核磁共振模块的制作方法

专利名称：核磁共振模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及核磁共振工具。
技术背景核磁共振(NMR)已经成为一种普通的缆式测井服务，其已经被广泛用于 评估岩石性质(诸如孔隙度、渗透率、束缚流体等)和流体性质(例如饱和度、 粘度、含油率和含气率等)。NMR测量通常是fflil让地层中的核子磁矩("自旋") 围绕轴线进动来实现的。M31将极化强静磁场(Bo)施加在样品中使质子自旋 排列在与此外加场平行的方向上，形成核子进动所围绕的轴线。接着，产生一 系列射频(RF)脉冲，将振荡磁场B!施加在样品上。静场B()和振荡场B!应当 彼此大致垂直。RF脉冲序列通常以90度脉冲开始，该90度脉冲使磁化强度从 Bo大致旋转至横向平面上。例如，施加另外的RF脉冲诸如180度脉冲以形成 一系列自旋回波。例如在Edwards等人的美国专利第6,111,409号中讨论过的， 一禾中可使用的普通RF脉冲序列为纠错CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)NMR 脉冲序列，在此引入作为参考。在文献中NMR技术是众所周知的，例如在 幻einberg的美国专利第6,346,813号中讨论的那样，在此引入作为参考。为了，可靠的储层模拟，要定期对储层流体进行采样，以便肖滩对它们 的化学组分和物理性质进行分析(例如采用NMR方法)。这种采样可l顿探头 皿压力下降提取流体来完成，如果流动性(mobility)(渗透萄粘度)高于该 探头下限。可被用来提取储层流体的探头实例为Schlumberger的模块式地层动 态测i微(MDT)。对于低渗透率或者低温储层，重油的流动性会非常低。许多 技术建议在压力下降之前对地层进行加热以降低油的粘度。然而，不可预测这 些策略是否会可靠地重现与原始地层流体一致的样品。另外，疏松砂岩地层会 给MDT式采样工具带来额外的挑战。发明内容本发明的各方面和实施例涉及一种核磁共振(NMR)模块，其提供梯度磁 场以得到一种灵活的、^f氐场且相对低成本的设计。该NMR装置可结合包括例 如井底井壁取芯工具在内的各种不同工具和系统以及各种生产过程控制器一起 使用。磁体组件可以构造在样品室周围，以使要被分析的样品包含在NMR装 置中，从而对于所需要的NMR测量例如扩散、驰豫时间(例如纵向驰豫时间 I禾口/或横向驰豫时间T2)、化学位移和本领域公知的其它类型的测量，使得在 维持足够的信噪比的同时允许使用低强度的磁场。如在下文中讨论的那样，磁 体组件可被构造成在一个或多个方向上提供大致均匀的场，且还在至少一个方 向上提供基本非均匀的场或梯度场。磁场可通过在样品室周围的磁体布局来控 制，因此，在至少一个实施例中，可以在不需要特殊设计的、昂贵的均匀磁体 的情况下实现场均匀性。这样提供了一种适用于许多不同应用场合的灵活稳健 的设计。根据一个实施例，核磁共振装置可包括样品室；围绕该样品室布置且构 造和设置成在样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场的磁体组件；放 置成基本围绕该样品室的射频(RF)线圈；以及与该RF线圈耦合且构造和设 置成控制该RF线圈以产生RF脉冲序列的控制器；和构造并设置成向该RF线 圈提供RF功率以产生RF脉冲序列的RF功率源。在一个实例中，磁体组件可包括布置在样品室第一侧的第一7乂磁体；正对第一永磁体布置在样品室第二侧的第二7lc磁体；第一极片(polepece)，其与第一永磁体耦合以使i織一极片 置于第一永磁体和样品室之间；以及第二极片，其与第二永磁体耦合以使该第 二极片置于第二永磁体和样品室之间。在另一个实施例中，磁体组件还可包括 磁屏蔽，其被布置成基本上包围第一和第二永磁体，第一和第二极片和样品室。 在一个实例中，通31^择第一和第二永磁体的位置和场形成能力来控制非均匀 磁场的梯度和强度。在另一个实例中，装置还包括脉冲场梯度模块。在另一个 实例中，该装置还包括前置放大器和Q开关，其中该Q开关被耦合在前置放大 器和RF功率源之间，并被构造和设置j^，射频脉冲序列期间减少从RF功率源到前置放大器的泄漏。核磁共振装置的另一个实施例包括外部磁屏蔽；第一永磁体，其被布置 在外部磁屏蔽内且接近该外部磁屏蔽内表面上的第一位置；第一极片，其与第一永磁体耦合以使该第一7JC磁体位于该外部磁屏蔽与第一极片之间；第二极片，其被布置在该外部磁屏蔽内且接近该外部磁屏蔽内表面上的第二位置，其中该 第二位置正对于该第一位置；样品室，其被布置在该外部磁屏蔽内且居中地位 于第一和第二极片之间；在该样品室周围布置的射频线圈；以及与射频线圈耦 合且构造和设置成控制射频线圈以产細频脉冲序列的控制电路，其中第一永 磁^^横向于样品室纵轴的第一方向上被磁化，以使磁场梯度沿着与该样品室纵轴垂直的轴线存在。在一个实例中，第一和第二极片可各自包括一平面，这 些平面彼此相向。在另一个实例中，第二极片被构造和设置成为可旋转的，以 使第二极片的平面相对于第一极片的平面形成角度，从而在同时垂直于第一方 向和样品室纵轴的第二方向上形成磁场梯度。在一个实例中，外部磁屏蔽可由 铁制成，且样品室可由诸如塑料这样的非导电和非磁性材料制成。根据一个实 施例，控制电路可包括构造和设置成提供射频脉冲序列脉冲衰减的Q开关。在 一个实例中，该核磁共振装置可与井壁取芯工具一体形成，样品室可构造和设 置成接收由井壁取芯工具从地层中提取的芯。根据另一个实施例，监视过程的方法可包括以下步骤提供核磁共振装置， 该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提供具有已知磁场梯度的磁 场；在不中断该过程的情况下引导经历该过程的一系列样品以连续流的方式穿 过样品室；以及对该一系列样品进行核磁共振观懂以确定该系列样品的至少一 种性质。在一个实例中，进行核磁共振测量的步骤包括执行检测在该系列样品 中是否存在水分子的测量。例如，该系列样品可以是一系列木材样品。在另一 个实例中，进行核磁共振测量的步骤包括确定该系列样品的各样品中的固体与 液体成分的比例。根据另一个实施例，对地层中的流体进行分析的井下方法可包括以下步骤: 提供井下核磁共振装置，该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提 供具有已知磁场梯度的磁场；从地层中提取包含有流体样品的芯；将该芯放置 在样品室内；以及对该芯进行井下核磁共振测量以确定该流体的至少一种性质。


在下文中，参考附图对本发明的各个方面和实施例进行描述。在不按比例 画出的图中，在各图中说明的各个一致或几乎一致的零件用同样的数字表示。 出于清晰的目的，不是^零件都被标注在旨图中。在这些图中图1是根据本发明的NMR磁体组件的一个实施例的横截面亂图2是根据本发明的NMR磁体组件的另一个实施例的横截面亂图3A是由图2的磁体组件产生的磁通量的数字模拟；图3B是由图2的磁体组件产生的磁场的数字模拟；图4是JOT根据本发明的实施例的NMR装置例如在7]C样品上得到的回波 幅度与回波时间的图表；图5A是l顿根据本发明的实施例的NMR装置对一禾中原油样品进行NMR 测量得到的二维TVT2图；图5B是使用根据本发明的实施例的NMR装置对所述原油样品进行NMR测量得到的二维D-T2图；图6是根据本发明的实施例的Q开关的方框图；以及 图7是根据本发明的实施例的NMR装置的方框图。
具体实施例方式
本发明的实施例涉及一种核磁共振装置，其可结合包括井下井壁取芯工具 在内的各种不同工具以及生产过程控制器一起使用。不同于许多围绕着获取尽 可能均匀的磁场进行设计的传统NMR模块，根据本发明的NMR装置的实施例被设计成在至少一个方向上具有故意不均匀的磁场。磁场在一个或多个方向上 具有已知的场梯度，在一些实施例中，磁场在一个或多个方向上具有恒定的场 梯度，而不是大致均匀分布。如下所述，使用梯度场可提供更灵活和便宜的磁 体组件设计。将意识到，本发明不限于在以下描述中陈述的或在附图中執列说明的零件 安排和结构细节上的应用。本发明可以是其它的实施方式并可以以各种方式实 行或完成。例如，将意识到，在此描述的方法和装置不限于用在井筒中或结合 测井使用，而是可以被用在不同的环境和应用中。在此给出的具体实施的实例 仅用于说明的目的，而不是作为限制。特别地，结合一个实施例进行描述的步 骤、元件和特征不希望与另一个实施例中的类似功能相排斥。同样，在此{細 的措词和术语仅用于描述的目的，不应被视为限制。在此〗OT"包括"、"包含"、 "具有"、"含有"、"包括有"以及其变形意味着包含在下文中列出的项目和其 等同物以及附加项目。井壁取芯是一种采样技术，其包括提取例如岩层的"岩芯"，且可由诸如Schlumberger机械井壁取芯工具(MSCT)来完成。在测井中，从井筒壁提取岩 芯，因此称作术语"井壁取芯"。与从岩体(例如从岩层)中提取流体样品的传 统采样方法相比，所提取出的岩芯包括其内包含有流体的岩体的样品。井壁取 芯可解决与传统采样有关的几个问题，特别是在结合现场测量(诸如例如由在此讨论的装置的实施例实施的NMR观懂)时。在例如通过压力下降实现的传 统井筒流体采样中，伴随发生的样品压力和/或^j^变化会导致气体懒军、沥青 质沉淀以及脆弱的岩石或疏松砂岩瓦解。作为对比，在取芯过程中，原始流体 会保留在岩芯内部，且可以在压力和温度相对于地层条件不发生变化的情况下 实施岩芯提取。因此，对岩芯母体和其携带的流体的破坏最小。另外，还可以 从疏松地层中提取岩芯，而这对于传统的流体采样设备来说是一种挑战。根据一些实施例，NMR模块可结合在诸如Schlumberger MSCT这样的井 壁取芯工具中。井壁取芯工具通常包括岩芯保存区域。在一个实例中，NMR模 块被包括在岩芯保存区域内以提供关于岩芯的实时数据。根据一个实施例，紧 接着岩芯提取之后，使用例如在此讨论的NMR模块测量岩芯内部的流体以确 定该流体的各种特性，诸如粘度、组分、沥青质浓度等。井壁岩芯的这种现场 测量对于取芯操作和与来自NMR缆式测井数据的比较来说，是非常有用的指 导。特别地，现场观懂具有这种的优点，艮卩，数据是在样品的原始条件(例如 温度、压力、流体组分、可湿度等)下获得的。在一个实施例中，井壁取芯工具可在工具壳体内部的管子中运送所获取的 岩芯。因此，这些岩芯是例如直径约为1.5英寸、长度约为3英寸的圆柱形。这 决定了 NMR模i央磁体组件的基本几何结构。然而，将意识到，岩芯可以具有 不同的尺寸，且其形状不必为圆柱形。因此，本领域技术人员可认识到，可以 对下述磁体组件进行改变以适应不同尺寸或形状的岩芯。因为这种改变被期望 为公开内容的一部分，且将意识到，本发明不限于在此举例说明和讨论的示例 性磁体组件几何结构。参见图1 ，在横截面图中说明了根据本发明的多个方面的NMR磁体组件的 一个实施例。磁体组件100被构造在接收和容纳要被分析的岩芯(或其它样品) 的样品室102周围。样品室通常由金属制成。然而，金属样品室会给NMR测 量带来明显的信号损失。因此，根据一个实施例，样品室102由不会显著妨碍NMR观懂的塑料或其它非导电、非磁性材料制成。另外，4mt也，用还會,抵 抗样品中的流体的化学侵袭的材料制成样品室。磁体组件100还包括磁屏蔽 104， 一个或多个永磁体106、 108，极片IIO、 112，以及NMR线圈114。 NMR 线圈连接到NMR电子设备(未示出)，诸如电源(图7的146)和控制由线圈 产生的射频(RF)磁脉冲的频率、持续时间和时间间隔的控制器(图7的148)。 7乂磁体106、 108可提供，静磁场Bo的源。在一个实例中，特别是在磁体组 件可用在井下环境中的情况下，永磁体可以包括具有良好的热稳定性的材料， 例如钐钴。可以如其上的箭头所示那样对各永磁体进行极化。在一个实例中， 永磁体的极化发生在与样品室纵轴垂直的方向上。出于说明的目的，下面的讨 论将IOT在图1中说明的x、 y、 z方向，且称7乂磁皿z方向被极化。然而， 将意识到，所说明的x-轴、y-轴、z-轴的方向是任意的，可以沿任一方向对磁体 进行取向禾口/或磁化。再次参见图l，磁屏蔽104可提供磁通回路，从而特意使f職场泄漏较小。 在一个实例中，磁屏蔽画由高磁导率金属制成，例如铁或钢。将意识到，磁 屏蔽104不必如图示那样是圆形的，而是可以根据样品室、NMR模块和可能与 NMR模块一起使用的工具中的任一个的形状和设计考虑采用不同的形状。另 外，磁屏蔽104不必皿续的，虽然提供连续屏蔽会有助于防止泄漏。极片110、 m可由高磁导率材料制成，诸如铁或钢。如图1所示，极片IIO、 112可附连 在各永磁体106、 108的内表面上。选定极片的面116的宽度以控制磁体组件中 心的磁场纟鹏，在本例中，控制样品室102中心的磁场纟贩。另外，在一个实 施例中，设计极片UO、 112的糊犬以优化磁场沿x和y方向的均匀性。虽然在 图1中图示出为两个永磁体和两个极片，但是将意识到，本发明并不受限于此， 磁体组件100可根据样品室和,磁体组件的几何结构，包括多于两个或少于 两个永磁体和极片。根据一个实施例，(多个)永磁体的布局主要决定样品室中的磁场和磁场梯 度。例如，如果在样品室的相对侧放置相等数量的永磁体，使得M1=M2 (Ml 为由(多个)7乂磁体110产生的磁场强度，M2为由(多个)7JC磁体112产生的 磁场强度)，那么装置中心(在该说明性实施例中为样品室中心)的磁场会相对 比较均匀，z方向上的梯度会最小。作为对比，当两侧上产生的磁场出现不平衡 时，沿z方向的场梯度会变大。然而，如果永磁体的总数保持不变(例如，Ml变大，但是M2变小相同数量，这样M1+M2保持不变)，中心的磁场弓M会保 持几乎不变。将意识到，在此使用的措词"7乂磁体的数量"意指材料的磁场形 成能力，而不是实际材料的体积量。话句话说，较小体积的高磁性材料可产生 高弓贩磁场，且因此被称作大量7乂磁体(即使其实际体积会很小)。作为对比， Ifc^体积的弱磁性材料可仅产生小磁场，因此被称作少量7乂磁体。战设计原理允许磁场 鹏和磁场梯度进行更灵活和独立的变化。特别地， 通过永磁体的合适布局，可以在不要求由任何一i央磁体产生的磁场都非常均匀 的情况下，在至少一个方向上获得大致均匀的磁场。另外，磁体组件可被构造 成具有特意不均匀的场，且而不是提供具有已知场梯度(在某些实施例中为恒 定场梯度)的磁场。与试图获得尽可能均匀的磁场的传统系统相比，这些原理 可显著降低装置成本。另外，由于围绕样品室对磁体组件进行设计和构造，所 以样品完全包含在装置内，从而得到改善的信噪比。因此，可以使用相对较低 的磁场强度，同时还能为所需要的测量提供足够的信噪比。这也改善了装置的 灵活性和有效性，因为对于某些应用来说，高场系统可能会过于昂贵、庞大和 危险。fflil合理安排7乂磁体、转动极片面和调节极片的相对尺寸，磁场设计也可 以允许在除2方向以外的方向上形 场梯度。例如，为了沿轴线(y)方向形 度，可以将相等数量的永磁体放置在样品室的相对侧(例如，在图1中说 明的永磁体106和108的位置上)，且可以沿着y方向逐渐M^永磁体的数量。 在另一个实例中，可通过使极片中的一刊顷斜来形成x梯度，例如如在图2中 示出并在下文中得至哽详细地讨论的那样。参见图2，在横截面图中说明了根据本发明的NMR磁体组件118的另一个 实施例。在该实施例中，如图示那样，(多个)7乂磁体120被安置在该组件的一 侧。因此，沿z方向的磁场梯度最大。磁体组件118再次包括带有平坦极面116 的两个极片110、 112和外部磁屏蔽104。在一个实例中，极片IIO、 112和该屏 蔽由具有高磁导率的铁制成以弓l导磁通。在该实施例中，允许上极片110如虚 线所示那样旋转。在一个实例中，从极面116为水平的中间位置开始，在任一 方向(顺时针或逆时针)上，允许转动的角度约为20度。然而，将意识到，也 可能有很多其它设计。如上所述，极片110的旋转被用来形成场梯度沿x方向 的分量。为了说明根据本发明的磁体组件的性能，构造并测试了图2的磁体组件的实施例。在该实例中，极片IIO、 112和屏蔽104由铁制成。极面116在x方向 上的跨度约为6.2英寸。屏蔽的外直径约为8.9英寸，其厚度约为0.5英寸，因 此其内直径约为7.9英寸。磁体组件的长度(在y方向上)约为6英寸。为了易 于搬运，永磁体102被装在铝架124中，且固定在极片112和屏蔽104上。如 图2所示，7乂磁体120被方爐在极片112和屏蔽104之间。铝架在z方向上约 为U英寸，在x方向上约为1.6英寸。zK磁体由钕、铁和硼合金制成(Nd-Fe-B)， 且在此被称作"钕磁体"。由于磁性部分会在它们之间施加相当大的作用力，因 此一繊性装配系统被设计成引导下部子组件(包括tK磁体120、架子124和极片 112)插入屏蔽104中。参见图3A和3B，其说明了由，示例性磁体组件118产生的M(图3A) 和磁场(图3B)的数值计算结果。可以看到主要梯度在z方向上。如本领域技 术人员所公知的那样，使用霍尔效应探头和三轴扫描仪对中心区域的磁场进行 扫描。在磁体组件的中心区域，可以看到磁场在x-y平面上为大致均匀，且场强 约为280高斯。当上极片110被转动时，在x方向上可观察到明显的场梯度。根据一个实施例，在磁体组件中引入^Jt调节以改善场稳定性。然而，由 于例如图2的磁体组件的梯度设计(即，磁体组件可被故意设计成具有已知的 场梯度)，温度的变化仅会使谐振区嫩肖微发生偏移。对于温度系数为0.1%每 度的钕磁体而言，温度变化5摄氏度相应造成位置偏移约0.1-约0.2厘米(cm)， 这个量通常比样品的尺寸小很多。因此，对于至少一些实施例而言，温度调节 是不需要的。如上所述，根据本发明的实施例的NMR ，还包括RF NMR线圈114 (见 图l)和相关的NMR控制电路(未示出)。在一个实施例中，RF线圈是例如巻 绕在Teflon模型(form)上的螺线管线圈。如图1所示，RF线圈被放置在磁体 组件100中心或在该中心的附近。控制电路包括调谐RF线圈的RF谐振频率的 调谐电路。如上所述，为了实施NMR测量，RF线圈被调谐至感兴趣的核子Lamor 频率。通过该控制电路控制RF线圈以产生RF脉冲序列，诸如，例如CPMG 序歹ij，以实施NMR测量。在一个实施例中，NMR控制电g飽括NMR控制台， 诸如，例如可从Tecmag,TX购置的Apollo控制台。控制台可运行NMR处理软 件，诸如由Tecmag供应并与Apollo控制台集鹏一起的NTNMR软件。另外，也可包括RF功率放大器以及信号前置放大器。可从Mteq购买到合适信号前置 放大器的一个实例，其具有零件号码AU-1579。在一个实施例中，NMR装置还 包括脉冲场梯度模块144 (见图7)以允许对样品进行脉冲场梯度测量，舰于 本领域技术人员来说是公知的。电子控制器可与脉冲场梯度模块耦合以控审鹏 冲的强度和间隔。根据一个实施例，如图6所示，调谐电路与Q开关集成在一起。Q开关122 ffl31提供临界阻尼电流路径允许RF脉冲的振铃(nngdown)快，减。在该说 明性实施例中，Q开关包括耦合在RF功率源136与电子设备之间的延长器 (extender) 130。延长器130可允许高功率RF信号(诸如RF脉冲)通过，但 是阻挡低电平RF信号(诸如检测到的NMR信号)。Q开关还包括衰减器134， 其可用 —步减少RF脉冲期间的RF功率泄漏。双工器132可允许来自RF 源136的高功率RF信号被传送到RF线圈(以产生RF脉冲)，以及在关闭高功 率RF时，允许低电平NMR信号(经體 )至哒前置放大器，如用线138 标示的那样。在一个实例中，双工器通过用FET作为开关，使用TTL脉冲来打开或关闭衰减器132。可提供数字控制电子设备140来控制m:器和衰减器的操作。在一个实例中，〗顿这种Q开关可以在180度脉冲之后，极大地将自旋回 波接收的死时间减少至约50微秒。ffl3K顿根据本发明的实施例的NMR模块，对7jC样品实施CPMG实例。 在该实例中，RF功率放大器是50瓦的放大器。RF螺线管线圈的长度约为2英 寸且该线圈具有约2英寸的直径。谐振频率为1.16兆赫兹(MHz)。温度约为 25摄氏度。匹配的滤波tll皮用来提取回波幅度。使用了两个不同的回波间隔时 间Te。在第一实例中，回波间隔为Te尸2毫秒(ms)。在第二实例中，回波间隔 为Tf3ms。参见图4，其说明了针对这两个实例的回波幅度对回波时间(单位 为秒)的曲线。线126表示来自第一实例的数据，线128表示来自第二实例的 数据。信号衰减显示了由自旋一自旋驰豫和梯度场的扩散造成的单指数特性。 下列方程(1)描述了所观糧的信号衰减率与Te之间的关系。<formula>formula see original document page 13</formula>其中丁2为横向(自旋一自旋)驰豫时间；对于水样品，T2b=0.206秒； G为场梯度；Y为核子的回磁比；以及 D为扩散系数。具有不同Te的两个实例的1/T2的差值将允许直接测量扩散贡献:<formula>formula see original document page 14</formula> (2)因此，使用方程(2)禾B图4中的数据，可以确定磁体中的场梯度。在该实 例中，磁体组件中心附近的场梯度被确定约为20.4高斯/厘米。根据本发明的NMR装置的实施例可被用于各种应用场合。如上所述，这 种应用场合之一就是测井领域，其中NMR装置可结合井壁取芯工具一起l柳。 与缆式测井相比，根据本发明的实施例的NMR装置的优点在于，样品可以在 NMR仪器内部，因此测量具有非常高的效率和相当高的质量。此外，因为信噪 比高(因为与样品在NMR磁体组件外部相比，样品在NMR磁体组件内部时， 填充因数好得多)，根据本发明的实施例的NMR装置允许对NMR信号进行更 快的脉冲调制(pulsing)和获取。在表征重油时，这可能是非常重要的。由本 发明的NMR装置提供的另一个优点在于，梯度磁场可以结合正确设计的RF脉 冲一起使用，以仅仅选择样品的一部分进行检查，这类似于医学磁共振成像 (MRI)中的切片选择。这样允许对选定体积内的样品盼性质进行测量。通过 改变RF脉冲的频率，围绕样品移动选定体积，从而形成样品性质的图像。该图 像可被用来检查例如岩石基体和/或内部流体的非均匀性。例如，从岩层中取出 的岩芯内的流体组分可能会因钻探泥浆的侵入而受至膨响，从而横向于钻井方 向引起流体性质和组分的梯度。岩芯的这些和其它特征可M结合井壁取芯工具使用该NMR装置得到测 量。特别地，这种系统能够在不需要将流体从岩石中提取出来的情况下彻底检 查岩石内的流体。当然，如上所述，可以将内部包含有流体的岩芯从地层中提 取出来并对其进行现场分析。舰于重油地层(由于其低流动性，MDT式测试 不能险当地提取流体)是非常重要的。因此，与缆式测井相比，根据本发明的 实施例的NMR模±央肖獬提供更好的测量，特别是针对于重油的测量，因为使用本发明的系统，流体可以在其原始状态下被分析。实施另一个实例来举例说明NMR装置的实施例在二维(2-D) NMR观懂 上的应用。在该实例中，对原油样品进行两次2-D测量。第一次是TVT2关系的 测量，第二次是D-T2关系的测量。这些测量的细节对于本领域技术人员来说是 公知的，且在文献中得到了很好的描述。对于TVT2实例，使用了反转恢复 (inversion-recovery) CPMG脉冲序列，对于36个不同的恢复时间获取1024个 回波。对于D-T2实例，受激回波-CMPG序列与在64个不同编码步骤得到的124 个回波一起f顿。使用二维拉普拉斯反演算法(FLI)来获得在图5A和5B中 示出的二维图。图5A示出了 TVT2图，图5B示出了D-T2图。该数据说明了 NMR装置用于2-D NMR测量的能力。根据一个实施例，具有不同磁体特征的几个磁体组件被安置在工具中用于 串行或并行测量样品的不同性质。例如，磁体组件被设计成在不同的方向上具 有场梯度，以获得样品性质(诸如流体组分)沿多个方向(例如沿芯轴线和横 向于该芯轴线)的分布(或一维图像)。在另一个实例中，在样品室附近包括多 个RF线圈以提供脉冲场梯度或伪静场梯度。这些梯度可用于例如样品成像、分 子扩散测量、流体在样品内部的运动的测量、确定孔尺寸以及确定岩石的面积 一嫩匕。此外，集成有NMR模块的井壁取芯工具可被用来监视在样品状态发生改 变时样品中的变化(诸如流体组分和分布(profile)的变化)。例如，该系统被 用来在样品压力和/或MS发生变化时监视样品，从而探测流体的热力学和相性 质。在一个实例中，样品状况的这种变化是因气体或液体流入或流出样品、或 因加热或冷却样品引起的。在另一个实例中，可M51将流体添加至,品中从而 引起原始存在于样品内部的流体的自发吸液、排出或其它置换，而引起的样品 状况的另一些变化。这些或其它变化可被执行以模拟不同的生产场景(诸如例 如压力下降、注7jC、注二氧化碳和用于提高储层油回收的其它技术)期间的储 层状况。在一个实例中，对于用流体或气体侵蚀样品的实验而言，对原始流体 和置换流体，侵蚀的空间分布的观憧都是非常重要的。另外，在改变岩芯状况 之前和之后，将从储层提取出来的流体的组分与原始岩芯内的流体的组分进行 比较都是有益的。对于岩石基体和流体，这种测试都可被用来直接在原始储层 状态下评价不同的提取策略。如上所述，根据本发明的NMR装置还可被用在除油田工业以外的各种应 用场合中。例如，许多生产过程涉及要以连续流的方式移动加工材料穿过系统。 在这些环境下，为了执行过程和质量控制的非侵入式测量，理想的是将分析测 试仪器在线地(inline)插入生产流。例如，在化学工艺中，在生产系统的不同 阶段中会形成不同的肝。男P么连续地确定流组分并使测量数据与工艺控制系 统结合以优化或改善工艺，是极其有用的。另外，在食品加工中，连续地检查 原材料和成品(例如监视其含7jC率、月旨肪和/赚船量)是重要的。NMR谱和相关设备可普遍用于化学、生物和材料研究中，且正作为批处理 式工艺用于进行分析。然而，由于其庞大的尺寸、成本以及操作和维护的复杂 性，传统的高场系统作为过程控制系统并不是非常有效、稳健或成本有效的。 特别地，将传统的系统集成到生产线上是困难57或昂贵的。另外，在这种系统 中用到的高磁场也会对环境造成危害。作为对比，低场NMR系统要灵活的多 且相对较便宜，且可被定制用于在线分析。根据一个实施例，根据本发明的NMR 模块为低场设备。传统低场NMR设备的缺陷在于其较低的信噪比。本发明的 NMR装置可fflil两种途径避开这个问题。首先，因为样品完全包含在NMR装 置内部，所以填充因子非常好，而这又有助于得到好的信噪比。第二，样品室 可被设计成容纳更大的样品，提供更大的容积且因此提供更多的核子为NMR 信号作出贡献，从而提高了信噪比。 不同NMR装置进行比较时， 一个非常有意义的技术问题是场均匀性 的问题。大多数NMR理论和装置都是围绕着非常均匀的磁场进行设计。高场 均匀性在很^f呈度上是造成传统NMR系统的高价格的原因。作为对比，根据 本发明的实施例的NMR装置使用设计成形成具有恒定场梯度的非均匀磁场的 磁体组件。均匀性要求的降低简化了磁体设计，降低了其成本。另外，对于温 度变化和某些类型的电子漂移，梯度场的使用可允许系统稳健地操作。因此， 根据本发明的实施例的NMR装置非常适合提供在线(因为过程流可以被引导 穿过样品室)和非侵入式测量。易于围绕现有加工线对磁体组件进行设计，且 可以在不打断生产的情况下进行测量。已经知道NMR对固体和液体表现出明显不同的特性。例如，固体中的质 子一质子自旋相互作用要比在液体中的质子一质子自旋相互作用强的多，这就 造成样品中的固体部分的信号快速衰减，而样品中的液体部分的信号的衰减则要慢的多。因此，来自固体和液体材料的混合物的信号被认为是分别具有快衰 减时间常数和慢衰减时间常数的两个分量的总和。例如，来自同时包含液体成 分禾嗰体成分的样品的信号可用以下方程描述
<formula>formula see original document page 17</formula>
(3)其中t为测量时间;1/Tf为快时间常数；iA;为慢时间常数；A和B分别与固相材料和液相材料的数量成比例。NMR测量可以针对一系列t值对S②进行测量。根据方程(3 )并分析 ，可以确定所有的四个参数。因此，可以确定样品的组成(例如，固体与液体的 比例)。这种测量对于在生产过程中产品从含有更多液体变成含有更多固体(或fet亦然)的化学和/或食品加工生产是有用的。因此，NMR模块可被用来监 视生产过程的进度，且如果和生产控制电子设备集成在一起，其可被用来启动 和/或停止生产过程的各个步骤。本发明的NMR装置非常有用的另一个应用是在7^才干燥方面的应用。新 伐木材具有非常高的水含量。因此，树木被砍伐成木材后，在将木材用于建筑 材料、家具、细木家具等之前，通常需要对木材进行干燥。通常是通过让木材 移动穿过大烤箱^t其进行干燥的。按惯例，要将木±央从烤箱中取出以对其进 行检査，从而确定其是否充分干燥。然而，这种方法的效率非常低，因为可能 要中断干燥过程以将木材从烤箱中取出，还因为木块大小不同，因此会出现有 些木块是干燥的而其它木块并不干燥的情况。根据本发明的NMR装置可围绕 现有7^才干燥加工线进行设计(例如，以使至少一些木材通过样品室)，且可被 用来在不中断干燥过程的情况下监视木材的干燥度。具体地，NMR装置被0fig 成检测水分子(例如，通过扩散或化学位移测量，这些都为本领域技术人员所 公知)，因此提供有关7M^^燥度的指示。总而言之，本发明的各个方面和实施例涉及可用于许多不同应用场合的 NMR装置或模块。在图7中示出了NMR装置的一般性方框图。该NMR模块 的磁体组件可围绕着样品室进行构造，因此使得样品離多完全包含在NMR装置中，具有以下优点，即良好的填充因子、良好的信噪比以及随之出现的使用 低强度磁场的可能性。7乂磁体和极片的布局可被控制成使得在样品室中形皿 一个或多个方向上具有已知梯度的磁场，从而提供了一种灵活的、可能具有低成本的设计。在至少一个实施例中，该NMR装置可结合在井下井壁取芯工具 中，允许在自然条件下对地层流体进行现场测量。另外，该装置的实施例可围 绕着现有生产线或其它加工线进行构造以对各种过程进行非侵入式的现场监 视。在图7中用方框142表示了一种工具装置。另外，可以在该装置被安置在 工具中或在加工线上之后对该^g进行校准(例如，通过执行对诸如7K样品这 样的具有已知组分的样品的测量)，使得工作场的梯度可以被充分掌握，并在处 理该装置获取的娜时得至拷虑。在一个实施例中，NMR装置还包括可选的脉 冲场梯度模块144以允许对样品进行脉冲场梯度测量。因此，已经描述了至少一个实施例的各个方面，将意识到，本发明不限于 在此描述的具体实施例，且本发明的原理可被用于更广泛的各种应用场合。因 此，上述描述仅仅是一种举例的方式给出的，且包括对本领域技术人员来说显 而易见的任何一种修改和改进。本发明的范围应该由提交的权利要求及其等同 物的正确解释确定。
权利要求
1、一种核磁共振装置，包括样品室；和磁体组件，其被布置在样品室周围且被构造和设置成在样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场；射频(RF)线圈，其被定位成基本上包围样品室；控制器，其与RF线圈耦合且被构造和设置成控制RF线圈以产生RF脉冲序列；以及RF功率源，其被构造和设置成向RF线圈提供RF功率以产生RF脉冲序列。
2、 如权利要求1所述的核磁共振装置，其中磁体组件包括 布置在样品室第一侧的第一永磁体； 正对第一永磁 置在样品室第二侧的第二永磁沐第一极片，其与第一永磁体耦合以使该第一极片位于第一永磁体和样品室 之间；以及第二极片，其与第二永磁体耦合以使该第二极片位于样品室和第二7乂磁体 之间。
3、 如权利要求2所述的核磁共振装置，其中磁体组件还包括磁屏蔽，其被布置成基本上包围第一和第二永磁体、第一和第二极片以及 样品室。
4、 如权利要求2所述的核磁共振装置，还包括 脉冲场梯度模块；且其中控制器还与该脉冲场梯度模i央耦合。
5、 如权利要求2所述的核磁共振装置，其中选择第一和第二永磁体的位置和场形成能力，使得在样品室内产生在至少 一个方向上具有已知磁场梯度的非均匀磁场。
6、 如权利要求2所述的核磁共振装置，还包括前置放大器和Q开关； 其中Q开关耦合在前置放大器和RF功率源之间，且被构造和设置l^发射RF脉冲序列期间减少从RF功率源到前置放大器的泄漏。
7、 一种核磁共振體，包括外部磁屏蔽；第一永磁体，其被布置在外部磁屏蔽内且接近外部磁屏蔽的内表面上的第一位置；第一极片，其与第一永磁体耦合以使第一7R磁体位于外部磁屏蔽和第一极片之间；第二极片，其被布置在外部磁屏蔽内，且接近外部磁屏蔽的内表面上的第 二位置，i，二位置正对着第一位置；样品室，其被布置在外部磁屏蔽内，且居中地位于第一和第二极片之间； 布置在样品室周围的射频线圈；以及控制电路，其与射频线圈耦合且被构造和设置成控制射频线圈以产^l寸频 脉冲序列；其中第一永磁体在横向于样品室纵轴的第一方向上被磁化，使得磁场梯度 沿着与样品室纵轴垂直的轴存在。
8、 如权利要求7所述的核磁共振装置，其中 第一和第二极片各自包括有平面，这些平面彼此相向。
9、 如权利要求8所述的核磁共振装置，其中第二极片被构造和设置成为可旋转的，以使第二极片的平面相对于第一极 片的平面形成角度，从而沿着第二方向产生磁场梯度，第二方向垂直于第一方 向和样品室纵轴。
10、 如权禾腰求7所述的核磁共振装置，其中外部磁屏蔽包括铁。
11、 如权利要求7所述的核磁共振装置，还包括 与控制电路耦合的脉冲场梯度模块。
12、 如权利要求7所述的核磁共振體，还包括 射频功率源，其与射频线圈耦合以产4I寸频脉冲序列。
13、 如权禾腰求12所述的核磁共振装置，其中控制电路包括Q开关，该Q开关被构造和设置成在发射射频脉冲序列期间 M^来自射频功率源的泄漏。
14、 如权禾腰求7所述的核磁共振體，其中该装置和井壁取芯工具集成在一起，且其中样品室被构造和设置成接收通过井壁取芯工具从地层提取的芯。
15、 如权禾腰求7所述的核磁共振體，其中样品室包糊時电、非磁性材料。
16、 如权禾腰求15所述的核磁共振装置，其中 样品室包括塑料材料。
17、 一种监，M程的方法，该方法包括提供一种核磁共振装置，该装置具有样品室且被构造和设置成在样品室内部形成具有己知磁场梯度的磁场；弓l导以连续流的方式经历该过程的一系列样品穿过样品室，而不中断该过 程；以及对该一系列样品执行核磁共振测量以确定该一系列样品的至少一种性质。
18、 如权禾腰求17所述的方法，其中执行核磁共振观糧包括 执行测量以检测该一系列样品中水分子的存在。
19、 如权禾腰求18所述的方法，其中弓l导该一系列样品包括 弓l导一系列7^才样品通过样品室。
20、 如权禾腰求17所述的方法，其中执行核磁共振测量包括确定该一系列样品的每个样品中的固体与液体成分的比例。
21、 一种分析地层内流体的井下方法，该方法包括在井下提供核磁共振装置，其中该装置具有样品室且被构造和设置成在该样品室内提供具有已知磁场梯度的磁场；提供来自地层的芯，该芯包括该流体的样品； 将该芯放置在样品室内部；以及在井下对该芯进行核磁共振测量以确定该流体的至少一种性质。
全文摘要
一种核磁共振模块，其可结合包括井下井壁取芯工具在内的各种不同工具以及生产过程控制器一起使用。在一个实施例中，该核磁共振装置包括围绕样品室构造的磁体组件。该磁体组件被构造和设置成在该样品室内部提供具有已知磁场梯度的非均匀磁场。梯度场的使用允许可适应各种不同应用场合的更灵活稳健的磁体组件设计。
文档编号E21B49/00GK101220743SQ20071030037
公开日2008年7月16日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月22日
发明者R·盖洛, Y·-Q·宋 申请人:普拉德研究及开发有限公司