DE19952786A1

DE19952786A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft

Info

Publication number: DE19952786A1
Application number: DE19952786A
Authority: DE
Inventors: Peter Speier; Ralf Heidler
Original assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2000-05-11
Also published as: ID25982A; GB9923664D0; CA2285791C; NL1013480A1; AR021072A1; US6291995B1; NO995394L; NO995394D0; GB2343753B; NL1013480C2; CN1253295A; AU5359099A; CA2285791A1; AU737702B2; GB2343753A; EG22372A

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Impulsfolge unter Verwendung eines Werkzeugs (10) zum Erstellen eines Bohrberichts gerichtet. Es ist ein Impulsprogrammierer (80) zum angepaßten Steuern der Erzeugung und des Anlegens einer Folge von HF-Magnetfeldimpulsen an eine Bodenformation vorgesehen. Zum Steuern der HF-Impulse ist ein Abschnitt einer Speichervorrichtung (82) in mehrere Tabellen (84, 86, 88) unterteilt, in denen die Steuerinformationen gespeichert werden. Der Impulsprogrammierer (80) erzeugt die Impulsfolge unter Verwendung der in der Speichervorrichtung (82) gefundenen Informationen und der Betriebsbedingungen des Werkzeugs (10). Die Struktur der unterteilten Speichervorrichtung (82) erlaubt dem Impulsprogrammierer (80) das autonome Anpassen und Ändern der Zeitgebung der Impulsfolgen im Bohrloch (24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft einer Bodenformation gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 10.

Atomteilchen einer Bodenformation mit einem von null verschiedenen magnetischen Kernspinmoment, z. B. Protonen, neigen dazu, sich auf ein wäh rend der Bildung auf die Formation einwirkendes statisches Magnetfeld auszurich ten. Ein solches Magnetfeld kann wie im Fall des Erdmagnetfelds B_E natürlich entstanden sein. Ein HF-Impuls, der ein zweites zu B_E transversales Magnetfeld anlegt, erzeugt eine Magnetisierungskomponente in der Querebene (senkrecht zu B_E), die eine Präzession mit einer als die Larmor-Frequenz ω_L bekannten charakteristischen Resonanz um den Vektor B_E aufweist, die von der Stärke des statischen Magnetfelds und von dem gyromagnetischen Verhältnis des Teilchens abhängt. Wasserstoffkerne (Protonen), die eine Präzession um ein Magnetfeld B_E von 0,5 Gauß ausführen, besitzen z. B. eine charakteristische Frequenz von etwa 2 kHz. Falls eine Population von Wasserstoffkernen gleichphasig zur Präzession gebracht wird, können die überlagerten Magnetfelder der Protonen in einer Empfängerspule eine nachweisbare Oszillationsspannung erzeugen, wobei diese Bedingungen dem Fachmann als freier Induktionsabfall oder als ein Spinecho bekannt sind. In Gesteinsporen auftretende Wasserstoffkerne von Wasser und Kohlenwasserstoffen erzeugen Kernresonanzsignale (NMR-Signale), die sich von Signalen, die von anderen Festkörpern herrühren, unterscheiden.

US 4 717 878 und US 5 055 787 beschreiben NMR-Werkzeuge, die zum Polarisieren von Wasserstoffkernen und zum Erzeugen eines statischen Magnet felds B₀ Permanentmagneten und zum Anregen und zum Erfassen der Kernreso nanz HF-Antennen verwenden, um die Porösität, den Anteil freier Fluide und die Permeabilität einer Formation zu bestimmen. Die Atomkerne richten sich mit einer Zeitkonstanten T₁ auf das angelegte Feld B₀ aus. Nach einem Polarisationszeit raum kann der Winkel zwischen der Kernmagnetisierung und dem angelegen Feld durch Anlegen eines HF-Felds B₁ mit der Larmor-Frequenz f_L = γB₀/2π, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis des Protons und B₀ die Stärke des statischen Magnetfelds bezeichnen, senkrecht zu dem statischen Feld B₀ geändert werden. Nach Abschluß des HF-Impulses führen die Protonen eine Präzession in der zu B₀ senkrechten Ebene aus. Eine Folge von Neufokussierungs-HF-Impulsen erzeugt eine Folge von Spinechos, die ein in der Antenne erfaßbares NMR-Signal erzeugen.

US 5 280 243 beschreibt ein Kernresonanz-Werkzeug zur Formationsbe wertung beim Bohren. Die Sonde enthält einen Probenabschnitt, der einen Per manentmagneten, der in einer in Längsrichtung verlaufenden ringförmigen Aus sparung außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist, und eine in einer nichtlei tenden magnetischen Hülse außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnete Antenne enthält. Der Gradient der Stärke des statischen Magnetfelds verläuft in Radialrich tung. Die Antenne erzeugt ein HF-Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht so wohl zur Längsachse des Werkzeugs als auch zur Richtung des statischen Feldes ist. Bei dieser Vorrichtung muß der Magnet, damit sich die Magnetfelder ihrem gewünschten 2D-Dipolverhalten annähern, in Axialrichtung lang im Vergleich zu seinem Durchmesser sein.

US 5 757 186 beschreibt ein Werkzeug zum Messen beim Bohren, das eine Abtastvorrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen der Boden formation enthält. Die NMR-Abtastvorrichtung ist in einer in der Außenoberfläche des Bohrkopfschafts ausgebildeten kreisförmigen Aussparung angebracht. Bei einer Ausführung ist in die Aussparung ein Fluß-Verschluß eingesetzt. An der radialen Außenoberfläche des Fluß-Verschlusses ist ein Magnet angeordnet. Der Magnet ist aus mehreren radialen Segmenten konstruiert, die von der Längsachse des Werkzeugs aus radial nach außen magnetisiert sind. Der Fluß-Verschluß ist erforderlich, um das Magnetfeld auf die richtige Richtung auszurichten.

Die Werkzeuge der US 5 280 243 und der US 5 757 186 leiden an den üblichen Problemen: Beide Werkzeuge erfordern die Verwendung eines nichtlei tenden Magneten, der außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist. Für das Werkzeug der US 5 280 243 muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts eine ausgesparte Fläche besitzen, um den nichtleitenden Magneten aufzunehmen. Für das Werkzeug der US 5 757 186 muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts eine ausgesparte Fläche besitzen, um den Fluß-Verschluß, den nichtleitenden Ma gneten und die Antenne unterzubringen. Da die Stärke des Bohrkopfschafts eine Funktion seiner Radien ist, führt das Verringern des Außendurchmessers zum Unterbringen des Magneten allein oder des Fluß-Verschlusses, des Magneten und der Antenne zu einem inakzeptabel schwachen Abschnitt des Bohrkopfschafts, der sich während des Bohrbetriebs biegen oder brechen kann.

US 5 557 201 beschreibt ein Impuls-Kernmagnet-Werkzeug zur Forma tionsbewertung beim Bohren. Das Werkzeug enthält eine Bohrkrone, einen Bohrstrang und eine gepulste Kernresonanzvorrichtung, die in einem aus einer nichtmagnetischen Legierung hergestellten Bohrkopfschaft untergebracht sind. Das Werkzeug enthält in dem Bohrstrang und in der gepulsten NMR-Vorrichtung einen Kanal, durch den der Bohrschlamm in das Bohrloch gepumpt wird. Die gepulste NMR-Vorrichtung umfaßt zwei Hohlmagneten, die in der Weise angebracht sind, daß sie den Kanal umgeben, wobei gleiche Pole einander gegenüberliegen, und eine Antennenspule, die an einer Außenoberfläche des Bohrstrangs zwischen den Magneten angebracht ist. Dieses Werkzeug ist so beschaffen, daß es die Kerne in einem als der Sattelpunkt bekannten Meßgebiet zur Resonanz anregt.

US 5 705 927 beschreibt außerdem ein auf dem gepulsten Kernmagne tismus beruhendes Werkzeug zur Formationsbewertung beim Bohren. Das Werk zeug enthält entweder innerhalb oder außerhalb des Werkzeugs angeordnete Trimmagneten, die das Kernresonanzsignal der Bohrlochfluide dadurch unter drücken, daß sie die Stärke des statischen Magnetfelds in dem Bohrloch erhöhen, so daß die Larmor-Frequenz in dem Bohrloch über der Frequenz des von der in einer ausgesparten Fläche des Werkzeugs liegenden HF-Antenne erzeugten oszillierenden Felds liegt. Außerdem verringern die Trimmagneten den Gradienten des statischen Magnetfelds in dem Untersuchungsgebiet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 10 zu schaffen, die zu verbesserten Meßwerten führen.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der An sprüche 1 bzw. 10 gelöst.

Es ist vorgesehen, daß in einer von dem Bohrloch durchquerten Formation ein im wesentlichen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld erzeugt wird. Zur angepaßten Steuerung der Erzeugung und des Anlegens einer Folge von HF- Magnetfeldimpulsen an die Formation ist ein Impulsprogrammierer vorgesehen. Zur Steuerung der HF-Impulse ist ein Abschnitt einer Speichervorrichtung in meh rere Tabellen unterteilt, in denen Steuerinformationen gespeichert werden. Die Tabellen können die folgenden Tabellen umfassen: eine Puffertabelle, die die Anordnung der Stapelpuffer beschreibt, eine Erfassungstabelle, die die in den Puffern akkumulierten erfaßten Signale definiert, eine Filterkoeffiziententabelle, die das bei einer Signalerfassung verwendete Erfassungsfilter vorschreibt, eine Spindynamik-Korrekturtabelle, die die für jeden Puffer zu verwendende Spindy namikkorrektur angibt, und eine Datenverarbeitungstabelle, die die aus den erfaß ten Puffern berechnete Kernresonanz-Charakteristik angibt. Neben dem Im pulsprogrammierer können weitere Aufgaben die in den Tabellen gespeicherten Informationen gemeinsam nutzen.

Ferner enthält der Impulsprogrammierer eine zum Erzeugen der Impuls folgen genutzte Impulsfolgenschablone, die eine von den Wiederholungs- und Zeitgebungsvariablen abhängige Folge von Zuständen umfaßt. Diese Variablen werden unter Verwendung eines Rechenblocks aus den Folgenkonfigurationspa rametern berechnet. Die Zeitgebungsvariablen umfassen die Wartezeit, den Echoabstand und die Anzahl der erfaßten Echos. Die Konfigurationsparameter umfassen die Dauer eines Anregungsimpulses, die Impulsamplitude und die Im pulsform. Ferner umfaßt die Folge der Zustände mehrere alternative Zustände für Abschnitte der Impulsfolge. Auf der Grundlage der externen Bedingungen der Vorrichtung kann einer der alternativen Zustände in Echtzeit ausgewählt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Be schreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbil dungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Erstellen eines Bohrberichts beim Bohren.

Fig. 2 zeigt eine Niedergradientensonde.

Fig. 2a-2d zeigt die vier Niedergradienten-Magnetkonfigurationen ent sprechenden Äquipotentiallinien |₀|.

Fig. 3a-3d stellen Niedergradienten-Magnetkonfigurationen entsprechende Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B₀| dar.

Fig. 4 zeigt eine Hochgradientensonde.

Fig. 4a stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende Äquipotentiallinien |₀| dar.

Fig. 4b stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B₀| dar.

Fig. 5 zeigt eine einfache Datenerfassungs-Betriebsart.

Fig. 6 zeigt eine verschachtelte Datenerfassungs-Betriebsart.

Fig. 7 zeigt eine Stoß-Datenerfassungs-Betriebsart.

Fig. 8 stellt ein Blockdiagramm eines Impulsprogrammierers dar.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Werkzeug 10 zum Erstellen eines Kernreso nanz-(NMR)-Bohrberichts beim Bohren eine Bohrkrone 12, einen Bohrstrang 14, mehrere HF-Antennen 36, 38 und wenigstens eine Gradientenspule 56. Ferner umfaßt das Werkzeug 10 eine in einem Bohrkopfschaft 22 untergebrachte Elektro nikschaltungsanordnung 20. Die Elektronikschaltungsanordnung 20 umfaßt eine HF-Resonanzschaltungsanordnung für die Antennen 36, 38, einen Mikroprozes sor, einen Digitalsignalprozessor und einen Niederspannungsbus. Ferner umfaßt das Werkzeug 10 mehrere Hohlmagneten 30, 32 und 34, die in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Werkzeugs 10, jedoch entgegengesetzt zueinan der, d. h. mit gegenüberliegenden gleichen Magnetpolen, polarisiert sind. Die Magneten 30, 32 und 34 enthalten entweder ein leitendes oder ein nichtleitendes Material. Die Konfiguration der Magneten 30, 32 und 34 und der Antennen 36, 38 schafft wenigstens zwei NMR-Gebiete der Erfindung 60, 62 mit einem im wesent lichen axialsymmetrisch-statischen HF-Magnetfeld.

Eine Einrichtung zum Bohren eines Bohrlochs 24 in der Formation umfaßt die Bohrkrone 12 und den Bohrkopfschaft 22. Der Bohrkopfschaft 22 kann eine (nicht gezeigte) Stabilisierungseinrichtung zum Stabilisieren der Radialbewegung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch beim Bohren enthalten, wobei die Stabilisie rungseinrichtung jedoch nicht zwingend ist; das Werkzeug 10 kann somit un stabilisiert oder stabilisiert arbeiten. Eine Schlammstromhülse 28 definiert einen Kanal 90, der das Bohrfluid durch den Bohrstrang 14 befördert. Ein Antriebsme chanismus 26 dreht die Bohrkrone 12 und den Bohrstrang 14. Der Antriebsme chanismus 26 ist angemessen in US 4 949 045 beschrieben. Allerdings kann als der Antriebsmechanismus 26 in dem Bohrstrang 14 ein Schlammotor im Bohrloch angeordnet werden.

Um wenigstens N Untersuchungsgebiete in der Formation zu erhalten, können N + 1 Magneten 30, 32, 34 kombiniert werden. Die Kombinationen kann ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten oder eine Kombination eines Gebiets mit einem hohen Gradienten, eines Gebiets mit einem niedrigen Gradienten und eines Gebiets mit einem Sattelpunkt enthalten. Die Kombination von statischen Feldgebieten mit einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten in der Forma tion bietet mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann das Gebiet mit dem hohen Gra dienten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, bei der Längsbewegung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 jedoch einen Signalverlust erfahren. An dererseits hat das Gebiet mit dem niedrigen Gradienten eine niedrigere Empfind lichkeit gegenüber Signalverlustproblemen, wenn das Werkzeug 10 in Bewegung ist. Außerdem können bei einer mäßigen Bewegung des Werkzeugs 10 in dem Gebiet mit dem niedrigen Gradienten längere Echozüge als in dem Gebiet mit dem hohen Gradienten erhalten werden, um somit mehr Informationen über die Permeabilität, über ein gebundenes und ein freies Fluid und über die Arten der Kohlenwasserstoffe zu liefern. Außerdem kann die Kombination der mit beiden Gradientengebieten erfaßten Daten quantitative Informationen über die Stärke der Längsbewegung, die das Werkzeug 10 erfährt, liefern und somit zur Bewegungs korrektur der NMR-Daten oder wenigstens zur Qualitätskontrolle der Daten ver wendet werden. Zur Qualitätskontrolle der Daten oder zum Vornehmen von Kor rekturen an dem Spin-Echo-Zug können Messungen von Vorrichtungen wie etwa Dehnungsmeßgeräten, Beschleunigungsmeßgeräten oder Magnetometern oder von irgendwelchen Kombinationen dieser Vorrichtungen mit den NMR-Informatio nen integriert werden. Bei der Kombination von statischen Magnetfeldern mit einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten zeigt das Gebiet mit dem hohen Gradienten eine höhere Diffusionswirkung und ist somit von größerem Interesse für die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten als das Gebiet mit dem niedrigen Gradienten. Schließlich besitzt das Gebiet mit einem niedrigen Gradienten ein statisches Magnetfeld mit einer niedrigen Amplitude, wobei dieses Gebiet mit seiner niedrigeren Larmor-Frequenz somit weniger durch die Leitfähig keit der Formation und des Bohrlochfluids beeinflußt wird.

Niedergradientensonde

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist in einem als eine Niedergradientensonde verwendeten Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von einem unteren Magneten 32 getrennt. Diese Magneten 30, 32 erzeugen ein im wesentli chen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisation und mit einer über eine angemessen lange Zylinderschale ziemlich konstanten Stärke. In der Formation können mehrere Zylinderschalen von Spins angeregt werden, wobei jede Schale mit einer anderen HF-Frequenz resonant ist und wobei jede Schale aufeinanderfolgend mit Folgen von HF-Impulsen abgefragt wird.

Der Bereich zwischen den Magneten 30, 32 ist geeignet, um Teile wie etwa elektronische Bauelemente, eine HF-Antenne und andere ähnliche Dinge unterzubringen. Zum Beispiel können mehrere Elektronikpakete 70 einen einteili gen Teil der Schlammhülse 28 bilden. In diesen Paketen 70 kann die HF-Schal tungsanordnung (z. B. der Q-Schalter, der Duplexer oder der Vorverstärker) zweckmäßig in enger Nachbarschaft der HF-Antenne untergebracht sein. Vor zugsweise bilden die Pakete 70 einen einteiligen Teil eines magnetisch perme ablen Teils 16. Um in diesem Fall die Axialsymmetrie des Magnetfelds zu erhalten, liegt über jedem Paket 70 eine stark magnetische permeable Abdeckung 72.

Das magnetisch permeable Teil 16 ist in dem Bohrkopfschaft 22 zwischen den Magneten 30, 32 positioniert. Das Teil 16 kann aus einem Einzelstück oder aus mehreren zwischen den Magneten 30, 32 kombinierten Abschnitten bestehen. Das Teil 16 ist aus einem geeigneten magnetisch permeablen Material wie etwa aus Ferrit, permeablem Stahl oder einer anderen Eisen-Nickel-Legierung, aus korrosionsbeständigem permeablem Stahl oder aus permeablem Stahl mit einer Strukturfunktion in der Konstruktion des Teils wie etwa aus dem rostfreiem Stahl 15-5 Ph konstruiert. Das magnetisch permeable Teil 16 fokussiert das Magnetfeld und kann außerdem entweder Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang 14 befördern oder eine konstruktive Abstützung für den Bohrkopfschaft 22 schaffen. Ferner verbessert das Teil 16 die Form des von den Magneten 30, 32 erzeugten statischen Magnetfelds und minimiert die Änderungen des statischen Magnetfelds infolge einer vertikalen Bewegung und einer Längsbewegung des Werkzeugs 10 während der Zeitdauer der Erfassung des NMR-Signals. Das Segment der Hülse 28 zwischen den Magneten 30, 32 kann das magnetisch permeable Teil 16 um fassen. In diesem Fall sollen die Segmente der Hülse 28 unter den Magneten 30, 32 aus einem nichtmagnetischen Teil bestehen. Alternativ wird das Teil 16 durch einen magnetisch permeablen Baugruppenträger definiert, der das Segment der Hülse 28 zwischen den Magneten 30, 32 umgibt. In diesem Fall kann das Seg ment aus einem magnetischen oder nichtmagnetischen Material bestehen. Um das Teil 16 zu bilden, können der Baugruppenträger und das Segment integriert werden.

Die Magneten 30, 32 sind in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole einander gegenüberlie gen. Für jeden Magneten 30, 32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von einem Ende des Magneten 30, 32 nach außen in die Formation, entlang der Achse des Werkzeugs 10 und zum anderen Ende des Magneten 30, 32 nach in nen. In dem Gebiet zwischen dem Mittelmagneten 30 und dem unteren Magneten 32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von der Mitte nach außen in die Formation, wo sie ein statisches Feld in einer im wesentlichen senkrecht auf der Achse des Werkzeugs 10 stehenden Richtung erzeugen. Hierauf laufen die Linien der magnetischen Induktion über dem Mittelmagneten 30 und unter dem unteren Magneten 32 symmetrisch nach innen, wobei sie in Längsrichtung in der Hülse 28 zusammenlaufen. Wegen des Abstands ist die Stärke des statischen Magnetfelds in dem Mittelgebiet zwischen dem mittleren Magneten 30 und dem unteren Magneten 32 im Vergleich zu einem Sattelpunktfeld räumlich homogen.

Der Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird auf der Grundlage meh rerer Faktoren bestimmt: (1) Auswahl der erforderlichen Magnetfeldstärke- und Homogenitätseigenschaften; (2) Erzeugen eines Felds mit kleinen radialen Ab weichungen in der interessierenden Richtung, so daß die während einer Impuls folge (d. h. CPMG, CPI oder anderen Folgen) empfangenen Echos gegenüber einer Längsbewegung des Werkzeugs weniger empfindlich sind; (3) Untersu chungstiefe; und (4) Minimieren der Schnittstelle zwischen der Resonanzschal tungsanordnung und dem Niederspannungs-Telemetrie-Bus zum Verbessern der Isolation der Empfangsantenne, die die NMR-Signale von der Formation erfaßt. Mit sinkendem Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird das Magnetfeld stär ker und inhomogener. Umgekehrt wird das Magnetfeld mit steigendem Abstand zwischen den Magneten 30, 32 schwächer und homogener.

Die Fig. 2a-2d zeigen die den vier Labormodellkonfigurationen des Mit telmagneten 30 und des unteren Magneten 32 entsprechend Äquipotentiallinien von |₀|. Diese Modellergebnisse wurden unter Verwendung eines Werkzeugs mit einem vorgegebenen Durchmesser berechnet (wobei zum Modellieren aller Konfigurationen ein konstanter Durchmesser verwendet wurde). Die den Fig. 2a bis 2c entsprechende Konfiguration umfaßt ein nichtmagnetisches permeables Teil, das einen Mittelmagneten und einen unteren Magneten 30, 32 um 25, 18 bzw. 8 Zoll trennt. Die Niedergradientensonde umfaßt entsprechend Fig. 2d ein magnetisch permeables Teil 16, das einen Mittelmagneten und einen unteren Magneten 30, 32 um 25 Zoll trennt. Die obenerwähnten Abmessungen wurden lediglich modelliert, um die Wirkung des Abstands und/oder eines magnetisch permeablen Teils oder nicht magnetisch permeablen Teils auf |₀| zu zeigen. Die Fig. 3a-3d stellen die den jeweils in den Fig. 2a-2d gezeigten Konfigurationen entsprechenden Äquipotentiallinien des Gradienten |∇B₀| dar.

In der Niedergradientensonde schließt das magnetisch permeable Teil 16 einen signifikanten Anteil des Magnetflusses zur Mitte des Werkzeugs 10 kurz. Zur Erläuterung ist die Stärke des in Fig. 2d gezeigten Felds B₀ in einem Abstand von etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 doppelt so groß wie das in Fig. 2a gezeigte, von der gleichen, jedoch durch ein nichtmagnetisches permeables Teil getrennten Magnetkonfiguration erzeugte Feld B₀. Außerdem erzeugt die Niedergradientensonde ein in Axialrichtung längeres und gleichförmi ger verlaufendes statisches Magnetfeld. Das in diesem Abschnitt des Werkzeugs 10 gemessene NMR-Signal ist gegenüber der Vertikalbewegung des Werkzeugs 10 wesentlich weniger empfindlich. In Fig. 3d wird mit der Niedergradientensonde in einem Abstand von etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 ein verhältnismäßig kleiner Gradient von etwa 3 Gauß/cm gemessen. Dieser niedrige Gradient führt zu einem gemessenen NMR-Signal, das gegenüber der Längsbewegung des Werkzeugs 10 wesentlich unempfindlicher ist. Wenn die Bewegung mäßig ist, können in diesem Gebiet längere Echozüge erfaßt werden, was somit mehr Informationen über die Permeabilität, über das gebundene und freie Fluid und über die Arten der Kohlenwasserstoffe liefert. Im Fall der Nieder gradientensonde sowie bei anderen Gradientenkonstruktionen liefert das proto nenreiche Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 lediglich bei höhe ren Frequenzen als sie an das Untersuchungsvolumen angelegt werden Reso nanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Andere in dem Bohrschlamm befindlichen NMR-empfindlichen Kerne wie etwa Natrium-23 erzeugen beim Anregen mit der gleichen HF-Frequenz bei signifikant höheren statischen Magnetfeldstärken als Wasserstoff eine Resonanz. Für die Niedergradientensonde werden diese höheren Feldstärken in dem Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 oder in der Nähe der Antenne, wo solche unerwünschten Signale erfaßt werden könnten, nicht erzeugt.

Hochgradientensonde

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist in einem als eine Hochgradientensonde ver wendeten weiteren Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von einem oberen Magneten 34 getrennt. Die Magneten 30, 34 sind in einer Richtung parallel zur Längsachse des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole einander gegenüberliegen. Diese Magneten 30, 34 erzeugen ein im wesentlichen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisierung, wobei das statische Magnetfeld über eine angemessen lange Zylinderschale eine ziem lich konstante Größe besitzt. Es können mehrere Zylinderschalen von Spins in der Formation angeregt werden, wobei jede Schale bei einer anderen HF-Frequenz in Resonanz ist.

Falls der Abstand zwischen den Magneten 30 und 34, wie in Fig. 2c ge zeigt ist, etwa 8 Zoll beträgt, sind die Äquipotentiallinien der statischen Magnet feldstärke im wesentlichen gerade, wobei die Stärke von |₀| größer als die Stärke des statischen Magnetfelds des Gebiets mit dem niedrigen Gradienten ist. Wie in Fig. 3c gezeigt ist, wird der Gradient |∇B₀| in einem Abstand von etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 jedoch größer. Die Äquipoten tiallinien von |∇B₀| sind gekrümmt, was eine Abweichung des Gradienten in Axial richtung bezeichnet.

Die Hochgradientensonde wird durch Einsetzen eines magnetisch perme ablen Teils 16 zwischen den Magneten 30, 34 verbessert. Fig. 4a stellt die Äqui potentiallinien von |₀| dar, die einer Konfiguration entsprechen, bei der das ma gnetisch permeable Teil 16 den unteren Magneten und den Mittelmagneten 30, 34 um 8 Zoll trennt. Die Äquipotentiallinien aus Fig. 4a zeigen ein geringfügig stärkeres Feld, was ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und weniger Krüm mung in Axialrichtung als die Äquipotentiallinien aus Fig. 2c bezeichnet. Außerdem erzeugt das magnetisch permeable Teil 16, wie in Fig. 4b gezeigt ist, in Axialrichtung einen stärker konstanten Gradienten |∇B₀|, der die Interpretation der durch die Diffusion beeinflußten NMR-Messungen vereinfachen kann.

Im Fall der Hochgradientensonde liefert das protonenreiche Bohrlochge biet in der Umgebung des Werkzeugs 10 wie bei anderen Gradientenkonstruktio nen lediglich bei höheren als den an das Untersuchungsvolumen angelegten Fre quenzen Resonanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Die Hoch gradientensonde ist empfindlich gegenüber einem kleinen Teil des Natriums von dem Bohrlochfluid. Für ein Bohrlochfluid mit einer NaCl-Konzentration von 30%, dem möglicherweise schlimmsten Fall, beträgt der Fehler der abgeschätzten Po rösität infolge des Natriumsignals etwa 0,08 pu. In der Niedergradientensonde ist das Natriumsignal wesentlich kleiner als in der Hochgradientensonde. Folglich ist das Natriumsignal für beide NMR-Sonden vernachlässigbar.

Antennen- und Gradientenspulen

Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, wird von den in den ausgesparten Bereichen 50, 52 vorgesehenen Antennen 36, 38 in den Untersuchungsgebieten ein HF-Magnetfeld erzeugt. Das HF-Feld kann durch eine oder durch mehrere HF- Antennensegmente, die von verschiedenen Umfangssektoren der Vorrichtung zum Erstellen des Bohrberichts aus senden und/oder empfangen, erzeugt werden. Bevorzugt umfaßt jede Antenne 36, 38 eine entlang des Umfangs um den ausgesparten Bereich 50, 52 gewickelte Spule 18. Das durch eine solche Spu lenanordnung erzeugte HF-Feld ist im wesentlichen axialsymmetrisch. Die Anten nen 36, 38 können zum Erfassen von NMR-Signalen verwendet werden. Jedoch kann zum Erfassen der Signale auch eine gesonderte Antenne oder ein geson derter Empfänger verwendet werden. In dem ausgesparten Bereich 50, 52 unter den Antennen 36, 38 ist ein nichtleitendes Material 54 vorgesehen. Um die Wirk samkeit der Antennen 36, 38 zu erhöhen, ist das Material 54 bevorzugt ein Ferrit. Alternativ kann das Material 54 ein Kunststoff-, Gummi- oder verstärktes Epoxid harz-Verbundmaterial umfassen. Die Antennen 36, 38 werden durch die HF- Schaltungsanordnung in Resonanz versetzt, um in den Untersuchungsgebieten ein HF-Magnetfeld zu erzeugen.

Der ausgesparte Bereich 52 bildet eine flache Nut in dem Bohrkopfschaft 22, ohne daß, wie üblich, zum Erhöhen der Feldstärke in einem Gebiet des Bohrkopfschafts 22, in dem zur Schaffung einer Antenne der Außendurchmesser ausgespart wurde, der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts 22 verringert wird. Der ausgesparte Bereich 50 besitzt eine größere Tiefe als der ausgesparte Bereich 52. Wegen mechanischer Beschränkungen kann es nur einen tief ausgesparten Bereich geben, in dem der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts 22 wesentlich verringert ist. Entweder können die ausgesparten Bereiche 50, 52 im wesentlichen die gleiche Tiefe haben, oder der ausgesparte Bereich 52 kann eine größere Tiefe als der Bereich 50 haben.

Die Zylinderschalen der Spins in dem Untersuchungsgebiet können unter Verwendung wenigstens einer in dem ausgesparten Bereich 50 und/oder 52 an geordneten richtungsempfindlichen Gradientenspule 56 axial oder bevorzugt azi mutal segmentiert sein. Bevorzugt sind um den ausgesparten Bereich 50 und/oder 52 entlang des Umfangs drei Gradientenspulen positioniert und durch ein Winkelabstandssegment von 120° getrennt. Es können andere Anzahlen von Gradientenspulen 56, d. h. weniger oder mehr als drei, definiert werden, wobei solche Spulen 56 durch von 120° verschiedene und/oder ungleiche Winkelab stände getrennt sein können. Jede Spule 56 ist mit Drahtschleifen konstruiert, die der Krümmung der Außenoberfläche des Materials 54 entsprechen. Das von jeder Gradientenspule 56 in einem der Spule 56 gegenüberliegenden Gebiet der For mation erzeugte Magnetfeld ist im wesentlichen parallel zu dem von den Magne ten 30, 32, 34 erzeugten statischen Magnetfeld.

In der grundlegenden NMR-Messung wird an die untersuchte Formation eine Impulsfolge angelegt. In US 5 596 274 und US 5 023 551 wird an die Forma tion mittels einer Impulsfolge wie etwa der Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Folge (CPMG-Folge) an die Formation zunächst ein Anregungsimpuls, ein 90°-Impuls, der die Spins in die Querebene dreht, angelegt. Nachdem die Spins um 90° ge dreht wurden und eine Phasenverschiebung zwischen ihnen entstanden ist, wird der Träger der Neufokussierungsimpulse, die 180°-Impulse, in bezug auf den Träger der 90°-Impulsfolge gemäß der folgenden Beziehung:

phasenverschoben, wobei der Klammerausdruck für n = 1, 2, ... N, mit N der An zahl der in einer einzelnen CPMG-Folge gesammelten Echos und dem Echoab stand t_Echo = 2t_cp = t_180°γ + t₁+ t₂, wiederholt wird. 90°_±x bezeichnet einen HF- Impuls, der bewirkt, daß sich die Spins, wie es üblicherweise in dem Drehrahmen der Kernresonanzmessungen (mit alternierender Phase) definiert ist, um einen Winkel von 90° um die ±x-Achse drehen. Die Zeit zwischen dem Anlegen des 90°- Impulses und des 180°-Impulses t₀ ist kleiner als t_cp, dem halben Echoabstand. Die CPMG-Folge ermöglicht die Erfassung einer symmetrischen Messung (d. h. einer Messung ohne Verwendung der Gradientenspulen). Die genauen Zeitpara meter t₀, t₁ und t₂ hängen von verschiedenen Faktoren (z. B. von der Form der angelegten Impulse) ab.

Hier erzeugt ein an die Gradientenspule 56 angelegter Stromimpuls ein im wesentlichen zu dem statischen Magnetfeld paralleles Zusatzmagnetfeld. Der Stromimpuls wird zwischen dem ersten 90°-Impuls und dem um 180° phasenver kehrten Impuls angelegt. Dieses Zusatzfeld bewirkt eine zusätzliche Phasenver schiebung für die Spins. Da der um 180° phasenverkehrte Impuls die zusätzliche Phasenverschiebung nicht kompensiert, bilden die dem Zusatzfeld unterworfenen Spins kein Spinecho. Für Spins, die dem Zusatzfeld nicht unterworfen sind, tritt jedoch zur Zeit 2t_cp ein Spinecho auf, wobei zum Zeitpunkt t_cp nach jedem pha senverkehrten Impuls Spinechos mit aufeinanderfolgend kleinerer Amplitude auf treten. Die Impulsfolge ist

wobei t₀ ^adie Zeitdauer zwischen dem 90°-Impuls und dem Gradientenimpuls mit der Dauer δ, t₀ ^b die Zeitdauer zwischen dem Gradientenimpuls und dem 180°- Umkehrimpuls und t₀ ^a+ δ + t₀ ^b ist. Infolge der aufeinanderfolgenden 180°_γ- Impulse und der inhomogenen Felder fällt die x-Komponente des NMR-Signals innerhalb weniger Echos ab. Somit liegt der Schwerpunkt lediglich auf der γ-Kom ponente des Signals. Damit kann das erste NMR-Echosignal unter Vernachlässi gung der Relaxation als

dargestellt werden, wobei i die komplexe imaginäre Einheit; γ das gyromagneti sche Verhältnis; M°_xbzw. M°_y die x- bzw. y Komponente der Magnetisierung am Ort r zum Zeitpunkt des ersten Echos in Abwesenheit des Gradientenimpulses; G(r) die Komponente des Gradientenfelds parallel zu ₀ am selben Ort; δ die Dauer des Gradientenimpulses; und dc(r) die differentielle Empfindlichkeit der NMR-Sonde ist.

Die Gradientenspulen 56 bieten eine Anzahl von Vorteilen, was das Er halten von Azimutmessungen betrifft. Zunächst können während der Drehung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 lange Echozüge aufgezeichnet werden, da die axialsymmetrische Antenne die Spinechos erfaßt. Zweitens vereinfacht die Spule 56 den Entwurf eines NMR-LWD-Werkzeugs, da die Spule 56 nicht die Abstim mungsanforderungen einer HF-Antenne 36, 38 besitzt. Drittens kann die gleiche Antenne 36, 38 zum Ausführen symmetrischer und axialsymmetrischer Messun gen verwendet werden. Viertens können die Spulen 56 verwendet werden, um NMR-Messungen mit einer ausgezeichneten räumlichen und insbesondere verti kalen Auflösung zu erhalten.

Es werden verschiedene Betriebsarten zum Erhalten von azimutalen NMR-Messungen betrachtet. Zum Beispiel verwendet eine "einfache Zerstörungs"- Betriebsart wenigstens eine Spule 56 zum Zerstören der Spins in einem ausgewählten Quadranten, wobei ein Quadrant als ein Winkelabstandssegment über den Umfang des Werkzeugs 10 definiert ist, wobei jedoch mehrere Spulen 56 zum Zerstören mehrerer Quadranten verwendet werden können. In jedem Fall werden zwei Messungen erhalten: eine symmetrische Impulsfolge mit alternieren der Phase (PAPS) mit einer festen Wartezeit, auf die eine Gradienten-PAPS mit einer variablen Wartezeit folgt, wobei der ausgewählte Quadrant durch Aktivieren der Spule 56 in dem Quadranten zerstört wird. Bevorzugt wird die obenerwähnte Gradientenimpulsfolge verwendet. Die Azimutmessung wird durch Subtrahieren der Gradientenmessung von der symmetrischen Messung erzeugt. In dieser Be triebsart wird für jeweils zwei PAPS eine symmetrische Messung erhalten, wäh rend für jeweils acht PAPS eine Azimutabtastung erhalten wird. Da die zwei Mes sungen kombiniert werden, ist das Meßrauschen für die Azimutmessung höher als das Rauschen in der symmetrischen Messung oder in der Gradientenmessung.

Der Rauschbeitrag kann durch Kombinieren verschiedener Einzelqua dranten-Zerstörungsmessungen reduziert werden. Zum Beispiel können durch Zerstören jedes Quadranten vier Gradienten-PAPS-Messungen erhalten werden. Die Messungen werden zum Erzeugen einer synthetischen Azimutmessung und einer symmetrischen Messung kombiniert. Durch Kombinieren der ohne Aktivieren der Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen mit den mit Aktivieren einer oder mehrerer Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen können axial oder azimutal aufgelöste "Bilder" der Formation erzeugt werden. Die erfaßten Daten und insbesondere die in Form von Azimutbildern der Porösität und des ge bundenen Fluids erfaßten Daten sind sehr wünschenswert zur Verbesserung der petrophysikalischen Interpretation in stark abweichenden und horizontalen Bohrungen und zur Entscheidungsfindung beim Bohren über die Plazierung von Bohrungen auf der Grundlage geologischer Erkenntnisse.

Optimieren der Impulslänge und der Betriebsfrequenz

Für eine gewählte Betriebs-HF-Frequenz gibt es für den 90°-Impuls t₉₀ sowie für die 180°-Impulse t₁₈₀ eine optimale Dauer, die ein gewünschtes Signal- Rausch-Verhältnis sicherstellt. Die Suche nach einer optimalen Impulslänge kann während der Haupteichung des Werkzeugs ausgeführt werden, so daß sämtliche Impulslängen richtig initialisiert werden, oder sie kann ausgeführt werden, wenn sich das statische Magnetfeld wie etwa bei einer Änderung infolge der Akkumula tion magnetischen Bohrmehls während des Bohrprozesses in einer nicht vorher sagbaren Weise ändert. Außerdem kann dieses Verfahren verwendet werden, um die geeignete Frequenz zur Erfüllung weiterer Kriterien wie etwa dem, die Unter suchungstiefe konstant zu halten, zu wählen.

Die optimale Impulslänge kann unabhängig von den NMR-Eigenschaften der Formation durch Messen der NMR-Antwort eines Abtastwerts unter Verwen dung von wenigstens zwei verschiedenen Impulsdauern und einer im voraus de finierten Betriebsart bestimmt werden. Alternativ kann die optimale Impulslänge unter Verwendung wenigstens zweier verschiedener Impulsdauern und außerdem einer aus den NMR-Eigenschaften der Formation berechneten Betriebsart be stimmt werden. Im ersten Fall verbessert die Datenstapelung das Signal-Rausch- Verhältnis, wobei das Stapelverfahren möglicherweise aber eine lange Zeitdauer zum Erfassen der Daten von der Formation benötigt. Bevorzugt werden die ge messenen Daten während eines stationären Zeitfensters, wenn das Werkzeug 10 eine Pause vom Bohrbetrieb einlegt, wie etwa während des Zeitraums, während dessen der Bohrstrang mit einem neuen Abschnitt des Bohrrohrs verlängert wird, akkumuliert. Falls die T₂-Verteilung der Formation im zweiten Fall bekannt ist, kann eine beste Erfassungsbetriebsart konstruiert werden, die das höchste Signal- Rausch-Verhältnis pro Einheit der Erfassungszeit und eine optimale Linear kombination der erfaßten Echos liefert. Laborsimulationen zeigen, daß die opti male Zeitgebung für die beste Erfassungsbetriebsart dann erreicht wird, wenn die Dauer des Echozugs etwa gleich T_2,max, dem dominierenden T₂ der Formation ist, und wenn die Wartezeit t_W (unter der Voraussetzung eines konstanten Ver hältnisses T₁/T₂ von 1,5) etwa gleich 2,5 × T_2,max ist. Die beste Erfassungsbe triebsart bestimmt über mehrere Sekunden die optimale Impulslänge innerhalb weniger Prozent. Ein ähnliches Verfahren (z. B. die Sattelpunkt-Konstruktion) kann zum Optimieren des NMR-Signals in bezug auf die Frequenz verwendet werden. Die T₂-Verteilung hilft wirksam beim effizienten Abstimmen der Impulslängen für das Werkzeug 10.

Datenerfassungs-Betriebsarten

Wie oben beschrieben wurde, besitzt das Werkzeug 10 mehrere Antennen 36, 38. Bevorzugt senden oder erfassen diese Antennen 36, 38 keine Daten gleichzeitig. Nachdem eine Antenne 36 Daten erfaßt, erfährt die andere Antenne 38 statt dessen eine minimale Wartezeit, während der sich die Stromversorgung auflädt, um die nächste Impulsfolge zu senden. Jedoch ist es möglich, Daten gleichzeitig zu senden oder zu erfassen oder eine Datenerfassung ohne eine er forderliche Wartezeit vorzusehen.

Auf der Grundlage dieser Entwurfsprioritäten können mehrere Datener fassungs-Betriebsarten verwendet werden. Unten werden beispielhaft drei reprä sentative Zeitgebungen für die NMR-Datenerfassung beschrieben: eine für was serfeuchte Sandsteinzonen geeignete schnelle Zeitgebung, eine für Karbonatzo nen geeignete langsame Zeitgebung und eine für Kohlenwasserstoff führende Zonen (oder für den Einbruch von Öl-Bohrschlamm) entwickelte sehr langsame Zeitgebung. Die Zeitgebungen sind in Tabelle I dargestellt.

Tabelle I

Bei jeder Datenerfassungszeitgebung können mehrere verschiedene Be triebsarten verwendet werden, zu denen die folgenden zählen: einfache Betriebs art, verschachtelte Betriebsart und Stoßbetriebsart. Daneben sind jedoch weitere Betriebsarten möglich. Die einfachste Möglichkeit zum Erfassen von T₂-Informa tionen mit dem Werkzeug 10 besteht im Ausführen von CPMG-Messungen mit beiden Antennen 36, 38 unter Verwendung der gleichen Zeitgebung. Fig. 5 zeigt die einfache Datenerfassungs-Betriebsart bei Verwendung mit der schnell abfal lenden, mit der langsam abfallenden und mit der sehr langsam abfallenden Zeit gebung aus Tabelle I. Jede Antenne 36, 38 erfaßt alternierend eine lange Impuls folge, was eine wirksame Porösitätsmessung von jeder Antenne 36, 38 liefert.

Bei der verschachtelten Betriebsart mißt die Hochgradientenantenne we nigstens zwei Zylinderschalen bei zwei verschiedenen Frequenzen, während die Niedergradientenantenne eine Messung unter Verwendung einer einzelnen Fre quenz erhält. Fig. 6 zeigt für schnell abfallende Abtastwerte, für langsam abfal lende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten eine ver schachtelte Messung unter Verwendung der Zeitgebung aus Tabelle I.

Die Stoßbetriebsart verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis insbeson dere für die schnell abfallenden Komponenten. Außerdem schafft die Stoßbe triebsart ein nutzbares T₁ auf der Grundlage einer Messung der gebundenen Fluide. Siehe WO 98/29639 und außerdem US-Patentanmeldung Nr. 09/096.320, die ein Verfahren zum Polarisieren des gebundenen Fluids einer Formation be schreiben. Fig. 7 zeigt Stoßmessungen für schnell abfallende Abtastwerte, für langsam abfallende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten unter Verwendung leicht modifizierter Zeitgebungen aus Tabelle I.

Zusätzlich zur Verwendung der einfachen Betriebsart, der verschachtelten Betriebsart und der Stoßbetriebsart können die Formationsbewertungsmessungen dadurch optimiert werden, daß die im Bohrloch herrschenden Bedingungen, die eine Pause während des Bohrbetriebs erzeugen, und die Bohrbetriebsart erfaßt wird, wobei die Betriebsart zum Steuern der Datenerfassung verwendet wird. Standard-Drehbohroperationen umfassen mehrere natürliche Pausen, während derer das Werkzeug stehenbleibt: die Anschlußzeit, während der ein neuer Ab schnitt des Bohrrohrs zu dem Bohrstrang hinzugefügt wird, die Umwälzzeit, wenn Schlamm umgewälzt und das Bohrrohr möglicherweise gedreht wird, und die Fangarbeits- oder Rüttel-Zeit, während der der Bohrstrang haftet und vor dem Fortsetzen des Bohrens freigelegt werden muß. Diese natürlichen, ohne Unter brechung der normalen Bohroperationen auftretenden Pausen oder absichtlich ausgelöste Pausen werden zum Ausführen von NMR-Messungen verwendet. Die Bohrbetriebsarten können das Bohren, das Gleiten, das Schalten, das Umwälzen, die Fangarbeit, ein kurzes Anschlagbohren (nach oben oder nach unten) und Bohrrohrverbindungen umfassen. Das Bestimmen der Bohrbetriebsart verbessert die Fähigkeit, NMR-Messungen zu erhalten, die, wie z. B. T₁, T₂, die Antennen abstimmung und die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten, einen langen Zeitraum erfordern oder von einer ruhigen Umgebung profitieren. Es ist außerdem möglich, die Erfassungsbetriebsarten auf der Grundlage von Änderun gen in der Umgebung (z. B. der Auswaschung, des Salzgehalts usw.) und/oder von Änderungen in den NMR-Eigenschaften der Formation (z. B. einem langen T₁ gegenüber einem kurzen T₁) einzustellen.

Die Spinechoamplituden werden durch Hardwareintegration der Empfän gerspannungen über ein Zeitfenster erhalten. Das Werkzeug 10 verwendet eine phasenempfindliche Erfassung zum Messen der phasengleichen Komponenten und der Quadratur-Komponenten der Spinecho-Signal- und Rausch-Amplituden. Die in US 5 381 092 offenbarten Verfahren können verwendet werden, um die Fenstersummen im Bohrloch zu berechnen und zur T₂-Inversionsverarbeitung und -darstellung an die Oberfläche zu senden. Außerdem können die in US 5 363 041 offenbarten Verfahren realisiert werden, die einen linearen Operator zum Abbilden einer Relaxationszeitverteilung auf die Spinechos verwenden, eine Eigenwertzerlegung (SVD) des linearen Operators erzeugen, die Vektoren der SVD bestimmen und die Spinechodaten unter Verwendung der Vektoren komprimieren. Bevorzugt wird das T₂-Spektrum im Bohrloch berechnet und an die Oberfläche übertragen. Dies bietet den Vorteil, einen durch das Senden der er forderlichen Daten zum Berechnen des T₂-Spektrums an die Oberfläche erzeug ten Telemetrie-Engpasses zu beseitigen. Zum Invertieren der T₂-Daten kann ein Digitalsignalprozessor verwendet werden. Die Amplituden A_j der Spinechos wer den durch die folgende Beziehung:

gekennzeichnet, wobei η_j das Rauschen in der Messung A_j, a_i die Amplitude der bei T_2,i genommenen T₂-Verteilung ist,

die Elemente der Matrix X darstellt, wobei t_W die Wartezeit und c eine Konstante (das Verhältnis T₁/T₂), Δt der Echoabstand und j = 1, 2, . . ., N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Impulsfolge gesammelten Echos ist. In der Matrixschreibweise lautet die Gleichung = X + . Da das Rauschen η unbekannt ist, kann durch Auffinden der Lösung mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate, d. h. eines Minimums des Funktionals J = ||-X||², angenähert werden. Die Lösung dieser Gleichung wird stark durch das in den Daten vorhandene Rauschen beeinflußt, wobei sie, obgleich das Spektrum von T₂ keine negativen Komponenten besitzt, negative Komponenten besitzen kann. Zur Lösung dieses Problems wird das Funktional durch einen Regularisierungsterm λ||||² ergänzt und das Funktional Jλ() = ||-X||² + λ||||² unter Verwendung eines geeigneten Iterationsminimie rungsalgorithmus (z. B. des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens) unter der Nebenbedingung a_i ≧ 0 für i = 1 . . . M minimiert. Siehe Ron S. Dembo und Ulrich Tulowitzski, On the Minimization of Quadratic Functions Subject to Box Consfraints, Yale Department of Computer Science (September 1984) (Beschreibung des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens). Die unter Verwendung eines Digitalsignalprozessors zum Ausführen der T₂-Inversion erfor derliche Zeit ist sehr angemessen. Zum Beispiel erfordert die Inversion in einem Digitalsignalprozessor unter der Voraussetzung von 1800 Echos und 30 Ab tastwerten in dem T₂-Bereich weniger als zwei Sekunden.

Impulsprogrammierer

Für die grundlegende NMR-Messung mit dem Werkzeug 10 legt die Elek tronikschaltungsanordnung eine Impulsfolge an die untersuchte Formation an. Das Werkzeug 10 enthält einen Impulsprogrammierer 80, der die an die Formation angelegte Impulsfolge angepaßt auswählt und steuert. Der Impulsprogrammierer 80 richtet die Impulsfolge unter Verwendung der in dem Meßsteuerblock 82 (siehe Fig. 8) gefundenen Informationen und der Betriebsbedingungen des Werkzeugs 10 ein. Bevorzugt ist der Meßsteuerblock 82 in einer Speichervorrichtung im Bohrloch untergebracht. Die Konstruktion des Blocks 82 ist feststehend, um zu ermöglichen, daß der Impulsprogrammierer 80 die Zeitgebung der Impulsfolgen autonom im Bohrloch leicht anpaßt und ändert. Vorteilhaft wird ein Abschnitt des Blocks 82 in mehrere Tabellen 84, 86 und 88 unterteilt. Anstatt alle von der Impulsfolge abhängigen Werkzeugoperationen durch den Impulsprogrammierer 80 zu steuern, werden zum Steuern dieser Operationen die Tabellen 84, 86, 88 verwendet. Dadurch kann der Impulsprogrammierer 80 die Impulsfolgen ändern, ohne Widersprüche in der Werkzeugkonfiguration einzuführen. Die mehreren Tabellen 84, 86 und 88 können die folgenden Tabellen umfassen:
eine Puffertabelle, die die Anordnung der Stapelpuffer beschreibt,
eine Erfassungstabelle, die die in den Puffern akkumulierten erfaßten Si gnale definiert,
eine Filterkoeffiziententabelle, die das bei einer Signalerfassung verwen dete Erfassungsfilter vorschreibt,
eine Spindynamik-Korrekturtabelle, die die für jeden Puffer zu verwen dende Spindynamikkorrektur angibt, und
eine Datenverarbeitungstabelle, die die aus den erfaßten Puffern berech nete Kernresonanz-Charakteristik angibt.

Der Impulsprogrammierer 80 enthält eine zum Erzeugen der Impulsfolgen nutzbare Impulsfolgenschablone 94, die eine von den Wiederholungs- und Zeit gebungsvariablen abhängige Folge von Zuständen umfaßt. Diese Variablen wer den unter Verwendung des Rechenblocks 92 aus den Folgenkonfigurationspara metern berechnet. Der Rechenblock 92 kann als eine ausführbare oder als eine interpretierende Struktur realisiert werden. Auf der Grundlage der zu messenden physikalischen Größe, z. B. T₂, können Zeitgebungsvariablen wie etwa die War tezeit t_w, der Echoabstand t_Echo und die Anzahl der erfaßten Echos definiert wer den. Zu den Konfigurationsparametern können t₉₀, die Impulsamplitude und die Impulsform zählen. Da sich diese Parameter mit den Betriebsbedingungen des Werkzeugs 10 ändern können, können sie periodisch während der Eichung oder während des Betriebs des Werkzeugs 10 berechnet werden. Zum Beispiel hängt die Impulsamplitude und -form von dem Antennenqualitätsfaktor und somit von der Leitfähigkeit der Formation in der Umgebung des Werkzeugs 10 ab.

Normalerweise läuft eine Impulsfolge, nachdem sie der Impulsprogram mierer 80 ausgelöst hat, deterministisch bis zu ihrem Abschluß ab. Um mit dem Werkzeug 10 bestimmte Azimutmeß-Betriebsarten zu realisieren, besitzt der Im pulsprogrammierer 80 die Fähigkeit, die Impulsfolge während der Ausführung der Folge zu ändern. Der Programmierer 80 kann die Ausführung der Impulsfolge an halten und in einen HALT-Zustand eintreten, bis ein externes Signal den Zustand zum Zeitpunkt t_c beendet oder bis eine maximale Zeitdauer t_max abgelaufen ist. Da die letzte der mit der Datenerfassungszeitgebung zu verwendenden verschie denen Betriebsarten (die verschachtelte Betriebsart) ein Verschachteln mehrerer Messungen vorsieht, kompensiert der Programmierer 80, wie zuvor in dem Ab schnitt über die Datenerfassungs-Betriebsarten diskutiert wurde, die während des HALT-Zustands vergangene Zeitdauer. Bevorzugt wird die Kompensation durch Gruppieren der HALT-Ereignisse ausgeführt. Zum Beispiel kann ein Gruppieren ein Paar HALT-Ereignisse umfassen, wobei ein HALT-Ereignis wie zuvor be schrieben arbeitet, während das andere HALT-Ereignis ein normales Ereignis der Dauer t_max-t_c ist. Das Gruppieren von Ereignissen ermöglicht, daß der Pro grammierer 80 Folgen mit einer variablen und mit einer deterministischen Zeitge bung zusammenfaßt.

Außerdem kann die in der Impulsfolgenschablone 94 definierte Folge der Zustände für Teile der Folge mehrere Alternativen umfassen. Eine der Alternativen (eine Verzweigung) wird in Echtzeit in Abhängigkeit von den externen Bedin gungen des Werkzeugs 10 (z. B. vom Azimut des Werkzeugs 10) gewählt.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft einer Bodenformation in einem Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs (24), gekennzeichnet durch
das Erzeugen eines im wesentlichen axialsymmetrisch-statischen Magnet felds in einer von dem Bohrloch (24) durchquerten Formation;
das angepaßte Steuern der Erzeugung und des Anlegens einer Folge von HF-Magnetfeldimpulsen an die Formation; und
das Erfassen der Kernresonanzsignale von der Formation.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt einer Speichervorrichtung (82) in mehrere Tabellen (84, 86, 88) unterteilt ist, in denen Steuerinformationen gespeichert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausführen der Folge der HF-Magnetfeldimpulse eine Schablone (94) definiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Zustandsfolge definiert wird und daß die Zustandsfolgen in der Schablone (94) gespeichert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere alternierende Zustandsfolgen definiert und in der Schablone (94) gespeichert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß wenigstens eine der Zustandsfolgen oder alternierenden Zustandsfolgen ausgewählt wird und die ausgewählten Zustandsfolgen oder alternierenden Zu standsfolgen ausgeführt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß die Folge der HF-Magnetfeldimpulse deterministisch bis zum Abschluß der Folge ausgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der HF-Magnetfeldimpulse während der Ausführung der Folge verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausführung der Folge während einer Zeitdauer angehalten wird; die Ausführung der Folge fortgesetzt wird; und die Zeitdauer kompensiert wird.

10. Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft einer Bodenformation in einem Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs (24), gekennzeichnet durch
Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen eines im wesentlichen axial symmetrisch-statischen Magnetfelds in einer von dem Bohrloch (24) durchquerten Formation;
eine Einrichtung (80) zum angepaßten Steuern der Erzeugung und des Anlegens einer Folge von HF-Magnetfeldimpulsen an die Formation; und
Einrichtungen (38, 36) zum Erfassen der Kernresonanzsignale von der Formation.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung (82), eine Einrichtung zum Unterteilen eines Abschnitts der Speichervorrichtung (82) in mehrere Tabellen (84, 86, 88) und eine Einrichtung zum Speichern von Steuerinformationen in den Tabellen (84, 86, 88).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Definieren einer Schablone (94) zum Ausführen der Folge der HF- Magnetfeldimpulse.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Definieren wenigstens einer Zustandsfolge und eine Einrichtung zum Speichern der Zustandsfolgen in der Schablone (94).

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Definieren mehrerer alternierender Zustandsfolgen und eine Ein richtung zum Speichern der alternierenden Zustandsfolgen in der Schablone (94).

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Auswählen wenigstens einer der Zustandsfolgen oder alternierenden Zustandsfolgen und eine Einrichtung zum Ausführen der ausgewählten Zustandsfolgen oder der ausgewählten alternierenden Zustands folgen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum deterministischen Ausführen der Folge der HF-Ma gnetfeldimpulse bis zum Abschluß der Folge.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ändern der Folge der HF-Magnetfeldimpulse während der Ausführung der Folge.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (80) zum Anhalten der Ausführung der Folge während einer Zeitdauer; eine Einrichtung (80) zum Fortsetzen der Ausführung der Folge; und eine Einrichtung (80) zum Kompensieren der Zeitdauer.