NL1013481C2

NL1013481C2 - Apparaat en werkwijze voor het verkrijgen van een kernspinresonantiemeting tijdens het boren.

Info

Publication number: NL1013481C2
Application number: NL1013481A
Authority: NL
Inventors: Krishnamurthy Ganesan; Peter Speier; Ralf Heidler; Martin E Poitzsch; Bruno Luong; Steven F Crary
Original assignee: Schlumberger Holdings
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2003-05-20
Also published as: US6246236B1; AU5358999A; DE19952788A1; CA2285856A1; EG22285A; NO995392L; ID23751A; CA2285856C; GB9923659D0; NL1013481A1; DE19952788B4; CN1253296A; AU736119B2; AR023694A1; GB2343521B; GB2343521A; NO323986B1; NO995392D0

Description

Korte aanduiding: Apparaat en werkwijze voor het verkrijgen van een kernspinresonantiemeting tijdens het boren.

De uitvinding heeft betrekking op een apparaat voor 5 het bepalen van een kernspinresonantie-eigenschap in een onderzoeksgebied van grondformaties rondom een boorgat, omvattende: meetmiddelen voor het doen van kernspinresonantiemetingen, welke meetmiddelen omvatten: i) middelen voor het produceren van een veelheid van hoofdzakelijk axiaal symmetrische statische magnetische velden in de formatie op een veelheid 10 van onderzoeksgebieden waar de kernspinresonantiemeting wordt verkregen; en ii) middelen voor het produceren van een wisselend magnetisch veld in de formatie; en middelen voor het detecteren van kernspinresonantiesignalen van de onderzoeksgebieden.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze 15 voor het bepalen van een kernspinresonantie-ei genschap in een onderzoeksgebied van grondformaties rondom een boorgat, omvattende de stappen van: het verschaffen van een instrument dat beweegbaar is door het boorgat; uitgaande van het instrument het opwekken van een veelheid van in hoofdzaak axiaal symmetrische statische magnetische velden in de 20 formatie op een veelheid van onderzoeksgebieden; uitgaande van het instrument het opwekken van een wisselend magnetisch veld in de formatie; en het detecteren van kernspinresonantiesignalen.

Een dergelijke werkwijze en inrichting zijn bekend uit amerikaans octrooi schrift nr. US 5.471.140, waarin een statisch magnetisch 25 veld wordt opgewekt in een aardformatie rondom een boorgat. Een inrichting omvat een eerste en een tweede stel magneten, waarbij gelijke polen van het eerste stel magneten naar elkaar toe wijzen en de polariteit van de magneten is uitgelijnd met de as van de inrichting teneinde een axiaal symmetrisch statisch magnetisch veld te verschaffen in de aardformatie. 30 Het tweede stel magneten bevindt zich tussen het eerste stel magneten en is eveneens langs de as van de inrichting uitgelijnd. Verder is de precieze plaatsing van dit tweede stel magneten aan te passen voor het vormen van het magnetisch veld. Een geschikt meetvol urne kan zo op verschillende afstanden tot de inrichting in de formatie worden gevormd. Voor het meten 35 omvat de inrichting verder middelen voor het aanleggen van een wisselend 1013481 i 2 magnetisch veld en middelen voor het detecteren van spinecho's uit de formatie.

Een dergelijke inrichting heeft het nadeel dat door bewegingen van de inrichting in de axiale richting ten opzichte van de 5 as van de inrichting zelf, afwijkingen kunnen ontstaan in de meetresultaten. De inrichting is derhalve gevoelig voor (in de regel) verticale bewegingen van de inrichting door het boorgat, die de kwaliteit van de meetresultaten kunnen aantasten.

Voor het doen van de metingen is het voordelig een 10 magnetisch veld te vormen waarvan de veldlijnen (welke loodrecht op de gradiënt van het veld staan) in het te meten volume in de formatie, hoofdzakelijk parallel aan de as door de meetinrichting staan, zoals reeds geopenbaard in Amerikaanse octrooischrift nr. 4.714.881, waarin een inrichting wordt geopenbaard voor het doen van kernspinresonantiemetingen 15 in een aardformatie nabij een boorgat. De inrichting is ingericht om in één bepaalde voorkeursrichting de metingen uit te voeren, en derhalve is het voor de beschreven inrichting voordelig om een groepering magneten zo te plaatsen dat hun polariteit loodrecht op de as van de inrichting staat.

20 Het nadeel van bovengenoemde inrichting is dat slechts in een bepaalde voorkeursrichting gemeten kan worden. Indien de vakman geïnteresseerd is in het doen van metingen in een axiaal symmetrisch meetvolume, kan deze slechts volstaan met het doen van een reeks metingen waarbij de oriëntatie van de meetinrichting bij iedere meting steeds iets 25 gedraaid is ten opzichte van eerdere metingen. Dit is niet alleen tijdrovend, maar kan ook fouten in de hand werken. Het is gezien de oriëntatie van de permanente magneten niet mogelijk de inrichting zodanig aan te passen dat een axiaal symmetrisch meetvolume wordt gevormd.

Het is bekend dat atomaire deeltjes van een 30 grondformatie die een magnetisch kernspinmoment hebben dat ongelijk is aan nul, bijvoorbeeld protonen, de neiging hebben om zich te richten naar een statisch magnetisch veld dat aan de formatie wordt opgelegd. Een dergelijk magnetisch veld kan een natuurlijke oorsprong hebben zoals het geval is met het magnetisch veld, BE, van de aarde. Een radiofrequente-puls 35 die een tweede magnetisch veld loodrecht op BE aanlegt veroorzaakt een 10134811 3 magnetisatiecomponent in het loodrechte vlak (loodrecht op BE) die een precessie uitvoert rond de BE vector met een karakteristieke resonantiefrequentie die bekend staat als de Larmor frequentie, ü)L, die afhangt van de sterkte van het statische magnetische veld en van de 5 gyromagnetische verhouding van het deeltje. Waterstofkernen (protonen) die een precessie uitvoeren rond een magnetisch veld BE van bijvoorbeeld 0,5 gauss hebben een karakteristieke frequentie van ongeveer 2 kHz. Indien de populatie waterstofkernen gedwongen zou worden om de precessie in fase uit te voeren kunnen de gecombineerde magnetische velden van de protonen 10 een detecteerbare wisselspanning opwekken in een ontvangerspoel, hetgeen bij de vakman bekend staat als vrij inductieverval of spin-echo. Waterstofkernen van water en koolwaterstoffen die voorkomen in rotsporiën produceren kernspinresonantie (NMR) signalen die verschillen van signalen die afkomstig zijn van andere vaste stoffen.

15 De Amerikaanse octrooien 4.717.878 verleend aan Taicher et al. en 5.055.787 verleend aan Kleinberg et al. beschrijven NMR-gereedschappen die permanente magneten toepassen om waterstofkernen te polariseren en een statisch magnetisch veld, B0, op te wekken en radiofrequente-antennes om kernspinresonantie op te wekken en te detecteren 20 om de poreusheid, vrije vloeistofverhouding ('free fluid ratio1), en permeabiliteit van een formatie te bepalen. De atoomkernen richten zich naar het aangelegde veld, B0, met een tijdconstante Tj. Na een polarisatieperiode kan de hoek tussen de kernmagnetisatie en het aangelegde veld worden gewijzigd door het aanleggen van een radiofrequent veld, Bls 25 loodrecht op het statische veld B0, met de Larmor frequentie fL = γΒ0/2π, waarin γ de gyromagnetische verhouding van het proton en B0 de sterkte van het statische magnetische veld aangeeft. Na beëindiging van de radiofrequente puls voeren de protonen een precessie uit in het vlak loodrecht op B0. Een aantal opeenvolgende herfocusserende radiofrequente 30 pulsen genereert een opeenvolging van spin-echo's die een detecteerbaar NMR-signaal in de antenne produceren.

Amerikaans octrooi nummer 5.280.243 verleend aan Melvin Miller beschrijft een kernspinresonantiegereedschap voor het evalueren van formaties tijdens het boren. Het gereedschap omvat een probe-deel dat 35 bestaat uit een permanente magneet in een zich in lengterichting 1 01 3481 1 4 uitstrekkende ringvormige uitsparing buiten de boorkraag en een antenne op een niet geleidende magnetische huls buiten de boorkraag. De gradiënt van de waarde van het statische magnetische veld is radiaal gericht. De antenne produceert een radiofrequent magnetisch veld dat hoofdzakelijk 5 loodrecht staat op de lengteas van het gereedschap en op de richting van het statische veld. Met het apparaat beschreven in Amerikaans octrooi nummer 5.280.243 moet de magneet in axiale richting lang zijn vergeleken met zijn diameter opdat de magnetische velden het gewenste 2-D di pool -gedrag benaderen.

10 Amerikaans octrooi 5.757.186 verleend aan Taicher et al. beschrijft een gereedschap voor het meten tijdens het boren dat een sensorapparaat omvat voor het doen van kernspinresonantiemetingen van de grondformatie. Het NMR-sensorapparaat is gemonteerd in een ringvormige uitsparing gevormd in het buitenoppervlak van de boorkraag. In een 15 uitvoeringsvorm is een fluxsluiting ingebracht in de uitsparing. Een magneet is aangebracht op het buitenste radiale oppervlak van de fluxsluiting. De magneet is samengesteld uit een aantal radiale segmenten die vanaf de lengteas van het gereedschap radiaal naar buiten zijn gemagnetiseerd. De fluxsluiting is vereist om een geschikte gerichte 20 oriëntatie van het magnetisch veld te verschaffen.

De gereedschappen beschreven in de Amerikaanse octrooien 5.280.243 en 5.757.186 lijden aan gemeenschappelijke problemen: beide gereedschappen vereisen het gebruik van een niet-geleidende magneet en het plaatsen van de magneet buiten de boorkraag. Met betrekking tot het 25 gereedschap beschreven in Amerikaans octrooi 5.280.243 dient het buitenste oppervlak van de boorkraag een uitsparing te bevatten om de niet-geleidende magneet op te nemen. Met betrekking tot het gereedschap beschreven in Amerikaans octrooi 5.757.186 dient het buitenoppervlak van de boorkraag een ui tsparingsgedeelte te bevatten om de f 1 uxsl uiting, de niet-geleidende 30 magneet, en de antenne op te nemen. Omdat de sterkte van de boorkraag een functie is van zijn straal heeft het verminderen van de externe diameter teneinde alleen de magneet of de fluxsluiting, de magneet en de antenne op te nemen een onacceptabel zwak gedeelte van de boorkraag tot gevolg waardoor die kan buigen of breken gedurende een booroperatie.

35 Amerikaans octrooi nummer 5.557.201 verleend aan 1 01 3481 5

Kleinberg et al. beschrijft een gepulst kernmagnetisme gereedschap voor het evalueren van formaties tijdens het boren. Het gereedschap omvat een boorkop, een boor en een gepulst kernspinresonantie-instrument gevat binnen een boorkraag gemaakt van een niet-magnetische legering. Het gereedschap 5 omvat een kanaal binnen de boor en het gepulste kernspinresonantie- instrument waardoorheen boormodder in het boorgat wordt gepompt. Het gepulste kernspinresonantie-instrument omvat twee buisvormige magneten die met gelijke polen naar elkaar toe gericht en die kanaal omgevend zijn gemonteerd en een antennespoel gemonteerd in een buitenoppervlak van de 10 boor tussen de magneten. Dit gereedschap is ontworpen om kernen te doen resoneren in een meetgebied dat voor de vakman bekend staat als het zadelpunt.

Amerikaans octrooi nummer 5.705.927 verleend aan Sezginer et al. beschrijft ook een gepulst kernmagnetisme gereedschap voor 15 het evalueren van formaties tijdens het boren. Het gereedschap omvat veldcorrectiemagneten geplaatst hetzij binnen hetzij buiten het gereedschap die het magnetische resonantiesignaal van de vloeistoffen in het boorgat onderdrukken door het verhogen van de waarde van een statisch magnetisch veld in het boorgat zodat de Larmor frequentie in het boorgat boven de 20 frequentie komt te liggen van het oscillerende veld geproduceerd door een radiofrequente-antenne geplaatst in een uitsparing van het gereedschap. De veldcorrectiemagneten verminderen ook de gradiënt van het statische magnetische veld in het onderzoeksgebied.

De bovengenoemde nadelen van de stand van de techniek 25 worden overwonnen door de onderhavige uitvinding welke een apparaat van het in de aanhef genoemde type openbaart, gekenmerkt door het verder omvatten van: boormiddelen voor het boren van een boorgat in de formatie; middelen voor het vervoeren van boorvloei stof door de boormiddelen; ten minste één magnetisch permeabel onderdeel in de boormiddelen voor het 30 vormgeven aan het statisch magnetische veld; gradiëntmiddelen in het apparaat om een magnetische veldgradiënt aan te leggen om spins in een deel van het onderzoeksgebied uit fase te doen geraken; waarbij de meetmiddelen voor het doen van kernspinresonantiemetingen zijn verbonden met de boormiddelen voor het doen van metingen terwijl het boorgat wordt 35 geboord, waarbij middelen voor het produceren van de veelheid van 1013481 ' 6 hoofdzake lijk axiaal symmetri sche statische magnetische velden verder zijn ingericht voor het produceren daarvan door de boormiddelen, en waarbij contourlijnen gegenereerd door ten minste één statisch magnetisch veld hoofdzakelijk recht zijn in de axiale richting.

5 In een tweede aspect verschaft de uitvinding een werkwijze voor het bepalen van een kernspinresonantie-eigenschap in een onderzoeksgebied van grondformaties rondom een boorgat, omvattende de stappen van: het verschaffen van een instrument dat beweegbaar is door het boorgat; uitgaande van het instrument het opwekken van een veelheid 10 van in hoofdzaak axiaal symmetrische statische magnetische velden in de formatie op een veelheid van onderzoeksgebieden; uitgaande van het instrument het opwekken van een wisselend magnetisch veld in de formatie; en het detecteren van kernspinresonantiesignalen uit de onderzoeksgebieden; gekenmerkt door een verdere stap van: het vormgeven aan ten minste een 15 statisch magnetisch veld zodat contourlijnen gegenereerd door het veld in hoofdzaak recht in de axiale richting verlopen.

De veelheid van hoofdzakelijk axiaal symmetrische statische magnetische velden kan de volgende combinaties omvatten: een lage gradiënt-lage gradiënt, hoge gradiënt-hoge gradiënt, hoge gradiënt-20 lage gradiënt, lage gradiënt-hoge gradiënt, of een combinatie van hoge gradiënt, lage gradiënt en zadelpuntgebieden. Het apparaat heeft een veelheid van antennes; elke antenne genereert een wisselend magnetisch veld in een verschillend onderzoeksgebied. De voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van de 25 bijgevoegde tekeningen. Vermeld zij dat de tekeningen uitsluitend worden gebruikt ten behoeve van illustratie en niet als een definiëring van de uitvinding.

In de tekeningen toont: fig. 1 een opnemen-tijdens-het-boren-apparaat; 30 fig. 2 de lage gradiëntsonde; fig. 2a-2d de contourlijnen |boj overeenkomend met vier lage gradiënt magneetopstellingen; fig. 3a-3d de contourlijnen van de gradiënt B0| overeenkomend met vier lage gradiënt magneetopstellingen; 35 fig. 4 de hoge gradiëntsonde; 1 01 3481 1 7 fig. 4a de contourlijnen |bo| overeenkomend met de hoge gradiënt magneetopstelling; fig. 4b de contourlijnen van de gradiënt |vb0| overeenkomend met de hoge gradiënt magneetopstelling; 5 fig. 5 de eenvoudige dataverwervingsmodus; fig. 6 de tussenvoegdataverwervingsmodus; fig. 7 de ineens dataverwervingsmodus; en fig. 8 een blokdiagram van de pulsprogrammeur.

Figuur 1 toont een kernspinresonantie opnemen-tijdens-10 het-boren-gereedschap 10. Het gereedschap 10 omvat een boorkop 12, boor 14, een hoeveelheid radiofrequente-antennes 36, 38 en ten minste een gradiëntspoel 56. Het gereedschap 10 omvat verder elektronica 20 gehuisvest binnen de boorkraag 22. De elektronica 20 omvat radiofrequente resonantie-circuits voor de antennes 36, 38, een microprocessor, een digitale 15 signaalprocessor, en een laagspanningsbus. Het gereedschap 10 omvat verder een hoeveelheid buisvormige magneten 30, 32 en 34 die zijn gepolariseerd in een richting evenwijdig aan de lengteas van het gereedschap 10 maar tegengesteld ten opzichte van elkaar. Dit is met gelijke magnetische polen tegenover elkaar. De magneten 30, 32 en 34 omvatten hetzij een geleidend 20 hetzij een niet-geleidend materiaal. De opstelling van magneten 30, 32 en 34 en antennes 36, 38 voorziet in ten minste twee kernspinresonantie-onderzoeksgebieden 60, 62 met een hoofdzakel ijk axiaal symmetrisch statisch en radiofrequent magnetisch veld.

Een middel om een boorgat 24 in de formatie te boren 25 omvat boorkop 12 en boorkraag 22. De boorkraag 22 kan stabilisatiemiddelen (niet getoond) omvatten voor het stabiliseren van de radiale beweging van het gereedschap 10 in het boorgat tijdens het boren, echter de stabilisatiemiddelen zijn niet vereist; derhalve kan het gereedschap 10 gestabiliseerd of ongestabiliseerd werken. Modderstroombus 28 bepaalt een kanaal 90 30 voor het vervoeren van de boorvloeistof door de boor 14 en aandrijfmechanisme 26 draait de boorkop 12 en de boor 14 rond. Dit aandrijfmechanisme is toereikend beschreven in Amerikaans octrooi nummer 4.949.045 verleend aan Clark et al.. Echter, een onder-in-het-gat moddermotor kan in de boor zijn geplaatst als het aandrijfmechanisme 26.

35 Het ligt binnen het kader van de huidige uitvinding om N+l magneten te combineren teneinde ten minste N onderzoeksgebieden

1013481 I

8 in de formatie te verkrijgen. De combinaties volgens deze uitvinding omvatten maar zijn niet beperkt tot een lage gradiënt-1age gradiënt, hoge gradiënt-hoge gradiënt, hoge gradiënt-1age gradiënt, lage gradiënt-hoge gradiënt of een combinatie van hoge gradiënt, lage gradiënt en zadel puntge-5 bieden. De combinatie van statisch veldgebieden met hoge en lage gradiënt in de formatie biedt verschillende voordelen. Bijvoorbeeld het hoge gradiëntgebied kan een hogere signaal/ruis-verhouding hebben maar kan leiden aan signaalverlies als het gereedschap 10 een zijdelingse beweging in het boorgat uitvoert. Aan de andere kant heeft het lage gradiëntgebied 10 een lagere gevoeligheid voor signaal verliesproblemen als het gereedschap 10 in beweging is. Ook kunnen met een middelmatige beweging van het gereedschap langere echotreinen verkregen worden in het lagere gradiëntgebied dan in het hoge gradiëntgebied waardoor meer informatie wordt verkregen omtrent permeabiliteit, gebonden en vrije vloeistof en 15 kool waterstoftypen. Bovendien kan de combinatie van gegevens verkregen met beide gradiëntgebieden kwantitatieve informatie verschaffen over de hoeveelheid zijdelingse beweging die het gereedschap 10 ondergaat en kan gebruikt worden om de kernspinresonantiegegevens voor beweging te corrigeren of ten minste kwaliteitscontrole op de gegevens toe te passen. 20 Metingen van instrumenten zoals uitrekkingssensoren, versnel 1ingsmeters of magnetometers of enige combinatie van deze instrumenten kunnen worden geïntegreerd met kernspinresonantie-informatie om de kwaliteit van de gegevens te controleren of correcties toe te passen op de trein van spin-echo’s. Met de combinatie van hoge en lage gradiënt statische magnetische 25 velden vertoont het hoge gradiëntgebied meer diffusie-effect en is daardoor van meer belang voor technieken die koolwaterstof typeren dan het lage gradiëntgebied. Tenslotte heeft het lage gradiëntgebied een statisch magnetisch veld met een lage amplitude en daardoor wordt dit gebied met zijn lage Larmor-frequentie minder beïnvloed door de geleidbaarheid van 30 de formatie en de boorgatvloei stof.

In figuur 2 is getoond dat in een sectie van het gereedschap die hierna zal worden aangeduid met de lage gradiëntsonde een centrale magneet 30 axiaal gescheiden is van een lager geplaatste magneet 32. Deze magneten 30, 32 wekken een hoofdzakelijk axiaal symmetrisch 35 statisch magnetisch veld op met radiale polarisatie en dat over een behoorlijk lang cilindrisch oppervlak een statisch magnetisch veld met 1 013481 1 9 een behoorlijk constante waarde heeft. Het valt binnen de uitvindings-gedachte van de onderhavige uitvinding om een veelheid van cilindrische spinoppervlakken in de formatie aan te slaan waarbij ieder oppervlak resonant is bij een verschillende RF-frequentie en om ieder oppervlak 5 achtereenvolgens met een opeenvolging van radiofrequente pulsen af te vragen.

Het gebied tussen magneten 30 en 32 is geschikt om elementen te huisvesten zoals elektronische componenten, een radiofrequente antenne en andere dergelijke voorwerpen. Bijvoorbeeld kan een veelheid 10 van elektronische holten 70 een integraal deel vormen van de modderbuis 28. Deze holten 70 kunnen de radiofrequente circuits (bijvoorbeeld Q-switch, duplexer en voorversterker) huisvesten, bij voorkeur in de nabijheid van de radiofrequente antenne. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding vormen de holten 70 een integraal deel van magnetisch permeabel 15 onderdeel 16. In dat geval wordt over elke holte 70 een hoog magnetisch permeabele bedekking geplaatst teneinde de axiale symmetrie van het magnetische veld te handhaven.

Het magnetisch permeabele onderdeel 16 is geplaatst binnen de boorkraag 22 tussen de magneten 30, 32. Onderdeel 16 kan bestaan 20 uit een enkel deel of een veelheid van secties gecombineerd tussen de magneten 30, 32. Onderdeel 16 is gemaakt van een geschikt magnetisch permeabel materiaal zoals ferriet, permeabel staal of een andere ijzernikkellegering, corrosiebestendig permeabel staal of permeabel staal dat een structurele rol heeft in het ontwerp van het onderdeel zoals 15-25 5 Ph roestvrij staal. Het magnetisch permeabele onderdeel 16 focusseert het magnetische veld en kan ook hetzij boorvloeistof door de boor vervoeren of structurele ondersteuning aan de boorkraag verschaffen. Verder verbetert onderdeel 16 de vorm van het statische magnetische veld gegenereerd door de magneten 30, 32 en minimaliseert het variaties in het statische 30 magnetische veld ten gevolge van verticale en zijdelingse beweging van het gereedschap gedurende de periode dat het kernspinresonantiesignaal wordt verkregen. Het segment van buis 28 tussen magneten 30, 32 kan magnetisch permeabel onderdeel 16 omvatten. In dat geval zullen de segmenten van buis 28 onder magneten 30, 32 bestaan uit een niet-magnetisch 35 onderdeel. In het andere geval definieert een magnetisch permeabel chassis rond het segment van buis 28 tussen magneten 30, 32 het onderdeel 16. In 1 013481 1 10 dit geval kan het segment bestaan uit magnetisch of niet-magnetisch materiaal. Het valt binnen het kader van de uitvinding om het chassis en het segment te integreren om het onderdeel 16 te vormen.

De magneten 30, 32 zijn gepolariseerd in een richting 5 evenwijdig aan de lengteas van het gereedschap 10 met gelijke magnetische polen tegenover elkaar. Voor elke magneet 30, 32 lopen de magnetische inductielijnen naar buiten vanaf een uiteinde van de magneet 30, 32 in de formatie, langs de as van het gereedschap 10, en lopen naar binnen naar het andere uiteinde van de magneet 30, 32. In het gebied tussen centrale 10 magneten 30 en lagere magneet 32 lopen de magnetische inductielijnen vanaf het midden naar buiten in de formatie en wekken een statisch veld op in een richting die hoofdzakelijk loodrecht staat op de as van het gereedschap 10. De magnetische inductielijnen lopen dan symmetrisch naar binnen boven de centrale magneet 30 en onder de lagere magneet 32 en komen 15 binnen buis 28 in de 1angsrichting samen. Als gevolg van de scheiding is de grootte van het statische magnetische veld in het centrale gebied tussen de centrale magneet 30 en de lagere magneet 32 ruimtelijk homogeen vergeleken met een zadelpuntveld.

De mate van scheiding tussen de magneten 30, 32 is 20 bepaald door verschillende factoren: (1) het kiezen van de vereiste magnetische veldsterkte en de homogeniteitseigenschappen; (2) het opwekken van een veld met kleine radiale variaties in het interessegebied zodat de echo’s ontvangen gedurende een pulsvolgorde (dit is CPMG, CPI of andere volgorden) minder gevoelig zijn voor zijdelings beweging van het 25 gereedschap; (3) de diepte van het onderzoek; en (4) het minimaliseren van interferentie tussen de circuits voor de resonantie en de laagspan-ningstelemetriebus teneinde isolatie van de ontvangstantenne te verbeteren die kernspinresonantiesignalen van de formatie ontvangt. Als de scheiding tussen de magneten 30, 32 afneemt wordt het magnetische veld sterker en 30 minder homogeen. Omgekeerd, als de scheiding tussen de magneten 30, 32 toeneemt wordt het magnetische veld zwakker en homogener.

Figuren 2a-2d tonen de contourlijnen van |ëo| overeenkomend met vier opstellingen van centrale magneten 30 en lagere magneten 32 die in het laboratorium zijn uitgewerkt. Deze model resultaten 35 werden berekend gebruikmakend van een gereedschap met een vooraf gekozen diameter (een constante diameter werd gebruikt voor het modelleren van 1013481 " 11 alle opstellingen). De configuratie overeenkomend met figuur 2a omvat een niet-magnetisch permeabel onderdeel dat een centrale magneet 30 en een lagere magneet 32 25 inches uit elkaar houdt. De configuratie overeenkomend met figuur 2b omvat een niet-magnetisch permeabel onderdeel dat een 5 centrale magneet 30 en een lagere magneet 32 18 inches uit elkaar houdt. De configuratie overeenkomend met figuur 2c omvat een niet-magnetisch permeabel onderdeel dat een centrale magneet 30 en een lagere magneet 32 8 inches uit elkaar houdt. De lage gradiëntsonde overeenkomend met figuur 2d omvat een magnetisch permeabel onderdeel 16 dat een centrale 10 magneet 30 en een lagere magneet 32 25 inches uit elkaar houdt. De bovengenoemde afmetingen werden in het model opgenomen uitsluitend om de gevolgen van afstand en/of een magnetisch of niet magnetisch permeabel onderdeel op |®o| te illustreren. De figuren 3a-3d geven de contourlijnen weer van de gradiënt |VB„| overeenkomend met respectievelijk de 15 configuraties getoond in figuren 2a-2d.

In de lage gradiëntsonde drijft het magnetisch permeabele onderdeel 16 een belangrijk deel van de magnetische flux in het midden van het gereedschap 10. Ter illustratie, de waarde van het B0-veld getoond in figuur 2d op een afstand van ongeveer 7 inches radiaal 20 van de lengteas van gereedschap 10 is tweemaal zo groot als het B0-veld getoond in figuur 2a dat werd gegenereerd door dezelfde configuratie van magneten gescheiden door een niet-magnetisch permeabel onderdeel. Bovendien produceert de lage gradiëntsonde een langere en meer uniforme omvang van het statische magnetische veld in de axiale richting. Het kernspinresonan-25 tiesignaal gemeten in deze sectie van het gereedschap is aanzienl ijk minder gevoelig voor verticale beweging van het gereedschap. Onder verwijzing naar figuur 3d wordt met de lage gradiëntsonde een betrekkelijk kleine ongeveer 3 Gauss/cm, gradiënt gemeten op een afstand van ongeveer 7 inches radiaal van de lengteas van het gereedschap. Deze lage gradiënt resulteert 30 in een gemeten kernspinresonantiesignaal dat aanzienlijk minder gevoelig is voor zijdelingse beweging van het gereedschap 10. Als de beweging matig is kunnen langere echotreinen worden verkregen in dit gebied en daardoor meer informatie verschaffen over permeabiliteit, gebonden en vrije vloeistof en koolwaterstoftypen. In het geval van de lage gradiëntsonde 35 zoals met andere gradiëntontwerpen zal het protonrijke boorgatgebied dat het gereedschap 10 omgeeft alleen resoneren op frequenties hoger dan die 1013481 i 12 die worden toegevoerd aan het onderzoeksvolurne, dit is er is geen protonboorgatsignaal. Andere kernspinresonantiegevoelige kernen gevonden in boormodder zoals natrium-23 resoneren bij aanzienlijk hogere statische magnetische veldsterkten dan waterstof als ze met dezelfde radiofrequente 5 frequentie worden aangeslagen. Voor de lage gradiëntsonde worden deze hogere veldsterkten niet geproduceerd in het gebied van het boorgat dat het gereedschap omgeeft of bij de antenne waar zulke ongewenste signalen zouden kunnen worden gedetecteerd.

Zoals getoond in figuur 4 is in een andere sectie van 10 het gereedschap waarnaar hierna verwezen wordt als de hoge gradiëntsonde een centrale magneet 30 in axiale richting gescheiden van een hogere magneet 34. De magneten 30, 34 zijn gepolariseerd in een richting evenwijdig aan de lengteas van het gereedschap 10 waarbij gelijke magnetische polen naar elkaar gericht zijn. Deze magneten 30, 34 genereren 15 een hoofdzakelijk axiaal symmetrisch statisch magnetisch veld dat radiaal is gepolariseerd en het statische magnetische veld heeft over een redelijk lang cilindrisch oppervlak een tamelijk constante waarde. Het valt binnen het kader van de onderhavige uitvinding om een veelheid van spinoppervlak-ken in de formatie aan te slaan waarbij ieder oppervlak resonant is op 20 een verschillende radiofrequente frequentie.

Zoals weergegeven in figuur 2c zijn als de scheiding tussen de magneten 30 en 34 ongeveer 8 inches is de contourlijnen van het statische magnetische veld hoofdzakelijk recht en de waarde van |b0| is groter dan de statische magnetische veldsterkte van het lage 25 gradiëntgebied. Echter, de gradiënt |vb0| wordt groter zoals getoond in figuur 3c op een afstand van ongeveer 7 inches radiaal van de lengteas van het gereedschap. De contourlijnen van lVBo| zijn gekromd wijzend op variatie van de gradiënt in de axiale richting.

De hoge gradiëntsonde wordt verbeterd door een 30 magnetisch permeabel onderdeel 16 in te voegen tussen magneten 30, 34. Figuur 4a toont contourlijnen van |b0( overeenkomend met de configuratie waarbij magnetisch permeabel onderdeel 16 de hogere magneet 34 en centrale magneet 30 8 inches uit elkaar houdt. De contourlijnen van figuur 4a tonen een licht sterker veld wijzend op een betere signaal/ruis-verhouding en 35 minder kromming in de axiale richting dan de contourlijnen van figuur 2c. Ook produceert, zoals getoond in figuur 4b, het magnetisch permeabele 1 01 3481 13 onderdeel 16 een meer constante gradiënt |vb0| in de axiale richting dat de interpretatie van de kernspinresonantiemetingen die zijn beïnvloed door diffusie kan vereenvoudigen.

In geval van de hoge gradiëntsonde zoals met andere 5 gradiëntontwerpen zal het protonrijke boorgatgebied dat het gereedschap 10 omringt alleen resoneren op frequenties hoger dan die die worden toegepast op het onderzoeksvol urne, dat is er is geen protonboorgatsignaal. De hoge gradiëntsonde is gevoelig voor een klein deel van het natrium uit de boorgatvl oei stof. Voor een boorgatvl oei stof met een 30% NaCl-concentratie, 10 mogelijk het slechtste geval, is de fout in de geschatte poreusheid als gevolg van het natriumsignaal ongeveer 0,08 pu. In de lage gradiëntsonde is het natriumsignaal aanzienlijk kleiner dan in de hoge gradiëntsonde. Als gevolg daarvan is het natriumsignaal verwaarloosbaar voor beide kernspinresonantiesondes.

15 Onder verwijzing naar figuren 2 en 4 wordt door de antennes 36, 38 die zijn geplaatst in uitsparingen 50, 52 een radiofrequent magnetisch veld gecreëerd in de onderzoeksgebieden. Het radiofrequente veld kan worden geproduceerd door een of meer radiofrequente antennesegmen-ten die uitzenden en/of ontvangen van verschillende sectoren langs de 20 omtrek van het opneeminstrument. Zie Amerikaanse octrooiaanvragen 08/880.343 en 09/094.201 overgedragen aan Schlumberger Technology Corporation. Bij voorkeur omvat iedere antenne 36, 38 een spoel 18 die gewonden is langs de omtrek rond de uitsparingen 50, 52. Het radiofrequente veld dat door zo’n spoel opstel ling wordt opgewekt is hoofdzakelijk axiaal 25 symmetrisch. Het valt binnen het kader van de onderhavige uitvinding om de antennes 36, 38 te gebruiken voor het detecteren van kernspinresonantie-signalen. Echter kan ook een aparte antenne of ontvanger worden gebruikt om de signalen te detecteren. Een niet-geleidend materiaal 54 is aangebracht in de uitsparingen 50, 52 onder de antennes 36, 38. Het 30 materiaal 54 is bij voorkeur een ferriet om de efficiëntie van de antennes 36, 38 te verhogen. Alternatief kan materiaal 54 omvatten kunststof, rubber of een versterkt epoxycomposietmateriaal. De antennes 36, 38 worden aangestuurd door radiofrequente circuits om een radiofrequent magneetveld in de onderzoeksgebieden op te wekken.

35 De uitsparing 52 vormt een ondiepe groef in de boorkraag zonder de inwendige diameter van de boorkraag te verminderen hetgeen

10134a1M

14 normaliter wordt gedaan om de sterkte in een gebied van de boorkraag waar de buitendiameter verminderd is om een antenne te plaatsen te verhogen. De uitsparing 50 heeft een grotere diepte dan uitsparing 52. Als gevolg van mechanische beperkingen is het slechts mogel ijk om één diepe uitsparing 5 te hebben waar de binnendiameter van de boorkraag aanzienlijk verkleind is. Het valt binnen het kader van de onderhavige uitvinding dat de uitsparingen 50, 52 hoofdzakelijk dezelfde diepte hebben of dat uitsparing 52 een grotere diepte heeft dan uitsparing 50.

De cilindrische spinoppervlakken in het onderzoeksgebied 10 kunnen axiaal of, bij voorkeur, azimutaal gesegmenteerd zijn door gebruik te maken van ten minste een richting gevoel ige gradiëntspoel 56 aangebracht in de uitsparing 50 en/of 52. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding worden drie gradiëntspoelen omtreksgewijs rond de uitsparing gepositioneerd en gescheiden door een hoekafstandsegment van 120°. Andere 15 aantallen gradiëntspoelen kunnen worden toegepast hetzij meer of minder in aantal dan drie en zulke spoelen kunnen worden gescheiden door hoekafstanden anders dan 120° en/of ongelijke hoeksegmenten. Elke spoel 56 is samengesteld met draad in kringen die zich aanpassen aan de kromming van het buitenoppervlak van het materiaal 54. Het magnetisch veld 20 geproduceerd door elke gradiëntspoel 56 in een gebied van de formatie tegenover de spoel is hoofdzakelijk evenwijdig aan het statische magnetische veld geproduceerd door de magneten.

Zoals bekend aan de vakman wordt in een basis kernspinresonantiemeting een pulssequentie toegevoerd aan de te onderzoeken 25 formatie. In Amerikaans octrooi nummer 5.596.274 verleend aan Abdurrahman Sezginer en Amerikaans octrooi nummer 5.023.551 verleend aan Kleinberg et al. voert een pulssequentie, zoals de Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) sequentie eerst een excitatiepuls, een 90° puls, aan de formatie toe die de spins tot in het loodrechte vlak roteert. Nadat de spins 90° zijn 30 geroteerd en uit fase beginnen te raken wordt de draaggolf van de herfocusseringspulsen, de 180° pulsen, faseverschoven relatief ten opzichte van de draaggolf van de 90° pulssequentie volgens de volgende relatie: V, ~(o - 'm: ~t\ -echo^ ~[2 ^ " -tl 35 waar de uitdrukking tussen haakjes herhaald wordt voor n= 1,2,...N, waar N het aantal echo’s is dat in een enkele CPMG-sequentie 1013481" 15 verzameld wordt en de afstand tussen de echo’s gelijk is aan '„cho =2tcp =iiso; +ii +r2 · 90°±x geeft een radiofrequente puls aan die ervoor zorgt dat de spins roteren over een hoek van 90° rond de ±x-as zoals gewoonlijk gedefinieerd in het roterend assenstelsel van magnetische 5 resonantiemetingen (afwisselende fase). De tijd tussen toevoeren van de 90° puls en van de 180° puls, t0 is minder dan tcp, de helft van de tijd tussen de echo’s. De CPMG-sequentie stelt in staat tot het verwerven van een symmetrische meting (dit is een meting zonder de gradiëntspoelen te gebruiken). De exacte tijdparameters t0, tj en t2 hangen af van verschillen-10 de factoren (bijvoorbeeld de vorm van de toegevoerde pulsen).

In de onderhavige uitvinding genereert een stroompuls toegevoerd aan gradiëntspoel 56 een additioneel magnetisch veld dat hoofdzakelijk evenwijdig is aan het statische magnetische veld. De stroompuls wordt toegevoerd tussen de eerste 90° en de 180° fase-15 omkeerpuls. Dit additionele veld veroorzaakt een additionele faseverschui-ving voor de spins. Daar de 180° fase-omkeerpuls niet compenseert voor de additionele faseverschuiving vormen de spins onderworpen aan het additionele veld geen spin-echo. Echter, voor spins die niet zijn onderworpen aan het additionele veld doet zich een spin-echo voor op 20 tijdstip 2tcp met spin-echo’s van opvolgend lagere amplituden welke zich voordoen op tijden tcp na iedere fase-omkeerpuls. De pulssequentie is Γ '90;, -‘o -tb0- /1S0. -echonmax ^ Jfl waar $ de tijd is tussen de 90° puls en de 25 gradiëntpuls met duur δ, /o de tijd is tussen de gradiëntpuls en de 180° omkeerpuls en t%+5+th0=ta · Als gevolg van de opeenvolgende i80> pulsen en de inhomogene velden zal de x-component van het kernspinresonantiesig-naal binnen een paar echo’s vervallen. Daarom richten we de aandacht slechts op de y-component van het signaal. Derhalve kan het eerste 30 kernspinresonantie-echosignaal, onder verwaarlozing van relaxatie, worden voorgesteld als:

Signal = 3m I J (M° + iM°v ](r) exp(- iyG(r)s]dc(r)\, waar / de imaginaire complexe eenheid is; y de 35 gyromagnetische verhouding; en Ml'· respectievelijk de x- en y- componenten zijn van de magnetisatie op de plaats r ten tijde van de eerste 1013481 ! 16 echo in afwezigheid van de gradiëntpuls; G(r) de component van het gradiëntveld evenwijdig aan B0 op dezelfde plaats; δ de duur van de gradiëntpul s en dc(r) de differentiële gevoel igheid van de kernspinresonan-tiesonde aangeeft.

5 De gradiëntspoelen 56 bieden een aantal voordelen voor het verkrijgen van azimutale metingen. Ten eerste omdat de axiaal symmetrische antenne de spin-echo’s detecteert kunnen lange echotreinen worden opgenomen terwijl het gereedschap ronddraait in het boorgat. Ten tweede vereenvoudigt de spoel 56 het ontwerp van een NMR-LWD-gereedschap 10 omdat de spoel 56 niet de afstemvereisten heeft van een radiofrequente antenne 36, 38. Ten derde kan dezelfde antenne 36, 38 worden gebruikt voor het doen van symmetrische en axiaal symmetrische metingen. Ten vierde kunnen de spoelen 56 worden gebruikt om kernspinresonantiemetingen te verkrijgen met uitstekende ruimtelijke resolutie, in het bijzonder 15 verticale resolutie.

Binnen het kader van de onderhavige uitvinding vallen verschillende modi voor het verkrijgen van azimutale kernspinresonantiemetingen. Bijvoorbeeld een "simple spoiling" modus gebruikt ten minste één spoel 56 om de spins in een geselecteerd kwadrant te verstoren waar een 20 kwadrant is gedefinieerd als een hoekafstandsegment rond de buitenkant van het gereedschap 10, echter meerdere spoelen 56 kunnen worden gebruikt om een veelheid van kwadranten te verstoren. In beide gevallen worden twee metingen verkregen: een symmetrisch "phase alternated pulse sequence" (PAPS) met een gefixeerde wachttijd gevolgd door een gradiënt PAPS met 25 een variabele wachttijd waarbij het geselecteerde kwadrant verstoord wordt door de spoel 56 in het kwadrant af te vuren. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt de bovengenoemde gradiënt pulssequentie gebruikt. Het aftrekken van de gradiëntmeting van de symmetrische meting creëert de azimutale meting. In deze modus wordt een symmetrische meting 30 verkregen voor iedere twee PAPS en een azimutale scan wordt verkregen voor iedere acht PAPS. De meetruis voor de azimutale meting is hoger dan de ruis in de symmetrische of gradiëntmeting omdat de twee metingen worden samengevoegd.

Het is mogelijk de ruisbijdrage te verminderen door 35 verschillende verstoringsmetingen in een enkel kwadrant te combineren. Bijvoorbeeld kunnen vier gradiënt PAPS metingen worden verkregen door elk 1013481 1 17 kwadrant te verstoren. De metingen worden gecombineerd om een synthetische azimutale en symmetrische meting te creëren. Door het combineren van metingen gedaan zonder dat de gradiëntspoelen 56 worden afgevuurd met metingen waarbij een of meer van de gradiëntspoelen 56 wordt afgevuurd 5 kunnen "beelden" van de formatie worden gegenereerd met oplossing in axiale of azimutale richting. De verkregen gegevens, in het bijzonder in de vorm van azimutale beelden van poreusheid en gebonden vloeistof zijn zeer gewenst voor verbeterde petrofysische interpretatie in in hoge mate afwijkende en horizontale boorputten en voor het nemen van beslissingen 10 tijdens het boren voor het op geologie gebaseerd plaatsen van boorputten.

Voor een gekozen radiofrequente werkfrequentie is er een optimale duur voor de 90° puls, Tgo zowel als voor de 180° pulsen, t180, die een gewenste signaal/ruis-verhouding verzekert. De zoektocht naar een optimale pulslengte kan worden uitgevoerd gedurende de hoofdcalibratie 15 van het gereedschap zodat alle pulslengten correct worden geïnitieerd, of als het statische magnetische veld verandert op een onvoorspelbare manier zoals een verandering ten gevolge van de accumulatie van magnetische overblijfselen tijdens het boorproces. Zie Amerikaanse octrooiaanvrage nummer 09/031.926 overgedragen aan Schlumberger Technology Corporation. 20 Deze techniek kan ook gebruikt worden om de geschikte frequentie te kiezen om aan andere criteria te voldoen zoals het constant houden van de onderzoeksdiepte.

De optimale pul sl engte kan worden bepaald door het meten van de kernspinresonantieresponsie van een monster gebruikmakend van ten 25 minste twee verschillende pulsduren en een vooraf bepaalde modus onafhankelijk van de kernspinresonantie-eigenschappen van de formatie. Als alternatief kan de optimale pulslengte worden bepaald door gebruik te maken van ten minste twee verschillende pulsduren en het additionele gebruik van een modus die berekend is uit de kernspinresonantie-30 eigenschappen van de formatie. In het eerste geval verbetert het over elkaar heen stapelen van de gegevens de signaal/ruis-verhouding, echter kan de stapelingsprocedure een lange tijdsperiode vereisen om de data van de formatie te verkrijgen. Bij voorkeur worden de gemeten data verzameld gedurende een stationaire tijdspanne als het gereedschap 10 niet in gebruik 35 is tijdens een booroperatie, zoals gedurende de tijd dat een nieuwe sectie boor wordt toegevoegd aan de boor. In het tweede geval als de T2 verdeling 1013481 1 18 van de formatie bekend is kan een acquisitiemodus worden geconstrueerd die de grootste signaal-ruis-verhouding geeft per eenheid van acquisitie-tijd en een optimale lineaire combinatie van de verkregen echo’s verschaft. Laboratoriumsimulaties tonen dat optimale timing voor de beste acquisitie-5 modus wordt verkregen als de duur van de echotrein ongeveer gelijk is aan T2 max, de dominante T2 van de formatie en als de wachttijd, tw, ongeveer gelijk is aan 2,5 x T2 max (aannemend een constante Wverhouding van 1,5). De beste acquisitiemodus bepaalt tot binnen een paar procent de optimale pulslengte gedurende enkele seconden. Een vergelijkbare techniek 10 kan worden gebruikt om de kernspinresonantiesignalen te optimaliseren met betrekking tot de frequentie (bijvoorbeeld zadelpuntontwerp). De T2-verdeling helpt effectief het efficiënt afstemmen van pulslengten voor het gereedschap 10.

Zoals boven beschreven heeft gereedschap 10 een veelheid 15 antennes 36, 38. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding zenden de antennes 36 en 38 niet tegelijkertijd uit en verzamelen ze niet tegelijkertijd gegevens. Bij voorkeur nadat antenne 36 gegevens heeft verzameld ondergaat antenne 38 een minimum wachttijd terwijl de voeding van de voedingsspanning weer wordt opgeladen teneinde de volgende 20 pulssequentie uit te zenden. Het valt binnen het kader van de onderhavige uitvinding om gelijktijdig uit te zenden of gegevens te verzamelen. Verder voorziet de uitvinding erin dat gegevensverzameling plaatsvindt zonder een vereiste wachttijd.

Gebaseerd op deze ontwerpvoorkeuren kan een veelheid 25 van gegevensverzamelingsmodi worden gebruikt. Bij wijze van voorbeeld worden hieronder drie representatieve tijdvolgorden voor kernspinresonan-tiegegevensverzameling beschreven: een snelle tijdvolgorde geschikt voor waternatte zandsteenzones, een langzame tijdvolgorde geschikt voor carbonaatzones en een zeer langzame tijdvolgorde ontworpen voor 30 koolwaterstof bevattende zones (of invasie van op olie gebaseerde modder). De tijdvolgorden staan genoemd in tabel I.

1 01 34 81"! 19

Wachttijd (sec) Tijd tussen echo’s Aantal echo’s (msec)

Snel 2,3 0,5 400

Langzaam 4,6 0,5 800

Zeer langzaam 9,2 1,0 800 5 Een aantal verschillende modi kan worden gebruikt bij iedere tijdvolgorde voor gegevensverzameling inclusief maar niet beperkt tot de volgende: enkel, tussengevoegd en ineens. De eenvoudigste manier om T2-informatie te verkrijgen met het gereedschap 10 is het uitvoeren van CPMG-metingen waarbij beide antennes 36, 38 dezelfde tijdvolgorde 10 gebruiken. Figuur 5 toont de enkele dataverzamelmodus die gebruikt wordt met de snel vervallende, de langzaam vervallende en de zeer langzaam vervallende tijdvolgorden uit tabel I. Elke antenne 36, 38 verzamelt afwisselend een lange pulssequentie die een effectieve poreusheidsmeting van elke antenne 36, 38 verschaft.

15 Met de tussenvoegmodus meet de hoge gradiënt antenne ten minste twee cilindrische oppervlakken op twee verschillende frequenties terwijl de lage gradiënt antenne een meting verkrijgt gebruikmakend van een enkele frequentie. Figuur 6 toont een tussenvoegmeting voor snel vervallende monsters, langzaam vervallende componenten en zeer langzaam 20 vervallende componenten gebruikmakend van de tijdvolgorden volgens tabel I.

De ineens-modus verhoogt de signaal/ruis-verhouding speciaal voor de snel vervallende componenten. Bovendien verschaft de ineens-modus een bruikbare meting van de gebonden vloeistof gebaseerd op Tj. Zie internationale octrooiaanvrage WO 98/29639 overgedragen aan Numar 25 Corporation [beschrijft een werkwijze voor het bepalen van longitudinale relaxatietijden, TJ . Zie ook Amerikaanse octrooiaanvrage nummer 09/096.320 overgedragen aan Schlumberger Technology Corporation [beschrijft een werkwijze voor het polariseren van de gebonden vloeistof van een formatie]. Figuur 7 toont ineens-metingen voor snel vervallende monsters, langzaam 30 vervallende componenten en zeer langzaam vervallende componenten gebruikmakend van enigszins gewijzigde tijden volgens tabel I.

Behalve de enkele, tussengevoegde en ineens-modi is het met de onderhavige uitvinding mogelijk om formatie-evaluatiemetingen 1 O 1 o a λ -·<4 20 te optimaliseren door het detecteren van omstandigheden onder in de boorput die een pauze veroorzaken tijdens de booroperatie, door het bepalen van de boormodus en door de modus te gebruiken om de dataverwerving te sturen. Standaard draaibooroperaties bevatten vele natuurlijke pauzes waarin het 5 boorgereedschap stationair blijft: bevestigingstijd als een nieuwe sectie boor aan de boor wordt toegevoegd, circulatietijd als modder wordt gecirculeerd en de boor mogelijk gedraaid wordt en wip- of schudtijd terwijl de boor vastgelopen is en vrijgemaakt moet worden voordat het boren kan worden hervat. Deze natuurlijke pauzes die voorkomen zonder de normale 10 booroperaties te onderbreken of opzettelijk geïnitieerde pauzes worden gebruikt om kernspinresonantiemetingen te doen. De boormodi omvatten maar zijn niet beperkt tot boren, "sliding", "dripping", "circulating", "fishing", "a short trip" (op en neer), en boorpijpverbindingen. Het bepalen van de boormodus verhoogt de mogelijkheid om kernspinresonantie-15 metingen te verkrijgen die veel tijd vereisen of die baat hebben bij een rustige omgeving bijvoorbeeld Tl5 T2, het afstemmen van antennes en koolwaterstoftypering. Zie Amerikaanse octrooiaanvrage nummer 09/031.926 overgedragen aan Schlumberger Technology Corporation. Het is ook mogelijk de verkrijgingsmodi aan te passen gebaseerd op veranderingen in de omgeving 20 (bijvoorbeeld uitwassing, zoutgehalte enz.) en/of veranderingen in de kernspinresonantie-eigenschappen in de formatie (bijvoorbeeld lange Tj versus korte .

De spin-echo-amplituden worden verkregen door hardwarematige integratie van de ontvangervoltages gedurende een zekere 25 tijdspanne. Het gereedschap 10 gebruikt fasegevoelige detectie om de in-fase en kwadratuurcomponenten van het spin-echo/signaal-met-ruisampl ituden te meten. De technieken beschreven in Amerikaans octrooi 5.381.092 verleend aan Robert Freedman kunnen worden gebruikt om "window sums" onder in het boorgat te berekenen en de "window sums" naar het oppervlak te versturen 30 voor het bewerken volgens T2 inversie en voor presentatie. Ook kunnen de technieken beschreven in Amerikaans octrooi 5.363.041 verleend aan Abdurrahman Sezginer worden geïmplementeerd om een lineaire operator te gebruiken om een relaxatietijdverdeling op spin-echo’s af te beelden, om een "singular value decomposition" (SVD) van de lineaire operator te 35 produceren, om vectoren van de SVD te bepalen en om de spin-echogegevens te comprimeren onder gebruikmaking van de vectoren. Bij voorkeur wordt 1013481 1 21 het T2-spectrum berekend onder in het boorgat en naar het oppervlak verzonden. Dit heeft als voordeel het elimineren van een flessenhals in de telemetrie veroorzaakt door het verzenden van de gegevens die zijn vereist om het T2-spectrum aan de oppervlakte te berekenen. Een digitale 5 signaalprocessor kan worden gebruikt om de T2-gegevens te inverteren. De amplituden, Aj5 van de spin-echo’s worden gekarakteriseerd door de volgende relatie:

M

Λ; - Σ Xji0'· + *1] ’ /=1 10 waarin de ruis is in de meting Ajs a^ de amplitude

van de TVverdeling genomen op -p ( jAt)( ( / V

l2.b Xj, =exp l-exp —— k *2i Λ k cT-j,·') de elementen van matrix X voorstelt, waarin tw de wachttijd is en c een constante (de T^T^verhouding), At de tijd tussen 15 de echo’s en j=l,2,...N, waar N het aantal echo’s is die verzameld zijn in een enkele pulssequentie. In matrixnotatie wordt de vergelijking A = X5 + ij. Daar de ruis, /], onbekend is, kan 5 benaderd worden door een kleinste kwadratenoplossing, dat is een minimum van de functionaal J =p-X5|2. De oplossing van deze vergelijking wordt sterk beïnvloed 20 door ruis die aanwezig is in de gegevens en de oplossing kan negatieve componenten hebben hoewel het T2-spectrum geen negatieve componenten heeft. Om dit probleem te overwinnen wordt een regularisatieterm ^ toegevoegd aan de functionaal en de functionaal Jx{ö) = \A-Xöf +xM2 wordt geminimaliseerd gebruikmakend van een geschikt iteratief minimal ise-25 ringsalgoritme (bijvoorbeeld geconjugeerde gradiënt projectie methode) onder de beperking dat <3, ^ 0 voor i=l...M. Zie Ron S. Dembo en Ulrich Tulowitzski, On the Minimization of Quadratic Functions Subject to Box Constraints, Yale Department of Computer Science (september 1984) (beschrijft de geconjugeerde gradiënt projectie methode). De tijd nodig 30 voor het uitvoeren van de T2-inversie gebruikmaken van een digitale signaalprocessor is heel redelijk. Bijvoorbeeld aannemend 1800 echo’s en 30 monsters in het T2-domein vereist de inversie op een digitale signaalprocessor minder dan 2 seconden.

Voor de basis kernspinresonantiemeting met gereed-35 schap 10 voert een elektronische schakeling een pulssequentie toe aan de te onderzoeken formatie. Gereedschap 10 omvat een pulsprogrammeur 80, die 1 0 1 34 fi 1 I| 22 op adaptieve wijze de pulssequenties die aan de formatie worden toegevoerd kiest en bestuurt. De pulsprogrammeur 80 stelt de pulssequentie vast gebruikmakend van informatie gevonden in het metingbesturingsblok 82 (zie figuur 8) en de werkvoorwaarden van het gereedschap 10. Bij voorkeur wordt 5 het metingbesturingsblok 82 opgeslagen in een geheugen onder in een boorgat. De structuur van blok 82 is vastgelegd om pulsprogrammeur 80 eenvoudig in staat te stellen onder in het boorgat autonoom de tijdsvolgorde van de pul ssequenties aan te passen en te veranderen. Het is van voordeel om een deel van blok 82 op te delen in een veelheid tabellen 84, 10 86 en 88. In plaats ervan om alle gereedschapoperaties die afhangen van de pulssequenties te besturen vanuit de pulsprogrammeur 80 worden de tabellen 84, 86, 88 gebruikt om deze operaties te besturen. Dit stelt de pulsprogrammeur 80 in staat om de pulssequenties te variëren zonder dat er tegenspraak ontstaat in de configuratie van het gereedschap. De veelheid 15 van tabellen 84, 86 en 88 kan het volgende omvatten, maar is daartoe niet beperkt: een buffertabel die de opzet van de "stacking buffers" beschrijft, een acquisitietabel die de verkregen signalen geaccumuleerd in buffers definieert, een filtercoëfficiëntentabel die het detectiefilter voorschrijft dat toegepast wordt bij een signaal verwerving, een 20 spindynamica-correctietabel die de spindynamica-correctie aangeeft die voor iedere buffer moet worden gebruikt en een gegevensverwerkingstabel die de kernspinresonantiekarakteristieken aangeeft die berekend worden uit de verkregen buffers.

De pulsprogrammeur 80 omvat een pulssequentietemplet 94 25 ten gebruike bij het genereren van pulssequenties die een sequentie van toestanden afhankelijk van herhalings- en tijdsvolgordevariabelen omvat. Deze variabelen worden berekend uit volgordeconfiguratieparameters gebruikmakend van het rekenblok 92. Het rekenblok 92 kan geïmplementeerd zijn als een executabele of interpretatieve structuur. Gebaseerd op de 30 fysieke grootheid die gemeten zal worden, bijvoorbeeld T2 kunnen tijdvolgordevariabelen worden gedefinieerd zoals de wachttijd, tw, de tijd tussen echo’s, tech0, en het aantal verworven echo’s. De configuratie-parameters omvatten maar zijn niet beperkt tot t90, pulsamplitude en pulsvorm. Deze parameters kunnen periodiek worden berekend tijdens 35 cal ibratie van het gereedschap 10 of tijdens werking van het gereedschap 10 daar deze parameters kunnen variëren als de omstandigheden waaronder het

1 01 3481 'I

23 gereedschap 10 werkt variëren. Bijvoorbeeld de pulsamplitude en -vorm hangen af van de kwaliteitsfactor van de antenne en daarom van de geleidbaarheid van de formatie die het gereedschap 10 omgeeft.

Normaliter nadat pulsprogrammeur 80 een pulssequentie 5 initieert verloopt de sequentie voorafbepaald totdat hij is afgelopen. Om bepaalde azimutale meetmodi met gereedschap 10 te implementeren is pulsprogrammeur 80 in staat om de pulssequentie te variëren gedurende de uitvoering van de sequentie. Programmeur 80 kan de uitvoering van de pulssequentie stoppen en in een HALT-toestand gaan totdat een extern 10 signaal de toestand op tijdstip tc beëindigt of totdat een maximale tijdspanne, tmax, is verlopen. Daar, zoals hiervoor in deze beschrijving besproken, ten minste een van de verschillende modi (tussengevoegd) die gebruikt kan worden bij de tijdsvolgorde van het verzamelen van de gegevens voorziet in het tussenvoegen van verscheidene metingen, compenseert de 15 programmeur 80 voor de tijd die verlopen is gedurende de HALT-toestand. Bij voorkeur wordt compensatie tot stand gebracht door het groeperen van HALT-gebeurtenissen. Bijvoorbeeld een groepering kan omvatten een paar HALT-gebeurtenissen waarbij één HALT-gebeurtenis werkt zoals hiervoor beschreven en de andere HALT-gebeurtenis een normale gebeurtenis is met 20 een duur tmax-tc. Het groeperen van gebeurtenissen stelt de programmeur 80 in staat om sequenties te combineren die een variabele en een vooraf bepaalde tijdsvolgorde hebben.

Bovendien kan de volgorde van toestanden zoals gedefinieerd in het pulssequentietemplet 94 verschillende alternatieven 25 omvatten voor delen van de sequentie. In real time wordt een van de alternatieven gekozen (branching) afhankelijk van de externe omstandigheden van het gereedschap (bijvoorbeeld het azimut van het gereedschap).

De voorgaande beschrijving van de voorkeurs- en alternatieve uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding is gegeven 30 met als doel illustratie en beschrijving. Het is niet bedoeld uitputtend te zijn of de uitvinding te beperken tot de precies beschreven vorm. Uiteraard zullen vele modificaties en variaties duidelijk zijn voor de vakman. De uitvoeringsvoorbeelden zijn gekozen en beschreven teneinde de principes van de uitvinding en de praktische toepassing ervan het beste 35 uit te leggen daarbij andere vaklieden in staat stellend de uitvinding te begrijpen voor verschillende uitvoeringsvormen en met verschillende 1 013481 1 modificaties zoals ze geschikt zijn voor het beoogde bijzondere doel. Het is bedoeld dat de omvang van de uitvinding gedefinieerd wordt door de bijgevoegde conclusies en hun equivalenten.

24 5 1 01 3481'1

Claims

1. Apparaat voor het bepalen van een kernspinresonantie-eigenschap in een onderzoeksgebied van 5 grondformaties rondom een boorgat, omvattende: a) meetmiddelen voor het doen van kernspinresonantiemetingen, welke meetmiddelen omvatten: i) middelen voor het produceren van een veelheid van hoofdzakelijk axiaal symmetrische statische magnetische velden in de formatie op een 10 veelheid van onderzoeksgebieden waar de kernspinresonantiemeting wordt verkregen; en ii) middelen voor het produceren van een wisselend magnetisch veld in de formatie; en b) middelen voor het detecteren van kernspinresonantiesignalen van de onderzoeksgebieden; 15 gekenmerkt door het verder omvatten van: c) boormiddelen voor het boren van een boorgat in de formatie; d) middelen voor het vervoeren van boorvloei stof door de boormiddelen; 20 e) ten minste één magnetisch permeabel onderdeel in de boormiddelen voor het vormgeven aan het statisch magnetische veld; f) gradiëntmiddelen in het apparaat om een magnetische veldgradiënt aan te leggen om spins in een deel van het onderzoeksgebied uit fase te doen geraken; 25 waarbij de meetmiddelen voor het doen van kernspinresonantiemetingen zijn verbonden met de boormiddelen voor het doen van metingen terwijl het boorgat wordt geboord, waarbij middelen voor het produceren van de veelheid van hoofdzakelijk axiaal symmetrische statische magnetische velden verder zijn ingericht voor 30 het produceren daarvan door de boormiddelen, en waarbij contourlijnen gegenereerd door ten minste één statisch magnetisch veld hoofdzakelijk recht zijn in de axiale richting.

2. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de middelen voor het produceren van een veelheid van axiaal 35 symmetrische statische magnetische velden middelen omvatten voor het 1 Π 1 Q Λ o 4' ή produceren van ten minste een statisch magnetisch veld met een lage gradiënt, een hoge gradiënt of een zadelpunt in een eerste onderzoeksgebied.

3. Apparaat volgens een van de voorgaande conclusies, 5 met het kenmerk, dat de middelen voor het produceren van een veelheid van axiaal symmetrische statische magnetische velden middelen omvat voor het produceren van tenminste een statisch magnetisch veld met een hoge gradiënt, lage gradiënt of zadelpunt in een tweede onderzoeksgebied.

4. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de boormiddelen een buisvormige boorkraag omvatten met een in het algemeen cilindrisch binnenoppervlak met een binnendiameter en een in het algemeen cilindrisch buitenoppervlak met een buitendiameter in welk buitenoppervlak een antenne is aangebracht 15 in een uitsparing, welke een axiale uitgestrektheid in het buitenoppervlak overspant, welk buitenoppervlak een diameter heeft welke ter plaatse van de axiale omtrek van de uitsparing is verminderd en dat het binnenoppervlak van de boorkraag een diameter heeft die in hoofdzaak niet is verminderd ten opzichte van de binnendiameter over 20 de axiale uitgestrektheid van de uitsparing.

5. Apparaat volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat een antenne is aangebracht in een uitsparing welke een axiale uitgestrektheid in een buitenoppervlak van de boormiddelen overspant, welk buitenoppervlak een diameter heeft die is gereduceerd ten 25 opzichte van de diameter van de boormiddelen over de axiale uitgestrektheid van de uitsparing.

6. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gradiëntmiddelen een veelheid van gradiëntmiddelen omvatten welke rond de buitenomtrek van de boormiddelen zijn 30 gepositioneerd.

7. Werkwijze voor het bepalen van een kernspinresonantie-eigenschap in een onderzoeksgebied van grondformaties rondom een boorgat, omvattende de stappen van: a) het verschaffen van een instrument dat 35 beweegbaar is door het boorgat; 1013481 ’ b) uitgaande van het instrument het opwekken van een veelheid van in hoofdzaak axiaal symmetrische statische magnetische velden in de formatie op een veelheid van onderzoeksgebieden; 5 c) uitgaande van het instrument het opwekken van een wisselend magnetisch veld in de formatie; en d) het detecteren van kernspinresonantiesignalen uit de onderzoeksgebieden; gekenmerkt door een verdere stap van: 10 e) het vormgeven aan ten minste een statisch magnetisch veld zodat contourlijnen gegenereerd door het veld in hoofdzaak recht in de axiale richting*verlopen.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat stap (b) verder omvat de stap van het produceren van ten minste één 15 statisch magnetisch veld met een lage gradiënt, hoge gradiënt of zadel punt in een eerste onderzoeksgebied.

9. Werkwijze volgen conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat stap (b) verder omvat de stap van het produceren van ten minste één statisch magnetisch veld met een hoge gradiënt, lage gradiënt of 20 zadel punt in een tweede onderzoeksgebied.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, gekenmerkt door het aanleggen van een magnetische veldgradiënt om de spins in een gedeelte van ten minste één onderzoeksgebied uit fase te brengen.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, gekenmerkt door het 25 opdelen van een dwarsdoorsnede van de formatie in een veelheid van hoekafstandsegmenten rond het boorgat en het ruimtelijk variëren van de sterkte van ten minste één statisch magnetisch veld in ten minste één segment.

12. Werkwijze volgens conclusie 10, gekenmerkt door het 30 opdelen van een dwarsdoorsnede van de formatie in een veelheid van axiale segmenten en het ruimtelijk variëren van de sterkte van ten minste één statisch magnetisch veld in ten minste één axiaal segment.

13. Werkwijze volgens conclusie 11 of 12, gekenmerkt door het zenden van een veelheid van radiofrequente pulsen met een 35 frequentie f1 in het eerste onderzoeksgebied; het zenden van een 1013481Ü veelheid van radiofrequente pulsen met een verschillende frequentie f2 in het eerste onderzoeksgebied en het zenden van een veelheid van radiofrequente pulsen in het tweede onderzoeksgebied.

14. Werkwijze volgens conclusie 11 of 12, gekenmerkt 5 door het zenden van een eerste veelheid van radiofrequente pulsen in het eerste onderzoeksgebied en gedurende een wachttijd het zenden van een tweede veelheid van radiofrequente pulsen in het tweede onderzoeksgebied.

15. Werkwijze volgens conclusies 7-14, gekenmerkt door 10 het integreren van informatie verkregen van ten minste één instrument met de gedetecteerde kernspinresonantiesignalen teneinde de signalen op kwaliteit te controleren.

16. Werkwijze volgens conclusies 7-15, gekenmerkt door het corrigeren van de gedetecteerde signalen voor het effect van 15 beweging van het instrument op de gedetecteerde signalen.

17. Werwijze volgens ten minste één van de conclusies 7-16, toegepast tijdens een stap van het boren van een boorgat. 1013481