專利名稱：基于最大熵的多測(cè)量nmr分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于測(cè)井的核磁共振(NMR)技術(shù)。更特別地，本發(fā)明涉及一種利用最大熵原理分析NMR數(shù)據(jù)的方法。
背景技術(shù)：
有幾種反轉(zhuǎn)算法可用于分析NMR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。最早方法提供了一種一維T2(橫向弛豫時(shí)間)分布，該分布是假定多指數(shù)衰減由單個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)得到。這些方法的例子包括由Freedman(U.S.專利號(hào)5291,137)公開的“窗口處理”方案和隨后的“均勻補(bǔ)償(penalty)”方法(Borgia，G.C.Brown，R.J.S.和Fantazzini，P，J.Magn Reson.132，65-77，(1998))，采集方案被設(shè)計(jì)包括具有不同等待時(shí)間的多個(gè)測(cè)量。然后引入了處理技術(shù)來分析這些測(cè)量。Freedman(U.S.專利號(hào)5,486,762)公開了一種這樣的方法。
近來，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與具有不同等待時(shí)間的多個(gè)測(cè)量相一致的復(fù)雜NMR采集以及回波間間隔。已經(jīng)提出正演模擬反轉(zhuǎn)方法來處理這種數(shù)據(jù)，例如MACNMR(Slijkerman，W.E.J.等人在1999年休斯敦SPE年會(huì)上提出的SPE56768)和磁共振流體表征(MRF)方法(Freedman，U.S.專利號(hào)6,229,308)。MRF技術(shù)利用已建立的物理定則，其以經(jīng)驗(yàn)為主地被標(biāo)準(zhǔn)化，來解決井下流體NMR響應(yīng)。通過使用理想的流體模型，MRF允許減少可調(diào)整參數(shù)的數(shù)量，與典型的NMR的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的信息內(nèi)容相一致。由于模型參數(shù)故意與單獨(dú)的流體體積和性質(zhì)有關(guān)，參數(shù)值的確定(即，數(shù)據(jù)擬合)導(dǎo)致估計(jì)所關(guān)心的巖石物理量的費(fèi)用。
正演模擬方法受所采用的流體模型的有效性的影響。在流體NMR響應(yīng)偏離模型行為(油濕的巖石，受限的擴(kuò)散)的“非理想”情況中，技術(shù)的精確度會(huì)降低。在一些環(huán)境中，“非理想”響應(yīng)可以通過差擬合等級(jí)來識(shí)別，在這種情況中，流體模型可以通過修改適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛥?shù)來調(diào)整。但是，流體模型的哪種元素應(yīng)該修改并不明顯，這個(gè)過程可能是無效的，尤其是對(duì)于一個(gè)不是專家的人來說。
對(duì)于新的測(cè)量方案，諸如“擴(kuò)散編輯”(DE)，其中關(guān)于弛豫2和擴(kuò)散衰減，NMR數(shù)據(jù)被充分正交化，已經(jīng)公開了一種基于可分離響應(yīng)核的處理技術(shù)(Venkataramanan，L.，Song，Y-Q.，和Hurlimann，M.，-U.S.專利號(hào)6,4462,542)。該方法不包括用于不同流體響應(yīng)的任何模型。代替地，它根據(jù)弛豫時(shí)間和擴(kuò)散速率的無偏分布來分析數(shù)據(jù)。它之所以具有吸引力在于它不需要任何有關(guān)流體性質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)并且在合適的情況中提供了簡單的幾何結(jié)果，一個(gè)不是專家的人甚至可以輕易對(duì)其進(jìn)行解釋。這種反轉(zhuǎn)的一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是其精確度部分地依賴于響應(yīng)核的可分離性。這會(huì)把它應(yīng)用范圍限制到每個(gè)測(cè)量的維中充分正交化NMR響應(yīng)的測(cè)量中，例如，該方法應(yīng)用到具有不同回波間隔的多CPMG序列。
現(xiàn)有的處理技術(shù)還把非負(fù)約束強(qiáng)加到單個(gè)的分布幅度上并且典型地要求選擇至少一種規(guī)則化(平滑)參數(shù)?；诿黠@的物理背景，非負(fù)情況反映了這些處理算法固有的非線性。雖然原則上不是問題，但是這對(duì)選擇的最佳化過程的穩(wěn)定性提出了要求，并且必須小心以便對(duì)噪聲數(shù)據(jù)確保反轉(zhuǎn)結(jié)果的可接受的可重復(fù)性。通過規(guī)則化參數(shù)來解決噪聲問題，這可以確保得到的分布是平滑的。但是，為規(guī)則化參數(shù)選擇合適的值并不是無關(guān)緊要的。盡管已出版作品的主要部分從理論的觀點(diǎn)上解決了規(guī)則化問題(例如，參見在Borgia，G.C.Brown，R.J.S.和Fantazzini，P.，J.Magn Reson.132，65-77，(1998)和Venkataramanan，L.，Song，Y-Q.，和Hurlimann，M.，-U.S.專利號(hào)6,4462,542所引用的參考)，但實(shí)際上，規(guī)則化仍然存在很大的主觀性，有時(shí)僅基于計(jì)算分布的審美外觀。規(guī)則化在多維反轉(zhuǎn)中尤其重要，因?yàn)榉植纪ǔ：艽蟪潭壬喜荒苡蓴?shù)據(jù)充分確定并且很容易產(chǎn)生人為噪聲。此外，分布的不同區(qū)域?qū)斎霐?shù)據(jù)顯示出很大的不同敏感度。不能解決在敏感度中的這些差異會(huì)導(dǎo)致分布中的錯(cuò)誤或不真實(shí)的峰值，很容易被誤解。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)所公開主題的一個(gè)方面，描述了一種方法，從采取地球巖層抽樣的數(shù)據(jù)中提取有關(guān)核自旋系統(tǒng)的信息。特別地，采集一組NMR數(shù)據(jù)，用于位于井孔或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境的流體取樣。從該組數(shù)據(jù)中，使用一種數(shù)學(xué)反轉(zhuǎn)來計(jì)算多維分布，該反轉(zhuǎn)與流體取樣性質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)無關(guān)。
根據(jù)所公開主題的另一方面，使用一種數(shù)學(xué)反轉(zhuǎn)計(jì)算多維分布，該反轉(zhuǎn)與流體取樣性質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)無關(guān)并且與任何特定采集序列無關(guān)。


圖1是示例性的井下核磁共振數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的圖表。
圖2是圖1的系統(tǒng)的更詳細(xì)的圖表。
圖3是所公開方法的流程圖。
圖4說明基于根據(jù)所公開的方法所處理的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的一組解釋圖。
圖5說明基于根據(jù)所公開的方法所處理的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的第二組解釋圖。
圖6是圖4和5的數(shù)據(jù)的比較。
圖7說明基于根據(jù)所公開的方法所處理的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的另一組解釋圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述通常，公開的處理方法用于前后一致地處理多測(cè)量NMR數(shù)據(jù)以獲得相對(duì)無偏的多維分布，該分布可以用于確定流體NMR響應(yīng)參數(shù)或用作直接巖石物理解釋的基礎(chǔ)。
用于處理多維數(shù)據(jù)的最大熵原理(MEP)方法克服了可分離核的限制并且以一種簡單的系統(tǒng)方式處理規(guī)則化而不需要任何用戶輸入，不考慮數(shù)據(jù)的噪聲電平或基礎(chǔ)分布的性質(zhì)。提供了一種數(shù)據(jù)的簡單圖形表示，其中所述的數(shù)據(jù)被用于識(shí)別在所有環(huán)境中的流體響應(yīng)。圖形表示(即，多維分布)自己可以直接用于解釋或可替換地，它們可以用于指導(dǎo)諸如MRF的基于模型的處理的參數(shù)選擇。認(rèn)識(shí)到MEP技術(shù)和解釋D-T2圖的方法可以應(yīng)用于CPMG(Carr，Purcell，Meiboom，和Gill)和DE(擴(kuò)散編輯)測(cè)量，或任何其他NMR測(cè)量方案是很重要的，其中這些方案響應(yīng)于自旋弛豫速率，分子擴(kuò)散和這些性質(zhì)的組合。
來自三維測(cè)量的響應(yīng)A可以被表示為A(τ1,τ2.τ3)=ΣiΣjΣkf(i,j,k)H(τ1,τ2,τ3;i,j,k)+δ(τ1,τ2,τ3)----(1)]]>這里，τ1，τ2，τ3是三個(gè)定義特定測(cè)量的采集參數(shù)，f(i，j，k)是在三維分布(即，每個(gè)維相應(yīng)于一個(gè)特定的性質(zhì))中的分量i，j，k的幅度，H(τ1，τ2，τ3；i，j，k)是參數(shù)τ1，τ2，τ3特定的測(cè)量的分量響應(yīng)，δ是隨機(jī)噪聲項(xiàng)。注意，在分布中的維數(shù)不需要和采集中的維數(shù)相同。為了把等式(1)放在上下文中，τ1，τ2，和τ3例如可以是CPMG測(cè)量中的等待時(shí)間(WT)，回波間隔(TE)和時(shí)間(t)。類似地，指數(shù)i可以適用于一個(gè)特定的T2值，T2(i)，j可以適用于一個(gè)擴(kuò)散速率，D(j)，并且k可以與一個(gè)特定的T1值，或T1/T2的比率R12(k)相應(yīng)。
假定H(τ1，τ2，τ3；i，j，k)的形式已知，等式(1)的解包括確定給定一系列測(cè)量A(τ1，τ2，τ3)的f(i，j，k)。首先，這看起來是直接的，因?yàn)槲覀兊湫偷卦诙鄿y(cè)量NMR序列中采集幾千個(gè)回波，然而，分布可以由如20×20×10＝4000分量來充分限定。換句話說，測(cè)量(即，回波幅度)數(shù)與分布分量數(shù)相當(dāng)或比分布分量數(shù)大。實(shí)際上，等式(1)描述的反轉(zhuǎn)被大概確定之下，因?yàn)轫憫?yīng)核H(τ1，τ2，τ3；i，j，k)實(shí)質(zhì)上是線性相關(guān)的。實(shí)際上，即使具有良好信噪比的綜合多測(cè)量數(shù)據(jù)通常也要由至少10個(gè)參數(shù)來描述，意味著數(shù)據(jù)可以被壓縮到10個(gè)獨(dú)立的分量而沒有任何明顯的信息損失。
在科學(xué)的許多方面出現(xiàn)從有限的數(shù)據(jù)集獲得大范圍分布的問題。這個(gè)問題的一個(gè)有趣而相關(guān)的例子是分子分布函數(shù)的確定。在這種情況中，可以使用少量(有時(shí)僅為一)的分布測(cè)量矩 由此計(jì)算整個(gè)分布。信息論(E.T.Jaynes，Phys.Rev.106，620(1957))說明在這樣的解中，“最可能”的分布是f(xi)=Z-1exp(ΣnαnMn(xi))----(2)]]>這里，Z是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)并且Mn(xi)是函數(shù)，其期望值定義這些矩，M‾n=ΣiMn(xi)f(xi)----(2)]]>并且αn是參數(shù)，其可被調(diào)整以便使用等式(2)和(3)計(jì)算的矩與測(cè)量值一致。用于擬合數(shù)據(jù)的參數(shù)αn數(shù)量不應(yīng)該超過測(cè)量矩的數(shù)量。不象通常用于獲得T2分布的常規(guī)反轉(zhuǎn)算法，該方案不需要任何明確的規(guī)則化。該方法提供了這樣的分布，其同時(shí)符合所有可用數(shù)據(jù)并且具有等式(4)給出的最大熵S
S=-kΣiln(f(xi))f(xi)-----(4)]]>這里，k是一個(gè)常量。在分布函數(shù)的上下文中“最大熵原理”(MEP)的簡單討論在近來的一本書中給出了-Dill，K.A.和Bromberg，S.，“Molecular DrivingForces”，Garland科學(xué)出版社，(2003)。
一個(gè)更特殊的推論也在作為Maxwell-Boltzmann統(tǒng)計(jì)討論的一部分在有關(guān)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的最標(biāo)準(zhǔn)的文章中進(jìn)行了轉(zhuǎn)載。在這種情況中，“測(cè)量”量是能量E，E=ΣiE(xi)f(xi)----(5)]]>并且所得到的眾所周知的分布是f(xi)＝Z-1exp(-βE(xi)).............................................(6)這里，β＝1/kT(T＝開爾文溫度)并且Ei是狀態(tài)i的能量。
MEP的實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)好例子是由Catalano，D.，Di Bari，L.，Veracini，C.，Shilstone，G.和Zannoni，C.，J.Chem.Phys，94，3828，(1991)給出的，他從NMR偶極耦合測(cè)量中導(dǎo)出了用于代替的聯(lián)苯分子的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)異構(gòu)分布函數(shù)。
最大熵原理還可以應(yīng)用于從NMR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)獲得弛豫時(shí)間和擴(kuò)散速率分布。至少一個(gè)不同是它應(yīng)用于獲得多維分布而不是一維分布。如在此所說明的，所公開的MEP方法能夠處理這樣的多維分布，另外希望可用數(shù)據(jù)不能充分確定該分布。
在MEP應(yīng)用中的第一步是識(shí)別在分布空間(即在T2-D空間)中所定義的一組合適的基本函數(shù)(即Mn(xi))，可以測(cè)量該分布的平均值。推薦(但是并不嚴(yán)格要求)基本函數(shù)是正交的并且它們可以根據(jù)所包含的“細(xì)節(jié)”的度來排序。換句話說，我們希望具有少量的寬峰的簡單分布將由最初少量的矩來定義。一組能夠滿足這些要求的函數(shù)可以通過測(cè)量核，H(τ1，τ2，τ3；i，j，k)的奇異值分解(SVD)來獲得。SVD方法把核矩陣H分解為三個(gè)獨(dú)立矩陣的乘積。
H=Us10...0snVT----(7)]]>這里S是對(duì)角矩陣，其元素si是H的奇異值。U和V的列分別被稱為左和右奇異矢量并且它們是正交的，Σi=1MUikUij=δjk;----(8)]]>Σi=1NVikVij=δjk;]]>為了將H表示為一個(gè)2維矩陣，我門定義一個(gè)普通的測(cè)量坐標(biāo)，τ(例如，τ＝WT，TE(L)，n)和一個(gè)分布坐標(biāo)x(例如，x＝T2，D，R12)。由等式(7)我們現(xiàn)在可以寫出ΣTUnT(T)H(T,x)=snVnT(x)=vn(x)----(9)]]>這里，vn是在分布函數(shù)的間隔(x)中所表示的歸一化正交矢量。組合等式(1)和(9)，得到有效的表示ΣTUnT(T)A(T)=Σxvn(x)f(x)+δn=v‾n+δn----(10)]]>由于UTn(x)是從H的SVD分析得到的，以及A(τ)剛好是測(cè)量的回波幅度，因此直接計(jì)算vn。注意，等式(10)的第二部分形式上與等式(3)一致。因此，為了在某個(gè)統(tǒng)計(jì)噪聲δn內(nèi)，我門可以測(cè)量分布函數(shù)f(x)的一組矩， 其與同一組內(nèi)的矩都是彼此獨(dú)立的。已知，根據(jù)SVD分析，這些矩相應(yīng)于分布坐標(biāo)x的一組正交函數(shù)的期望值。由前面的MEP方法討論得出，分布函數(shù)可以表示為f(x)=Z-1exp(Σnαnvn(x))----(11)]]>
這里，可以調(diào)整參數(shù)αn以便測(cè)量矩vn能夠重現(xiàn)(見等式(10))。包含在等式(11)右邊的指數(shù)和的分量N的數(shù)量不應(yīng)該比有效測(cè)量矩 的數(shù)量大。有效矩的數(shù)量可以通過比較矩的絕對(duì)值和它們的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來進(jìn)行估計(jì)。由于矩往往是隨著等級(jí)n的升高而衰減，因此可以比較直接確定在n的什么值時(shí)，矩相對(duì)于噪聲電平變得不重要。N的確定與要求很大程度上不確定的主觀規(guī)則化的反轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)。作為選擇，N可以被固定為某個(gè)合理的值，該值是從之前的數(shù)據(jù)或模型根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定的。
應(yīng)該注意，包含Z-1以與歸一化參數(shù)的公認(rèn)表示法一致。但是，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，歸一化參數(shù)完全被忽略。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，通過把等式歸一化為值一來使用歸一化參數(shù)。進(jìn)一步應(yīng)該注意的是，雖然在一組正交函數(shù)項(xiàng)中描述中了反轉(zhuǎn)，但是正交僅僅是SVD的一個(gè)結(jié)果而并不是所需要的。一個(gè)非SVD分析的例子是勒讓德多項(xiàng)式(Legendre Polynomials)的使用，該多項(xiàng)式應(yīng)用于單獨(dú)的CPMG數(shù)據(jù)。這可以推斷關(guān)于從NMR數(shù)據(jù)獲得弛豫/擴(kuò)散分布的MEP的廣義理論討論。
在這一點(diǎn)上，對(duì)考慮核H的特定形式并且得到相應(yīng)的SVD矢量是有用的。對(duì)于在磁場(chǎng)梯度G中執(zhí)行的常規(guī)多測(cè)量NMR采集來說，H的元素可以相應(yīng)于特定回波的幅度n，該幅度是與等待時(shí)間(WT)和回波間隔(TE)一同測(cè)量的。但是，對(duì)于多測(cè)量采集序列，回波的總數(shù)典型地是幾千，而分布可以由幾千個(gè)分量定義。顯然，為了估計(jì)SVD的目的，H可以變得非常大并且很繁瑣。因此在實(shí)際中是有利的(這是有效處理能力的限制而不是算法本身的限制)，以在數(shù)值估計(jì)之前壓縮數(shù)據(jù)。一個(gè)簡單的壓縮方法是計(jì)算“窗口和”。每個(gè)回波列被分段，在每段中對(duì)回波幅度求和(Freedman美國專利號(hào)為5291,137)。為了精確表示多指數(shù)衰減，在回波列的前面部分中窗口和通常包括少量的回波，而用于串的后面部分的窗口包含大量的回波。對(duì)于CMR工具采集的標(biāo)準(zhǔn)CPMG序列，具有磁場(chǎng)梯度分布F(G)，窗口和核可以寫作
H(WT,TE,m:T2,D,R12)=(1σE1+n2(m)-n1(m))ΣkF(Gk)(1-e-WT/(R12×T2))----(12)]]>×[e-(n1(m)-0.5)TE/T2D,G,TE-e-(n2(m)+0.5)TE/T2D,G,TE]T2D,G,TETE]]>(T2D,G,TE)-1=T2-1+(γGTE)2D12----(13)]]>這里，σE是特定測(cè)量的每個(gè)回波的噪聲，γ是質(zhì)子回磁比，n1(m)和n2(m)是第m個(gè)窗口和的第一個(gè)和最后一個(gè)回波。注意，其它類型的壓縮(例如SVD)也可以應(yīng)用到數(shù)據(jù)中。因此作為結(jié)果的核需要被修改。
獨(dú)立模型分析的一個(gè)焦點(diǎn)是提供一種數(shù)據(jù)無偏表示。包含在多維圖中的信息本質(zhì)上與包含在原始回波幅度中的信息一致。雖然圖提供了一種方式，從NMR觀點(diǎn)理解數(shù)據(jù)，但是它們并沒有給出結(jié)果的巖石物理解釋。在一些情況中，從圖的視覺觀察中巖石物理解釋非常直接。但是，在一些情況中，沿著T1/T2或擴(kuò)散軸的不良分解可能不足以識(shí)別看來具有相同的T2值的分離的流體。為了進(jìn)一步處理并得到飽和度和烴粘度，需要把一個(gè)模型應(yīng)用到結(jié)果中。
現(xiàn)有的多維模型(對(duì)于油和水)部分地說明，對(duì)于T2的每個(gè)值，擴(kuò)散常數(shù)可以正好假定為兩個(gè)可能的值，相應(yīng)于水和油的擴(kuò)散。水?dāng)U散常數(shù)是溫度T的已知函數(shù)，與T2無關(guān)，DW(T2)＝DW(T)(14)然而，對(duì)于油，擴(kuò)散常數(shù)與T2成線性正比，DO(T2)＝λ×T2 (15)換句話說，現(xiàn)有的模型解相應(yīng)于D vs T2圖上的水平(水)和對(duì)角(油)線。在標(biāo)準(zhǔn)分析中，行數(shù)據(jù)直接使用等式(14)-(15)的約束來擬合。一個(gè)可選擇的方法是用圖本身作為輸入以得到解。因?yàn)榘趫D中的信息本質(zhì)上與原始數(shù)據(jù)相一致，兩種解的方法應(yīng)該是等效的。實(shí)際上，在擴(kuò)散信息(即，分解)中通常缺少數(shù)據(jù)并且問題包括把在D-T2圖的擴(kuò)散軸中展開的幅度重新分配到不同的巖層流體中。這樣做的一個(gè)簡單的近似方法是使用由圖中計(jì)算的每個(gè)T2-DLM(T2)的幾何平均擴(kuò)散速率以及根據(jù)模型水和油D的值把幅度重新分布在T2上來實(shí)現(xiàn)的。適宜在每個(gè)T2值，SXO(T2)定義一個(gè)視含水飽和度。
DLM(T2)＝DW(T2)SX0(T2)DO(T2)1-SX0(T2).........................(16)SX0(T2)=ln(DLM(T2)/DO(T2))ln(DW(T2)/DO(T2))----(17)]]>分離的水和油的T2分布FH2O和FOIL，現(xiàn)在可以由下式得到，F(xiàn)H2O(T2i)=SX0(T2i)×F(T2i)----(18)]]>FOIL(T2i)＝(1-SX0(T2i))×F(T2i)..............................(19)F(T2i)=ΣjΣkF(T2i,DjR12k)----(19)]]>注意，可以實(shí)施其他的方案來得到各自的流體體積。舉例來說，與特定的流體類型相關(guān)的圖的指定區(qū)域可以統(tǒng)合，以得到相應(yīng)的體積，由此可以計(jì)算飽和度。
參照?qǐng)D1，示出了一種設(shè)備，用于勘測(cè)鉆井32穿過的地下巖層31，這可以在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的實(shí)施例中使用。在鉆井32中把勘測(cè)設(shè)備或測(cè)井裝置30懸掛在一個(gè)鎧裝線纜33上，線纜長度實(shí)際上確定了裝置30的相對(duì)深度。線纜長度由在地表的適當(dāng)裝置，諸如滾筒盤結(jié)構(gòu)(未示出)來控制。7表示的地表設(shè)備可以是常規(guī)類型，并且可以包括一個(gè)處理器子系統(tǒng)并且與測(cè)井設(shè)備通信。
進(jìn)行測(cè)量的測(cè)井裝置可以是用在所示的線纜測(cè)井應(yīng)用中的任何合適的核磁共振測(cè)井裝置，或者是在鉆井應(yīng)用中的測(cè)量中可以采用的類型。裝置30包括，例如，一種用于在巖層中產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)的裝置，以及用于產(chǎn)生RF磁場(chǎng)脈沖并且用于從巖層中接收自旋回波的射頻天線裝置。用于產(chǎn)生靜態(tài)磁場(chǎng)的裝置例如可以包括一個(gè)永久磁鐵或磁鐵陣，用于產(chǎn)生RF磁場(chǎng)脈沖并從巖層中接收自旋回波的RF天線裝置例如可以包括一個(gè)或多個(gè)RF天線。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例利用從一種NMR測(cè)井裝置得到的一組測(cè)量，其中該測(cè)井裝置可以被操作以從周圍巖層中的近間隔的薄殼區(qū)域中獲得各自的測(cè)量。一種合適類型的測(cè)井裝置30的一些部件的簡化表示在圖2中進(jìn)行了說明。該圖中示出了一個(gè)第一中心磁鐵或磁鐵陣36以及一個(gè)37表示的RF天線，其可以是一個(gè)合適的取向的線圈或多個(gè)線圈。圖2還說明了近間隔的圓筒形薄殼的種類通常表示，38-1，38-2...38-N，其可以使用參考類型的多頻率測(cè)井裝置來頻率選擇。如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，如在US專利號(hào)為4,710,713中所公開的例子，測(cè)井裝置可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)射脈沖中的RF能量頻率來選擇要進(jìn)行勘測(cè)的殼區(qū)。在圖2中，另外一個(gè)磁鐵或磁鐵陣由39表示，并且當(dāng)它在箭頭Z的方向上在鉆井中升高時(shí)，可以被用于把一個(gè)預(yù)先極化的靜態(tài)磁場(chǎng)應(yīng)用到測(cè)井裝置的勘測(cè)區(qū)域所接近的巖層中。例如可以參考US專利5,055,788。也可以參見US專利3,597,681。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，所示的是根據(jù)一個(gè)公開的實(shí)施例的步驟的示意性流程圖。在步驟302開始，指定軸值和范圍。這些軸被用于最終產(chǎn)生一個(gè)反轉(zhuǎn)結(jié)果的多維圖。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，定義擴(kuò)散和T2弛豫軸，在其上顯示NMR數(shù)據(jù)。如所提到的，也可以采用其他的軸值，例如用T1/T2，或R12軸或T2對(duì)T1或T2對(duì)R12圖來代替T2軸。也可以應(yīng)用離散化以產(chǎn)生一個(gè)目標(biāo)分布。離散化通常包括沿著每個(gè)維的軸來確定解析。例如為了簡化分析，通過沿對(duì)數(shù)或線性刻度的特定數(shù)量的值來解析每個(gè)軸。在步驟304，定義了一個(gè)壓縮方案。由于受限的計(jì)算能力，首先必須進(jìn)行該步驟。然而MEP方法本身可以被應(yīng)用于壓縮數(shù)據(jù)或整個(gè)數(shù)據(jù)集。因此如果有足夠的計(jì)算能力可用就可以不需要步驟304。壓縮方法的一個(gè)例子就是上面提到的窗口和。但是，也可以使用許多其它的壓縮方法而不會(huì)改變MEP方法。
在步驟306繼續(xù)，在目標(biāo)分布中為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算響應(yīng)核。等式12是響應(yīng)核等式的一個(gè)例子。特別地，為每個(gè)回波(或在窗口壓縮的情況中，為每個(gè)回波窗口和)以每個(gè)T2，D，R12值來確定H(WT，TE，mT2，D，R12)。在步驟308，在等式1的兩個(gè)測(cè)量域(WT，TE，t)中和目標(biāo)分布域(T2，D，R12)中定義相應(yīng)的函數(shù)。
NMR數(shù)據(jù)的采集在步驟310執(zhí)行。然而，采集的時(shí)間選擇可以大大改變。例如，采集可以發(fā)生在某種預(yù)先的測(cè)井運(yùn)行期間或可以通常在測(cè)井運(yùn)行期間應(yīng)用MEP算法時(shí)獲得采集。另外，采集可以通過許多的NMR采集工具來執(zhí)行，例如測(cè)井線纜工具，鉆井時(shí)的測(cè)井工具，流體取樣工具，一種便攜或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備。此外，MEP方法不取決于采集的序列，CPMG修改或擴(kuò)散編輯序列，其中采集的序列可以用于或應(yīng)用于響應(yīng)CPMG所采集的數(shù)據(jù)。
在步驟312繼續(xù)，根據(jù)步驟304的壓縮方案壓縮數(shù)據(jù)集。在步驟314，測(cè)量域矩(自旋回波域)Mj在NMR數(shù)據(jù)或壓縮數(shù)據(jù)上進(jìn)行估計(jì)。該步驟或者，作為選擇，一個(gè)單獨(dú)的步驟，包括有效矩的數(shù)量N的確定。作為選擇，留出(set aside)預(yù)定義組的N個(gè)有效矩。在這一點(diǎn)上丟棄更高的矩。在步驟316，使用一個(gè)最佳算法同時(shí)擬合N個(gè)測(cè)量域矩Mj，在該算法中N個(gè)參數(shù)獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)整。N個(gè)可調(diào)整參數(shù)是與目標(biāo)分布域中的N個(gè)函數(shù)的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的權(quán)重因子，其中目標(biāo)分布域在步驟308進(jìn)行了定義。根據(jù)一個(gè)指數(shù)和表示，這N個(gè)參數(shù)的值，和它們相應(yīng)的函數(shù)一起定義一個(gè)完整的目標(biāo)分布函數(shù)。(多)維分布的最終估計(jì)就是，對(duì)于該分布，N個(gè)計(jì)算矩最緊密地匹配N個(gè)測(cè)量矩。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在圖3A中示出了一個(gè)合適的最佳算法。在步驟320中，定義了初始的一組N個(gè)系數(shù)，αn。在步驟322中，根據(jù)等式11為該組αn系數(shù)計(jì)算分布。然后根據(jù)MEP反轉(zhuǎn)的應(yīng)用在步驟324計(jì)算一組矩。
MEP反轉(zhuǎn)的應(yīng)用為了估計(jì)H，首先需要指定采集序列。在該例中，我們考慮一個(gè)包括6個(gè)CPMG測(cè)量的典型MRF采集。在表1中給出了采集序列的匯總表。注意，序列包括采用不同回波間隔和不同的等待時(shí)間進(jìn)行的測(cè)量。NMR響應(yīng)由T2，R12(或T1)和D進(jìn)行調(diào)制，因此適當(dāng)?shù)姆崔D(zhuǎn)是3維。現(xiàn)在必須選擇分布軸的界限和沿每個(gè)軸的分量數(shù)。必須選擇足夠數(shù)量的分量以充分描述給定數(shù)量的測(cè)量的每個(gè)不同響應(yīng)，這些測(cè)量區(qū)別這些響應(yīng)，同時(shí)為了可接受的數(shù)值有效性保持足夠小數(shù)量的分量。表2概括了用于該例的反轉(zhuǎn)參數(shù)。沒有打算最佳化離散化方案。但是，在合理的范圍內(nèi)，離散化的細(xì)節(jié)看起來在最后反轉(zhuǎn)結(jié)果上只有比較小的意義。


表1.包括CPMG測(cè)量的CMR采集序列

表2.用于多測(cè)量NMR數(shù)據(jù)的3維反轉(zhuǎn)的參數(shù)1.綜合數(shù)據(jù)為了說明該處理，給出了綜合數(shù)據(jù)的四個(gè)例子。對(duì)于表1的采集序列使用1個(gè)分量(測(cè)試1和2)或2個(gè)分量(測(cè)試3和4)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，其中每個(gè)分量具有唯一的T2，D和R12值。信號(hào)的總幅度固定在0.2v/v并且添加0.01v/v的隨機(jī)噪聲到回波列上。模擬參數(shù)在表3中進(jìn)行了概括。

表3.用于測(cè)試MEP反轉(zhuǎn)的模擬參數(shù)。
圖4-7中給出了反轉(zhuǎn)測(cè)量的結(jié)果。圖4說明在測(cè)試1中定義的MEP方法的MEP應(yīng)用。圖402表示綜合NMR自旋回波數(shù)據(jù)和從該數(shù)據(jù)得到的適合窗口和。如y軸所指示的，使用窗口求和來壓縮NMR數(shù)據(jù)。圖404是基于根據(jù)MEP方法進(jìn)行處理后的圖402的自旋回波數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的。y軸由擴(kuò)散值定義而x軸由T2值定義，由此得到一個(gè)D-T2圖。D-T2圖通過在第三維(R12＝T1/T2)上求和得到。圖404中的峰405代表流體(油，水或氣體)的可能存在。左下圖406是綜合的T2分布410，410與輸入分布408相比較。右上圖412是綜合的D分布416，416與輸入分布414相比較。在T2和D軸中精確表示了單峰值405。剛好需要12個(gè)SVD函數(shù)來得到對(duì)數(shù)據(jù)的良好調(diào)整(為了在統(tǒng)計(jì)噪聲水平內(nèi))。
圖5說明了測(cè)試2的結(jié)果。除了T1/T2比率R12，其在測(cè)試2中增加到2以外，模擬與測(cè)試1一致。左上圖503是通過在第三維(R12＝T1/T2)上求和得到T2-D圖。左下圖507是綜合的T2分布502，502與輸入分布504相比較。右上圖509是綜合的D分布506，506與輸入分布508相比較。再一次，在T2和D軸中精確表示了單峰值505。在D軸的解中發(fā)現(xiàn)相對(duì)于測(cè)試1的結(jié)果由一個(gè)輕微的降級(jí)。這可以是因?yàn)樵趦蓚€(gè)模擬中噪聲實(shí)現(xiàn)的不同而產(chǎn)生的一個(gè)統(tǒng)計(jì)變化。12個(gè)SVD函數(shù)再次被用來擬合數(shù)據(jù)。
圖6比較測(cè)試1和2所計(jì)算的T1和T2分布。對(duì)于使用R12＝T1/T2＝1的輸入值的測(cè)試1來說，如圖6所示，計(jì)算的T1和T2分布完全重疊。對(duì)照使用R12＝T1/T2＝2的值的測(cè)試2，在圖604所示，計(jì)算的T1分布608以大約2秒為中心，比T2分布606高出因子2。這說明，該反轉(zhuǎn)能夠精確確定T1值。注意，在其上確定精確的T1值的范圍由在采集計(jì)劃中等待時(shí)間的選擇來支配。
在圖7中示出了在承載石油的砂巖巖層中采集的擴(kuò)散編輯數(shù)據(jù)702的2維MEP反轉(zhuǎn)結(jié)果。在左上所示的是T2-D圖。水(水平線704)和重油(模糊的對(duì)角線706)響應(yīng)線重疊。左下圖是綜合的T2分布。右上圖是綜合的D分布。擴(kuò)散編輯序列包括長回波間隔在2ms和12ms之間變化的10個(gè)測(cè)量。一個(gè)單獨(dú)的等待時(shí)間被用于所有的測(cè)量，因此在這種情況中，反轉(zhuǎn)是2維的(即T2，D)。如所示的，對(duì)于擴(kuò)散編輯采集，MEP反轉(zhuǎn)精確地解決了在T2和D域中的兩種流體情況708和710。
適當(dāng)?shù)卦俅握f明，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一旦已經(jīng)恢復(fù)數(shù)據(jù)，NMR處理可以獨(dú)立于井下操作來執(zhí)行。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，原始數(shù)據(jù)可以被井下處理或者發(fā)送給地表處理器，同時(shí)進(jìn)行井下操作以得到原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解釋。如已知的，井下操作可以包括在鉆井同時(shí)操作，以及在已經(jīng)從鉆井中移去鉆井繩后發(fā)生的線纜操作。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，處理可以在得到數(shù)據(jù)后發(fā)生。
基于最大熵原理(MEP)，已經(jīng)發(fā)展了一種通用的模型無關(guān)的方法，它可以分析由性質(zhì)的(一或多維)分布所控制的多測(cè)量NMR數(shù)據(jù)。該方法的目的是以一種可理解的形式給出復(fù)雜的數(shù)據(jù)而不強(qiáng)加任何的偏差或解釋，同時(shí)最小化相關(guān)噪聲的假象。雖然該技術(shù)十分普遍，但是在由于所采集的NMR性質(zhì)偏離模型中假定的“理想”行為而造成基于模型的分析中止的情況中，這可能是最有用的。
前面各種實(shí)施例的公開和描述是說明性和示意性的，并且可以進(jìn)行NMR采集序列，測(cè)井過程，在天線設(shè)計(jì)中利用的材料，反轉(zhuǎn)過程和進(jìn)行步驟的序列和時(shí)間選擇，以及所說明的系統(tǒng)的細(xì)節(jié)中的各種改變而不偏離所公開的主題。
權(quán)利要求
1.一種從地球巖層的區(qū)域提取有關(guān)核自旋系統(tǒng)的信息的方法，包括在核自旋系統(tǒng)上執(zhí)行多個(gè)核磁共振測(cè)量；從多個(gè)核磁共振測(cè)量的每一個(gè)中獲取核磁共振數(shù)據(jù)；從對(duì)核磁共振數(shù)據(jù)執(zhí)行的與該區(qū)域的先驗(yàn)知識(shí)無關(guān)的反轉(zhuǎn)過程計(jì)算一個(gè)多維數(shù)據(jù)集。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括步驟產(chǎn)生該多維數(shù)據(jù)集的多維圖。
3.權(quán)利要求2的方法，其中該多維圖沿著一組軸被表示，該組軸是從擴(kuò)散T1，T2以及T1和T2的比率的組中選擇的。
4.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括步驟在計(jì)算該多維數(shù)據(jù)集之前壓縮該核磁共振數(shù)據(jù)。
5.權(quán)利要求1的方法，該計(jì)算步驟進(jìn)一步包括估計(jì)多個(gè)函數(shù)，Mn(xi)，其期望值定義了矩M‾n=ΣiMn(xi)f(xi),]]>這里f(xi)是目標(biāo)分布函數(shù)，它可以用同樣的函數(shù)f(xi)=Z-1exp(ΣnαnMn(xi))]]>來表示，這里αn是參數(shù)，其可以被調(diào)整以便使用Mn和f(xi)所計(jì)算的矩與核磁共振數(shù)據(jù)相一致。
6.權(quán)利要求5的方法，該估計(jì)步驟進(jìn)一步包括步驟將計(jì)算的矩Mn與由核磁共振值得到的一組數(shù)據(jù)矩進(jìn)行比較；確定計(jì)算的矩Mn與該組數(shù)據(jù)矩之間的擬合等級(jí)；當(dāng)擬合等級(jí)在容限范圍內(nèi)時(shí)，確定最終的分布。
7.權(quán)利要求6的方法，該估計(jì)步驟進(jìn)一步包括步驟調(diào)整αn以提高擬合等級(jí)。
8.權(quán)利要求5的方法，其中計(jì)算步驟提供了一個(gè)分布，其同時(shí)符合所有可用數(shù)據(jù)并且具有由S=-kΣiln(f(xi))f(xi)]]>給出的最大熵S，這里k是常數(shù)。
9.權(quán)利要求5的方法，其中基于多個(gè)矩Mn確定N個(gè)有效矩函數(shù)，該矩具有大于與核磁共振數(shù)據(jù)有關(guān)的噪聲電平的值。
10.權(quán)利要求1的方法，其中反轉(zhuǎn)過程與規(guī)則化參數(shù)無關(guān)。
11.權(quán)利要求1的方法，其中反轉(zhuǎn)過程與特定測(cè)量序列無關(guān)。
12.一種測(cè)井設(shè)備包括可通過井孔移動(dòng)的測(cè)井工具，和耦合到該測(cè)井工具的處理器，采用指令對(duì)該處理器進(jìn)行編程，當(dāng)處理器執(zhí)行指令時(shí)，執(zhí)行以下步驟在核自旋系統(tǒng)中執(zhí)行多個(gè)核磁共振測(cè)量；從多個(gè)核磁共振測(cè)量的每一個(gè)中獲取核磁共振數(shù)據(jù)；根據(jù)對(duì)核磁共振數(shù)據(jù)執(zhí)行的與該區(qū)域的先驗(yàn)知識(shí)無關(guān)的反轉(zhuǎn)過程計(jì)算一個(gè)多維數(shù)據(jù)集。
13.權(quán)利要求12的測(cè)井設(shè)備，該處理器進(jìn)一步執(zhí)行以下步驟產(chǎn)生該多維數(shù)據(jù)集的多維圖。
14.權(quán)利要求13的測(cè)井設(shè)備，其中該多維圖沿著一組軸被表示，該組軸是從擴(kuò)散T1，T2以及T1和T2的比率的組中選擇的。
15.權(quán)利要求12的測(cè)井設(shè)備，處理器進(jìn)一步執(zhí)行步驟在計(jì)算該多維數(shù)據(jù)集之前壓縮該核磁共振數(shù)據(jù)。
16.權(quán)利要求12的測(cè)井設(shè)備，該計(jì)算步驟進(jìn)一步包括步驟估計(jì)多個(gè)函數(shù)，Mn(xi)，其期望值定義了矩M‾n=ΣiMn(xi)f(xi),]]>這里f(xi)是目標(biāo)分布函數(shù)，它可以用同樣的函數(shù)f(xi)=Z-1exp(ΣnαnMn(xi))]]>來表示，這里αn是參數(shù)，其可以被調(diào)整以便使用Mn和f(xi)所計(jì)算的矩與核磁共振數(shù)據(jù)相一致。
17.權(quán)利要求16的測(cè)井設(shè)備，該估計(jì)步驟進(jìn)一步包括步驟將計(jì)算的矩Mn與由核磁共振值得到的一組數(shù)據(jù)矩進(jìn)行比較；確定計(jì)算的矩Mn與該組數(shù)據(jù)矩之間的擬合等級(jí)；當(dāng)擬合等級(jí)在容限范圍內(nèi)時(shí)，確定最終的分布。
18.權(quán)利要求17的測(cè)井設(shè)備，該估計(jì)步驟進(jìn)一步包括步驟調(diào)整αn以提高擬合等級(jí)。
19.權(quán)利要求16的測(cè)井設(shè)備，其中計(jì)算步驟提供了一個(gè)分布，其同時(shí)符合所有可用數(shù)據(jù)并且具有由S=-kΣiln(f(xi))f(xi)]]>給出的最大熵S，這里k是常數(shù)。
20.權(quán)利要求16的測(cè)井設(shè)備，其中基于多個(gè)矩Mn確定N個(gè)有效矩函數(shù)，該矩具有大于與核磁共振數(shù)據(jù)有關(guān)的噪聲電平的值。
21.權(quán)利要求16的測(cè)井設(shè)備，其中在計(jì)算的矩Mn內(nèi)的每個(gè)矩與計(jì)算矩彼此無關(guān)。
22.權(quán)利要求12的測(cè)井設(shè)備，其中反轉(zhuǎn)過程與特定的測(cè)量序列無關(guān)。
全文摘要
公開了一種方法，用于從一種地球巖層的區(qū)域提取有關(guān)核自旋系統(tǒng)的信息。特別地，采集一組NMR數(shù)據(jù)，用于位于井下或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境的流體取樣。從該組NMR數(shù)據(jù)中，利用一種數(shù)學(xué)反轉(zhuǎn)來計(jì)算多維分布，該反轉(zhuǎn)與流體取樣性質(zhì)的先驗(yàn)知識(shí)無關(guān)。
文檔編號(hào)G01R33/44GK1517721SQ200410007420
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2004年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月14日
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