NL1013602C2 - Werkwijze voor het voorconditioneren van spins nabij een kernspinresonantiegebied. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Het voorconditioneren van spins nabij een kernspin- resonantiegebied.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op het 5 voorconditioneren van spins nabij een kernspinresonantie (NMR) gebied.

Kernspinresonantie (NMR) kan worden gebruikt om eigenschappen van een monster te bepalen, zoals lichaamsweefsel (voor medische beeldvormingstoepassingen) of een ondergrondse formatie (voor het doormeten van bronnen). Bijvoorbeeld, voor de ondergrondse 10 formaties, kan NMR worden gebruikt om de poreusiteit, het formatie-type, de permeabiliteit en het oliegehalte van de formatie te bepalen en in kaart te brengen.

Onder verwijzing naar figuur 1 en bij wijze van voorbeeld kan NMR worden gebruikt in een doormeten-tijdens-het-boren (LWD) 15 operatie teneinde de eigenschappen van een ondergrondse formatie 10 in kaart te brengen. Aldus doende kan een axiaal symmetrisch NMR gereedschap 6 deel vormen van een boor 5, die wordt gebruikt om een boorgat 3 in de formatie 10 te vormen. Het gereedschap 6 kan zijn bijvoorbeeld een van de gereedschappen beschreven in Sezginer et al, Amerikaans 20 octrooi nr. 5.705.927 getiteld "Pulsed Nuclear Magnetism Tool For

Formation Evaluation While Drilling Including a Shortened or Truncated CPMG Sequence", verleend 6 januari 1998; Miller, Amerikaans octrooi nr. 5.280.243, getiteld "System For Logging a Well During the Drilling thereof", verleend 18 januari 1994.

25 Het NMR meetproces wordt door twee onderscheiden eigen schappen onderscheiden van de meeste andere metingen aan formaties onder in het boorgat. Ten eerste komt het NMR signaal van de formatie uit een klein resonantievolume zoals in het algemeen het dunne resonatievolurne 20a (zie figuur 2) en het resonantievolume 20a kan een 30 radiale dikte hebben die evenredig is met de grootte van een B,

magnetisch veld (niet weergegeven). Afhankelijk van de vorm van de resonantiezones kan het volume zich bij wijze van voorbeeld uitstrekken van zo klein als 1 millimeter in één richting tot zo lang als verschillende inches in een andere. Ten tweede hoeft de NMR meting 35 niet momentaan te zijn. Deze beide feiten gecombineerd maken de NMR metingen gevoelig voor bewegingen van het gereedschap zoals het NMR

101 36 02 2 gereedschap 6, dat langs de omtrek van het boorgat 3 beweegt, zoals hieronder nader beschreven.

Om de NMR metingen uit te voeren kan het NMR gereedschap 6 permanente magneten omvat om een statisch magnetisch veld , genoemd B0 5 (niet weergegeven) tot stand te brengen; een radiofrequente (RF) spoel of antenne om het met de tijd variërende magnetische veld b, uit te stralen dat loodrecht staat op het qo veld en een RF spoel of antenne om spinecho’s van de formatie te ontvangen in respons op een NMR meting zoals hieronder beschreven. Deze twee spoelen kunnen 10 gecombineerd zijn in een enkele zend/ontvangantenne.

Bij wijze van voorbeeld kan het NMR gereedschap 6 T2 spin-spin relaxatietijden van waterstofkernen van de formatie 10 meten door NMR detectieopeenvolgingen uit te stralen om de kernen spinecho’s te doen produceren. De spinecho’s kunnen vervolgens worden geanalyseerd 15 om een verdeling van T2 tijden te produceren en de eigenschappen van de formatie kunnen verkregen worden uit deze verdeling. Bijvoorbeeld een zo’n NMR detectieopeenvolging is een Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) opeenvolging 15, die is weergegeven in figuur 4. Door de opeenvolging 15 toe te passen kan een verdeling van T2 tijden worden 20 verkregen en deze verdeling kan gebruikt worden om de eigenschappen van de formatie 10 te bepalen en in kaart te brengen.

Een techniek die CPMG opeenvolging 15 gebruikt om de T2 tijden te meten kan de volgende stappen omvatten. In de eerste stap zend het NMR gereedschap 6 het B, veld gedurende een geschikt 25 tijdsinterval teneinde een 90° excitatiepuls 14a uit te zenden om de spins van de waterstofkernen (die om te beginnen staan uitgelijnd langs de richting van het B0 veld) over een hoek van 90° te draaien. Alhoewel niet weergegeven is elke puls effectief een omhullende of salvo van een RF draaggolfsignaal. Nadat de spins 90° rond de richting 30 van het B0 veld zijn gedraaid beginnen de spins onmiddellijk een precessie uit te voeren in het veld loodrecht op het B0 veld eerst gelijk opgaand maar langzamerhand synchronisatie verliezend. Voor stap twee geeft het NMR gereedschap 6 een puls van het §, veld af gedurende een langere tijdsperiode (dan de NMR puls 14a) op een vooraf 35 bepaalde tijd T volgend op de NMR puls 14a om een herfocusserende NMR puls 14b te zenden teneinde de spins die in precessie zijn over een 101 36 02 3 additionele hoek van 180° te draaien waarbij de fase van de draaggolf over ±90° is verschoven. De NMR puls 14b veroorzaakt dat de spins opnieuw synchroniseren en een daarmee verbonden spinecho 16 uitzenden (zie figuur 5), die een piek heeft na een tijd ongeveer gelijk aan T, 5 na de 180° herfocusserende puls NMR puls 14b. Stap twee kan "k" malen worden herhaald (waar "k" het aantal echo’s wordt genoemd en bij wijze van voorbeeld een waarde kan aannemend gerekend van een paar honderd tot zoveel als een paar duizend) tijdens het interval tc (ongeveer 2·Τ). Voor stap drie is na het completeren van de spinechoopeenvolging 10 een wachtperiode (gewoonlijk een wachttijd genoemd) vereist om de spins in staat te stellen naar het evenwicht langs het B0 veld terug te keren alvorens de volgende CMPM opeenvolging 15 te starten om een nieuwe set spinecho’s te verzamelen. Het verval van iedere set spin-echo’s wordt waargenomen en gebruikt om de T2 verdeling uit af te 15 leiden.

De T2* tijd karakteriseert een tijd nodig voor de spins om niet langer gelijk opgaand in precessie te zijn na de verzending van de 90° excitatiepuls 14a. Op deze manier wijzen aan het einde van de 90° excitatiepuls 14a alle spins in een gezamenlijke richting lood-20 recht op het statische b0 veld, en de spins voeren een precessie uit op een resonantiefrequentie die de Larmorfrequentie voor een perfect homogeen veld wordt genoemd. De Larmorfrequentie kan beschreven worden door ω0=γΒ0, waarin V de gyromagnetische verhouding, een kern-constante, is. Echter is het B0 veld in het algemeen niet homogeen en 25 raken de spins, na excitatie, uitfase met T2* als gevolg van inhomo-geniteiten in het statische B0 veld. Dit verval is reversibel en wordt ongedaan gemaakt door de herfocusseringspulsen 14b die de echo’s veroorzaken. Bovendien ontstaat irreversibele uitfase-geraking (spin-spin relaxatie) die wordt beschreven door de T2 tijdconstante. Dit 30 resulteert in het verval van opeenvolgende echoamplitudes in de CPMG opeenvolging volgens de T2 tijdconstante. Met "inside-out" NMR worden typisch spins gemeten met T2»T2*.

Zoals boven aangegeven kan de verdeling van de T2 tijden worden gebruikt om de eigenschappen van de formatie te bepalen. 35 Bijvoorbeeld en onder verwijzing naar figuur 6 kan de formatie kleine poriën bevatten die gebonden vloeistof bevatten en grote poriën die 1 0 1 3602 4 vrije produceerbare vloeistof bevatten. Een T2 grensscheidingstijd (in figuur 6 TCUT.0FF genoemd) kan gebruikt worden om de T2 verdeling in twee delen te scheiden: een deel omvat tijden kleiner dan de TCUI.0FF tijd die gebonden vloeistoffen aangeven en een deel omvat tijden groter dan de 5 TCUT.0FF tijd die vrije produceerbare vloeistoffen aangeven.

Iedere T2 tijd wordt typisch berekend door het verval van de spinecho’s 16 waar te nemen die door een bijzondere CPMG opeenvolging 15 worden geproduceerd. Ongelukkigerwijs kan de boor 5 (zie figuur 1) ernstige zijdelingse beweging ondervinden. Echter de T2 tijd 10 is bij benadering evenredig aan een andere tijdconstante genaamd Tl spin-rooster relaxatietijd. De Tl tijd karakteriseert de tijd voor de spins om terug te keren naar de evenwichtsrichting langs het B0 veld en dus kan, beide Tl en T2 tijden in overweging nemend, iedere spin gedacht worden als terugbewegend naar de evenwichtspositie gedurende 15 het Tl herstel in een spiraal met een erg nauwe spoed. Gelukkigerwijs zijn de Tl en T2 tijden bij benadering evenredig. Als gevolg daarvan kan de T2 verdeling afgeleid worden uit gemeten Tl tijden. In feite werd het oorspronkelijke werk met betrekking tot het vaststellen van gebonden vloeistof cutoffs gedaan onder gebruikmaking van Tl. Die 20 resultaten werden toen uitgedrukt en commercieel gebruikt in termen van T2. Zie W.E. Kenyon, J.J. Howard, A. Seginer, C. Straley, A. Matteson, K. Horkowitz en R. Ehrlich, Pore-Size Distribution and NMR in Microporous Cherty Sandstones, Paper LL (voordracht gepresenteerd op het 30ste Annual Logging Symposium, SWPLA, 11 tot 25 14 juni 1989).

Metingen gebaseerd op polarisatie kunnen hetzij inversie-herstelopeenvolgingen of verzadigingsherstelopeenvolgingen gebruiken. Met de verzadigingsherstelopeenvolgingen wordt het spinsysteem verzadigd, bijvoorbeeld met verscheidene 90° pulsen die de magnetisatie 30 tot nul reduceren. Het spinsysteem mag dan gedurende een variabele tijdspanne herstellen voordat een monitorpuls of pulsopeenvolging, zoals de CPMG opeenvolging, wordt verzonden. De inversieherstel-techniek stelt voor dat nadat de kernen zich langs het statische magnetische veld hebben gericht een 180° puls wordt verzonden die de 35 richting van de spins omkeert. Na verloop van tijd vervallen de spins naar hun evenwichtsrichting volgens Tl maar er is nog geen meting 1013602 5 gedaan omdat de 180° puls geen signaal in de detector opwekt. Voordat het verval echter compleet is wordt het onderbroken door een monitor-puls of pulsopeenvolging zoals de CPMG opeenvolging die de spins in het meetvlak omdraait (dit is een signaal opgewekt in de detector). De 5 informatie waar de interesse naar uitgaat is de amplitude van het signaal onmiddellijk na de initiële 90° "uitlees" puls. Deze amplitude hangt duidelijk af van de hersteltijd tussen de initiële 180° puls en de 90° puls. Na het bepalen van de amplitude mag het spinsysteem volledig naar evenwicht relaxeren en de pulsopeenvolging wordt dan 10 herhaald.

Een voorbeeld van het gebruik onder in een boorgat van inversieherstelopeenvolgingen wordt beschreven in Amerikaans octrooi nr. 5.023.551 van Kleinberg et al getiteld "Nuclear Magnetic Resonance Pulse Sequences For Use With Borehole Logging Tools" verleend 11 juni 15 1991. Echter gebruiken de inversieherstelopeenvolgingen beschreven in het ’551 octrooi geen adiabatische pulsen en resulteren daardoor in een beperkt onderzoeksgebied. Ook onder "inside-out" condities samen met beweging kan het makkelijker zijn een gebied te verzadigen dan het volledig te inverteren. Daarom kan het verzadigen van een gebied de 20 voorkeur hebben.

Onder verwijzing naar figuur 2 worden de Tl tijden typisch gemeten onder gebruikmaking van op polarisatie gebaseerde metingen in plaats van de bovenbeschreven op verval gebaseerde metingen. In dit geval kan elke op polarisatie gebaseerde meting eerst omvatten het 25 zenden van een verzadigingsopeenvolging om de spins in een resonantie-gebied te verzadigen (zoals bijvoorbeeld het cilindrische resonantie-volume 20a zoals weergegeven in figuur 2). Vervolgens verloopt een polarisatieperiode om polarisatie van het resonantievol urne 20a ten opzichte van het B0 statische magnetische veld tot stand te doen 30 komen. Vervolgens wordt een detectieopeenvolging zoals de CPMG opeenvolging gebruikt om spinecho’s van de formatie 10 te produceren. De amplituden van de eerste paar spinecho’s worden dan geanalyseerd om een polarisatie gewogen integraal (D(twai£) van de poreusiteitsverdel ing Φ(Τ1) te bepalen. Omdat alleen de eerste paar echo’s hoeven te worden 35 waargenomen om de amplitude van het signaal te bepalen kan de Tl meting worden uitgevoerd in een kortere tijdsduur dan de op verval 1013602 6 gebaseerde T2 meting en dus minder gevoelig zijn voor beweging van het NMR gereedschap 6. De detectieopeenvolging kan opeenvolgend verschillende malen met gevarieerde wachttijden worden herhaald (na de geschikte verzadigingsopeenvolging) om een poreusiteitsverdeling Φ(Tl) 5 te verkrijgen.

Bij wijze van voorbeeld kan een op polarisatie gebaseerde meting worden gebruikt om Tl tijden te meten voor waterstofkernen in het resonantievol urne 20a dat zich bevindt binnen het verzadigde volume 20b (zie figuur 2). Op deze manier kan het NMR gereedschap 6 eerst 10 spins verzadigen binnen het verzadigingsvolume 20b. Echter kan de polarisatieperiode zo lang zijn dat het NMR gereedschap 6 aanzienlijk beweegt binnen het boorgat. In dat geval veroorzaakt beweging van het gereedschap 6 dat het resonantievol urne 20a verschuift en veroorzaakt het NMR gereedschap dat spinecho’s van een verschoven resonantievol urne 15 20a’ (zie figuur 3), dat gedeeltelijk buiten het oorspronkelijke verzadigde volume 20b valt, worden ontvangen. Als gevolg daarvan kan het verschoven resonantievol urne 20a’ een gebied zonder verzadigde spins (een effect dat typisch wordt genoemd "het binnenhalen van verse spins") en een gebied van het oorspronkelijk verzadigde volume 20b met 20 verzadigde spins omvatten. Ongelukkigerwijs kunnen op polarisatie gebaseerde NMR technieken niet in staat zijn om het binnenhalen van "verse spins" gedurende de polarisatieperiode toe te staan aangezien de verse spins meetfouten kunnen introduceren. Bijvoorbeeld kunnen de metingen ten onrechte een hoger gebonden-vloei stofvol urne aanduiden dan 25 in werkelijkheid aanwezig is in de formatie.

Eén manier om een groter gebied te verzadigen is beschreven in Internationale octrooiaanvrage nr. PCT/US97/23975 getiteld "Method For Formation Evaluation While Drilling" ingediend op 29 december 1997. Deze aanvrage laat zien dat het aan het begin van een meting 30 uitzenden van één of meer radiofrequente pulsen, die een betrekkelijk breed gebied van frequenties en/of extra grote bandbreedte omvatten of gebruikmaken van één of meer pulsen met verlopende frequentie om een cilindrisch volume rondom een NMR gereedschap te verzadigen. De aanvrage beschrijft verder het gebruik van versnellingspiekwaarden om 35 te bepalen wanneer metingen als gevolg van beweging van het gereedschap buiten de grenzen van het verzadigingsgebied moeten worden 1 01 3602 7 afgekeurd, de aanvrage beschrijft verder het voorzien van het gereedschap met bewegingbeperkende middelen om beweging van het gereedschap buiten het verzadigingsgebied te voorkomen.

Derhalve is er een voortdurende behoefte om de fout, 5 geïntroduceerd door relatieve beweging tussen een NMR meetapparaat en een monster dat wordt onderzocht, te minimaliseren.

Er wordt een werkwijze beschreven voor gebruik bij een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve beweging tussen het apparaat en een monster. Het apparaat, het monster of beiden, kunnen 10 onderhevig zijn aan beweging. In een uitvoeringsvorm van de uitvinding omvat de werkwijze het uitstralen van een eerste opeenvolging van radiofrequente pulsen. De eerste opeenvolging heeft een omhullende. De omhullende wordt gevarieerd gedurende het uitstralen van de eerste opeenvolging om een eerste gebied van het monster nagenoeg in ver-15 zadiging te brengen. Een tweede opeenvolging RF pulsen wordt uitge straald om een resonantiegebied binnen het eerste gebied tot stand te brengen en een eigenschap van het monster te meten.

In een andere uitvoeringsvorm omvat een werkwijze voor gebruik met een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve 20 beweging tussen het apparaat en het monster het gebruik van een RF

draaggolf om een eerste opeenvolging van RF pulsen uit te stralen. Het draaggolfsignaal heeft een fase. De fase wordt gevarieerd gedurende het uitstralen van de eerste opeenvolging om een eerste gebied van het monster nagenoeg geheel in verzadiging te brengen. Een tweede opeen-25 volging van RF pulsen wordt uitgestraald om een resonantiegebied binnen het eerste gebied tot stand te brengen en een eigenschap van het monster te meten.

In nog een andere uitvoeringsvorm omvat een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve beweging tussen het apparaat 30 en een monster tenminste één magneet om een statisch magnetisch veld tot stand te brengen, een eerste spoel, een tweede spoel en een pulsgenerator. De pulsgenerator is gekoppeld aan de eerste en de tweede spoel en geschikt om de eerste spoel te gebruiken om een eerste opeenvolging van RF pulsen uit te stralen om een met de tijd variërend 35 magnetisch veld teweeg te brengen. De eerste opeenvolging omvat tenminste één herfocusserende puls om tenminste één echo van een 1 0136 02 δ resonantiegebied van het monster te produceren. De pulsgenerator is verder geschikt om de tweede spoel te gebruiken om voor een ogenblik het statische magnetische veld tenminste eenmaal tijdens de uitstraling van de eerste opeenvolging te wijzigen om verzadiging van een 5 gebied groter dan het resonantiegebied te veroorzaken.

In een verdere uitvoeringsvorm omvat een werkwijze voor gebruik met een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve beweging tussen het apparaat en een monster het gebruik van een inversieherstelopeenvolging, die tenminste één of meer adiabatische 10 pulsen omvat.

Andere uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen duidelijk worden uit de beschrijving, de tekeningen en de conclusies.

In de tekeningen is

Figuur 1 een schematisch diagram van een ondergrondse bron. 15 Figuur 2 een dwarsdoorsnede van de bron genomen langs de lijn 2-2 in figuur 1.

Figuur 3 een andere dwarsdoorsnede van de bron na beweging van het NMR gereedschap.

Figuren 4 en 5 golfvormen die een CPMG pulsopeenvolging 20 tonen.

Figuur 6 een voorbeeld van een verdeling van T2 relaxatietijden.

Figuur 7 een stroomdiagram dat een op polarisatie gebaseerde meting volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding 25 illustreert.

Figuren 8, 9 en 10 schematische diagrammen van NMR gereedschappen volgens verschillende uitvoeringsvormen van de uitvinding.

Figuur 11 een dwarsdoorsnede van een NMR gereedschap langs lijn 11-11 van figuur 10.

30 Figuur 12 een golfvorm die een NMR pulsopeenvolging illustreert.

Figuren 13, 16, 18 en 20 grafische contourweergaven die verzadiging in een resonantiegebied tonen.

Figuren 14, 15, 17, 19 en 21 grafische weergaven van

35 relatieve signaalamplitudes ontvangen uit een gebied rondom het NMR

gereedschap die verzadiging weergeven.

1013602 9

Figuren 22 en 23 grafische contourweergaven die verzadiging weergeven in een verzadigingsgebied voor verschillende aantal pulsen met en zonder tussengevoegde vrije evolutieperioden.

Figuren 24 en 25 grafische contourweergaven die verzadiging 5 weergeven in een resonantiegebied voor verschillende aantallen pulsen met en zonder tussengevoegde vrije evolutieperioden.

Verwijzend naar figuur 7 kan een uitvoeringsvorm 50 van een werkwijze om een op polarisatie gebaseerde Tl meting overeenkomstig de uitvinding worden gebruikt door een NMR meetapparaat (bijvoorbeeld een 10 NMR opneemgereedschap) dat onderhevig kan zijn aan beweging. Omdat het gemeten monster onderworpen kan zijn aan beweging kan deze werkwijze worden gebruikt als het monster, het meetapparaat of beide elementen beweging ondervinden. De werkwijze 50 omvat het in verzadiging brengen van spins (blok 52) in een gebied van een monster waarvan de eigen-15 schappen moeten worden gemeten. Vervolgens mag een vooraf bepaald tijdsinterval verlopen (blok 54) teneinde toe te staan dat tenminste gedeeltelijke polarisatie van spins in het gebied optreedt. Vervolgens omvat de werkwijze 50 het zenden (blok 56) van een detectie-opeenvolging (bijvoorbeeld een op CPMG gebaseerde opeenvolging) om 20 spinecho’s uit een resonantiegebied van het monster te produceren.

Zoals verder hieronder beschreven worden technieken gebruikt om de grenzen en verzadigingsdichtheid van het verzadigde gebied te maxi maliseren om het resonantiegebied hoofdzakelijk binnen het verzadigingsgebied te houden als het NMR meetapparaat beweegt. Als gevolg 25 van deze technieken kunnen meetfouten worden verkleind en hoeven bijvoorbeeld stabilisatoren voor het NMR meetapparaat niet nodig te zijn tijdens gebruik in een lage gradiënt geometrie.

Bij wijze van voorbeeld kan de werkwijze 50, zoals meer gedetailleerd hieronder wordt beschreven, worden gebruikt om de 30 eigenschappen van ondergrondse formaties in kaart te brengen en kan ook worden gebruikt in andere toepassingen (bijvoorbeeld andere "inside out" NMR toepassingen) waarin relatieve beweging optreedt tussen een monster en een NMR meetapparaat. Het NMR meetapparaat kan in enkele uitvoeringsvormen onderdelen omvatten die een elektro- 35 magnetisch veld opwekken (bijvoorbeeld een spoel, een elektromagneet en een permanente magneet) om tenminste twee magnetische velden op te 1013602 10 wekken: een magnetisch veld genoemd B0 (niet weergegeven) en een magnetisch veld genoemd B, (niet weergegeven) dat hoofdzakelijk loodrecht op het §o magnetische veld staat. Bij wijze van voorbeeld en verwijzend naar figuur 8 kan in enkele uitvoeringsvormen het NMR 5 meetapparaat een opnemen-tijdens-het-boren (LWD) gereedschap 60 zijn, dat bijvoorbeeld ringvormige permanente magneten 32 en 34 omvat om het B0 veld tot stand te brengen en een spoel 39 om het in de tijd variërende B, veld tot stand te brengen. In enkele uitvoeringsvormen kan het veld (als het gepulseerd is) een radiofrequente (RF) 10 draaggolfcomponent genaamd co0 hebben.

De draaggolffrequentie van het B, veld kan in het algemeen worden aangeduid door o/0. Het uitzenden van het B, veld brengt een resonantiegebied teweeg dat een radiale dikte, in termen van frequentie, heeft die wordt bepaald door de gradiënten W0 en £t/, in het 15 aangeslagen gebied, waarin ω, de projectie van y-B, is op het B0 veld. In enkele uitvoeringsvormen kan het B0 veld ook worden opgewekt (tenminste gedeeltelijk) door gradiëntspoelen 40 en 42 teneinde te veroorzaken, dat het B0 veld een component heeft die, zoals hieronder beschreven, met een lage frequentie varieert. Het NMR gereedschap 60 20 kan ook verwerkingselektronica omvatten die bijvoorbeeld een puls generator 65 kan omvatten die is gekoppeld aan spoel(en) (zoals bijvoorbeeld de spoelen 39, 40 en 42) en geschikt om het B0 en/of het B veld op een hieronder beschreven wijze uit te stralen.

In principe omvat iedere op polarisatie gebaseerde NMR 25 meting de drie bouwstenen 52, 54 en 56 (zie figuur 7) en kunnen één of meer metingen worden uitgevoerd om elke Tl waarde te verkrijgen. Echter kan de detectieopeenvolging (dat is het blok 52) worden gebruikt om de verzadiging tot stand te brengen (dat is het uitvoeren van de functie van blok 56) en derhalve het blok 52 elimineren indien 30 aan twee vereisten is voldaan: de metingen worden opeenvolgend her haald (genaamde "stacked" experimenten) en de signaaldetectie-opeenvolging 68 verstoort de magnetisatie voor de volgende meting volledig. Indien deze techniek wordt gebruikt worden de resultaten van de eerste meting verworpen omdat de eerste meting wordt uitgevoerd met 35 een onjuiste pol ari sat i et ijd. Alternatief kan de excitatie adiabatisch worden uitgevoerd door een adiabatische snelle doorgangspuls in het 1 01 3602 11 resonantiegebied te sturen juist voor het toepassen van de detectie-opeenvolging.

Andere variaties van de drie basisblokken 52, 54 en 56 zijn ook mogelijk. Als een ander voorbeeld kan het opeenvolgingsblok 54-5 blok 56-blok 52 ook worden gebruikt om iedere meting uit te voeren en deze variatie kan voordelig zijn vanuit een programmeringsgezichts-punt. Als de tweede variatie wordt gebruikt wordt afgezien van de eerste meting. Andere variaties van de werkwijze 50 zijn mogelijk zo lang de functies van de blokken 52, 54 en 56 tot stand worden ge-10 bracht.

Het doel van de verzadiging, onafhankelijk ervan of het verzadigen wordt uitgevoerd door een expliciete verzadigings-opeenvolging of door een detectieopeenvolging, is het verzadigen van een groot gebied of volume met radiofrequente (RF) straling. Zoals 15 hieronder in meer detail wordt beschreven en door simulaties weer gegeven kan de verzadiging afhankelijk van de bijzondere uitvoeringsvorm worden teweeg gebracht door een opeenvolging van RF pulsen zoals de CPMG detectieopeenvolging, te zenden die is afgestemd op het bereiken van de gewenste verzadiging onder gebruikmaking van de 20 beweging van het NMR gereedschap 60; door in de tijd een eigenschap van de opeenvolging langzaam te variëren met of zonder beweging van het NRM gereedschap 60; door op stochastische wijze de eigenschappen

van de opeenvolging te variëren met of zonder beweging van het NMR

gereedschap 60; of door gebruik te maken van een combinatie van deze 25 technieken.

Een eenvoudige CPMG opeenvolging met constante parameters ontwikkelt scherp begrensde verzadigde gebieden, genaamd "gaten" in de spinverdeling. Het branden van gaten reikt ver maar leidt slechts tot een zwakke verzadiging aangezien de gaten goed van elkaar gescheiden 30 zijn. Bovendien kan het voorzetten van de opeenvolging, nadat de magnetisatie op de plaatsen van de gaten is vernietigd, de verzadiging niet verder doen toenemen. De beweging van het NMR gereedschap 60 kan de verzadigingsdichtheid doen toenemen door, zoals verder hieronder beschreven, deze gaten over het verzadigingsvolume te "zwaaien".

35 De CPMG detectieopeenvolging kan worden gewijzigd om het aantal herfocusseringspulsen te verhogen tot boven het gewone aantal 1013602 12 (bijvoorbeeld 10) herfocusseringspulsen dat nodig is om de aanvangs-amplitude van de echotrein te meten. Deze werkwijze werkt goed als de beweging van bet NMR gereedschap 60 tijdens de polarisatietijd altijd is gekoppeld aan beweging van het NMR gereedschap tijdens de detectie-5 opeenvolging. Ongelukkigerwijs echter kan onbevredigende verzadiging optreden als het NMR gereedschap 60 stationair is gedurende de detectieopeenvolging 68 maar beweegt gedurende de polarisatietijd. Simulaties (hieronder besproken) tonen aan dat dit probleem kan worden voorkomen door in de tijd eigenschappen van de opeenvolging langzaam 10 te veranderen om het verzadigingsgebied uit te breiden zelfs bij afwezigheid van beweging van het gereedschap zoals verder hieronder beschreven. In deze context kan de uitdrukking "eigenschappen van de opeenvolging" in het algemeen verwijzen naar bijvoorbeeld een omhullende van de opeenvolging of een fase van de RF draaggolf-15 frequentie. Bij wijze van voorbeelden van de mogelijke manieren om de omhullende te variëren kan de omhullende pulsen 120 (zie figuur 12) omvatten, die elk een duur (genaamd tp) hebben en kunnen de pulsen 120 gescheiden zijn (van midden tot midden) door tijdsintervallen genaamd te. Op deze manier kan de tp duur en/of het te tijdsinterval (bij wijze 20 van voorbeeld) worden gevarieerd om het verzadigingsgebied uit te breiden zoals verder hieronder beschreven.

De eigenschappen van de detectieopeenvolging (dat is de opeenvolging gebruikt om verzadiging tot stand te brengen) kan niet alleen langzaam worden gevarieerd maar ook van puls tot puls op een 25 ongecorreleerde of stochastische wijze zoals verder hieronder be schreven. Het stochastische extremum is de bestraling met incoherente ruis. De stochastische variatie van de eigenschappen staat in tegenstelling tot de langzame variatie van de eigenschappen waarin de verzadigingseffecten verrijkend zijn omdat de coherente, niet 30 stochastische eigenschappen van de opeenvolging domineren. Tengevolge daarvan kan langzame variatie van de eigenschappen resulteren in ver-van-resonantiegaten die in toenemende mate door opeenvolgende pulsen worden gebrand. De plaatsen waar gedurende een kort tijdsinterval verzadiging wordt teweeg gebracht zijn goed van elkaar 35 gescheiden. Echter de stochastische variatie zorgt ervoor dat opeenvolgende pulsen van de opeenvolging niet bijdragen aan hetzelfde gat 1013602 13 en de teweegbrenging van verzadiging in korte tijdsintervallen gelijkmatiger is verspreid. Als gevolg daarvan verschaft de stochastische variatie van de pulsen in het algemeen een meer consistente ver-zadigingsdichtheid. Zoals hieronder beschreven (en aangetoond door 5 simulaties) kunnen deze twee technieken worden gecombineerd om de prestaties van de opeenvolging te verhogen. Zoals ook hieronder beschreven wordt het coherente element van de opeenvolgingen vernietigd als er beweging aanwezig is, die snel genoeg is om tijdens slechts een paar pulsen gaten over de afstand die naburige gaten van 10 elkaar scheidt, te zwaaien en een opeenvolging met langzaam ge varieerde eigenschappen kan op een wijze gelijkend op een opeenvolging met stochastisch gevarieerde eigenschappen presteren.

Zoals hieronder beschreven hoeven de hoeken waarover de herfocusseringspulsen in de CPMG opeenvolging de spins doen omklappen 15 niet groter zijn om niet resonante verzadiging teweeg te brengen indien er koppeling met een andere variatie is (bijvoorbeeld variaties van de fase van de draaggolffrequentie). Daarom kan de energie nodig voor verzadiging worden verminderd door het verkorten van de RF pulsen. Voor voldoend korte pulsen is de invloed van het gaten branden ZO verwaarloosbaar. In dit geval kan afgezien worden van de vrije evolutieperiode tussen pulsen en kan verzadiging in veel kortere tijd worden bereikt. In de limiet van erg korte pulsen resulteert deze techniek in bestraling met een incoherente ruis waarvan de structuur kan worden aangepast aan de behoeften. In de praktijk bepalen de 25 eindige stijg- en daaltijden van de pulsen de lagere limiet van de pulsduur. Het kan zijn dat een afweging moet worden gemaakt tussen de tijd en de energie nodig om verzadiging te bereiken en de ver-zadigingsbandbreedte zoals hieronder beschreven.

In het volgende wordt een voorbeeld van verzadiging onder 30 gebruikmaking van een CPMG opeenvolging met en zonder door langzame beweging geïnduceerde veranderingen in ώ0 in detail besproken. Alhoewel deze beschrijving bij wijze van voorbeeld specifiek refereert aan een CPMG opeenvolging kan het bovenbeschreven gaten branden door alle multipulsopeenvolgingen met een groot aantal herhalingen van een 35 pulsbouwsteen tot stand worden gebracht.

1 01 3602 14

Het herhaald coherent pulsen tijdens een CPMG opeenvolging exciteert geselecteerde spins met hU)»üJx, waarin ü)x bij benadering gelijk is aan de radiale dikte van het resonantievolume en Δω (de afstand in de frequentieruimte) specifiek gedefinieerd kan zijn door 5 de volgende vergelijking: Δω = ,rB0-0^, waarin ωΓ/· de RF frequentie is van het Bj veld voor de eerste CPMG opeenvolging.

De excitatiestappen worden kleiner en kleiner met toenemende Δω, maar de excitaties tellen op van puls tot puls, in de 10 gaten tot aanzienlijke hoeveelheden. Omdat de dwarsmagnetisatie vervalt overeenkomstig 12 worden de geselecteerde spins "verzadigd". De scheiding (genaamd Δω,) van deze gaten wordt bepaald door de periodiciteit van de opeenvolging. Niet verwaarloosbare pulsduur en niet-resonantie-effecten veroorzaken enige afwijking, zodat de 15 scheiding van de gaten Δω, bij benadering wordt beschreven door de volgende uitdrukking: ιπ Δώλ =—, te waarin te de afstand in de tijd tussen de echo’s is van het begin van de ene herfocusserende puls tot het begin van de volgende herfocusserende puls.

20 Gekoppeld met relaxatie resulteert de eenvoudige CPMG

opeenvolgingtechniek in het branden van gaten op zekere niet-resonante frequenties. Het kan zijn, dat het niet mogelijk is om tussen de gebrande gaten te meten omdat de breedte Δω5 van het meetgebied zich uitstrekt over Δω5,=2ω1 hetgeen voor 180° herfocusserende pulsen met 25 duur tp wordt Njs^Zïï ftp. Daar te altijd groter is dan tp is Δω>Δω, en kunnen er verschillende gaten worden gebrand in een resonantiegebied. Om de mate van signaalverlies te berekenen moeten de veldgeometrieën, de relaxatietijden en de detectiebandbreedte in rekening worden gebracht.

30 Om de gatenverdeling te illustreren toont figuur 13 een tweedimensionale grafische contourweergave 80 (afkomstig van een simulatie) van een berekende grafische contourweergave van de verdeling van gaten gebrand in een longitudinale magnetisatie met Mz=l met lineaire variatie in ω0 op de horizontale as en tp op de verticale as. 35 De witte gebieden stellen volledig behoud van magnetisatie voor en de zwarte gebieden stellen vermindering ten opzichte van 100% verzadiging 1013602 15 of omgekeerde magnetisatie voor. De eerste CPMG opeenvolging wordt verzonden met Δω= 0 en weergegeven is het effect op de niet-resonante magnetisatie Mz onmiddellijk na het einde van deze CPMG opeenvolging. De parameters van de opeenvolging van CPMG pulsen zijn te=500 IJs, 5 tplS0=125 jL/s, k=1000 waarin k het aantal herfocusserende pulsen is. De relaxatietijden zijn lang gekozen, maar zijn een fractie van de duur van de echotrein. In deze simulatie werden perfect rechthoekige pulsen gebruikt. Echter kunnen uitvoeringsvormen van de uitvinding in hoofdzaak rechthoekige pulsen gebruiken en in hoofdzaak niet rechthoekige 10 pulsen. In figuur 13 werd het effect van de eerste excitatiepuls niet gesimuleerd.

Figuur 14 toont voor verschillende relaxatietijden de gesimuleerde resulterende relatieve signaalamplitudes 82 (dit is Mz/M.), die beschikbaar zijn voor een tweede meting bij de frequentie 15 verschoven over de abscis Δω, die door verzadiging is gereduceerd van een eerste meting (zoals boven beschreven) voor (i>i»tp=ïï, als het gemiddelde van Δω=±0,75ω. Dit betekent dat de ω0 frequentie van de draaggolf over Δω verschoven is tussen metingen. De relatieve signaal-amplitudes 82 zijn elk geassocieerd met een verschillende Tl tijd 20 (bijvoorbeeld gelijk aan 2*T2). De parameters voor de tweede meting waren dezelfde als voor de eerste meting en de hoek waarover de pulsen de spins doen omklappen werd 180° gekozen. In de figuren (en in de doj ( simulatie) werd aangenomen dat ~— = 0, dit is de verandering in het

Clco q veld is verwaarloosbaar in de buurt van het resonantiegebied. Voor een 25 axiaal symmetrische gradiëntgeometrie is de horizontale schaal (Δω/ω]) evenredig met het verschil in straal (van het resonantiegebied) tussen de eerste en de tweede meting. De bovenstaande aanname dat ω, een constante is is een geldige benadering als het verschil in straal veel kleiner is dan de straal, een feit dat de keuze voor een constante 30 hoek waarover de spins worden omgeklapt rechtvaardigt in de grafische weergave.

Zoals gezien kan worden in figuur 14 strekt het ver-zadigingsgebied zich eigenlijk niet verder uit dan- , dat is tweemaal de radiale dikte van het resonantiegebied. Daarom begint de 35 volgende meting slechts met volledige verzadiging als het resonantiegebied in radiale richting minder verschoven is dan · Figuur 15 1 01 36 0 2 16 toont relatieve signaalamplitudes 84 die elk zijn geassocieerd met een aantal herfocusseringspulsen in de eerste opeenvolging. Zoals kan worden gezien vindt het merendeel van de verzadiging plaats bij kleinere Δω binnen de eerste 10 echo’s. Hier en in de volgende voor-5 beelden is Τ1=2·Τ2=100 msec gekozen.

Beweging van het gereedschap gedurende een eerste CPMG opeenvolging kan resulteren in een toegenomen verlies in de nabije resonantiegebieden. Bijvoorbeeld toont figuur 16 een grafische con-tourweergave 86 van de ontwikkeling van de niet-resonante Mz magne-10 tisatie gedurende de eerste opeenvolging voor een translatieve snelheid van het gereedschap van -20ω1/5. De horizontale as geeft een verhouding aan van de niet-resonantie frequentie Δω, gedeeld door ω, (pulsamplitude) van de eerste CPMG opeenvolging. De contouren beschrijven de resterende relatieve longitudinale magnetisatie na de 15 eerste CPMG opeenvolging. De amplitude van de pulsen wordt constant verondersteld. De pulsparameters en relaxatietijden zijn hetzelfde als hierboven. De verticale as geeft aan hoeveel herfocusserende pulsen in de eerste CPMG opeenvolging met de draaggolf (% werden verzonden, wat bij benadering evenredig is met de duur van deze opeenvolging. Het 20 aantal k herfocusserende pulsen loopt van een herfocusserende puls (dit is een blokspanning van bij benadering 500 ps) voor de bovenste grafische weergave tot 100 herfocusserende pulsen (dit is een blokspanning van bij benadering 50 ms) voor de onderste grafische weergave. In dit voorbeeld legt het NMR gereedschap 60 gedurende 50 ms de 25 afstand +1ω, af, die ruwweg een halve schildikte is. In het begin komt draagfol f (% overeen met Δω=0, aan het einde komt draaggolf (% overeen met Δω=+1·ω,. Zoals aangegeven "zwaait" de translatie van het NMR gereedschap 60, met toenemend aantal echo’s, de gaten over de spin-verdeling en doet derhalve de verzadigingsdichtheid toenemen.

30 De resulterende relatieve signaalamplitudes (dit is Mz/M,) 88, zijn als gemiddeld wordt over een (voor doeleinden van de simulatie rechthoekige) schil met dikte ±0,75ω, weergegeven in figuur 17. Van boven naar beneden stellen de amplitudes 88 de resultaten voor voor k=l, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91. Bemerk dat het verlies 35 toeneemt met het echonummer en voor meer dan 10 echo’s veel sterker wordt dan het verzadigingseffect zonder beweging van het NMR gereed- 1013602 17 schap 60 zoals getoond in figuren 14 en 17. Het verzadigingsgebied heeft nu een dikte van meer dan 5*W}. Het verlies neemt toe gedurende een tijd vergelijkbaar met de relaxatietijden van de spin en kan zelfs leiden tot een negatief signaal voor kleine Δω. Het exacte profiel 5 hangt af van de beweging en van de relaxatietijden van het spin-ensemble. Het profiel wordt smaller voor kleinere relaxatietijden.

Hierboven is aangenomen dat de pulsen in de CPMG opeenvolgingen perfecte rechthoekige pulsen zijn. Echter echte "rechthoekige" pulsen zullen dit ideaal nooit bereiken maar zullen onder-10 hevig zijn aan eindige stijg- en vervaltijden. Dit beperkt de breedte van het frequentiespectrum in de pulsen. Ver buiten resonantie wordt de breedte van de verbrande gaten en de snelheid waarmee ze worden gebrand evenredig aan de amplitude van de frequentiecomponent van de puls ter plaatse van het gat. Daarom kan in enkele uitvoeringsvormen 15 het branden van gaten ver buiten resonantie minder effectief zijn dan in de bovenbeschreven simulaties.

Voor de pulsen besproken in deze toepassing is een brede frequentieverdeling gunstig. Daarom kunnen in enkele uitvoeringsvormen rechthoekige pulsen met de kortst mogelijke stijg- en vervaltijd-20 constanten de voorkeur verdienen. Bovendien kan het verzadigingsgebied worden geoptimaliseerd door de vorm van de omhullende van de pulsen aan te passen aan de frequentie-inhoud van de puls.

In het algemeen kan ver-rijkende verzadiging bij afwezigheid van beweging worden teweeg gebracht door het stralen van een 25 herhalende multipulsopeenvolging met variërende parameters en breed-bandpulsen. Als de pulsopeenvolgingparameters langzaam worden gevarieerd terwijl de opeenvolging wordt verzonden bewegen de posities van de ingebrande gaten langzaam over de spinverdeling en verhogen de verzadiging. Gevarieerde pulsopeenvolgingparameters omvatten: 30 · variatie van de pulsscheiding te, • variaties van tp, • variaties van ω, door bijvoorbeeld pulsamplitude, veldrichting en draaggolffrequentie Wf:-, • variatie van co0 > en 35 . variatie van de pulsfase.

1013602 18

Variaties van combinaties van deze parameters en variaties van andere parameters zijn ook mogelijk. Variaties in en co, kunnen worden veroorzaakt door feitelijke variaties van de g0 en B, velden (bijvoorbeeld variatie van de afstand tussen magneet en antenne of 5 oriëntatie en/of rf energie) of door relatieve beweging van monster en het NMR gereedschap 60. Op deze manier kan relatieve beweging van het monster ten opzichte van het NMR gereedschap 60 afkomstig zijn van beweging van het monster (bijvoorbeeld vloeistofstroming of diffusie) of van beweging van het gereedschap.

10 Een andere manier om ω0 te variëren is om het statische veld te variëren met behulp van een elektromagneet of "gradiëntspoel". Bijvoorbeeld en onder verwijzing naar figuur 8 kan in enkele uitvoeringsvormen het NMR gereedschap 60 bovenste, 32, en onderste, 34, permanente magneten omvatten die rond een huls 28 van het NMR gereed-15 schap 60 gaan en een radiaal axiaal symmetrisch B0 veld produceren. De magneten 32 en 34 zijn gepolariseerd in een richting evenwijdig aan de longitudinale as van het NMR gereedschap 35 zodat ze met elkaar kunnen samenwerken om een lage gradiënt B0 veld te verschaffen. Bij wijze van voorbeeld kunnen de noordpolen van de magneten 32 en 34 naar 20 elkaar gericht zijn om een veld te verschaffen met veldlijnen die zich radiaal van de longitudinale as van het NMR gereedschap 60 uitstrekken. In enkele uitvoeringsvormen kan een magnetisch permeabel onderdeel 36 rond de huls 28 gaan en kan gepositioneerd zijn tussen de boven- en ondermagneten 32 en 34. Als gevolg van deze opstelling 25 focusseert het magnetisch permeabele onderdeel 36 het B0 veld om de gradiënt van het B0 veld te minimaliseren en derhalve een meer uniform B0 veld te produceren in het interessegebied. Het NMR gereedschap 60 kan maar hoeft niet de huls 36 te omvatten. Meer gedetailleerde beschrijvingen van deze opstellingen kunnen worden 30 gevonden in Amerikaanse octrooiaanvrage serie nr. 09.033.965, getiteld "Nuclear Magnetic Resonance Apparatus and Method For Generating an Axisymmetric Magnetic Field Having Straight Contour Lines in the Resonance Region", ingediend op 3 maart 1998; en Amerikaans octrooi nr. 4.350.955 getiteld "Magnetic Resonance Apparatus" verleend 21 35 september 1982, welke beiden worden geacht in deze aanvrage te zijn opgenomen.

1 01 3602 19

Om het B0 veld te variëren kan het NMR gereedschap 35 gradiëntspoelen omvatten zoals spoelen 40 en 42 die eveneens rond de huls 28 gaan. De spoelen 40 en 42 kunnen gepulst worden met een gelijkstroom (door een pulsgenerator zoals de pulsgenerator 65) om een 5 additionele component, B2. voor het §q veld te produceren. B, is hoofdzakelijk radiaal als de stromen in spoelen 40 en 42 in tegengestelde richting stromen. De spoelen 40 en 42 kunnen geplaatst zijn tussen de magneten 32 en 34 zodat de beide spoelen 40 en 42 een positieve component bijdragen aan het B0 veld welke wel of niet in 10 hoofdzaak uitgelijnd is met het B0 veld in het interessegebied afhankelijk van de uitvoeringsvorm. In enkele uitvoeringsvormen kunnen de spoelen 40 en 42 hetzij worden gevormd door een paar enkel- of meerkringsstroomkringen met stromen gelijk in grootte en tegengesteld in richting. Bijvoorbeeld kunnen de spoelen 40 en 42 een zadel spoel 15 vormen.

Andere uitvoeringsvormen die de gradiëntspoelen 40 en 42 gebruiken in samenhang met een radiaal axiaal symmetrisch B0 ontwerp zijn mogelijk. Bijvoorbeeld en onder verwijzing naar figuur 9 kunnen in een ander NMR gereedschap 61 de permanente magneten 32 en 34 20 vervangen worden door een cirkel vormige permanente magneet 62, die bijvoorbeeld rond de huls 36 gaat en tussen de spoelen 40 en 42 geplaatst is. De magneet 62 produceert B0 veldlijnen die zich axiaal uitstrekken evenwijdig aan de as van het gereedschap 61. Om B; in hoofdzaak evenwijdig aan B0 te maken moeten de stromen in de spoelen 25 40 en 42 in dezelfde richting stromen. Bij wijze van voorbeeld kan de bovenkant van de magneet 62 de noordpool vormen van de magneet 62 en kan de onderkant van de magneet 62 de zuidpool vormen.

Opstellingen anders dan de radiaal axisymmetrische B0 ontwerpen zoals hierboven beschreven zijn ook mogelijk. Bijvoorbeeld 30 kunnen gradiëntspoelen worden gebruikt met tweedimensionale (2-D) bipolaire B0 ontwerpen. Een voorbeeld van een 2-D bipolair B0 ontwerp kan worden gevonden in Amerikaans octrooi nr. 5.280.243 , getiteld "System For Logging a Well During the Drilling Thereof" verleend 18 januari 1994 aan Melvin Miller. Op deze manier kan een NMR gereedschap 35 68 die een 2-D bipolair B0 ontwerp gebruikt een ringvormige magneet 72 omvatten die een dipoolpatroon voor het B0 veld tot stand brengt 1013602 20 zoals getoond in figuren 10 en 11. In tegenstelling tot hun tegenhangers in de gereedschappen 60 en 61 zijn de RF spoelen 73 en 74 niet concentrisch met de longitudinale as van het gereedschap 68, maar veel meer zijn de RF spoelen 73 en 74 opgesteld om een dipoolpatroon te 5 produceren in het B, veld zodat de contourlijnen van het B, veld hoofdzakelijk loodrecht op de contour! i jnen van het B0 veld in het resonantiegebied staan. Het gereedschap 68 kan gradiëntspoelen 76 en 77 omvatten, die elk één of meer rechthoekige kringen omvatten om een gradiëntveld te produceren dat uitgelijnd is met het B0 veld in het 10 interessegebied dat tot stand gebracht is door de magneet 72.

Derhalve voeren als een gevolg van de bovenbeschreven opstellingen de spins een precessie uit rond ω0 -r ω c9rad,ent. Het grootste effect treedt op als beide vectoren evenwijdig zijn. Derhalve kan als gevolg van deze techniek Δω gevarieerd worden zonder ü/rf te 15 variëren. Dit is voordeliger dan het variëren van wrf omdat de bandbreedte van een antenne met een hoge kwaliteitsfactor het gebied van mogelijke variatie voor wrf beperkt (zonder de antenne opnieuw af te stellen hetgeen onpraktisch is gedurende een verzadigingsseqentie in ieder geval als dat wordt gedaan door het verwisselen van conden-20 satoren onder gebruikmaking van mechanische schakelaars). In enkele uitvoeringsvormen kan een nadeel van deze methode zijn de betrekkelijk grote hoeveelheid energie, die nodig is om de elektromagneet aan te drijven (vergeleken met het gebruik als een beeldvormingsinstrument) als het moet worden afgevuurd met variërende amplitudes tijdens de 25 verzadigingsopeenvolging. Er zijn verschillende manieren om de gradiëntspoel (of spoelen) te gebruiken: • Een in hoofdzaak constante stroom wordt tot stand gebracht in de gradiëntspoel gedurende één puls (van het

Bi veld) om effectief de straal van het resonantiegebied 30 voor deze puls te verschuiven.

• De stroom in de gradiëntspoel wordt gevarieerd tijdens één puls (van het B, veld) om een "zwaai" puls teweeg te brengen zonder de frequentie van de rf puls te variëren. Afhankelijk van de actuele parameters kan de zwaaipuls 35 een bepaald gebied inverteren, aanslaan of verzadigen.

Deze techniek kan worden gebruikt in een inversie- 1 01 3602 21 herstelopeenvolging (in plaats van een verzadigings-opeenvolging) om een groot gebied rond het NMR gereedschap te inverteren.

• De gradiëntspoel wordt afgevuurd tussen de pulsen (van 5 het B, veld) om mogelijk bewaard gebleven dwars- magnetisatie te vernietigen. Als de duur van de gradiëntpuls (genaamd tgrad) zo kort is dat de variatie van α= ω ^dien’ over het verzadigingsgebied ver waarloosbaar is dat vergelijkbaar met het stochastisch 10 variëren van de fase van de pulsen van het g veld.

• De stroom in de gradiëntspoel tezamen met iedere puls van het B, veld worden gepulseerd.

• De gradiëntspoel kan worden gebruikt om de stochastische of continue variaties zoals bovenbeschreven teweeg te 15 brengen.

Andere gebruiken van de gradiëntspoel zijn mogelijk.

De pulstreinkarakteristieken van de CPMG opeenvolging kunnen ook stochastisch worden gevarieerd. Bijvoorbeeld kan de fase van RF draaggolfpuls op willekeurige wijze (random) worden gevarieerd 20 om willekeurig bijvoorbeeld 0°, 90°, 180° en 270° pulsfasen teweeg te brengen (tenminste deze pulsfasen zijn aanwezig in normale NMR spectrometers). Onder verwijzing naar figuur 18 (die een grafische contourweergave 90 van relatieve signaalverliezen voor verschillende echo-aantallen toont) en figuur 19 (die een grafische contourweergave 25 92 van relatieve signaalverliezen voor verschillende echo-aantallen toont indien gemiddeld over een volumedikte van ± 0,75(^) is een voorbeeld getoond waar de pulsen willekeurig worden gegenereerd en het gereedschap 60, 35 niet beweegt. Met uitzondering van het willekeurig maken van de pulsfasen zijn alle spin- en pulsparameters hetzelfde als 30 in de bovenbeschreven voorbeelden.

Zoals kan worden gezien brandt de verzadiging brede en goed gescheiden strepen in de spinverdeling. De breedte van het verzadigingsgebied is kleiner dan de breedte van het gebied teweeg gebracht door de door de beweging beïnvloede CPMG opeenvolging, maar 35 het verzadigingsprofiel is veel gladder dan één gecreëerd met een CPMG opeenvolging. Dit geeft aan dat er een tradeoff is tussen de uitge- 1013602 22 breidheid van het resonantiegebied (onder gebruikmaking van coherente eigenschappen) en betrouwbare kwantitatieve verzadigingsprofielen (onder gebruikmaking van stochastische eigenschappen). Opgemerkt dient te worden dat de profielen teweeg gebracht door de CPMG opeenvolging 5 ook een gladdere vorm zullen verschaffen voor spins met ll2 (hier 100 rns)«tm (hier 50 ms) waar tm de duur is van de CPMG opeenvolging. Het optreden van beweging gedurende verzending van de willekeurige faseopeenvolging doet de prestaties ietwat toenemen maar het profiel blijft glad.

10 De strepen van onvolledige verzadiging treden op omdat niet ieder gat gebrand is met dezelfde "snelheid". Afhankelijk van de positie van Δω kunnen sommige gaten zelfs volledig worden onderdrukt zoals kan worden gezien bijvoorbeeld in figuur 20 waar ieder vierde gat ontbreekt. De positie van deze onvolledig verzadigde plaatsen 15 hangt af van de duur van de herfocusseringspul s: niet-resonantie, een pulsduur tp doet een spin over de hoek a(<\co) = -J~ co co' tp rond zijn "effectieve rotatie-as" roteren, welke rotate-as in de richting ω, Δω wijst. De onverzadigde "knopen" verschijnen waar a een veelvoud is van 2n. Daarom kunnen deze plaatsen ook worden verzadigd door het 20 variëren van w^t,,.

Dit effect is weergegeven in figuur 20 (welke een grafische contourweergave 94 van relatieve signaalverliezen voor verschillende echo-aantallen geeft) en figuur 21 (welke grafische weergaven 96 van relatieve signaalverliezen voor verschillende echo-aantallen geeft 25 indien gemiddeld over een radiaal volumedikte van ± 0,75(^) voor het voorbeeld van langzaam toenemende pulslengte (aangegeven met "tp" in figuur 12). In deze simulatie werd de pulslengte lineair vergroot van 125 ps (een 180° puls) voor de eerste herfocusseringspuls tot 250 ps (een 360° puls) voor de honderdste herfocusseringspuls terwijl tfree (de 30 afstand tussen pulsen zoals weergegeven in figuur 12) vast werd gehouden. Alle andere parameters zijn hetzelfde als in het voorgaande voorbeeld. Het resulterende verzadigingsprofiel is gladder en lichtelijk breder dan zonder variatie van de pulsbreedte.

Opnieuw kan, in het algemeen, het verzadigingseffect van de 35 pulsopeenvolging worden geoptimaliseerd voor een bepaald bewegings- gebied door de verschillende parameters van de opeenvolging te 1013602 23 variëren zoals te, die ongeveer omgekeerd evenredig is met de scheiding tussen de ingebrande gaten, tp, de pulsfasen, etc. en trading off tussen coherente en stochastische eigenschappen.

De voorgaande voorbeelden van verzadigingsopeenvolging 5 gebruikten het ver-buiten-resonantie-gatbrandeffect om verzadiging teweeg te brengen. Zoals hierboven reeds vermeld doet een puls met duur tp een spin die buiten resonantie is, draaien over de hoek Ct (bin) die altijd groter is dan de nominale hoek waarover de puls de spin doet omklappen α(0). Daarom geldt voor herfocusserende pulsen met 10 α(0)=180° (dit is "180 graden pulsen") altijd α(Δω)>180° buiten resonantie. Anderzijds vindt optimale excitatie en derhalve optimale excitatie buiten resonantie plaats als α(Δω)=(2η+1)·180°. Dan is de effectieve omklaphoek waarover een spin wordt weggedraaid van de ( Λ 15 longitudinale as gelijk aan 0=0max met 0„,3χ=α(Δω)=2 arctan^j hetgeen de maximale effectieve hoek is waarover de spin omklapt voor een gegeven Δω. Daarom kan gebruiken van 180° pulsen hoek verspilling van energie zijn om buiten resonantieverzadiging teweeg te brengen.

20 Figuren 22 en 23 geven de afhankelijkheid weer van het verzadigingsprofiel (gemiddeld over een resonantieschildikte) van a(0) van de in de opeenvolging gebruikte herfocusseringspulsen. De fasen worden stochastisch gevarieerd zoals hiervoor beschreven. In figuur 22 zijn relatieve signaalverliezen 98 weergegeven voor de tfree vrije 25 evolutietijd (dit is het tijdsinterval tussen herfocusseringspulsen zoals weergegeven in figuur 12) welke gezet is op 375 ps en in figuur 23 zijn relatieve signaalverliezen 100 weergegeven met de tfree tijd gezet op nul. In beide figuren 22 en 23 zijn de signaalverliezen 98 en 100 weergegeven voor 1 tot 100 pulsen voor de hoek waarover de spin 30 omklapt van 9°, 20°, 30°, 45°, 90° en 180° als functie van Δω. De verschillende hoeken waarover de spin omklapt worden teweeg gebracht door het variëren van de tp pulsduur. Zoals kan worden gezien zijn de signaalverl iesverdel ingen bijna identiek voor verschillende tfree tijden en derhalve wordt het verzadigingspatroon onder stochastische fase-35 variatie hoofdzakelijk bepaald door de pulsduur en niet door de duur van de vrije evolutieperiode.

1 01 360 2 24

De minimale pulsduur, die kan worden gebruikt met een gegeven hardware wordt bepaald door de stijgtijdconstante (genaamd tr) van de puls. Als tp<3tr dan bereikt de puls niet het maximum w, voordat hij wordt uitgeschakeld en hij wordt heel snel minder effectief als tp 5 verder wordt gereduceerd. Voor een NMR apparaat dat gegevens opneemt in een bron is een goede schatting dat tr=5...30 /vs.

Als tp afneemt wordt het verzadigingsgebied groter. Van praktische interesse is vooral het gebied met

Ia I If2π)2 " 10 |Δώ>|< ί — -ω,- , V V rp ) dat is het gebied met 0ί(Δω)2π binnen de twee binnenste onverzadigde knopen. De maximale hoek 6max waarover de spin omklapt neemt af met toenemende Δω. Daarom hoe breder het verzadigingsgebied hoe meer 15 pulsen nodig zijn om verzadiging teweeg te brengen in de buitenste delen van het gebied. Als de verzadigingstijdconstante Ts dan kunnen alleen spins met Tx > Ts volledig verzadigd worden. Daarom moet een tradeoff worden gemaakt tussen verzadingsbandbreedte en kleinste Tj die nog verzadigd kan worden. Dit toont ook aan dat het in enkele uit-20 voeringsvormen van voordeel is om de opeenvolging zo kort mogelijk te houden door tfree te minimaliseren tot de kleinst mogelijke waarde die kan worden verkregen met de beschikbare hardware (de hier bedoelde hardware problemen kunnen omvatten faseschakeltijd, pulsstijg- en vervaltijden en het overbelasten van de RF elektronica met lange 25 continue RF pulsen).

Figuren 24 en 25 geven de verliezen 102 en 104 weer voor opeenvolgingen met (figuur 24) respectievelijk zonder (figuur 25) tfree. De verliezen 102 en 104 worden getoond voor verschillende relaxatietijden. Met tfree = 375jL/s is de opeenvolging van 100 herfocusserings-30 pulsen 40 ms lang en zonder de vrije evolutieperiode is de opeenvolging slechts 2,5 ms. Voor een nominale hoek Cü(0) = 35° waarover de spins omklappen zijn beide opeenvolgingen in staat om spins met relaxatietijden van de vrije vloeistof (Tl > 50 ms) in verzadiging te brengen, maar de opeenvolging zonder vrije evolutieperiode is in staat 35 om spins met een 20 maal kleinere ^ te verzadigen hetgeen nodig is indien men spinverdelingen binnen de gebonden vloeistof wil oplossen.

1013602 25

In beide gevallen is de energie nodige om verzadiging teweeg te

3S

brengen ^ maal de energie voor een enkele 180° her- focusseringspuls hetgeen geen serieus probleem moet voorstellen voor 5 onder-in-het-boorgat NMR spectrometers die normalerwijze in staat zijn om treinen van honderden 180° herfocusseringspulsen teweeg te brengen vanuit energie opgeslagen in condensatoren gedurende tK.

In enkele uitvoeringsvormen zijn de profielen, gebrand met opeenvolgingen die een vrije evolutieperiode omvatten, ietwat gladder 10 dan de patronen gebrand met continue bestraling. Dit zou afkomstig kunnen zijn van een additioneel uit fase raken dat optreedt gedurende de vrije evolutieperiode die afwezig is in het tweede geval, maar het is niet kritiek. Bovendien als het gereedschap met axiaal symmetrische veldgeometrie verplaatst wordt over een afstand & , ondervindt iedere 15 spin afhankelijk van zijn azimutpositie een verschillende verplaatsing λ _ do)a/ .- in de frequentieruimte “ Zdr-Ar . Dit leidt tot een additionele effectieve afvlakking van het actuele verzadigingsprofiel.

In de simulaties werden de vier pulsfasen gekozen door 20 gebruikmaking van een random generator. Daarom varieerden de prestaties van een opeenvolging lichtelijk van simulatie tot simulatie. In enkele uitvoeringsvoorbeelden zou een vooraf bepaalde opeenvolging van fasen kunnen worden gebruikt om de verzadigings-prestaties te optimaliseren. In enkele uitvoeringsvormen kan een 25 optimale parametervariatie er een zijn zonder periodiciteit.

Samenvattend worden hierboven voorbeeldtechnieken beschreven voor het voorconditioneren van spins in de nabijheid van het NMR resonantiegebied. Deze technieken staan op polarisatie gebaseerde Tl metingen toe zelfs als het NMR meetapparaat (bijvoorbeeld het NMR 30 gereedschap 60 of 35) beweegt ten opzichte van het monster en deze technieken staan op polarisatie gebaseerde metingen toe tijdens ongestabiliseerde boringen, tenminste samen met een lage gradiënt zoals beschreven in Amerikaanse octrooiaanvrage serie nr. 09.033.965, hierboven genoemd. Om zonder stabilisator te kunnen werken maakt het 35 gereedschap meer "boormanvriendelijk" en verhoogt daardoor de bruik baarheid van een opnemen-tijdens-het-boren gereedschap in hoge mate.

1 01 36 02 26

Hoewel de uitvinding is beschreven met betrekking tot een beperkt aantal uitvoeringsvoorbeelden kan de vakman onder het voordeel van deze beschrijving vele modificaties en variaties daarvan bedenken. Het is de bedoeling dat de hierachter gevoegde claims al zulke modi-5 ficaties en variaties omvatten die vallen binnen de ware geest en beschermingsomvang van de uitvinding.

101 3602

Claims (20)

1. Werkwijze voor gebruik met een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve beweging tussen het apparaat en een 5 monster, welke werkwijze omvat: a) het produceren van een statisch magnetisch veld; b) het zenden van een eerste opeenvolging RF pulsen, welke eerste opeenvolging een parameter heeft; c) het variëren van de parameter gedurende het verzenden 10 van de eerste opeenvolging om een eerste gebied van het monster in feite te verzadigen; en d) het verzenden van een tweede opeenvolging RF pulsen om een resonantiegebied binnen het eerste gebied tot stand te brengen; en e) het meten van een eigenschap van het monster.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 waarin de parameter een omhullende is en de stap van het variëren van de parameter omvat de stap van het variëren van de omhullende.

3. Werkwijze volgens conclusie 2 waarin de stap van het variëren van de omhullende verder omvat de stap van het variëren van 20 de amplitude van de pulsen.

4. Werkwijze volgens conclusie 2 waarin de stap van het variëren van de omhullende verder omvat de stap van het variëren van de ruimte tussen de pulsen.

5. Werkwijze volgens conclusie 2 waarin de stap van het 25 variëren van de omhullende verder omvat de stap van het variëren van de duur van de pulsen.

6. Werkwijze volgens conclusie 1 verder omvattend de stap van het gebruiken van een RF draaggolfsignaal om de eerste opeenvolging RF pulsen te verzenden, waarin de parameter een fase van het RF draag- 30 golfsignaal is en de stap van het variëren van de parameter omvat de stap van het variëren van de fase.

7. Werkwijze voor gebruik met een NMR meetapparaat dat onderhevig is aan relatieve beweging tussen het apparaat en een monster welke werkwijze omvat: 35 a) het produceren van een statisch magnetisch veld; 1 01 3602 b) het zenden van een opeenvolging van RF pulsen welke opeenvolging tenminste één herfocusseringspuls omvat die tenminste één echo produceert vanuit een resonantiegebied van het monster; c) het in verzadiging brengen van een gebied groter dan het 5 resonantiegebied; en d) het meten van een eigenschap van het monster.

8. Werkwijze volgens conclusie 7 waarin de stap van het in verzadiging brengen omvat het tenminste eenmaal gedurende de verzending van de frequentie wijzigen van het statische magnetische veld 10 om een gebied te verzadigen dat groter is dan het resonantiegebied.

9. Werkwijze volgens conclusie 8 waarin de stap van het wijzigen van het statisch magnetische veld verder omvat de stap van het verzenden van tenminste één andere puls.

10. Werkwijze volgens conclusie 9 verder omvattend de stap om 15 het synchroniseren van verzending van de tenminste ene andere puls te doen plaats te vinden als de RF pulsen van de opeenvolging niet worden verzonden.

11. Werkwijze volgens conclusie 9 verder omvattend de stap om het synchroniseren van verzending van de tenminste ene andere puls te 20 doen plaats te vinden gedurende verzending van tenminste één RF puls.

12. Werkwijze volgens conclusie 7 waarin de verzadigingsstap omvat het verzenden van additionele RF pulsen om een gebied groter dan het resonantiegebied te verzadigen.

13. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies waarin de 25 relatieve beweging plaatsvindt als gevolg van beweging van het NMR apparaat.

14. Werkwijze volgens conclusie 1-12 waarin de relatieve beweging plaatsvindt als gevolg van beweging van het monster.

15. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies verder 30 omvattend de stap van het produceren van een axiaal symmetrisch statisch magnetisch veld met contourlijnen in het resonantiegebied welke contourlijnen in hoofdzaak recht zijn in een richting die in hoofdzaak uitgelijnd is met de longitudinale as van het NMR apparaat.

16. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies verder 35 omvattend de stap van het meten van de eigenschap van het monster tijdens het boren van een boorgat in een grondformatie. 1013602

17. Een NMR meetapparaat dat onderhevig kan zijn aan relatieve beweging tussen het apparaat en een monster omvattend: a) tenminste één magneet; b) tenminste één spoel; en 5 c) een pulsgenerator gekoppeld aan de spoel welke puls generator geschikt is om: i) een eerste opeenvolging RF pulsen te zenden met de spoel, welke eerste opeenvolging een parameter heeft; ii) het variëren van de parameter gedurende het 10 verzenden van de eerste opeenvolging om een eerste gebied van het monster in hoofdzaak te verzadigen; iii) het verzenden van een tweede opeenvolging RF pulsen met de spoel om een resonantiegebied binnen het eerste gebied tot stand te brengen; en 15 iv) het meten van een eigenschap van het monster.

18. Apparaat volgens conclusie 17 waarin de parameter een omhullende is en de pulsgenerator de omhullende varieert.

19. Apparaat volgens conclusies 17-18 waarin de relatieve beweging plaatsvindt als gevolg van beweging van het NMR apparaat.

20. Apparaat volgens conclusies 17-18 waarin de relatieve beweging plaatsvindt als gevolg van beweging van het monster. 1 01 3602