NO329409B1 - Fremgangsmate og apparat for NMR-bronnlogging - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter og anordninger for å bestemme egenskaper i grunnformasjoner som omgir et borehull, og mer spesielt kjernemagnetisk resonanslogging under anvendelse av pulssekvenser som forbedrer ytelsen.

Generell bakgrunn for kjernemagnetisk resonansbrønnlogging (NMR-brønnlogging) er f.eks. gitt i US-patent 5,023,551. Ved NMR-operasjoner blir kort sagt kjernespinnene polarisert langs et ytre påtrykt, statisk magnetfelt, som antas å være i z-retningen. Vektorsummen av det magnetiske moment fra individuelle kjerner er en makroskopisk magnetisk dipol kalt magnetiseringen M0. Magnetiseringen er normalt innrettet med det statiske magnetfelt, men likevektssituasjonen kan forstyrres av en puls fra et oscillerende magnetfelt (dvs. en Rf-puls generert av en RF-antenne), som dreier magnetiseringen fra den statiske feltretningen. Lengden av RF-pulsen kan justeres for å oppnå en foreskrevet dreievinkel, slik som 90 grader, 180 grader, osv. Etter dreining skjer to ting samtidig. Først preseserer spinnene omkring det statiske felt ved Larmor-frekvensen, gitt ved <g>oo=yB0, hvor B0 er styrken av det statiske felt og yer det gyromagnetiske forhold. For hydrogenkjerner er y/27t=4258 Hz/gauss, slik at for et statisk felt på eksempelvis 235 gauss vil presesjonsfrekvensen være 1 MHz. For det andre vender spinnene tilbake til likevektsretningen i henhold til en forfallstid T1, spinngitterrelaksasjonstiden. Tilknyttet magnetiseringen er også en annen relaksasjon kalt spinn/spinn-relaksasjonen med en forfallstid 12.

En meget brukt teknikk for innhenting av NMR-data både i laboratoriet og ved brønnlogging benytter en RF-pulssekvens kjent som CPMG-sekvensen (Carr-Purcell-Meiboom-Gill-sekvensen). Etter en ventetid som går forut for hver pulssekvens, kjent som polariseringstiden, dreier som kjent en 90 graders puls magnetiseringen til x-y-planet. Spinnene begynner å presesere omkring B0 og å avfase. Etter en viss tidsforsinkelse blir en 180 graders puls påtrykt for å få de spinn som defaser i transversalplanet, til å bli refokusert. Refokusering medfører et ekko som blir detektert ved hjelp av NMR-instrumentet. Ved gjentatt påtrykning av 180 graders pulser opptrer en rekke "spinnekko", og ekkotoget blir målt og behandlet.

Det har vist seg at "ringing" er et problem man støter på ved bruk av pulsede kjernemagnetiske resonansteknikker. Det finnes også to typer falsk ringing ved pulset NMR. Den første type er elektronisk ringing som oppstår fra transienteffektene til en elektronisk resonanskrets, og den blir bestemt av resonanskretsens karakteristikker. Den elektroniske ringing kan reduseres betydelig ved å bruke tidsstyrte kretser, slik som Q-svitsjeløsninger. Den annen type falsk ringing oppstår fra eksitering av de akustiske resonanser i eller omkring RF-antennestrukturen. [Se A.A.V. Gibson og R.E. Raab, "Proton NMR and piezoelectricity in tetramethylammonium chloride," J. Chem. Phys. 57, 4688-4693,

(1972); M.L. Buess, og G.L. Peterson, "Acoustic ringing effects in pulsed magnetic resonance probes," Rev. Sei. Instrum., 49,1151-1155, (1978); E. Fukushima, og S.B.W.

Roeder, "Spurious ringing in pulse NMR," J. Mag. Resonance, 33,199-203,

(1979); og R.L. Kleinberg, A. Sezginer, D.D. Griffin, og M. Fukuhara, "Novel NMR Apparatus for Investigating an External Sample," J. Mag. Res., 97, 466-485,

(1992).] Dette er magnetoakustisk ringing og kan vare opptil flere millisekunder. Den opptrer når frekvensen til den påtrykte RF-strøm tilsvarer minst én av de akustiske resonansmodi for RF-antennen eller dens omgivende struktur. Begge typer ringing er fasekoherente med den påtrykte RF-puls og kan derfor ikke kanselleres i motsetning til inkoherent støy, ved å stakke gjentatte målinger.

[Teknikker for håndtering av problemene med ringing i laboratorieutstyr er beskrevet i US-patent 4,438,400 og i følgende publikasjoner: I.P. Gerothanassis, "Methods Of Avoiding The Effects Of Acoustic Ringing In Pulsed Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy", Progress in NMR Spectroscopy, Vol. 19, sidene 276-329, 1987 (se seksjon 9,3 og se Note Added in Proof with regard to sequences with single echo sequences"); og S. Zhang, X. Wu, og M. Mehring, "Elimination Of Ringing Effects In Multiple-Pulse Sequences", Chemical Physics Letters, vol. 173, nr. 5.6, sidene 481-484,1990.]

Amplituden til ringingssignalet kan være stor nok til å mette mottakerkret-sene og gjøre dens respons på CMPG-ekkosignalet ulineært. Magnetoakustisk ringing kan reduseres ved å velge egnet materiale for RF-antennen og dens omgivende struktur (se f.eks. US-patent nr. 5,153,514), men det er meget vanskelig å eliminere akustisk ringing fullstendig ved mekaniske metoder alene, spesielt i brønnloggingsutstyr som har visse konstruksjonsbegrensninger vedrørende dets tilpasning til borehullsmiljøet. Denne ringingen kan være en hovedhindring for måling av parametere slik som totalporøsitet ved hjelp av magnetisk resonanslogging.

Det er blant formålene med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for hovedsakelig å eliminere virkningene av fasekoherent akustisk ringing i kjernemagnetisk resonansbrønnlogging.

Internasjonal (PCT-) søknad WO 98/43064 ble publisert 1. oktober 1998, og har tittel "Pulse sequence and method for suppression of magneto-acoustic artefacts in NMR data". Denne søknaden er rettet mot en fremgangsmåte for å ta seg av interferensproblemer som vanligvis oppstår fra sterke "eksiteringspulser" i en sekvens, forårsaket av mekaniske resonanser i et måleapparat. Fremgangsmåten anvender en teknikk for eliminasjon av virkningene av uønskede NMR-signaler som medfører forandring av målefrekvensen mellom pulssekvenser og midling av datapunkter som oppnås fra de forskjellige sekvensene på en måte som bevirker kansellering av de uønskede signalene. US patent nr. 4,438,400 ble utstedt 20. mars 1984 og har tittel "Method for suppression of acoustic ringing in NMR measurements". Patentet er rettet mot en fremgangsmåte for å ta seg av akustisk ringing overlagret på puls-eksiterte NMR-signaler. Mer spesielt støtter fremgangsmåten seg på gyromagnetisk resonans spektroskopi som benyttes på en montasje av gyromagnetiske resonatorer neddykket i et polarisert og magnetisk felt. US patent nr. 5,410,249 ble meddelt 25. april 1995 og har tittel "Method and apparatus for magnetic resonance imaging". Fremgangsmåten angår særlig det å undertrykke i betydelig grad artefakter i et bilde som resulterer fra en magnetisk resonans-operasjon. Internasjonal (PCT-) søknad WO 98/019175 ble publisert 7. mai 1998, og har tittel "Magnetic resonance apparatus håving a reduced dead time". Fremgangsmåten som beskrives i denne publikasjonen, angår spesielt en framgangsmåte for i vesentlig grad å redusere dødtiden for et magnetisk resonans-apparat slik at man kan gjenvinne FID-signaler med varighet kortere enn et mikrosekund.

I samsvar med en form av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det beskrevet en teknikk for å oppnå kjernemagnetiske resonansmålinger fra formasjoner som omgir et borehull, omfattende følgende trinn: å tilveiebringe en nedhulls loggeanordning som er bevegelig gjennom borehullet og gjennom formasjoner i hvilke et statisk magnetfelt er tilstede; å frembringe, fra den nedhulls loggeanordningen, en rekke perioder med pulssekvenser i formasjonene, hvor hver av pulssekvensene innbefatter i det minste en RF-eksiteringspuls og flere RF-refokuseringspulser, hvor rekken av pulssekvenser innbefatter minst en modifisert pulssekvens med minst en modifisert puls; å motta, ved den nedhulls loggeanordningen, spinnekkoer fra formasjonene for å tilveiebringe spinnekkosignaler som kan innbefatte uønskede ringingssignaler fra eksiterings-og refokuserings-pulsene, hvor den modifiserte pulsen forårsaker en forskyvning av en spinekko-polaritet for spinekkoene som er tilknyttet den modifiserte pulssekvensen i forhold til polariteten for uønskede ringingssignaler fra eksitasjonspulsen som er tilknyttet den modifiserte pulssekvensen; og å kombinere, i den nedhulls loggeanordningen, spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekkoer for hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler hvor uønsket ringing fra eksiteringspulsene og refokuseringspulsene i pulssekvensene er hovedsakelig kansellert. Det statiske magnetfelt kan være jordens magnetfelt eller et statisk magnetfelt frembrakt i loggeanordningen.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter trinnene med å frembringe perioder av pulssekvenser og kombinere spinnekkosignaler, å manipulere polaritetene til eksiterings- og refokuserings-pulsene for å oppnå hoved-

sakelig kansellering av den falske ringing fra eksiterings- og refokuserings-pulsene.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen omfatter også rekken av perioder med pulssekvenser fire perioder med pulssekvenser. I en form av denne utførelsen omfatter trinnet med å kombinere spinnekkosignaler fra samsvarende spinnekko i hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler, å kombinere samsvarende spinnekkosignaler fra to av periodene og subtrahere spinnekkosignalene fra de andre to periodene. Også i denne utførelsesformen har alle spinnekkosignalene i to av de fire periodene en polaritet som er motsatt den for alle spinnekkosignalene i de andre to av de fire periodene.

Ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen innbefatter trinnet med å frembringe en rekke perioder med pulssekvenser i formasjonene å frembringe en RF-inverteringspuls i noen av periodene med pulssekvenser, og trinnet med å motta spinnekko fra formasjonene for å frembringe spinnekkosignaler, innbefatter å motta spinnekko for å frembringe spinnekkosignaler som kan innbefatte falske ringingssignaler fra inverteringspulsene, og kombineringstrinnet innbefatter å kombinere spinnekko fra hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekko i hvilke falsk ringing fra inverteringspulsene i pulssekvensene

også er hovedsakelig kansellert. I en utførelsesform blir inverteringspulsen implementert før eksiteringspulsene i sine respektive perioder. Eksiterings- og inverteringspulsene kan kombineres i en enkelt puls i hver av et antall av pulssekvensene.

Ifølge én foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er eksiteringspulsene 90 graders pulser og refokuserings- og inverteringspulsene er 180 graders pulser.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen blir de fire sekvensene konstruert ved å bruke et sett med spesifikke konstruksjonsregler (beskrevet i detalj nedenfor) som definerer faseforholdene til de RF-pulsene som brukes i sekvensene. Ett eksempel på en firefaseperiode som tilfredsstiller disse reglene, er

hvor den første bokstav representerer rf-bærebølgefasen til RF-eksiteringspulsen og etterfølgende bokstaver representerer rf-bærebølgefasene til RF-refokuserings-pulsene (x=0 grader, y=90 grader, x=180 grader, y=270 grader). Alle faser blir målt i forhold til en (vilkårlig valgt) referansefase. Eksempler på andre mulige former av denne utførelsen innbefatter:

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det også tilveiebrakt et apparat for oppnåelse av kjernemagnetiske resonansmålinger fra formasjoner som omgir et borehull, omfattende en nedhulls loggeanordning som er bevegelig gjennom borehullet; en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å frembringe et statisk magnetfelt i formasjonene; og videre en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å frembringe en rekke perioder av pulssekvenser i formasjonene slik at hver av pulssekvensene innbefatter i det minste en RF-eksiteringspuls og flere RF-refokuseringspulser og slik at rekken av pulssekvenser innbefatter minst en modifisert pulssekvens med minst en modifisert puls; videre en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å motta spinnekkoer fra formasjonene for å frembringe spinekkosignaler som kan innbefatte uønskede ringingssignaler fra eksiterings- og refokuserings-pulsene; samt en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å kombinere spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekkoer fra hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler i hvilke uønsket ringing fra eksiteringspulsene og refokuseringspulsene i pulssekvensene er hovedsakelig kansellert.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil lettere fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse sett i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvor: fig. 1 er et skjematisk diagram, delvis i blokkform, over et brønnloggings-apparat som kan brukes ved praktisering av utførelsesformer av oppfinnelsen;

fig. 2 er et blokkskjema over kretser som kan benyttes i forbindelse med utførelsesformer av oppfinnelsen, slik som utførelsesformen på fig. 1;

fig. 3 er et diagram over en CPMG-pulssekvens;

fig. 4 er en graf som illustrerer den type akustisk ringing som er et resultat av RF-pulser av den type som benyttes i en CPMG-pulssekvens;

fig. 5 er en graf over CPMG-pulssekvensen på fig. 3, med en illustrasjon av akustisk ringing overlagret på denne;

fig. 6A og 6B viser henholdsvis en positivt-gående og en negativt-gående RF-puls og den type fasekoherent akustisk ringing som er et resultat av dette. Disse figurene benytter den samme representasjon for +x og +y-pulser (positivt-

gående), og benytter den samme representasjon for -x og -y-pulser (negativt-gående). Denne forenklingen er for å lette illustrasjonen;

fig. 7 er et diagram over en første periode av en fasevekslet parpuls-sekvens;

fig. 8 er et diagram over en annen periode av en fasevekslet parpuls-sekvens. For tydelighetens skyld er den akustiske ringing ikke vist;

fig. 9 er et diagram over en sum av de første og andre perioder av den fasevekslede parsekvens som viser hvordan ringingen fra 180 graders-pulsene blir eliminert, men den fasekoherente akustiske ringing fra 90 graders-pulsene adderes i fase, samt dets faseforhold med ekkoene;

fig. 10 er et diagram over en tredje periode av en pulssekvens som benyttes i en utførelsesform av oppfinnelsen;

fig. 11 er et diagram over en fjerde periode for en pulssekvens som blir benyttet i en utførelsesform av oppfinnelsen;

fig. 12 er et diagram over en sum av de tredje og fjerde perioder med pulssekvenser, som viser hvordan den fasekoherente akustiske ringing fra 90 graders-pulsene adderes i fase, samt dens faseforhold til ekkoene;

fig. 13 er et diagram som representerer differansen mellom to par perioder av de mottatte samsvarende ekko for de fire perioder med pulssekvenser i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen, og er også nyttig når det gjelder å illustrere hvordan fasekoherent akustisk ringing fra 90-graders- og 180-graders-pulsene blir kansellert;

fig. 14 er et pulssekvensdiagram som illustrerer virkemåten til en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen;

fig. 15 er et pulssekvensdiagram som illustrerer virkemåten av en variant av den ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen;

fig. 16 er et flytskjema over en rutine for å styre en prosessor for praktisering av en utførelsesform av oppfinnelsen; og

fig. 17 er et flytskjema over en rutine for å styre en prosessor for praktisering av en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen.

Det vises til fig. 1 hvor det er vist en anordning for undersøkelse av undergrunnsformasjoner 31 som gjennomskjæres av et borehull 32, som kan benyttes ved praktisering av utførelsesformer av oppfinnelsen.

Et undersøkelsesapparat eller en loggeanordning 30 er opphengt i borehullet 32 i en armert kabel 33 hvis lengde hovedsakelig bestemmer den relative dybden til anordningen 30. Kabellengden blir styrt ved hjelp av egnede midler på overflaten, slik som en trommel- og vinsj-mekanisme (ikke vist). Overflateutstyr, representert ved 7, kan være av konvensjonell type og kan innbefatte et prosessordelsystem som kommuniserer med nedhullsutstyret.

Loggeanordningen kan være enhver egnet kjernemagnetisk resonans-loggeanordning, f.eks. av den type som er beskrevet i US-patent 5,055,788 for bruk ved kabellogging, eller av en type som kan anvendes ved måling under boring. Som beskrevet i det sist refererte patent, omfatter anordningen 30 en magnetgruppe for frembringelse av et statisk magnetfelt i formasjonene, og en radiofrekvens-antenne (RF-antenne) for å frembringe pulser for et RF-magnetfelt i formasjonene, og for å motta spinnekkoene fra formasjonene. Alternativt kan det statiske magnetfelt være jordens magnetfelt.

Fig. 2 viser i forenklet form, kretser av den generelle type som er angitt i US-patent 5,055,788 for å frembringe RF-pulsene og for å motta og behandle spinnekkoene. For ytterligere detaljer vises til nevnte patent.

Det vises fremdeles til fig. 2 hvor prosessordelsystemet nede i borehullet er representert ved 210. Prosessordelsystemet 210 har et tilknyttet lager, tidskretser, grensesnitt og periferienheter (ikke vist), og er velkjent på området. Prosessordelsystemet er på konvensjonell måte koplet til telemetrikretsene 205 for kommunikasjon med jordoverflaten. En oscillator 220 produserer radiofrekvente signaler ved den ønskede resonansfrekvens eller -frekvenser, og utgangen fra oscillatoren er koplet til en fasedreier 222 og så til en modulator 230, som begge er under styring av prosessordelsystemet 210. Fasedreieren og modulatoren kan styres på kjent måte for å frembringe de ønskede pulser av RF-feltet, for eksempel de 90-graders og 180-graders pulser som anvendes i utførelsesformer av oppfinnelsen. Som f.eks. beskrevet US-patent 5,055,788 kan oscillatoren 220 være et antall oscillatorer som benyttes på en måte som letter genereringen og den endelige deteksjon av de ønskede signaler. Utgangen fra modulatoren 230 er koplet via en kraftforsterker 235 til RF-antennen 240. En Q-svitsj 250 kan være anordnet for kritisk å dempe RF-antennesystemet for å redusere antenneringing. Antennen 240 er også koplet til en mottakerseksjon via en duplekser 265 hvis utgang er koplet til en mottakerforsterker 270. Duplekseren 265 beskytter mottakerforsterkeren 270 fra de høyeffektspulsene som passerer til RF-antennen 240 under sende- og dempe-modiene. Under mottakermodus er duplekseren 265 effektivt bare en lavimpedansforbindelse fra antennen til mottakerforsterkeren 270. Utgangen fra mottakerforsterkeren 270 er koplet til en dobbel fasefølsom detektor 275 som også mottar, som en referanse, et signal utledet fra oscillatorsignalet. Den detekterte utgang er koplet til en analog/digital-omformer (A/D-omformer) 280 hvis utgang er en digital versjon av det mottatte kjernemagnetiske resonanssignal.

Selv om loggeanordningen eller apparatet 30 er vist som et enkelt legeme, kan det alternativt omfatte separate komponenter, og apparatet kan kombineres med andre loggeapparater. Selv om en kabel er illustrert, kan også alternative former for fysisk understøttelse og kommunikasjonsforbindelse benyttes, f.eks. i et system for måling under boring.

Fig. 3 illustrerer et eksempel på en CMPG-sekvens. [Det kan bemerkes at

prinsippene her ikke er begrenset til å forbedre ringingsimmunitet i pulssekvenser av CPMG-type.] Etter passende forpolarisering med det statiske felt blir det påtrykt en 90x RF-eksiteringspuls 311. Det frie induksjonsforfall er illustrert ved 315. Etter en tid x blir en 180y RF-refokuseringspuls 318 påtrykt, og et spinnekko 320 blir oppnådd ved omkring 2%. Sekvensen med påtrykte refokuseringspulser og oppnådde spinnekko blir så gjentatt mange ganger ved en typisk NMR-loggeanvendelse. Spinnekkoene kan behandles på konvensjonell måte for å oppnå, f.eks., fordeling av T2, porøsitet og/eller andre formasjonskarakteristikker.

Fig. 4 er en forenklet illustrasjon av den type akustisk ringing som kan resultere av RF-pulser, slik som de som er vist på fig. 3. Pulsen 322 resulterer i akustisk ringing 325 som kan representeres som en dempet oscillasjon. Diagrammet på fig. 5 viser pulssekvensen og ekkoene som på fig. 3, men omfatter ringingen fra hver puls (merket 325a, 325b, 325c), som er en del av det totale signalet sett fra mottakeren som benyttes til å detektere spinnekkoene, og kan ha en ødeleggende virkning på deteksjonsprosessen. Diagrammet på fig. 6A og 6B viser henholdsvis ringingen (merket 351 og 352) som er et resultat av pulsene 341 og 342 med motsatt polaritet, dvs. at bærebølgefasene til de to pulsene er atskilt med 180 grader. Det kan ses at ringingen er fasekoherent med RF-pulsen; dvs. at den følger fasen til RF-pulsen. Derfor kan den ikke midles ut ved teknikker slik som stakking, som blir benyttet til å redusere inkoherent støy.

Fig. 7, 8 og 9 viser et eksempel på en kjent variant av CPMG, kalt "fasevekslet par", eller "PAP", som har visse driftsmessige fordeler, innbefattende eliminering av ringing fra 180 grader pulsene. PAP innbefatter to pulssekvensperioder. Den første av pulssekvensperiodene er illustrert på fig. 7, som er maken til pulssekvensen på fig. 3.1 dette tilfellet er 90x RF-pulsene representert ved 711, det frie induksjonsforfall er representert ved 715, den første 180y puls er representert ved 718, det første spinnekko er representert ved 720, og de etterfølgende 180y pulsene og spinnekkoene er igjen umerket. Den annen pulssekvensperiode i PAP er illustrert på fig. 8.1 dette tilfellet er fasen til eksiteringspulsen reversert sammenlignet med sekvensen på fig. 7. Etter 90.x eksiteringspulsen 811, blir det benyttet en 180y refokuseringspuls 818, noe som resulterer i et spinnekko 820 (med den vanlige gjentakelse av refokusering og spinnekko). To observasjoner kan gjøres. For det første har 90 grader eksiteringspulsen på fig. 8 motsatt polaritet i forhold til sitt motstykke på fig. 7, noe som gjør at spinnekkoene (som blir detektert i y-retningen) har motsatt polaritet. For det annet, som bemerket ovenfor i forbindelse med fig. 6A og 6B, er den akustiske ringing fasekoherent slik at den akustiske ringing fra motsvarende 180 grader pulser i de to pulssekvensperiodene (på fig. 7 og 8) vil ha de samme polariteter. De detekterte signaler fra de to pulssekvensperiodene (på fig. 7 og 8) kan derfor subtraheres, og dette vil addere de detekterte spinnekkosignaler, men vil hovedsakelig kansellere den koherente ringing som er et resultat av 180 grader pulsene. Dette er begrepsmessig representert i diagrammet på fig. 9 som skisserer differansen mellom den første pulssekvensperiode (på fig. 7) og den annen pulssekvensperiode (på fig. 8). (Diagrammet på fig. 9 er ikke i skala. Spinnekkoene adderes.] Diagrammet på fig. 9 viser også en begrensning ved PAP-teknikken; nemlig at den akustiske ringing fra 90 grader pulsene vil adderes, og denne ringingen vil ha en tendens til å forvrenge i det minste de første få spinnekko, ofte bare det første spinnekko, noe som kan være en alvorlig ulempe ved bestemmelse av T2-fordelingene og formasjonens totale porøsitet. På fig. 9 er den akustiske ringing fra 90 grader pulsene representert ved 980. Som vist vil denne ringingen bli detektert i forbindelse med i det minste de første få spinnekko.

I forenklet ligningsform kan de signaler som ses av mottakeren for den første pulssekvensperiode (fig. 7) representeres som

og det signal som ses av mottakeren for den annen pulssekvensperiode (fig. 8) kan representeres som Differansen mellom disse signalene er derfor hvor R90 er den akustiske ringing fra 90 grader pulsen, R180 er den akustiske ringing fra 180 grader pulsene, og ECHO er et spinnekkosignal. Ringingssignalet forårsakes generelt av overlagringen av mange akustiske modi, og den forfaller i henhold til

hvor A, er amplituden, r, er dempningshastigheten, cq er frekvensen og tø er fasen til den j. akustiske modus. Dempningshastigheten har vist seg å være i størrelsesorden 100 Hz, noe som fører til ringingssignaler som varer flere millisekunder. Ringingssignalet for 90 grader påvirker derfor hovedsakelig intensiteten av de første par ekko som bekreftet under forsøk.

Ved brønnlogging kan de første par ekko være avgjørende for måling av korte T2-komponenter og den totale porøsitet. Det blir derfor foretrukket å undertrykke ringingssignalet så meget som mulig. Betydelige anstrengelser er blitt gjort for å undertrykke ringingen ved hjelp av kretskonstruksjon (se f.eks. US-patent 5,153,514). Selv om man ved omhyggelig utforming av kretser kan minske ringingen, er det vanskelig å eliminere denne uønskede effekten fullstendig. Dette gjelder spesielt for loggeapparater som må være robuste og arbeide under ek-streme miljøforhold med hensyn til temperatur, vibrasjon, osv. i et omsluttende borehull.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen kan PAP-pulssekvensperiodene følges av (eller gå foran, rekkefølgen av de enkelte pulssekvenser er ikke kritisk) to ytterligere pulssekvensperioder som er utformet får tilveiebringe detekterte signaler som igjen vil innbefatte en sum av ringingssignalene fra 90 grader pulsene (dvs. 2R90), men hvor ekkopolariteten vil være reversert i forhold til det foregående tilfelle (dvs. å oppnå summen -2ECHO). (Periodene kan også splittes opp. Alle fire sekvenser kan fritt omordnes). Ved å subtrahere dette resultatet fra det foregående resultat (i (3) ovenfor), vil så R90-komponentene bli subtrahert bort og ECKO-komponentene vil adderes. Dette er illustrert på fig. 10-13. Fig. 10 viser tredje pulssekvensperiode som anvender en 90x eksiteringspuls 1011, og en 180x refokuseringspuls 1018. Det første spinnekko som har en negativ polaritet, er merket 1020. Den neste refokuseringspuls er en 180y puls 1038 fulgt av et annet spinnekko 1040 med negativ polaritet. [De etterfølgende 180y pulsene og spinnekkoene blir gjentatt, men er ikke merket.] Fig. 11 illustrerer den fjerde periode for denne utførelsesformen. I denne pulssekvensperioden har 90.x eksiteringspulsen 1111 motsatt polaritet i forhold til sitt motstykke på fig. 10, fulgt av en første refokuseringspuls 1118 som er en 180x puls. Denne blir fulgt av et spinnekko 1120 som har positiv polaritet. Så blir en annen refokuseringspuls 1138, som er en 180y puls, fulgt av et annet spinnekko 1140 med positiv polaritet.

[De etterfølgende 180y pulsene og spinnekkoene er ikke merket.]

Det kan således observeres at ved å anvende pulssekvensene i de tredje og fjerde perioder (henholdsvis fig. 10 og 11) har de 90 grader eksiteringspulsene og spinnekkoene alle motsatte polariteter, og 180 grader pulsene har de samme polariteter. Når derfor de motsatte signaler fra de tredje og fjerde perioder med pulssekvenser blir subtrahert, vil den akustiske ringing fra de tilsvarende 180 grader pulsene hovedsakelig bli kansellert, og de tilsvarende spinnekko vil bli addert. Dette er skjematisk representert på fig. 12 som skisserer summen av den tredje pulssekvensperiode (på fig. 10) og den fjerde pulssekvensperiode (på fig.

11). [Igjen er diagrammet på fig. 12 ikke i skala. Spinnekkoene med negativ polaritet adderes.] I diagrammet på fig. 12 adderes den akustiske ringing fra 90 grader pulsene for å gi ringing 1280. Igjen kan det ses at denne ringingen vil bli detektert i forbindelse med i det minste de første par spinnekko. I dette tilfelle kan signalene som ses av mottakeren for pulssekvensen i den tredje periode (fig. 10), i forenklet ligningsform, representeres som

og signalene som ses av mottakeren for pulssekvensen i den fjerde periode (fig. 11) kan representeres som Differansen mellom disse signalene er derfor hvor R90 igjen er den akustiske ringing fra 90 grader pulsen, R180 er den akustiske ringing fra 180 grader pulsene, og ECHO er et spinnekkosignal. Fig. 13 er en begrepsmessig representasjon av resultatene av subtraheringen av de mottatte signaler som er representert i uttrykk (7) [dvs. summen av de tredje og fjerde perioder med pulssekvenser] fra de mottatte signaler som er representert i uttrykk (3) [dvs. summen av de første og andre perioder med pulssekvenser]. Ringingen fra 90 grader pulsene vil bli subtrahert, og spinnekkosignalene vil bli addert. [Ringingen fra 180 grader pulsene var allerede fjernet fra hver av summene som er representert ved uttrykkene (7) og (3), som beskrevet tidligere]. Dette kan også demonstreres direkte fra subtraksjonen av uttrykk (7) fra uttrykk (3), på følgende måte:

Som uttrykk (8) viser, benytter denne utførelsesformen av oppfinnelsen fire faseperioder for å eliminere den akustiske ringing som forårsakes av både eksiterings- og refokuserings-pulsene. Generelt bør pulssekvensene i firefaseperioden ifølge denne utførelsesformen fortrinnsvis oppfylle kravene til øyeblikkelig summering. Selv om fasene til pulsene så langt i beskrivelsen er begrenset til de vanlige ortogonale faser x, y, -x, -y, er det et aspekt ved oppfinnelsen at det er et fast forhold mellom fasene til defokuseringspulsene, og forholdet er ikke begrenset til de ovenfor antydede fire faser. [Fasen til eksiteringspulsen er kalt <|>0. Valget av denne fasen er vilkårlig, så for det følgende er (|>0 = 0 grader. Alle faser skal forstås å være relative til <))0.] Kravene til denne utførelsesformen er som følger: (1) Ringing fra den første refokuseringspuls blir eliminert innenfor et par sekvenser ved å invertere fasen til eksiteringspulsen i forhold til fasen til den første refokuseringspuls (dvs. at deres fasedifferanse endres med 180 grader) fra én sekvens til en annen (PAP). Dette forholdet blir brukt mellom fig. 7 og 8, og også mellom fig. 10 og 11. (2) Ringing fra de gjenværende refokuseringspulser blir enten eliminert som beskrevet under krav (1) eller ved å invertere fasen til de gjenværende refokuseringspulser mellom sekvenser med de samme <|>0 og forskjellige <|>1. Eksempelet ovenfor benytter den første løsning. (3) Ringing fra eksiteringspulsen blir eliminert innenfor et par sekvenser ved å dreie fasen, <j>1a, til den første refokuseringspuls i én sekvens med +90 grader eller -90 grader i forhold til fasen til den første refokuseringspuls,

<t>1b, i den andre sekvensen. Dette forholdet blir brukt mellom figurene 7 og 10, og også mellom fig. 8 og 11. Figurene viser det spesielle tilfellet med krav (3) som kan implementeres:

<t>1 a = 0 grader eller 180 grader for én sekvens, og

(|>1 b = 90 grader eller -90 grader for den annen. De gjenværende refokuseringspulsene i en sekvens er identiske. (4) For optimal kastvinkel og feilkorreksjon utenfor resonans blir fasene <f>2 til de gjenværende refokuseringspulsene valgt å være de samme som eller motsatt av fasene til ekkoene, dvs. at §2 = 90 grader -2<|>1a eller 270 grader -2<(>1a (som for spesialtilfellet ovenfor blir <J>2 = +90 grader eller -90 grader). Begge valg kan være tilstede i den samme faseperiode så lenge deres ringing blir eliminert etter faseperioden (se krav (2)). For å korrigere for

ufullkommenheter i kretsene (mottakerens DC-forskyvning) er det et ytterligere krav: (5) fasene til eksiteringspulsene fra én sekvens til den annen bør velges slik at ekkoene i de to parene med ekkotog har motsatt fase, f.eks. har ekkoene på fig. 7 og 11 en fase på +90 grader og ekkoene på fig. 8 og 10 har en fase på -90 grader.

Eksempler på fire perioder med pulssekvenser for den foreliggende utførelsesform, er som følger:

Fasene må ikke være begrenset til de fire ortogonale fasene, x, y, x, og y_. En generell form er:

Eksempler på en dekket firefaseperiode er:

Det kan bemerkes at rekkefølgen av sekvensene er vilkårlig. Bare de relative pulsfasene i perioden er viktig fordi definisjonen av hvilken fase som kalles x og valget av <j>0 er vilkårlig.

En første utførelsesform for å eliminere ringing med en fireperioders pulssekvens ble beskrevet innledningsvis. En annen løsning som også anvender en firefasers sekvensperiode, benytter igjen PAP som de første to perioder. [Som før, er rekkefølgen av de enkelte perioder ikke kritisk.] I de gjenværende to sekvenser ifølge denne utførelsesformen, blir en 180° inverteringspuls påtrykt før den første 90° puls slik at magnetiseringen dreies til -z-retningen. Etter at magnetiseringen står på -z-aksen over et tidsrom t<1>, blir den rotert til y-aksen ved å påtrykke en 90- x-puls fulgt av 180°y refokuseringspulser som er standard i CPMG-pulssekvensen. Dette resulterer i et signal, sett fra mottakeren, som er representert som

Ligning (9) har de samme uttrykk (noen med forskjellige fortegn) som ligning (1), bortsett fra det ekstra R180x-uttrykket. For å eliminere dette uttrykket, kan fasen til den første 90° puls i den fjerde pulssekvensperiode inverteres for å oppnå Subtrahering av (10) fra (9) gir

Likheten mellom ligningene (11) og (7) kan bemerkes. Siden ringingsresponsen antas å være lineær, resulterer subtrahering av (11) fra (3) i

Ligning (12) viser at 90° så vel som 180° ringingssignaler blir undertrykket ved å kombinere firefaseperiodene ifølge denne annen utførelsesform. Teknikken bak denne annen utførelsesform er grafisk illustrert på fig. 14.

Tidsforsinkelsen mellom inverteringspulsen (180) og den første eksiteringspuls, x<1>, kan varieres i avhengighet av den spesielle anvendelse. Normalt blir x' gjort lang nok til å tillate at den ringing som skyldes 180 grader pulsen faller under en viss aksepterbar grense, og spesielt for å tillate mottakerelektronikken å ta seg opp igjen, før den første ekkodeteksjon. Ved grensen når x1 = 0, adderes 180° og 90° pulsene og danner en sammensatt 270° puls. Dette er et spesialtilfelle av den annen utførelsesform hvor eksiteringspulsene for det første par med sekvenser er 90, mens de andre to par med sekvenser blir eksitert med 270° pulser, og det synes som om det ikke er noen separate inverteringspulser.

En alternativ måte å betrakte den beskrevne annen utførelsesform på, er å se på den innledende 180° puls som summen av to 90° pulser. Fasene til de to 90° pulsene må ikke være den samme, noe som gjør den resulterende puls til en sammensatt puls. I de første to periodene i denne varianten er fasene til de to 90° pulsene motsatte og adderes til null. I de tredje og fjerde periodene er fasene de samme og adderes til en 180° puls. Videre kan man erstatte den første 90° puls i en standard CPMG-sekvens med en sammensatt eksiteringspuls, slik som den som er vist på fig. 15, nemlig <g>o^-<g>o^-T^O^. Hvis fa = -tø, kansellerer de to 90° pulsene hverandre og den tredje 90° puls vil innlede en normal CPMG-sekvens. Hvis derimot fa og fe adderes, blir nettoresultatet en 180° puls i tillegg til den vanlige 90° puls, og de to siste sekvensene av den opprinnelig beskrevne annen utførelsesform blir dannet. En fordel ved den sammensatte pulsløsning er at den lett kan generaliseres til mer kompliserte pulsformer.

Det vises til fig. 16 og 17 hvor det er vist flytskjemaer for en rutine til styring av en prosessor i samsvar med utførelsesformer av oppfinnelsen. Prosessoren kan være prosessoren nede i borehullet, prosessoren på overflaten eller en fjerntliggende prosessor som arbeider i ettertid med lagrede og/eller overførte loggerepresentative signaler, samt kombinasjoner av nedhulls-, opphulls- og fjerntliggende prosessorer.

På fig. 16 representerer blokken 1610 påtrykning av den første pulssekvensperiode som på fig. 7, og lagring av de mottatte signaler. Blokken 1620 representerer påtrykning av den annen pulssekvensperiode som på fig. 8, og lagring av de mottatte signaler. Blokken 1625 representerer påtrykning av den tredje pulssekvensperiode som på fig. 10, og lagring av de mottatte signaler. Så representerer blokk 1630 påtrykning av den fjerde pulssekvensperiode som på fig. 11, og lagring av de mottatte signaler. Som tidligere nevnt er den rekkefølge som de enkelte perioder påtrykkes med, ikke kritisk. Deretter representerer blokk 1640 kombineringen av de lagrede signaler og lagringen av resultatene, som på fig. 13. Prosedyren kan gjentas for ytterligere dybdenivåer, som representert ved blokk 1650, og NMR-karakteristikker kan bestemmes over området med dybdenivåer, fra de mottatte og behandlede NMR-signaler, som kjent på området. Man vil forstå at i denne prosedyren, samt i flytskjema på fig. 17, kan den rekkefølge noen av operasjonene utføres med, varieres. For eksempel kan signalkombinasjonene i blokk 1640 utføres etter at data er innsamlet og lagret over området med dybdenivåer, eller beregninger i samsvar med blokk 1660 kan utføres for hvert enkelt dybdenivå om ønsket, før data blir samlet inn for andre dybdenivåer.

Flytskjemaet på fig. 17 er hovedsakelig likt flytskjemaet på fig. 16, bortsett fra at den annen utførelsesform av oppfinnelsen er implementert. Mer spesielt representerer blokk 1710 påtrykning av den første pulssekvensperiode, som i ligning (1), og lagring av de mottatte signaler. Blokk 1720 representerer påtrykning av den annen pulssekvensperiode, som i ligning (2), og lagring av de mottatte signaler. Blokk 1725 representerer påtrykning av den tredje pulssekvensperiode, som i ligning (9), og lagring av de mottatte signaler. Så representerer blokk 1730 påtrykning av den fjerde pulssekvensperiode, som i ligning (10), og lagring av de mottatte signaler. Igjen er den rekkefølge de enkelte perioder påtrykkes med, ikke kritisk. De lagrede signaler kan så kombineres i samsvar med ligningene (3), (11) og (12), og resultatene kan lagres, representert ved blokk 1740. Fremgangsmåten kan gjentas for ytterligere dybdenivåer (blokk 1750), og NMR-karakteristikker kan bestemmes over området med dybdenivåer (blokk 1760), som før.

Oppfinnelsen er blitt beskrevet under henvisning til spesielt foretrukne ut-førelsesformer, men variasjoner innenfor oppfinnelsens ramme vil kunne finnes av fagfolk på området. For eksempel vil man forstå at andre rekkefølger og typer av pulssekvenser, som er i overensstemmelse med de fremsatte prinsipper, kan benyttes.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for oppnåelse av kjernemagnetiske resonansmålinger fra formasjoner som omgir et borehull, omfattende de følgende trinn: å tilveiebringe en nedhulls loggeanordning som er bevegelig gjennom borehullet og gjennom formasjoner hvor det er tilstede et statisk magnetfelt; å frembringe, fra den nedhulls loggeanordningen, en rekke perioder med pulssekvenser i formasjonene, hvor hver av pulssekvensene innbefatter i det minste en RF-eksiteringspuls og flere RF-refokuseringspulser, hvor rekken av pulssekvenser innbefatter minst en modifisert pulssekvens med minst en modifisert puls, karakterisert ved: å motta, ved den nedhulls loggeanordningen, spinnekko fra formasjonene for å frembringe spinnekkosignaler som kan innbefatte uønskede ringingssignaler fra eksiterings- og refokuserings-pulsene, hvor den modifiserte pulsen forårsaker en forskyvning av en spinnekko-polaritet for spinnekkoene tilknyttet den modifiserte pulssekvensen i forhold til polariteten for uønskede ringingssignaler fra eksiteringspulsen tilknyttet den modifiserte pulssekvensen; og å kombinere, ved den nedhulls loggeanordningen, spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekkoer i hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler i hvilke uønsket ringing fra eksiteringspulsene og refokuseringspulsene i pulssekvensene er hovedsakelig kansellert.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet med å tilveiebringe en loggeanordning som er bevegelig gjennom borehullet og gjennom formasjonene i hvilke et statisk magnetfelt er tilstede, omfatter å frembringe, fra loggeanordningen, et statisk magnetfelt i formasjonene.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet med å frembringe en rekke perioder med pulssekvenser i formasjonene, videre innbefatter å frembringe en RF-inverteringspuls i noen av periodene med pulssekvenser, og ved at trinnet med å motta spinnekko fra formasjonene for å frembringe spinnekkosignaler, innbefatter å motta spinnekko for å frembringe spinnekkosignaler som kan innbefatte uønskede ringingssignaler fra inverteringspulsene, og ved at kombineringstrinnet innbefatter å kombinere spinnekko fra hver av periodene med pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekko i hvilke uønsket ringing fra inverteringspulsene i pulssekvensene er hovedsakelig kansellert.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet med å produsere periodene med pulssekvenser og kombinere spinnekkosignaler innbefatter å manipulere fasene til eksiterings- og refokuserings-pulsene for å oppnå den hovedsakelige kansellering av den uønskede ringing fra eksiterings- og refokuserings-signalene.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at trinnet med å frembringe periodene med pulssekvenser og kombinere spinnekkosignaler, innbefatter å manipulere fasene til eksiterings-, refokuserings- og inverteringspulsene for å oppnå den hovedsakelige kansellering av uønsket ringing fra eksiterings-, refokuserings- og inverteringspulsene.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 4 eller 5, karakterisert ved at rekken med perioder av pulssekvenser omfatter fire perioder med pulssekvenser.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at trinnet med å kombinere spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekko i hver av periodene av pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler, omfatter å kombinere motsvarende spinnekkosignaler fra to av periodene og å subtrahere spinnekkosignalene fra de andre to periodene.

8. Anordning for oppnåelse av kjernemagnetiske resonansmålinger fra formasjoner som omgir et borehull, omfattende: en nedhulls loggeanordning som er bevegelig gjennom borehullet; en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å frembringe et statisk magnetfelt i formasjonene; karakterisert ved at en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å frembringe en rekke perioder av pulssekvenser i formasjonene slik at hver av pulssekvensene innbefatter i det minste en RF-eksiteringspuls og flere RF-refokuseringspulser og slik at rekken av pulssekvenser innbefatter minst en modifisert pulssekvens med minst en modifisert puls; en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å motta spinnekko fra formasjonene for å frembringe spinnekkosignaler som kan innbefatte uønskede ringingssignaler fra eksiterings- og refokuserings-pulsene; og en anordning i den nedhulls loggeanordningen for å kombinere spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekko fra hver av periodene av pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler i hvilke uønsket ringing fra eksiteringspulsene og refokuseringspulsene i pulssekvensene er hovedsakelig kansellert.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at anordningen for å frembringe periodene av pulssekvenser og kombinere spinnekkosignaler, innbefatter en anordning for å manipulere fasene til eksiterings- og refokuserings-pulsene for å oppnå den hoved sakelige kansellering av den uønskede ringing fra eksiterings- og refokuserings-pulsene.

10. Anordning ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at rekken med perioder av pulssekvenser omfatter fire perioder med pulssekvenser.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at anordningen for å kombinere spinnekkosignaler fra motsvarende spinnekko i hver av periodene av pulssekvenser for å oppnå kombinerte spinnekkosignaler, omfatter en anordning for å kombinere motsvarende spinnekkosignaler fra to av periodene og subtrahere spinnekkosignalene fra de andre to periodene.

12. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at eksiteringspulsene er 90 grader pulser og at refokuseringspulsene er 180 grader pulser.

13. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved en anordning for å tilveiebringe en inverteringspuls før eksiteringspulsen i to av de fire periodene.