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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines
interessanten bzw. interessierenden Parameters eines Volumens einer
Erdformation, das ein Bohrloch umgibt, mit einem Bohrwerkzeug, das
an einer Bohrröhre
gefördert
wird, die eine Bohrspitze zum Bohren des Bohrlochs darauf aufweist.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
betrifft das Bestimmen geologischer Eigenschaften bzw. Größen unter
der Oberfläche
befindlicher Formationen unter Verwendung magnetischer Kernresonanzverfahren ("NMR-Verfahren") zur Vermessung
von Bohrlöchern,
insbesondere zum Verbessern der Genauigkeit der NMR-Signale durch
Vornehmen von Messungen zu Zeiten, zu denen es wahrscheinlich ist, dass
die Wirkung der Werkzeugbewegung klein ist.
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Es
wird eine Vielzahl von Techniken beim Bestimmen des Vorhandenseins
von Kohlenwasserstoffmengen (Öl
und Gas) in Erdformationen und zum Schätzen der Mengen von diesen
verwendet. Diese Verfahren sind dafür ausgelegt, Formationsparameter,
einschließlich
unter anderem des spezifischen Widerstands, der Porosität und der
Permeabilität
der Gesteinsformation, die das zum Fördern der Kohlenwasserstoffe
gebohrte Bohrloch umgibt, zu bestimmen. Typischerweise werden die
zum Bereitstellen der gewünschten
Informationen ausgelegten Werkzeuge zur Vermessung des Bohrlochs
verwendet. Ein großer
Teil der Vermessung erfolgt nach dem Bohren der Bohrlöcher. In
jüngster
Zeit wurden Bohrlöcher
während
des Bohrens vermessen, was als Messung während des Bohrens (MWD) oder
Vermessung während
des Bohrens (LWD) bezeichnet wird.
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Bei
einer in letzter Zeit entwickelten Technik werden magnetische Kernresonanz-(NMR)-Vermessungswerkzeuge
und -verfahren verwendet, um unter anderem die Porosität, die Kohlenwasserstoffsättigung
und die Permeabilität
der Gesteinsformationen zu bestimmen. Die NMR-Vermessungswerkzeuge
werden verwendet, um die Kerne der Flüssigkeiten in den das Bohrloch
umgebenden geologischen Formationen anzuregen, so dass bestimmte
Parameter, wie die Kernspindichte, die longitudinale Relaxationszeit
(auf dem Fachgebiet im allgemeinen als T1 bezeichnet)
und die transversale Relaxationszeit (im allgemeinen als T2 bezeichnet) der geologischen Formationen
gemessen werden können.
Anhand dieser Messungen werden die Porosität, die Permeabilität und die
Kohlenwasserstoffsättigung
bestimmt, wodurch wertvolle Informationen über die Zusammensetzung der
geologischen Formationen und die Menge der entnehmbaren Kohlenwasserstoffe
bereitgestellt werden.
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Die
NMR-Werkzeuge erzeugen ein gleichmäßiges oder nahezu gleichmäßiges statisches
Magnetfeld in einem das Bohrloch umgebenden interessierenden Bereich.
NMR beruht auf der Tatsache, dass die Kerne vieler Elemente ein
Winkelmoment (Spin) und ein magnetisches Moment aufweisen. Die Kerne
haben eine charakteristische Larmor-Resonanzfrequenz, die sich auf
den Betrag des Magnetfelds an ihrem Ort bezieht. Im Laufe der Zeit
richten sich die Kernspins entlang einem von außen angelegten statischen Magnetfeld
aus, wodurch eine Nettomagnetisierung erzeugt wird. Diese Gleichgewichtssituation
kann durch einen Puls bzw. Impuls eines oszillierenden Magnetfelds
gestört
werden, der die Spins mit der Resonanzfrequenz innerhalb der Bandbreite
des oszillierenden Magnetfelds aus der statischen Feldrichtung kippt.
Der Winkel θ,
um den die sich genau in Resonanz befindenden Spins gekippt werden,
ist durch folgende Gleichung gegeben: θ = γB1tp/2 (1)wobei γ das gyromagnetische
Verhältnis
ist, B1 die effektive Feldstärke des
oszillierenden Felds ist und tp die Dauer
des HF-Impulses ist.
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Nach
dem Kippen präzessieren
die Spins um das statische Feld bei einer als Larmor-Frequenz ω0 bekannten bestimmten Frequenz, die durch ω0 = γB0 (2)gegeben
ist, wobei B0 die statische Feldstärke ist. Gleichzeitig
kehrt die Magnetisierung entsprechend einer als "Spin-Gitter-Relaxationszeit" oder T1 bekannten
Abfallszeit zur Gleichgewichtsrichtung (d.h. der mit dem statischen
Feld ausgerichteten Richtung) zurück. Für Wasserstoffkerne ist γ/2π = 4258 Hz/Gauss,
so dass ein statisches Feld von 235 Gauss eine Präzessionsfrequenz
von 1 MHz erzeugen würde.
T1 wird vollständig durch die molekulare Umgebung
gesteuert und beträgt
in Gestein typischerweise zehn bis einige Tausend ms.
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Am
Ende eines θ =
90°-Kippimpulses
zeigen die Spins in Resonanz in eine gemeinsame Richtung senkrecht
zum statischen Feld, und sie präzessieren bei
der Larmor-Frequenz. Wegen der Inhomogenität des statischen Felds infolge
der Randbedingungen in bezug auf die Werkzeugform, unvollkommene
In strumente oder mikroskopische Materialheterogenitäten präzessiert
jedoch jeder Kernspin bei einer etwas anderen Rate. Daher präzessieren
die Spins nach einer Zeit, die verglichen mit der Präzessionsperiode
lang ist, jedoch kürzer
als T1 ist, nicht mehr in Phase. Diese Dephasierung
geschieht mit einer Zeitkonstanten, die gemeinhin als T2*
bezeichnet wird, falls sie in erster Linie auf die statische Feldinhomogenität der Vorrichtung
zurückzuführen ist,
und die gemeinhin als T2 bezeichnet wird,
falls sie auf Eigenschaften des Materials zurückzuführen ist.
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Die
Empfangsspule ist so ausgelegt, dass eine Spannung durch die präzessierenden
Spins induziert wird. Nur jene Komponente der Kernmagnetisierung,
die in der Ebene senkrecht zum statischen Feld präzessiert,
wird von der Spule erfasst. Nach einem 180°-Kippimpuls (einem "Inversionsimpuls") sind die Spins
in Resonanz entgegengesetzt zum statischen Feld ausgerichtet, und
die Magnetisierung relaxiert entlang der Achse des statischen Felds
zur Gleichgewichtsrichtung. Daher wird ein Signal nach einem 90°-Kippimpuls, jedoch
nicht nach einem 180°-Kippimpuls
in einem im wesentlichen gleichmäßigen Magnetfeld
erzeugt.
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Wenngleich
viele verschiedene Verfahren zum Messen von T1 entwickelt
worden sind, hat sich ein einziger Standard, der als CPMG-Sequenz (Carr-Purcell-Meiboom-Gill)
bekannt ist, zum Messen von T2 entwickelt.
Im Gegensatz zu Labor-NMR-Magneten
weisen Bohrlochvermessungswerkzeuge infolge der Randbedingungen
wegen der Platzierung der Magnete innerhalb des rohrförmigen Werkzeugs
und der inhärenten "von innen nach außen gerichteten" Geometrie inhomogene
Magnetfelder auf. Das Maxwellsche Divergenztheorem schreibt vor,
dass es außerhalb
des Werkzeugs keinen Bereich einer hohen Homogenität geben
kann. Daher gilt in typischen Bohrlöchern T2* << T2, und der freie
Induktionsabfall wird zu einem Maß für die von der Vorrichtung induzierten
Inhomogenitäten.
Zum Messen des wahren Werts T2 in diesen
Situationen ist es erforderlich, die Wirkung der von der Vorrichtung
induzierten Inhomogenitäten
aufzuheben. Um dies zu erreichen, wird eine Reihe von Impulsen angewendet,
um das Spinsystem wiederholt zu refokussieren, die T2*-Effekte
aufzuheben und eine Reihe von Spinechos zu bilden. Der Abfall der
Echoamplitude ist ein wahres Maß für den Abfall
infolge von Materialeigenschaften. Weiterhin kann gezeigt werden,
dass der Abfall tatsächlich
aus einer Anzahl verschiedener Abfallskomponenten zusammengesetzt ist,
die ein T2-Spektrum bilden. Die Echoabfallsdaten können verarbeitet
werden, um dieses Spektrum, das sich auf die Gesteinsporen-Größenverteilung und
andere die das Bohrloch vermessende Person interessierende Parameter
beziehen, zu offenbaren.
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Ein
Verfahren zum Erzeugen einer Reihe von Spin-Echos geht auf Carr
und Purcell zurück.
Die Pulssequenz beginnt mit einer Verzögerung um mehrere T1, um zu ermöglichen, dass sich die Spins
entlang der Achse des statischen Magnetfelds ausrichten. Anschließend wird
ein 90°-Kippimpuls
angewendet, um die Spins in die transversale Ebene zu drehen, wo
sie mit der durch die lokale Magnetfeldstärke bestimmten Winkelfrequenz
präzessieren.
Das Spinsystem verliert die Kohärenz
mit einer Zeitkonstanten T2*. Nach einer
kurzen Zeit tCP wird ein 180°-Kippimpuls
angewendet, der die Spins weiter dreht, wodurch ihre Position in
der transversalen Ebene invertiert wird. Sie präzessieren weiter, ihre Phasen
konvergieren nun jedoch, bis sie eine weitere Zeit tCP nach
dem 180°-Impuls
momentan ausgerichtet werden. Der 180°-Impuls wird nach einer weiteren Zeit tCP erneut angewendet, und der Prozess wird
viele Male wiederholt, wodurch eine Reihe von Spin-Echos mit einem
Abstand 2tCP gebildet wird.
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Wenngleich
es so scheint, dass die Carr-Purcell-Sequenz eine Lösung für das Beseitigen
von der Vorrichtung induzierter Inhomogenitäten bereitstellt, wurde von
Meiboom und Gill herausgefunden, dass die transversale Magnetisierung
stetig aus der transversalen Ebene herausgedreht wird, falls die
Dauer der 180°-Impulse
in der Carr-Purcell-Sequenz etwas falsch ist, so dass die Fokussierung
unvollständig
ist. Daher ergeben sich erhebliche Fehler bei der T2-Bestimmung.
Demgemäß haben
Meiboom und Gill eine Modifikation der Carr-Purcell-Pulssequenz
entwickelt, bei der der Träger
der 180°-Impulse
um π/2 Radiant
in bezug auf den Träger
des 90°-Impulses
phasenverschoben wird, nachdem die Spins um 90° gekippt wurden und zu dephasieren
beginnen. Diese Phasenänderung
bewirkt, dass die Spins um eine Achse gedreht werden, die senkrecht
sowohl zur Achse des statischen Magnetfelds als auch zur Achse des
Kippimpulses liegt. Für
eine Erklärung
sei der Leser auf eine detaillierte Beschreibung von Spin-Echo-NMR-Techniken,
wie "NMR: a nuts
and bolts approach",
Fukushima und Roeder, verwiesen. Dadurch wird jeder Fehler, der
während
eines geradzahligen Impulses bzw. Pulses der CPMG-Sequenz auftritt,
durch einen entgegengesetzten Fehler in dem ungeradzahligen Impuls
aufgehoben. Die CPMG-Sequenz ist daher tolerant gegenüber unvollkommenen
Spin-Kippwinkeln. Dies ist besonders nützlich bei einem Bohrlochvermessungswerkzeug, das
inhomogene und unvollkommen orthogonale statische und impulsoszillierende
(HF) Magnetfelder aufweist.
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Im
Kleinberg erteilten US-Patent US-A-5 023 551 ist eine NMR-Pulssequenz
zur Verwendung in der Bohrlochumgebung offenbart, die eine modifizierte
schnelle Inversionswiederherstellungs-(FIR)-Pulssequenz mit einer
Reihe von mehr als zehn und typischerweise hunderten von CPMG-Pulsen
bzw. Impulsen entsprechend [Wi – 180 – τi – 90 – (tCP – 180 – tCP – echo)] (3)kombiniert,
wobei j = 1, 2, ..., J ist und J die Anzahl der in einer einzigen
CPMG-Sequenz aufgenommenen Echos ist, i = 1, 2, ..., I ist und I
die Anzahl der in der Pulssequenz verwendeten Wartezeiten ist, Wi die Wiederherstellungszeit vor dem Inversionsimpuls
ist und τi die Wiederherstellungszeiten vor einer CPMG-Sequenz
sind und tCP der Carr-Purcell-Abstand ist. Die Phase der HF-Impulse
90 und 180 ist durch die Indizes X und Y bezeichnet, wobei Y um π/2 Radiant
in bezug auf X verschoben ist. Die Indizes beziehen sich herkömmlicherweise
auch auf die Achse, um die eine Drehung der Magnetisierung während des
HF-Impulses in einem lokalen kartesischen Koordinatensystem, das
um den Kern zentriert ist, in dem das statische Magnetfeld in Z-Richtung ausgerichtet
ist und das HF-Feld in X-Richtung ausgerichtet ist, auftritt. Diese
Sequenz kann zum Messen sowohl von T1 als
auch von T2 verwendet werden, sie ist jedoch
sehr zeitaufwendig, wodurch die Vermessungsgeschwindigkeit begrenzt
wird. Falls tCP auf Null gesetzt wird und
der invertierende Impuls fortgelassen wird, geht die Sequenz in
die standardmäßige CPMG-Sequenz
zur Messung nur von T2 über.
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Eine
Werkzeugbewegung kann die Funktionsweise in einer MWD-Umgebung verwendeter NMR-Werkzeuge
ernstlich beeinträchtigen. NMR-Werkzeuge,
die statische Magnetfelder aufweisen, die eine vollkommene Rotationssymmetrie
haben, werden nicht durch die Drehung des Werkzeugs beeinträchtigt,
weil sich die Felder im Untersuchungsbereich während der Messsequenz nicht ändern. Jede
radiale oder vertikale Komponente der Werkzeugbewegung infolge einer
Vibration beeinträchtigt
jedoch das NMR-Signal. Im Sezginer erteilten US-Patent US-A- 5 389 877 ist eine
abgeschnittene CPMG-Sequenz beschrieben, bei der die Dauer und die
Wiederherstellungsverzögerung
so kurz sind, dass nur Signale von an Ton und an Kapillaren gebundenen
Fluiden erfasst werden. Eine abgeschnittene Sequenz hat den Vorteil,
dass die Wirkung der Werkzeugbewegung auf die Messungen infolge
der kurzen Messzeit (etwa 50 ms, verglichen mit mehr als 300 ms
für normale
im Bohrloch stattfindende CPMG-Messungen) verringert ist. Wie im
Kleinberg erteilten US-Patent US-A-5 705 927 erörtert ist, liegen die Resonanzbereiche
vieler Instrumente aus dem Stand der Technik in der Größenordnung
von 1 mm. Dementsprechend würde
eine laterale Vibration bei einer Frequenz von 50 Hz mit einer Amplitude
von 1 mm (einer Beschleunigung von 100 g) das Instrument deaktivieren.
Im Patent mit der Endnummer 927 von Kleinberg ist offenbart, dass
die Länge
jeder CPMG-Sequenz klein, beispielsweise 10 ms, gemacht wird, so
dass der Bohrmantel nicht um einen erheblichen Bruchteil der vertikalen
oder radialen Abmessung des empfindlichen Bereichs während einer CPMG-Pulssequenz
verschoben werden kann. Wie jedoch vorstehend erwähnt wurde,
gibt die Verwendung solcher kurzer Sequenzen und Wartezeiten nur einen
Hinweis auf das Volumen gebundener Volumen und keinen Hinweis auf
das Gesamtfluidvolumen.
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Es
gibt zahlreiche Patente, in denen die Vibration einer mechanischen
Kräften
der Art, die in einem Bohrstrang auftreten, ausgesetzten rotierenden Achse
erörtert
ist. Im Ho erteilten US-Patent US-A-5 358 059 ist die Verwendung
mehrerer Sensoren, einschließlich
Beschleunigungsmessgeräten,
Magnetfeldstärkemessgeräten, Dehnungsmessgeräten und Abstandsmesssensoren,
zur Bestimmung der Bedingungen eines Bohrstrangs in einem Bohrloch
in der Erde offenbart. Die Bewegung des Bohrstrangs in dem Bohrloch
ist durch eine vertikale Bewegung, eine Rotationsbewegung und eine
Wirbelbewegung des Bohrstrangs gekennzeichnet. Die Wirbelbewegung des
Bohrstrangs ist die exzentrische Bewegung der Achse des Bohrstrangs
um die Achse des Bohrlochs, und es handelt sich dabei um eine Bewegung, die
bei NMR-Messungen Anlass zu großer
Sorge gibt. Bei einem NMR-Werkzeug bedeutet dies, dass sich die
Magnetfeldstärke
im Untersuchungsbereich im Laufe der Zeit ändert, wodurch die Amplituden
und Formen der Impulsechos beeinflusst werden. Wenn die Wirbelbewegung
null ist, ist ein Werkzeug, das eine vollkommene Rotationssymmetrie
aufweist, für die
Rotationsbewegung des Bohrstrangs und des Werkzeugs unempfindlich.
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In
der Druckschrift WO-A-99/36801 von Prammer ist die Verwendung einer
Bewegungssteuerungsvorrichtung dargelegt, die einen Algorithmus zum
Identifizieren von Zeiten bereitstellt, die zum Vornehmen von NMR-Messungen
wünschenswert sind.
Es werden drei bestimmte Typen der Werkzeugbewegung identifiziert,
nämlich
(1) ein normales Bohren, (2) ein wirbelndes Bohren und (3) ein ausrutschendes
Bohren. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung werden die aufgezeichneten Bewegungsdaten nachträglich analysiert,
um aufgezeichnete NMR-Daten auszuwählen, die wahrscheinlich annehmbar
sind. Bei einer anderen Ausführungsform wird
das tatsächliche
Bewegungssignal verwendet, um die gleichzeitige Erfassung von NMR-Daten
auszulösen.
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Die
Vertikalbewegung, einschließlich
einer vertikalen Vibration, des Werkzeugs, ruft auch Fehler in den
NMR-Messungen hervor, wenn der Untersuchungsbereich ein begrenztes
vertikales Ausmaß aufweist.
Jede vertikale Bewegung führt
wieder zu einer Zeitabhängigkeit
des von den Kernspins in den Formationsfluiden gesehenen statischen
Magnetfelds des Werkzeugs und beeinflusst dadurch die Form und die
Amplitude der Spin-Echos.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein NMR-Werkzeug zur Verfügung stehen
zu haben, das für
die Bewegung des Werkzeugs, insbesondere für eine vertikale Bewegung und
eine Wirbelbewegung eines Bohrstrangs, weniger empfindlich ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen
eines interessanten Parameters eines Volumens einer Erdformation,
das ein Bohrloch umgibt, nach Anspruch 1 vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Bestimmen eines interessanten Parameters eines Volumens einer Erdformation,
das ein Bohrloch umgibt, nach Anspruch 11 vorgesehen.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
ist ein Verfahren zum Verbessern des von einer Formation, die ein
Bohrloch umgibt, empfangenen NMR-Signals. Jedes gepulste NMR-Werkzeug,
in dem eine Magnetanordnung zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds
mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Feldstärke in einem
das Bohrloch umgebenden Bereich der Formation verwendet wird und
in dem eine HF-Spule verwendet wird, um gepulste HF-Felder zu erzeugen,
die im wesentlichen orthogonal zum statischen Feld im Untersuchungsbereich
sind, kann verwendet werden. Die Kernspins in der Formation richten
sich entlang dem von außen
angelegten statischen Magnetfeld aus. Ein gepulstes HF-Feld wird angelegt,
um die Seins in Resonanz um 90° zu
kippen. Sensoren an dem Werkzeug überwachen die Bewegung des
Werkzeugs, und ein Prozessor an dem Werkzeug löst den Kippimpuls aus, wenn
die Wirbelbewegung des Werkzeugs minimal ist. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung werden herkömmliche
CPMG-Pulssequenzen verwendet. Bei einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird ein Refokussierimpuls mit einem Spin-Kippwinkel, der
erheblich kleiner als 180° ist,
mit einer um π/2
Radiant in Bezug auf den 90°-Kippimpuls
verschobenen Phase angewendet.
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Wenngleich
die Refokussierimpulse zu einem Spin-Kippwinkel führen, der
erheblich kleiner als 180° ist,
liegt ihre Bandbreite näher
bei derjenigen des ursprünglichen
90°-Impulses. Daher wird
ein größerer Teil
der ursprünglich
um 90° gekippten
Kerne refokussiert, was zu um typischerweise 15–5% größeren Echos führt als
sie mit einem herkömmlichen 180°-Refokussierimpuls
und einem geringeren HF-Leistungsverbrauch
erhalten werden würden. Eine
Ausführungsform
der Erfindung verwendet einen –90°-Wiederherstellungsimpuls
am Ende der Sequenz, um die Wiederherstellung der Impulse und ihre
Wiederausrichtung mit dem statischen Feld am Ende der Pulssequenz
zu beschleunigen und um das Aufheben des 90°-"Abklingschwingungs"-Artefakts zu ermöglichen. Diese Echos werden
in herkömmlicher
Weise analysiert, um die NMR-Parameter der Formation zu erhalten.
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Nun
werden verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nur als Beispiel mit Bezug auf die anliegende
Zeichnung beschrieben.
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1A–1C zeigen
Seitenrisse, die teilweise einen Querschnitt darstellen (siehe 1A), einer
als Beispiel dienenden Bohrbaugruppe mit einem NMR-Werkzeug.
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2 (STAND
DER TECHNIK) zeigt die Herstellung eines torischen Bereichs eines
homogenen radialen Magnetfelds senkrecht zu einem Paar axial ausgerichteter
Magnete mit gleichen benachbarten Polen und das Anwenden eines gepulsten HF-Felds
auf die Magnetisierung.
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3a–3c (STAND
DER TECHNIK) zeigen über
die Zeit aufgetragene Graphiken der Pulssequenz einer Erfindung
aus dem Stand der Technik und die sich ergebende longitudinale Magnetisierung
und das sich ergebende messbare Signal.
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4 zeigt
die Geometrie einer Wirbelbewegung eines Werkzeugs in einem Bohrloch.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung der Verwendung ungleichmäßiger Zeiten
für die
Refokussierimpulse auf der Grundlage der gemessenen Werkzeugbewegung.
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In
den 1A–1C ist
eine als Beispiel dienende Bohrbaugruppe 100 am Ende eines
Bohrstrangs 102 oder einer gewundenen Rohrleitung dargestellt.
Ein Messung-während-des-Bohrens-Werkzeug
(MWD-Werkzeug) 104, ein zugeordnetes Gepulste-Magnetische-Kernresonanz-Werkzeug (NMR-Werkzeug) 112 (das
in einem Gehäuse 114 enthalten
ist) und eine elektronische Schaltungsanordnung 124 sowie
eine gepulste Leistungseinheit 118 sind in der Bohrbaugruppe 100 tandemartig
verbunden. Flexible Verbindungsbaugruppen 120 werden beispielsweise
beim Verbinden des MWD-Werkzeugs 104 und des NMR-Werkzeugs 112 in
der Bohrbaugruppe 100 verwendet. Das MWD-Werkzeug 104 kann
auch einen Schallsensor, ein Dichtemesswerkzeug und ein Porositätsmesswerkzeug
aufweisen. Eine Kommunikations-Teilanordnung 116, bei der beispielsweise
eine Zweiwegetelemetrie verwendet wird, ist auch bereitgestellt,
wie in der Bohrbaugruppe 100 dargestellt ist. Die Bohrbaugruppe
ist auch mit einer Anzahl von Bewegungssensoren 152 zum
Erfassen der Bewegung des Werkzeugs innerhalb des Bohrlochs ausgestattet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Bewegungssensoren Beschleunigungsmessgeräte, welche
die drei Beschleunigungskomponenten des Werkzeugs erfassen.
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Die
Bohrbaugruppe 100 weist eine Bohrspitze 106, eine
Lageranordnung 108 und einen Lochabsenkungs-Schlammmotor 110 auf.
Der Bohrstrang 102 weist beispielsweise Bohrrohrabschnitte
auf, die Ende an Ende verbunden sind oder im wesentlichen zusammenhängend gewunden
angeordnet sind. Das Bohrloch enthält typischerweise ein Bohrfluid 122 oder
einen "Schlamm", der durch den Bohrstrang 102 und
die untere Lochbohrbaugruppe 100 durch die Bohrspitze 106 gedrängt wird.
Ein Kanal 130 innerhalb des Bohrstrangs 102 und
der Bohrbaugruppe 100 ermöglicht, dass das Bohrfluid 122 durch
den Bohrstrang 102 und die Bohrbaugruppe 100 hundurchtritt.
Das Bohrfluid schmiert die Bohrspitze 106 und trägt Bohrloch-Abtragungen
oder -Späne
von der Bohrspitze 106 fort.
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Die
Kommunikations-Teilanordnung 116, die Leistungseinheit 118,
das MWD-Werkzeug 104 und das NMR-Werkzeug 112 sind
alle tandemartig mit dem Bohrstrang 102 verbunden. Solche
Teilanordnungen und Werkzeuge bilden eine untere Lochbohr-Baugruppe 100 zwischen
dem Bohrstrang 102 und der Bohrspitze 106. Stabilisatoren 126 werden verwendet,
um die Bohrbaugruppe 100 und die Werkzeuge innerhalb des
Bohrlochs zu stabilisieren und zu zentrieren. Das Gehäuse 114,
beispielsweise ein Bohrmantel, besteht aus einer nichtmagnetischen Legierung.
Die Bohrbaugruppe 100 führt
verschiedene Messungen, einschließlich gepulster magnetischer
Kernresonanzmessungen aus, während
das Bohrloch gebohrt wird. Wie in 1B ersichtlich
ist, ist das NMR-Werkzeug um eine Längsachse 128 der Bohrbaugruppe 100 rotationssymmetrisch.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
weist das gepulste NMR-Werkzeug 112 mindestens
zwei beabstandete Magnete 132 und 134 auf, die
in der Bohrbaugruppe 100 und innerhalb des NMR-Werkzeugs 112 untergebracht
sind, um ein statisches Magnetfeld mit einem Bereich einer im wesentlichen gleichmäßigen magnetischen
Intensität
in der Umgebung des Bohrlochs zu erzeugen. Die in den 2, 4 und 5 dargestellten
mindestens zwei beabstandeten Magnete 132 und 134 sind
rohrförmig und
koaxial innerhalb des NMR-Werkzeugs 112 angeordnet, so
dass sie den Kanal 130 umgeben. Eine Hochfrequenz-(HF)-Sendeantenne
oder -spule 136 umgibt auch den Kanal 130 und
befindet sich beispielsweise zwischen den beiden beabstandeten Magneten 132 und 134.
Die HF-Spule 136 ist mit einem geeigneten HF-Impulssender,
wie beispielsweise der gepulsten Leistungseinheit 118,
um Leistung bei ausgewählten
Frequenzen bereitzustellen, und einem Prozessor 124, der
die HF-Sendeantenne oder HF-Spule 136 ansteuert, verbunden.
Die HF-Spule 136 ist gepulst und erzeugt ein Hochfrequenz-HF-Feld,
das zum statischen Magnetfeld orthogonal ist. Der Prozessor empfängt auch
die Signale von den Sensoren, die die Bewegung des Werkzeugs anzeigen.
Wie nachstehend mit Bezug auf 6 erörtert wird,
steuert der Prozessor den Zeitablauf der Pulssequenz auf der Grundlage
der Signale von den Bewegungssensoren.
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Die
mindestens zwei Magnete 132 und 134 sind, beispielsweise
in axialer Richtung, permanent magnetisiert und gemäß einer
Ausführungsform
in entgegengesetzten Richtungen positioniert, wie in 2 dargestellt
ist. Wie in 2 dargestellt ist, sind gleiche
Magnetpole, beispielsweise die magnetischen Nordpole der beiden
Magnete 132 und 134, einander zugewandt, um einen
torischen Bereich eines homogenen radialen Magnetfelds 140 senkrecht zu
dem Paar axial ausgerichteter Magnete 132 und 134 zu
erzeugen. Die gepulste HF-Spule 136 erzeugt das durch unterbrochene
Linien dargestellte gepulste HF-Feld 142. Der Abstand des
torischen Bereichs 140 des homogenen radialen Magnetfelds
von der Achse der Magnete 132 und 134 hängt von
der Stärke
der Magnete 132 und 134 und dem Abstand zwischen
gleichen Polen der Magnete 132 und 134 ab. Gesteinsporen
(nicht dargestellt) in den Erdformationen sind mit Fluid, typischerweise
Wasser oder Kohlenwasserstoff, gefüllt. Die Wasserstoffkerne in
dem Fluid sind im Bereich des von den Magneten 132 und 134 erzeugten
homogenen Magnetfelds 140 ausgerichtet. Die Wasserstoffkerne
werden dann durch das von der HF-Spule 136 erzeugte gepulste
HF-Feld 142 vom homogenen Magnetfeld 140 weggekippt. Bei
Beendigung des gepulsten HF-Felds
von der HF-Spule 136 laufen die Wasserstoffkerne mit hoher Frequenz
um das homogene Magnetfeld 140 um oder präzessieren
um dieses, wodurch ein NMR-Signal in der HF-Spule 136 induziert
wird, bis die Wasserstoffkerne zur ursprünglichen Richtung entlang dem
homogenen Magnetfeld 140 relaxieren. Die induzierten NMR-Signale
werden zur Verarbeitung zur Oberfläche gesendet oder können durch
einen sich im Bohrloch befindenden Prozessor (nicht dargestellt)
verarbeitet werden.
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Es
können
auch andere Konfigurationen von Magneten verwendet werden. Beispielsweise
ist im Shtrikman erteilten US-Patent US-A-4 710 713 eine Magnetanordnung
offenbart, bei der das statische Feld durch zylindrische Magnete
erzeugt wird, deren Nord- und Südpole
an den gekrümmten
Flächen
der Magnete liegen, woraus sich ein statisches Feld mit einer Dipolform
ergibt. In dem Patent von Strikman wird eine rechteckige Schleifenantenne
verwendet, um ein Hochfrequenzfeld mit einer ähnlichen Dipolform zu erzeugen,
das jedoch um 90 Grad in bezug auf das statische Feld gedreht ist,
wodurch die Orthogonalität
zwischen dem statischen Feld und dem HF-Feld aufrechterhalten wird.
Andere Variationen sind Fachleuten bekannt, und beliebige von diesen können bei
der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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In
den 3a–3c (STAND
DER TECHNIK) ist die vorstehend bei (3) angegebene Pulssequenz in
graphischer Form dargestellt. Zu Beginn jeder (beispielsweise der
i-ten) Sequenz befindet sich, nachdem eine Wartezeit Wi gewartet
wurde, das Spinsystem bei einer transversalen Magnetisierung von
Null (wie in 3c dargestellt ist) und bei
einer positiven longitudinalen Magnetisierung, die kleiner ist als
die Magnetisierung im vollständigen
Gleichgewicht (wie in 3b ersichtlich ist).
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Zum
Maximieren des Signals von den gekippten Kernen werden die HF-Impulse
stets bei der maximalen Leistung, typischerweise einigen Kilowatt,
gesendet, was zu der Bedingung führt,
dass der 90°-Impuls
typischerweise die Hälfte
der Dauer des 180°-Refokussierimpulses
hat (unter der Annahme, dass die Impulse eine im wesentlichen quadratische Einhüllende aufweisen,
die zum Aufrechterhalten der maximalen Bandbreite erforderlich ist).
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung werden 90°-Refokussierimpulse
in der Art einer herkömmlichen CPMG-Sequenz
verwendet.
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In
den Patenten US-A-6 466 013 und US-A-6 163 153 von Reiderman u.a.
ist die Verwendung von Refokussierimpulsen offenbart, die von 180° verschieden
sind, um den Leistungsverbrauch zu verringern und das Signal-Rausch-Verhältnis der
NMR-Signale zu verbessern. Sie weisen darauf hin, dass bei einer
herkömmlichen
CPMG-Sequenz der HF-Impuls das Doppelte der Bandbreite des 180°-Impulses
aufweist. Deshalb wird nur etwa die Hälfte der Kerne, die durch den
90°-Impuls gekippt werden,
anschließend durch
den 180°-Impuls
refokussiert. In der Anmeldung mit der Endnummer 761 von Reiderman
ist die Verwendung von Impulssequenzen dargelegt, bei denen die
Refokussierimpulse eine kürzere
Dauer als ein 180°-Impuls
aufweisen. Mit diesen Refokussierimpulsen ist es möglich, die
Länge der NMR-Pulssequenzen
zu verkürzen,
so dass die Wirkung der Werkzeugbewegung einfach durch die kürzere Dauer
der Erfassungszeit verringert wird.
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Pulssequenzen
werden typischerweise in phasenalternierten Paaren (PAP) angewendet,
um systematisches Rauschen, wie "Überschwingsignale", zu entfernen, die
sich aus dem Abfall der in der Werkzeugstruktur gespeicherten HF-Energie,
Grundlinienartefakten und dergleichen ergeben. Es sind verschiedene
Phasenalternierungsschemata möglich,
beim ein fachsten wird jedoch die Phase der Kippimpulse in der zweiten
Sequenz einer PAPs invertiert, und die Daten von den beiden Sequenzen
werden addiert. Die richtige Funktionsweise des Phasenalternierungsschemas
beruht auf der Wiederholbarkeit der systematischen Rauschsignale.
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Mit
Bezug auf 4 wird ein Hauptproblem bei
der Verwendung von MWD-Werkzeugen für NMR-Messungen erörtert. Es
ist ein Querschnitt eines Bohrlochs 312 dargestellt, worin
sich ein Bohrwerkzeug 313 befindet. Infolge verschiedener
Gründe,
wie einer Fehljustierung, eines Massenungleichgewichts, einer Inhomogenität der physikalischen
Eigenschaften des gebohrten Gesteins und/oder der durch Kontakt
mit der Bohrlochwand hervorgerufenen Erregung des Bohrstrangs, weist
der Bohrstrang dynamische Schwingungen auf, die eine Kombination
axialer, torsionaler und wirbelnder Bewegungen aufweisen können. Die
Rotationsbewegung des Bohrstrangs an sich hat nur eine geringe Wirkung
auf die Bildung von NMR-Echos,
weil das von den Magneten bei der bevorzugten Ausführungsform
erzeugte Magnetfeld rotationssymmetrisch ist und die NMR-Messung
folglich gegenüber
einer Rotationsbewegung invariant ist, wie vorstehend beschrieben wurde.
Die axialen und wirbelnden Bewegungen des Bohrstrangs sind jedoch
für die
Funktionsweise eines NMR-Werkzeugs schädlich: Die durch das NMR-Werkzeug
erzeugten Magnetfelder ändern
sich axial und radial, so dass die axiale und radiale Bewegung des
Werkzeugs in bezug auf die Formation zu einer effektiven Zeitabhängigkeit
des von den Kernspins in den Formationsfluiden gesehenen statischen Felds
des Werkzeugs führt,
so dass die NMR-Messung durch die Bewegung in diesen Richtungen
negativ beeinflusst wird.
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Die
Bewegung des NMR-Werkzeugs während
des anfänglichen
Kippimpulses und insbesondere der anschließenden Entwicklung des Spinsystems
bestimmt die Datenqualität.
Wenn die Rotationsbewegung vernachlässigt wird, hat die Werkzeugbewegung
drei Komponenten, nämlich
parallel, senkrecht und azimutal zur Werkzeugachse, d.h. eine axiale
Bewegung, eine radiale Bewegung bzw. eine Rotationsbewegung.
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Die
axiale Bewegung ist durch die Eindringgeschwindigkeit und die axiale
Vibration des Bohrstrangs bestimmt. Die radiale Bewegung ist ausschließlich durch
die radiale Bewegung des Bohrstrangs bestimmt. Die azimutale Bewegung
hat keine Wirkung auf die NMR-Messung unter Verwendung des vorstehend
beschriebenen Erfassungssystems, wobei das statische Feld eine vollkommene
Rotationssymmetrie aufweist.
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Die
Bewegung des Werkzeugs wird durch geeignete Bewegungssensoren, wie
Beschleunigungsmessgeräte,
Magnetfeldstärkemessgeräte oder
Gyroskope oder Kombinationen von diesen, gemessen. Diese Sensoren
können
an jedem geeigneten Ort am Bohrwerkzeug in der Nähe der Magnet- und Spulenanordnung
platziert werden. Die Wartezeit in einer Pulssequenz kann etwas
verlängert
werden, ohne die Datenqualität
zu beeinträchtigen,
und dieses Merkmal kann verwendet werden, um das Anlegen des Kippimpulses
zu verzögern,
bis ein geeigneter Zustand der Werkzeugbewegung erreicht wurde.
Die Auslösung
kann durch Überwachen
der Signale der Bewegungssensoren erhalten werden. Geeignete Zustände für das Auslösen sind
Momente, in denen das Werkzeug stationär ist, oder anschließende Pulssequenzen
können,
falls die Bewegung eine starke periodische Komponente hat, ausgelöst werden,
um mit dieser Bewegung zu synchronisieren. Durch ein solches durch
die Bewegung ausgelöste Pulsen
wird die NMR-Spin-Echo-Bildung
verbessert.
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Zusätzlich wurde
herausgefunden, dass sich die Überschwingsignalartefakte
entsprechend den auf die Sensorstruktur ausgeübten Spannungen und Dehnungen ändern. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
die Überschwingsignale
mit der Dissipation von HF-Energie in den magnetischen und leitenden
Elementen der Werkzeugstruktur einhergehen. Die richtige Aufhebung
von Überschwingartefakten
beruht daher darauf, dass die Werkzeugstruktur während jedes der zwei Impulsechozüge in einem
phasenalternierten Paar im selben Spannungszustand ist. Dies kann
durch das vorstehend beschriebene bewegungsausgelöste Pulsschema
erreicht werden.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein sich im Bohrloch befindender Prozessor verwendet, um die
Bewegung des Werkzeugs unter Verwendung von Messungen der Werkzeugbewegung
vorherzusagen. Ein solches Beispiel eines prädiktiven Filters ist im Madhavan
erteilten US-Patent US-A-5 784 273 offenbart, worin die Verwendung
eines Kalman-Filters zum Vorhersagen der Bewegung der Spindel einer
Werkzeugmaschine dargestellt ist. Demgemäß löst die bevorzugte Ausführungsform
als eine Alternative zum Auslösen
der Datenerfassung auf der Grundlage der Werkzeugbewegung die Datenerfassung
auf der Grundlage der vorhergesagten Werkzeugbewegung aus. Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schließt die Verwendung eines prädiktiven
Filters zum Vorhersagen der Bewegung des Werkzeugs und zum Auslösen der
Datenerfassung sowohl bei der vorhergesagten Bewegung als auch der
Kriterien für
optimale Bedingungen zur Datenerfassung, wie vorstehend erörtert wurde,
ein. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist das prädiktive
Filter ein Kalman-Filter. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird
stattdessen ein prädiktives
Filter, das auf der Spektralanalyse der Werkzeugbewegung beruht,
an Stelle des Kalman-Filters oder zusätzlich dazu verwendet.
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Die
Dynamik der Werkzeugbewegung ist ziemlich kompliziert, und es kann
unter bestimmten Umständen
möglich
sein, die axiale Bewegung infolge des Zurückschnellens des Werkzeugs von
der Transversalbewegung zu entkoppeln. Unter diesen Umständen können zwei
verschiedene Filter eingesetzt werden.
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Eine
typische NMR-Messung wird durch Signalmittelwertbildung einer Anzahl
von Datenerfassungen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
erhalten. Im Fall der eine oder mehrere periodische Komponenten
enthaltenden Bewegung kann unter Verwendung der Ausgabe des prädiktiven Filters
jede dieser Datenerfassungen ausgelöst werden, wenn sich das NMR-Werkzeug
in etwa an derselben Position befindet, stationär ist oder sich im selben Bewegungszustand
befindet, und die Daten können
gemittelt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis
zu verbessern.
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Unter
erneutem Bezug auf 4 sei bemerkt, dass die Mitte
des Bohrlochs 312 bei 310 dargestellt ist, während sich
die Mitte des Bohrstrangs bei 314 befindet. Der Bohrstrang
hat einen Radius r0, und die Bewegung der
Mitte des Bohrstrangs kann durch einen Kreis mit einem Radius Rc angenähert werden.
Wie vorstehend erwähnt
wurde, hat die bevorzugte Ausführungsform
ein statisches Magnetfeld, das eine vollständige Rotationssymmetrie aufweist.
Die einfachste Situation für
den Bohrstrang 313 ist eine durch Rc(t)
= 0 und θ(t)
= A + ωt
dargestellte zentralisierte Drehung im Gleichgewichtszustand, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit
des Bohrstrangs ist. Unter diesen Bedingungen ist das an ein gegebenes
Volumen der Formation angelegte Magnetfeld zeitlich invariant. Dies
ist die beste Situation für
ein NMR-Werkzeug. Der anfängliche
Kippimpuls kann zu jeder beliebigen Zeit angewendet werden, und
es können
die bestmöglichen
Daten erfasst werden. Wenngleich es nicht wahrscheinlich ist, dass diese
zentralisierte Drehung im Gleichgewichtszustand häufig auftritt,
ist es dennoch eine wünschenswerte
Zeit zum Einleiten und Erfassen der Pulsse quenz.
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Für den Fall
einer radialen Vibration mit einer einzigen charakteristischen Winkelfrequenz ωvib beträgt
der Radius Rc(t) = Csin(ωvibt
+ φ), und
die Datenerfassung kann beispielsweise ausgelöst werden, wenn dRc(t)/dt
= 0 ist, d.h. die Bewegung des Bohrstrangs keine radiale Komponente
aufweist. Es ist nicht wahrscheinlich, dass eine radiale Vibration
mit einer einzigen charakteristischen Winkelfrequenz häufig auftritt,
und es ist wahrscheinlich, dass eine Überlagerung von Vibrationsmodi
beobachtet wird. Wenn jedoch mehrere Vibrationsmodi vorhanden sind,
ist die beste Zeit für
das Auslösen
der Datenerfassung gegeben, wenn diese Bedingung, d.h. dRc(t)/dt = 0, erfüllt ist. Diese Bedingung kann
durch die vorstehend erwähnten
Vorhersagefilter, beispielsweise auf der Grundlage der Spektralanalyse
oder durch Kalman-Filterung, vorhergesagt werden.
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Der
Fall einer radialen Vibration bei einer einzigen charakteristischen
Frequenz ist ein Beispiel für eine
andere Ausführungsform
der Erfindung, nämlich die
dynamische Steuerung der Pulssequenzparameter zum Optimieren der
erfassten Daten, und ermöglicht
eine einfache Erklärung.
Durch Einstellen des Parameters tCP auf
etwa 2π/ωvib oder ein Vielfaches davon wird die Wirkung
der Vibration auf die Modulation der erfassten Daten minimiert.
Für den
gewöhnlicheren
Fall, in dem eine Überlagerung
von Vibrationsmodi beobachtet wird, kann der Parameter tCP für
die Hauptkomponente des Vibrationsspektrums festgelegt werden.
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Dies
ist in 5 dargestellt. Es ist eine Reihe von Impulsechos 407a, 409a, 411a, 413a, 415a mit einem
konstanten Echointervall tCP für die Zeitintervalle
zwischen den Refokussierimpulsen dargestellt. Die Abszisse 401 ist
die Zeit, und die Ordinate ist die Impulsechoamplitude. Infolge
der radialen Werkzeugbewegung fallen die Spitzen der Impulsechos auf
der Kurve 405 nicht ab, die beispielsweise eine einzige
abfallende Exponentialfunktion mit einer Relaxationszeit T2 definiert. Bei Verfahren aus dem Stand
der Technik würden
alle Abweichungen der Spitzen der Impulse 407a, 409a, 411a, 413a, 415a als
Rauschen auf den Daten interpretiert werden, und es würde eine
falsche Abfallszeit bestimmt werden. Mit der bevorzugten Ausführungsform
können
die Zeitpunkte der Impulse ungleichmäßig sein, und die Impulsechos 407b, 409b, 411b, 413b, 415b würden eine
bessere Schätzung
der Relaxationszeit T2 ergeben.
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Die
Kenntnis der Werkzeugbewegung und die Steuerung der Pulssequenz
und der Datenerfassungsparameter ermöglichen das Verbessern der Datenqualität, d.h.
das Erhöhen
des Signal-Rausch-Verhältnisses.
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Die
durch das vorstehend beschriebene Verfahren erhaltenen Signale können durch
einen sich im Bohrloch befindenden Prozessor oder alternativ an
einem Ort oberhalb des Bohrlochs verarbeitet werden. Wenn ein sich
oberhalb des Bohrlochs befindender Prozessor verwendet wird, werden
die Daten vorzugsweise im Bohrloch gespeichert und verarbeitet,
wenn die Bohrbaugruppe wieder an die Oberfläche befördert wird. Heutige Telemetriefähigkeiten sind
nicht geeignet, die Daten zur Verarbeitung oberhalb des Bohrlochs
zu senden.
und
Wartezeiten sind, R ein Refokussierimpuls ist und j = 1, 2, ... J sowie J die Anzahl der während einer einzelnen Pulssequenz gesammelten Echos ist.
oder (iv) die Zeit des Refokussierimpulses mit dem Bewegungssignal in Beziehung steht.
oder (iv) die Zeit des Refokussierimpulses mit dem Bewegungssignal in Beziehung steht.