專(zhuān)利名稱(chēng)：對(duì)在核磁共振區(qū)域附近的自旋的預(yù)處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及對(duì)在核磁共振(NMR)區(qū)域附近的自旋的預(yù)處理。
核磁共振(NMR)可以用來(lái)測(cè)定比如形體組織(為醫(yī)學(xué)成像的目的)或地下地層構(gòu)造(為井下記錄的目的)的樣本的特性．例如，對(duì)于地下地層構(gòu)造，可以應(yīng)用NMR來(lái)測(cè)定并繪制地層構(gòu)造的孔隙度、地層構(gòu)造類(lèi)型、滲透率和油量。
參考附

圖1，作為一個(gè)例子，在邊記錄邊鉆井(LWD)操作中應(yīng)用NMR來(lái)繪制地下地層構(gòu)造10的特性圖。這里，成軸對(duì)稱(chēng)的NMR測(cè)井儀6是鉆桿柱5的一部分，應(yīng)用該鉆桿柱5在地層10上鉆一井孔3。例如，測(cè)井儀6可以是Sezginer等人在美國(guó)專(zhuān)利No.5,705,925(1998年1月6號(hào)授權(quán)，題為“Pulsed NucleraMagnetism Tool For Formation Evalution While DrillingIncluding a Shortened or Truncated CPMG Sequence”)中或Miller在美國(guó)專(zhuān)利No.5,280,243(1994年1月18號(hào)授權(quán)，題為“System For Logging a Well During the Drilling Thereof”)中所描述的測(cè)并儀之一。
同其它大多數(shù)井下地層構(gòu)造測(cè)量方法相比，NMR測(cè)量方法具有兩個(gè)明顯的特征。首先，來(lái)自地層的NMR信號(hào)是來(lái)自一較小的共振空間，比如通常為一薄的共振空間20a(參見(jiàn)附圖2)，共振空間20a的徑向厚度與磁場(chǎng) (未示)的大小成比例。例如，取決于不同的共振區(qū)域的形狀，該空間可以在一個(gè)方向小到1毫米(mm)而在另一個(gè)方向延伸長(zhǎng)達(dá)幾英尺。第二，NMR測(cè)量可以不是瞬時(shí)的。如下文進(jìn)一步描述，結(jié)合這兩點(diǎn)事實(shí)使NMR測(cè)井儀易于進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量，比如NMR測(cè)井儀6圍繞井孔3的周?chē)苿?dòng)。
如下文所述，為了進(jìn)行NMR測(cè)量，NMR測(cè)井儀6包括建立稱(chēng)為 的靜態(tài)磁場(chǎng)(未示)的永磁體、發(fā)射垂直于磁場(chǎng) 的時(shí)變磁場(chǎng) 的射頻(RF)線(xiàn)圈或天線(xiàn)和接收來(lái)自與NMR測(cè)量對(duì)應(yīng)的地層構(gòu)造的自旋回波的RF線(xiàn)圈或天線(xiàn)。并且這兩個(gè)線(xiàn)圈可以結(jié)合在一單個(gè)的發(fā)射/接收天線(xiàn)中。
作為一個(gè)例子，通過(guò)發(fā)射N(xiāo)MR檢測(cè)序列以使原子核產(chǎn)生自旋回波，NMR測(cè)井儀6測(cè)量地層構(gòu)造10的氫原子核的自旋-自旋馳豫時(shí)間T2。依次分析自旋回波得到時(shí)間T2的分布，從這一分布中可以得到地層構(gòu)造的特性。例如，附圖4中所描述的Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列15就是這樣的一種NMR檢測(cè)序列。應(yīng)用序列15可以得到時(shí)間T2的分布，并可以應(yīng)用這一分布來(lái)測(cè)定并繪制地層構(gòu)造10的特性。
應(yīng)用CPMG序列15來(lái)測(cè)量時(shí)間T2的技術(shù)包括下面的步驟。在第一步中，NMR測(cè)井儀6以合適的時(shí)間間隔發(fā)射磁場(chǎng) 以應(yīng)用90°激勵(lì)脈沖14a來(lái)使氫原子核的自旋(最初與磁場(chǎng) 方向一致)旋轉(zhuǎn)90°。雖然沒(méi)有圖示，實(shí)際上每個(gè)脈沖都是RF載波信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)或脈沖串。在自旋從磁場(chǎng) 方向旋轉(zhuǎn)90°后，首先自旋立即開(kāi)始在與磁場(chǎng) 垂直的平面中一致地進(jìn)動(dòng)，接著逐漸地失去同步。在第二步中，在NMR脈沖14a隨后的一固定時(shí)間T中，NMR測(cè)井儀6以脈沖的形式施加磁場(chǎng) 并持續(xù)一較長(zhǎng)時(shí)間段(與NMR脈沖14a比較)，以應(yīng)用NMR再聚焦脈沖14b來(lái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)的自旋一個(gè)附加角度180°，同時(shí)使其載波相位移動(dòng)±90°。NMR脈沖14b使自旋重新同步，并使自旋在180°再聚焦脈沖14b后發(fā)射一輔助自旋回波(見(jiàn)附圖5)，該自旋回波的峰值時(shí)間大約等于T。以間隔te(大致為2·T)重復(fù)步驟2“k”次(這里“k”稱(chēng)為回波數(shù)，例如，可以假定是從幾百到多達(dá)幾千中的任何一個(gè)值)。對(duì)于第三步驟，在完成自旋回波序列后，在聚集另一序列自旋回波的下一CPMG序列15開(kāi)始之前要求經(jīng)過(guò)一等待周期(通常稱(chēng)為等待時(shí)間)，以使自旋返回到沿磁場(chǎng) 的平衡狀態(tài)。觀測(cè)每個(gè)自旋回波序列的衰減并用其來(lái)導(dǎo)出T2的分布。
時(shí)間T2*是在應(yīng)用90°激勵(lì)脈沖14a后使自旋具有不再一致地進(jìn)動(dòng)的特點(diǎn)的時(shí)間。這里，在90°激勵(lì)脈沖14a結(jié)束時(shí)，所有的自旋都指向與靜態(tài)磁場(chǎng) 垂直的一個(gè)共同的方向，對(duì)于完全均勻的磁場(chǎng)自旋以稱(chēng)為拉莫頻率的共振頻率進(jìn)動(dòng)。拉莫頻率可以表述為ω→0=γ]]> 這里γ為旋磁比，一個(gè)核常數(shù)。然而，一般地磁場(chǎng) 并不是均勻的，在激勵(lì)之后，由于靜態(tài)磁場(chǎng) 的非均勻性使自旋具有在T2*內(nèi)產(chǎn)生的相移。這種衰減是可逆的，但產(chǎn)生回波的再聚焦脈沖14a可以使這種衰減反相。此外，還產(chǎn)生不可逆的相移(自旋-自旋馳豫)，并可通過(guò)T2時(shí)間常數(shù)來(lái)描述這種相移。這就導(dǎo)致依據(jù)T2時(shí)間常數(shù)在CPMG序列中的連續(xù)回波幅值的衰減。一般地，應(yīng)用“內(nèi)檢外測(cè)型”NMR測(cè)量T2＞＞T2*的自旋。
如上文所述，可以應(yīng)用T2時(shí)間的分布來(lái)測(cè)定地層構(gòu)造的特性。例如，參考附圖6，地層可能包括容納有約束流體的小孔和容納有自由的、可采出的流體的大孔?？梢詰?yīng)用分離邊界時(shí)間T2(在附圖6中被稱(chēng)為T(mén)CUT-OFF)來(lái)將T2分布分為兩部分一部分包括比TCUT-OFF小的時(shí)間(表示約束流體)和一部分包括比TCUT-OFF大的時(shí)間(表示自由的、可采出的流體)。
一般地，通過(guò)觀測(cè)由特定的CPMG序列15產(chǎn)生的自旋回波16的衰減來(lái)計(jì)算時(shí)間T2。不幸的是，鉆桿柱5(參見(jiàn)附圖1)可能要經(jīng)過(guò)劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)。然而，時(shí)間T2大致與另一被稱(chēng)為自旋-晶格松馳時(shí)間T1的時(shí)間常數(shù)成比例。時(shí)間T1具有使自旋沿磁場(chǎng) 方向重新返回到平衡狀態(tài)的特性，由此，考慮兩T1和T2時(shí)間，可以認(rèn)為每個(gè)自旋在T1恢復(fù)過(guò)程中以極緊密的螺旋運(yùn)動(dòng)形式朝平衡位置運(yùn)動(dòng)回來(lái)。幸運(yùn)的是，時(shí)間T1和T2大致成比例。因此，可以從測(cè)量的時(shí)間T1導(dǎo)出時(shí)間T2的分布。事實(shí)上，建立約束流體截止點(diǎn)的最初的工作是應(yīng)用T1來(lái)完成的。然后根據(jù)T2將這些結(jié)果表述出來(lái)并應(yīng)用在商業(yè)上。參見(jiàn)W.E.Kenyon，J.J.Howard，A.Sezginer，C.Straley，A.Matteson，K.Horkowtitz，and R.Ehrlich，等人的Pore-Size Distribution and NMR in Microporous ChertySandstones，論文LL(在第30屆年度記錄研討會(huì)(the 30th AnnualLogging Symposium)上提交的論文，SWPLA，1989年6月11-14日)。
基于極化的測(cè)量可以應(yīng)用反向恢復(fù)序列(inversion recoverysequence)或飽和恢復(fù)序列(saturation recovery sequence)。在飽和恢復(fù)序列情況下，例如應(yīng)用幾個(gè)將磁化強(qiáng)度減少為零的90°脈沖使自旋系統(tǒng)飽和。然后在應(yīng)用監(jiān)測(cè)脈沖或脈沖序列(比如CPMG序列)之前使自旋系統(tǒng)恢復(fù)達(dá)一可變長(zhǎng)度的時(shí)間。反向恢復(fù)技術(shù)要求在原子核本身的自旋已經(jīng)與靜態(tài)磁場(chǎng)成一線(xiàn)之后應(yīng)用180°脈沖使自旋反向。隨著時(shí)間的過(guò)去，自旋按照T1朝平衡方向衰減，但由于180°脈沖在檢測(cè)器中并不產(chǎn)生信號(hào)，并沒(méi)有進(jìn)行測(cè)量。然而，在衰減完成之前，監(jiān)測(cè)脈沖或脈沖序列(比如CPMG序列)中斷了衰減，該監(jiān)測(cè)脈沖或脈沖序列將自旋旋轉(zhuǎn)到測(cè)量平面(即，在檢測(cè)器中產(chǎn)生信號(hào))。有意義的信息就是在最初的90°“讀出”脈沖瞬間之后的信號(hào)幅值。這種幅值完全依賴(lài)于在初始的180°脈沖和90°脈沖之間的恢復(fù)時(shí)間。接下來(lái)測(cè)定幅值，允許自旋系統(tǒng)完全馳豫到平衡狀態(tài)，然后重復(fù)脈沖序列。
作為反向恢復(fù)序列在井下應(yīng)用的例子描述在Kleinberg等人的美國(guó)專(zhuān)利No.5,023,551(題為“Nuclear Magnetic Resonance PulseSequences For Use With Borehole Logging Tools”，1991年6月11日授權(quán))中。然而描述在美國(guó)專(zhuān)利’551中的反向恢復(fù)序列并不能應(yīng)用絕熱脈沖，由此導(dǎo)致僅在一個(gè)狹窄的區(qū)域中勘測(cè)。此外，在存在移動(dòng)和“內(nèi)檢外測(cè)”的情況下，使一個(gè)區(qū)域飽和比使其完全反相恢復(fù)要容易。因此，比較可取的做法是使區(qū)域飽和。
回過(guò)來(lái)參考附圖2，一般地，應(yīng)用基于極化的測(cè)量而不應(yīng)用上文所描述的基于衰減的測(cè)量來(lái)測(cè)量時(shí)間T1。在基于極化的測(cè)量中，每個(gè)基于極化的測(cè)量首先包括應(yīng)用飽和序列來(lái)使在共振區(qū)域(比如，在附圖2中所描述的圓柱形共振空間20a)中的自旋到達(dá)飽和的步驟。接著，經(jīng)過(guò)一極化時(shí)間將共振空間20a極化到靜態(tài)磁場(chǎng) 隨后，應(yīng)用檢測(cè)序列(比如CPMG序列)以產(chǎn)生來(lái)自地層構(gòu)造10的自旋回波。然后，分析開(kāi)始的少數(shù)幾個(gè)自旋回波的幅值以確定孔隙度分布Φ(T1)的極化加權(quán)整數(shù)Φ(twait)。因?yàn)?，只需觀測(cè)開(kāi)始的少數(shù)幾個(gè)回波就可以確定信號(hào)的幅值，故可以在比基于衰減測(cè)量T2所需的時(shí)間更短的持續(xù)時(shí)間內(nèi)測(cè)量T1，因而，測(cè)量T1時(shí)更不適合于移動(dòng)NMR測(cè)井儀6。以不同的等待時(shí)間連續(xù)地重復(fù)(在適當(dāng)?shù)娘柡托蛄兄?檢測(cè)序列幾次以得到孔隙度分布Φ(T1)。
作為一個(gè)例子，應(yīng)用基于極化的測(cè)量來(lái)測(cè)量在位于飽和空間20b中的共振空間20a(參見(jiàn)附圖2)中的氫原子核的時(shí)間T1。在這里，NMR測(cè)井儀6首先使在飽和空間20b中的自旋飽和。然而，極化時(shí)間應(yīng)該足夠長(zhǎng)以允許NMR測(cè)井儀6能夠在井孔內(nèi)作充分的移動(dòng)。在這種情況下，NMR測(cè)井儀6的移動(dòng)使共振空間20a移動(dòng)，以使NMR測(cè)井儀6接收來(lái)自移動(dòng)了的共振空間20a′(參見(jiàn)附圖3)中的自旋回波，該共振空間20a′部分落到最初的飽和空間20b之外。結(jié)果，移動(dòng)了的共振空間20a′包括一沒(méi)有飽和自旋的區(qū)域(一般稱(chēng)為“移入新自旋”效應(yīng))和一帶有飽和自旋的最初的飽和空間20b的部分區(qū)域。不幸的是，基于極化的NMR技術(shù)不允許在極化時(shí)間中移入“新自旋”，因?yàn)樾伦孕赡芤霚y(cè)量誤差。例如，測(cè)量可能錯(cuò)誤地指示在地層構(gòu)造中有比實(shí)際出現(xiàn)的更多的約束流體量。
在申請(qǐng)?zhí)枮镻CT/US97/23975的PCT申請(qǐng)(題為“Method ForFormation Evaluation While Drilling”，1997年12月29日申請(qǐng))中描述了一種使更大區(qū)域飽和的一種方法。這一申請(qǐng)指出，在測(cè)量開(kāi)始時(shí)，發(fā)射覆蓋一個(gè)相對(duì)較大頻率范圍和/或特別寬的帶寬的一個(gè)或多個(gè)射頻脈沖或應(yīng)用具有能夠使NMR測(cè)井儀周?chē)膱A柱形空間飽和的掃描頻率的一個(gè)或多個(gè)脈沖。該申請(qǐng)進(jìn)一步描述了當(dāng)由于測(cè)井儀移動(dòng)超出飽和區(qū)域引起測(cè)量無(wú)效時(shí)應(yīng)用加速度峰值來(lái)測(cè)量。該申請(qǐng)還進(jìn)一步描述在測(cè)井儀上裝備支座以阻止測(cè)井儀移動(dòng)超出飽和區(qū)域。
因此，人們一直渴望將在NMR測(cè)量裝置和所勘測(cè)的樣本之間的相對(duì)移動(dòng)引起的誤差最小化。
本發(fā)明公開(kāi)了一種供在裝置和樣本之間有相對(duì)移動(dòng)的NMR測(cè)量裝置使用的方法。裝置、樣本或這兩者都可能移動(dòng)。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括發(fā)射第一RF脈沖序列。第一序列具有包絡(luò)線(xiàn)。在發(fā)射第一序列期間改變包絡(luò)線(xiàn)，以便樣本的第一區(qū)域基本飽和。發(fā)射第二RF脈沖序列以在第一區(qū)域內(nèi)建立共振區(qū)域，并測(cè)量樣本的屬性。
在另一實(shí)施例中，供在裝置和樣本之間有相對(duì)移動(dòng)的NMR測(cè)量裝置使用的方法包括應(yīng)用RF載波信號(hào)來(lái)發(fā)射第一RF脈沖序列。該載波信號(hào)具有一相位。在發(fā)射第一序列期間改變包絡(luò)線(xiàn)，以便樣本的第一區(qū)域基本飽和。發(fā)射第二RF脈沖序列以在第一區(qū)域內(nèi)建立共振區(qū)域，并測(cè)量樣本的屬性。
在另一實(shí)施例中，在裝置和樣本之間有相對(duì)移動(dòng)的NMR測(cè)量裝置包括至少一個(gè)建立靜態(tài)磁場(chǎng)的磁體、一第一線(xiàn)圈、一第二線(xiàn)圈和一脈沖發(fā)生器。脈沖發(fā)生器與第一線(xiàn)圈和第二線(xiàn)圈連接，并使其適合于應(yīng)用第一線(xiàn)圈發(fā)射第一RF脈沖序列以產(chǎn)生一時(shí)變磁場(chǎng)。第一序列包括至少一再聚焦脈沖以產(chǎn)生至少一個(gè)來(lái)自樣本的共振區(qū)域的回波。脈沖發(fā)生器還適合于在發(fā)射第一序列期間內(nèi)應(yīng)用第二線(xiàn)圈來(lái)至少短暫地改變靜態(tài)磁場(chǎng)一次以使一區(qū)域飽和度比共振區(qū)域更大。
在進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種供在裝置和樣本之間有相對(duì)移動(dòng)的NMR測(cè)量裝置使用的方法包括應(yīng)用反向恢復(fù)序列，該反向恢復(fù)序列該包括至少一個(gè)或多個(gè)絕熱脈沖。
通過(guò)下面的詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求本發(fā)明的其它實(shí)施例將變得更清楚。
附圖1為地下井的示意圖。
附圖2為沿著附圖1中的2-2線(xiàn)的井的橫截面圖。
附圖3為在NMR測(cè)井儀移動(dòng)后的井的另一橫截面圖。
附圖4和5為CPMG脈沖序列的波形。
附圖6為馳豫時(shí)間T2的分布示例。
附圖7為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于極化測(cè)量流程圖。
附圖8、9和10為依據(jù)本發(fā)明的不同的實(shí)施例的NMR測(cè)井儀的示意圖。
附圖11為沿著附圖10中的11-11線(xiàn)的NMR測(cè)井儀的橫截面圖。
附圖12為NMR脈沖序列的波形。
附圖13、16、18和20所示為共振區(qū)域飽和的等值線(xiàn)圖。
附圖14、15、17和19和21所示為從NMR測(cè)井儀的周?chē)娘柡蛥^(qū)域接收來(lái)的對(duì)比信號(hào)幅值圖。
附圖22和23所示為應(yīng)用有和沒(méi)有交錯(cuò)自由發(fā)展時(shí)間的不同數(shù)目的脈沖時(shí)的共振區(qū)域飽和的等值線(xiàn)。
附圖24和25所示為應(yīng)用有和沒(méi)有交錯(cuò)自由發(fā)展時(shí)間的不同數(shù)目的脈沖時(shí)的共振區(qū)域飽和的等值線(xiàn)。
參考附圖7，易于移動(dòng)的NMR測(cè)量裝置(例如NMR測(cè)井儀)可以應(yīng)用依據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)基于極化的T1測(cè)量的方法實(shí)例50。因?yàn)樗鶞y(cè)量的樣本可能會(huì)移動(dòng)，當(dāng)樣本、測(cè)量裝置或兩者都有移動(dòng)時(shí)，可以應(yīng)用這一測(cè)量方法。方法50包括使樣本中的一個(gè)區(qū)域中的自旋飽和的步驟(塊52)，該樣本是將要測(cè)量其特性的樣本；接著，經(jīng)過(guò)預(yù)定的時(shí)間間隔(塊54)，以使至少在該區(qū)域中的自旋發(fā)生部分極化；隨后，方法50包括應(yīng)用(塊56)檢測(cè)序列的步驟(例如，基于CPMG的序列)以產(chǎn)生來(lái)自樣本的共振區(qū)域的自旋回波。如下文進(jìn)一步描述，當(dāng)NMR測(cè)量裝置移動(dòng)了時(shí)，應(yīng)用一些技術(shù)來(lái)使飽和區(qū)域的邊界和飽和密度最大以使共振區(qū)域基本保持在飽和區(qū)域內(nèi)。應(yīng)用這些的技術(shù)可以減少測(cè)量誤差，并且(例如)如果應(yīng)用在較小梯度的幾何結(jié)構(gòu)中時(shí)，不需要對(duì)NMR測(cè)量裝置進(jìn)行穩(wěn)定的穩(wěn)定裝置。
例如，如下文進(jìn)一步更詳細(xì)地描述，測(cè)量方法50可以用于繪制地下地層構(gòu)造的特性，并且也可以應(yīng)用到其它的在樣本和NMR測(cè)量裝置之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的應(yīng)用中(比如，其它的“內(nèi)檢外測(cè)型”的NMR應(yīng)用)。在一些實(shí)施例中，NMR測(cè)量裝置可能包括電磁場(chǎng)產(chǎn)生元件(比如，一個(gè)線(xiàn)圈、一個(gè)電磁鐵和一個(gè)永磁體)以產(chǎn)生至少兩個(gè)磁場(chǎng)一個(gè)稱(chēng)為 的磁場(chǎng)(未示)和一與磁場(chǎng) 基本垂直的稱(chēng)為 的磁場(chǎng)(未示)。參考附圖8，例如，在一些實(shí)施例中，NMR測(cè)量裝置可能是一NMR邊鉆井邊記錄(LWD)的測(cè)井儀60，例如，該測(cè)井儀60包括建立磁場(chǎng) 的環(huán)行永磁體32和34和建立時(shí)變磁場(chǎng) 的線(xiàn)圈39。在一些實(shí)施例中，磁場(chǎng) 可能(當(dāng)施加脈沖時(shí))具有稱(chēng)為 的射頻(RF)載波分量。
磁場(chǎng) 的載波頻率一般以ω0表示。發(fā)射磁場(chǎng) 產(chǎn)生一具有一定徑向厚度的共振區(qū)域，依據(jù)頻率，該徑向厚度是由在激勵(lì)區(qū)域中的ω0和ω1的梯度決定的，這里 為 在磁場(chǎng) 上的投影。在一些實(shí)施例中，如下文所述，磁場(chǎng) 還可能(至少部分地)由梯度線(xiàn)圈40和42產(chǎn)生，以使磁場(chǎng) 具有一個(gè)隨著低頻變化的分量。NMR測(cè)井儀60還可能包括處理電路，該處理電路包括比如連接到線(xiàn)圈(例如，線(xiàn)圈39、40和42)的脈沖發(fā)生器65，并適合于以下文將要描述的方式發(fā)射磁場(chǎng) 和/或磁場(chǎng) 大體上，每個(gè)基于極化的NMR測(cè)量都包括三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊52、54和56(參見(jiàn)附圖7)，以及可采用一次或多次測(cè)量來(lái)獲得每個(gè)T1值。然而，可以應(yīng)用檢測(cè)序列(即，塊52)來(lái)實(shí)現(xiàn)飽和(即，執(zhí)行塊56的功能)，因此，如果滿(mǎn)足了兩個(gè)條件連續(xù)地重復(fù)測(cè)量(稱(chēng)為“成堆的(stacked)”試驗(yàn))和信號(hào)檢測(cè)序列68能夠完全消除為進(jìn)行下一步測(cè)量的磁化，就可以取消塊52。如果應(yīng)用這一技術(shù)，則放棄來(lái)自第一次測(cè)量中的結(jié)果，因?yàn)榈谝淮螠y(cè)量是以一不正確的極化時(shí)間來(lái)執(zhí)行的。作為一種變型，僅在應(yīng)用檢測(cè)序列之前，通過(guò)在共振區(qū)域中應(yīng)用絕熱快速變遷(passage)脈沖來(lái)絕熱地進(jìn)行激勵(lì)。
三個(gè)基本塊52、54和56還可能有其他變型。作為另外一個(gè)例子，順序塊54——塊56——塊52可以用來(lái)執(zhí)行每次測(cè)量，這種變型從編程角度來(lái)看是較優(yōu)的。當(dāng)應(yīng)用第二種變型時(shí)，放棄第一次測(cè)量。只要實(shí)現(xiàn)了塊52、54和56的功能方法50的其他變型都屬可能。
不管是通過(guò)顯式的飽和序列或還是通過(guò)檢測(cè)序列進(jìn)行飽和，飽和的目的都是通過(guò)射頻(RF)發(fā)射使一個(gè)較大的區(qū)域或空間飽和。如下文更詳細(xì)的描述和模擬實(shí)驗(yàn)表明，根據(jù)特定的實(shí)施例，可以選擇如下方式實(shí)現(xiàn)飽和應(yīng)用RF脈沖序列(比如CPMG檢測(cè)序列)，該序列是適合于應(yīng)用NMR測(cè)井儀60的移動(dòng)來(lái)達(dá)到所需的飽和狀態(tài)；不管NMR測(cè)井儀60有還是沒(méi)有移動(dòng)都緩慢改變序列的時(shí)間特性；不管NMR測(cè)井儀60有還是沒(méi)有移動(dòng)都隨機(jī)地改變序列的特性；或者結(jié)合應(yīng)用這些技術(shù)。
一種具有恒定參數(shù)的單一CPMG序列在自旋分布區(qū)域中產(chǎn)生強(qiáng)烈的飽和區(qū)域，該區(qū)域稱(chēng)為“孔穴”(holes)。由于孔穴都彼此完全分開(kāi)，雖然實(shí)現(xiàn)了深遠(yuǎn)的孔穴加熱，但其僅導(dǎo)致弱的飽和。此外，一旦破壞了在孔穴的位置處的磁化，繼續(xù)施加序列不可能進(jìn)一步增強(qiáng)飽和。如下文進(jìn)一步描述，通過(guò)對(duì)分布在飽和空間中的這些孔穴進(jìn)行脈沖“掃描”移動(dòng)NMR測(cè)井儀60可以增強(qiáng)飽和密度。
可以修改CPMG檢測(cè)序列，以將再聚焦脈沖數(shù)量增加到測(cè)量最初的回波串幅值所必須的典型的再聚焦脈沖數(shù)目(例如10)之上。如果在極化時(shí)間內(nèi)的NMR測(cè)井儀60的移動(dòng)總是與在檢測(cè)序列過(guò)程中的NMR測(cè)井儀60的移動(dòng)相聯(lián)系，則這種方法效果很好。然而，不幸的是，如果NMR測(cè)井儀60在檢測(cè)序列過(guò)程中是靜止的而在極化時(shí)間內(nèi)是運(yùn)動(dòng)的，則產(chǎn)生的飽和不令人滿(mǎn)意。通過(guò)模擬(下文討論)表明，如下文進(jìn)一步描述，即使在測(cè)井儀沒(méi)有移動(dòng)的情況下，也可以通過(guò)緩慢改變序列隨時(shí)間的特性以擴(kuò)展飽和區(qū)域來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題。在本文中，例如術(shù)語(yǔ)“序列的特性”一般地指序列的包絡(luò)線(xiàn)或RF載波頻率的相位。作為改變包絡(luò)線(xiàn)的可能的方法的例子，包絡(luò)線(xiàn)可能包括脈沖120(參見(jiàn)附圖12)，每個(gè)脈沖具有一定的持續(xù)時(shí)間(稱(chēng)為tp)，并且脈沖120由稱(chēng)為te的時(shí)間間隔分隔開(kāi)(從脈沖的中心到脈沖的中心)。這樣，如下文進(jìn)一步描述，可以改變持續(xù)時(shí)間tp和/或時(shí)間間隔te(作為舉例)以擴(kuò)展飽和區(qū)域。
如下文進(jìn)一步描述，不僅可以緩慢改變檢測(cè)序列的特性(即，用于實(shí)現(xiàn)飽和目的的序列)，而且還可以以無(wú)關(guān)聯(lián)的或隨機(jī)的方式從一個(gè)脈沖到另一個(gè)脈沖改變檢測(cè)序列的特性。隨機(jī)極限值(實(shí)現(xiàn)完全隨機(jī))是發(fā)射不相干噪聲。由于序列的相干的、非隨機(jī)特性占主導(dǎo)作用，特性中的隨機(jī)變化與緩慢變化形成對(duì)比，在特性的緩慢變化序列中飽和效果深遠(yuǎn)。結(jié)果，緩慢變化特性可能導(dǎo)致由連續(xù)脈沖遞增地加熱極度失諧孔穴。在很短的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生的飽和點(diǎn)彼此完全分離。然而，隨機(jī)變化特性使序列的相鄰脈沖對(duì)同一孔穴沒(méi)有貢獻(xiàn)，在很短的時(shí)間間隔中產(chǎn)生的飽和能夠更均勻地被傳播開(kāi)。因此，隨機(jī)變化的脈沖通常形成更一致的飽和密度。如下文所述(和通過(guò)模擬說(shuō)明)，可以結(jié)合使用這兩種技術(shù)以增強(qiáng)序列的性能。如下文進(jìn)一步描述，如果出現(xiàn)的移動(dòng)足夠快，以致使能夠在幾個(gè)脈沖周期內(nèi)掃描在將相鄰的孔穴分開(kāi)的距離上的孔穴，則序列的相干成分完全被破壞了，具有緩慢變化特性的序列可以與具有隨機(jī)變化特性的序列類(lèi)似地執(zhí)行。
如下文所述，如果結(jié)合其它的變化(例如，載波頻率相位的變化)，在CPMG序列中的再聚焦脈沖的翻轉(zhuǎn)角度(flip angles)不需要大到足以產(chǎn)生失諧飽和。因此，通過(guò)縮短RF脈沖，可以降低飽和所需的能量。對(duì)于足夠短的脈沖，加熱孔穴的影響可以忽略。由于這種情況，可以壓縮在脈沖之間的自由發(fā)展時(shí)間(freeevolution period)，這樣就可以在短得多的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)飽和。在很短的脈沖極限內(nèi)，這種技術(shù)引起發(fā)射不相干噪聲(可以設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)以符合需要)。實(shí)際上，有限的脈沖上升和下落時(shí)間設(shè)定了脈沖持續(xù)時(shí)間的下限。如下文所述，在實(shí)現(xiàn)飽和所需的能量和時(shí)間和飽和帶寬之間有一種折衷方案。
應(yīng)用CPMG序列實(shí)現(xiàn)飽和下面，詳細(xì)討論應(yīng)用有和沒(méi)有緩慢移動(dòng)引起的 的改變的CPMG序列實(shí)現(xiàn)飽和的例子。雖然在本說(shuō)明書(shū)中作為例子特別指CPMG序列，但上文所述的加熱孔穴可以通過(guò)各種多相脈沖序列來(lái)實(shí)現(xiàn)，該多相脈沖序列具有大量重復(fù)脈沖標(biāo)準(zhǔn)塊的特點(diǎn)。
在CPMG序列過(guò)程中所重復(fù)的相干脈沖激勵(lì)所選擇的Δω＞＞ω1的自旋，這里ω1大致等于共振區(qū)域的徑向厚度，并且Δω(頻率空間中的距離)由下式具體定義
Δω=γB→0-ωrf,]]>這里ωrf是用于第一CPMG序列的磁場(chǎng) 的RF頻率。
隨著Δω增加激勵(lì)步幅變得越來(lái)越小，但激勵(lì)從一個(gè)脈沖到一個(gè)脈沖都總和起來(lái)，在孔穴中激勵(lì)幅值達(dá)到極其大的值。因?yàn)闄M向磁化與T2一致地衰減，所選擇的自旋變得“飽和”。通過(guò)序列的周期確定這些孔穴的間隔(稱(chēng)為Δωh)。不可忽視的脈沖持續(xù)和失諧效應(yīng)產(chǎn)生某些偏差，因此，孔穴的間隔Δωh大致由下式描述Δωh=2πte,]]>這里te是一個(gè)再聚焦脈沖的開(kāi)始到下一個(gè)再聚焦脈沖的開(kāi)始之間的回波間隔。
結(jié)合馳豫，單一CPMG序列技術(shù)引起以一定的失諧頻率加熱孔穴。在被加熱的孔穴之間是不可能測(cè)量的，因?yàn)闇y(cè)量區(qū)域的寬度Δω延伸達(dá)Δωs≈2Δω1以上，其對(duì)于持續(xù)時(shí)間為tp的180°再聚焦脈沖變?yōu)棣う豷≈2π/tp。因?yàn)椋瑃e總是比tp大，Δωs＞Δωh，所以可能有幾個(gè)孔穴被加熱變成共振區(qū)域。為計(jì)算信號(hào)損失程度，磁場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)、馳豫時(shí)間和檢測(cè)帶寬都必須加以考慮。
為說(shuō)明孔穴的分布，附圖13所示為二維等值線(xiàn)(contour plot)80(從模擬實(shí)驗(yàn)中得出的)，它是所計(jì)算的孔穴分布的等值線(xiàn)，該孔穴被加熱成在水平軸線(xiàn)上線(xiàn)性變化ω0和在垂直軸線(xiàn)上線(xiàn)性變化tp的Mz＝1的縱向磁化。白色區(qū)域表示完整地保持磁化，而黑色區(qū)域表示對(duì)100％飽和的偏離或反相磁化。在Δω＝0處應(yīng)用第一CPMG序列，所示為在緊接著這種CPMG序列的結(jié)尾處對(duì)失諧磁化Mz的影響。CPMG脈沖序列的參數(shù)為te＝500μs，tp180＝125μs，k＝1000，這里k為再聚焦脈沖數(shù)。選擇馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，但僅是回波串的持續(xù)時(shí)間的一小部分。在這種模擬實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用完全矩形脈沖。然而，本發(fā)明的實(shí)施例可以應(yīng)用基本為矩形的脈沖，并且也可以應(yīng)用基本是非矩形的脈沖。在附圖13中，沒(méi)有對(duì)第一激勵(lì)脈沖的效果進(jìn)行仿真(模擬)。
附圖14表明對(duì)于幾個(gè)馳豫時(shí)間，在移動(dòng)橫坐標(biāo)Δω的頻率下第二次測(cè)量可以得到模擬合成的對(duì)比信號(hào)幅值82(即Mz/M∞)，并且當(dāng)平均Δω＝±0.75ω時(shí)，在ω1·tp＝π的第一次測(cè)量(如前文所述)中飽和減少該幅值。這就意味著在測(cè)量之間載波頻率ω0已經(jīng)被移動(dòng)了Δω。每個(gè)對(duì)比信號(hào)幅值82對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間T1(例如，等于2*T2)。第二次測(cè)量的參數(shù)與第一次測(cè)量的參數(shù)相同，并且選擇脈沖的翻轉(zhuǎn)角度為180°。在附圖中(以及在模擬實(shí)驗(yàn)中)，假設(shè)dω1dω0=0,]]>即，在共振區(qū)域附近磁場(chǎng) 的變化可以忽略。對(duì)于軸對(duì)稱(chēng)的梯度幾何結(jié)構(gòu)，橫坐標(biāo)(Δω/ω1)與在第一和第二次測(cè)量之間的在(共振區(qū)域的)徑向上的差值成比例。當(dāng)半徑的差值比半徑小得多時(shí)，上述假設(shè)ω1為常數(shù)是一種有效的近似，一種證明了在圖中選擇的恒定的翻轉(zhuǎn)角度是正確的事實(shí)。
正如從附圖14所看到的，飽和區(qū)域延伸基本不超過(guò)2·Δω/ω1，即兩倍共振區(qū)域的厚度。因此，如果共振區(qū)域的徑向移動(dòng)小于1·Δω/ω1，則下一測(cè)量步驟只是在完全飽和時(shí)開(kāi)始。附圖15所示的每個(gè)對(duì)比信號(hào)振幅84都與在第一序列中大量的再聚焦脈相聯(lián)系。我們可以看到，在較小的Δω處的大部分飽和都發(fā)生在開(kāi)始的10個(gè)回波內(nèi)了。在這里以及在下面的例子中，選擇T1＝2·T2＝100毫秒(msec)。
在第一CPMG序列期間測(cè)井儀移動(dòng)可能導(dǎo)致在附近共振區(qū)域中增加損失。例如，附圖16所示為在第一序列過(guò)程中測(cè)井儀的移動(dòng)速率為-20ω1/s的失諧磁化Mz產(chǎn)生的等值線(xiàn)86。橫軸表示失諧頻率Δω1與第一CPMG序列的(脈沖振幅)ω1的比率。等值線(xiàn)描述了在第一CPMG序列后剩下的相對(duì)縱向磁化。假設(shè)脈沖幅值恒定。脈沖參數(shù)和馳豫時(shí)間與上文的相同?？v軸表示有多少個(gè)再聚焦脈沖應(yīng)用到具有載波ωRF的第一CPMG序列上，該數(shù)目大致與這種序列的持續(xù)時(shí)間成比例。再聚焦脈沖數(shù)具有從圖頂部的一個(gè)再聚焦脈沖(即，一個(gè)塊跨越大約500μs)到圖底部的100再聚焦脈沖(即，一個(gè)塊跨越大約50ms)的范圍。在這個(gè)例子中，在50ms內(nèi)，NMR測(cè)井儀60移動(dòng)距離為+1ω1(其大致為半個(gè)外形寬度)。開(kāi)始時(shí)，載波ωRF與Δω＝0對(duì)應(yīng)，最后，載波ωRF與Δω＝+1·ω1對(duì)應(yīng)。如圖所示，隨著回波數(shù)的增加，移動(dòng)NMR測(cè)井儀60將“掃描”在自旋分布區(qū)域上的孔穴，并由此增加了飽和密度。
附圖17所示為當(dāng)在整個(gè)外形(為模擬的目的采用矩形)寬度為±0.75ω1上進(jìn)行平均時(shí)所得的對(duì)比信號(hào)幅值(即，Mz/M∞)。從頂部到底部，幅值88代表k＝1，11，21，31，41，51，61，71，81，91的結(jié)果。需注意的是，如附圖14和17所示，隨著回波數(shù)的增加損失加大，并且對(duì)于超過(guò)10個(gè)以上的回波，變得比在NMR測(cè)井儀60沒(méi)有移動(dòng)時(shí)的飽和效果強(qiáng)烈得多?，F(xiàn)在飽和區(qū)域具有超過(guò)5·ω1的寬度。在與自旋的馳豫時(shí)間可比擬的一段時(shí)間內(nèi)損失增加，并且這種損失對(duì)于小的Δω甚至能夠引起負(fù)信號(hào)。精確的分布取決于自旋集合體的馳豫時(shí)間和移動(dòng)。對(duì)于越小的馳豫時(shí)間分布變得越窄。
前文假設(shè)在CPMG序列中的脈沖都是完全的矩形脈沖。然而，并不能達(dá)到這種理想的真正的“矩形”脈沖，而是存在有限的上升和下落時(shí)間。這就限制了包含在脈沖中的頻譜寬度。在極度失諧狀態(tài)中，被加熱孔穴的寬度和加熱它們的速率與在孔穴的位置處的脈沖的頻率分量的幅值成比例。因此，在一些實(shí)施例中，極度失諧加熱孔穴比在上述模擬中的更不顯著。
對(duì)于在本申請(qǐng)中所討論的脈沖，具有較寬的頻率分布比較有利。因此，在一些實(shí)施例中，具有可能的最短上升和衰減時(shí)間常數(shù)的矩形脈沖比較可取。此外，通過(guò)變化脈沖包絡(luò)線(xiàn)的形狀以適合于脈沖的頻率內(nèi)容可以將飽和區(qū)域最優(yōu)化。
一般地，在沒(méi)有移動(dòng)時(shí)，通過(guò)輻射具有變化參數(shù)和帶寬脈沖的重復(fù)多脈沖序列可以產(chǎn)生深度的飽和。如果在應(yīng)用該序列的同時(shí)緩慢改變脈沖序列參數(shù)，被加熱孔穴的位置可以緩慢移過(guò)自旋分布區(qū)域，并增強(qiáng)飽和。被改變的脈沖序列參數(shù)包括·脈沖間隔te的變化，·tp的變化，
·比如通過(guò)脈沖幅值、磁場(chǎng)方向和載波頻率ωRF對(duì) 的改變，· 的變化，和·脈沖相位的變化。
這些參數(shù)的綜合變化和其它參數(shù)的變化都是可能的。可以通過(guò)使磁場(chǎng) 和 的實(shí)際變化(比如，變化磁鐵和天線(xiàn)間隔或取向和/或射頻功率)或樣本和NMR測(cè)井儀60之間的相對(duì)移動(dòng)來(lái)改變 和 在這種方式中，樣本相對(duì)于NMR測(cè)井儀60之間的相對(duì)移動(dòng)可以來(lái)自于樣本的移動(dòng)(比如流體流動(dòng)或擴(kuò)散)或來(lái)自于測(cè)井儀的移動(dòng)。
改變 的另一個(gè)方法是借助于電磁鐵或梯度線(xiàn)圈來(lái)改變靜態(tài)磁場(chǎng)。例如，回過(guò)來(lái)參考附圖8，在一些實(shí)施例中，NMR測(cè)井儀60可能包括永磁體上部永磁體32和下部永磁體34，該永磁體32和34在NMR測(cè)井儀60的套筒28周?chē)a(chǎn)生一徑向、軸向?qū)ΨQ(chēng)的磁場(chǎng) 在平行于NMR測(cè)井儀35的縱軸線(xiàn)的方向?qū)⒋朋w32和34極化以使其相互配合提供一低的梯度磁場(chǎng) 例如，磁體32和34的北極可能彼此相對(duì)以提供一磁場(chǎng) 該磁場(chǎng) 的磁力線(xiàn)從NMR測(cè)井儀60的縱軸徑向地延伸出來(lái)。在一些實(shí)施例中，磁力可穿透的件36圍在套筒28的周?chē)?，并且位于上部磁體32和下部磁體34之間。這樣排列的結(jié)果是磁力可穿透件36使磁場(chǎng) 聚集以使磁場(chǎng) 的梯度最小，因而，在我們所關(guān)心的區(qū)域中產(chǎn)生一更均勻的磁場(chǎng) NMR測(cè)井儀60可能包括或可能不包括套筒36。在第09,033,965號(hào)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)(題為“Nuclear Magnetic Resonance Apparatus and Method ForGenerating an Axisymmetric Magnetic Field Having StraightContour Lines in the Resonance Region”，1998年3月3日申請(qǐng))和美國(guó)專(zhuān)利US4,350,955(題為“Magnetic Resonance Apparatus”，1982年12月21日授權(quán))中都可以找到對(duì)這些裝置的更詳細(xì)的描述，這兩份專(zhuān)利(專(zhuān)利申請(qǐng))在這里都以引用的方式結(jié)合在本申請(qǐng)中。
為改變磁場(chǎng) NMR測(cè)井儀35包括梯度線(xiàn)圈，比如線(xiàn)圈40和42，該線(xiàn)圈也圍繞在套筒28的周?chē)?。?duì)線(xiàn)圈40和42施加脈沖形式的DC電流(通過(guò)脈沖發(fā)生器，比如脈沖發(fā)生器65)以在磁場(chǎng) 中產(chǎn)生一附加磁場(chǎng)分量 如果在線(xiàn)圈40和42中的電流流動(dòng)方向相反，則 基本為徑向?？梢詫⒕€(xiàn)圈40和42設(shè)置在磁體32和34之間以便使兩線(xiàn)圈40和42都給磁場(chǎng) 提供一正的磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)分量與在關(guān)注的區(qū)域中的磁場(chǎng) 的方向可能基本一致或可能不一致，這取決于不同的實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，線(xiàn)圈40和42可以由一對(duì)單匝或多匝的電流回路構(gòu)成，該回路中的電流大小相等，循環(huán)方向相反。例如，該線(xiàn)圈40和42可以由鞍形線(xiàn)圈構(gòu)成。
結(jié)合徑向、軸向?qū)ΨQ(chēng)的磁場(chǎng) 的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用線(xiàn)圈40和42的其它實(shí)施例都是可能的。例如，參考附圖9，在另一NMR測(cè)井儀61中，用一環(huán)行永磁體62替換永磁體32和34，該永磁體62圍繞在套筒36的周?chē)?，并且位于線(xiàn)圈40和42之間。磁體62產(chǎn)生磁場(chǎng) 其磁力線(xiàn)與測(cè)井儀61的軸線(xiàn)平行、軸向地延伸。為使磁場(chǎng) 基本上與磁場(chǎng) 平行，在線(xiàn)圈40和42中的電流必須以相同的方向流動(dòng)。作為一個(gè)例子，磁體62的頂部形成磁體62的北極，磁體62的底部形成磁體62的南極。
除了如上文所述的徑向、軸向?qū)ΨQ(chēng)的 的設(shè)計(jì)方案外的其它結(jié)構(gòu)也是可能的。例如，梯度線(xiàn)圈可以應(yīng)用具有兩維(2-D)雙極性 的設(shè)計(jì)方案。2-D雙極性 的設(shè)計(jì)方案的例子在美國(guó)專(zhuān)利No.US 5,280,243(題為“System For Logging a Well During theDrilling Thereof”1994年1月18日授予Melvin Miller專(zhuān)利權(quán))中可以找到。按照這種方式，應(yīng)用2-D雙極性 設(shè)計(jì)的NMR測(cè)井儀68包括一環(huán)行磁鐵72，該磁鐵建立一如附圖10和11中所示的雙極性模式的磁場(chǎng) 與其在NMR測(cè)井儀60和61中的對(duì)應(yīng)的部件不同的是，RF線(xiàn)圈73和74不與NMR測(cè)井儀68的縱軸同軸，而是，排列RF線(xiàn)圈73和74以在磁場(chǎng) 中產(chǎn)生雙極性模式，這樣就使在共振區(qū)域中磁場(chǎng) 的等值線(xiàn)基本垂直于磁場(chǎng) 的等值線(xiàn)。測(cè)井儀68包括梯度線(xiàn)圈76和77，每個(gè)線(xiàn)圈都包括一個(gè)或多個(gè)矩形環(huán)以產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)，該梯度磁場(chǎng)與在關(guān)注區(qū)域中的由磁鐵72所建立的磁場(chǎng) 的方向一致。
這樣，由于前文所描述的結(jié)構(gòu)，自旋以大約 的頻率進(jìn)動(dòng)。如果兩個(gè)矢量平行則產(chǎn)生最大的效應(yīng)。因而，這種技術(shù)的結(jié)果就是改變了Δω而不改變?chǔ)豶f。這對(duì)于改變?chǔ)豶f有利，因?yàn)榫哂懈叩钠焚|(zhì)因數(shù)的天線(xiàn)的帶寬限制了ωrf變化的范圍(不需重新調(diào)整天線(xiàn)，這至少在飽和序列過(guò)程中如果應(yīng)用機(jī)械開(kāi)關(guān)通過(guò)轉(zhuǎn)換電容器來(lái)調(diào)整是不切實(shí)際的)。在一些實(shí)施例中，如果它必須以在整個(gè)飽和序列中的不同幅值來(lái)激勵(lì)，則這種方法的缺點(diǎn)是需要相對(duì)較大的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵(與在成像設(shè)備中的應(yīng)用相比較)。有以下幾種方式應(yīng)用梯度線(xiàn)圈(或多個(gè)線(xiàn)圈)·在(磁場(chǎng) 的)一個(gè)脈沖周期內(nèi)在梯度線(xiàn)圈中產(chǎn)生基本恒定的電流以有效地改變這個(gè)脈沖的共振區(qū)域的半徑。
·在(磁場(chǎng) 的)一個(gè)脈沖周期內(nèi)改變?cè)谔荻染€(xiàn)圈中的電流以產(chǎn)生一“掃描”(sweep)脈沖而不改變r(jià)f脈沖的頻率。依據(jù)實(shí)際的參數(shù)，掃描脈沖可以使特定的區(qū)域反相、激勵(lì)特定的區(qū)域或使特定的區(qū)域飽和?？梢栽诜聪嗷謴?fù)序列中應(yīng)用這種技術(shù)(而不是在飽和序列中)以使NMR測(cè)井儀周?chē)^大的區(qū)域反相恢復(fù)。
·在(磁場(chǎng) 的)脈沖之間激勵(lì)梯度線(xiàn)圈以破壞可能保留的橫向磁化。如果梯度脈沖持續(xù)時(shí)間(稱(chēng)為tgrad)足夠短，那么在整個(gè)飽和區(qū)域上的α=ω→0gradienttgrad]]>的變化可以忽略，這類(lèi)似于隨機(jī)地改變磁場(chǎng) 的脈沖的相位。
·在與施加磁場(chǎng) 的每個(gè)脈沖的同時(shí)在梯度線(xiàn)圈中施加脈沖形式的電流。
·可以應(yīng)用梯度線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生如上文所述的隨機(jī)或連續(xù)變化。
梯度線(xiàn)圈的其它應(yīng)用都是可能的。
隨機(jī)變化的CPMG序列CPMG序列的脈沖串的特性也可以隨機(jī)地改變。例如，可以隨機(jī)地改變RF載波脈沖的相位以隨機(jī)地產(chǎn)生比如0°、90°、180°和270°脈沖相位(至少在典型的核磁共振(NMR)波譜儀中可以產(chǎn)生這幾種相位)。參見(jiàn)附圖18(所示為不同的回波數(shù)的對(duì)比信號(hào)損失的等值線(xiàn)90)和附圖19(所示為當(dāng)在±0.75ω1的空間厚度上進(jìn)行平均時(shí)不同的回波數(shù)的對(duì)比信號(hào)損失的等值線(xiàn)92)，在所示的實(shí)例中的脈沖是隨機(jī)地產(chǎn)生的，并且測(cè)井儀60和35不移動(dòng)。除了這種時(shí)脈沖相位的隨機(jī)化外，所有的自旋和脈沖參數(shù)都與上文所述的實(shí)施例相同。
我們可以看到，在自旋分布區(qū)域中飽和加熱出了許多較寬的、完全分離的條紋區(qū)。被飽和區(qū)域的寬度比由受移動(dòng)影響的CPMG序列產(chǎn)生的區(qū)域的寬度小，但飽和分布圖比由CPMG序列產(chǎn)生的分布圖平坦得多。這表示在共振區(qū)域的范圍(應(yīng)用相干特性)和可靠量的飽和分布(應(yīng)用隨機(jī)特性)之間的一種折衷方案。必須注意的是，對(duì)于T1，2(這里100ms)＜＜tm(這里50ms)的自旋(這里tm是CPMG序列持續(xù)時(shí)間)，CPMG序列產(chǎn)生的分布具有更光滑的形狀。在應(yīng)用隨機(jī)相位序列過(guò)程中產(chǎn)生移動(dòng)能夠稍稍增加其性能，但分布仍然保持光滑。
因?yàn)椴皇敲總€(gè)孔穴都是以相同的“速度”被加熱，所以產(chǎn)生不完全飽和的條紋區(qū)。如我們所見(jiàn)，取決于不同的位置Δω，甚至某些孔穴被完全抑制，作為一個(gè)例子，在附圖20中每第四個(gè)孔穴就看不見(jiàn)。這些未完全飽和的點(diǎn)的位置取決于再聚焦脈沖的持續(xù)時(shí)間失諧，一持續(xù)時(shí)間為tp的脈沖使自旋圍繞指向 方向的“有效轉(zhuǎn)動(dòng)軸”轉(zhuǎn)動(dòng)α(Δω)=ω12+ω2tp]]>的角度。在α等于2π的倍數(shù)的地方出現(xiàn)未飽和點(diǎn)。因此，通過(guò)改變?chǔ)?·tp，可以使這些點(diǎn)飽和。
在附圖20(所示為對(duì)于不同的回波數(shù)的對(duì)比信號(hào)損失的等值線(xiàn)94)和附圖21(所示為當(dāng)在±0.75ω1的徑向空間積厚度上進(jìn)行平均時(shí)不同的回波數(shù)的對(duì)比信號(hào)損失的等值線(xiàn)96)中圖解了緩慢增加脈沖長(zhǎng)度(在附圖12中以“tp”表示)的實(shí)例的這種效果。在這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中，脈沖長(zhǎng)度從在第一次再聚焦脈沖中的125μs(180°脈沖)線(xiàn)性地增加到在第100次再聚焦脈沖中的250μs(360°脈沖)，而同時(shí)tfree(脈沖之間的距離，如在附圖12中所描述的)保持不變。所有的其它參數(shù)與在前面的例子中都相同。所得的飽和分布比沒(méi)有改變脈沖長(zhǎng)度所得的分布更光滑并且稍稍寬些。
再次，一般地，對(duì)于特定移動(dòng)范圍可以通過(guò)改變序列的各種參數(shù)以使脈沖序列的飽和效果最優(yōu)化，比如改變te(te大約與被加熱孔穴的間隔成反比例)、tp和脈沖相位等，以及在相干特性和隨機(jī)特性之間的折衷方案。
前面的飽和序列的例子應(yīng)用極度失諧孔穴加熱效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生飽和。如上文所述，持續(xù)時(shí)間為tp的脈沖總是使失諧的自旋轉(zhuǎn)動(dòng)比正常的翻轉(zhuǎn)角度α(0)大的角度α(Δω)。因而，對(duì)于具有α(0)＝180°的再聚焦脈沖(即，180度脈沖)，對(duì)于失諧它總是保持α(Δω)＞180°。另一方面，如果α(Δω)＝(2n+1)·180°則發(fā)生最佳的激勵(lì)，并且由此產(chǎn)生最佳激勵(lì)失諧。然后，自旋轉(zhuǎn)離縱軸的有效翻轉(zhuǎn)角度為θ＝θmax，此時(shí)對(duì)于一給定的Δω最大的有效翻轉(zhuǎn)角度為θmax=α(Δω)2arctan(ω1Δω).]]>因而，應(yīng)用180°脈沖來(lái)產(chǎn)生失諧飽和可能浪費(fèi)能量。
附圖22和23說(shuō)明了飽和分布(在整個(gè)共振空間厚度上進(jìn)行平均)與應(yīng)用在序列中的再聚焦脈沖的α(0)的關(guān)系。如前文所述隨機(jī)地改變相位。在附圖22中，所示為自由發(fā)展時(shí)間tfree(即，在如附圖12中所示的在再聚焦脈沖之間的時(shí)間間隔)被設(shè)定為375μs的對(duì)比信號(hào)損失圖98，在附圖23中，所示為tfree設(shè)定為0的對(duì)比信號(hào)損失圖100。在兩附圖22和23中所示都是Δω函數(shù)的翻轉(zhuǎn)角度為9°、20°、30°、45°、90°和180°的脈沖從1到100個(gè)的信號(hào)損失98和100。通過(guò)改變脈沖持續(xù)時(shí)間tp來(lái)產(chǎn)生不同的翻轉(zhuǎn)角度。如我們所見(jiàn)，對(duì)于不同的時(shí)間tfree信號(hào)損失分布幾乎相同，因而，在隨機(jī)相位變化的情況下，飽和模式主要由脈沖持續(xù)時(shí)間決定，而不是由自由發(fā)展持續(xù)時(shí)間決定。
對(duì)于一給定的硬件能夠應(yīng)用的最小脈沖持續(xù)時(shí)間由脈沖的上升時(shí)間常數(shù)(稱(chēng)為tτ)決定。如果tp＜3tτ，則在其截止之前脈沖沒(méi)有達(dá)到最大值ω1，當(dāng)tp進(jìn)一步減小時(shí)，它很快變得幾乎無(wú)效。對(duì)于鉆井記錄NMR裝置一個(gè)較好的估計(jì)是tτ＝5...30μs。
當(dāng)tp減少時(shí)，飽和區(qū)域變得更寬。實(shí)際上關(guān)注的區(qū)域主要是符合|Δω|<(2πtp)2-ω12]]>的區(qū)域，即，在兩個(gè)內(nèi)部未飽和點(diǎn)內(nèi)的α(Δω)＜2π的區(qū)域。隨著Δω的增加最大的翻轉(zhuǎn)角度θmax減小。因此，飽和區(qū)域越寬需要在外部區(qū)域產(chǎn)生飽和的脈沖越多。如果飽和的時(shí)間常數(shù)為T(mén)s，則只有T1＞Ts的自旋能夠完全飽和。因此，可以實(shí)現(xiàn)一種在飽和帶寬和仍然能夠?qū)崿F(xiàn)飽和的、最低的T1之間的折衷方案。這還說(shuō)明，在某些實(shí)施例中，通過(guò)將tfree降低到用可行硬件(這里的硬件問(wèn)題可能包括相位切換時(shí)間、脈沖上升和下落時(shí)間以及用較長(zhǎng)的連續(xù)的rf脈沖使RF電路過(guò)載)所能夠?qū)崿F(xiàn)的可能的最低值，以保持序列盡可能地短是有利的。
附圖24和25所示分別為具有(附圖24)和沒(méi)有(附圖25)tfree的序列的損失102和104。所示的損失102和104針對(duì)不同的馳豫時(shí)間。對(duì)于tfree＝375μs，100個(gè)再聚焦脈沖的序列是40ms長(zhǎng)，如果沒(méi)有自由發(fā)展時(shí)間，該序列只有2.4ms長(zhǎng)。對(duì)于標(biāo)稱(chēng)的翻轉(zhuǎn)角度α(0)＝35°時(shí)，兩序列都能夠使自由流體的馳豫時(shí)間(T1＞50ms)的自旋飽和，但沒(méi)有自由發(fā)展時(shí)間的序列能夠使具有比T1低20倍的自旋飽和，這對(duì)于那些想解決約束流體內(nèi)部的自旋分布問(wèn)題的人是需要的。在這兩情況中，產(chǎn)生飽和所需要的能量是單個(gè)180°再聚焦脈沖所需要的能量的 這對(duì)于井下的核磁共振(NMR)波譜儀來(lái)說(shuō)并不存在嚴(yán)重問(wèn)題，這種核磁共振波譜儀通常能夠在tw期間從存儲(chǔ)在電容器中的能量中產(chǎn)生好幾百個(gè)180°再聚焦脈沖串。
在一些實(shí)施例中，由具有包括自由發(fā)展時(shí)間的序列加熱的分布比由連續(xù)輻射的序列加熱的分布要稍微平滑些。這可能源于在自由發(fā)展時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的附加相位差(在第二種情況中沒(méi)有)，但這不是決定性的。此外，如果具軸向幾何對(duì)稱(chēng)磁場(chǎng)的測(cè)井儀錯(cuò)位的距離為 根據(jù)每個(gè)自旋在其位置的方位角，每個(gè)自旋都要在頻率空間中移動(dòng)不同的位移Δω=dω0/dγ→·Δγ→.]]>這就使實(shí)際的飽和分布更加顯著地光滑。
在模擬實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用隨機(jī)發(fā)生器選擇四個(gè)脈沖相位。因此在不同的模擬實(shí)驗(yàn)中序列性能有稍微的變化。在某些實(shí)施例中，可以應(yīng)用一預(yù)定相位的序列以使飽和性能最優(yōu)。在某些實(shí)施例中，最佳參數(shù)的變化是沒(méi)有周期性的。
總之，上面描述了對(duì)于在NMR共振區(qū)域的鄰近區(qū)域中的自旋的預(yù)處理的示例性技術(shù)。即使在NMR裝置(比如，NMR測(cè)井儀60或35)相對(duì)樣本之間是移動(dòng)的，這些技術(shù)都允許基于極化的T1測(cè)量，并且這些技術(shù)允許至少連同如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)(申請(qǐng)系列號(hào)為NO.09,033,965，如上所引用)中所描述的具有低的梯度場(chǎng)一起在不穩(wěn)定地進(jìn)行鉆井的同時(shí)進(jìn)行基于極化的測(cè)量。使測(cè)井儀在沒(méi)有穩(wěn)定器的情況下能夠運(yùn)行，這樣就使其成為更“與鉆機(jī)友好”，由此極大地增加邊鉆井邊記錄(LWD)測(cè)井儀的使用性。
雖然通過(guò)有限數(shù)目的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在本申請(qǐng)公開(kāi)的內(nèi)容的幫助下能夠理解并由此作出各種改進(jìn)和變型。附加權(quán)利要求所覆蓋的所有的這種改進(jìn)和變型都將落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于井孔的NMR測(cè)量裝置的方法，在該裝置和地層構(gòu)造的樣本之間有相對(duì)移動(dòng)，該方法包括a)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)；b)發(fā)射第一RF脈沖序列；c)在所說(shuō)的第一序列的發(fā)射過(guò)程中改變一個(gè)參數(shù)以使地層構(gòu)造的樣本的第一區(qū)域基本飽和；和d)發(fā)射第二RF脈沖序列，以便在第一區(qū)域內(nèi)建立共振區(qū)域；和e)測(cè)量樣本的特性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所說(shuō)的參數(shù)是一包絡(luò)線(xiàn)，并且改變參數(shù)的步驟包括改變包絡(luò)線(xiàn)的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所說(shuō)的改變包絡(luò)線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括改變脈沖幅值的步驟。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所說(shuō)的改變包絡(luò)線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括改變脈沖之間的間隔的步驟。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所說(shuō)的改變包絡(luò)線(xiàn)的步驟進(jìn)一步包括改變脈沖的持續(xù)時(shí)間的步驟。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所說(shuō)的參數(shù)為RF載波信號(hào)的相位，以及改變參數(shù)的步驟包括改變所說(shuō)的相位的步驟。
7.一種用于井孔的NMR測(cè)量裝置的方法，在該裝置和地層構(gòu)造的樣本之間有相對(duì)移動(dòng)，該方法包括a)產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)；b)發(fā)射第一RF脈沖序列，該第一序列包括至少一個(gè)再聚焦脈沖，該脈沖產(chǎn)生來(lái)自地層構(gòu)造的樣本的共振區(qū)域的至少一個(gè)回波；c)在所述序列的發(fā)射期間改變所述靜態(tài)電場(chǎng)至少一次，以便使比共振區(qū)域更大的地層構(gòu)造的區(qū)域飽和；和d)測(cè)量地層構(gòu)造的樣本的特性。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中改變所說(shuō)的靜態(tài)磁場(chǎng)的步驟進(jìn)一步包括發(fā)射至少一個(gè)其它脈沖的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法進(jìn)一步包括在所說(shuō)的RF脈沖序列沒(méi)有發(fā)射時(shí)使所說(shuō)的發(fā)射至少一個(gè)其它脈沖同步的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法進(jìn)一步包括在發(fā)射至少一個(gè)RF脈沖過(guò)程中使所說(shuō)的發(fā)射至少一個(gè)其它脈沖同步的步驟。
11.如權(quán)利要求1或7所述的方法，其中所說(shuō)的相對(duì)移動(dòng)是由于NMR裝置的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。
12.如權(quán)利要求1或7所述的方法，其中所說(shuō)的相對(duì)移動(dòng)是由于樣本的移動(dòng)產(chǎn)生的。
13.如權(quán)利要求1或7所述的方法進(jìn)一步包括產(chǎn)生軸向?qū)ΨQ(chēng)的靜態(tài)磁場(chǎng)的步驟，該軸向?qū)ΨQ(chēng)的靜態(tài)磁場(chǎng)在共振區(qū)域中具有等值線(xiàn)，該等值線(xiàn)在與NMR裝置的縱軸基本一致的方向上基本是直線(xiàn)。
14.如權(quán)利要求1或7所述的方法進(jìn)一步包括在地層構(gòu)造中鉆井孔的同時(shí)測(cè)量樣本的特性的步驟。
全文摘要
公開(kāi)了一種進(jìn)行NMR測(cè)量的方法和裝置。在測(cè)量過(guò)程中NMR測(cè)量裝置、所測(cè)量的樣本或這兩者都可能移動(dòng)。依據(jù)包絡(luò)線(xiàn)來(lái)調(diào)制RF載波信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)以產(chǎn)生一第一RF脈沖序列。在發(fā)射第一序列期間可以改變包絡(luò)線(xiàn)、RF信號(hào)的相位和/或靜態(tài)磁場(chǎng)以使樣本的第一區(qū)域基本飽和。發(fā)射一第二RF脈沖序列以在第一區(qū)域內(nèi)建立一共振區(qū)域，并測(cè)量樣本的特性。
文檔編號(hào)G01V3/32GK101074986SQ20061010854
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期1999年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月4日
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