ямр спектроскопия с использованием средства ямр с градиентным полем

Формула изобретения

1. Способ измерения ядерно-магнитного резонанса, заключающийся в том, что прикладывают постоянное магнитное поле для поляризации ядер в исследуемой области, подлежащей анализу, причем статическое магнитное поле имеет первый градиент, прикладывают импульс радиочастотного магнитного поля к указанной области для переориентации ядер в ней, прикладывают градиентное магнитное поле к исследуемой области, которое имеет второй градиент, по существу противоположный по знаку и равный по величине первому градиенту, и детектируют сигнал ядерно-магнитного резонанса из указанной области.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульс радиочастотного магнитного поля, который находится в пределах ларморовской частоты ядер в указанной области.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульс радиочастотного магнитного поля, который имеет длительность и амплитуду, достаточные для переориентации ядер на угол, равный около 90°.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульс радиочастотного магнитного поля, который имеет длительность и амплитуду, достаточные для переориентации ядер в указанной области на угол, меньший, чем 90°.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что импульс радиочастотного магнитного поля повторяют по меньшей мере один раз.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что временной интервал между импульсами радиочастотного магнитного поля выбирают таким, чтобы достичь высокого отношения сигнал/шум.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что градиентное магнитное поле формируют по меньшей мере одной азимутальной катушкой.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что азимутальной катушкой облучают по меньшей мере одну выбранную область.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют спектральный анализ сигнала ядерно-магнитного резонанса.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют погружение в скважину устройства каротажа скважин на основе ядерно-магнитного резонанса.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что устройство каротажа скважин на основе ядерно-магнитного резонанса погружают на проводной линии связи.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что измерения ядерно-магнитного резонанса выполняют во время бурения.

13. Способ измерения ядерно-магнитного резонанса, заключающийся в том, что прикладывают постоянное магнитное поле для поляризации ядер в исследуемой области, подлежащей анализу, причем статическое магнитное поле имеет первый градиент, прикладывают радиочастотное магнитное поле к указанной области для переориентации ядер в ней, прикладывают градиентное магнитное поле к исследуемой области, которое имеет второй градиент, по существу противоположный по знаку градиенту первого постоянного магнитного поля, и величину, выбранную так, чтобы инвертировать знак градиента постоянного магнитного поля, снимают градиентное магнитное поле, детектируют сигнал ядерно-магнитного резонанса из указанной области.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что используют радиочастотное магнитное поле, которое находится в пределах ларморовской частоты ядер в указанной области.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что используют импульс радиочастотного магнитного поля, который имеет длительность и амплитуду, достаточные для переориентации ядер на угол, равный около 90°.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что используют импульс радиочастотного магнитного поля, который имеет длительность и амплитуду, достаточные для переориентации ядер в указанной области на угол, меньший, чем 90°.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что импульс радиочастотного магнитного поля повторяют по меньшей мере один раз.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что временной интервал между импульсами радиочастотного магнитного поля выбирают таким, чтобы достичь высокого отношения сигнал/шум.

19. Способ по п.13, отличающийся тем, что градиентное магнитное поле формируют по меньшей мере одной азимутальной катушкой.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что азимутальной катушкой облучают по меньшей мере одну выбранную область.

21. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют спектральный анализ сигнала ядерно-магнитного резонанса.

22. Способ по п.13, отличающийся тем, что повторяют приемы прикладывания градиентного магнитного поля, снятие градиентного магнитного поля, и

детектирование сигнала ядерно-магнитного резонанса из указанной области до тех пор, пока амплитуда сигнала ядерно-магнитного резонанса не упадет до нуля.

23. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют погружение в скважину устройства каротажа скважин на основе ядерно-магнитного резонанса.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что устройство каротажа скважин на основе ядерно-магнитного резонанса погружают на проводной линии связи.

25. Способ по п.23, отличающийся тем, что измерение ядерно-магнитного резонанса выполняют во время бурения.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и устройству спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Предшествующий уровень техники

Хорошо известны средства, основанные на использовании электромагнитных процессов и предназначенные для измерения характеристик вещества или идентификации его состава. Способы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) используются для сформирования изображений биологических тканей или определения состава земных пластов.

Известно устройство для осуществления измерений способом ядерного магнитного резонанса, которое содержит магниты для сформирования постоянного магнитного поля и антенны для передачи и приема радиочастотных магнитных полей. Антеннами обычно являются соленоидные катушки, расположенные вблизи исследуемой области. Способ ЯМР раскрывается в патенте США №4350955, а также в патенте США №4717877.

Явление ядерного магнитного резонанса проявляется у атомных ядер с нечетным суммарным числом протонов и нейтронов. Если атомные ядра помещены в постоянное магнитное поле В₀, то они имеют тенденцию выстраиваться в поле и создавать суммарную намагниченность М в направлении приложенного поля. Ядра прецессируют относительно оси приложенного поля с ЯМР частотой , называемой ларморовской частотой, в соответствии с уравнением

где: - гиромагнитное отношение.

Изменяющееся во времени (радиочастотное) магнитное поле, имеющее частотные составляющие, равные специфической ларморовской частоте атомных ядер, прикладывается в направлении, ортогональном к постоянному магнитному полю В₀. Оно заставляет ядра поглощать энергию и отклоняться от оси постоянного магнитного поля В₀. Если радиочастотный импульс выключается именно в тот момент, когда угол отклонения достигает 90°, намагниченность попадает в плоскость, поперечную к направлению В₀ (x-y плоскость), и суммарная намагниченность прецессирует в поперечной плоскости на ларморовской частоте относительно постоянного магнитного поля В₀. Такой импульс называется 90° импульсом. 180° импульс является импульсом, который поворачивает намагниченность на 180°, инвертируя ее. Два типа указанных радиочастотных импульсов формируют основные средства ЯМР спектроскопии.

На фиг.2A и 2B представлены обычно используемые в ЯМР спектроскопии импульсные последовательности. На фиг.2А верхняя диаграмма изображает упомянутый 90° импульс, а нижняя - детектированный сигнал. На фиг.2В изображена импульсная последовательность спинового эха. Сначала к системе ядер атомов прикладывается 90° импульс. 90° импульс вращает соответствующую намагниченность в x-y плоскости. Поперечная намагниченность начинает дефазироваться. В некоторый момент времени после 90° импульса прикладывается 180° импульс. Указанный импульс поворачивает намагниченность на 180° относительно оси х. 180° импульс заставляет намагниченность осуществить по меньшей мере частичное восстановление фаз, формируя сигнал, называемый эхом. Таким образом, 180° импульс упоминается нами как собирающий импульс. Нижняя диаграмма на фиг.2B изображает детектированный сигнал.

Используются не только 90° импульсы. Чтобы получить высокое отношение сигнала к шуму (S/N), также полезно осуществлять повторение нескольких радиочастотных импульсов с малыми углами изменения ориентации (<90°). Преимущество использования радиочастотных импульсов с малыми углами изменения ориентации заключается в том, что после радиочастотного импульса все еще остается намагниченность по оси z. Остающаяся намагниченность может использоваться для наблюдения следующего ЯМР сигнала. Таким образом, можно повторить приложение другого радиочастотного импульса с малым углом изменения ориентации без необходимости ждать возвращения намагниченности по оси z в прежнее состояние. Постоянная времени, с которой намагниченность возвращается в прежнее положение к оси z после радиочастотного импульса, называется временем спин-решеточной релаксации (T ₁). Приложение радиочастотного импульса с малым углом изменения ориентации позволяет осуществить повторение последующих радиочастотных импульсов, не дожидаясь того, что вектор намагниченности достигнет равновесного значения. В течение установленного времени, вместо одного 90° радиочастотного импульса можно собрать последовательность ЯМР сигналов с малыми углами изменения ориентации и малыми временами повторения.

Таким образом, при использовании последовательности импульсов с малыми углами изменения ориентации достигается большее отношение сигнала к шуму (S/N), чем при использовании одного 90^о радиочастотного импульса.

Оптимальное значение малого угла изменения ориентации и разнесение импульсов с малыми углами изменения ориентации связано с временем Т₁ релаксации отношением

cos =exp(-/T ₁).

Известно, что наблюдаемая интенсивность ЯМР сигнала зависит от угла изменения ориентации, времени повторения и T₁. Исходная амплитуда ЗСИ (ЗСИ – затухание свободной индукции) сигнала задается выражением:

где E₁=exp(-T/T₁);

T₁ =время спин-решеточной релаксации;

T=время повторения;

=угол изменения ориентации.

На фиг.9 представлена диаграмма нормированной пиковой амплитуды ЗСИ как функции угла () изменения ориентации для различных значений Т/Т₁.

Например, когда время повторения равно 50% от T₁ , амплитуда сигнала равна 50% от полной амплитуды с 50° углом изменения ориентации. Амплитуда ЗСИ сигнала для максимального сигнала с 90° углом изменения ориентации наблюдается при времени повторения 5T₁. За время, равное 5T₁, импульсы с 50° углом изменения ориентации могут быть повторены 10 раз, а рост в S/N составляет 58%.

Экспериментально, ЯМР сигнал детектируется настроенной радиочастотной катушкой, ось которой перпендикулярна постоянному магнитному полю В₀. Одна и та же катушка, используемая для возбуждения, также подходит для детектирования, или альтернативно, может использоваться отдельная ортогонально размещенная катушка. Осциллирующая ЯМР намагниченность индуцирует напряжение в катушке. Чтобы получить частотные составляющие ЯМР сигналов, характеризующие возбужденные ядра, указанные ЯМР сигналы могут быть продетектированы и преобразованы с помощью Фурье-преобразования.

Затухание амплитуды сигнала через какое-то время обусловлено явлением спин-спиновой релаксации и тем фактом, что каждое атомное ядро подвергается действию незначительно отличающегося магнитного поля. При максимальном значении сигнала все атомные ядра прецессируют в унисон. По мере протекания времени все больше будут разности фаз между атомными ядрами, и суммарный вклад векторов намагниченности от каждого атомного ядра неизбежно даст сумму, стремящуюся к нулю.

Атомные ядра подвергаются воздействию различных значений магнитных полей относительно друг друга вследствие неоднородностей в постоянном магнитном поле В₀, явления химического сдвига, или вследствие внутренней (индуцированной образцом) неоднородности магнитного поля.

Неоднородности постоянного магнитного поля В₀ могут быть обусловлены отклонениями в источнике магнитного поля. Интенсивность постоянного магнитного поля В₀ (фиг.3) тем больше падает, чем дальше она измеряется от источника постоянного магнитного поля. Это называется градиентом магнитного поля. Градиент имеет наклон, определяемый величиной изменения интенсивности магнитного поля, деленной на смещение от источника магнитного поля. Градиент, при котором интенсивность магнитного поля уменьшается по мере удаления от источника магнитного поля, определяется как имеющий отрицательный наклон (dB/dx<0). Магнитные поля, интенсивность которых возрастает, чем дальше от источника магнитного поля они измеряются, определяются как имеющие градиенты с положительными наклонами (dB/dx>0).

Явление химического сдвига возникает тогда, когда атом помещается в магнитное поле. Электроны атома перемещаются вдоль направления приложенного магнитного поля, вызывая магнитное поле в ядре, которое вносит вклад в полное значение магнитного поля, приложенного к ядру атома.

Примерами внутренних (индуцированных образцом) неоднородностей магнитных полей являются интерфейсы между средами, имеющими различные магнитные восприимчивости, такие как интерфейс флюидов жила-поры в земных пластах.

Измеряемый сигнал (затухание свободной индукции, ЗСИ) продолжается только в то время, пока атомные ядра прецессируют в унисон. Интервал времени, за который сигнал затухает до нуля, упоминается нами как время затухания свободной индукции.

Было отмечено, что в зависимости от времени сигнал затухает по экспоненте

где M₀ - модуль исходного вектора намагниченности, Т₂* - постоянная времени затухания, это время, необходимое для того, чтобы уменьшить M₀ в e раз. Обратная величина Т₂* (1/T₂*) представляет собой скорость, с которой значение M₀ уменьшается за период времени t.

Как указано выше, затухание амплитуды сигнала может быть обусловлено неоднородностями суммарного магнитного поля, приложенного к возбужденной области. Указанные неоднородности могут быть результатом наличия градиента постоянного магнитного поля, химического сдвига и неоднородностей, индуцированных образцом. Каждое из вышеупомянутых явлений будет вносить свою собственную специфическую скорость, чтобы уменьшить суммарный вектор намагниченности. Таким образом:

1/T₂*=1/T₂+1/T ₂’+В ₀

Здесь величина 1/T₂ обусловлена спин-спиновой релаксацией, 1/Т₂’ обусловлена неоднородностью, индуцированной образцом, и В ₀ соответствует вкладу неоднородности постоянного поля. Уравнение 1 может быть переписано как:

Следовательно, время затухания (ЗСИ) после 90° радиочастотного импульса может складываться из неоднородности постоянного магнитного поля В₀, времени (T₂ ) спин-спиновой релаксации и времен (Т₂’) неоднородностей, индуцированных образцом, как показано в уравнении 2.

ЯМР сигнал будет исходить от области, облучаемой радиочастотным сигналом, расположенной в образце. Указанная область называется областью возбуждения. На фиг.3 представлена область 12 возбуждения, имеющая толщину х. Известно, что чем более сильный радиочастотный сигнал используется, тем больше будет значение х. Большее значение х будет подразумевать большее падение постоянного магнитного поля по области возбуждения, что подразумевает большую неоднородность в постоянном магнитном поле (В ₀), а также неизбежно более быстрое затухание сигнала (уравнение 2). Таким образом, с ростом интенсивности радиочастотного поля продолжительность сигнала будет существенно уменьшаться.

Однако большие области (большее значение х) возбуждения приведут к сигналам, детектировать которые легче, например сигналом эха CPMG последовательности (Carll-Purcell-Meiboom-Gill). CPMG последовательность состоит из 90° импульса, сопровождаемого множеством 180° импульсов, между которыми возникает эхо.

Таким образом, при проведении ЯМР измерений желательно иметь возможность изменять или даже исключать специфический вклад во время затухания ЗСИ, например, неоднородность магнитного поля постоянного магнитного поля В₀.

Кроме того, желательно также изменять градиент общего постоянного магнитного поля, прикладываемого к области возбуждения, чтобы индуцировать сигналы эха, как только восстановится первоначальный градиент приложенного постоянного магнитного поля В₀.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа измерения ядерно-магнитного резонанса. Способ заключается в том, что прикладывают постоянное магнитное поле для поляризации ядер в исследуемой области, подлежащей анализу. Постоянное магнитное поле имеет градиент. Более того, радиочастотное магнитное поле прикладывается к указанной области для переориентации ядер. К исследуемой области прикладывается градиентное магнитное поле. Градиентное магнитное поле имеет второй градиент, противоположный по знаку и равный по величине градиенту постоянного магнитного поля. Наконец, детектируют сигнал ядерно-магнитного резонанса из указанной области.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа измерений ядерно-магнитного резонанса. Способ заключается в том, что прикладывают постоянное магнитное поле для поляризации ядер в исследуемой области, подлежащей анализу. Постоянное магнитное поле имеет первый градиент. Радиочастотное магнитное поле прикладывают к данной области для переориентации ядер. К исследуемой области прикладывают также градиентное магнитное поле. Градиентное магнитное поле имеет второй градиент, противоположный по знаку градиенту постоянного магнитного поля и имеющий величину, выбранную так, чтобы инвертировать знак градиента постоянного магнитного поля. Наконец, детектируют сигнал ядерно-магнитного резонанса из указанной области.

Другие аспекты изобретения касаются способа выполнения измерений ядерно-магнитного резонанса в скважинах.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает устройство магнитного резонанса;

фиг.2 изображает диаграмму приложенных и измеренных сигналов;

фиг.3 изображает диаграмму значений приложенного постоянного магнитного поля;

фиг.4 изображает диаграмму приложенных полей и измеренных сигналов согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения;

фиг.5 изображает диаграмму приложенных полей и измеренных сигналов согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;

фиг.6 изображает диаграмму приложенных полей и измеренных сигналов согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;

фиг.7 изображает принципиальную схему каротажного инструмента согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения;

фиг.8 изображает принципиальную схему каротажного инструмента согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения;

фиг.9 изображает диаграмму нормированной пиковой амплитуды ЗСИ как функцию угла () изменения ориентации для различных значений Т/Т₁.

Подробное описание предпочтительных вариантов

воплощения изобретения

На фиг.1 представлено известное устройство для измерений ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) вблизи исследуемого материала 3, раскрытое в патенте США №6246236. ЯМР устройство 1 содержит пару магнитов 6, расположенных на продольной оси z. Магниты 6 имеют векторы намагниченности параллельно продольной оси z. Соленоидальная катушка 8 расположена в области между магнитами 6. Магниты 6 создают статическое магнитное поле В₀ , магнитные линии индукции которого проходят от центра наружу в пласт. Градиентные катушки 9 предназначены для создания градиентного магнитного поля В_g. Катушка 8 возбуждается изменяющимся во времени током для создания радиочастотного РЧ магнитного поля. Индуцированный сигнал создается атомными ядрами, в нем содержатся составляющие сигнала от материала 3, которые должны детектироваться катушкой 8. После регистрации индуцированный сигнал преобразуется в ЯМР спектр. ЯМР спектр представляет ценную информацию относительно состава материала 3.

Согласно изобретению, в качестве катушки 9 использована азимутальная градиентная катушка, чтобы для получения азимутального изображения только некоторые выбранные области облучались градиентным магнитным полем и соответствующий сигнал мог бы детектироваться только перед катушкой, а в остальных областях сигнал был подавлен.

В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения осуществляют приложение градиентного магнитного поля к образцу, находящемуся в постоянном магнитном поле В₀ для того, чтобы исключить или модифицировать отклик образца, обусловленный действием постоянного магнитного поля. При этом ЗСИ сигнал 13 (фиг.4) не обусловлен градиентом постоянного магнитного поля В₀. Следовательно, во время действия градиентного магнитного поля атомные ядра дефазируются вследствие действия других источников неоднородностей магнитного поля, таких как химический сдвиг, наведенные образцом неоднородности, создаваемые на границе раздела между средами, имеющими различные значения магнитной восприимчивости (например, граница раздела жила-поровый флюид). Время затухания Т₂ и Т₂’ для упомянутых явлений является намного более длинным, и, следовательно, ЗСИ сигнал будет длиться дольше.

Детектированный ЗСИ сигнал может быть использован для того, чтобы получить относительно высокие отношения сигнал/шум (С/Ш), причем могут использоваться РЧ импульсы с меньшими углами изменения ориентации (<90°) и малыми временами повторения. Также, можно детектировать ЗСИ сигналы, которые имеют относительно короткие времена затухания Т₂. Использование азимутальных градиентных катушек обеспечивает возможность анализа выбранных областей посредством подавления ЯМР сигналов в других областях. Азимутальные ЯМР изображения с высоким отношением С/Ш получаются с помощью малых углов изменения ориентации и азимутальных градиентных катушек.

На фиг.4 представлена диаграмма приложенных магнитных полей и измеренного градиента в ЯМР сигналах согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения. Две верхние строки 1 и 2 показывают приложенные магнитные поля. Строка 3 представляет индуцированный ЯМР сигнал. Столбцы I-III показывают различные стадии способа. Способ заключается в том, что прикладывают к образцу в течение времени t₀ 90° импульс 11 радиочастотного магнитного поля, который подвергается воздействию постоянного магнитного поля В₀ 14 (строка 1, столбец 1). Впоследствии к образцу прикладывается градиентное магнитное поле В_g 16. Значение градиентного магнитного поля В_g 16 такое, что когда оно объединяется с постоянным магнитным полем В₀ 14, результирующее приложенное магнитное поле В_net 18 имеет постоянную амплитуду во всей возбужденной области (строка 2, столбец 2). Таким образом, градиент В_net по существу равен нулю. Следовательно, дефазирование прецессии атомных ядер обусловлено только химическим сдвигом и/или внутренней неоднородностью магнитного поля (индуцированной образцом). Испускаемый ЗСИ сигнал 13 показан в строке 3, столбец II. В присутствии градиентного магнитного поля В_g атомные ядра будут прецессировать с новой частотой (В ₀-В_g). В отсутствие В_g атомные ядра прецессировали бы с частотой В ₀. Следовательно, чтобы детектировать ЯМР сигнал в течение градиентного импульса, катушка 9 (фиг.1) должна быть настроена на новую частоту (В ₀-В_g). Столбец III, строка 3 изображает ЯМР сигнал, имеющий место, как только градиентное магнитное поле было снято, и, следовательно, результирующее магнитное поле, приложенное к возбужденной области, соответствует только постоянному магнитному полю В ₀. Это изображено в столбце III, строке 2.

ЯМР спектроскопия с использованием детектирования сигнала ЗСИ имеет многочисленные применения и среди них спектроскопия объемных флюидов. Объемный флюид представляет собой флюид, который не испытывает внутренних неоднородностей, наведенных образцом.

Больше информации может быть получено сравнением наблюдавшегося затухания с затуханием, произведенным CPMG сигналами. CPMG характеризуется спин-спиновым временем релаксации (T₂), тогда как затухание ЗСИ характеризуется и Т₂, и также Т ₂’ (неоднородность, индуцированная образцом). Следовательно, когда сравнивается сигнал ЗСИ затухания с CPMG затуханием, может быть получена информация неоднородности, индуцированной образцом.

На фиг.5 представлена диаграмма приложенных полей и измеренных сигналов согласно второму варианту воплощения изобретения. Аналогично строки 1 и 2 показывают приложенные магнитные поля. Строка 3 изображает индуцированный ЯМР сигнал. Столбцы I-III изображают различные шаги способа согласно данному варианту воплощения изобретения. Способ заключается в том, что вначале в течение времени t ₀ прикладывают радиочастотный 90° импульс 18 магнитного поля к образцу, который подвергается воздействию постоянного магнитного поля В₀ 20 (строки 1 и 2, столбец 1). Затем к образцу прикладывают градиентное магнитное поле В_g ’ 24. Значение градиентного магнитного поля В_g’ 16 таково что, когда оно объединяется с постоянным магнитным полем В₀ 20, результирующее приложенное магнитное поле В _net’ 18 будет иметь градиент, который противоположен по знаку, и абсолютное значение его больше, чем у градиента постоянного магнитного поля В₀ 20 (строка 2, столбец 2). Таким образом, по сравнению с тем, когда прикладывается только постоянное магнитное поле В₀ 20, происходит дефазирование прецессии атомных ядер в противоположном направлении.

Наконец, снимается градиент магнитного поля В_g (столбец II, строка 2), заставляя атомные ядра восстанавливать фазировку. Следовательно, формируется сигнал градиентного эха.

Испускаемый сигнал 19 изображен на фиг.5 столбец III, строка 3. Сигнал градиентного эха 19 детектируется тогда, когда не прикладывается градиентное магнитное поле В_g’. В процессе измерения сигнала градиентного эха 19 атомные ядра будут прецессировать с частотой В ₀. Таким образом, катушка 9 должна быть настроена на частоту В ₀.

Момент времени t_e, в который формируется сигнал градиентного эха 19 (столбец III, ряд 3), вычисляется из уравнения:

где G₀ и G_g - соответственно градиент статического поля В₀ и градиент поля В_g ; t_g - интервал времени, в течение которого прикладывается градиентное магнитное поле В_g, например, когда градиент поля В_g равен двум градиентам поля В₀; t_e – время, через которое формируется сигнал градиентного эха 19, равно интервалу времени t_g, в течение которого прикладывается градиентное магнитное поле В_g.

Затухание сигнала градиентного эха 19 будет происходить только из-за наличия времен затухания, обусловленных спин-спиновыми временами T₂ релаксации и временами Т₂’ внутренних магнитных неоднородностей, индуцированных образцами.

Детектирование сигнала градиентного эха имеет многочисленные применения, например, чтобы получить относительно высокое отношение сигнал/шум (S/N), могут использоваться радиочастотные импульсы с меньшими углами изменения ориентации <90°. Также можно детектировать ЗСИ сигналы, которые имеют относительно короткие времена затухания Т₂ и Т₂’. Использование азимутальных градиентных катушек позволяет выполнять анализ выбранных областей, подавляя ЯМР сигналы в других областях. Азимутальные ЯМР изображения с высоким отношением S/N получаются с низкими углами изменения ориентации и азимутальными градиентными катушками. По отношению к ЗСИ детектированию сигнал градиентного эха обеспечивает более высокую величину S/N.

Уравнение 3 получается при условии, что дефазировка спинов в области возбуждения в течение времени приложения градиента магнитного поля B_g пропорциональна (G₀-G_g)t_g. Дефазировка после прикладывания градиентного магнитного поля B_g пропорциональна G₀t_g. Указанные два значения дефазировки должны исключить друг друга, чтобы повторно собрать сигнал эха. То есть:

Другой вариант воплощения изобретения изображен на фиг.6. В данном случае формирование сигнала градиентного эха, описанное выше, повторяется в течение нескольких интервалов времени, пока сигнал градиентного эха 23, 27... не исчезнет. Первоначально прикладывается радиочастотный импульс 26 поля (строка 1, столбец II), в то время как приложенное постоянное магнитное поле (28) B₀ поляризует ядра в исследуемой области. После этого к области прикладывается градиентное магнитное поле 30 В _g’. Амплитуда градиентного магнитного поля В_g ’ 30 такова, что, когда оно объединяется с постоянным магнитным полем 28 B₀, градиент общего приложенного магнитного поля 32 В_net будет иметь противоположное направление по сравнению с градиентом постоянного магнитного поля 28 В ₀ (строка 2, столбец 2). Следовательно, дефазировка прецессии атомных ядер происходит в противоположном направлении по сравнению с тем, когда приложено постоянное магнитное поле B₀ . Указанный шаг повторяется несколько раз (строка 2, столбцы N-N+1). Как можно заметить, амплитуда испускаемого сигнала градиентного эха 23, 27 будет убывать, пока не упадет до нуля.

Испускаемые сигналы градиентного эха 23, 27 могут использоваться для ЯМР спектроскопии. Каждый из испускаемых сигналов градиентного эха 23, 27 детектируется только перед прикладыванием соответствующего градиентного магнитного поля 32 В_g’. Фурье-преобразование продетектированных сигналов градиентного эха 23, 27... может обеспечить получение ЯМР спектра.

ЯМР спектроскопия с использованием детектирования сигнала градиентного эха имеет многочисленные применения, например, спектроскопия объемных флюидов. Как упоминалось выше, может быть получен больший объем информации путем сравнения полученного затухания с затуханием, полученным из CPMG сигналов и ЯМР спектроскопии в MDT модуле. По сравнению с детектированием методом ЯМР спектроскопии затухания свободной индукции, ЯМР спектроскопия, использующая детектирование сигнала градиентного эха, обеспечивает более высокое отношение S/N.

Например, эффективно применять устройство, когда ЯМР инструмент окружается образцом, который должен быть проанализирован. Аналогично устройство можно применять для каротажа скважин.

На фиг.7 представлен каротажный инструмент 29, расположенный внутри скважины 31 на проводной линии связи 33. Размещение магнита внутри каротажного инструмента выполнено по продольной схеме. Электронная схема 41 подает соответствующий электрический ток в соленоидальные катушки 38 и 39 для формирования градиентного магнитного поля и излучения требуемых радиочастотных полей на специфических частотах. Электронная схема 41 предназначена для того, чтобы настроить соленоидальную катушку 39 для приема ЯМР сигналов, испускаемых атомными ядрами, формирующими земной пласт. Система из источника электропитания формирует изменяющиеся во времени токи, предназначенные для возбуждения катушки 39, а также для детектирования ЯМР сигналов. Инструмент может перемещаться на проводной линии 33 связи.

На фиг.8 представлен буровой инструмент 45 согласно другому варианту воплощения изобретения, расположенный внутри скважины 47. Магнит расположен продольным образом внутри бурового инструмента. Электронная схема 47 подает соответствующий электрический ток в соленоидальные катушки 55 и 56 для формирования градиентного магнитного поля и излучения требуемых радиочастотных полей на специфических частотах. Также электронная схема 41 предназначена для настройки соленоидальной катушки 55 таким образом, чтобы принимать ЯМР сигналы, испускаемые атомными ядрами, формирующими земной пласт. Система 55 источника электропитания формирует изменяющиеся во времени токи, предназначенные для возбуждения катушки, а также для детектирования ЯМР сигналов. Специалисту в этой области техники понятно, что этот вариант воплощения представляет собой инструмент, позволяющий осуществлять измерение в процессе бурения (MWD, ИПБ).