DE19952788B4

DE19952788B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft

Info

Publication number: DE19952788B4
Application number: DE19952788A
Authority: DE
Inventors: Martin E. Poitzsch; Steven F. Crary; Krishnamurthy Ganesan; Ralf Heidler; Bruno Luong; Peter Speier
Original assignee: Gemalto Terminals Ltd; Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd; Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: NO323986B1; GB9923659D0; NO995392L; NL1013481C2; NO995392D0; CA2285856A1; AU736119B2; DE19952788A1; GB2343521A; CN1253296A; CA2285856C; AR023694A1; AU5358999A; ID23751A; EG22285A; NL1013481A1; US6246236B1; GB2343521B

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft in einem Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs (24) mit einer Bohreinrichtung (10) zum Bohren eines Bohrlochs (24) in der Formation; einer Einrichtung (90) zum Fördern von Bohrfluid durch die Bohreinrichtung (10); einer an die Bohreinrichtung (10) angeschlossenen Messeinrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen beim Bohren des Bohrlochs (24), und einer Einrichtung zum Erfassen der Kernresonanzsignale von den Untersuchungsgebieten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen mehrerer axial-symmetrisch-statischer Magnetfelder über die Bohreinrichtung (10) und in mehreren Untersuchungsbereichen in der Formation umfasst, wobei die Kernresonanzmessung in der Weise erhalten wird, dass die durch wenigstens ein statisches Magnetfeld erzeugten Äquipotentiallinien in Axialrichtung gerade sind; und Einrichtungen (36, 38) zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation umfasst; wobei sich in der Bohreinrichtung (10) wenigstens ein magnetisch permeables Teil (16) zur Formgebung des statischen Magnetfelds befindet, und in einer Vorrichtung zum Erstellen des Bohrberichts eine Gradienteneinrichtung (56) zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten zur Phasenverschiebung der Spins in einem Teil der Untersuchungsbereiche bereitgestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft einer Bodenformation gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 7.
Atomteilchen einer Bodenformation mit einem von null verschiedenen magnetischen Kernspinmoment, z. B. Protonen, neigen dazu, sich auf ein während der Bildung auf die Formation einwirkendes statisches Magnetfeld auszurichten. Ein solches Magnetfeld kann wie im Fall des Erdmagnetfelds HE natürlich entstanden sein. HF-Impuls, der ein zweites, zu HE transversales Magnetfeld anlegt, erzeugt eine Magnetisierungskomponente in der Querebene (senkrecht zu H_E), die eine Präzession mit einer als Larmor-Frequenz ω_L bekannten charakteristischen Resonanz um den Vektor HE aufweist, die von der Stärke des statischen Magnetfelds und von dem gyromagnetischen Verhältnis des Teilchens abhängt. Wasserstoffkerne (Protonen), die eine Präzession um ein Magnetfeld HE von 0,5 Gauß ausführen, besitzen z. B. eine charakteristische Frequenz von etwa 2 kHz. Falls eine Population von Wasserstoffkernen gleichphasig zur Präzession gebracht wird, können die überlagerten Magnetfelder der Protonen in einer Empfängerspule eine nachweisbare Oszillationsspannung erzeugen, wobei diese Bedingungen dem Fachmann als freier Induktionsabfall oder als Spinecho bekannt sind. Wasserstoffatome von Wasser und Kohlenwasserstoffen, die in Gesteinsporen vorhanden sind, erzeugen unter den zur Durchführung einer NMR-Messung erforderlichen Bedingungen Kernresonanzsignale (NMR-Signale), die sich von Signalen, die von anderen Festkörpern herrühren, unterscheiden.
US 4 717 878 A und US 5 055 787 A beschreiben NMR-Werkzeuge, die zum Polarisieren von Wasserstoffkernen und zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds H₀ Permanentmagneten und zum Anregen und zum Erfassen der Kernresonanz HF-Antennen verwenden, um die Porosität, den Anteil freier Fluide und die Permeabilität einer Formation zu bestimmen. Die Atomkerne richten sich mit einer Zeitkonstanten T₁ auf das angelegte Feld H₀ aus. Nach einem Polarisationszeitraum kann der Winkel zwischen der Kernmagnetisierung und dem angelegten Feld durch Anlegen eines HF-Felds H₁ mit der Larmor-Frequenz f_L = γH₀/2π, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis des Protons und H₀ die Stärke des statischen Magnetfelds bezeichnen, senkrecht zu dem statischen Feld H₀ geändert werden. Nach Abschluss des HF-Impulses führen die Protonen eine Präzession in der zu H₀ senkrechten Ebene aus. Eine Folge von Neufokussierungs-HF-Impulsen erzeugt eine Folge von Spinechos, die ein in der Antenne erfassbares NMR-Signal erzeugen.
US 5 280 243 A beschreibt ein Kernresonanz-Werkzeug zur Formationsbewertung beim Bohren. Die Sonde enthält einen Probenabschnitt, der einen Permanentmagneten, der in einer in Längsrichtung verlaufenden ringförmigen Aussparung außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist, und eine in einer nichtleitenden magnetischen Hülse außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnete Antenne enthält. Der Gradient der Stärke des statischen Magnetfelds verläuft in Radialrichtung. Die Antenne erzeugt ein HF-Magnetfeld, das im wesentlichen senkrecht sowohl zur Längsachse des Werkzeugs als auch zur Richtung des statischen Feldes ist. Bei dieser Vorrichtung muß der Magnet, damit sich die Magnetfelder ihrem gewünschten 2D-Dipolverhalten annähern, in Axialrichtung lang im Vergleich zu seinem Durchmesser sein.
US 5 757 186 A beschreibt ein Werkzeug zum Messen beim Bohren, das eine Abtastvorrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen der Bodenformation enthält. Die NMR-Abtastvorrichtung ist in einer in der Außenoberfläche des Bohrkopfschafts ausgebildeten kreisförmigen Aussparung angebracht. Bei einer Ausführung ist in einer Aussparung ein Fluß-Verschluß eingesetzt. An der radialen Außenoberfläche des Fluß-Verschlusses ist ein Magnet angeordnet. Der Magnet ist aus mehreren radialen Segmenten konstruiert, die von der Längsachse des Werkzeugs aus radial nach außen magnetisiert sind. Der Fluß-Verschluß ist erforderlich, um das Magnetfeld auf die richtige Richtung auszurichten.
Die aus US 5 280 243 A und US 5 757 186 A bekannten Werkzeuge leiden an den üblichen Problemen: Beide Werkzeuge erfordern die Verwendung eines nichtleitenden Magneten, der außerhalb des Bohrkopfschafts angeordnet ist. Für das Werkzeug der US 5 280 243 A muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts eine ausgesparte Fläche besitzen, um den nichtleitenden Magneten aufzunehmen. Für das Werkzeug der US 5 757 186 A muß die Außenoberfläche des Bohrkopfschafts eine ausgesparte Fläche besitzen, um den Fluß-Verschluß, den nichtleitenden Magneten und die Antenne unterzubringen. Da die Stärke des Bohrkopfschafts eine Funktion seiner Radien ist, führt das Verringern des Außendurchmessers zum Unterbringen des Magneten allein oder des Fluß-Verschlusses, des Magneten und der Antenne zu einem inakzeptabel schwachen Abschnitt des Bohrkopfschafts, der sich während des Bohrbetriebs biegen oder brechen kann.
US 5 557 201 A beschreibt ein Impuls-Kernmagnet-Werkzeug zur Formationsbewertung beim Bohren. Das Werkzeug enthält eine Bohrkrone, einen Bohrstrang und eine gepulste Kernresonanzvorrichtung, die in einem aus einer nichtmagnetischen Legierung hergestellten Bohrkopfschaft untergebracht sind. Das Werkzeug enthält in dem Bohrstrang und in der gepulsten NMR-Vorrichtung einen Kanal, durch den der Bohrschlamm in das Bohrloch gepumpt wird. Die gepulste NMR-Vorrichtung umfaßt zwei Hohlmagneten, die in der Weise angebracht sind, daß sie den Kanal umgeben, wobei gleiche Pole einander gegenüberliegen, und eine Antennenspule, die an einer Außenoberfläche des Bohrstrangs zwischen den Magneten angebracht ist.
US 5 705 927 A beschreibt außerdem ein Werkzeug zur Durchführung gepulster NMR-Messungen zur Formationsbewertung beim Bohren. Das Werkzeug enthält entweder innerhalb oder außerhalb des Werkzeugs angeordnete Trimmagnete, die das Kernresonanzsignal der Bohrlochfluide dadurch unterdrücken, daß sie die Stärke des statischen Magnetfelds in dem Bohrloch erhöhen, so daß die Larmor-Frequenz in dem Bohrloch über der Frequenz des von der in einer ausgesparten Fläche des Werkzeugs liegenden HF-Antenne erzeugten oszillierenden Felds liegt.
Aus US 5 432 446 A ist ein NMR-Gerät zur Messung eines Bohrlochs bekannt, das ein starkes statisches und homogenes magnetisches Feld in einer dem Gerät benachbarten Gesteinsformation erzeugt.
In US 5 629 623 A wird beschrieben, daß ein Permanentmagnet eines NMR-Geräts zur Erzeugung eines gepulsten Magnetfeldes innerhalb des Bohrkragens angeordnet ist, um Gesteinsformationen zu ermitteln.
Gemäß US 4 714 881 A ist ein NMR-Messgerät für ein Bohrloch mit Magnetanordnungen ausgestattet, deren Magnete entgegengesetzt zueinander polarisiert sind, um ein homogenes statisches Magnetfeld zu erzeugen.
Aus US 5 828 214 A geht eine Meßvorrichtung zur Messung der Leitfähigkeit von Gesteinsformationen hervor, in die ein Bohrloch eingebracht wird, wobei ein Magnet zur Induktion eines statischen magnetischen Feldes zum Einsatz kommt.
Aus GB 2 330 658 A ist es bekannt, die Kernresonanz-Eigenschaften eines Mediums durch die Ermittlung von NMR-Signalen in einer Vielzahl von Teilvolumina des Mediums zu bestimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 7 zu schaffen, die zu verbesserten Meßwerten führen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst.
Die Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft in einem Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs umfaßt eine Bohreinrichtung zum Bohren eines Bohrlochs in der Formation, eine Einrichtung zum Fördern von Bohrfluid durch die Bohreinrichtung, eine an die Bohreinrichtung angeschlossene Meßeinrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen beim Bohren des Bohrlochs und eine Einrichtung zum Erfassen der Kernresonanzsignale von den Untersuchungsgebieten. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung Einrichtungen zum Erzeugen mehrerer axial-symmetrisch-statischer Magnetfelder über die Bohreinrichtung und in mehreren Untersuchungsbereichen in der Formation umfaßt, wobei die Kernresonanzmessung in der Weise erhalten wird, daß die durch wenigstens ein statisches Magnetfeld erzeugten Äquipotentiallinien in Axialrichtung gerade sind; es sind Einrichtungen zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation vorhanden, wobei sich in der Bohreinrichtung wenigstens ein magnetisch permeables Teil zur Formgebung des statischen Magnetfelds befindet und in einer Vorrichtung zum Erstellen des Bohrberichts eine Gradienteneinrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten zur Phasenverschiebung der Spins in einem Teil der Untersuchungsbereiche bereitgestellt wird.
Die mehreren im wesentlichen axialsymmetrisch-statischen Magnetfelder können die folgenden Kombinationen umfassen: ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten oder eine Kombination eines Gebiets mit einem hohen Gradienten, eines Gebiets mit einem niedrigen Gradienten und eines Gebiets mit einem Sattelpunkt. Die Vorrichtung besitzt mehrere Antennen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Erstellen eines Bohrberichts beim Bohren.
2 zeigt eine Niedergradientensonde.
2a–2d zeigt die vier Niedergradienten-Magnetkonfigurationen entsprechenden Äquipotentiallinien |H →₀|.
3a–3d stellen Niedergradienten-Magnetkonfigurationen entsprechende Äquipotentiallinien des Gradienten |∇H₀| dar.
4 zeigt eine Hochgradientensonde.
4a stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende Äquipotentiallinien |H →₀|. dar.
4b stellt einer Hochgradienten-Magnetkonfiguration entsprechende Äquipotentiallinien des Gradieten |∇H₀| dar.
5 zeigt eine einfache Datenerfassungs-Betriebsart.
6 zeigt eine verschachtelte Datenerfassungs-Betriebsart.
7 zeigt eine Stoß-Datenerfassungs-Betriebsart.
8 stellt ein Blockdiagramm eines Impulsprogrammierers dar.
Gemäß 1 umfaßt ein Werkzeug 10 zum Erstellen eines Kernresonanz-(NMR)-Bohrberichts beim Bohren eine Bohrkrone 12, einen Bohrstrang 14, mehrere HF-Antennen 36, 38 und wenigstens eine Gradientenspule 56. Ferner umfaßt das Werkzeug 10 eine in einem Bohrkopfschaft 22 untergebrachte Elektronikschaltungsanordnung 20. Die Elektronikschaltungsanordnung 20 umfaßt eine HF-Resonanzschaltungsanordnung für die Antennen 36, 38, einen Mikroprozessor, einen Digitalsignalprozessor und einen Niederspannungsbus. Ferner umfaßt das Werkzeug 10 mehrere Hohlmagneten 30, 32 und 34, die in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Werkzeugs 10, jedoch entgegengesetzt zueinander, d. h. mit gegenüberliegenden gleichen Magnetpolen, polarisiert sind. Die Magneten 30, 32 und 34 enthalten entweder ein leitendes oder ein nichtleitendes Material. Die Konfiguration der Magneten 30, 32 und 34 und der Antennen 36, 38 schafft wenigstens zwei NMR-Gebiete der Erfindung 60, 62 mit einem im wesentlichen axialsymmetrisch-statischen HF-Magnetfeld.
Eine Einrichtung zum Bohren eines Bohrlochs 24 in der Formation umfaßt die Bohrkrone 12 und den Bohrkopfschaft 22. Der Bohrkopfschaft 22 kann eine (nicht gezeigte) Stabilisierungseinrichtung zum Stabilisieren der Radialbewegung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch beim Bohren enthalten, wobei die Stabilisierungseinrichtung jedoch nicht zwingend ist; das Werkzeug 10 kann somit unstabilisiert oder stabilisiert arbeiten. Eine Schlammstromhülse 28 definiert einen Kanal 90, der das Bohrfluid durch den Bohrstrang 14 befördert. Ein Antriebsmechanismus 26 dreht die Bohrkrone 12 und den Bohrstrang 14. Der Antriebsmechanismus 26 ist angemessen in US 4 949 045 A beschrieben. Als Antriebsmechanismus 26 kann in dem Bohrstrang 14 ein Schlammotor im Bohrloch angeordnet werden.
Um wenigstens N Untersuchungsgebiete in der Formation zu erhalten, können N + 1 Magneten 30, 32, 34 kombiniert werden. Die Kombinationen können ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten, ein Gebiet mit einem hohen Gradienten und ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten, ein Gebiet mit einem niedrigen Gradienten und ein Gebiet mit einem hohen Gradienten oder eine Kombination eines Gebiets mit einem hohen Gradienten, eines Gebiets mit einem niedrigen Gradienten und eines Gebiets mit einem Sattelpunkt enthalten. Die Kombination von statischen Feldgebieten mit einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten in der Formation bietet mehrere Vorteile. Zum Beispiel kann das Gebiet mit dem hohen Gradienten ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, bei der Längsbewegung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 jedoch einen Signalverlust erfahren. Andererseits hat das Gebiet mit dem niedrigen Gradienten eine niedrigere Empfindlichkeit gegenüber Signalverlustproblemen, wenn das Werkzeug 10 in Bewegung ist. Außerdem können bei einer mäßigen Bewegung des Werkzeugs 10 in dem Gebiet mit dem niedrigen Gradienten längere Echozüge als in dem Gebiet mit dem hohen Gradienten erhalten werden, um somit mehr Informationen über die Permeabilität, über ein gebundenes und ein freies Fluid und über die Arten der Kohlenwasserstoffe zu liefern. Außerdem kann die Kombination der mit beiden Gradientengebieten erfaßten Daten quantitative Informationen über die Stärke der Längsbewegung, die das Werkzeug 10 erfährt, liefern und somit zur Bewegungskorrektur der NMR-Daten oder wenigstens zur Qualitätskontrolle der Daten verwendet werden. Zur Qualitätskontrolle der Daten oder zum Vornehmen von Korrekturen an dem Spin-Echo-Zug können Messungen von Vorrichtungen wie etwa Dehnungsmeßgeräten, Beschleunigungsmeßgeräten oder Magnetometern oder von irgendwelchen Kombinationen dieser Vorrichtungen mit den NMR-Informationen integriert werden. Bei der Kombination von statischen Magnetfeldern mit einem hohen und mit einem niedrigen Gradienten zeigt das Gebiet mit dem hohen Gradienten eine höhere Diffusionswirkung und ist somit von größerem Interesse für die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten als das Gebiet mit dem niedrigen Gradienten. Schließlich besitzt das Gebiet mit einem niedrigen Gradienten ein statisches Magnetfeld mit einer niedrigen Amplitude, wobei dieses Gebiet mit seiner niedrigen Larmor-Frequenz somit weniger durch die Leitfähigkeit der Formation und des Bohrlochfluids beeinflußt wird.
Niedergradientensonde
Wie in 2 gezeigt ist, ist in einem als eine Niedergradientensonde verwendeten Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von einem unteren Magneten 32 getrennt. Diese Magneten 30, 32 erzeugen ein im wesentlichen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisation und mit einer über einen angemessen langen zylinderschalenförmigen Bereich annähernd konstanten Stärke. In der Formation können mehrere zylinderschalenförmige Bereiche von Spins angeregt werden, wobei jeder schalenförmige Bereich mit einer anderen HF-Frequenz resonant ist und wobei jede Schale aufeinanderfolgend mit Folgen von HF-Impulsen abgefragt wird.
Der Bereich zwischen den Magneten 30, 32 ist geeignet, um Teile wie etwa elektronische Bauelemente, eine HF-Antenne und andere ähnliche Dinge unterzubringen. Zum Beispiel können mehrere Elektronikpakete 70 einen einteiligen Teil der Schlammhülse 28 bilden. In diesen Paketen 70 kann eine HF-Schaltungsanordnung (z. B. ein Q-Schalter, ein Duplexer oder ein Vorverstärker) zweckmäßig in enger Nachbarschaft der HF-Antenne untergebracht sein. Vorzugsweise bilden die Pakete 70 einen einteiligen Teil eines magnetisch permeablen Teils 16. Um in diesem Fall die Axialsymmetrie des Magnetfelds zu erhalten, liegt über jedem Paket 70 eine stark magnetische permeable Abdeckung 72.
Das magnetisch permeable Teil 16 ist in dem Bohrkopfschaft 22 zwischen den Magneten 30, 32 positioniert. Das Teil 16 kann aus einem Einzelstück oder aus mehreren zwischen den Magneten 30, 32 kombinierten Abschnitten bestehen. Das Teil 16 ist aus einem geeigneten magnetisch permeablen Material wie etwa aus Ferrit, permeablem Stahl oder einer anderen Eisen-Nickel-Legierung, aus korrosionsbeständigem permeablen Stahl oder aus permeablem Stahl mit einer Strukturfunktion in der Konstruktion des Teils wie etwa aus dem rostfreien Stahl 15-5 Ph konstruiert. Das magnetisch permeable Teil 16 fokussiert das Magnetfeld und kann außerdem entweder Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang 14 befördern oder eine konstruktive Abstützung für den Bohrkopfschaft 22 schaffen. Ferner verbessert das Teil 16 die Form des von den Magneten 30, 32 erzeugten statischen Magnetfelds und minimiert die Änderungen des statischen Magnetfelds infolge einer vertikalen Bewegung und einer Längsbewegung des Werkzeugs 10 während der Zeitdauer der Erfassung des NMR-Signals. Das Segment der Hülse 28 zwischen den Magneten 30, 32 kann das magnetisch permeable Teil 16 umfassen. In diesem Fall sollen die Segmente der Hülse 28 unter den Magneten 30, 32 aus einem nichtmagnetischen Teil bestehen. Altetnativ wird das Teil 16 durch einen magnetisch permeablen Baugruppenträger definiert, der das Segment der Hülse 28 zwischen den Magneten 30, 32 umgibt. In diesem Fall kann das Segment aus einem magnetischen oder nichtmagnetischen Material bestehen. Um das Teil 16 zu bilden, können der Baugruppenträger und das Segment integriert werden.
Die Magneten 30, 32 sind in einer Richtung parallel zu der Längsachse des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole einander gegenüberliegen. Für jeden Magneten 30, 32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von einem Ende des Magneten 30, 32 nach außen in die Formation, entlang der Achse des Werkzeugs 10 und zum anderen Ende des Magneten 30, 32 nach innen. In dem Gebiet zwischen dem Mittelmagneten 30 und dem unteren Magneten 32 laufen die Linien der magnetischen Induktion von der Mitte nach außen in die Formation, wo sie ein statisches Feld in einer im wesentlichen senkrecht auf der Achse des Werkzeugs 10 stehenden Richtung erzeugen. Hierauf laufen die Linien der magnetischen Induktion über dem Mittelmagneten 30 und unter dem unteren Magneten 32 symmetrisch nach innen, wobei sie in Längsrichtung in der Hülse 28 zusammenlaufen. Wegen des Abstands ist die Stärke des statischen Magnetfelds in dem Mittelgebiet zwischen dem mittleren Magneten 30 und dem unteren Magneten 32 im Vergleich zu einem Sattelpunktfeld räumlich homogen.
Der Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird auf der Grundlage mehrerer Faktoren bestimmt: (1) Auswahl der erforderlichen Magnetfeldstärke- und Homogenitätseigenschaften; (2) Erzeugen eines Felds mit kleinen radialen Abweichungen in der interessierenden Richtung, so daß die während einer Impulsfolge (d. h. CPMG, CPI oder anderen Folgen) empfangenen Echos gegenüber einer Längsbewegung des Werkzeugs weniger empfindlich sind; (3) Untersuchungstiefe; und (4) Minimieren der Schnittstelle zwischen der Resonanzschaltungsanordnung und dem Niederspannungs-Telemetrie-Bus zum Verbessern der Isolation der Empfangsantenne, die die NMR-Signale von der Formation erfaßt. Mit sinkendem Abstand zwischen den Magneten 30, 32 wird das Magnetfeld stärker und inhomogener. Umgekehrt wird das Magnetfeld mit steigendem Abstand zwischen den Magneten 30, 32 schwächer und homogener.
Die 2a–2d zeigen die den vier Labormodellkonfigurationen des Mittelmagneten 30 und des unteren Magneten 32 entsprechend Äquipotentiallinien von |H →₀|. Diese Modellergebnisse wurden unter Verwendung eines Werkzeugs mit einem vorgegebenen Durchmesser berechnet (wobei zum Modellieren aller Konfigurationen ein konstanter Durchmesser verwendet wurde). Die den 2a bis 2c entsprechende Konfiguration umfasst ein nichtmagnetisches permeables Teil, das einen Mittelmagneten und einen unteren Magneten 30, 32 um 0,64 m, 0,46 m bzw. 0,20 m trennt. Die Niedergradientensonde umfasst entsprechend 2d ein magnetisch permeables Teil 16, das einen Mittelmagneten und einen unteren Magneten 30, 32 um 0,64 m trennt. Die oben erwähnten Abmessungen wurden lediglich modelliert, um die Wirkung des Abstands und/oder eines magnetisch permeablen Teils oder nicht magnetisch permeablen Teils auf |H →₀|. zu zeigen. Die 3a–3d stellen die den jeweils in den 2a–2d gezeigten Konfigurationen entsprechenden Äquipotentiallinien des Gradienten |∇H₀| dar.
In der Niedergradientensonde schließt das magnetisch permeable Teil 16 einen signifikanten Anteil des Magnetflusses zur Mitte des Werkzeugs 10 kurz. Zur Erläuterung ist die Stärke des in 2d gezeigten Felds H₀ in einem Abstand von etwa 0,18 m radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 doppelt so groß wie das in 2a gezeigte, von der gleichen, jedoch durch ein nichtmagnetisches permeables Teil getrennten Magnetkonfiguration erzeugte Feld H₀. Außerdem erzeugt die Niedergradientensonde ein in Axialrichtung längeres und gleichförmiger verlaufendes statisches Magnetfeld. Das in diesem Abschnitt des Werkzeugs 10 gemessene NMR-Signal ist gegenüber der Vertikalbewegung des Werkzeugs 10 wesentlich weniger empfindlich. In 3d wird mit der Niedergradientensonde in einem Abstand von etwa 0,18 m radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 ein verhältnismäßig kleiner Gradient von etwa 3·10^–2 Tm^–1 gemessen. Dieser niedrige Gradient führt zu einem gemessenen NMR-Signal, das gegenüber der Längsbewegung des Werkzeugs 10 wesentlich unempfindlicher ist. Wenn die Bewegung mäßig ist, können in diesem Gebiet längere Echozüge erfaßt werden, was somit mehr Informationen über die Permeabilität, über das gebundene und freie Fluid und über die Arten der Kohlenwasserstoffe liefert. Im Fall der Niedergradientensonde sowie bei anderen Gradientenkonstruktionen liefert das protonenreiche Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 lediglich bei höheren Frequenzen als sie an das Untersuchungsvolumen angelegt werden Resonanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Andere in dem Bohrschlamm befindlichen NMR-empfindlichen Kerne wie etwa Natrium-23 erzeugen beim Anregen mit der gleichen HF-Frequenz bei signifikant höheren statischen Magnetfeldstärken als Wasserstoff eine Resonanz. Für die Niedergradientensonde werden diese höheren Feldstärken in dem Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 oder in der Nähe der Antenne, wo solche unerwünschten Signale erfaßt werden könnten, nicht erzeugt.
Hochgradientensonde
Wie in 4 gezeigt ist, ist in einem als eine Hochgradientensonde verwendeten weiteren Abschnitt des Werkzeugs 10 ein Mittelmagnet 30 axial von einem oberen Magneten 34 getrennt. Die Magneten 30, 34 sind in einer Richtung parallel zur Längsachse des Werkzeugs 10 polarisiert, wobei gleiche Magnetpole einander gegenüberliegen. Diese Magneten 30, 34 erzeugen ein im wesentlichen axialsymmetrisch-statisches Magnetfeld mit einer radialen Polarisierung, wobei das statische Magnetfeld über eine angemessen lange Zylinderschale eine annähernd konstante Größe besitzt. Es können mehrere Zylinderschalen von Spins in der Formation angeregt werden, wobei jede Schale bei einer anderen HF-Frequenz in Resonanz ist.
Falls der Abstand zwischen den Magneten 30 und 34, wie in 2c gezeigt ist, etwa 8 Zoll beträgt, sind die Äquipotentiallinien der statischen Magnetfeldstärke im wesentlichen gerade, wobei die Stärke von |H →₀|. größer als die Stärke des statischen Magnetfelds des Gebiets mit dem niedrigen Gradienten ist. Wie in 3c gezeigt ist, wird der Gradient |∇H₀| in einem Abstand von etwa 7 Zoll radial von der Längsachse des Werkzeugs 10 jedoch größer. Die Äquipotentiallinien von |∇H₀| sind gekrümmt, was eine Abweichung des Gradienten in Axialrichtung bezeichnet.
Die Hochgradientensonde wird durch Einsetzen eines magnetisch permeablen Teils 16 zwischen den Magneten 30, 34 verbessert. 4a stellt die Äquipotentiallinien von |H →₀|. dar, die einer Konfiguration entsprechen, bei der das magnetisch permeable Teil 16 den unteren Magneten und den Mittelmagneten 30, 34 um 0,20 m trennt. Die Äquipotentiallinien aus 4a zeigen ein geringfügig stärkeres Feld, was ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und weniger Krümmung in Axialrichtung als die Äquipotentiallinien aus 2c bezeichnet. Außerdem erzeugt das magnetisch permeable Teil 16, wie in 4b gezeigt ist, in Axialrichtung einen stärker konstanten Gradienten |∇H₀|, der die Interpretation der durch die Diffusion beeinflußten NMR-Messungen vereinfachen kann.
Im Fall der Hochgradientensonde liefert das protonenreiche Bohrlochgebiet in der Umgebung des Werkzeugs 10 wie bei anderen Gradientenkonstruktionen lediglich bei höheren als den an das Untersuchungsvolumen angelegten Frequenzen Resonanzen, d. h., es gibt kein Protonen-Bohrloch-Signal. Die Hochgradientensonde ist empfindlich gegenüber einem kleinen Teil des Natriums von dem Bohrlochfluid. Für ein Bohrlochfluid mit einer NaCl-Konzentration von 30%, dem möglicherweise schlimmsten Fall, beträgt der Fehler der abgeschätzten Porösität infolge des Natriumsignals etwa 0,08 je Einheit. In der Niedergradientensonde ist das Natriumsignal wesentlich kleiner als in der Hochgradientensonde. Folglich ist das Natriumsignal für beide NMR-Sonden vernachlässigbar.
Antennen- und Gradientenspulen
Wie in den 2 und 4 gezeigt ist, wird von den in den ausgesparten Bereichen 50, 52 vorgesehenen Antennen 36, 38 in den Untersuchungsgebieten ein HF-Magnetfeld erzeugt. Das HF-Feld kann durch eine oder durch mehrere HF-Antennensegmente, die von verschiedenen Umfangssektoren der Vorrichtung zum Erstellen des Bohrberichts aus senden und/oder empfangen, erzeugt werden. Bevorzugt umfaßt jede Antenne 36, 38 eine entlang des Umfangs um den ausgesparten Bereich 50, 52 gewickelte Spule 18. Das durch eine solche Spulenanordnung erzeugt HF-Feld ist im wesentlichen axialsymmetrisch. Die Antennen 36, 38 können zum Erfassen von NMR-Signalen verwendet werden. Jedoch kann zum Erfassen der Signale auch eine gesonderte Antenne oder ein gesonderter Empfänger verwendet werden. In dem ausgesparten Bereich 50, 52 unter den Antennen 36, 38 ist ein nichtleitendes Material 54 vorgesehen. Um die Wirksamkeit der Antennen 36, 38 zu erhöhen, ist das Material 54 bevorzugt ein Ferrit. Alternativ kann das Material 54 ein Kunststoff-, Gummi- oder verstärktes Epoxidharz-Verbundmaterial umfassen. Die Antennen 36, 38 werden durch die HF-Schaltungsanordnung in Resonanz versetzt, um in den Untersuchungsgebieten ein HF-Magnetfeld zu erzeugen.
Der ausgesparte Bereich 52 bildet eine flache Nut in dem Bohrkopfschaft 22, ohne daß, wie üblich, zum Erhöhen der Feldstärke in einem Gebiet des Bohrkopfschafts 22, in dem zur Schaffung einer Antenne der Außendurchmesser ausgespart wurde, der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts 22 verringert wird. Der ausgesparte Bereich 50 besitzt eine größere Tiefe als der ausgesparte Bereich 52. Wegen mechanischer Beschränkungen kann es nur einen tief ausgesparten Bereich geben, in dem der Innendurchmesser des Bohrkopfschafts 22 wesentlich verringert ist. Entweder können die ausgesparten Bereiche 50, 52 im wesentlichen die gleiche Tiefe haben, oder der ausgesparte Bereich 52 kann eine größere Tiefe als der Bereich 50 haben.
Die zylinderschalenförmigen Bereiche der Spins in dem Untersuchungsgebiet können unter Verwendung wenigstens einer in dem ausgesparten Bereich 50 und/oder 52 angeordneten richtungsempfindlichen Gradientenspule 56 axial oder bevorzugt azimutal segmentiert sein. Bevorzugt sind um den ausgesparten Bereich 50 und/oder 52 entlang des Umfangs drei Gradientenspulen positioniert und durch ein Winkelabstandssegment von 120° getrennt. Es können andere Anzahlen von Gradientenspulen 56, d. h. weniger oder mehr als drei, definiert werden, wobei solche Spulen 56 durch von 120° verschiedene und/oder ungleiche Winkelabstände getrennt sein können. Jede Spule 56 ist mit Drahtschleifen konstruiert, die der Krümmung der Außenoberfläche des Materials 54 entsprechen. Das von jeder Gradientenspule 56 in einem der Spule 56 gegenüberliegenden Gebiet der Formation erzeugte Magnetfeld ist im wesentlichen parallel zu dem von den Magneten 30, 32, 34 erzeugten statischen Magnetfeld.
In der grundlegenden NMR-Messung wird an die untersuchte Formation eine Impulsfolge angelegt. In US 5 596 274 und US 5 023 551 wird an die Formation mittels einer Impulsfolge wie etwa der Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Folge (CPMG-Folge) an die Formation zunächst ein Anregungsimpuls, ein 90°-Impuls, der die Spins in die Querebene dreht, angelegt. Nachdem die Spins um 90° gedreht wurden und eine Phasenverschiebung zwischen ihnen entstanden ist, wird der Träger der Neufokussierungsimpulse, die 180°-Impulse, in bezug auf den Träger der 90°-Impulsfolge gemäß der folgenden Beziehung:
phasenverschoben, wobei der Klammerausdruck für n = 1, 2, ...,N, mit N der Anzahl der in einer einzelnen CPMG-Folge gesammelten Echos und dem Echoabstand
wiederholt wird.
bezeichnet einen HF-Impuls, der bewirkt, daß sich die Spins, wie es üblicherweise in dem Drehrahmen der Kernresonanzmessungen (mit alternierender Phase) definiert ist, um einen Winkel von 90° um die ±x-Achse drehen. Die Zeit zwischen dem Anlegen des 90°-Impulses und des 180°-Impulses t₀ ist kleiner als t_cp, dem halben Echoabstand. Die CPMG-Folge ermöglicht die Erfassung einer symmetrischen Messung (d. h. einer Messung ohne Verwendung der Gradientenspulen). Die genauen Zeitparameter t₀, t₁ und t₂ hängen von verschiedenen Faktoren (z. B. von der Form der angelegten Impulse) ab.
Hier erzeugt ein an die Gradientenspule 56 angelegter Stromimpuls ein im wesentlichen zu dem statischen Magnetfeld paralleles Zusatzmagnetfeld. Der Stromimpuls wird zwischen dem ersten 90°-Impuls und dem um 180° phasenverkehrten Impuls angelegt. Dieses Zusatzfeld bewirkt eine zusätzliche Phasenverschiebung für die Spins. Da der um 180° phasenverkehrte Impuls die zusätzliche Phasenverschiebung nicht kompensiert, bilden die dem Zusatzfeld unterworfenen Spins kein Spinecho. Für Spins, die dem Zusatzfeld nicht unterworfen sind, tritt jedoch zur Zeit 2t_cp Spinecho auf, wobei zum Zeitpunkt t_cp nach jedem phasenverkehrten Impuls Spinechos mit aufeinanderfolgend kleinerer Amplitude auftreten. Die Impulsfolge ist
wobei t a / 0 die Zeitdauer zwischen dem 90°-Impuls und dem Gradientenimpuls mit der Dauer δ, t b / 0 die Zeitdauer zwischen dem Gradientenimpuls und dem 180°-Umkehrimpuls und t a / 0 + δ + t b / 0 = t₀ ist. Infolge der aufeinanderfolgenden 180 o / y-Impulse und der inhomogenen Felder fällt die x-Komponente des NMR-Signals innerhalb weniger Echos ab. Somit liegt der Schwerpunkt lediglich auf der y-Komponente des Signals. Damit kann das erste NMR-Echosignal unter Vernachlässigung der Relaxation als
dargestellt werden, wobei i die komplexe imaginäre Einheit; γ das gyromagnetische Verhältnis; M o / x bzw. M o / y die x- bzw. y-Komponente der Magnetisierung am Ort r zum Zeitpunkt des ersten Echos in Abwesenheit des Gradientenimpulses; G(r) die Komponente des Gradientenfelds parallel zu H₀ am selben Ort; δ die Dauer des Gradientenimpulses; und dc(r) die differentielle Empfindlichkeit der NMR-Sonde ist.
Die Gradientenspulen 56 bieten eine Anzahl von Vorteilen, was das Erhalten von Azimutmessungen betrifft. Zunächst können während der Drehung des Werkzeugs 10 in dem Bohrloch 24 lange Echozüge aufgezeichnet werden, da die axialsymmetrische Antenne die Spinechos erfaßt. Zweitens vereinfacht die Spule 56 den Entwurf eines NMR-LWD-Werkzeugs, da die Spule 56 nicht die Abstimmungsanforderungen einer HF-Antenne 36, 38 besitzt. Drittens kann die gleiche Antenne 36, 38 zum Ausführen symmetrischer und axialsymmetrischer Messungen verwendet werden. Viertens können die Spulen 56 verwendet werden, um NMR-Messungen mit einer ausgezeichneten räumlichen und insbesondere vertikalen Auflösung zu erhalten.
Es werden verschiedene Betriebsarten zum Erhalten von azimutalen NMR-Messungen betrachtet. Zum Beispiel verwendet eine ”einfache Zerstörungs”-Betriebsart wenigstens eine Spule 56 zum Zerstören der Spins in einem ausgewählten Quadranten, wobei ein Quadrant als ein Winkelabstandssegment über den Umfang des Werkzeugs 10 definiert ist, wobei jedoch mehrere Spulen 56 zum Zerstören mehrerer Quadranten verwendet werden können. In jedem Fall werden zwei Messungen erhalten: eine symmetrische Impulsfolge mit alternierender Phase (PAPS) mit einer festen Wartezeit, auf die eine Gradienten-PAPS mit einer variablen Wartezeit folgt, wobei der ausgewählte Quadrant durch Aktivieren der Spule 56 in dem Quadranten zerstört wird. Bevorzugt wird die obenerwähnte Gradientenimpulsfolge verwendet. Die Azimutmessung wird durch Subtrahieren der Gradientenmessung von der symmetrischen Messung erzeugt. In dieser Betriebsart wird für jeweils zwei PAPS eine symmetrische Messung erhalten, während für jeweils acht PAPS eine Azimutabtastung erhalten wird. Da die zwei Messungen kombiniert werden, ist das Meßrauschen für die Azimutmessung höher als das Rauschen in der symmetrischen Messung oder in der Gradientenmessung.
Der Rauschbeitrag kann durch Kombinieren verschiedener Einzelquadranten-Zerstörungsmessungen reduziert werden. Zum Beispiel können durch Zerstören jedes Quadranten vier Gradienten-PAPS-Messungen erhalten werden. Die Messungen werden zum Erzeugen einer synthetischen Azimutmessung und einer symmetrischen Messung kombiniert. Durch Kombinieren der ohne Aktivieren der Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen mit den mit Aktivieren einer oder mehrerer Gradientenspulen 56 ausgeführten Messungen können axial oder azimutal aufgelöste ”Bilder” der Formation erzeugt werden. Die erfaßten Daten und insbesondere die in Form von Azimutbildern der Porösität und des gebundenen Fluids erfaßten Daten sind sehr wünschenswert zur Verbesserung der petrophysikalischen Interpretation in stark abweichenden und horizontalen
Bohrungen und zur Entscheidungsfindung beim Bohren über die Plazierung von Bohrungen auf der Grundlage geologischer Erkenntnisse.
Optimierender Impulslänge und der Betriebsfrequenz
Für eine gewählte Betriebs-HF-Frequenz gibt es für den 90°-Impuls t₉₀ sowie für die 180°-Impulse t₁₈₀ eine optimale Dauer, die ein gewünschtes Signal-Rausch-Verhältnis sicherstellt. Die Suche nach einer optimalen Impulslänge kann während der Haupteichung des Werkzeugs ausgeführt werden, so daß sämtliche Impulslängen richtig initialisiert werden, oder sie kann ausgeführt werden, wenn sich das statische Magnetfeld wie etwa bei einer Änderung infolge der Akkumulation magnetischen Bohrmehls während des Bohrprozesses in einer nicht vorhersagbaren Weise ändert. Außerdem kann dieses Verfahren verwendet werden, um die geeignete Frequenz zur Erfüllung weiterer Kriterien wie etwa dem, die Untersuchungstiefe konstant zu halten, zu wählen.
Die optimale Impulslänge kann unabhängig von den NMR-Eigenschaften der Formation durch Messen der NMR-Antwort eines Abtastwerts unter Verwendung von wenigstens zwei verschiedenen Impulsdauern und einer im voraus definierten Betriebsart bestimmt werden. Alternativ kann die optimale Impulslänge unter Verwendung wenigstens zweier verschiedener Impulsdauern und außerdem einer aus den NMR-Eigenschaften der Formation berechneten Betriebsart bestimmt werden. Im ersten Fall verbessert die Datenstapelung das Signal-Rausch-Verhältnis, wobei das Stapelverfahren möglicherweise aber eine lange Zeitdauer zum Erfassen der Daten von der Formation benötigt. Bevorzugt werden die gemessenen Daten während eines stationären Zeitfensters, wenn das Werkzeug 10 eine Pause vom Bohrbetrieb einlegt, wie etwa während des Zeitraums, währenddessen der Bohrstrang mit einem neuen Abschnitt des Bohrrohrs verlängert wird, akkumuliert. Falls die T₂-Verteilung der Formation im zweiten Fall bekannt ist, kann eine beste Erfassungsbetriebsart konstruiert werden, die das höchste Signal-Rausch-Verhältnis pro Einheit der Erfassungszeit und eine optimale Linearkombination der erfaßten Echos liefert. Laborsimulationen zeigen, daß die optimale Zeitgebung für die beste Erfassungsbetriebsart dann erreicht wird, wenn die Dauer des Echozugs etwa gleich T_2,max, dem dominierenden T₂ der Formation ist, und wenn die Wartezeit t_W (unter der Voraussetzung eines konstanten Verhältnisses T₁/T₂ von 1,5) etwa gleich 2,5 × T_2,max ist. Die beste Erfassungsbetriebsart bestimmt über mehrere Sekunden die optimale Impulslänge innerhalb weniger Prozent. Ein ähnliches Verfahren (z. B. die Sattelpunkt-Konstruktion) kann zum Optimieren des NMR-Signals in bezug auf die Frequenz verwendet werden.
Die T₂-Verteilung hilft wirksam beim effizienten Abstimmen der Impulslängen für das Werkzeug 10.
Datenerfassungs-Betriebsarten
Wie oben beschrieben wurde, besitzt das Werkzeug 10 mehrere Antennen 36, 38. Bevorzugt senden oder erfassen diese Antennen 36, 38 keine Daten gleichzeitig. Nachdem eine Antenne 36 Daten erfaßt, erfährt die andere Antenne 38 statt dessen eine minimale Wartezeit, während der sich die Stromversorgung auflädt, um die nächste Impulsfolge zu senden. Jedoch ist es möglich, Daten gleichzeitig zu senden oder zu erfassen oder eine Datenerfassung ohne eine erforderliche Wartezeit vorzusehen.
Auf der Grundlage dieser Entwurfsprioritäten können mehrere Datenerfassungs-Betriebsarten verwendet werden. Unten werden beispielhaft drei repräsentative Zeitgebungen für die NMR-Datenerfassung beschrieben: eine für wasserfeuchte Sandsteinzonen geeignete schnelle Zeitgebung, eine für Karbonatzonen geeignete langsame Zeitgebung und eine für Kohlenwasserstoff führende Zonen (oder für den Einbruch von Öl-Bohrschlamm) entwickelte sehr langsame Zeitgebung. Die Zeitgebungen sind in Tabelle I dargestellt.

Wartezeit (s) Echoabstand (ms) Anzahl der Echos

schnell 2,3 0,5 400

langsam 4,6 0,5 800

sehr langsam 9,2 1,0 800

Tabelle I
Bei jeder Datenerfassungszeitgebung können mehrere verschiedene Betriebsarten verwendet werden, zu denen die folgenden zählen: einfache Betriebsart, verschachtelte Betriebsart und Stoßbetriebsart. Daneben sind jedoch weitere Betriebsarten möglich. Die einfachste Möglichkeit zum Erfassen von T₂-Informationen mit dem Werkzeug 10 besteht im Ausführen von CPMG-Messungen mit beiden Antennen 36, 38 unter Verwendung der gleichen Zeitgebung. 5 zeigt die einfache Datenerfassungs-Betriebsart bei Verwendung mit der schnell abfallenden, mit der langsam abfallenden und mit der sehr langsam abfallenden Zeitgebung aus Tabelle I. Jede Antenne 36, 38 erfaßt alternierend eine lange Impulsfolge, was eine wirksame Porösitätsmessung von jeder Antenne 36, 38 liefert.
Bei der verschachtelten Betriebsart mißt die Hochgradientenantenne wenigstens zwei Zylinderschalen bei zwei verschiedenen Frequenzen, während die Niedergradientenantenne eine Messung unter Verwendung einer einzelnen Frequenz erhält. 6 zeigt für schnell abfallende Abtastwerte, für langsam abfallende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten eine verschachtelte Messung unter Verwendung der Zeitgebung aus Tabelle I.
Die Stoßbetriebsart verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis insbesondere für die schnell abfallenden Komponenten. Außerdem schafft die Stoßbetriebsart ein nutzbares T₁ auf der Grundlage einer Messung der gebundenen Fluide. Siehe WO 98/29639 und außerdem US-Patentanmeldung Nr. 09/096.320, die ein Verfahren zum Polarisieren des gebundenen Fluids einer Formation beschreiben. 7 zeigt Stoßmessungen für schnell abfallende Abtastwerte, für langsam abfallende Komponenten und für sehr langsam abfallende Komponenten unter Verwendung leicht modifizierter Zeitgebungen aus Tabelle I.
Zusätzlich zur Verwendung der einfachen Betriebsart, der verschachtelten Betriebsart und der Stoßbetriebsart können die Formationsbewertungsmessungen dadurch optimiert werden, daß die im Bohrloch herrschenden Bedingungen, die eine Pause während des Bohrbetriebs erzeugen, und die Bohrbetriebsart erfaßt wird, wobei die Betriebsart zum Steuern der Datenerfassung verwendet wird. Standard-Drehbohroperationen umfassen mehrere natürliche Pausen, während derer das Werkzeug stehenbleibt: die Anschlußzeit, während der ein neuer Abschnitt des Bohrrohrs zu dem Bohrstrang hinzugefügt wird, die Umwälzzeit, wenn Schlamm umgewälzt und das Bohrrohr möglicherweise gedreht wird, und die Fangarbeits- oder Rüttel-Zeit, während der der Bohrstrang haftet und vor dem Fortsetzen des Bohrens freigelegt werden muß. Diese natürlichen, ohne Unterbrechung der normalen Bohroperationen auftretenden Pausen oder absichtlich ausgelöste Pausen werden zum Ausführen von NMR-Messungen verwendet. Die Bohrbetriebsarten können das Bohren, das Gleiten, das Schatten, das Umwälzen, die Fangarbeit, ein kurzes Anschlagbohren (nach oben oder nach unten) und Bohrrohrverbindungen umfassen. Das Bestimmen der Bohrbetriebsart verbessert die Fähigkeit, NMR-Messungen zu erhalten, die, wie z. B. T₁, T₂, die Antennenabstimmung und die Verfahren zur Erkennung der Kohlenwasserstoffarten, einen langen Zeitraum erfordern oder von einer ruhigen Umgebung profitieren. Es ist außerdem möglich, die Erfassungsbetriebsarten auf der Grundlage von Änderungen in der Umgebung (z. B. der Auswaschung, des Salzgehalts usw.) und/oder von Änderungen in den NMR-Eigenschaften der Formation (z. B. einem langen T₁ gegenüber einem kurzen T₁) einzustellen.
Die Spinechoamplituden werden durch Hardwareintegration der Empfängerspannungen über ein Zeitfenster erhalten. Das Werkzeug 10 verwendet eine phasenempfindliche Erfassung zum Messen der phasengleichen Komponenten und der Quadratur-Komponenten der Spinecho-Signal- und Rausch-Amplituden. Die in US 5 381 092 offenbarten Verfahren können verwendet werden, um die Fenstersummen im Bohrloch zu berechnen und zur T₂-Inversionsverarbeitung und -darstellung an die Oberfläche zu senden. Außerdem können die in US 5 363 041 offenbarten Verfahren realisiert werden, die einen linearen Operator zum Abbilden einer Relaxationszeitverteilung auf die Spinechos verwenden, eine Eigenwertzerlegung (SVD) des linearen Operators erzeugen, die Vektoren der SVD bestimmen und die Spinechodaten unter Verwendung der Vektoren komprimieren. Bevorzugt wird das T₂-Spektrum im Bohrloch berechnet und an die Oberfläche übertragen. Dies bietet den Vorteil, einen durch das Senden der erforderlichen Daten zum Berechnen des T₂-Spektrums an die Oberfläche erzeugten Telemetrie-Engpasses zu beseitigen. Zum invertieren der T₂-Daten kann ein Digitalsignalprozessor verwendet werden. Die Amplituden A_j der Spinechos werden durch die folgende Beziehung:
gekennzeichnet, wobei η_j das Rauschen in der Messung A_j, a_i die Amplitude der bei T_2,i genommenen T₂-Verteilung ist,
die Elemente der Matrix X darstellt, wobei t_w die Wartezeit und c eine Konstante (das Verhältnis T₁/T₂), Δt der Echoabstand und j = 1, 2, ...,N mit N der Anzahl der in einer einzelnen Impulsfolge gesammelten Echos ist. In der Matrixschreibweise lautet die Gleichung A → = Xa → + η →. Da das Rauschen η unbekannt ist, kann a → durch Auffinden der Lösung mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate, d. h. eines Minimums des Funktionals J = ∥A → – Xa →∥² , angenähert werden. Die Lösung dieser Gleichung wird stark durch das in den Daten vorhandene Rauschen beeinflußt, wobei sie, obgleich das Spektrum von T₂ keine negativen Komponenten besitzt, negative Komponenten besitzen kann. Zur Lösung dieses Problems wird das Funktional durch einen Regularisierungsterm λ∥a →∥² ergänzt und das Funktional J_λ(a →) = ∥A → – Xa →∥² + λ∥a →∥² unter Verwendung eines geeigneten Iterationsminimierungsalgorithmus (z. B. des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens) unter der Nebenbedingung a_i ≥ 0 für i = 1 ... M minimiert. Siehe Ran S. Dembo und Ulrich Tulowitzski, On the Minimization of Quadratic Functions Subject to Box Constraints, Yale Department of Computer Science (September 1984) (Beschreibung des Konjugierte-Gradienten-Projektionsverfahrens). Die unter Verwendung eines Digitalsignalprozessors zum Ausführen der T₂-Inversion erforderliche Zeit ist sehr angemessen. Zum Beispiel erfordert die Inversion in einem Digitalsignalprozessor unter der Voraussetzung von 1800 Echos und 30 Abtastwerten in dem T₂-Bereich weniger als zwei Sekunden.
Impulsprogrammierer
Für die grundlegende NMR-Messung mit dem Werkzeug 10 legt die Elektronikschaltungsanordnung eine Impulsfolge an die untersuchte Formation an. Das Werkzeug 10 enthält einen Impulsprogrammierer 80, der die an die Formation angelegte Impulsfolge angepaßt auswählt und steuert. Der Impulsprogrammierer 80 richtet die Impulsfolge unter Verwendung der in dem Meßsteuerblock 82 (siehe 8) gefundenen Informationen und der Betriebsbedingungen des Werkzeugs 10 ein. Bevorzugt ist der Meßsteuerblock 82 in einer Speichervorrichtung im Bohrloch untergebracht. Die Konstruktion des Blocks 82 ist feststehend, um zu ermöglichen, daß der Impulsprogrammierer 80 die Zeitgebung der Impulsfolgen autonom im Bohrloch leicht anpaßt und ändert. Vorteilhaft wird ein Abschnitt des Blocks 82 in mehrere Tabellen 84, 86 und 88 unterteilt. Anstatt alle von der Impulsfolge abhängigen Werkzeugoperationen durch den Impulsprogrammierer 80 zu steuern, werden zum Steuern dieser Operationen die Tabellen 84, 86, 88 verwendet. Dadurch kann der Impulsprogrammierer 80 die Impulsfolgen ändern, ohne Widerspreche in der Werkzeugkonfiguration einzuführen. Die mehreren Tabellen 84, 86 und 88 können die folgenden Tabellen umfassen:
eine Puffertabelle, die die Anordnung der Stapelpuffer beschreibt,
eine Erfassungstabelle, die die in den Puffern akkumulierten erfaßten Signale definiert,
eine Filterkoeffiziententabelle, die das bei einer Signalerfassung verwendete Erfassungsfilter vorschreibt,
eine Spindynamik-Korrekturtabelle, die die für jeden Puffer zu verwendende Spindynamikkorrektur angibt, und
eine Datenverarbeitungstabelle, die die aus den erfaßten Puffern berechnete Kernresonanz-Charakteristik angibt.
Der Impulsprogrammierer 80 enthält eine zum Erzeugen der Impulsfolgen nutzbare Impulsfolgenschablone 94, die eine von den Wiederholungs- und Zeitgebungsvariablen abhängige Folge von Zuständen umfaßt. Diese Variablen werden unter Verwendung des Rechenblocks 92 aus den Folgenkonfigurationsparametern berechnet. Der Rechenblock 92 kann als eine ausführbare oder als eine interpretierende Struktur realisiert werden. Auf der Grundlage der zu messenden physikalischen Größe, z. B. T₂, können Zeitgebungsvariablen wie etwa die Wartezeit t_w, der Echoabstand t_Echo und die Anzahl der erfaßten Echos definiert werden. Zu den Konfigurationsparametern können t₉₀, die Impulsamplitude und die Impulsform zählen. Da sich diese Parameter mit den Betriebsbedingungen des Werkzeugs 10 ändern können, können sie periodisch während der Eichung oder während des Betriebs des Werkzeugs 10 berechnet werden. Zum Beispiel hängt die Impulsamplitude und -form von dem Antennenqualitätsfaktor und somit von der Leitfähigkeit der Formation in der Umgebung des Werkzeugs 10 ab.
Normalerweise läuft eine Impulsfolge, nachdem sie der Impulsprogrammierer 80 ausgelöst hat, deterministisch bis zu ihrem Abschluß ab. Um mit dem Werkzeug 10 bestimmte Azimutmeß-Betriebsarten zu realisieren, besitzt der Impulsprogrammierer 80 die Fähigkeit, die Impulsfolge während der Ausführung der Folge zu ändern. Der Programmierer 80 kann die Ausführung der Impulsfolge anhalten und in einen HALT-Zustand eintreten, bis ein externes Signal den Zustand zum Zeitpunkt t_c beendet oder bis eine maximale Zeitdauer t_max abgelaufen ist. Da die letzte der mit der Datenerfassungszeitgebung zu verwendenden verschiedenen Betriebsarten (die verschachtelte Betriebsart) ein Verschachteln mehrerer Messungen vorsieht, kompensiert der Programmierer 80, wie zuvor in dem Abschnitt über die Datenerfassungs-Betriebsarten diskutiert wurde, die während des HALT-Zustands vergangene Zeitdauer. Bevorzugt wird die Kompensation durch Gruppieren der HALT-Ereignisse ausgeführt. Zum Beispiel kann ein Gruppieren ein Paar HALT-Ereignisse umfassen, wobei ein HALT-Ereignis wie zuvor beschrieben arbeitet, während das andere HALT-Ereignis ein normales Ereignis der Dauer t_max – t_c ist. Das Gruppieren von Ereignissen ermöglicht, daß der Programmierer 80 Folgen mit einer variablen und mit einer deterministischen Zeitgebung zusammenfaßt.
Außerdem kann die in der Impulsfolgenschablone 94 definierte Folge der Zustände für Teile der Folge mehrere Alternativen umfassen. Eine der Alternativen (eine Verzweigung) wird in Echtzeit in Abhängigkeit von den externen Bedingungen des Werkzeugs 10 (z. B. vom Azimut des Werkzeugs 10) gewählt.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft in einem Untersuchungsbereich von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs (24) mit einer Bohreinrichtung (10) zum Bohren eines Bohrlochs (24) in der Formation; einer Einrichtung (90) zum Fördern von Bohrfluid durch die Bohreinrichtung (10); einer an die Bohreinrichtung (10) angeschlossenen Messeinrichtung zum Ausführen von Kernresonanzmessungen beim Bohren des Bohrlochs (24), und einer Einrichtung zum Erfassen der Kernresonanzsignale von den Untersuchungsgebieten, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen mehrerer axial-symmetrisch-statischer Magnetfelder über die Bohreinrichtung (10) und in mehreren Untersuchungsbereichen in der Formation umfasst, wobei die Kernresonanzmessung in der Weise erhalten wird, dass die durch wenigstens ein statisches Magnetfeld erzeugten Äquipotentiallinien in Axialrichtung gerade sind; und Einrichtungen (36, 38) zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation umfasst; wobei sich in der Bohreinrichtung (10) wenigstens ein magnetisch permeables Teil (16) zur Formgebung des statischen Magnetfelds befindet, und in einer Vorrichtung zum Erstellen des Bohrberichts eine Gradienteneinrichtung (56) zum Anlegen eines Magnetfeldgradienten zur Phasenverschiebung der Spins in einem Teil der Untersuchungsbereiche bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen mehrerer axialsymmetrisch-statischer Magnetfelder Einrichtungen zum Erzeugen wenigstens eines statischen Magnetfelds mit einem niedrigen Gradienten (30, 32), mit einem hohen Gradienten (30, 34) oder mit einem Sattelpunkt in einem ersten Untersuchungsbereich umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (30, 32, 34) zum Erzeugen mehrerer axialsymmetrischstatischer Magnetfelder Einrichtungen zum Erzeugen wenigstens eines statischen Magnetfelds mit einem hohen Gradienten (30, 32), mit einem niedrigen Gradienten (30, 34) oder mit einem Sattelpunkt in einem zweiten Untersuchungsbereich umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung (10) einen rohrförmigen Bohrkopfschaft (22) mit einer allgemein zylindrischen Innenoberfläche (28) mit einem Innendurchmesser und mit einer allgemein zylindrischen Außenoberfläche mit einem Außendurchmesser umfasst, wobei in einer Aussparung (50, 52), die eine axiale Ausdehnung in der Außenoberfläche überbrückt, eine Antenne (36, 38) angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Außenoberfläche über die axiale Ausdehnung der Aussparung (50, 52) verringert ist, während der Durchmesser der Innenoberfläche (28) des Bohrkopfschafts (22) über die axiale Ausdehnung der Aussparung (50, 52) nicht verringert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Aussparung (50, 52), die eine axiale Ausdehnung in einer Außenoberfläche der Bohreinrichtung (10) überbrückt, eine Antenne (36, 38) angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Außenoberfläche gegenüber dem Außendurchmesser der Bohreinrichtung (10) über die axiale Ausdehnung der Aussparung (50, 52) verringert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienteneinrichtung (56) mehrere um den Umfang der Bohreinrichtung (10) angeordnete Gradienteneinrichtungen umfasst.
Verfahren zum Bestimmen einer Kernresonanz-Eigenschaft in einem Untersuchungsgebiet von Bodenformationen in der Umgebung eines Bohrlochs (24) mit einer Vorrichtung, die gegenüber dem Bohrloch (24) beweglich ist, gekennzeichnet durch das Erzeugen mehrerer axialsymmetrischstatischer Magnetfelder in mehreren Untersuchungsbereichen in der Formation durch die Vorrichtung; das Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in der Formation durch die Vorrichtung; das Formen wenigstens eines statischen Magnetfelds in der Weise, dass die durch das Feld erzeugten Äquipotentiallinien in Axialrichtung gerade sind, das Anlegen eines Magnetfeldgradienten in einem Abschnitt wenigstens eines Untersuchungsbereichs, wobei der Magnetfeldgradient eine Phasenverschiebung der Spins bewirkt, und das Erfassen der Kernresonanzsignale aus den Untersuchungsbereichen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Untersuchungsbereich wenigstens ein statisches Magnetfeld mit einem niedrigen Gradienten, ein statisches Magnetfeld mit einem hohen Gradienten oder ein statisches Magnetfeld mit einem Sattelpunkt erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Untersuchungsbereich wenigstens ein statisches Magnetfeld mit einem hohen Gradienten, ein statisches Magnetfeld mit einem niedrigen Gradienten oder ein statisches Magnetfeld mit einem Sattelpunkt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Formation um das Bohrloch (24) in mehrere Winkelabstandssegmente unterteilt wird, wobei die Stärke wenigstens eines statischen Magnetfelds in wenigstens einem Segment räumlich geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Formation in mehrere axiale Segmente unterteilt wird, wobei die Stärke wenigstens eines statischen Magnetfelds in wenigstens einem axialen Segment räumlich geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Untersuchungsbereich mehrere HF-Impulse mit einer Frequenz f₁; in dem ersten Untersuchungsbereich mehrere HF-Impulse mit einer anderen Frequenz f₂; und in dem zweiten Untersuchungsbereich mehrere HF-Impulse angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste HF-Impulse in dem ersten Untersuchungsbereich, und während einer Wartezeit mehrere zweite HF-Impulse in dem zweiten Untersuchungsbereich angelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von wenigstens einer Vorrichtung erhaltenen Informationen mit den erfassten Kernresonanzsignalen zur Qualitätskontrolle der Signale integriert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Signale bezüglich der Wirkung der Bewegung der Vorrichtung auf die erfassten Signale korrigiert werden.