verschiedenen Ausführungsformen einen Komparator 114 zum Empfangen der NMR-Impulssequenzen von dem Spektrometer 108 und zum Erzeugen einer Quadratwellenform, die an den Treiber 112 bereitgestellt wird. Die NMR-Impulssequenzen können von dem Treiber 112 in die bestimmte Schaltlogik übersetzt werden, indem Wellenformen der NMR-Impulssequenzen ausgewählt und die Wellenformen dann auf eine geeignete Spannung aufbereitet werden.
Veranschaulichende Ausführungsformen des NMR-Senders, die hier beschrieben sind, können zwischen Frequenzen umschalten, die außerhalb einer natürlichen Resonanzfrequenzbandbreite einer Spule mit einer geregelten Schaltung liegen. Mit anderen Worten, der NMR-Sender ist nicht darauf angewiesen, dass eine Spule zum Einstellen einer bestimmten Frequenz geregelt wird. Im Gegensatz zu Schmalbandsysteme, die mechanische Schalter und Reihen fest angeordneter Kondensatoren zum Einregeln der Spule verwenden, erreichen verschiedene hier beschriebene Ausführungsformen der Sender Mehrfrequenzbetrieb, ohne dass Hardwaremodulation (z. B. Umschalten zwischen fest angeordneten Kondensatoren oder Einregeln zwischen variablen Kondensatoren) notwendig ist. Stattdessen kann die Frequenz direkt durch ein Spektrometer moduliert werden. Der NMR-Sender ist gegenüber Frequenz unempfindlich und gestattet es, dass die Impulssequenzfrequenz dynamisch durch das Spektrometer variiert wird, während die Phasenkohärenz einer Ausgangswellenform beibehalten wird. In einigen Fällen kann der Sender (und die Spule) zwischen Frequenzen mit einer Frequenzdifferenz von bis zu 10% einer anfänglich angelegten Frequenz umschalten. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Frequenz sogar größer sein (z. B. 20%, 30% oder 50%). Außerdem kann der Sender in einigen Ausführungsformen in weniger als 5 ps zwischen Frequenzen umschalten. In noch weiteren Ausführungsformen kann der Sender in weniger als 20 ps oder 50 ps zwischen Frequenzen umschalten. Darüber hinaus kann der Sender in einigen Ausführungsformen in einem Frequenzbereich von 100 kHz und 3,2 MHz arbeiten.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen auch eine vereinfachte Senderauslegung bereit. Wie in 5 gezeigt, verwendet die Senderschaltung zwei Schalter, die beide an die Masse gekoppelt sind. Diese Anordnung reduziert die Anzahl von Bauelementen in der Senderschaltung und sorgt auch für eine vereinfachte Schaltlogik und einen vereinfachten Treiber. Beispielsweise ist keine Hochspannungstreiberschaltung nötig, da die zwei Schalter beide an die Masse gekoppelt sind. Darüber hinaus kann durch Konfigurieren der Spulenabschnitte mit entgegengesetzter Polarität eine einzelne Stromversorgung zum Versorgen beider Spulenabschnitte verwendet werden, während die Spule selbst sowohl einen „positiven” als auch einen „negativen” Strom erzeugt.
Wie in 1 gezeigt, ist die Spule 102 auch an einen NMR-Empfänger 106 gekoppelt, so dass NMR-Resonanzsignale, die in der Substanz 101 erzeugt werden, detektiert, verstärkt und analysiert werden können. In einer spezifischen Ausführungsform ist der Empfänger 106 eine Breitband-NMR-Empfänger, der resonante NMR-Signale über einen breiten Frequenzbereich hinweg empfangen und verarbeiten kann. Die Spule 102 ist mithilfe eines Duplexers 116 an den Empfänger 106 gekoppelt. Der Duplexer 116 entkoppelt den Empfänger 106 von der Spule 102, wenn die Spule in einem Sendemodus arbeitet (z. B. eine NMR-Impulssequenz überträgt). In einer bestimmten Ausführungsform beinhaltet der Duplexer 116 Schalter und einen Schaltertreiber 118, der Schalter während eines Sendemodus öffnet und die Schalter während eines Empfangsbetreibsmodus schließt- Auf diese Weise schützt der Duplexer 116 den Empfänger 106 während eines Sendemodus. Ein Duplexer muss nicht verwendet werden, wenn das NMR-System 100 separate Sender- und Empfängerspulen beinhaltet.
Das NMR-System beinhaltet auch ein Spektrometer 108, das dazu dient, NMR-Impulssequenzen an den NMR-Sender 104 bereitzustellen und das NMR-Signal zu analysieren, das von dem NMR-Empfänger 106 empfangen wird. In verschiedenen Ausführungsformen, wird das detektierte NMR-Signal von dem NMR-Empfänger 106 in analoger Form ausgegeben. In solchen Ausführungsformen kann das Spektrometer 108 einen Digitalisierer 120 (z. B. Analog-Digital-Wandler) zum Umwandeln des detektierten NMR-Signals in digitale Daten beinhalten. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Demodulation des NMR-Signals im Spektrometer 108 stattfinden. In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Demodulation des NMR-Signals jedoch auch im NMR-Empfänger 106 stattfinden. Das Spektrometer 116 beinhaltet auch eine Nachverarbeitungseinheit 122, die zum Interpretieren der detektierten digitalen NMR-Daten und zum Bestimmen von NMR-Eigenschaften aus den detektierten Daten dient. Diese Daten können einem Benutzer mithilfe einer Bedienerschnittstelle mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) präsentiert werden. Das Spektrometer 108 beinhaltet auch einen Impulssequenzgenerator 124, der NMR-Impulssequenzen auf Grundlage von Parametern erzeugt, die von einem Bediener an der Bedienerschnittstelle ausgewählt werden. Der Impulssequenzgenerator stellt die Sequenzen an den NMR-Sender 104 bereit. In einer bestimmten Ausführungsform ist das Spektrometer 108 ein KEA^TM, das von Magritek aus Aachen, Deutschland bezogen werden kann. Das Spektrometer 108 kann über die Bedienerschnittstelle mithilfe der Software PROSPA^TM gesteuert werden, die ebenfalls von Magritek bezogen werden kann.
Weitere Einzelheiten der NMR-Elektronik, NMR-Sender und NMR-Empfänger sind in der US-Veröffentlichung Nr. 2012/0001629 veröffentlicht am 5. Januar 2012, und der US-Anmeldung Nr. 13/774,457 , eingereicht am 22. Februar 2013, beschrieben, die jeweils hiermit in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen werden.
Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das NMR-System 100 eine elektromagnetische Vorrichtung 126 zum Anlegen eines statischen Magnetfelds an die Substanz 101. In einigen Ausführungsformen ist die elektromagnetische Vorrichtung 126 ein Magnet oder ein Magnetarray. Die Magnete können aus einem magnetischen Samarium-Kobalt(SmCo)-Material gebildet sein.
Das NMR-System 100 beinhaltet auch eine Bedienerschnittstelle 128 zum Kommunizieren mit dem Spektrometer 108. Die Bedienerschnittstelle 128 beinhaltet ein Computersystem. Das Computersystem kann einen Computerprozessor 130 (z. B. einen Mikroprozessor, Mikrocontroller, Digitalsignalprozessor oder Universalcomputer) zum Ausführen beliebiger der hier beschriebenen Verfahren und Prozesse beinhalten. Das Computersystem kann ferner einen Speicher 132 wie etwa eine Halbleiterspeichervorrichtung (z. B. eine RAM, ROM, PROM, EEPROM oder Flash-Programmable RAM), eine magnetische Speichervorrichtung (z. B. eine Diskette oder Festplatte), eine optische Speichervorrichtung (z. B. eine CD-ROM), eine PC-Karte (z. B. PCMCIA-Karte) oder andere Speichervorrichtung beinhalten. Der Speicher 132 kann verwendet werden, um Computeranweisungen (z. B. Computerprogrammcode) zu speichern, die von dem Prozessor 130 interpretiert und ausgeführt werden.
NMR-Impulssequenzen können als eine Serie von Computeranweisungen (z. B. Software oder Firmware) implementiert werden, die fest auf einem nichtflüchtigen greifbaren Medium wie etwa einem computerlesbaren Medium (z. B. einem Speicher) angeordnet sind oder an das Computersystem über ein Modem oder eine andere Schnittstellenvorrichtung übertragen werden können, wie etwa einen Kommunikationsadapter, der über ein greifbares Medium (z. B. optische oder analoge Kommunikationsleitungen) mit einem Netzwerk verbunden ist. Die Serie von Computeranweisungen können alle NMR-Impulssequenzen oder einen Teil derselben verkörpern. Der Prozessor 130 kann dazu konfiguriert sein, die Sequenzen aus dem Speicher 132 abzurufen und Anweisungen an die NMR-Elektronik 104, 106, 108 bereitzustellen, um die Sequenzen an die Substanz 101 anzulegen. Die detektierten Resonanzsignale können auch von der NMR-Elektronik 104, 106, 108 an den Prozessor 130 zur Speicherung auf dem Speicher 132 übermittelt werden.
Die Bedienerschnittstelle 128 unterstützt auch die grafische Benutzeroberfläche 134 (GUI) (z. B. einen Monitor, einen Touchscreen, eine Maus, eine Tastatur und/oder einen Joystick). Die GUI 134 erlaubt es einem Bediener, die NMR-Elektronik 104, 106, 108 zu steuern und mit ihr zu kommunizieren. In verschiedenen Ausführungsformen, kann die Bedienerschnittstelle 128 dazu verwendet werden, Funktionen auszuführen, die aus der folgenden nicht einschränkenden Liste ausgewählt sind:

• Übermitteln von Anweisungen an die NMR-Elektronik 104, 106, 108 zum Einleiten und/oder
• Beenden von NMR-Messungen;
• Übermitteln von Anweisungen zum Ändern von Parametern von NMR-Sequenzen an die NMR-Elektronik (z. B. Impulsamplitude der Sequenzen, Impulslängen, Taktung zwischen Impulsen, Form von Impulsen und/oder Frequenz von Impulsen);
• Übermitteln detektierter NMR-Signaldaten von der NMR-Elektronik 104, 106, 108 an die Bedienerschnittstelle 128;
• Übermitteln von NMR-Impulssequenzen von der Bedienerschnittstelle 128 an die NMR-Elektronik 104, 106, 108;
• Durchführen einer Analyse der detektierten NMR-Signaldaten an der Bedienerschnittstelle 128, um NMR-Eigenschaften von Substanzen zu bestimmen;
• Anzeigen verschiedener Kurvendiagramme von NMR-Eigenschaften an den Bediener an der Bedienerschnittstelle 128; und
• Übermitteln von NMR-Impulssequenzen von der Bedienerschnittstelle 128 an die NMR-Elektronik 104, 106, 108.

Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf das NMR-System 100 aus 1 beschränkt. Verschiedene Abwandlungen können am System vorgenommen werden. Beispielsweise beinhaltet die NMR-Elektronik 104, 106, 108 in einer spezifischen Ausführungsform ein weiteres Computersystem, das die NMR-Elektronik unterstützt. In einer solchen Ausführungsform können die NMR-Elektronik 104, 106, 108 und die Bedienerschnittstelle 128 ihre eigenen Kommunikationsmodule beinhalten, die Kommunikation zwischen der NMR-Elektronik und der Bedienerschnittstelle ermöglichen. Eine Kommunikationsverbindung zwischen den Kommunikationsmodulen kann beispielsweise mithilfe einer fest verdrahteten Verbindung, einer optischen Verbindung, akustischen Verbindung und/oder einer drahtlosen Verbindung hergestellt werden. Durch Verwendung der Kommunikationsmodule können die NMR-Elektronik 104, 106, 108 und die Bedienerschnittstelle 128 physisch an zwei separaten Standorten angeordnet sein. In einer Bohrlochanwendung beispielsweise kann die NMR-Elektronik 104, 106, 108 untertage angeordnet sein, während die Bedienerschnittstelle 128 an der Oberfläche angeordnet ist.
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen ferner Öl- und Gasfeldanwendungen, wie etwa Bohrlochvermessungswerkzeuge. Insbesondere zeigt 7 ein Logging-whileDrilling(LWD, Vermessung während des Rohrens)-System 700 zum Untersuchen einer Substanz 702 vor Ort in einer Erdformation 704 und Bestimmen einer Eigenschaft der Substanz, während ein Bohrvorgang durchgeführt wird. Das LWD-System 700 beinhaltet einen Bohrstrang 708. Der Bohrstrang 708 ist in einem Bohrloch 706 angeordnet, das durch die Formation 704 verläuft. Der Bohrstrang 708 beinhaltet eine Schwerstange 710 mit einem Bohrmeißel 712, der am unteren Ende der Schwerstange angeordnet ist. Das LWD-System 700 beinhaltet ein Oberflächensystem mit einer Bohrturmbaugruppe und einer Plattformbaugruppe 714, die über dem Bohrloch 706 angeordnet sind. Die Bohrturmbaugruppe 714 dreht den Bohrstrang 708 und während sich der Bohrstrang dreht, bohrt sich der Bohrmeißel 712 tiefer in das Bohrloch 706. Ein LWD-NMR-Vermessungsmodul 716 ist in der Schwerstange 710 angeordnet, so dass das Modul die umgebende Erdformation vermessen kann, während der Bohrvorgang durchgeführt wird. Das Vermessungsmodul 716 kommuniziert mit Oberflächenausrüstung 718, die eine Bedienerschnittstelle zum Kommunizieren mit dem Modul beinhaltet. Eine solche Bedienerschnittstelle wurde bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können das NMR-Vermessungsmodul 716 und die Bedienerschnittstelle über beliebige von einer kabelgebunden Bohrrohrverbindung, einer akustischen Telemetrieverbindung, optischer Kommunikation und/oder elektronischer Kommunikation kommunizieren.
8 zeigt ein LWD-NMR-Vermessungsmodul 800 zum Anlegen von NMR-Impulssequenzen an die Formation. Das Modul 800 beinhaltet Magnetabschnitte 804, die ein statisches Magnetfeld in einer Empfindlichkeitszone 806 in der Formation 802 erzeugen. Das Modul 800 beinhaltet auch eine Schwerstange 808 mit einem Axialschlitz 810. Eine Spule 812 ist in dem Axialschlitz 810 angeordnet, und der Schlitz ist mit einem Isolator wie etwa Keramik, Epoxid oder Glasfaser gefüllt. Wie oben erläutert, beinhaltet die Spule 812 zwei Spulenabschnitte, die mit entgegengesetzter Polarität angeordnet sind. Die Spulenabschnitte sind in dem Axialschlitz 812 um die Schwerstange 808 gewunden. Der Axialschlitz 812 ist mit einer Abdeckung 814 verschlossen. In einigen Ausführungsformen ist die Abdeckung 814 aus einem nicht-magnetischen Material und/oder nicht-leitfähigen Material gebildet. An einem Ende sind die Spulenabschnitte geerdet (z. B. an der Schwerstange 808). Am anderen Ende sind die Spulenabschnitte an die NMR-Elektronik 816 gekoppelt, die einen Sender mit einer Senderschaltung beinhaltet, wie beispielsweise in 5 beschrieben. Die NMR-Elektronik 816 ist beispielsweise über Druckmitteldurchführungen an die Spule 812 gekoppelt. Die Spule 812 legt ein oszillierendes Magnetfeld (z. B. NMR-Impulssequenzen) an einen interessierenden Bereich 820 in der Empfindlichkeitszone 806 der Formation 802 an. In einigen Ausführungsformen ist das oszillierende Magnetfeld axial symmetrisch, um Messungen während der Drehung des Bohrstrangs zu vereinfachen. Weitere Einzelheiten zu NMR-LWD-Systemen sind in US-Patent Nr. 5,629,623 , erteilt am 13. Mai 1997, und US-Patent Nr. 6,392,410 , erteilt am 21. Mai 2002, beschrieben. Jedes dieser Patente wird hiermit in seiner Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen. Ein spezifisches Beispiel eines NMR-LWD-Werkzeugs ist das VISION^TM-Werkzeug von Schlumberger.
9 zeigt ein Verfahren 900 zum Anlegen von Hochfrequenzimpulsen (z. B. NMR-Impulssequenzen) an eine Substanz. Vor dem Beginn des Verfahrens kann eine Substanz zur Auswertung in einer Spule oder in deren Nähe angeordnet werden. Bei Vorgang 902 wird Strom an einen ersten Spulenabschnitt der Spule angelegt, und bei Vorgang 904 wird Strom auch an einen zweiten Spulenabschnitt der Spule angelegt. Der Strom fließt mit entgegengesetzter Polarität durch die Spulenabschnitte. Wie oben erläutert, wird der Strom mithilfe eines ersten Schalters selektiv an den ersten Spulenabschnitt angelegt, und der Strom wird mithilfe eines zweiten Schalters selektiv an den zweiten Spulenabschnitt angelegt. Durch wechselweises Einspeisen von Strom in die einzelnen Spulenabschnitte erzeugt die Spule ein oszillierendes Magnetfeld. Die Vorgänge 902 und 904 werden wiederholt, um einen Hochfrequenzimpuls mit einer spezifischen Dauer zu erzeugen. Eine NMR-Impulssequenz beinhaltet eine Serie solcher Impulse von spezifischer Dauer mit Verzögerungen zwischen benachbarten Impulsen. Die NMR-Impulssequenzen können beispielsweise eine FID(free-induction decay)-Sequenz, eine Spin-Echo-Sequenz, eine stimulierte Echosequenz, an Inversion-Recovery-Sequenz, eine Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)-Sequenz oder Kombinationssequenzen beinhalten. In einigen Ausführungsformen wird das NMR-Signal, das in der Substanz erzeugt wird, mithilfe der Spule detektiert. Das NMR-Signal wird dann zum Bestimmen einer Eigenschaft der Substanz bestimmt, wie etwa T₁-Relaxationszeit, T₂-Relaxationszeit und Abschwächung des Signals aufgrund von Molekulardiffusion.
Die hier beschriebenen NMR-Sender und Spulen sind nicht auf einen bestimmten Vorrichtungstyp oder ein bestimmtes System beschränkt. Die hier beschriebenen NMR-Sender und Verfahren können in Oberflächenumgebungen wie etwa in einem Labor oder in unterirdischen Umgebungen implementiert werden. Die NMR-Sender können in der Chemikalienproduktion, Lebensmittelproduktion, Materialuntersuchung und Infrastrukturuntersuchung (z. B. Gebäude und Brücken) verwendet werden.
In Bezug auf Bohrlochanwendungen sind die hier beschriebenen NMR-Systems und Verfahren nicht auf LWD-System wie etwa das in 7 und 8 gezeigte beschränkt. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch auf kabelgebundene Systeme (z. B. ein kabelgebundenes Werkzeug) oder Measuring-while-Drilling-Systeme (z. B. MWD-Werkzeuge) angewandt werden. In einem spezifischen wird eine Spule mit zwei Abschnitten mit einer planare Konfiguration als ein Block an einem kabelgebundenen Werkzeug verwendet. Veranschaulichende Ausführungsformen können außerdem mit beliebigen geeigneten Beförderungsmitteln verwendet werden, etwa einem bewehrten Kabel oder Wickelrohren. Darüber hinaus können die hier beschriebenen NMR-Sender und Verfahren dazu verwendet werden, eine Substanz in einer Erdformation außerhalb des Bohrlochwerkzeugs (z. B. außerhalb der Spule) zu untersuchen oder eine Substanz in einer Durchflussleitung oder Kammer in einem Bohrlochwerkzeug (z. B. innerhalb der Spule) zu untersuchen.
Die hier beschriebenen NMR-Sender und Spulen sind nicht auf das Implementieren von NMR-Techniken und Sequenzen beschränkt. Die hier beschriebenen Systeme und Vorrichtungen können auch dazu verwendet werden, andere Magnetresonanz(MR)-Techniken und -Sequenzen zu implementieren, wie etwa Kernquadrupolresonanz(nuclear quadrupole resonance, NQR)-Techniken und -Sequenzen.
Obwohl vorstehend mehrere Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute ohne Weiteres verstehen, dass viele Abwandlungen an den Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne wesentlich vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Entsprechend ist vorgesehen, dass alle derartigen Abwandlungen in den Umfang dieser Offenbarung fallen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine Spule zum Anlegen von Magnetresonanz(MR)-Impulssequenzen an eine Substanz, wobei die Spule Folgendes umfasst: einen ersten Spulenabschnitt; und einen zweiten Spulenabschnitt, wobei der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt Strom mit entgegengesetzter Polarität durchlassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Senderschaltung zum Erzeugen der MR-Impulssequenzen und Bereitstellen der MR-Impulssequenzen an die Spule.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Senderschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Schalter, der an den ersten Spulenabschnitt gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den ersten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen; einen zweiten Schalter, der an den zweiten Spulenabschnitt gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den zweiten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen;
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter Transistoren umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter dazu konfiguriert sind, in weniger als 10 ns zu schalten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend: einen Treiber, der an die Senderschaltung gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters die MR-Impulssequenzen erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Treiber ferner dazu konfiguriert ist, den Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters gemäß einer Schaltlogik zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Spulenabschnitt ein erstes Windungslängenstück beinhaltet, der zweite Spulenabschnitt ein zweites Windungslängenstück beinhaltet, und wenigstens ein Abschnitt des ersten Windungslängenstücks und wenigstens ein Abschnitt des zweiten Windungslängenstücks sich entlang einer Längsachse der Spule überlagern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Stromquelle, die selektiv über den ersten Schalter an den ersten Spulenabschnitt gekoppelt ist und selektiv über den zweiten Schalter an den zweiten Spulenabschnitt gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Komponente eines Bohrlochvermessungswerkzeugs ist.
Verfahren zum Anlegen von Hochfrequenzimpulsen an eine Substanz, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen von Strom an einen ersten Spulenabschnitt einer Spule; und Anlegen von Strom an einen zweiten Spulenabschnitt der Spule, wobei Strom mit entgegengesetzter Polarität durch die Spulenabschnitte fließt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Strom mithilfe eines ersten Schalters selektiv an den ersten Spulenabschnitt angelegt wird und der Strom mithilfe eines zweiten Schalters selektiv an den zweiten Spulenabschnitt angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betrieb des ersten Schalters und des zweiten Schalters die Hochfrequenzimpulse erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter Transistoren sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Spulenabschnitt ein erstes Windungslängenstück beinhaltet, der zweite Spulenabschnitt ein zweites Windungslängenstück beinhaltet, und das erste Windungslängenstück und das zweite Windungslängenstück sich entlang einer Längsachse der Spule überlagern.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Substanz eine Formation ist und das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Anlegen der Hochfrequenzimpulse an die Formation.
Magnetresonanz(MR)-System, umfassend: eine Spule, umfassend: einen ersten Spulenabschnitt; einen zweiten Spulenabschnitt, wobei der erste Spulenabschnitt und der zweite Spulenabschnitt mit entgegengesetzter Polarität konfiguriert sind; einen ersten Transistor, der an den ersten Spulenabschnitt gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den ersten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen; und einen zweiten Transistor, der an den zweiten Spulenabschnitt gekoppelt und dazu konfiguriert ist, den zweiten Spulenabschnitt selektiv mit Strom zu versorgen.
System nach Anspruch 18, ferner umfassend: eine Stromquelle, die selektiv über den ersten Schalter an den ersten Spulenabschnitt gekoppelt ist und selektiv über den zweiten Schalter an den zweiten Spulenabschnitt gekoppelt ist.
System nach Anspruch 18, wobei der Betrieb des ersten Transistors und des zweiten Transistors die MR-Impulssequenzen erzeugt.