CN102330548B - 消除振铃的核磁共振回波串获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消除振铃的核磁共振回波串获取方法，包括以下步骤：采用一号自旋回波脉冲序列依次采集多个一号自旋回波；发射一个一号180°射频脉冲和一个一号90°射频脉冲，将宏观磁化矢量扳转至Z轴方向；采用二号自旋回波脉冲序列依次采集多个二号自旋回波；在X轴上依次发射多个二号180°射频脉冲，来依次获得对应数量的正负交替的三号自旋回波；对所述一号自旋回波和所述二号自旋回波进行交叉相位对叠加；在所述三号自旋回波中将负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，对所述四号自旋回波中的每个回波信号进行回波间的叠加滤波。采用上述方法既能保证测量的效率，又可获得高信噪比及高纵向分辨率的自旋回波串。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振测井技术领域，尤其涉及一种消除振铃的核磁共振回波串获取方法。
背景技术
在对油井进行核磁共振测量过程中，由于核磁共振仪器的天线环绕着磁体，当发射射频脉冲时，流过射频线圈的电流与磁体形成的磁场相互作用，会在核磁共振仪器上形成一个净力矩。由于发射的是交流电，所以这个力矩是变化的，会使核磁共振仪器产生振动，核磁共振仪器的振动同时会在天线上产生额外的电子噪声，即“振铃”。振铃通常衰减很快，但是它在回波检测期间依然存在，并且回波间隔越小，振铃效应越明显。由于振铃幅度一般很高，并且90°射频脉冲和180°射频脉冲都会产生振铃，振铃会影响到检测的回波信号，必须予以消除。
目前，在核磁共振测井过程中，消除振铃的方法主要有交叉相位对(PAPS)和振铃消除法(Ring Killer)两种方法。
1、交叉相位对(PAPS)
目前，交叉相位对(PAPS)是应用最广泛的一种振铃消除方法。由于核磁共振信号随90°射频脉冲相位改变的灵敏性，而振铃不随射频脉冲相位变化。该方法利用两次自旋回波脉冲序列(Carr-Purcell-Meiboom-Gill，CPMG)采集两组自旋回波串，并对这两组自旋回波串相减(即为叠加)除以二，即可消除振铃对所采集的自旋回波信号的影响。其中，第二次自旋回波脉冲序列中的90°射频脉冲的相位跟第一次自旋回波脉冲序列中的90°射频脉冲的相位相差180°。该方法易于实现，但其存在下述缺点，由于振铃与射频脉冲的频率有关，因此，两组自旋回波串的叠加必须在同一采集频率和测量参数之间，在不同频率采集的两组自旋回波串不能任意叠加。虽然通过两组自旋回波串的叠加能够有效消除振铃，但是，由于在井下核磁共振测井过程中，会使用多个工作频率进行同时测量，由于不同的工作频率产生的振铃不同，导致两组自旋回波串之间的叠加只能在同频率之间展开，这样对于叠加次数和叠加方式都有一定的限制，因此大大降低了纵向分辨率。
2、振铃消除法(Ring Killer)
振铃消除法(Ring Killer)首先利用一个自旋回波脉冲序列采集自旋回波信号；然后用一个特殊的脉冲序列，消除自旋回波的信息，只测量振铃的信号，把所采集到的振铃的信号叠加取平均值即可得到振铃；最后，用所述自旋回波信号减去振铃，即可得到真实的地层信息。上述特殊的脉冲序列是在自旋回波脉冲序列采集完自旋回波信号后，等待至少2TE(TE为回波间隔)，然后发射一系列时间间隔为TE的180°射频脉冲并采集自旋回波信号。这就相当于在一个很长的自旋回波脉冲序列采集中缺失了至少一个180°射频脉冲。由于缺失了至少一个180°脉冲激励，则所有的自旋回波在至少1.5TE的时间内不会重聚。并且后续的180°射频脉冲的间隔只有TE，所以自旋回波根本没有机会来完成重聚。再加上采集完自旋回波后重聚信号的幅度都很小，因此，在后面所测量的信号中就消除了回波信号。这种方法在横向弛豫时间T1相对比较小的地层效果很好，但是这种方法的缺点是，当地层的T1比较大时，由于射频磁场的非均匀性，将会产生受激回波。并且振铃消除法需要在正常的自旋回波脉冲序列之后额外采集振铃信息，因此降低了测量的效率。
发明内容
本发明提供一种消除振铃的核磁共振回波串获取方法，以实现在满足测量效率的前提下，获得高信噪比及高纵向分辨率的自旋回波串。
本发明提供一种消除振铃的核磁共振回波串获取方法，包括以下步骤：
对氢核进行极化，以构建宏观磁化矢量，当判断出氢核完全极化时，采用一号自旋回波脉冲序列依次采集多个一号自旋回波；
依次发射一个一号180°射频脉冲和一个一号90°射频脉冲，将宏观磁化矢量扳转至Z轴方向；
对氢核重新进行极化，当判断出氢核完全极化时，采用二号自旋回波脉冲序依次列采集多个二号自旋回波；
在X轴同一方向上依次发射多个二号180°射频脉冲，来依次获得对应数量的正负交替的三号自旋回波；
对所述一号自旋回波和所述二号自旋回波进行交叉相位对叠加，以获得一号消除振铃的回波串；在所述三号自旋回波中将负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，对所述四号自旋回波中的每个回波信号进行回波间的叠加滤波，以获得二号消除振铃的回波串，所述一号消除振铃的回波串与所述二号消除振铃的回波串构成消除振铃的回波串。
本发明提供的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，在整个自旋回波脉冲序列中，分为前后两个部分，由于自旋回波信号是一个多指数衰减的信号，因此，前面的部分采用PAPS叠加保证了测量的效率，后面的部分采用回波间的叠加滤波，保证了自旋回波具备高信噪比及高纵向分辨率。综上，采用上述方法进行核磁共振测井，既能保证测量的效率，又可获得具备高信噪比及高纵向分辨率的自旋回波。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法的流程图；
图2为本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法的射频脉冲时序图；
图3为不同的重新极化时间T′W下磁化矢量恢复程度M0′/M0与横向弛豫时间T2的关系图；
图4为本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法采用双频的采集模式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法实施例的流程图，包括以下步骤：
S100：对氢核进行极化，以构建宏观磁化矢量，当判断出氢核完全极化时，采用一号自旋回波脉冲序列依次采集多个一号自旋回波；
核磁共振测井是一种适用于裸眼井的测井技术，也是目前唯一可以直接测量任意岩性储集层自由流体(油、气、水)渗流体积特性的测井方法。
其中，核磁共振的原理是，磁体产生静磁场B0，对磁场内的原子核进行极化，其核磁矩在该静磁场B0中进动，且进动频率ω＝γ·B0，γ为原子核的核磁比。发射线圈发射一个与B0垂直的交变电磁场B1，当B1的频率与核磁矩的进动频率相等时，便产生核磁共振，此时可以观察到核磁共振的信号。
由于量子特性，在静磁场B0中，原子核只能有(2I+1)种取向(I为原子核的自旋量子数)。从理论上讲，用核磁共振可测量任何有磁矩的核素。但由于技术水平和测量灵敏度所限，当前实际投入应用的核磁共振仪器仅限于测量氢核，即质子。因此，本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法是采用静磁场B0对地层中的氢核进行极化，当然随着核磁共振仪器技术的发展，可以不仅仅限于测量氢核。
在三维直角坐标系内，静磁场B0沿三维直角坐标系的Z轴向上，经过一段极化时间来极化地层中的氢核，建立宏观磁化矢量M。在垂直于静磁场B0方向的XY平面中的X轴方向发射与核磁距的进动频率相等的交变电磁场B1，则宏观磁化矢量M沿着X轴旋转，逐渐向Y方向偏移，且宏观磁化矢量M向Y方向偏移的扳转角θ＝γ·B1·τ，可见扳转角θ与交变电磁场(射频磁场)B1的幅度和持续时间的乘积成正比。因为由静磁场B0的非均匀性引起的散相是可逆的，因此可以通过发射一系列180°射频脉冲来采集一系列一号自旋回波，本实施例中采用一号CPMG脉冲序列来采集一系列一号自旋回波。
具体地，经过足够的等待时间(此处的等待时间根据具体的测量工作来确定)来判断底层中的氢核是否完全极化，这里判断氢核是否完全极化的等待时间可以根据实验者的经验选定，也可以参见下文中对重新极化时间T′W的计算来确定，在地层中的氢核完全极化后，在X方向上发射一个90°射频脉冲把宏观磁化矢量M扳转到正Y轴方向，然后，在正Y轴方向上发射一系列(可定为m个，m属于自然数)180°射频脉冲，并依次采集一系列(m个)一号自旋回波。这里所谓的90°射频脉冲、180°射频脉冲指的是，磁环矢量被扳转90°、180°时发射的脉冲交变磁场(射频脉冲)。
S200：依次发射一个一号180°射频脉冲和一个一号90°射频脉冲，将宏观磁化矢量扳转至Z轴方向；
由于自旋核是不断进动的，宏观磁化矢量M被扳转到正Y轴方向后，其只是暂时的在Y轴方向，紧接着就发生散相，因此，在采集完一号自旋回波后，只有发射一个一号180°脉冲改变自旋核运动方向，宏观磁化矢量M才会在y轴方向重聚，紧接着发射一个一号90°射频脉冲，将宏观磁化矢量扳转至Z轴方向。
S300：对氢核重新进行极化，在氢核重新极化后，采用二号自旋回波脉冲序列依次采集多个二号自旋回波；
在将宏观磁化矢量重新扳转至Z轴方向后，以静磁场B0重新对地层中的氢核进行极化，在氢核完全极化后，采用二号自旋回波脉冲序列采集一系列二号自旋回波。其中，二号自旋回波脉冲序列与一号自旋回波脉冲序列之间存在T′W的时间间隔，地层中的氢核即是在T′W的时间间隔内进行重新极化，故T′W的时间间隔应大于等于地层中的氢核完全极化的时间。
S400：在X轴同一方向上依次发射多个二号180°射频脉冲，来依次获得对应数量的正负交替的三号自旋回波；
在采集过二号自旋回波后，紧接着继续在X轴同一方向上发射一系列二号180°射频脉冲。在X轴同一方向上每发射一个二号180°射频脉冲后，宏观磁化矢量M就会围绕X轴旋转180°，即宏观磁化矢量M就会交替地被扳转到正Y轴和负Y轴方向，那么此时采集到的三号自旋回波便是正负交替的自旋回波串。
S500：对所述一号自旋回波和所述二号自旋回波进行交叉相位对叠加，以获得一号消除振铃的回波串；在所述三号自旋回波中将负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，对所述四号自旋回波中的每个回波信号进行回波间的叠加滤波，以获得二号消除振铃的回波串，所述一号消除振铃的回波串与所述二号消除振铃的回波串构成消除振铃的回波串。
综上所述，参见图2本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法的射频脉冲时序图，在该消除振铃的核磁共振回波串获取方法中，是将整个脉冲序列分为A1和A2两个部分，A1和A2之间存在T′W的时间间隔，A1部分是在固定的时间Tm内采用一号自旋回波脉冲序列依次采集m个一号自旋回波，A2的前半部分是采用二号自旋回波脉冲序列依次采集m个二号自旋回波，A2的后半部分是X轴同一方向上依次发射多个二号180°射频脉冲，来依次获得多个正负交替的三号自旋回波。由于自旋回波信号是一个多指数衰减的信号，因此对整个脉冲序列时序中的前一部分的m个一号自旋回波与m个二号自旋回波进行PAPS叠加，满足了测量的效率，同时对整个脉冲序列时序中的后一部分，即对三号自旋回波中将负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，并对四号自旋回波中的每个回波信号进行回波间的叠加滤波，采用回波间的叠加滤波获得了高信噪比及高纵向分辨率的自旋回波。因此，采用上述方法进行核磁共振测井，既能保证测量的效率，又可获得具备高信噪比及高纵向分辨率的自旋回波。
基于上述实施例，具体地，同参见图2，整个脉冲序列分为A1和A2两个部分。对于A1，在地层中的氢核完全极化后，在三维直角坐标系的正X轴方向上发射一个90°射频脉冲，把宏观磁化矢量M扳转到正Y轴方向，经过时间τ后在正Y轴方向上发射m个回波间隔为2τ的180°射频脉冲，以采集m个一号自旋回波。经过2τ后，接着继续在正Y轴方向上发射1个一号180°射频脉冲来使宏观磁化矢量M在Y轴方向重聚，经过时间τ后在负X轴方向发射一个90°射频脉冲把宏观磁化矢量M扳转到Z轴方向以对地层中的氢核进行重新极化。氢核重新极化所需要的时间即为A1和A2之间的时间间隔T′W，其中T′W的长短必须满足使宏观磁化矢量M完全极化。对于A2，在地层中的氢核再次完全极化后，在负X方向上发射一个90°射频脉冲(即与A1中一号CPMG脉冲序列的90°射频脉冲的相位相差180°)，接着同样经过时间τ后在正Y轴方向上发射m个回波间隔为2τ的180°射频脉冲，以采集m个二号自旋回波，然后，经过2τ继续在正Y轴方向上发射1个180°射频脉冲采集一个正的回波信号，随后，在正X轴方向发射一系列二号180°射频脉冲，并采集对应个数的三号自旋回波，其中所采集到的三号自旋回波是正负交替的自旋回波信号。
对上述一号自旋回波、二号自旋回波及三号自旋回波进行数据处理来得到消除振铃的回波串。由于自旋回波是随相位敏感的而振铃不随相位敏感，因此，首先对一号自旋回波和二号自旋回波进行PAPS叠加，即用m个一号自旋回波与m个二号自旋回波相减并除以二，便获得前m个一号消除振铃的回波串；然后将三号自旋回波中负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，则四号自旋回波中的振铃变为正负交替，取四号自旋回波中的第m+i个自旋回波信号以及其前面的n个和后面的n+1个自旋回波信号，并对此2n+2个自旋回波信号进行叠加取平均值，便得到二号消除振铃的回波串，其中，一号消除振铃的回波串与二号消除振铃的回波串便构成了在进行核磁测井时所需要的消除振铃的回波串(i、m、n均为自然数)。
对于该消除振铃的核磁共振回波串获取方法，脉冲序列A1的作用时间Tm越长，则测量效率就越低，同时测量的精度也越高。作为一个特例，选取A1的作用时间Tm为15.3ms，由于Tm＝(m+1)·TE，则测量的自旋回波个数m为16，测量回波间隔TE为0.9ms。参见图3，不同的重新极化时间T′W下宏观磁化矢量M恢复程度M0′/M0与横向弛豫时间T2的关系图，从图3中可知，对于横向弛豫时间T2从10ms到1000ms的地层，当重新极化时间T′W为1000ms时，宏观磁化矢量M的恢复程度M0′/M0可以达到原宏观磁化矢量M的99％以上。由此，本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法中重新极化时间T′W可设定为大于等于1000ms。
另外，本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法可以进行多频测量，如图4本发明消除振铃的核磁共振回波串获取方法采用双频的采集模式示意图所示，给出了在两个频率下进行测量的示意图，由于采用该方法进行核磁测井时，工作频率大于两个与工作频率为两个的原理相同，这里仅对采用两个频率进行核磁测井进行描述。在仪器运动方向上，当其中一个观测频率f1测量完A1部分后，切换到另一个观测频率f2进行频率f2的A1测量，而观测频率f1同时进行重新极化；当频率f1重新极化完毕后，切换到观测频率f1进行频率f1的A2测量；而观测频率f2同时进行重新极化，当频率f2重新极化完毕后切换到频率f2进行频率f2的A2测量，这样即完成了一个测量周期的双频的测量。由于，在f1、f2工作频率下，它们采用相同的射频脉冲序列，则任意一个A1和A2的组合即可得到消除振铃的回波串，这样对于后续回波串的叠加就不再局限于同频率之间，实现了多工作频率下自旋回波任意叠加的目的，这样便放宽了自旋回波叠加时，叠加次数和叠加方式的限制，因此提高了纵向分辨率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
对氢核进行极化，以构建宏观磁化矢量，当判断出氢核完全极化时，采用一号自旋回波脉冲序列依次采集多个一号自旋回波；
依次发射一个一号180°射频脉冲和一个一号90°射频脉冲，将宏观磁化矢量扳转至Z轴方向；
对氢核重新进行极化，当判断出氢核完全极化时，采用二号自旋回波脉冲序列依次采集多个二号自旋回波；
在X轴同一方向上依次发射多个二号180°射频脉冲，来依次获得对应数量的正负交替的三号自旋回波；
对所述一号自旋回波和所述二号自旋回波进行交叉相位对叠加，以获得一号消除振铃的回波串；在所述三号自旋回波中将负的回波信号乘以负1，以获得四号自旋回波，对所述四号自旋回波中的每个回波信号进行回波间的叠加滤波，以获得二号消除振铃的回波串，所述一号消除振铃的回波串与所述二号消除振铃的回波串构成消除振铃的回波串；
其中，所述回波间的叠加滤波为：
取四号自旋回波中的第m+i个自旋回波信号以及其前面的n个和后面的n+1个自旋回波信号进行叠加取平均值；
其中，所述i、m、n均为自然数。
2.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号180°射频脉冲与所述一号自旋回波脉冲序列中最后一个180°射频脉冲之间的回波间隔，与一号自旋回波脉冲序列中每两相邻180°射频脉冲之间的回波间隔相等。
3.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号90°射频脉冲与所述一号180°射频脉冲之间的回波间隔，为所述一号自旋回波脉冲序列中每两相邻180°射频脉冲之间的回波间隔的一半。
4.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号90°射频脉冲与所述一号自旋回波脉冲序列中的90°射频脉冲方向相反。
5.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号自旋回波脉冲序列中的90°射频脉冲方向与所述二号自旋回波脉冲序列中的90°射频脉冲方向相反。
6.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号自旋回波的个数与所述二号自旋回波的个数相同。
7.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述二号180°射频脉冲与所述二号自旋回波脉冲序列中的180°射频脉冲之间具有90°的相位差。
8.根据权利要求1所述的消除振铃的核磁共振回波串获取方法，其特征在于，所述一号自旋回波脉冲序列中每两相邻180°射频脉冲之间的回波间隔，与所述二号自旋回波脉冲序列中每两相邻180°射频脉冲之间的回波间隔相等，且所述一号180°射频脉冲与所述一号自旋回波脉冲序列中最后一个180°射频脉冲之间的回波间隔，与一号自旋回波脉冲序列中每两相邻180°射频脉冲之间的回波间隔相等。
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