СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ВЛИЯНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ НА ДАННЫЕ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ядерно-магнитному каротажу (ЯМК) скважины и усовершенствованному распознаванию сигнала при его проведении. Более конкретно изобретение представляет собой способ устранения паразитного влияния магнитоакустических помех от принимаемых резонансных сигналов.

Уровень техники

Приборы на основе ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) приспособлены для использования в пробуренных в толще пород скважинах. В общем приборы на основе ЯМР, предназначенные для исследования земных пород, содержат магнит для индуцирования статического магнитного поля в изучаемых породах, антенну, размещаемую вблизи исследуемой породы (пласта), а также электрическую схему, приспособленную для пропускания радиочастотных силовых импульсов через антенну с целью возбуждения радиочастотных электромагнитных полей в указанных породах. Электрическая схема содержит также приемник, способный улавливать сигналы, индуцируемые в антенне (либо отдельную принимающую антенну). Возбуждающие сигналы связаны с эффектами ЯМР, индуцируемого в исследуемой породе под влиянием комбинированного воздействия статического магнитного поля и радиочастотного электромагнитного поля.

Как правило, измерение связанных с ЯМР эффектов в породе осуществляют путем воздействия на нее статического магнитного поля В₀ в течение некоторого промежутка времени, за который под действием статического магнитного поля происходит поляризация спинов ядер атомов в породе в направлении практически вдоль направления статического магнитного поля. Поле В₀ могут создавать один или несколько постоянных магнитов или электромагнитов. Осциллирующее магнитное поле В₁ может производиться одной или несколькими радиочастотными антеннами, которые возбуждают и регистрируют ЯМР. Типичная последовательность радиоимпульсов известна под названием последовательности Карра-Перселла-Мейбума-Гилла (КПМГ). Первый радиоимпульс из этой последовательности известен как "импульс возбуждения", имеющий величину и продолжительность, выбранные таким образом, чтобы переориентировать намагниченность ядер примерно на 90° по сравнению с их предыдущей ориентацией. Спустя определенное время, через антенну пропускаются последующие радиоимпульсы, известные как "перефокусирующие импульсы". Каждый из этих импульсов обычно имеет величину и продолжительность, выбранные так, чтобы переориентировать оси ядерных спинов примерно на 180° по сравнению с той ориентацией, которая только что имела место. Каждый перефокусирующий импульс позволяет осям ядерных спинов "сменить фазу" или перегруппироваться относительно друг друга. После наложения радиоимпульса вокруг В₀ начинается прецессия намагниченности, что приводит к появлению сигнала, улавливаемого антенной. Индуцируемые сигналы, известные под названием "спиновое эхо", обычно измеряют во временном интервале между каждыми из последовательных перефокусирующих импульсов. Амплитуда импульсов спинового эха, а также скорость, с которой амплитуды импульсов спинового эха изменяются во время последовательных замеров, связаны с искомыми свойствами пород, такими как коэффициентом порового пространства (скважность или пористость), а также свойствами флюидов, присутствующих в поровом пространстве. Частота радиочастотного электромагнитного поля, требуемая для переориентации намагниченности (перемагничивания) ядер, равна ларморовой частоте ω₀=γВ₀, где γ - гиромагнитное отношение. При изучении пород амплитуду статического магнитного поля и частоту радиочастотного электромагнитного поля обычно выбирают под возбуждение эффектов ЯМР в протонах, хотя для ЯМР-исследования пород могут быть использованы ядра и других атомов.

Возбуждение антенны радиочастотными импульсами энергии в присутствии сильного статического магнитного поля вызывает механическое возбуждение антенны. Механическое возбуждение антенны приводит к возбуждению в антенне сигнала, называемого реверберацией или "звоном". Это явление можно объяснить тем, что электромагнитное радиочастотное поле индуцирует вихревые токи в поверхностном слое металла. Под воздействием статического магнитного поля на электроны действует сила Лоренца. Эта же сила влияет и на кристаллическую решетку, вызывая акустические волны. По сообщению Buess и соавт. (см. M.L.Buess and G.L.Petson, Rev. Sci. Instrum. 49(8), 1978) смещение ионов пропорционально силе радиочастотного электромагнитного поля на поверхности металла. По обратному механизму акустические волны преобразуются в осциллирующие радиочастотные электромагнитные поля, которые возбуждают напряжение в катушке приемника ЯМР.

Другим источником магнитоакустической реверберации является генерирование ультразвуковых волн в непроводящих магнитных материалах по механизму магнитострикции. В качестве постоянного магнита может использоваться непроводящий магнитный материал, обычно - феррит (патент US 4710713, Taicher). Альтернативно, магнитный материал может быть использован в качестве сердечника антенны (патент US 4698979, Taicher; патент US 5055787, Kleinberg). В этих вариантах эффект инверсии также вызывает осцилляции намагниченности, которые индуцируют напряжение в приемнике ЯМР. Данный эффект также прямо пропорционален интенсивности радиочастотного электромагнитного поля на поверхности магнитного материала.

Реверберация не связана с эффектом ЯМР и часто имеет очень широкий разброс амплитуд. Амплитуда реверберации часто наиболее высока сразу же после наложения каждого из радиоимпульсов и имеет такую величину, что измерение амплитуды индуцированных сигналов ЯМР становится затруднительным. Ослаблять наложение реверберации на измерения ЯМР очень важно как при каротаже скважин, так и в ряде других случаев, поскольку достоверную информацию о свойствах пород получают исходя из амплитуд импульсов спинового эхо, возникающих через кратчайшее время после подачи радиоимпульсов.

Из уровня техники известно несколько способов ослабления реверберации. В одном из устройств для ее уменьшения магнит располагают так, чтобы антенна находилась в области с практически нулевой амплитудой статического магнитного поля. Прибор ЯМР с такой конфигурацией описан, например, в патенте US 5712566 (Taicher). Другое устройство, ослабляющее реверберацию, снабжено раздельными антеннами для возбуждения радиочастотного электромагнитного поля и для регистрации индуцированных ЯМР-сигналов, причем эти две антенны практически перпендикулярны одна другой. Реверберация, индуцируемая в передающей антенне, практически не воспринимается антенной принимающей. Для примера можно обратиться к ранее упомянутому патенту US 5712566 (Taicher).

Стандартная методика подавления магнитоакустической реверберации в результате применения последовательности КПМГ включает в себя повторное измерение с инвертированием радиочастотной фазы импульса возбуждения. При этом последовательность импульсов ЯМР представляется в виде чередующихся по фазе пар (ЧФП)

где TW - время ожидания (задержки), 90_±х - импульс возбуждения с измененной несущей фазой радиочастоты, B_y - перефокусирующий импульс, t_cp=ТЕ/2 - половина интервала между эхо-сигналами (ТЕ). В результате таких преобразований сигнал ЯМР инвертирует фазу эхо-импульсов, но не затрагивает сигнал реверберации. Предпочтительным выбором перефокусирующего импульса B_y является импульс в 180°. Сигнал реверберации можно удалить из пары последовательностей КПМГ с переменной фазой путем вычитания эхо-сигнала, генерированного одной последовательностью КПМГ, из эхо-сигнала, генерированного другой последовательностью КПМГ, в данной паре переменных фаз. Путем вычитания устраняются реверберация, вызванная перефокусирующими импульсами, а также смещение постоянной составляющей приемника.

Одним из недостатков подхода ЧФП является то, что он не устраняет реверберацию, вызванную импульсом возбуждения. Поскольку сигнал реверберации, вызванный импульсом возбуждения, инвертирует свою фазу так же, как и эхо-сигнал, его нельзя вычесть, используя метод переменных пар. В результате этот сигнал реверберации искажает первый из двух эхо-сигналов в последовательности КПМГ, влияя таким образом на уровень разрешения компонентов быстрой релаксации в релаксационном ЯМР-спектре.

Способ устранения реверберации, обусловленной импульсом возбуждения, описан в патенте US 6204663 на имя Праммера (Prammer). Способ Праммера основан на изменении частот измерения определенных последовательностей импульсов и усреднении данных по точкам, полученных в различных последовательностях, таким образом, который дает возможность устранить паразитные сигналы. Поскольку механический резонанс, вызывающий акустическую реверберацию, происходит на своей собственной частоте, сигнал реверберации будет изменять свою фазу в соответствии с измененным ЯМР-сигналом. Если установить время изменения частоты равным полупериоду между импульсом возбуждения и приема сигнала, то можно достичь дополнительной разницы в фазах в 180° между сигналами реверберации в обеих последовательностях. Затем при сложении сигналов от обоих измерений происходит устранение реверберации от импульса возбуждения. Недостатком этого подхода является сопоставимость ширины интервала приема с ТЕ, в связи с чем вычесть реверберацию во всем интервале приема эхо-сигнала не удается. Способ по патенту US 62046663 трудно использовать при наличии мощного сигнала реверберации от импульса возбуждения в интервале приема второго эхо-сигнала.

В патенте US 6541969 (Sigal и соавт.) описаны способ и устройство для улучшения разрешения измерений скважинного ЯМК и для подавления артефактов в данных ЯМР, полученных при каротажных замерах. В предпочтительном варианте последовательности эхо-импульсов ЯМР представляют собой последовательности КПМГ сигналов спинового эхо. Кроме того, вклад сигнала, не связанного с породой, определяется по двум и более множествам последовательностей КПМГ сигналов спинового эха, предпочтительно с использованием одного или нескольких пар последовательностей КПМГ сигналов спинового эха со смещением фазы. В конкретном варианте используются две ЧФП, сформированные текущей последовательностью КПМГ сигналов спинового эха (КПМГ₀), а также ближащей предыдущей (КПМГ_-1) и ближайшей последующей (КПМГ₊₁) последовательностями со смещением фаз сигналов спинового эха. В другом варианте вклад сигнала, не связанного с породой, оценивают с использованием отдельной последовательности эхо-импульсов ЯМР, которые предпочтительно представляют собой последовательность КПМГ спинового эхо за вычетом первоначального π/2 импульса (возбуждения).

Другая проблема подхода ЧФП в применении к ЯМК возникает из-за естественной задержки между последовательностями в чередующихся парах. Поскольку ЯМР-устройство во время этой задержки движется по скважине, эхо-сигналы из последовательности КПМГ могут замеряться в двух окружающих средах, обладающих двумя различными проводимостями. Поэтому ответ антенны на сигнал, генерируемый под влиянием магнитоакустических эффектов, может быть неодинаковым между первым и вторым принимаемыми сигналами, в результате чего вычитание реверберации может стать неточным.

Методика, призванная преодолеть эту проблему, описана в патенте ЕР 0967490 А2 (Sun и соавт.). Вместо использования ЧФП в данном способе принимается основной сигнал, содержащий сигналы спинового эха вместе с нежелательными эффектами, после чего производится вычитание сигнала из повторного периода, содержащего нежелательные эффекты в чистом виде. Вслед за основной частью последовательности КПМГ, содержащей эхо-сигнал, реверберацию и смещение постоянной составляющей, сигналы спинового эха вычитаются с использованием, например, методики пропущенного импульса на 180°. Продолжение последовательности дает восприятие лишь реверберации и смещения постоянной составляющей. Реверберация и смещение постоянной составляющей, полученные во время второй части последовательности, усредняются, а затем вычитаются из сигнала, полученного в течение основного периода времени. Одним из недостатков этой методики является потребление значительного количества мощности постоянного тока, тогда как энергопотребление является узким местом скважинного ЯМК. Другой недостаток связан с методикой усреднения сигнала реверберации, предполагающей, что сигнал реверберации повторяется от одного эхо-сигнала к другому. Обычно так не происходит, и рассчитанный сигнал реверберации может давать неадекватное представление в течение первых нескольких интервалов приема эхо-сигналов.

Таким образом, имеется потребность в разработке способа, который сократил бы воздействие магнитоакустической реверберации ("звона") в исследованиях с использованием ЯМР так, чтобы минимально затрагивать энергопотребление и иметь возможность работать в области, которая в достаточной мере приближена к области, где происходит обнаружение сигнала. Указанная задача положена в основу настоящего изобретения.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ ослабления влияния не связанных со свойствами породы сигналов в совокупном эхо-сигнале ЯМР, получаемом в пробуренной в толще пород скважине. В предлагаемом в настоящем изобретении способе получают последовательность эхо-сигналов ЯМР в ответ на ранее поданную последовательность импульсов либо на по меньшей мере один вспомогательный сигнал, принадлежащий не связанному со свойствами породы сигналу. Эхо-сигнал ЯМР обычно несет в себе сигналы, как относящиеся к пласту пород, так и не имеющие к ней отношения. По меньшей мере один вспомогательный сигнал возникает в ответ на одиночную последовательность вспомогательного импульса, индуцируемую практически на той же глубине, что и последовательность первичных импульсов, и имеющую по меньшей мере один импульс возбуждения. Вспомогательная последовательность несет информацию о не связанных со свойствами породы сигналах. Последовательность ответных сигналов составляется из по меньшей мере одного вспомогательного сигнала с целью симуляции эффективного не связанного со свойствами породы сигнала. Затем составленный сигнал вычитается из последовательности эхо-сигналов ЯМР.

Первичной последовательностью импульсов в предпочтительном варианте настоящего изобретения является последовательность импульсов КПМГ, в которой за возбуждающим импульсом следует несколько перефокусирующих импульсов. В предпочтительном варианте перефокусирующий импульс в первичной последовательности импульсов дополнительно содержит импульс переориентации на 180°. В качестве альтернативы перефокусирующий импульс может иметь такую продолжительность, чтобы производить переориентацию ядер атомов на угол в промежутке от 90 до 180°.

Вспомогательная последовательность импульсов содержит по меньшей мере один импульс возбуждения из последовательности КПМГ и, в предпочтительном варианте, кроме того, содержит по меньшей мере один перефокусирующий импульс. В предпочтительном варианте вспомогательная последовательность импульсов выглядит следующим образом:

где TW_a - время ожидания до начала вспомогательной последовательности; 90_±х - импульс возбуждения с измененной несущей фазой радиочастоты; t_cpa - интервал времени между импульсом возбуждения и перефокусирующим импульсом вспомогательного импульса; B_y - перефокусирующий импульс; - форсированный возвратный импульс; и N_a - число повторений во вспомогательной последовательности. Эта вспомогательная последовательность импульсов обычно подается спустя короткий промежуток времени (TW_a) после окончания первичной последовательности импульсов. Перефокусирующий импульс (B_y) вспомогательной последовательности импульсов может содержать импульс переориентации на 180°. В порядке альтернативы перефокусирующий импульс вспомогательного импульса может быть импульсом для переориентации ядер атомов на угол в диапазоне от 90 до 180°.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение поясняется на примере его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - каротажный скважинный прибор, пригодный для осуществления настоящего изобретения,

на фиг.2 - улавливание сигнала реверберации во множестве интервалов приема, соответствующих последовательности КПМГ,

на фиг.3 - сигнал реверберации после единичного перефокусирующего радиоимпульса,

на фиг.4 - сигнал реверберации после импульса возбуждения,

на фиг.5 - реконструированный сигнал реверберации, вычисленный в соответствии с настоящим изобретением, и

на фиг.6 - результаты вычитания экспериментального сигнала реверберации из сигнала реверберации, показанного на фиг.5.

Описание предпочтительного варианта изобретения

На фиг.1 показана скважина 10, которую обычным способом пробурили в толще подземных пород 12 на предмет исследования наличия потенциальных продуктивных коллекторов (резервуаров) углеводородов. Прибор 14 ЯМК опускается в скважину 10 на кабеле 16 с использованием соответствующего оборудования на поверхности, схематически представленного барабаном 18, после чего его поднимают вдоль толщи пород 12, состоящей из нескольких пластов, обозначенных 12a-12g и имеющих различный состав, с целью получения информации об одной или нескольких характеристик пород. Прибор ЯМК оборудован дугообразными пружинами 22, поддерживающими прибор в эксцентричном положении внутри ствола скважины (сдвинутом относительно ее оси), так чтобы одна из сторон прибора находилась вблизи стенки скважины. Постоянные магниты, используемые для наведения статического магнитного поля, обозначены позицией 23, а конфигурация магнита представляет собой линейный диполь. Постоянный магнит каротажного прибора поляризует спины ядер в породе. Передатчик испускает в породу импульсы радиочастотного электромагнитного поля. Сигналы, принимаемые приемником прибора 14 ЯМК, уходят на поверхность по кабелю 16, а от кабеля 16 по другой линии 19 к соответствующему наземному оборудованию 20, которое обрабатывает, записывает и/или отображает эти сигналы, либо их передают в другое место для обработки, записи и/или отображения. В качестве альтернативы может быть использован внутрискважинный процессор.

На фиг.2 показано множество сигналов реверберации, улавливаемых в множестве интервалов 205 приема, соответствующих последовательности КПМГ. Каждый интервал 205 приема длится 0,15 мс. Интервалы приема разделены временным интервалом ТЕ=0,7 мс. На фиг.2-6 время отложено вдоль абсциссы в мс, а реверберация (звон) изображен вдоль ординаты в шкале 10^-4 единиц напряжения ADC. Сплошная линия 201 соответствует синфазным каналам квадратурного детектора, обычно применяемого в приемниках ЯМР. Пунктирная линия 202 соответствует индивидуальному несинфазному сигналу. Оба сигнала могут рассматриваться в качестве реального и мнимого компонентов сложного вектора, представляющего напряжение на выходе. Данные фиг.2 получены без использования водородсодержащего образца, вводимого в прибор для скважинных исследований.

Известно, что амплитуда акустического возбуждения, либо индуцированного радиочастотным электромагнитным полем в металле, либо наведенного электрическим полем в диэлектрическом материале, связана линейным соотношением с амплитудой радиочастотного поля (см., например, Buess и соавт.). Можно принять правдоподобную аппроксимацию, что паразитный сигнал, попадающий в ЯМР-антенну в ответ на это акустическое возбуждение, также линейно связан с силой радиочастотного электромагнитного поля. Таким образом, сигнал реверберации в КПМГ-исследованиях можно реконструировать, используя принцип суперпозиции, при условии, что известны сигналы реверберации от радиоимпульса возбуждения и от единичного перефокусирующего радиоимпульса. Сигнал реверберации в интервале приема эхо-сигнала можно рассчитать по следующему уравнению:

где t>ТЕ/2+(i-1)·TE, a R_90X,Y(t) представляет сигнал реверберации после импульса возбуждения с t=0, соответствующим центру импульса; R_BX,Y(t-ТЕ/2-(i-1)·ТЕ) - сигнал реверберации, полученный после приложения i-го перефокусирующего импульса; W(t) - функция интервала приема; N - число перефокусирующих импульсов, использованных для приема сигнала реверберации; ТЕ=2t_cp - промежуток времени между перефокусирующими импульсами. Ширина перефокусирующего импульса обсуждается в патенте US 6163153 (Reiderman и соавт.), содержание которого включено в настоящее описание в виде ссылки. В предпочтительном варианте настоящего изобретения реверберация, вызванная перефокусирующим импульсом R_BX,Y, обусловлена наведением импульса перефокусирования на 180°. В качестве альтернативы перефокусирующий импульс может находиться в импульсном диапазоне, например, от 90 до 180°. В ином варианте сигнал реверберации, вызванный перефокусирующим импульсом, можно определить, используя реверберацию от импульса возбуждения.

Сигнал реверберации, реконструированный в соответствии с уравнением (2), следует вычесть из измеренного сигнала. Чтобы получить сигналы реверберации для R_90X,Y(t) и R_BX,Y(t), применяют вспомогательную последовательность импульсов, содержащую по меньшей мере один возбуждающий и один перефокусирующий импульс. ТЕ, используемый во вспомогательной последовательности, должен превышать ТЕ в последовательности импульсов для основного эксперимента с ЯМР с тем, чтобы сместить сигнал спинового эха из интервала приема реверберации, изолируя таким образом эффект реверберации. Во вспомогательной последовательности могут быть использованы несколько перефокусирующих импульсов с целью увеличения соотношения сигнал/помеха (SNR) посредством "упаковки" данных по сигналу реверберации. Интервал времени между перефокусирующими импульсами устанавливают в предпочтительном варианте как минимум в 3(ТЕ+τ_B), где τ_B - ширина перефокусирующего импульса, используемого для изолирования эффектов реверберации.

На фиг.3 показан сигнал реверберации, полученный после наложения одиночного перефокусирующего радиоимпульса. Использован одиночный интервал приема. Продолжительность интервала приема для одиночного импульса реверберации, показанного на фиг.3, составляет 2 мс. Сплошная линия 301 представляет синфазный компонент (составляющую) сигнала, а пунктирная линия 302 - несинфазный компонент.

На фиг.4 показан сигнал реверберации после наложения одиночного импульса возбуждения. Как видно, сигнал улавливается в интервалы приема для первых трех эхо-сигналов в КПМГ-исследовании. Интервалы приема имеют продолжительность 0,15 мс и отстоят друг от друга в интервалах ТЕ=0,7 мс.

На фиг.5 представлен реконструированный сигнал, вычисленный по методу, определенному уравнением (2). Сплошная линия 501 представляет синфазный компонент сигнала, а пунктирная линия 502 - несинфазный компонент. Данный сигнал включает эффекты реверберации без эхо-сигналов. На фиг.6 показана разность, полученная вычитанием экспериментального сигнала реверберации, показанного на фиг.2, из реконструированного сигнала реверберации с фиг.5. Так как на фиг.2 и 5 изображены реальный и реконструированный сигналы реверберации, то искомое вычитание дает сигнал, который практически равен нулю. Вычитание синфазных компонентов дает сплошную линию 601, которая представляет собой разность синфазных компонентов. Аналогично несинфазные компоненты при вычитании друг из друга дают пунктирную линию 602, представляющую собой разность несинфазных компонентов. Остаточный уровень реверберации на фиг.6 снижается практически до нуля.

Вспомогательная последовательность обычно имеет короткую продолжительность по сравнению с основной последовательностью и не вносит значительного вклада в энергопотребление. Во время постоянно проводимого ЯМР-исследования вспомогательную последовательность следует предпочтительно запускать вскоре после окончания основной последовательности с тем, чтобы намагниченность ядер успешно возвращалась в равновесие до активирования следующей последовательности КПМГ. Для сведения к минимуму возмущений намагниченности предпочтительно использовать форсированный возвратный импульс в конце вспомогательной последовательности. В таком случае вспомогательную последовательность импульсов можно описывать следующим образом:

где в дополнение к ранее определенным членам TW_a - время ожидания до начала вспомогательной последовательности; t_cpa - интервал времени между импульсами возбуждения и перефокусирующим вспомогательного импульса; - форсированный возвратный импульс; и N_a - число повторений во вспомогательной последовательности.

На практике возможен ряд дополнительных возможностей для определения сигналов реверберации от импульса возбуждения и перефокусирующего импульса. В предпочтительном варианте сигнал реверберации, вызванный перефокусирующим импульсом, получается с использованием вспомогательной последовательности, которая содержит импульс возбуждения, после которого следует перефокусирующий импульс через достаточно продолжительный интервал времени (как обсуждалось выше, для того чтобы реверберация, вызванная импульсом возбуждения, была практически нулевой в момент первого эхо-сигнала, идущего за перефокусирующим импульсом). Сигнал реверберации, вызванный импульсом возбуждения, также предпочтительно получать с использованием такой же вспомогательной последовательности импульсов. В качестве альтернативы сигнал реверберации, вызванный импульсом возбуждения, оценивается с использованием самого дополнительного вспомогательного импульса возбуждения. В качестве другой опции сигнал реверберации, вызванный перефокусирующим импульсом, может быть определен по самому этому импульсу.

В некоторых практических случаях картина реверберации изменяется сравнительно слабо по сравнению с ожидаемыми изменениями эхо-сигнала (обусловленными изменениями породы). Следовательно, можно применять способ, в котором сигнал реверберации, продуцируемый вспомогательными последовательностями, усредняется в течение сравнительно длительного периода времени по сравнению с продолжительностью эхо-сигнала. Поскольку реверберацию от перефокусирующего импульса можно эффективно устранять, используя последовательность импульсов с переменной фазой, данный способ более пригоден для приема реверберации от импульса возбуждения.

Осуществление изобретения было рассмотрено выше на примере его конкретного варианта, однако специалисту должны быть очевидны возможности осуществления изобретения и в других вариантах. Предполагается, что любые такие изменения подпадают под патентные притязания, изложенные в прилагаемой формуле изобретения.