核磁共振T2譜提取研究

1、西安石油大學本科畢業(yè)設計（論文）核磁共振測井T2譜提取方法研究摘 要：核磁共振測井技術是上個世紀九十年代世界測井行業(yè)的重大技術進步之一，為復雜油氣藏勘探開發(fā)提供了全新的解決方案。MREx核磁共振測井儀是我國引進的先進核磁共振測井儀器。由于該儀器推出較快，硬件和軟件都不完善，且由于處理解釋軟件所適用的地質條件跟我國實際也有較大差異等原因，在數(shù)據(jù)處理和解釋中遇到了一些難題。如果這些問題不解決，必將大大影響該技術在我國的應用。數(shù)據(jù)提取和原始回波串生成方面，對MREx儀器探測特性、觀測模式、數(shù)據(jù)記錄格式等方面進行了剖析，弄清了數(shù)據(jù)采集及存儲細節(jié)，實現(xiàn)了對原始記錄信息的提取。對MREx核磁數(shù)據(jù)回波生成一

2、系列關鍵技術，包括相位校正、標準組組合、回波疊加、時深轉換等進行了研究，掌握了從時間域原始信號到深度域的回波串信號的處理技術。關鍵詞：核磁測井；T2譜；MREx；回波Study on The Extraction Method of NMR T2 SpectrumAbstract: Nuclear Magnetic Resonance logging technology is a major progress of well logging industry in the 1990s. It provides new answers to hydrocarbon exploration an

3、d development in complex reservoirs. MREx nuclear magnetic resonance logging is an advanced one，which is imported from foreign Companies. Because this tool is launched in a short time， both hardware and software of this instrument are imperfect， and geological conditions are different in and out of

4、China，some problems， maily on the data processing and interpretation， are encountered，If these problems are not solved，will greatly influence the application of this technology in China.In data extraction and echo generation aspects， the feature， activation， data recording format of MREx tool are an

5、alyzed. Making clear data acqusition and storage details， original record data are extracted. A series of key technologies of echo generation from MREx original data are formed， including phase-correction， echo stack， standard echo combinations， time-to-depth conversion， etc. The original orhogonal

6、signals in time domain are processed to echo signals in depth domain.Key words: Well Logging Tool ; T2 Spectrum ; MREx ; Echo目 錄1 前言11.1 核磁共振發(fā)展史11.2 國內外研究現(xiàn)狀11.3 核磁共振研究目的及意義32 核磁共振的原理52.1 核磁矩與自旋角動量52.2 經典力學觀點與量子力學觀點52.3 核磁共振測井的計算方法73 核磁共振測井的儀器103.1 核磁共振測井的儀器的發(fā)展103.2 MRILPrime儀器介紹114 MREx回波信號生成處理技術研究1

7、34.1 MREx核磁共振測井儀器簡介134.2 MREx數(shù)據(jù)采集觀測模式144.2.1 PP、PP Basic觀測模式154.2.2 PP Oil觀測模式164.2.3 PP Gas觀測模式184.3 MREx數(shù)據(jù)記錄方式194.4 各組回波生成技術204.5 標準組回波合成技術245 T2譜信息處理進行儲層參數(shù)求取275.1 計算孔隙度275.2 計算毛管束縛水285.3 估算滲透率295.4 提高參數(shù)計算精度的方法315.4.1 變T2截止值改進束縛水飽和度計算315.4.2 與密度聲波結合改進孔隙度計算336 總結與認識36參考文獻37致 謝38 I1 前言1.1 核磁共振發(fā)展史核磁共

8、振這種物理現(xiàn)象分別是由1946年由斯坦福大學的布洛赫(Bloch)和哈佛大學的拍塞爾(Parcel)兩人各自領導的小組發(fā)現(xiàn)的。把奇數(shù)個核子的原子核放于磁場中，再加某一頻率射頻場，將會發(fā)現(xiàn)原子核吸收射頻場的現(xiàn)象。后來，美國的RussellVarian證實了地磁場中的核自由進動并發(fā)明了便攜式磁力計。1952年，Varian發(fā)明NMR磁力計，用于測量地磁場的強度，其基本組成是一個水瓶纏繞著線圈。當有直流電流通過該線圏時，沿線圈軸向將產一個磁場，水的氧核由于因為受到軸向磁場的作用，幾秒鐘后，改變它們原來沿地磁場的方向，而沿線圈軸線方向。然后斷開電流，用該線圈作接收器并檢測質子繞地磁場進動產生的信號。精

9、確地測定進動頻率，可以確定地磁場的總強度。由此人們第一次認識核磁共振的潛在價值，并在上個60年代早期研制出核磁測井(NML)儀。Borwn和Fatt在1956年研究發(fā)現(xiàn)，當流體處于巖石孔隙中時核磁共振弛豫時間與自由狀態(tài)相比顯著減小，并對原油在巖心中的弛豫特征進行了探討1-3。Timur在1968年提出自由流體指數(shù)的概念并用核磁共振測量了砂巖孔隙度、自由流體指數(shù)和滲透率等參數(shù)的方法。核磁測井儀由于有許多局限性最終在80年代末停止了服務。盡管它有諸多局限性，但為核磁測井發(fā)展而進行諸多研究，使核磁共振測井有了今天的估算孔隙度、滲透率、自由流體體積、束縛流體體積和潤濕性等多種地層評價手段。1978年在

10、LosAlamos實驗室進行的核磁測井研究項目是現(xiàn)代核磁測井發(fā)展的根源。該項目的主要目標是制造在井下使用的核磁共振測井儀，必須克服NML儀的局限性。該研究項目所使用的儀器與現(xiàn)代實驗室核磁共振儀器一樣都用強度很大的釤鈷合金永久磁體來產生均勻磁場，再用脈沖磁場來測量自旋回波信號。該儀器可以得到多種測量結果，用于不同地層的評價。該儀器證實了核磁共振用于測井的可行性，但由于它的采集信號的噪音大，而且無法消除掉井眼信號，嚴重影響了地層信號的采集。斯倫貝謝公司和Numar公司開始了對核磁共振儀器的研究，重新設計了磁鐵、磁場和天線以滿足商業(yè)核磁測井的需求。1.2 國內外研究現(xiàn)狀國外許多學者開展了提高核磁共振

11、儀器性能的研究工作。KleinbergR和MarschallD.分別對核磁共振測井的弛豫特性和毛管壓力曲線進行了研究。S.Chen、Manfred Prammer和Stefan Menger等人對用核磁測井來計算各種地層孔隙度和流體百分比提出了新的途徑。KorkowitzJ.P.、Crowe M.B.及AkkurtR等人研究了利用添加弛豫試劑來識別不同性質流體及利用流體的擴散效應來計算儲級集層的含油飽和度。20世紀90年代初，研究有了收獲，有兩家公司開始對電纜式核磁共振儀器進行現(xiàn)場測試。儀器性能遠遠超過NML儀，對地層評價方面有了很好的效果。自從第一支商用儀器投入使用以來，這兩家公司都先后推出

12、了先進的電纜式核磁共振測井儀和隨鉆測井(LWD)核磁共振測井儀器。1997年，哈里伯頓公司收購了Numar公司，2001年哈里伯頓公司推出了NMR流體分析儀，它是電纜式流體釆樣儀的一部分。在2000和2002年哈里伯頓公司和斯倫貝謝公司分別推出了LWD儀器。貝克休斯公司在2004年推出了電纜式NMR核磁共振測井儀器，2005年推出了LWD核磁共振測井儀器儀。磁鐵和天線是脈沖NMR測井儀的核心部分。它對儀器的最小回波間距、探測深度、性噪比、垂直分辨率和測井速度有重要影響。在用的所有儀器在傳感器的設計上都是不同的，主要差別是電子線路、脈沖序列、固件、數(shù)據(jù)處理和解釋處理算法等方面。斯倫貝謝的NMR測

13、井儀器有一個脈沖序列發(fā)生器和三個天線，可進行多種不同方式的測量。其中兩根天線是用于高分辨率測量，可計算束縛流體孔隙度、自由流體孔隙度、總孔隙度及滲透率，還能用來探測天然氣和輕質油。主天線有多個頻率，不同的頻率對應的探測深度不同，可對不同的地層進行評價?，F(xiàn)在的核磁測井儀器如MRIL-C、MRIL-Prime、MREx、CMR-Plus、MR-Scanner都是用強度大的永久磁鐵來產生均勻磁場，采集的信號時都是用脈沖序列所激發(fā)的信號。自從核磁共振測井得到廣泛運用以來，NMR測井最有意義的新進展之一就是能計算出與巖性無關的NMR總孔隙度。由于根據(jù)常規(guī)三孔隙度(密度、中子、聲波)測井求取孔隙度要知道巖

14、石骨架性質，所以NMR測井儀是唯一能夠提供與巖性無關的孔隙度的方法。在復雜巖性、特殊巖性和未知巖性的非均質地層中，為了準確測量孔隙度，用核磁共振測井有獨特的優(yōu)勢。根據(jù)T2分布是核磁測井最重要的成果，很多有用的地層參數(shù)可由T2分布計算出來。根據(jù)核磁共振的回波串反演計算出的T2譜可計算出核磁總孔隙度、有效孔隙度、自由流體孔隙度和束縛流體孔隙度，也能估算滲透率、評價儲層類別等。我國的核磁共振測井是1996年開始的。中國石油集團測井有限公司(CPL)的華北事業(yè)部最先引進了NUMAR公司的C型磁共振成像測井儀(MRIL-C)。隨后，這項技術在我國迅速推廣。如今，4大測井公司的核磁共振測井儀器(MRIL-

15、C、MRIL-Prime、MREx、CMR-Plus、MR-Scanner)均在我國廣泛運用并取得了很好的效果。但核磁共振測井儀器及軟件基本靠進口，核磁共振測井技術的各種理論基本是靠吸收國外的各種文獻及資料，但在實際運用過程中出現(xiàn)的多種異常現(xiàn)象尚不能做出合理的解釋，影響了運用效果，某種程度上影響了人們對這項技術。在2010年中國石油集團測井有限公司的技術中心研制出了仿MRIL-P型儀器，同時中海油田服務股份有限公司也研制出了仿MREx貼井壁測量EMRT測井儀器以及其配套的解釋軟件。在核磁共振測井解釋軟件上國內也有很大的進步，基本可以不再依靠國外的解釋軟件，進一步推動了我國核磁共振測井技術的發(fā)展

16、。在國內外核磁共振測井的運用中均存在很多還未解決的問題及缺陷。從理論上來講NMR是測量的孔隙度是最好的方法，能夠提供準確的孔隙度測量信息，而實際上在稠油層、氣層、或高礦化度鉆井液、以及含有導磁礦物的巖石等條件下，往往出現(xiàn)測量孔隙度偏大或偏小的情況，甚至與某些巖性有相關性。核磁T2譜區(qū)分可動流體和束縛流體時，最重要的參數(shù)是T2截止值，而T2截止值由實驗室才能確定，不同區(qū)塊、不同層位、不同巖性的T2截止值相差很大。對于砂泥巖儲層，通常把33ms作為T2的截止值，用于區(qū)分束縛水和自由水。但該值在許多情況下都難以適用，如在低孔低滲儲層、致密儲層中T2截止值在1-40ms之間，由于T2截止值分布范圍廣，

17、因此計算的誤差會很大。在碳酸巖儲層中，T2截止值明顯大于砂巖的截止值，一般在100ms左右。在流體的識別方面，有很多半定性半定量的方法，但是都有非常強的使用條件。核磁共振測井得到的滲透率量子力學、束縛水、孔徑分布、毛管壓力曲線、原油粘度等信息，都是由回波串反演計算出T2分布，然后再導出的二級參數(shù)，也都限定了其使用范圍。因此，在應用實踐中容易出現(xiàn)的種種問題。在評價儲層類型方面，核磁T2譜與毛細管壓力曲線有相似的性質，都表征了儲層的孔隙結構分布，因此，可在沒有實驗毛細管壓力曲線數(shù)據(jù)情況下用T2譜構造毛管壓力曲線來評價儲層好壞，但T2形態(tài)又受到儲層含烴的影響，導致構造出的毛細管壓力曲線有偏差，在技術

18、上還要進一步的發(fā)展才能有更廣泛的發(fā)展。稠油資源在我國各大油田分布非常廣泛，現(xiàn)在還沒有一種測井方法能精確的對稠油進行描述、檢測和分析，國際上用核磁共振測井評價稠油還處于探索階段。精準的評價稠油將有非常好的前景。稠油在核磁共振上有獨特的響應特征，因此可以通過核磁數(shù)據(jù)分析識別稠油。由于調油的粘度大，流動性差，泥漿侵入較淺(侵入帶淺)，沖洗帶孔隙中的稠油不易被泥漿代替，NMR計算的流體飽和度可信度較高。無論地層是親水還是親油，稠油的T2分布都和束縛水信號重疊，計算束縛水飽和度難度極大，并且使得用來評價中等粘度原油的SSM或DIFAN方法失效。由于稠油的Ta值小極化時間短，在雙等待時間測井模式下的DSM

19、方法也失去效果。目前的核磁共振測井儀器都因回波間隔較長，部分弛豫稠油核磁信號沒有被記錄，當稠油粘度高于1000cp時，含氧指數(shù)會降低，使計算的地層孔隙度誤差偏大。因此需要對核磁測井有新的認識，及尋找新的方法來提高核磁測井。1.3 核磁共振研究目的及意義測井的主要目的是進行地層評價，其核心內容如下：第一：產液性質評價。主要是孔隙流體（油、氣、水）成分的確定，可動流體（油、氣、水）飽和度、不可動流體（殘余油、束縛水）飽和度的計算。第二：產層性質的評價。主要是孔隙度、孔徑分布、滲透率、粒徑分布，分選性、潤濕性等的分析。第三：油藏性質的評價。主要是沉積環(huán)境、構造特征、產層的連通性、儲量、產能、開采價值

20、等的評價。常規(guī)的測井方法經過近80年的發(fā)展，已經有不同的測井系列可以解決上述的問題。孔隙度測井系列和電阻率測井系列可以分別用來進行產層孔隙度的估算和孔隙流體成分以及飽和度的評價。在比較理想的條件下這些方法取得的效果是不錯的，但是實際影響這些常規(guī)測井方法的地層因素都很復雜，包括巖石礦物、骨架成分等與地層油氣資源特征無關的因素，這就給我們的測井評價帶來了嚴重的不確定性。而另一方面，常規(guī)測井響應方程對應的地層模型過于簡單使許多與油氣特征有關的因素不能被處理，無法滿足我們對油氣資源評價的要求。例如，在孔隙度測井系列中的多礦物體積模型中，不可能包含作為產層質量重要指標的孔徑分布及滲透率參數(shù)（因為無論中子

21、、密度、還是聲波時差測井，對孔徑分布及滲透率都不靈敏，無法分辨）。在電阻率測井中，微孔發(fā)育或者粒間水豐富情況下由毛管束縛水引起的低阻油層也經常被漏判。所以，地層模型的不完善，提供的油氣參數(shù)不充分或者提供的參數(shù)與油氣特征無關都會引起我們測井解釋的低精度和多解性，使得常規(guī)測井技術在油氣評價中受到了一定的限制。核磁共振測井作為一種裸眼井測井新方法，有全新的理論和響應方程，其測量的是地層中自由流動流體中氫核的數(shù)量，所以在確定孔隙度時不受固體骨架的影響，確定飽和度不受地層水電阻率的影響，因而它能夠為地層的油氣評價提供獨特的、可靠的、在許多情況下甚至是不可或缺的重要信息，這些信息包括：與巖性無關的孔隙度；

22、毛管束縛水、泥質束縛水、可動流體飽和度；滲透率；可動流體中的油、氣含量等。這些信息的獲取和應用極大地改善了對地層油氣評價的準確性、對儲量計算的合理性、對產能預測的合理性，以及對油氣田增產措施評價的可能性。固體骨架對核磁共振測井響應沒有貢獻，觀測信號只來自于孔隙中的流體。而且，孔隙中的不同流體，如泥質束縛水、毛管束縛水、可動水、天然氣、輕質油、稠油等，具有不同的核磁共振性質通過精心設計的觀測模式，可有效地識別這些流體，并進行定量解釋。核磁共振測井的應用在一定程度上能夠解決常規(guī)測井方法中難以解決的問題。但是，無法直接應用核磁測井原始回波數(shù)據(jù)，必須對其進行反演得到T2譜再經過計算處理才能得到上有用息

23、。而T2譜反演結果直接影響儲層參數(shù)（如孔隙度、滲透率、孔徑分布等）計算和流體別的準確性。因此，研究核磁共振T2譜反演技術是進行核磁共振測井解釋和應用的基礎關鍵，對其進行深入研究意義深遠。2 核磁共振的原理原子核由質子與中子構成，質子帶電，中子不帶電，質子與中子統(tǒng)稱核子。原子核的基本特性表現(xiàn)在所帶的電荷與其具有的質量上。原子核的電荷數(shù)目取決于原子核中質子的數(shù)目，而核的質量則取決于核質子數(shù)與中子數(shù)之和。根據(jù)原子核的電荷與質量這兩個特性，可解釋原子核與周圍粒子的強相互作用，如裂變、聚變等，但不能解釋一些弱相互作用，如核磁共振現(xiàn)象。要解釋核磁共振現(xiàn)象，就要了解原子核的另一個由內秉角動量產生的特性：自旋

24、。原子核按有無自旋可分為：有自旋的原子核與無自旋的原子核。研究表明：所有含奇數(shù)個核子以及含偶數(shù)個核子但原子序數(shù)為奇數(shù)的原子核，都具有“自旋”。如、等為有自旋的原子核。這樣的核，自身不停地旋轉。在外加磁場中，猶如一個旋轉的陀螺。有自旋的原子核才是核磁共振研究的對象，核磁共振測井中最常用的是氫核4。2.1 核磁矩與自旋角動量原子核對外的效應可將原子核看作是一個具有一定質量與體積、均勻帶電的球體。原子核的自旋等效于該球體的旋轉。自旋的原子核引起繞核心沿旋轉方向環(huán)行的電流，從而產生磁矩，稱為核磁矩，又稱磁偶極子。在外磁場中會受到力矩T的作用。根據(jù)力學的定義，某矢量相對于某個點或某個軸的作用稱為矩，它等

25、于矢量作用點到某點或某軸的矢量半徑r與作用矢量的矢量積原子核具有質量m，自旋時具有速度v，故原子核具有自旋角動量，這里r為質量m相對于原子核旋轉軸的距離。由于核磁矩與自旋角動量P均由自旋引起，其間必有聯(lián)系?？梢宰C明，這個矢量是共線的，且成正比，即式中為比例系數(shù)，稱為旋磁（Gyromagneticratio）。不同的元素，相應有不用的旋磁比，對而言，這個值為42.58MHZ/Tesla。2.2 經典力學觀點與量子力學觀點為了使核磁矩在磁場中的勢能發(fā)生變化，或者說要使圖2-1中與B0的夾角發(fā)生變化，必須吸收能量，這可通過在與靜磁場B0方向相垂直的平面（x-y平面）上加一個射頻場來實現(xiàn)，射頻場在時間

26、上是交變的磁場，因為： （2-1）交變磁場可分解為兩個相反方向轉動的旋轉磁場和，其中同在B0中的進動方向一致，而B1+則與這一方向相反。為便于分析，引入旋轉坐標系x-y-z，它以角速度0相對于x-y-z沿的進動方向轉動(圖2-la)。在旋轉坐標系中，不繞z轉動，B1-（也相對靜止。正像在靜磁場B0作用下，在x-y-z坐標系中繞B進動一樣，在x-y-z坐標系中繞B1-（進動，進動角頻率為。其結果是使與B之間的夾角發(fā)生變化（圖2-lb），同時的勢能也發(fā)生變化。增加，勢能增加，這個能量增量由外加交變磁場B1（射頻場）提供，交變電磁場既可以連續(xù)地施加，也可以以短脈沖形式施加。現(xiàn)代核磁共振技術都采用脈沖

27、方法。當減小時，勢能減小，將能量交給外加交變磁場，這種能量交換只有在交變磁場的角頻率滿足時才發(fā)生，此時與B1-（繞Z軸同步旋轉。這一現(xiàn)象就是核磁共振，式就是共振條件，共振頻率為。圖2-1 利用旋轉坐標系分析B1- 對的作用（a）旋轉坐標系：（b）在旋轉坐標系中繞B1-（同x方向）做進動根據(jù)量子力學的理論，核磁矩在磁場中只能取某些固定的方向，而不能取其它方向。例如對氫核例如對氫核自旋量子數(shù)I=1/2，核磁矩只能有兩個取向，即只能在兩個可能的進動圓錐上進動（圖2-2）。當在上面的進動圓錐上進動時（與B0平行），相當于磁量子數(shù)m=1/2，處于低能態(tài)；當拼在下面的進動圓錐上進動時（反平行于B0），相當

28、于m=-1/2，處于高能態(tài)。外加磁場使核自旋的能級發(fā)生分裂。相鄰能級之間的能量差為： （2-2）式中，h為普朗克常數(shù)。在X軸方向上加一個交變磁場，如果其頻率滿足條件，那么，處在上進動圓錐上的核磁矩將吸收交變磁場能量而躍遷到下進動圓錐上來，即從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，反之若核磁矩從下面的圓錐躍遷至上面的圓錐，就會釋放出能量。這樣，用經典力學與量子力學兩種觀點均可圓滿地解釋核磁共振現(xiàn)象，所得共振條件也是相同的。 圖2-2 核磁矩I=1/2的兩個可能的進動圓錐2.3 核磁共振測井的計算方法動量矩核磁矩（為旋磁比）。宏觀磁化量：單位體積內核磁矩的和，稱宏觀磁化量M。 （2-3）拉莫爾頻率() （2-4）核

29、磁共振是磁場中的原子核對電磁波的一種響應，每一種元素的原子核都有特定的自旋量子數(shù)，自旋量子數(shù)大于0的原子核在自旋時會產生磁場。由于量子特性，在外磁場B0中，原子核只能有(2I+1)種取向(I為原子核的自旋量子數(shù))。從理論上講，用核磁共振可測量任何有磁矩的核素。但氫在地磁場中具有最大的旋磁比和最高的共振頻率，另外由于技術水平和測量靈敏度所限，當前實際投入應用的儀器僅限于測量氫核，氫核的自旋量子數(shù)I=1/2，2I+1=2，所以其在外磁場中僅有兩個取向，即:順磁場方向和逆磁場方向。氫核與電磁場的作用強度和方向可用一組核磁矩(M)的矢量參數(shù)來表示。在沒有任何外場的情況下，核磁矩(M)是無規(guī)律地自由排列

30、的。沿著磁場方向排列。當氫核的核磁矩處于外加靜磁場中，它將受到一個力矩的作用，自旋系統(tǒng)被極化（M重新排列取向），從而會像傾倒的陀螺繞重力場進行一樣，繞外加磁場方向進動，進動頻率（拉莫爾頻率），0與磁場強度B0成正比。原子核在外磁場中的運動(類似于陀螺在重力場中的進動)如圖2-3。圖2-3 原子核在外磁場中的運動在極化后的磁場中，如果在垂直于B0的方向再加一個交變磁場B0即射頻脈沖，其頻率也為0，將會發(fā)生共振吸收現(xiàn)象，即處于低能態(tài)的核磁矩，通過吸收交變磁場提供的能量，躍遷至高能態(tài)，此現(xiàn)象稱為核磁共振。圖2-4 核磁共振原理圖脈沖結束后，核磁矩擺脫了外加磁場的影響，而只受主磁場的作用，進行自由進動

31、，磁矩力圖恢復到原來的熱平衡狀態(tài)，這一從不平衡到平衡的過程稱為弛豫。這個過程可以用兩個弛豫時間來描述，即自旋-晶格或稱縱向弛豫時間(T1)和自旋-自旋或稱橫向弛豫時間(T2)。T1反映磁化矢量的縱向分量恢復到初值的過程，它決定于受激自旋與周圍晶格之間能量的傳遞速度。T2反映非平衡態(tài)磁化矢量水平分量衰減到零的過程，這種衰減來自于鄰核局部場及靜磁場的不均勻性引起的散相。核磁馳豫會產生感應電流信息，即核磁共振信號。NMR信號的馳豫時間與氫核所處的周圍環(huán)境密切相關，由于儲層中的水和烴(油、氣)分子結構中含氫量的不同，縱向馳豫時間T1相差很大，這意味著它們的縱向恢復速率很不相同，其物理含義是:水的縱向恢

32、復時間比烴快得多。如果選擇不同的極化時間，進行一系列的測量，就可得到衰減幅度不同的信號分布，就能分辨出油、氣、水的信息。但在現(xiàn)場測井時，T1測量速度很慢，而且受界面影響嚴重，測量結果重復性差，而T2在現(xiàn)場卻可以較快的速度獲得較準確的結果，所以現(xiàn)在實際測井一般只測T2。測得的T2信息，通過信號處理技術，可將其轉換為T2分布。3 核磁共振測井的儀器3.1 核磁共振測井的儀器的發(fā)展核磁共振測井儀器的構想最早由Varian提出5，并進行了可行性研究。20世紀60年代，Chevron和斯倫貝謝合作研制出利用地磁場的核磁共振測井儀器（Nuclear Magnetism Logging-NML），并用于油田

33、測井。但是這種儀器在使用上受到兩方面的限制：第一個限制是儀器不但測量到來自地層流體的信號，而且還測量到來自井眼泥漿信號。為了消除來自井眼信號的影響，需要在井中加入磁粉來縮短井眼信號；第二個限制是在檢測信號之前切斷的直流電流需要很長的時間，造成儀器“死時間”很長，小孔隙的信號無法觀測到，測量不到地層的總孔隙度。由于受到儀器“死時間”和井眼中的泥漿信號的影響，地磁場核磁共振測井儀沒有被廣泛使用。為了克服NML儀器帶來地局限性，Jackson等人提出了利用永久磁鐵在井眼之外的地層中產生一個環(huán)形的均勻磁場，即“Inside-out的概念，設計了基于反向磁體的核磁共振測井儀的方案。但是這種方案產生地均勻

34、磁場區(qū)域太小，觀測信號的信噪比很低。同時在操作過程中，環(huán)形的均勻磁場的位置和磁場強度是隨時間變化的，當射頻線圈調到一個固定的頻率時，很難滿足共振條件。1987年，Shtrikman和Taicher提出一種新的磁體與天線結構，克服了Jackson設計中的共振匹配問題，使核磁共振測井信噪比問題得到解決。Shtrikman和Taicher的設計后來進一步發(fā)展為Numar/哈里伯頓公司的磁共振成儀器（Magnetic Resonance Imaging Logging-MRIL）。MRIL儀器以人工梯度磁場和自旋回波CPMG脈沖序列為基礎，觀測地層孔隙流體中氫核的NMR信號，得到橫向弛豫時間T2，使核

35、磁共振測井進入實用化階段。MRIL-B型儀器于1990年開始投入油田服務，并很快得到成功應用。1994年，Numar公司推出MRIL-C型雙頻核磁共振測井儀。至今，已推出了MRIL-B、MRIL-CMRIL-C/TP以及MRIL-Prime型四代儀器。MRIL-Prime儀器最多可以用9種不同的頻率工作，做9個圓柱殼的觀測，通過改變頻率可以在各個圓柱間轉換。9個圓柱殼的探測深度總變化為2.5cm。多頻率工作方式可以測量總孔隙度，而在每一圓柱殼上使用不同的觀測模式可以進行多參數(shù)數(shù)據(jù)采集，從而對地層流體進行識別和評價。實踐證明，新的儀器提了測井速度和數(shù)據(jù)的信噪比。1992年，斯倫貝謝公司的科學家K

36、leinberg等人設計了一種貼井壁測量的偏心型組合式核磁共振測井儀器（Combinable Magnetic ResonanceCMR）。CMR儀器的探測深度很淺，但縱向分辨率，采用貼井壁的測量方式受井眼泥漿礦化度的影響小。到目前為止，斯倫貝謝公司先后推出了CMR-A、CMR-200、CMR-Plus以及最新一代MRScanner電纜磁共振測井儀。MRScanner是一種具有多個測量頻率、多個磁場梯度的偏心型的測井儀器，共有三個天線，一個主天線和兩個分辨率天線。主天線的測量頻率從0.5MHz到1MHz，對應的磁場梯度從38到12Gauss/cm，縱向分辨率為18英寸，探測深度為1.5，2.3

37、，2.7和4.0英寸。兩個分辨率天線操作頻率為1.1MHz，對應的磁場梯度是44Gauss/cm，探測深度為1.25英寸，縱向分辨率達到7.5英寸，可以進行薄層評價。多個探測深度可用于研究泥漿侵入剖面的變化。貝克休斯公司最初使用Numar/哈里伯頓公司的MRIL儀器，2003年，自主研制了MRExplorer（簡稱MREx）儀器，該儀器采用多個測量頻率，多磁場梯度，偏心貼井壁測量方式。儀器操作頻率從400到800kHz，每種頻率的帶為12kHz，相鄰的兩個頻率的間隔最小為25kHz。探測區(qū)呈120°的圓弧形，與居中型MRIL儀器相比，雖然探測區(qū)較小，但探測區(qū)靠近儀器的天線，使得射頻信

38、號較強。儀器的探測深度隨操作頻率而定，頻率越低，探測越深，MREx從井壁算起，探測深度在2.5到4.5英寸之間，這種探測深度可避免井壁不規(guī)則對測量結果的影響，并減少了泥漿侵入的影響。偏心貼井壁測量方式，不僅避免了來自于井眼信號的干擾，而且可以在斜井或水平井中進行測量。斯倫貝謝公司的MRScanner和貝克休斯公司的MREx核磁共振測井儀器的共同特點是采用多頻率、多個磁場梯度，一次測井可采集多個等待時間（TW）和多個回波間隔（TE）下的許多組自旋回波串數(shù)據(jù)，可以進行二維核磁共振測井，提了儲層流體識別和定量評價的效果。前蘇聯(lián)早在60年代就開展了核磁共振測井研究，到了80年代，俄羅斯研制出利用地磁場

39、的核磁共振測井儀器，并投入油田使用。在俄羅斯的許多油田，核磁共振測井被列為必測項目，它已成為重要的勘探測井方法和有效的開發(fā)測井手段。中國從1996年開始引進西方的核磁共振測井儀器。在此之前，俄羅斯的早期核磁共振測井儀器在中國做過介紹并在一些油田進行了現(xiàn)場試驗。中油測井技術服務有限公司（CNLC）和華北測井公司最早引進了Numar/哈里伯頓公司的MRIL-C型核磁共振成測井儀器。到目前為止，我國各測井公司陸續(xù)從哈里伯頓和貝克休斯引進了約46套核磁共振測井儀器，另外還有斯倫貝謝的3套CMR和1套MRScanner在中國境內服務?！笆濉逼陂g國家科技部把研制核磁共振測井儀器列入國家重大攻關項目。20

40、06年，中國石油天然氣集團公司科技發(fā)展部將多頻核磁共振測井儀研制列為重大儀器專項課題。這些工作的開展對中國盡早研制出具有自主知識產權的核磁共振測井儀器必將起到推動作用。3.2 MRILPrime儀器介紹 MRILPrime儀器主要由3部分組成：探頭分MRSND；電子線路部分MRECD；電容部分MRCCD(能量儲存)。另外還有一個泥漿排斥器，多個居中及扶正器，MRIL一Prime儀器探頭主要由長度為6in的強永久磁鐵和天線構成。磁體由眾多小磁疇(偶極子)組成，從橫截面上看，NS極水平平行擺放，由此在徑向方向建立起一個梯度磁場。在設計上要求磁體產生的靜磁場B0與射頻線圈產生的射頻場B1在任何地方都

41、互相垂直，此時，兩個磁場的等場強度線都是同心柱殼，在徑向方向都服從平方反比率。B0與B1正交是獲得最大信號的關鍵。而在存在磁場梯度的空間區(qū)域，根據(jù)Larmor頻率確定的共振條件，可以通過改變射頻電磁波的中心頻率來選擇觀測區(qū)域。MRIL以自旋回波技術為基礎的?；夭ㄊ侵鼐鄣腘MR信號，它作為90°脈沖之后180°脈沖重聚作用的結果，在原始NMR自由感應衰減信(FID)消失較長的一段時間后才出現(xiàn)，而且，能夠通180°射頻脈沖串一個接一個地多次重聚，由此得到一個自旋回波串。 圖3-11 MRILPrime儀器示意圖4 MREx回波信號生成處理技術研究4.1 MREx核磁共

42、振測井儀器簡介MREx核磁共振測井儀器是貝克休斯公司推出的新一代核磁共振測井儀，它采用偏心測量的方式工作。MREx儀器由磁鐵和天線兩部分組成，圖4-1為MREx天線和磁鐵設計橫截面示意圖。兩塊磁鐵的極性一致，既能迫使磁場方向轉入地層，又能保證B0和B1場垂直。MREx天線是由兩組平行放置的、磁場極性一致的線圈組成，一組為負責脈沖信號發(fā)射和回波信號接收的天線，另外一組為降低井眼泥漿信號影響的擾流天線。MREx儀器工作時探測靈敏區(qū)為橫截面為120°的扇形殼，如圖4-2。圖4-1 MREx天線和磁鐵設計橫截面示意圖6圖4-2 MREx探測區(qū)域示意圖該儀器可用多達12個的頻率進行工作，頻率范

43、圍在450880kHz。頻率越高，探測區(qū)域離井眼越近，MREx儀器的探測范圍在2.64.5in之間。同時，工作頻率的帶寬決定了扇形殼探測區(qū)域的厚度，MREx儀器各個頻率帶寬為12kHz，所以，每個扇形殼的厚度為0.06in。相鄰兩個頻帶主頻間距為25kHz，對探測區(qū)深度的選擇更加靈活。MREx儀器跟其他核磁共振儀器一樣，采用CMPG脈沖序列，不同的是脈沖序列中的原180°脈沖的扳轉角改為了135°。同時，為了補償振蕩噪聲和系統(tǒng)振鈴，MREx儀器采用PAPS交替相位對觀測，每對相位對中90°脈沖的相位相差180°，如圖4-3。MREx采用高度簡化的模塊化控

44、制，設置了針對不同地層的觀測模式7。對于粘土、束縛水、毛管束縛水信息的獲取采用多次獨立觀測，累加綜合處理，提高了信噪和計算精度。儀器的總長為25ft，對井斜的要求小。在6in井眼中，可以通過17°/100ft的造斜段。此外，該儀器可耐高溫，溫度上限是204°，功率小于700watts，可以使用的條件更廣。圖4-3 MREx儀器采用的 PAPS 脈沖序列對4.2 MREx數(shù)據(jù)采集觀測模式 MREx核磁共振儀器提出目標定向數(shù)據(jù)采集包（OOA，Objective，Oriented， Acquisition）的概念，一次觀測可以采集到多組CPMG回波序列。這些回波串的采集參數(shù)針對儲

45、層中烴的類型和地層巖石特性而設計，測量更具有針對性。設計的幾種固有的測量模式的采集參數(shù)設置見表3-1，典型的測量模式是PP模式、PP OIL模式和PP GAS模式三種（早期版本分別稱為FE、FE+OIL和FE+GAS）。表4-1 MREx核磁典型觀測模式采集參數(shù)設置觀測模式頻率設置回波間隔等待時間測井目的組數(shù)頻率序列組數(shù)時間(ms)組數(shù)時間（s）PP612，4，8，10，2，6或11，3，7，8，1，510.4-0.6(0.6)14.434物性參數(shù)評價PP Gas612，10，8，6，4，210.64TWS1TWL11.097氣層評價PP Oil312，10，8或11，9，7或12，9，6或1

46、2，8，530.6，1.5，2.12TWS1TWL4.209輕質油層評價PP HeavyOil612，10，8，6，4，250.6，2.0，3.5，7，82TWS1TWL3.307稠油儲層評價PP Basic312，10，8或11，9，7或6，4，210.612.434物性參數(shù)評價BW212，1010.6或0.5或0.411.199束縛水評價4.2.1 PP、PP Basic觀測模式PP Basic和PP同屬地層評價模式，用于獲得地層T2譜分布和基本參數(shù)，如總孔隙度、有效孔隙度、粘土束縛水、毛管束縛水、可動流體及滲透率。PP Basic觀測模式采用三個不同的頻率觀測，f1的頻率最高，f2、f3

47、依次降低。測量結果包括7組回波串，每組回波串的回波間隔一樣（標準為0.6ms），但工作頻率、等待時間，回波串長度不同（回波串長度為回波間隔和回波個數(shù)的乘積），采集模式見圖4-4左。1組是完全極化的T2譜測井，2組、7組是部分極化的粘土束縛水CBW測井，3組、4組、5組、6組代表部分極化的毛管束縛水BVI測井。各組回波的采集參數(shù)見表4-2。對于2組和7組的CBW測井，在每個觀測時窗內重復觀測12次，得到相位角交替變換的回波串。圖4-4 PP觀測模式回波串組及頻率分配示意圖PP觀測模式與PP Basic觀測模式不同的是它采用6頻觀測。PP觀測模式共由14組回波串組成，后7組回波串是對前7組回波串的

48、重復，只是采用的頻率不同（見圖4-4右）。PP模式和PP Basic模式采集參數(shù)見表4-2。表4-2 PP Basic觀測模式的采集參數(shù)回波序列工作頻率（kHz）等待時間（ms）回波間隔（ms）回波個數(shù)采集時間（ms）疊加次數(shù)NST2類型#179534500.68335001T2#2795300.6161012CBW#355534500.650301BVI#466434500.650301BVI#55551000.650301BVI#66641000.650101BVI#7664300.6161012CBW4.2.2 PP Oil觀測模式PP Oil觀測模式的目的是油層評價。油層評價主要是利用

49、油水極化的時間和擴散差異，選擇不同的回波間隔、等待時間和磁場梯度，組合得到位位移譜、差譜識別儲層流體性質。PP Oil觀測模式采集得到三種不同等待時間和回波間隔下的CMPG回波串，對觀測信息進行處理分析，就能得到地層孔隙及孔隙流體性質信息。圖4-5 PP Oil觀測模式回波串組及頻率分配示意圖PP Oil觀測模式采用三個頻率觀測，觀測得到13組回波串，各回波串的工作頻率見示意圖4-5，采集參數(shù)見表4-3。三個頻率中，f1頻率最高，f2、f3頻率依次減小。3組回波串的等待時間為第一等待時間（最長為5s），回波間隔為第一回波間隔（最小為0.6ms），回波數(shù)目最多（833）。該組是完全極化T2譜測井

50、，用于孔隙度計算。7組等待時間變?yōu)榈诙却龝r間（1s），回波間隔和回波數(shù)目跟3組相同。3組和7組進行組合，就可以進行差譜分析。同樣，也可以選擇1組和5組，只不過這1組和5組的回波間隔大（2.1ms），回波個數(shù)也少（238）。PP Oil模式對擴散特性的觀測采用了新的手段。原有的擴散分析改變的僅僅是回波間隔TE。MREx是將GTE的乘積進行改變，選擇高頻（高磁場梯度）與最長的TE結合，使擴散差異最大化。MREx三個不同回波串的頻率可以在12個頻率中選擇，頻率不同，磁場梯度不同，相應的TE也不同，組合起來便可以反映除了重油以外幾乎所有油氣層與水層之間足夠明顯的擴散差異。例如表3-3中，最高頻率87

51、6kHz，磁場梯度約為33.5Gs/cm，回波間隔2.1ms，G·TE=70.4Gsms/cm。另外兩組的G·TE分別為35.7和17.0Gsms/cm，三者的比值約為4：2：1。3組、9組、1組等待時間均為第一等待時間，回波間隔TE分別為0.6、1.5、2.1ms，也可以選擇其中的任意兩組的T2譜都可進行位移譜分析。7組和5組等待時間相同（1s），回波間隔TE分別為0.6ms、2.1ms，也可以可做位移譜分析。2、4、6、8、10組是對粘土束縛水部分的觀測。它們的采集參數(shù)完全相同，等待時間為30ms，回波間隔為0.6ms。在500ms的時間窗口里記錄12個回波串。11、1

52、2、13組是對毛管束縛水部分的觀測。它們回波間隔均為0.6ms，等待時間分別為50ms、100ms和200ms，記錄回波串的個數(shù)分別為8、4、4。.表4-3 PP Oil觀測模式的采集參數(shù)回波序列工作頻率（kHz）磁場梯度（Gs/cm)等待時間（ms）回波間隔（ms）回波個數(shù)采集時間（ms）重復次數(shù)NST2類型#187633.551262.12385001T2#2876300.6161012CBW#377828.251260.68335001T2#4778300.6161012CBW#587633.510002.12385001T2#6876300.6161012CBW#777828.2100

53、00.68335001T2#8778300.6161012CBW#969523.851261.53335001T2#10695300.6161012CBW#11695500.616108BVI#126951000.650304BVI#136952000.683504BVI4.2.3 PP Gas觀測模式PP Gas觀測模式是氣層評價提出的，利用的是氣水在極化時間上的差異。PP Gas觀測模式采用六個頻率觀測，f1頻率最高，f2-f6頻率逐漸降低。PP Gas觀測模式的結果由24組回波串組成，各回波串的工作頻率見圖4-6，采集參數(shù)見表4-4。圖4-6 PP Gas觀測模式回波串組及頻率分配示意圖

54、 24組回波串中的1組、3組、5組、7組、11組、13組、15組、17組、21組和23組為T2譜測井，均采用0.6ms的回波間隔進行觀測。PP Gas觀測模式設置了4個不同的等待時間，可以組成多對不同的等待時間差，從而進行差譜分析，探測氣層信息。 PP Gas觀測模式有兩個長等待時間12223ms（1組、11組）、11303ms（3組、13組），還有一個短等待時間983ms（5組、7組、15組、17組）。1組和5組、11組和15組分別是在f3、f4頻率工作時觀測的差譜，3組和7組、13組和17組分別是在f1、f2頻率工作時觀測的差譜。此外，還設置了一個超長的等待時間14097ms（21組和23組）可得到孔隙流體最充分極化時的信號。表4-4 PP GAS觀測模式的采集參數(shù)回波序列工作頻率（kHz）磁場梯度（Gs/cm)等待時間（ms）回波間隔（ms）回波個數(shù)采集時間（ms）重復次數(shù)NST2類型#177428122230.66904201T2#2774200.4251012CBW#397238.7113030.66904201T2#4972200.4251012CB