用于核磁共振测录的增强性能天线的制作方法

专利名称：用于核磁共振测录的增强性能天线的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于测井的核磁共振(NMR)设备和方法。更具体地，本发明涉及用于NMR测井设备的天线设计。
背景技术：
核磁共振(NMR)测录工具测量来自在地球形成物中自旋核(最经常是水和碳氢化合物的组成部分的质子)的NMR信号的幅度和衰变常数。最初的信号幅度是总的形成物孔隙度的度量，而时间衰变，总是多次指数的，可被分解为指数衰变随不同的横向张弛时间的分布。张弛时间T2是自旋-自旋相互作用的度量，它提供有关形成物的细孔尺寸，流体类型，和水渗透率。这些参量是重要的岩石物理量，它说明NMR测录为什么是流行的。
NMR测录的质量非常依赖于测量的信号-噪声比S/N。S/N尤其是由静磁场的强度、RF场的强度、和这两个场在传感区域中的相对取向确定。S/N也依赖于传感区域的范围大小。在脉冲式NMR测录工具中，沿着z轴的静磁场B0被使用来将核自旋轴极化，使得各个自旋以所谓的Larmor频率ωL围绕B0处理。在典型的测量周期中，RF场B1被使用来把磁化翻转到另一个面(通常垂直于静磁场方向)，以便在接收天线中生成NMR信号。
在NMR仪器中使用的RF天线可被近似为磁偶极子。NMR测录仪器采用里面朝外的设计，其中样本(例如地球成形物的区域)处在NMR仪器以外。要求用于这样的应用的天线的设计。两个现在有售的NMR测录工具使用缩短的半同轴和环设计。
用于NMR测录应用的RF天线通常工作在低的MHz频率范围，其中波长为100米量级。这些天线的物理长度小于1米，以及离井孔的工作深度(DOI)是厘米量级，因此天线总是工作在近场条件。这是重要的特征，因为在NMR测录中提出的或使用的所有的天线在远区场上等价于简单的偶极子天线，但它们具有复杂得多的近区场特性。
脉冲NMR仪器包含生成DC磁场B0的装置，用于对准核自旋轴，由此产生初始地沿着B0的方向的核磁化。另外，天线被使用来生成RF脉冲B1，它操控核磁化，以及产生可测量的NMR信号。在原则上，当B0和B1的取向是正交时，S/N处在最大值。
在通信领域中广泛使用的一种天线是通常被做成圆形或方形的简单的环状天线。在NMR应用中使用的这种天线的变例是表面环(SL)天线。该名称来自于这样的事实环天线被放置在传感器表面上以及取该表面上的曲线。为了进一步提高效率，这些天线优选地被放置在具有高的导磁率的材料上，诸如软铁氧体或其他非导电材料。
其他的天线改进包括多匝天线或具有多个绕组的天线，以提高由天线产生的总的RF场。对于每一个附加匝，来自该绕组的RF场近似地与来自并行的绕组的RF场相加。然而，线圈的效率正比于流过绕组的电流量。由于匝数增加，线圈的阻抗增加，对于相同的电压源，这导致流过线圈的较低的电流。因此，对于具有与电压源良好的阻抗匹配的天线，增加的匝单独不造成任何B1的增强。即使增加的阻抗改进天线匹配，诸如一个最初不适当地匹配的天线，在天线线圈的整个辐射表面上看到天线增强。因为对于NMR来说，只宁愿要垂直于或几乎垂直于B0的B1分量，在线圈的所有的点处增强B1不是最经济的方法。

发明内容
在井下NMR测量设备中的天线线圈至少包括第一线圈部分，第一线圈部分有助于由天线线圈产生的总的RF场。部分线圈被增强，使得增强的线圈部分把与未增强的线圈部分相比更高比例的贡献提供给总的RF场。
按照一个实施例，天线增强是通过在天线线圈部分处或在其附近提供附加的绕组而达到的。另一个增强的天线设计利用天线线圈的加长的部分，而不是附加绕组。


图1A和1B示出现有技术的平的和弯曲的表面环状天线。
图2A，2B，2C和2D是平的和弯曲的表面环状增强的天线的示例性实施例。
图3A和3B是对于图2的天线的磁场和RF场的图。
图4示出增强的表面天线的另一个实施例。
图5是由多个线圈半圈增强的天线的示例性实施例。
图6A和6B示出用于集中的NMR测录工具的增强的天线。
图7A，7B和7C是增强的天线的可选实施例。
具体实施例方式
按照所揭示的主题，信号强度是通过增强在地球成形物的样本中辐射的RF场而增加的。具体地，NMR天线可被设计成增加垂直于静磁场B0的RF场B1的总量。NMR天线被分成多个分段或部分，每个分段能够产生近似二维RF场。取决于B0的方向，天线的一个或多个部分被增强，以使得对于由天线输出的总的RF场，产生比起没有增强时更高的贡献。因为天线的其余部分保留为未增强的，总的RF场包括来自增强的天线部分的比起未增强的部分更高的成比例的贡献。这样，总的RF场的定向分量可以根据被增强的天线部分和所作出的增强的量被操控。
转到图1A和1B，图上显示平的和弯曲的方形表面环路天线。大家知道，天线导体中的电流形成环路，以及产生辐射方向图，它在远区场中等价于点磁偶极子天线的辐射方向图。虽然环状天线的磁偶极子描述对于大多数情形是相当适当的，但在NMR测录应用中需要更详细的研究。这是因为只有垂直于B0的分量B1才是在改变磁化矢量的方向时是有效的。因此，当B1和B0矢量的内积，B1.B0＝B1a×B0a+B1t×B0t+B1r×B0r是最小值时，其中’a’表示轴向分量，’t’表示切向分量，和’r’表示径向分量，来自敏感区域中每个点的NMR信号是最大值。
对于图1所示的环，两个边10和12沿着工具的轴(轴方向)取向，而其余两个边14和16(末端)是切线方向。当电流流过天线导体时，来自边10和12的近B1场具有切向和径向分量，由右手定则给出。这是不同于绕天线导体在轴向和径向上旋转的边14和16发源的RF场。
转到图2A-2D，按照一个实施例，图上显示由对于图1的天线的增强或修正方案得出的两个增强的天线。在这个和以下的图中，实线表示被放置在天线形式的上方的电流线，而虚线表示被放置在天线形式的下方的电流线。例如，图2C和2D的天线匝的线30，32，34和36表示在图1B的铁氧体材料18的周围或其他非导电材料的周围的附加线圈绕组。在对于所有的实施例的情形下，这些相同的线代表围绕铁氧体材料18的附加的线圈匝，可选地，也表示被放置铁氧体18或其他非导电材料的表面上的附加线圈部分或线圈匝。
在增强的天线的情形下，例如在图2A上显示的，在环路中的电流环行通过在每个末端的额外的匝，使得更多的辐射从边14和34，以及16和36发射。因此，从天线发射的总的RF场接收来自增强的边14和16(包括附加的绕组34和36)的比起来自未增强的边10和12比例更大的贡献。根据来自天线驱动电路(未示出)和特定的应用的阻抗和其他需要，可以加上附加的匝。例如，在其中加上附加线圈匝的场合下，天线线圈的阻抗增加。这个阻抗值必须与相关的驱动电路(未示出)相匹配。附加的线圈匝是适当的，其中来自增强的线圈部分的加到总的RF场的贡献不足以得到所需要的返回的NMR信号强度。例如，在图2A上，如果比起线圈部分15来说，B0在围绕线圈部分14观看时是非对称的，以及如果在线圈部分16处的B0比起线圈部分14处更垂直于B0，则比起线圈部分14的增强可以有利地更增强线圈部分16。例如，这可以通过在线圈部分14只有一个增强的匝，但在线圈部分16要有多个增强的匝而达到。可选择地，线圈部分14可以不用附加的匝实施，而线圈部分16要用半个、一个或多个附加的匝来实施，由此导致组合的增强的线圈部分，组成形为在靠近线圈部分16的区域中更强。因此，按照一个实施例，增强的匝的布置被使用来把B1场成形为更好地匹配于B0场。在这种情形下，B1场被成形为在更大的区域上达到与B0场的改进的正交性。
在如图2A所示的两个纵向末端处不必放置额外的匝。在图2B中，显示了另一个实施例，其中额外的匝30和32被加到线圈的切向部分。
增强哪个线圈部分的设计选择取决于多个因素，但主要取决于静磁场B0的场分布图。因为NMR信号强度在B1和B0的取向互相正交时是更高的，应当增强来自使这个关系最大化的线圈部分的贡献。这是在图2C和2D上显示的，图上表示图2B所示的天线的三维结构。虽然其他因素可以改变结构，在正常的条件下，在纵向末端处增强的天线，如图2A和2C所示的那样的天线，在磁极化方向B0处在切线方向(诸如磁铁31的场合下)是最适合的。同样地，虽然其他因素可以改变结构，在正常的条件下，在切向末端处增强的天线(如图2B和2D所示的那样的天线)在磁极化方向处在轴向方向(诸如磁铁33的场合下)是最适合的。下面参照图3A和3B更详细地讨论这一点。
转到图3A，图上显示与图2A和2C的增强的线圈有关的简化场方向图。图3A是从图2A所示的截面A-A观看的。线圈部分14和16产生B1场，它按照右手法则围绕电流路径的方向旋转。因为电流沿着切向方向行进通过边14和16，沿场图上任何给定的点生成的B1场由轴向分量B1a14，B1a16和径向分量B1r14，B1r16组成。图2A和2C所示的沿着边14和16的附加的匝，在截面A-A上分别被显示为线圈部分34和36(为了清楚起见，只显示上部线圈部分)。这些平行轨迹实际上加到由边14和16生成的B1场，轴向分量B1a34，B1a36和径向分量B1r34，B1r36。
转到图3B，图上显示与图2B和2D的增强的线圈有关的简化场方向图。图3B是从图2B所示的截面B-B观看的RF场的图。线圈部分10和12产生B1场，它按照右手法则围绕电流路径的方向旋转。因为电流沿着轴向方向行进通过边10和12，沿场图上任何给定的点生成的B1场由切向分量B1t10，B1t12和径向分量B1r10，B1r12组成。图2A和2C所示的沿着边10和12的附加的匝，在截面B-B上分别被显示为线圈部分30和32。这些平行轨迹实际上加到由边10和12生成的B1场，切向分量B1t10，B1t12和径向分量B1r10，B1r12。
继续回到图3A，参照图2C，B0场28是由径向偶极子磁铁31生成的。B0方向图是在切向方向和径向方向，用’O’表示离开径向-轴向平面的B0场，以及用’X’表示进入径向-轴向平面的B0场。具体地，在生成大部分NMR信号的NMR传感区域的中心，B0场是纯切向的。这个B0场28并不包含轴向分量或B0a分量。因为没有B0a，生成在轴向方向的B1的天线边最适合于采用这个磁铁31。换句话说，B1的任何轴向分量与只具有径向和切向分量的B0匝交。
从图3A，来自边14和16的辐射生成具有径向分量B1r和轴向分量B1a的RF场。从图3B，来自边10和12的辐射不产生具有轴向分量的RF场。因此，线圈部分14和16对于径向磁铁比起从边10和12辐射的RF场是更有效的。因此，对于B0的这个特定的选择，天线部分14和16分别用附加的线圈匝34和36增强。这样，由每个增强部分生成的RF场是由该部分中每个线圈绕组生成的RF场的总和。具体地，对于线圈部分14，轴向分量至少被加倍，B1a14+B1a34。同样地，对于线圈部分16，轴向分量也至少被加倍，B1a16+B1a36。结果是来自天线结构11(图2C)的总的RF场接受来自线圈部分14和16(包含绕组34和36)的比起来自线圈部分10和12的贡献来说更大比例的贡献，这包括想要的轴向RF场分量。增强的线圈部分14和16的径向分量，比起仅仅由线圈部分14和16贡献的径向场B1也贡献更大比例的径向RF场分量到总的RF场。
转到图2B，2D和3B，按照另一个实施例，B0场29是由轴向偶极子生成的。在工具的中心处的B0方向图是在轴向和径向方向，用’O’表示离开径向-切向平面的B0场，以及用’X’表示进入径向-切向平面的B0场。这个B0场29并不包含切向分量或B0t分量。因为没有B0t，对于生成在切向方向的B1分量的边10和12的B1将更加垂直于B0，因此是受欢迎的。使用与以上相类似的分析，对于线圈部分10，切向分量至少是加倍的，B1t10+B1t30。同样地，对于线圈部分12，切向分量也至少是加倍的，B1t12+B1t432。结果是来自天线结构13(图2D)的总的RF场接受来自线圈部分10和12(包含绕组30和32)的比起来自线圈部分14和16的贡献来说更大比例的贡献，这包括想要的切向RF场分量。正如以上的，增强的线圈部分10和12的径向分量比起仅仅由线圈部分10和12贡献的径向场B1也贡献更大比例的径向RF场分量到总的RF场。
而且，具有沿着径向的永久磁铁偶极子的另一个实施例造成类似于图3A的B0方向图，但移位90度。在这个实施例中，B0方向图并不具有轴向分量和场图，以及应用了类似于参照图3A讨论的天线增强。虽然没有作为代表性的图显示出，B0偶极子的任何其他取向，例如小于90度的角度移位，组成以上两个实施例(图3A和3B)的某些线性组合。
应当指出，附加的绕组不需要放置在天线边的末端，例如在矩形天线的情形下。按照另一个实施例，附加的绕组或匝40被制做在靠近天线环路的中间的点处，如图4所示。这个变例的至少一个效果是在靠近天线的中心处更多地加权由天线生成的总的RF场。因为受到NMR仪器影响的地球样本的区域基本上是相应于天线形状的样本的区域，在样本中的RF场也以类似的方式被加权。
实际上，线圈增强允许B1场被成形为改进(例如)在更大的区域中与B0场的正交性。这个设计具有优点，例如在较长的天线设计中，提供在天线的长度上的更加均匀分布的RF场。换句话说，来自线圈部分16和14的RF场贡献，即使具有增强匝，诸如图2C那样，随着离额外绕组的距离增加而减小。对于长的天线，当增强的匝例如位于靠近边14和16时，增强的场分量在天线的长度的中间部分附近处可能是无效的。在边14和16之间的位置处放置附加匝40导致沿线圈长度的更均匀分布的增强场贡献。对于其中例如切线向场分量是想要的场合下的增强天线设计，使用沿着天线的轴向的附加的绕组，平行于以及在边10和12之间，这同样是正确的。设置线圈增强匝的另外的实施例总的涉及到其中B0在测试的区域上是非对称的情况，这样B1场被成形为比起如果保留为未增强的情形来说在更大的区域中与B0匹配。
而且，增强的匝不需要是整个匝。图5显示另一个实施例，其中使用半个匝50来增强天线。图5显示在表面环天线上平行于边14和16的半个匝。半个匝60是通过把线圈沿着天线部分10延伸到点A，穿过天线部分12到点B，沿着天线部分12延伸到点C，再穿过天线部分10到点D，把线圈沿着天线部分10延伸，把线圈沿着天线部分14弯转，以及倒过来重复该过程，从天线部分12在点E开始。按照一个实施例，在天线与附近的金属零件之间的寄生耦合是一个问题的情形下，最好是半个匝。具体地，半个匝保持在铁氧体表面上，例如，使得在附加的线圈部分与工具内的任何金属部件(典型地，在铁氧体的另一边上找到的)之间留下间距。
对于线圈可以想到类似的结构，它把半个匝缠绕铁氧体材料周围的一部分，诸如图1B。半个匝的增强结构对于在平行于边10和12的方向的附加平行绕组(例如，其中增强是想要用来增强切向RF场分量的场合下)同样是可供使用的。而且，可以想到整个和半个匝的任何组合，它只需要对于公开的实施例作最小的修正。例如，如上所述，取决于绕组的加载影响，驱动电路可能至少需要修正，以匹配于天线阻抗值。具体地，对于现有的NMR测录工具，可能希望包括它的最高的数目的匝或部分，而保持在相关的现有的天线驱动电路的阻抗限制内。按照一个实施例，在磁铁的每个末端围绕铁氧体材料的单个匝已证明可与当今典型的NMR测录工具上使用的驱动电路是兼容的。
转到图6，另一个通用的现有的NMR工具设计被称为集中的工具。图6A上显示被使用于集中的工具的典型的环天线。按照将所公开的线圈增强施加到集中的测录工具的一个实施例，图6B显示增强匝的使用，其具有顶部的匝66和靠近非导电材料69的底部匝68。这个天线通过集中更多的B1在两个轴向端而增强简单的环的性能。参照贴片工具设计讨论的相同的概念应用到集中的工具设计。具体地，按照一个实施例，线圈增强被做成为使得B1场成形为比起未增强来说在更多的区域上更正交于B0场。另外，增强匝使得辐射单元更接近于其中要生成和检测NMR信号的井孔壁。这个最后的点减小(但不消除)井孔中传导性泥浆的加载效应，以及甚至更多地改进天线性能。
虽然至今为止已在附加的整个或部分线圈绕组或匝方面讨论了天线增强，但可以想到有其他的增强，其选择地增加由线圈的一个或多个部分对于由整个线圈生成的总的RF场的贡献。图7A显示包括加长的线圈部分74和76同时与未增强的部分70和72相结合的替换的实施例。图7B包括圆形天线的加长的部分84和86，它在模糊的边界处与未增强的部分80和82合并。同样的原理可应用于图7C所示的集中的工具设计。按照一个实施例，天线设计包括加长的线圈部分94和96同时与未增强的部分90和92相结合。在图7A，7B和7C的每个图上，天线通过集中更多的B1在轴向端而被增强。
上述的各个实施例的所公开的内容和说明是说明性的和解释性的，以及可以对于NMR获取顺序，测录处理，在天线设计中采用的材料，部件的组织和采取的步骤的次序和定时，以及所显示的系统的细节作出各种改变，而不背离所公开的主题。
权利要求
1.核磁共振天线设备，包括非导电材料；位于非导电材料附近的线圈，用于在地球形成物的样本中生成总的RF场，线圈包括第一线圈部分，用于对总的RF场生成第一RF场贡献；以及增强的线圈部分，用于对总的RF场生成增强的RF场贡献，增强的RF场贡献与第一RF场贡献相比对总的RF场作出比例更高的贡献。
2.如权利要求1所述的核磁共振天线，其特征在于增强的线圈部分包括至少一个围绕非导电材料的附加匝。
3.如权利要求1所述的核磁共振天线，其特征在于线圈由线圈材料构成，增强的线圈部分包括线圈材料的加长部分。
4.如权利要求1所述的核磁共振天线，其特征在于增强的线圈部分至少包括在非导电材料表面上的附加匝的一部分。
5.如权利要求1所述的核磁共振天线，其特征在于增强的线圈部分被利用来把总的RF场的形状做成使得在样本的区域上总的RF场与磁场之间的正交性接近最大化。
6.如权利要求1所述的核磁共振天线，其特征在于增强的线圈还包括第一增强线圈部分，用于对总的RF场生成第一增强的RF场贡献；以及第二增强线圈部分，用于对总的RF场生成第二增强的RF场贡献。
7.如权利要求10所述的核磁共振天线，其特征在于第二增强的RF场贡献与第一增强的RF场贡献相比对总的RF场作出比例更高的贡献。
8.由天线线圈在地球形成物的样本中产生总的RF场的方法，该方法包括以下步骤由天线线圈的第一部分对总的RF场生成第一RF场贡献；增强天线线圈的增强部分上的电流通路；以及由天线线圈的增强部分对总的RF场生成增强的RF场贡献，增强的RF场贡献与第一RF场相比对总的RF场作出比例更大的贡献。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于增强步骤包括至少一个围绕非导电材料的附加天线线圈匝。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于增强的线圈部分包括线圈材料的加长部分。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于增强步骤至少包括在非导电材料表面上的附加的天线线圈匝一部分。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于第一RF场贡献与增强的RF场贡献使得总的RF场比起没有天线线圈的在增强的部分更垂直地对准样本中的静磁场。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于增强的线圈还包括第一增强线圈部分和第二增强线圈部分，所述方法还包括以下步骤由第一增强线圈部分对总的RF场生成第一增强的RF场贡献；以及由第二增强线圈部分对总的RF场生成第二增强的RF场贡献。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于第二增强的RF场贡献与第一增强的RF场贡献相比对总的RF场作出比例更高的贡献。
15.由天线线圈在地球形成物的样本中生成总的RF场的方法，包括以下步骤由天线线圈的第一部分对总的RF场生成第一贡献；由天线线圈的第二部分对总的RF场生成第二贡献，第二贡献与第一贡献相比对总的RF场作出比例更大的贡献；根据第一和第二贡献的组合将样本区域上的总的RF场成形。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于成形步骤获得在所述区域上幅度几乎一致的总的RF场。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于成形步骤实现与没有成形相比在所述区域上与静磁场更好地垂直对准的总的RF场。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于第二部分包括天线线圈的至少两个边与附加的线圈匝的至少一个部分的组合。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于成形步骤包括天线的第二部分，该第二部分具有附加的天线线圈匝的至少一部分。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于附加的天线线圈匝的至少一部分位于天线线圈的两端之间。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于附加的天线线圈匝的至少一部分位于天线线圈的至少一端。
全文摘要
用于井下核磁共振测录工具的天线设计被增强，以将由天线生成的最终得到的RF场成形。增强是通过围绕铁氧体材料或者设在至少部分非导电材料的表面上把附加的匝加到一部分天线而实现的。附加的匝或半匝与来自平行天线部分的RF场相组合产生与来自未增强的线圈部分的RF场贡献相比比例更高的RF场贡献。而且，总的RF场可以根据增强匝的设置在地球样本区域上成形。这样，例如，总的RF场可被生成为在更大的样本区域上实现与静磁场的垂直对准。
文档编号G01R33/34GK1497776SQ200310101389
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月16日 优先权日2002年10月16日
发明者R·塔赫里安, R·P·哈里斯, R 塔赫里安, 哈里斯 申请人:施卢默格海外有限公司