DE19957767A1

DE19957767A1 - Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz und Gerät hierfür

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Publication number: DE19957767A1
Application number: DE19957767A
Authority: DE
Inventors: Peter Speier; Krishnamurthy Ganesan
Original assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2000-06-08
Also published as: AU5831399A; CN100410681C; EG22176A; GB9925826D0; NO995933D0; US6492809B1; NL1013602A1; MXPA03005196A; AR021325A1; CA2287141A1; CN101295012B; AU741353B2; CN101295012A; NL1013602C2; NL1022631C2; US6844728B2; CN101074986B; NO995933L; NL1022631A1; US20030020473A1

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhalten von NMR-Messungen offenbart. Eine NMR-Meßvorrichtung (60; 35), die gemessene Probe oder beide Elemente können der Messung der Bewegung unterliegen. Die Einhüllende eines HF-Trägersignals wird in der Weise moduliert, um eine erste Folge (120) von HF-Impulsen zu erzeugen. Die Einhüllende, die Phase des HF-Signals und/oder ein statisches Magnetfeld DOLLAR I1 können während des Ausstrahlens (52) der ersten Folge (120) variiert werden, um ein erstes Gebiet der Probe im wesentlichen zu sättigen. Die erste Folge (120) kann zusätzliche HF-Neufokussierungsimpulse enthalten, die, wenn sie an die Bewegung der NMR-Meßvorrichtung (60; 35) oder der Probe gekoppelt sind, ebenfalls verwendet werden können, um das erste Gebiet im wesentlichen zu sättigen. Es wird eine zweite Folge (68) von HF-Impulsen ausgestrahlt (56), um in dem ersten Gebiet ein Resonanzgebiet herzustellen und um ein Merkmal der Probe zu messen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der magnetischen Kern resonanz nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 sowie ein Gerät hierfür nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17.

Die magnetische Kernresonanz (NMR) kann dazu verwendet werden, die Eigenschaften einer Probe wie etwa von Körpergewebe (für medizinische Abbil dungszwecke) oder einer unterirdischen Formation (für Bohrprotokollzwecke) zu bestimmen. Zum Beispiel kann die NMR im Fall der unterirdischen Formation zum Bestimmen und Abbilden der Porosität, des Formationstyps, der Permeabilität und des Ölgehalts der Formation verwendet werden.

Mit Bezug auf Fig. 1 kann die NMR z. B. in einer Operation des Protokol lierens beim Bohren (LWD-Operation) zum Abbilden der Eigenschaften einer un terirdischen Formation 10 verwendet werden. Auf diese Weise kann ein axial symmetrisches NMR-Gerät 6 Teil eines zum Ausbilden eines Bohrlochs 3 in der Formation 10 verwendeten Bohrstrangs 5 sein. Das Gerät 6 kann z. B. eines der in US 5 705 927 oder in US 5 280 243 beschriebenen Geräte sein.

Der NMR-Meßprozeß unterscheidet sich von den meisten anderen Mes sungen an unterirdischen Formationen durch zwei verschiedene Merkmale. Zu nächst kommt das NMR-Signal von der Formation aus einem kleinen Resonanz volumen wie etwa aus dem allgemein dünnen Resonanzvolumen 20a (siehe Fig. 2), wobei die radiale Dicke des Resonanzvolumens 20a proportional zum Be trag eines (nicht gezeigten) Magnetfelds ₁ sein kann. In Abhängigkeit von der Form der Resonanzzonen kann sich das Volumen beispielsweise von nur 1 mm in einer Richtung bis zu sogar mehreren Zoll in einer anderen erstrecken. Zweitens erfolgt die NMR-Messung möglicherweise nicht momentan. Diese beiden Tatsa chen zusammen machen die NMR-Messungen anfällig für Bewegungen des Ge räts wie etwa für die im folgenden beschriebene Bewegung des NMR-Geräts 6 um den Umfang des Bohrlochs 3.

Wie im folgenden beschrieben wird, kann das NMR-Gerät 6 zum Ausfüh ren der NMR-Messungen Permanentmagneten zum Erzeugen eines (nicht ge zeigten) statischen Magnetfelds mit der Bezeichnung ₀; eine Hochfrequenzspule (HF-Spule) oder Antenne zum Ausstrahlen des zu dem Feld ₀ senkrechten zeit lich variierenden Magnetfelds ₁; und eine HF-Spule oder Antenne zum Empfang des Spinechos aus der Formation als Antwort auf eine NMR-Messung enthalten. Diese zwei Spulen können zu einer einzigen Sende/Empfangs-Antenne zusam mengefaßt werden.

Zum Beispiel kann das NMR-Gerät 6 die Spin-Spin-Relaxationszeiten T2 der Wasserstoffkerne der Formation 10 dadurch messen, daß es NMR-Erfas sungsfolgen ausstrahlt, die bewirken, daß die Kerne Spinechos erzeugen. Die Spinechos können ihrerseits analysiert werden, um eine Verteilung von Zeiten T2 zu erzeugen, wobei aus dieser Verteilung die Eigenschaften der Formation erhal ten werden können. Eine solche NMR-Erfassungsfolge ist z. B. eine in Fig. 4 ge zeigte Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Folge (CPMG-Folge) 15. Durch Anlegen der Folge 15 kann eine Verteilung von Zeiten T2 erhalten werden, wobei diese Ver teilung zum Bestimmen und Abbilden der Eigenschaften der Formation 10 ver wendet werden kann.

Ein Verfahren, das die CPMG-Folgen 15 zum Messen der Zeiten T2 ver wendet, kann die folgenden Schritte umfassen. Im 1. Schritt sendet das NMR-Ge rät 6 während eines geeigneten Zeitintervalls das Feld ₁, um einen 90°-Anre gungsimpuls 14a anzulegen, der die (anfangs auf die Richtung des Felds ₀ aus gerichteten) Spins der Wasserstoffkerne um 90° dreht. Obgleich dies nicht gezeigt ist, ist jeder Impuls effektiv eine Einhüllende oder ein Bündel eines HF-Trägersi gnals. Nachdem die Spins gegenüber der Richtung des Felds ₀ um 90° gedreht wurden, beginnen sie sofort zunächst im Einklang in der zu dem Feld ₀ senk rechten Ebene eine Präzession aufzuweisen, während sie hierauf allmählich ihre Synchronisation verlieren. Während des 2. Schritts pulst das NMR-Gerät 6 das Feld ₁ zu einem festgelegten Zeitpunkt T nach dem NMR-Impuls 14a während einer längeren Zeitdauer (als der NMR-Impuls 14a), um einen NMR-Neufokussie rungsimpuls 14b anzulegen, der die Spins, die eine Präzession aufweisen, mit seiner um ±90° verschobenen Trägerphase um einen zusätzlichen Winkel von 180° dreht. Der NMR-Impuls 14b bewirkt, daß sich die Spins neu synchronisieren und ein dazugehörendes Spinecho 16 aussenden (siehe Fig. 5), dessen Spitze etwa bei einer Zeit T nach dem 180°-Neufokussierung-NMR-Impuls 14b liegt. Der 2. Schritt kann in dem Zeitintervall t_e (etwa 2 . T) "k"mal wiederholt werden (wobei "k" die Anzahl der Echos genannt wird und z. B. irgendeinen Wert von mehreren Hundert bis zu sogar mehreren Tausend annehmen kann). Während des 3. Schritts ist nach dem Abschluß der Spinechofolge eine Wartezeit erforderlich, die ermöglicht, daß die Spins vor Beginn der nächsten CPMG-Folge 15 zum Sammeln einer weiteren Menge von Spinechos in das Gleichgewicht entlang des Felds ₀ zurückkehren. Der Abfall jeder Menge von Spinechos wird beobachtet und zum Ableiten der T2-Verteilung verwendet.

Die Zeit T2* kennzeichnet eine Zeitdauer, in der die Präzession der Spins nach dem Anlegen des 90°-Anregungsimpulses 14a nicht mehr im Einklang ist. Auf diese Weise zeigen am Ende des 90°-Anregungsimpulses 14a sämtliche Spins in eine gemeinsame Richtung senkrecht zu dem statischen Feld ₀, wobei sie für ein ideal homogenes Feld eine Präzession mit einer die Larmor-Frequenz genannten Resonanzfrequenz ausführen. Die Larmor-Frequenz kann durch = γ₀, beschrieben werden, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, eine Kernkonstante, ist. Typischerweise ist das Feld ₀ jedoch inhomogen, so daß die Spins nach der Anregung infolge von Inhomogenitäten in dem statischen Feld ₀ mit T2* phasenverschoben werden. Dieser Abfall ist reversibel und wird durch die Neufokussierungsimpulse 14b, die die Echos hervorrufen, rückgängig gemacht. Außerdem kommt es zu einer durch die Zeitkonstante T2 beschriebenen irrever siblen Phasenverschiebung (Spin-Spin-Relaxation). Diese führt zum Abfall aufein anderfolgender Echoamplituden in der CPMG-Folge gemäß der Zeitkonstanten T2. Bei einer NMR "von innen nach außen" werden typischerweise Spins mit T2 << T2* gemessen.

Wie oben festgestellt wurde, kann die Verteilung der Zeiten T2 zur Be stimmung der Eigenschaften der Formation verwendet werden. Mit Bezug auf Fig. 6 kann die Formation z. B. kleine Poren, die gebundenes Fluid enthalten, und große Poren, die freies, förderbares Fluid enthalten, umfassen. Mit Hilfe einer (in Fig. 6 T_CUTOFF genannten) T2-Trenn-Grenzzeit kann die T2-Verteilung in zwei Abschnitte unterteilt werden: einen Abschnitt, der Zeiten kleiner als die Zeit T_CUTOFF enthält, die gebundene Fluide anzeigen, sowie einen Abschnitt, der Zeiten größer als die Zeit T_CUTOFF enthält, die freie, förderbare Fluide anzeigen.

Jede Zeit T2 wird typischerweise durch Beobachten des Abfalls des durch eine besondere CPMG-Folge 15 erzeugten Spinechos 16 berechnet. Leider kann der Bohrstrang 5 (siehe Fig. 1) einer starken seitlichen Bewegung unterliegen. Die Zeit T2 ist jedoch annähernd proportional zu einer weiteren, eine Spin-Gitter-Re laxationszeit T1 genannten Zeitkonstanten. Die Zeit T1 kennzeichnet die Zeit dauer, in der die Spins in die Gleichgewichtsrichtung entlang des Felds ₀ zu rückkehren, wobei somit unter Betrachtung sowohl der Zeit T1 als auch der Zeit T2 die Vorstellung entwickelt werden kann, daß jeder Spin während der T1-Wie dergewinnung in einer Spirale mit sehr enger Neigung in die Gleichgewichtsstel lung zurückkehrt. Glücklicherweise sind die Zeiten T1 und T2 etwa proportional. Im Ergebnis kann die T2-Verteilung aus den gemessenen Zeiten T1 abgeleitet werden. Tatsächlich erfolgte die ursprüngliche Arbeit über das Herstellen von Ab schneidewerten gebundener Fluide unter Verwendung von T1. Dieses Ergebnis wurden hierauf durch T2 ausgedrückt und kommerziell verwendet. Siehe W. E. Kenyon, J. J. Howard, A. Sezginer, C. Straley, A. Matteson, K. Horkowitz und R. Ehrlich, Pore-Size Distribution and NMR in Microporous Cherty Sandstones, Ab handlung LL (vorgestellt auf dem 30. Jahressymposium über Protokollierung, SWPLA, 11.-14.Juni 1989).

Polarisationsmessungen können entweder Inversionswiedergewinnungs folgen oder Sättigungswiedergewinnungsfolgen verwenden. Bei den Sättigungs wiedergewinnungsfolgen wird das Spinsystem z. B. mit mehreren 90°-Impulsen gesättigt, die die Magnetisierung auf null reduzieren. Das Spinsystem kann dann während einer variablen Zeitdauer vor dem Anlegen eines Überwachungsimpulses oder einer Überwachungsimpulsfolge wie z. B. der CPMG-Folge wiederhergestellt werden. Das Inversionswiederherstellungsverfahren legt nahe, nachdem sich die Kerne auf das statische Magnetfeld ausgerichtet haben einen 180°-Impuls anzulegen, der die Richtung der Spins umkehrt. Mit der Zeit fallen die Spins ge mäß T1 in ihre Gleichgewichtsrichtung ab, wobei jedoch keine Messung erfolgt, da der 180°-Impuls in dem Sensor kein Signal erzeugt. Bevor der Abfall abgeschlos sen ist, wird er jedoch durch einen Überwachungsimpuls oder durch eine Überwa chungsimpulsfolge wie etwa durch die CPMG-Folge, die die Spins in die Meß ebene dreht (d. h. in dem Sensor ein Signal erzeugt) unterbrochen. Die interessie rende Größe ist die Amplitude des Signals sofort nach dem ursprünglichen 90°- "Auslese"-Impuls. Diese Amplitude hängt offensichtlich von der Wiederherstel lungszeit zwischen dem ursprünglichen 180°-Impuls und dem 90°-Impuls ab. Nach einer Bestimmung der Amplitude kann das Spinsystem vollständig zurück ins Gleichgewicht relaxieren, wobei die Impulsfolge hierauf wiederholt wird.

Ein Beispiel einer Verwendung der Inversionswiederherstellungsfolgen im Bohrloch ist in US 5 023 551 beschrieben. Die darin beschriebenen Inversions wiedergewinnungsfolgen verwenden jedoch keine adiabatischen Impulse und füh ren somit zu einem schmalen Untersuchungsgebiet. Außerdem ist es beim Vor gehen "von innen nach außen" in Verbindung mit der Bewegung möglicherweise leichter, ein Gebiet zu sättigen, als es vollständig zu invertieren. Somit kann das Sättigen eines Gebiets bevorzugt werden.

Mit Rückbezug auf Fig. 2 werden die Zeiten T1 typischerweise unter Ver wendung von Polarisationsmessungen anstelle der obenbeschriebenen Abfall messungen gemessen. Auf diese Weise kann jede Polarisationsmessung zu nächst das Anlegen einer Sättigungsfolge zum Sättigen der Spins in einem Reso nanzgebiet (wie etwa z. B. in dem in Fig. 2 gezeigten zylindrischen Resonanzvo lumen 20a) umfassen. Anschließend vergeht eine Polarisationszeitdauer, die eine Polarisation des Resonanzvolumens 20a auf das statische Magnetfeld B0 ermög licht. Nachfolgend wird eine Erfassungsfolge wie etwa die CPMG-Folge zum Er zeugen der Spinechos von der Formation 10 verwendet. Hierauf werden die Amplituden der ersten wenigen Spinechos analysiert, um ein polarisationsge wichtetes Integral Φ(t_wait) der Porositätsverteilung Φ(T1) zu bestimmen. Da zum Bestimmen der Amplitude des Signals lediglich die ersten wenigen Echos beob achtet zu werden brauchen, kann die T1-Messung in einer kürzeren Zeitdauer als die T2-Messung auf der Grundlage des Abfalls ausgeführt werden, wobei sie so mit weniger anfällig gegenüber der Bewegung des NMR-Geräts 6 ist. Um eine Porositätsverteilung Φ(T1) zu erhalten, kann die Erfassungsfolge (nach der richti gen Sättigungsfolge) mit unterschiedlichen Wartezeiten mehrmals aufeinanderfol gend wiederholt werden.

Als ein Beispiel kann eine Polarisationsmessung zum Messen der Zeiten T1 für Wasserstoffkerne in dem in dem gesättigten Volumen 20b befindlichen Re sonanzvolumen 20a verwendet werden (siehe Fig. 2). Auf diese Weise kann das NMR-Gerät 6 zunächst die Spins in dem gesättigten Volumen 20b sättigen. Die Polarisationszeitdauer kann jedoch hinreichend lang sein, um zu ermöglichen, daß sich das NMR-Gerät 6 signifikant in dem Bohrloch bewegt. In diesem Fall bewirkt die Bewegung des Geräts 6 eine Verschiebung des Resonanzvolumens 20a und bewirkt außerdem, daß das NMR-Gerät 6 Spinechos von einem verschobenen Resonanzvolumen 20a' (siehe Fig. 3) empfängt, das teilweise außerhalb des ursprünglichen gesättigten Volumens 20b kommt. Im Ergebnis kann das verscho bene Resonanzvolumen 20a' ein Gebiet ohne gesättigte Spins (ein Effekt, der typischerweise "das Einbringen frischer Spins" genannt wird) und ein Gebiet des ursprünglichen gesättigten Volumens 20b mit gesättigten Spins enthalten. Leider vertragen Polarisations-NMR-Verfahren das Einbringen "frischer Spins" während der Polarisationszeitdauer möglicherweise nicht, da die frischen Spins Meßfehler einführen können. Zum Beispiel können die Messungen fälschlich ein höheres gebundenes Fluidvolumen angeben, als es tatsächlich in der Formation vorhan den ist.

Eine Möglichkeit zum Sättigen eines größeren Gebiets ist in PCT/US97/23975 beschrieben, der zufolge zum Sättigen eines zylindrischen Vo lumens um ein NMR-Gerät zu Beginn einer Messung einer oder mehrere Hoch frequenzimpulse gesendet werden, die einen verhältnismäßig breiten Frequenzbe reich und/oder eine außergewöhnlich breite Bandbreite überdecken, oder einer oder mehrere frequenzgewobbelte Impulse verwendet werden. Um zu bestimmen, wann die Messungen infolge der Bewegung des Geräts über die Größe des ge sättigten Bereichs hinaus ungültig werden, werden die Beschleunigungsspitzen werte verwendet. Um zu verhindern, daß sich das Gerät über den gesättigten Be reich hinaus bewegt, ist das Gerät mit Abstandshaltern angebracht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 7 bzw. 17 zu schaffen, bei denen der durch Relativbewegung zwischen einem NMR-Meßgerät und einer Probe erzeugte Fehler minimiert wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der An sprüche 1, 7 bzw. 17 gelöst.

Es kann eine erste Folge von HF-Impulsen ausgestrahlt werden. Die erste Folge besitzt eine Einhüllende. Die Einhüllende wird während des Ausstrahlens der ersten Folge in der Weise variiert, daß ein erstes Gebiet der Probe im wesent lichen gesättigt wird. Eine zweite Folge von HF-Impulsen wird ausgestrahlt, um in dem ersten Gebiet ein Resonanzgebiet herzustellen und um ein Merkmal der Probe zu messen.

Zum Ausstrahlen einer ersten Folge von HF-Impulsen kann ein HF-Trä gersignal verwendet werden. Das Trägersignal besitzt eine Phase. Die Phase wird während des Ausstrahlens der ersten Folge in der Weise variiert, daß ein erstes Gebiet der Probe im wesentlichen gesättigt wird. Eine zweite Folge von HF-Impul sen wird ausgestrahlt, um in dem ersten Gebiet ein Resonanzgebiet herzustellen und um ein Merkmal der Probe zu messen.

Die NMR-Meßvorrichtung, die der Relativbewegung zwischen der Vor richtung und einer Probe unterliegt, umfaßt wenigstens einen Magneten zum Her stellen eines statischen Magnetfelds, eine erste Spule, eine zweite Spule und ei nen Impulsgenerator. Der Impulsgenerator ist an die erste und an die zweite Spule angeschlossen und so beschaffen, daß die erste Spule zum Ausstrahlen einer ersten Folge von HF-Impulsen zum Erzeugen eines zeitlich variierenden Magnetfelds verwendet wird. Die erste Folge enthält wenigstens einen Neufokus sierungsimpuls zum Erzeugen wenigstens eines Echos aus einem Resonanzge biet der Probe. Der Impulsgenerator ist ferner so beschaffen, daß die zweite Spule wenigstens einmal während des Ausstrahlens der ersten Folge zum momentanen Modifizieren des statischen Magnetfelds verwendet wird, um eine Sättigung eines Gebiets zu bewirken, das größer als das Resonanzgebiet ist.

Es kann eine Inversionswiederherstellungsfolge verwendet werden, die wenigstens einen oder mehrere adiabatische Impulse umfaßt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer unterirdischen Bohrung.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Bohrung längs der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 ist eine weitere Querschnittsansicht der Bohrung nach der Bewe gung des NMR-Geräts.

Fig. 4 und 5 sind Signalformen, die eine CPMG-Impulsfolge zeigen.

Fig. 6 ist eine beispielhafte Verteilung von Relaxationszeiten T2.

Fig. 7 ist ein Ablaufplan, der eine Polarisationsmessung zeigt.

Fig. 8 bis 10 sind schematische Diagramme weiterer NMR-Geräte.

Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines NMR-Geräts längs der Linie 11-11 in Fig. 10.

Fig. 12 ist eine Signalform, die eine NMR-Impulsfolge zeigt.

Fig. 13, 16, 18 und 20 sind Umrißdarstellungen, die die Sättigung in einem Resonanzgebiet zeigen.

Fig. 14, 15, 17, 19 und 21 sind graphische Darstellungen von aus einem das NMR-Gerät umgebenden Gebiet empfangenen relativen Signalamplituden, die die Sättigung zeigen.

Fig. 22 und 23 sind Umrißdarstellungen, die die Sättigung für verschie dene Anzahlen von Impulsen mit und ohne verschachtelte Zeitdauern einer freien Entwicklung in einem Resonanzgebiet zeigen.

Fig. 24 und 25 sind Umrißdarstellungen, die die Sättigung für verschie dene Anzahlen von Impulsen mit und ohne verschachtelte Zeitdauern einer freien Entwicklung in einem Resonanzgebiet zeigen.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, kann von einem NMR-Meßgerät (z. B. von einem NMR-Protokolliergerät), das anfällig gegenüber der Bewegung ist, eine Ausfüh rung 50 eines Prozesses zum Erhalten einer Polarisationsmessung von T1 ver wendet werden. Da die gemessene Probe der Bewegung unterliegen kann, kann dieser Prozeß verwendet werden, wenn die Probe, die Meßvorrichtung oder beide Elemente eine Bewegung erfahren. Der Prozeß 50 umfaßt das Sättigen (Block 52) der Spins in einem Gebiet einer Probe, deren Eigenschaften gemessen werden sollen. Hierauf kann ein vorgegebenes Zeitintervall vergehen (Block 54), um zu ermöglichen, daß wenigstens eine teilweise Polarisation der Spins in dem Gebiet auftritt. Nachfolgend umfaßt der Prozeß 50 das Anlegen (Block 56) einer Erfas sungsfolge (z. B. einer CPMG-Folge) zum Erzeugen von Spinechos von einem Resonanzgebiet der Probe. Wie im folgenden beschrieben wird, werden Verfahren zum Maximieren der Grenzen und der Sättigungsdichte des gesättigten Gebiets verwendet, um das Resonanzgebiet während der Bewegung der NMR-Meß vorrichtung im wesentlichen innerhalb des gesättigten Gebiets zu halten. Im Er gebnis dieser Verfahren können die Meßfehler verringert werden, ohne daß z. B. bei Verwendung in einer Geometrie mit einem niedrigen Gradienten Stabilisatoren für die NMR-Meßvorrichtung erforderlich wären.

Beispielsweise kann der Prozeß 50 zum Abbilden der Eigenschaften un terirdischer Formationen und außerdem in anderen Anwendungen (z. B. in anderen NMR-Anwendungen "von innen nach außen") verwendet werden, in denen eine Relativbewegung zwischen einer Probe und einer NMR- Meßvorrichtung stattfindet. In einigen Ausführungen kann die NMR-Meßvorrich tung Bauteile zum Erzeugen eines elektromagnetischen Felds (z. B. eine Spule, einen Elektromagneten und einen Permanentmagneten) enthalten, um wenigstens zwei Magnetfelder zu erzeugen: ein (nicht gezeigtes) ₀ genanntes Magnetfeld und ein (nicht gezeigtes) ₁ genanntes Magnetfeld, das im wesentlichen senk recht auf dem Magnetfeld ₀ steht. Wie in Fig. 8 beispielhaft gezeigt ist, kann die NMR-Meßvorrichtung in einigen Ausführungen z. B. ein NMR-Gerät 60 zum Pro tokollieren beim Bohren (LWD-Gerät) 60 sein, das z. B. ringförmige Permanent magneten 32 und 34 zum Erzeugen des Felds ₀ und eine Spule 39 zum Erzeu gen des zeitlich variierenden Felds ₁ enthält. In einigen Ausführungen kann das Feld ₁ (wenn es gepulst wird) eine ₀ genannte Hochfrequenz-Trägerkompo nente (HF-Trägerkomponente) besitzen.

Die Trägerfrequenz des Felds ₁ kann allgemein durch wo dargestellt werden. Das Senden des Felds ₁ erzeugt ein Resonanzgebiet, dessen radiale Dicke bezüglich der Frequenz durch die Gradienten von ω₀ und ω₁ in dem ange regten Gebiet bestimmt ist, wobei ₁ die Projektion von γ . ₁ auf das Feld ₀ ist. Wie unten beschrieben wird, kann das Feld ₀ in einigen Ausführungen ebenfalls (wenigstens teilweise) durch die Gradientenspulen 40 und 42 erzeugt werden, die bewirken, daß das Feld ₀ eine Komponente mit einer langsam variierenden Frequenz besitzt. Außerdem kann das NMR-Gerät 60 eine Verarbei tungsschaltungsanordnung, z. B. einen Impulsgenerator 65, enthalten, die an die Spule bzw. an die Spulen (wie etwa z. B. an die Spulen 39, 40 und 42) ange schlossen und so beschaffen ist, daß diese in der im folgenden beschriebenen Weise die Felder ₀ und/oder ₁ abstrahlen.

Im Prinzip umfaßt jede Polarisations-NMR-Messung drei Bausteine 52, 54, und 56 (siehe Fig. 7), wobei zum Erhalten jedes T1-Werts eine oder mehrere Messungen verwendet werden können. Die Erfassungsfolge (d. h. der Block 52) kann jedoch dazu verwendet werden, die Sättigung zu erreichen (d. h. die Funk tionen des Blocks 56 auszuführen), wobei der Block 52 somit weggelassen wer den kann, wenn zwei Anforderungen erfüllt sind: Die Messungen werden aufein anderfolgend wiederholt ("gestapelte" Experimente genannt), wobei die Signaler fassungsfolge 68 die Magnetisierung für die nächste Messung vollständig zerstört. Bei Verwendung dieses Verfahrens werden die Ergebnisse aus der ersten Mes sung verworfen, da diese mit einer falschen Polarisationszeitdauer ausgeführt wird. Alternativ kann die Anregung adiabatisch durch Anlegen eines adiabatischen schnellen Übergangsimpulses an die Resonanzzone unmittelbar vor dem Anlegen der Erfassungsfolge ausgeführt werden.

Weitere Abwandlungen von den drei Grundblöcken 52, 54 und 56 sind ebenfalls möglich. Als ein weiteres Beispiel kann die Abfolge Block 54 - Block 56 - Block 52 ebenfalls zum Ausführen jeder Messung verwendet werden, wobei diese Abwandlung vom Standpunkt der Programmierung her vorteilhaft sein kann. Bei Verwendung der zweiten Abwandlung wird die erste Messung verworfen. Solange die Funktionen der Blöcke 52, 54 und 56 erreicht werden, sind weitere Abwand lungen des Prozesses 50 möglich.

Unabhängig davon, ob die Sättigung durch eine explizite Sättigungsfolge oder durch eine Erfassungsfolge ausgeführt wird, besteht das Ziel der Sättigung darin, ein großes Gebiet oder Volumen mit Hochfrequenzstrahlung (HF-Strahlung) zu sättigen. Wie im folgenden ausführlicher beschrieben und durch Simulationen veranschaulicht wird, kann die Sättigung in Abhängigkeit von der besonderen Ausführung durch Anlegen einer Folge von HF-Impulsen wie etwa der CPMG-Er fassungsfolge, die an das Erreichen der gewünschten Sättigung unter Verwen dung der Bewegung des NMR-Geräts 60 angepaßt ist; durch zeitlich langsames Variieren einer Eigenschaft der Folge mit oder ohne Bewegung des NMR-Geräts 60; durch stochastisches Variieren der Eigenschaften der Folge mit oder ohne Bewegung des NMR-Geräts 60; oder durch Verwendung einer Kombination dieser Verfahren erzeugt werden.

Eine einfache CPMG-Folge mit konstanten Parametern entwickelt in der Spinverteilung "Löcher" genannte scharfe gesättigte Gebiete. Das Lochbrennen ist langreichweitig, führt jedoch nur zu einer schwachen Sättigung, da die Löcher weit voneinander entfernt sind. Außerdem kann das Fortsetzen der Folge, sobald die Magnetisierung an den Stellen der Löcher zerstört wird, die Sättigung mögli cherweise nicht weiter erhöhen. Wie im folgenden beschrieben wird, kann die Be wegung des NMR-Geräts 60 die Sättigungsdichte durch "Wobbeln" dieser Löcher über das Sättigungsgebiet erhöhen.

Die CPMG-Erfassungsfolge kann modifiziert werden, um die Anzahl der Neufokussierungsimpulse über die zum Messen der Anfangsamplitude des Echo zugs erforderliche typische Anzahl von Neufokussierungsimpulsen (z. B. 10) hin aus zu erhöhen. Dieses Verfahren funktioniert gut, wenn die Bewegung des NMR- Geräts 60 während der Polarisationszeit immer an dessen Bewegung während der Erfassungsfolge gekoppelt ist. Leider kann jedoch eine ungenügende Sättigung auftreten, falls das NMR-Gerät 60 während der Erfassungsfolge 68 stationär ist, während es sich während der Polarisationszeit bewegt. Wie im folgenden be schrieben wird, zeigen (unten diskutierte) Simulationen, daß dieses Problem durch langsames zeitliches Ändern der Eigenschaften der Folge vermieden werden kann, so daß das gesättigte Gebiet selbst ohne Bewegung des Geräts erweitert wird. In diesem Kontext kann sich der Begriff "Eigenschaft der Folge" allgemein beispielsweise auf eine Einhüllende der Folge oder auf eine Phase der HF- Trägerfrequenz beziehen. Als Beispiele der Möglichkeiten zum Variieren der Einhüllenden kann die Einhüllende Impulse 120 (siehe Fig. 12) jeweils mit einer (mit t_p bezeichneten) Dauer enthalten, wobei die Impulse 120 (von Mitte zu Mitte) durch mit t_e bezeichnete Zeitintervalle voneinander beabstandet sein können. Auf diese Weise können (z. B.) die Dauer t_p und/oder das Zeitintervall t_e variiert wer den, um das Sättigungsgebiet zu erweitern.

Die Eigenschaften der Erfassungsfolge (d. h. der für Sättigungszwecke verwendeten Folge) können von Impuls zu Impuls nicht nur langsam, sondern auch unkorreliert oder stochastisch variiert werden. Der stochastische Extremwert ist das Abstrahlen von inkohärentem Rauschen. Die stochastische Variation der Eigenschaften steht im Gegensatz zu deren langsamer Variation, bei der die Sät tigungseffekte wegen der dominierenden kohärenten, nicht stochastischen Eigen schaften der Folge langreichweitig sind. Im Ergebnis kann die langsame Variation der Eigenschaften dazu führen, daß durch aufeinanderfolgende Impulse inkre mentell weitab der Resonanz liegende Löcher gebrannt werden. Die Stellen, an denen Sättigung während eines kurzen Zeitintervalls erzeugt wird, sind weit voneinander getrennt. Die stochastischen Variationen bewirken jedoch, daß aufeinanderfolgende Impulse der Folge nicht zu dem gleichen Loch beitragen, so daß sich die Sättigungserzeugung während kurzer Zeitintervalle gleichmäßiger ausbreitet. Im Ergebnis schafft die stochastische Variation der Impulse allgemein eine konsistentere Sättigungsdichte. Wie im folgenden beschrieben (und durch Simulationen veranschaulicht) wird, können diese zwei Verfahren miteinander verknüpft werden, um das Verhalten der Folge zu verbessern. Falls eine Bewe gung vorliegt, die schnell genug ist, um die Löcher während lediglich weniger Im pulse über den Abstand, der benachbarte Löcher trennt, zu wobbeln, wird das kohärente Element der Folge zerstört, wobei sich eine Folge mit langsam verän derlichen Eigenschaften ähnlich wie eine Folge mit stochastisch veränderlichen Eigenschaften verhalten kann.

Falls die Kippwinkel der Neufokussierungsimpulse in der CPMG-Folge an irgendeine andere Änderung (z. B. an die Änderung der Phase der Trägerfre quenz) gekoppelt sind, brauchen sie zum Erzeugen einer Sättigung außerhalb der Resonanz nicht groß zu sein. Somit kann durch Verkürzen der HF-Impulse die zur Sättigung erforderliche Leistung verringert werden. Für hinreichend kurze Impulse ist der Einfluß des Lochbrennens vernachlässigbar. Wenn das der Fall ist, kann die Zeitdauer der freien Entwicklung zwischen den Impulsen weggelassen werden, wobei die Sättigung in einer wesentlich kürzeren Zeit erreicht werden kann. Im Grenzfall sehr kurzer Impulse führt dieses Verfahren zur Abstrahlung von inko härentem Rauschen, dessen Struktur an die Anforderungen angepaßt werden kann. In der Praxis setzen die endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse die untere Grenze der Impulsdauer. Möglicherweise muß eine Abwägung zwi schen der zum Erreichen der Sättigung erforderlichen Zeit und Leistung und der Sättigungsbandbreite vorgenommen werden.

Sättigung unter Verwendung einer CPMG-Folge

Im folgenden wird ein Beispiel der Sättigung unter Verwendung einer CPMG-Folge mit und ohne durch eine langsame Bewegung erzeugte Änderungen von 60 ausführlich diskutiert. Obgleich sich diese Beschreibung beispielhaft spe zifisch auf eine CPMG-Folge bezieht, kann das obenbeschriebene Lochbrennen durch sämtliche Mehrimpulsfolgen erreicht werden, die durch eine große Anzahl von Wiederholungen eines Impuls-Bausteins gekennzeichnet sind.

Das wiederholte kohärente Pulsieren während einer CPMG-Folge regt ausgewählte Spins mit Δω » ω₁ an, wobei ω₁ etwa gleich der radialen Dicke des Resonanzvolumens ist und wobei Δω (der Abstand im Frequenzraum) spezifisch durch die folgende Gleichung definiert werden kann:

Δω = γ ₀ - ω_RF

wobei ω_RF die HF-Frequenz des Felds ₁ für die erste CPMG-Folge ist.

Mit wachsendem Δω werden die Anregungsschritte immer kleiner, wobei sich die Anregungen in den Löchern jedoch von Impuls zu Impuls auf signifikante Beträge aufsummieren. Da die transversale Magnetisierung gemäß T2 abfällt, werden die ausgewählten Spins "gesättigt". Der (Δω_h genannte) Abstand dieser Löcher ist durch die Periodizität der Folge bestimmt. Eine nicht vernachlässigbare Impulsdauer und Effekte außerhalb der Resonanz bewirken eine gewisse Abwei chung, so daß der Abstand Δω_h der Löcher etwa durch Δω_h = 2πt_e beschrieben wird, wobei t_e der Echoabstand vom Anfang eines Neufokussierungsimpulses bis zum Anfang des nächsten Neufokussierungsimpulses ist.

In Verbindung mit der Relaxation führt das einfache CPMG-Folgen-Ver fahren zum Lochbrennen bei bestimmten Frequenzen außerhalb der Resonanz. Da sich die Breite Δω_S des Meßgebiets über Δω_S ≈ 2ω₁ erstreckt, was für 180°- Neufokussierungsimpulse mit der Dauer t_p zu Δω_S ≈ 2π/t_p wird, ist es möglicher weise unmöglich, zwischen den gebrannten Löchern zu messen. Da t_e immer größer als t_p ist, gilt Δω_S < Δω_h, wobei in ein Resonanzgebiet möglicherweise meh rere Löcher gebrannt werden. Zur Berechnung der Größe des Signalverlusts müs sen die Feldgeometrien, die Relaxationszeiten und die Erfassungsbandbreite be rücksichtigt werden.

Um die Verteilung der Löcher zu zeigen, ist Fig. 13 eine (von einer Simu lation abgeleitete) zweidimensionale Umrißdarstellung 80, die eine berechnete Umrißdarstellung der Verteilung der bei einer linearen Variation in ω₀ auf der hori zontalen Achse und t_p auf der vertikalen Achse in eine longitudinale Magnetisie rung von M_Z = 1 gebrannten Löcher zeigt. Die weißen Flächen stellen eine voll ständige Erhaltung der Magnetisierung dar, während die schwarzen Flächen eine Verringerung gegenüber der 100%igen Sättigung oder eine invertierte Magneti sierung darstellen. Die erste CPMG-Folge wird bei Δω = 0 angelegt, wobei die Wirkung auf die Magnetisierung M_Z außerhalb der Resonanz unmittelbar nach dem Ende dieser CPMG-Folge gezeigt ist. Die Parameter der Folge von CPMG- Impulsen sind t_e = 500 µs, t_p180 = 125 µs und k = 1000, wobei k die Anzahl der Neufokussierungsimpulse ist. Die Relaxationszeiten wurden lang, jedoch als ein Bruchteil der Dauer des Echozugs gewählt. In dieser Simulation wurden ideale Rechteckimpulse verwendet. Es können jedoch auch im wesentlichen rechteckige Impulse oder im wesentlichen nicht rechteckige Impulse verwendet werden. Die Wirkung des ersten Anregungsimpulses wurde in Fig. 13 nicht simuliert.

Fig. 14 zeigt für mehrere Relaxationszeiten die simulierten resultierenden relativen Signalamplituden 82 (d. h. M_Z/M_∞), die für eine zweite Messung bei der um die Abszisse Δω verschobenen Frequenz verfügbar sind, wobei diese durch die Sättigung gegenüber einer (obenbeschriebenen) ersten Messung für ω₁ . t_p = π verringert ist, gemittelt über Δω = ±0,75ω. Das heißt, daß die Frequenz ω₀ des Trägers zwischen den Messungen um Δω verschoben wurde. Die relativen Signalamplituden 82 sind jeweils mit einer anderen Zeit T1 (die z. B. gleich 2 . T2 ist) verknüpft. Die Parameter der zweiten Messung waren die gleichen wie bei der ersten Messung, wobei der Kippwinkel der Impulse als 180° gewählt wurde. In den Figuren (und in der Simulation) wurde angenommen, daß dω₁/dω₀ = 0 ist, d. h., daß die Änderung des Felds ₁ in der Umgebung des Resonanzgebiets vernachlässigbar ist. Bei einer Geometrie mit axialsymmetrischen Gradienten ist der horizontale Maßstab (Δω/ω₁) proportional zu der Differenz der Radien (des Resonanzgebiets) zwischen der ersten und zweiten Messung. Die obige Annahme, daß ω₁ konstant ist, ist eine gültige Näherung, wenn die Differenz der Radien klein gegen den Radius selbst ist, eine Tatsache, die die Wahl eines konstanten Kippwinkels in der graphischen Darstellung rechtfertigt.

Wie in Fig. 14 zu sehen ist, verläuft das Sättigungsgebiet nicht wesentlich weiter als bis zu 2 . Δω/ω₁, d. h. bis zur doppelten radialen Dicke des Resonanz gebiets. Somit beginnt die nächste Messung nur dann mit einer vollständigen Sät tigung, wenn das Resonanzgebiet radial weniger als 1 . Δω/ω₁ verschoben ist.

Fig. 15 zeigt die jeweils mit einer Anzahl von Neufokussierungsimpulsen in der ersten Folge verknüpften relativen Signalamplituden 84. Wie zu sehen ist, ge schieht fast die gesamte Sättigung bei einem kleineren Δω innerhalb der ersten 10 Echos. Hier und in den folgenden Beispielen wurde T1 = 2 . T2 = 100 ms gewählt.

Die Gerätebewegung während der ersten CPMG-Folge kann zu einem erhöhten Verlust in resonanznahen Gebieten führen. Zum Beispiel zeigt Fig. 16 eine Umrißdarstellung 86 der Entwicklung der Magnetisierung M_Z außerhalb der Resonanz während der ersten Folge für eine Vorschubgeschwindigkeit des Geräts von -20ω₁/s. Die horizontale Achse bezeichnet das Verhältnis der Frequenzab weichung Δω₁ bezogen auf die Frequenz ml (die Impulsamplitude) der ersten CPMG-Folge. Die Umrisse beschreiben die nach der ersten CPMG-Folge verblie bene relative Längsmagnetisierung. Die Amplituden der Impulse sind als konstant angenommen. Die Impulsparameter und die Relaxationszeiten sind die gleichen wie oben. Die vertikale Achse zeigt, wie viele Neufokussierungsimpulse in der er sten CPMG-Folge mit dem Träger ω_RF angelegt wurden, wobei dies etwa propor tional zur Dauer dieser Folge ist. Die Anzahl k der Neufokussierungsimpulse liegt zwischen einem Neufokussierungsimpuls (d. h. einem Block, der etwa 500 µs überspannt) für die obere graphische Darstellung und bis zu 100 Neufokussie rungsimpulsen (d. h. einem Block der etwa 50 ms überspannt) für die untere gra phische Darstellung. In diesem Beispiel bewegt sich das NMR-Gerät 60 während 50 ms über einen Abstand von +1ω₁, d. h. über eine halbe Schalenbreite. Am Anfang entspricht der Träger ω_RF einem Δω = 0, während der Träger ω_RF am Ende Δω = +1 . ω₁ entspricht. Wie gezeigt ist, "wobbelt" der Vorschub des NMR- Geräts 60 die Löcher mit steigender Anzahl der Echos über die Spinverteilung und erhöht somit die Dichte der Sättigung.

Die resultierenden relativen Signalamplituden (d. h. M_Z/M_∞) 88 beim Mit teln über eine (für Simulationszwecke rechteckige) Schale der Dicke ±0,75ω₁ sind in Fig. 17 gezeigt. Von oben nach unten stellen die Amplituden 88 das Ergebnis für k = 1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81, 91 dar. Der Verlust steigt mit der Echoanzahl und ist bei mehr als 10 Echos wesentlich stärker als der in den Fig. 14 und 17 gezeigte Sättigungseffekt ohne Bewegung des NMR-Geräts 60. Das gesättigte Gebiet besitzt nun eine Breite von mehr als 5 . ω₁. Der Verlust steigt während einer mit den Spinrelaxationszeiten vergleichbaren Zeit an und kann für kleine Δω sogar zu einem negativen Signal führen. Das genaue Profil hängt von der Bewegung und von den Relaxationszeiten des Spin-Ensembles ab. Bei kleineren Relaxationszeiten wird das Profil schmaler.

Oben wird angenommen, daß die Impulse in der CPMG-Folge ideale Rechteckimpulse sind. Reale "Rechteck"-Impulse erreichen dieses Ideal mögli cherweise jedoch nicht, sondern können endlichen Anstiegs- und Abfall-Zeiten unterliegen. Dies beschränkt die Breite des in den Impulsen enthaltenen Fre quenzspektrums. Weitab der Resonanz wird die Breite der gebrannten Löcher und die Geschwindigkeit, mit der sie gebrannt werden, proportional zu der Amplitude der Frequenzkomponente des Impulses an der Stelle des Lochs. Somit kann das Lochbrennen weitab der Resonanz in einigen Ausführungen wenigstens weniger wirksam als in den obenbeschriebenen Simulationen sein.

Für die in dieser Anmeldung diskutierten Impulse ist eine breite Frequenz verteilung von Nutzen. Somit können in einigen Ausführungen Rechteckimpulse mit den kürzestmöglichen Anstiegs- und Abfalls-Zeitkonstanten bevorzugt werden. Außerdem kann das Sättigungsgebiet durch Variieren der Form der Impulsein hüllenden optimiert werden, um den Frequenzgehalt des Impulses anzupassen.

Bei fehlender Bewegung kann eine weitreichende Sättigung im allgemei nen durch Ausstrahlen einer wiederholten Mehrimpulsfolge mit variablen Para metern und mit breitbandigen Impulsen erzeugt werden. Wenn die Impulsfolgen parameter während des Anlegens der Folge langsam variiert werden, werden die Stellen der gebrannten Löcher langsam über die Spinverteilung geschoben, wobei die Sättigung erhöht wird. Die variierten Impulsfolgenparameter umfassen:

- Variation des Impulsabstands t_e,
- Variationen von t_p,
- Variationen von ₁ z. B. durch die Impulsamplitude, durch die Feld richtung und durch die Trägerfrequenz ω_RF,
- Variation von ₀, und
- Variation der Impulsphase.

Variationen von Kombinationen dieser Parameter und Variationen anderer Para meter sind ebenfalls möglich. Variationen in bezug auf ₀ und ₁ können durch tatsächliche Variationen der Felder ₀ und ₁ (z. B. durch Variationen der Ma gnet-Antennen-Abstände oder der Magnet-Antennen-Ausrichtungen und/oder der HF-Leistung) oder durch eine Relativbewegung der Probe und des NMR-Geräts 60 bewirkt werden. Auf diese Weise kann eine Relativbewegung der Probe in be zug auf NMR-Gerät 60 von der Bewegung der Probe (z. B. von der Fluidströmung oder -diffusion) oder von einer Bewegung des Geräts herrühren.

Eine weitere Möglichkeit zum Variieren von ₀ besteht darin, das stati sche Feld mit Hilfe eines Elektromagneten oder einer "Gradientenspule" zu variie ren. Mit Rückbezug auf Fig. 8 kann das NMR-Gerät 60 z. B. in einigen Ausführun gen den oberen Permanentmagneten 32 und den unteren Permanentmagneten 34 enthalten, die eine Hülse 28 des NMR-Geräts 60 umschreiben und ein radiales axialsymmetrisches Feld ₀ erzeugen. Die Magneten 32 und 34 sind in einer Richtung parallel zur Längsachse des NMR-Geräts 35 polarisiert, um zum Erzeu gen eines Felds ₀ mit niedrigem Gradienten zusammenzuwirken. Als ein Bei spiel könnten die Nordpole der Magneten 32 und 34 einander gegenüberliegen, so daß sie ein Feld ₀ liefern, dessen Feldlinien radial von der Längsachse des NMR-Geräts 60 weglaufen. In einigen Ausführungen kann ein zwischen dem obe ren Magneten 32 und dem unteren Magneten 34 gelegenes magnetisch perme ables Teil 36 die Hülse 28 umschreiben. Im Ergebnis dieser Anordnung fokussiert das magnetisch permeable Teil 36 das Feld ₀, um den Gradienten des Felds ₀ zu minimieren und somit in dem interessierenden Gebiet ein gleichförmigeres Feld ₀zu erzeugen. Das NMR-Gerät 60 kann, muß aber nicht die Hülse 36 enthalten. Ausführlichere Beschreibungen dieser Anordnungen finden sich in der US- Anmeldung 09.033.965 vom 3. März 1998 und in US 4 350 955.

Zum Variieren des Felds B0 kann das NMR-Gerät 35 Gradientenspulen wie etwa die Spulen 40 und 42 enthalten, die die Hülse 28 ebenfalls umschreiben. Die Spulen 40 und 42 können (mit einem Impulsgenerator wie etwa mit dem Im pulsgenerator 65) mit einem Gleichstrom gepulst werden, um zusätzlich zu dem Feld ₀ eine Komponente ₂ zu erzeugen. Falls die Ströme in den Spulen 40 und 42 in entgegengesetzte Richtungen fließen, ist ₂ im wesentlichen radial. Die Spulen 40 und 42 können zwischen den Magneten 32 und 34 liegen, so daß beide Spulen 40 und 42 zu dem Feld ₀ eine positive Komponente beitragen, die in Abhängigkeit von der Ausführung in dem interessierenden Gebiet auf das Feld ₀ ausgerichtet oder nicht ausgerichtet sein kann. In einigen Ausführungen können die Spulen 40 und 42 entweder aus einem Paar einfacher Stromschleifen oder aus Stromschleifen mit mehreren Wicklungen ausgebildet sein, deren Ströme den gleichen Betrag, jedoch die entgegengesetzte Umlaufrichtung haben. Zum Beispiel können die Spulen 40 und 42 eine Sattelspule bilden.

Es sind weitere Ausführungen möglich, die die Gradientenspulen 40 und 42 in Verbindung mit einer radialen axialsymmetrischen Konstruktion von ver wenden. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, können die Permanentmagneten 32 und 34 in einem weiteren NMR-Gerät 61 z. B. durch einen ringförmigen Permanentmagne ten 62, der z. B. die Hülse 36 umschreibt und zwischen den Spulen 40 und 42 liegt, ersetzt sein. Der Magnet 62 erzeugt Feldlinien von ₀, die axial parallel zur Achse des Geräts 61 verlaufen. Um ₂ im wesentlichen parallel zu ₀ zu ma chen, müssen die Ströme in den Spulen 40 und 42 im wesentlichen in der glei chen Richtung fließen. Zum Beispiel kann über dem Magneten 62 der Nordpol des Magneten 62 und unter den Magneten 62 der Südpol ausgebildet werden.

Andere Anordnungen als die obenbeschriebenen radialen, axialsymmetri schen Konstruktionen von ₀ sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel können Gra dientenspulen mit zweidimensionalen (2D-)Dipol-Konstruktionen von ₀ verwen det werden. Ein Beispiel einer 2D-Dipol-Konstruktion von ₀ findet sich in US 5 280 243. Auf diese Weise kann ein NMR-Gerät 68, das eine 2D-Dipol-Konstruk tion von ₀ verwendet, einen ringförmigen Magneten 72 enthalten, der ein Dipol muster für das Feld ₀ erzeugt, wie es in den Fig. 10 und 11 gezeigt ist. Im Ge gensatz zu ihren Gegenstücken in den Geräten 60 und 61 sind die HF-Spulen 73 und 74 nicht mit der Längsachse des Geräts 68 konzentrisch, sondern statt des sen in der Weise angeordnet, daß sie ein Dipolmuster in dem Feld ₁ erzeugen, so daß die Äquipotentiallinien des Felds ₁ in dem Resonanzgebiet auf den Äqui potentiallinien des Felds ₀ im wesentlichen senkrecht stehen. Das Gerät 68 kann die Gradientenspulen 76 und 77 mit jeweils einer oder mehreren rechtecki gen Schleifen enthalten, die Gradientenfelder erzeugen, die in dem durch den Magneten 72 erzeugten interessierenden Gebiet auf das Feld ₀ ausgerichtet sind.

Im Ergebnis der obenbeschriebenen Anordnungen weisen die Spins eine Präzession um ₀ + gradient|0 auf. Die größte Wirkung tritt ein, wenn beide Vekto ren parallel sind. Im Ergebnis dieses Verfahrens kann somit Δω variiert werden, ohne ω_RF zu variieren. Gegenüber dem Variieren von ω_RF ist dies vorteilhaft, da die Bandbreite einer Antenne mit hohem Qualitätsfaktor (ohne Rückstellen der Antenne, was, wenigstens, wenn es unter Verwendung von Schaltkondensatoren mit mechanischen Schaltern erfolgt, während einer Sättigungsfolge unpraktisch ist) den Bereich einer möglichen Variation für ω_RF beschränkt. In einigen Ausfüh rungen kann ein Nachteil dieses Verfahrens der (im Vergleich zur Verwendung als eine Abbildungsvorrichtung) zum Ansteuern des Elektromagneten erforderliche verhältnismäßig hohe Energiebetrag sein, falls er während der gesamten Sätti gungsfolge mit unterschiedlichen Amplituden aktiviert werden muß. Es gibt meh rere Möglichkeiten zur Verwendung der Gradientenspule (bzw. der Gradienten spulen):

- In der Gradientenspule wird während eines gesamten Impulses (des Felds ₁) ein im wesentlichen konstanter Strom erzeugt, der während dieses Impulses den Radius des Resonanzgebiets wirksam verschiebt.
- Der Strom in der Gradientenspule wird während eines gesamten Impulses (des Felds ₁) variiert, um einen "Wobbel"-Impuls ohne Variation der Fre quenz des HF-Impulses zu erzeugen. In Abhängigkeit von den tatsächli chen Parametern kann der Wobbel-Impuls ein besonderes Gebiet inver tieren, anregen oder sättigen. Dieses Verfahren kann in einer Inversions wiederherstellungsfolge (anstelle einer Sättigungsfolge) zum Invertieren eines großen Gebiets um das NMR-Gerät verwendet werden.
- Die Gradientenspule wird zwischen den Impulsen (des Felds ₁) aktiviert, um eine möglicherweise erhaltene transversale Magnetisierung zu zerstö ren. Wenn die (t_grad genannte) Dauer des Gradientenimpulses so kurz ist, daß die Variation von α = gradient|0t_grad über das gesättigte Gebiet ver nachlässigbar ist, ist dies ähnlich der stochastischen Variation der Phase der Impulse des Felds ₁.
- Der Strom in der Gradientenspule kann gleichzeitig mit jedem Impuls des Felds ₁ gepulst werden.
- Die Gradientenspule kann zum Erzeugen der obenbeschriebenen stocha stischen oder kontinuierlichen Variationen verwendet werden. Weitere Verwendungen der Gradientenspule sind möglich.

CPMG-Folge mit stochastischen Variationen

Der für die CPMG-Folge kennzeichnende Impulszug kann ebenfalls sto chastisch variiert werden. Zum Beispiel kann die Phase des HF-Trägerimpulses zufällig variiert werden, um z. B. zufällig Impulsphasen von 0°, 90°, 180° und 270° zu erzeugen (wobei in typischen NMR-Spektrometern wenigstens diese Im pulsphasen verfügbar sind). Mit Bezug auf Fig. 18 (die eine Umrißdarstellung 90 der relativen Signalverluste für verschiedene Echoanzahlen zeigt) und auf Fig. 19 (die eine Umrißdarstellung 92 der über eine Volumendicke von ±0,75ω₁ gemittel ten relativen Signalverluste für verschiedene Echoanzahlen zeigt) ist ein Beispiel gezeigt, bei dem die Impulse zufällig erzeugt werden, während sich das Gerät 60, 35 nicht bewegt. Mit Ausnahme dieser Umrechnung der Impulsphasen auf Zu faliszeichen sind sämtliche Spin- und Impulsparameter die gleichen wie in den obenbeschriebenen Beispielen.

Wie zu sehen ist, brennt die Sättigung breite und wohlgetrennte Streifen in die Spinverteilung. Die Breite des gesättigten Gebiets ist niedriger als die Breite des durch die von der Bewegung beeinflußte CPMG-Folge erzeugten Gebiets, wobei das Sättigungsprofil jedoch wesentlich glatter als das durch eine CPMG- Folge erzeugte Profil ist. Dies zeigt eine Abwägung zwischen der Größe des Re sonanzgebiets (bei Verwendung kohärenter Merkmale) und dem zuverlässigen quantitativen Sättigungsprofil (bei Verwendung stochastischer Merkmale). Die durch eine CPMG-Folge erzeugten Profile erzeugen auch für Spins mit T_1,2 (hier 100 ms) << t_m (hier 50 ms), wobei t_m die Dauer der CPMG-Folge ist, eine glattere Form. Das Auftreten von Bewegung während des Anlegens der zufälligen Impulsfolge erhöht etwas ihre Leistung, wobei das Profil jedoch glatt bleibt.

Die Streifen unvollständiger Sättigung treten auf, da nicht jedes Loch mit der gleichen "Geschwindigkeit" gebrannt wird. Wie z. B. in Fig. 20 zu sehen ist, in der jedes vierte Loch fehlt, können einige Löcher in Abhängigkeit von der Stelle Δω vollständig unterdrückt sein. Die Position dieser ungenügend gesättigten Stellen hängt von der Dauer des Neufokussierungsimpulses ab: Außerhalb der Resonanz dreht ein Impuls der Dauer t_p einen Spin um den Winkel

um seine in Richtung ₁ + Δ weisende "effektive Dreh- achse". Die ungesättigten "Knoten" erscheinen dort, wo α ein Mehrfaches von 2π ist. Somit könnten diese Stellen durch Variieren von ω₁ . t_p ebenfalls gesättigt werden.

Für das Beispiel einer (in Fig. 12 mit "t_p") bezeichneten langsam steigen den Impulslänge ist dieser Effekt in Fig. 20 (die eine Umrißdarstellung 94 der rela tiven Signalverluste für verschiedene Echoanzahlen zeigt) und in Fig. 21 (die gra phische Darstellungen 96 der über eine radiale Volumendicke von ±0,75ω₁ ge mittelten relativen Signalverluste für verschiedene Echoanzahlen zeigt) dargestellt. In dieser Simulation wurde die Impulslänge linear von 125 µs (einem 180°-Impuls) während des ersten Neufokussierungsimpulses auf 250 µs (einen 360° Impuls) für den 100. Neufokussierungsimpuls erhöht, während t_free (der in Fig. 12 gezeigte Abstand zwischen den Impulsen) festgehalten wurde. Sämtliche weiteren Parameter sind die gleichen wie in dem vorausgehenden Beispiel. Das resultie rende Sättigungsprofil ist glatter und etwas breiter als ohne Variation der Impulslänge.

Wieder kann durch Variation der verschiedenen Parameter der Folge wie der Zeit t_e, die etwa umgekehrt proportional zum Abstand der gebrannten Löcher ist, der Zeit t_p, den Impulsphasen, usw. und Abwägung zwischen kohärenten und stochastischen Merkmalen die Sättigungswirkung der Impulsfolge allgemein für einen besonderen Bewegungsbereich optimiert werden.

Die vorausgehenden Beispiele der Sättigungsfolgen haben zum Erzeugen der Sättigung den Effekt des Lochbrennens weitab der Resonanz verwendet. Wie oben angemerkt wurde, dreht ein Impuls der Dauer t_p einen Spin, der außerhalb der Resonanz liegt, um den Winkel α(Δω), der immer größer als der Nennkippwin kel α(0) ist. Somit ist für Neufokussierungsimpulse mit α(0) = 180° (d. h. für "180°- Impulse") außerhalb der Resonanz immer a(Δω) < 180°. Eine optimale Anregung und somit eine optimale Anregung außerhalb der Resonanz findet andererseits für α(Δω) = (2n+1).180° statt. Also ist der effektive Kippwinkel, um den ein Spin von der Längsachse weggedreht wird, θ = θ_max, wobei θ_max = α(Δω) = 2arctan(ω1/Δω) der maximale effektive Kippwinkel für ein gegebenes Δω ist. Somit ist es möglich, daß bei Verwendung von 180°-Impulsen zum Erzeugen einer Sättigung außerhalb der Resonanz Energie verschwendet wird.

Die Fig. 22 und 23 zeigen die Abhängigkeit des (über eine Resonanz schalendicke gemittelten) Sättigungsprofils von dem in der Folge verwendeten α(0) der Neufokussierungsimpulse. Die Phasen werden wie zuvor beschrieben stochastisch variiert. In Fig. 22 sind die relativen Signalverluste 98 für die auf 375 µs eingestellte Zeit der freien Entwicklung t_free (d. h. für das in Fig. 12 ge zeigte Zeitintervall zwischen den Neufokussierungsimpulsen) gezeigt, während in Fig. 23 die relativen Signalverluste 100 gezeigt sind, wenn die Zeit t_free auf null eingestellt ist. Sowohl in Fig. 22 als auch in Fig. 23 sind die Signalverluste 98 und 100 für 1 bis 100 Impulse für die Kippwinkel 9°, 20°, 30°, 45°, 90° und 180° als eine Funktion von Δω gezeigt. Die verschiedenen Kippwinkel werden durch Varia tion der Impulsdauer t_p erzeugt. Wie zu sehen ist, sind die Signalverlustverteilun gen für verschiedene Zeiten t_free fast völlig gleich, wobei das Sättigungsmuster bei einer stochastischen Phasenvariation somit im wesentlichen durch die Impuls dauer und nicht durch die Zeit der freien Entwicklung bestimmt ist.

Die minimale Impulsdauer, die bei einer gegebenen Hardware verwendet werden kann, ist durch die (t_r genannte) Anstiegszeitkonstante des Impulses be stimmt. Für t_p < 3t_r erreicht der Impuls vor dem Ausschalten nicht das Maximum ω₁, wobei er bei einer weiteren Verringerung von t_p rasch weniger wirksam wird. Bei einer NMR-Bohrprotokollvorrichtung lautet eine gute Abschätzung t_r = 5 . . . 30 µs.

Mit fallendem t_p wird das gesättigte Gebiet breiter. Von praktischem Inter esse ist hauptsächlich das Gebiet mit

d. h. das Gebiet mit α(Δω) < 2π in den zwei inneren ungesättigten Knoten. Der maximale Kippwinkel θ_max fällt mit steigendem Δω. Je breiter das Sättigungsgebiet ist, desto mehr Im pulse sind somit zum Erzeugen der Sättigung in den Außenteilen des Gebiets er forderlich. Falls die Zeitkonstante für die Sättigung T_S ist, können lediglich Spins mit T₁ < T_S vollständig gesättigt werden. Somit kann eine Abwägung zwischen der Sättigungsbandbreite und dem niedrigsten T₁, das noch gesättigt werden kann, durchgeführt werden. Außerdem zeigt dies, daß es in einigen Ausführungen vor teilhaft ist, die Folge durch Minimieren von t_free auf den kleinstmöglichen Wert, der mit der verfügbaren Hardware erhalten werden kann, so kurz wie möglich zu hal ten. (Die Hardwareprobleme können hier die Phasenumschaltzeit, die Impulsan stiegs- und -abfallzeit und die Überlastung der HF-Schaltungsanordnung mit lan gen kontinuierlichen HF-Impulsen umfassen.)

Die Fig. 24 und 25 zeigen die Verluste 102 und 104 für Folgen mit (Fig. 24) bzw. ohne (Fig. 25) t_free. Die Verluste 102 und 104 sind für verschiedene Relaxationszeiten gezeigt. Bei t_free = 375 µs ist die Folge von 100 Neufokussie rungsimpulsen 40 ms lang, während sie ohne die Zeit der freien Entwicklung nur 2,4 ms lang ist. Für einen Nennkippwinkel α(0) = 35° können beide Folgen Spins mit Relaxationszeiten des freien Fluids (T1 < 50 ms) sättigen, wobei jedoch die Folge ohne die Zeit der freien Entwicklung Spins mit einem 20mal niedrigeren T1 sättigen kann, was erforderlich ist, wenn Spinverteilungen in dem gebundenen Fluid aufgelöst werden sollen. In beiden Fällen beträgt die zum Erzeugen der Sät tigung erforderliche Energie das 100.35/180 ≈ 20fache der Energie für einen einzi gen 180°-Neufokussierungsimpuls, was für Bohrloch-NMR-Spektrometer, die übli cherweise während t_W aus der in Kondensatoren gespeicherten Energie Züge von Hunderten von 180°-Neufokussierungsimpulsen erzeugen können, kein ernsthaf tes Problem darstellen sollte.

In einigen Ausführungen sind die Profile, die mit Folgen gebrannt wurden, die eine Zeit der freien Entwicklung enthalten, etwas glatter als die durch kontinu ierliche Bestrahlung gebrannten Muster. Dies könnte von der während der Zeit der freien Entwicklung auftretenden zusätzlichen Phasenverschiebung herrühren, die im zweiten Fall fehlt, jedoch nicht kritisch ist. Falls ein Gerät mit axialsymmetri schen Feldgeometrien um den Abstand Ar verschoben wird, erfährt außerdem jeder Spin in Abhängigkeit von seiner Lage auf dem Azimut eine andere Ver schiebung im Frequenzraum Δω = dω₀/d.Δ. Dies führt zu einer zusätzlichen ef fektiven Glättung des tatsächlichen Sättigungsprofils.

In den Simulationen wurden die vier Impulsphasen unter Verwendung ei nes Zufallsgenerators gewählt. Somit würde das Verhalten einer Folge von Simu lation zu Simulation geringfügig variieren. In einigen Ausführungen könnte zum Optimieren des Sättigungsverhaltens eine vorgegebene Folge von Phasen ver wendet werden. In einigen Ausführungen kann auch eine Parametervariation ohne Periodizität optimal sein.

Zusammengefaßt sind oben beispielhaft Verfahren zum Vorbehandeln von Spins in der Umgebung eines NMR-Resonanzgebiets beschrieben. Diese Verfahren ermöglichen Polarisationsmessungen von T1 selbst dann, wenn sich die NMR-Meßvorrichtung (z. B. das NMR-Gerät 60 oder 35) in bezug auf die Probe bewegt, während diese Verfahren wenigstens zusammen mit einem niedri gen Gradienten, wie es in der US-Anmeldung 09.033.965 beschrieben ist, Polari sationsmessungen beim unstabilisierten Bohren ermöglichen. Die Möglichkeit, ohne einen Stabilisator zu arbeiten, macht das Gerät "bohrerfreundlicher" und er höht somit die Brauchbarkeit eines Geräts zum Protokollieren beim Bohren (LWD- Geräts) wesentlich.

Claims

1. Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz mit einer NMR-Meßvorrichtung (60; 35), die der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und einer Probe unterliegt, gekennzeichnet durch

a) Erzeugen eines statischen Magnetfelds (₀);
b) Ausstrahlen (52) einer ersten Folge (120) von HF-Impulsen, wobei die erste Folge (120) einen Parameter besitzt;
c) Variieren des Parameters während des Ausstrahlens (52) der ersten Folge (120), um ein erstes Gebiet der Probe im wesentlichen zu sättigen; und
d) Ausstrahlen (56) einer zweiten Folge (68) von HF-Impulsen zum Herstellen eines Resonanzgebiets in dem ersten Gebiet; und
e) Messen eines Merkmals der Probe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Para meter eine Einhüllende ist und das Variieren des Parameters ein Variieren der Einhüllenden umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Va riieren der Einhüllenden die Amplituden (82) der Impulse (120) variiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Va riieren der Einhüllenden die Abstände (t_e) zwischen den Impulsen (120) variiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Va riieren der Einhüllenden die Dauern (t_p) der Impulse (120) variiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß zum Ausstrahlen (52) der ersten Folge (120) von HF-Impulsen ein HF- Trägersignal verwendet wird, wobei der Parameter eine Phase des HF-Trägersi gnals ist und das Variieren des Parameters ein Variieren der Phase umfaßt.

7. Verfahren zum Messen der magnetischen Kernresonanz mit einer NMR-Meßvorrichtung (60; 35), die der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und einer Probe unterliegt, gekennzeichnet durch

a) Erzeugen eines statischen Magnetfelds (₀);
b) Ausstrahlen (52) einer Folge (120) von HF-Impulsen, wobei die Folge (120) wenigstens einen Neufokussierungsimpuls umfaßt, der wenigstens ein Echo von einem Resonanzgebiet der Probe erzeugt;
c) Sättigen eines Gebiets, das größer als das Resonanzgebiet ist; und
d) Messen eines Merkmals der Probe.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das stati sche Magnetfeld (₀) beim Sättigen wenigstens einmal während des Ausstrah lens (52) der Folge (120) modifiziert wird, um ein größeres Gebiet als das Reso nanzgebiet zu sättigen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Mo difizieren des statischen Magnetfelds (₀) wenigstens ein weiterer Impuls ausge strahlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus strahlen des wenigstens einen weiteren Impulses in der Weise synchronisiert er folgt, daß es dann geschieht, wenn die HF-Impulse der Folge (120) nicht ausge strahlt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus strahlen des wenigstens einen weiteren Impulses in der Weise synchronisiert er folgt, daß es während des Ausstrahlens wenigstens eines HF-Impulses geschieht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeich net, daß beim Sättigen zusätzliche HF-Impulse ausgestrahlt werden, um ein Ge biet zu sättigen, das größer als das Resonanzgebiet ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß die Relativbewegung infolge der Bewegung der NMR-Vorrichtung (60; 35) auftritt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich net, daß die Relativbewegung infolge der Bewegung der Probe auftritt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich net, daß ein axialsymmetrisches statisches Magnetfeld (₀) erzeugt wird, dessen Äquipotentiallinien in dem Resonanzgebiet liegen, wobei die Äquipotentiallinien in einer Richtung, die im wesentlichen auf eine Längsachse der NMR-Vorrichtung (60; 35) ausgerichtet ist, im wesentlichen gerade sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeich net, daß das Merkmal der Probe beim Bohren einer Bohrung in einer Bodenfor mation gemessen wird.

17. NMR-Meßvorrichtung (60; 35), die der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und einer Probe unterliegt, gekennzeichnet durch

a) wenigstens einen Magneten (43, 34);
b) wenigstens eine Spule (39, 40, 42); und
c) einen an die Spule (39, 40, 42) angeschlossenen Impulsgenerator (65), der so beschaffen ist, daß er
- a) mit der Spule (39, 40, 42) eine erste Folge (120) von HF-Impulsen ausstrahlt (52), wobei die erste Folge (120) einen Parameter be sitzt;
- b) während des Ausstrahlens (52) der ersten Folge (120) den Para meter variiert, um ein erstes Gebiet der Probe im wesentlichen zu sättigen;
- c) mit der Spule (39, 40, 42) eine zweite Folge (68) von HF-Impulsen ausstrahlt (56), um in dem ersten Gebiet ein Resonanzgebiet her zustellen; und
- d) ein Merkmal der Probe mißt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Pa rameter eine Einhüllende ist, die durch den Impulsgenerator variiert wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung wegen der Bewegung der NMR-Vorrichtung (60; 35) stattfin det.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung wegen der Bewegung der Probe stattfindet.