石油工程測井放射性3

1、會計學(xué)1石油工程測井放射性石油工程測井放射性32 核磁共振測井核磁共振測井(Nuclear Magnetic Resonance Logging)于于20世紀(jì)世紀(jì)60年代提出，但直到年代提出，但直到20世紀(jì)世紀(jì)80年代以后才逐漸發(fā)展起來，目年代以后才逐漸發(fā)展起來，目前已投入生產(chǎn)實踐。它利用地層孔隙中富含氫原子的液體（油、水前已投入生產(chǎn)實踐。它利用地層孔隙中富含氫原子的液體（油、水）中氫核受激發(fā)后產(chǎn)生的核磁共振信號，通過測井解釋獲知儲集層）中氫核受激發(fā)后產(chǎn)生的核磁共振信號，通過測井解釋獲知儲集層的孔隙度、可動流體指數(shù)、滲透率和巖石孔徑分布等油氣資源評價的孔隙度、可動流體指數(shù)、滲透率和巖石孔徑分布

2、等油氣資源評價所需要的基本參數(shù)，進(jìn)而計算出油層儲量。核磁共振測井是迄今唯所需要的基本參數(shù)，進(jìn)而計算出油層儲量。核磁共振測井是迄今唯一能夠直接測量儲集層自由流體孔隙度的測井方法，而且具有測量一能夠直接測量儲集層自由流體孔隙度的測井方法，而且具有測量準(zhǔn)確可靠、可提供多種儲集層參數(shù)等優(yōu)點。它所帶來的測井技術(shù)上準(zhǔn)確可靠、可提供多種儲集層參數(shù)等優(yōu)點。它所帶來的測井技術(shù)上的重大突破將有效地解決傳統(tǒng)測井方法由于不能圓滿測取儲集層特的重大突破將有效地解決傳統(tǒng)測井方法由于不能圓滿測取儲集層特征參數(shù)所導(dǎo)致的產(chǎn)層漏劃問題，對石油增產(chǎn)具有重要作用。征參數(shù)所導(dǎo)致的產(chǎn)層漏劃問題，對石油增產(chǎn)具有重要作用。第三節(jié)第三節(jié) 核磁

3、共振測井核磁共振測井3 氫核（質(zhì)子）本身帶電，質(zhì)子具有自旋性，可形成磁場，即質(zhì)子具有一定的氫核（質(zhì)子）本身帶電，質(zhì)子具有自旋性，可形成磁場，即質(zhì)子具有一定的磁矩。在磁矩。在Z軸施加外加磁場后（軸施加外加磁場后（B0），氫核繞外磁場方向轉(zhuǎn)動，這個轉(zhuǎn)動稱為進(jìn)），氫核繞外磁場方向轉(zhuǎn)動，這個轉(zhuǎn)動稱為進(jìn)動（圖動（圖322），進(jìn)動頻率），進(jìn)動頻率 0為：為：一、核磁共振測井一、核磁共振測井（一）核磁共振現(xiàn)象（一）核磁共振現(xiàn)象00B式中式中Y氫核的旋磁比，氫核的旋磁比，rad（sT）；）；B0外加磁場的磁感應(yīng)外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，強(qiáng)度，T。4 一、核磁共振測井一、核磁共振測井（一）核磁共振現(xiàn)象（一）核磁共振

4、現(xiàn)象圖圖322 靜磁場中質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)動靜磁場中質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)動5 在保持在保持核子核子靜磁場的條件下，對質(zhì)子施加與靜磁場方向垂直的射頻場。由于靜磁場的條件下，對質(zhì)子施加與靜磁場方向垂直的射頻場。由于射頻場的作用，質(zhì)子的磁矩將倒向射頻場的作用，質(zhì)子的磁矩將倒向XY平面。當(dāng)外加射頻場的頻率等于質(zhì)子（氫核平面。當(dāng)外加射頻場的頻率等于質(zhì)子（氫核）的進(jìn)動頻率時，質(zhì)子吸收外加射頻磁場的能量，躍遷到高能位，這就是核磁共）的進(jìn)動頻率時，質(zhì)子吸收外加射頻磁場的能量，躍遷到高能位，這就是核磁共振現(xiàn)象。振現(xiàn)象。一、核磁共振測井一、核磁共振測井（一）核磁共振現(xiàn)象（一）核磁共振現(xiàn)象（Nuclear Magnetic

5、Resonance-NMR）6 在核磁共振信號的測量期間，質(zhì)子磁矩收到在核磁共振信號的測量期間，質(zhì)子磁矩收到Z軸靜磁場的作用，在進(jìn)動過程軸靜磁場的作用，在進(jìn)動過程中向中向Z軸方向恢復(fù)，這個過程叫縱向弛豫?？v向弛豫過程的快慢，反映了巖石的軸方向恢復(fù)，這個過程叫縱向弛豫。縱向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特性及流體特性?？v向弛豫的方程為：孔滲特性及流體特性?？v向弛豫的方程為：（二）縱向弛豫及橫向弛豫（二）縱向弛豫及橫向弛豫10( )(1)tTM tMe式中式中M質(zhì)子初始的磁化強(qiáng)度，質(zhì)子初始的磁化強(qiáng)度，T；T1質(zhì)子的縱向弛豫時間，質(zhì)子的縱向弛豫時間，ms；M(t)t時刻的磁化強(qiáng)度，時刻的磁化強(qiáng)度，

6、T。7 在測量核磁共振信號期間質(zhì)子磁化強(qiáng)度在在測量核磁共振信號期間質(zhì)子磁化強(qiáng)度在XY平面的投影同時向零方向恢復(fù)，平面的投影同時向零方向恢復(fù)，這個過程稱為橫向弛豫。橫向弛豫過程的表達(dá)式為：這個過程稱為橫向弛豫。橫向弛豫過程的表達(dá)式為：（二）縱向弛豫及橫向弛豫（二）縱向弛豫及橫向弛豫式中式中M(t)t時刻磁化強(qiáng)度在時刻磁化強(qiáng)度在XY平面的投影，平面的投影，T；M0開始橫向弛豫的初始磁開始橫向弛豫的初始磁化強(qiáng)度，化強(qiáng)度，T；T2-橫向弛豫時間，橫向弛豫時間，Ms。20( )(1)tTM tMe8 橫向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特性，及流體特性。主要是由于測橫向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特

7、性，及流體特性。主要是由于測量效率的原因，目前下井核磁共振測井和實驗室核磁共振分析，都是測量地層（量效率的原因，目前下井核磁共振測井和實驗室核磁共振分析，都是測量地層（巖石）的橫向弛豫過程。巖石）的橫向弛豫過程。（二）縱向弛豫及橫向弛豫（二）縱向弛豫及橫向弛豫表表3-4 不同流體的弛豫參數(shù)（據(jù)不同流體的弛豫參數(shù)（據(jù)Coates）24 目前，在全世界范圍內(nèi)提供商業(yè)服務(wù)的核磁共振測井儀主要有目前，在全世界范圍內(nèi)提供商業(yè)服務(wù)的核磁共振測井儀主要有3種類型：一種類型：一種是種是Atlas和和Halliburton采用采用NUMAR專利技術(shù)推出的系列核磁共振成像測井儀專利技術(shù)推出的系列核磁共振成像測井儀

8、MRIL；另一種是；另一種是Schlumberger推出的組合式脈沖核磁共振測井儀推出的組合式脈沖核磁共振測井儀CMR；還有一；還有一種是以種是以Russia為主生產(chǎn)和制造的大地磁場型系列核磁測井儀為主生產(chǎn)和制造的大地磁場型系列核磁測井儀RMK923。這些核磁。這些核磁共振測井儀器的具體測量方式存在一些差異，但在測量原理上大同小異。共振測井儀器的具體測量方式存在一些差異，但在測量原理上大同小異。 （三）核磁共振測量原理（三）核磁共振測量原理25 CMR在探頭測量區(qū)間中產(chǎn)生局部均勻的靜磁場，在探頭測量區(qū)間中產(chǎn)生局部均勻的靜磁場，RMK923利用大地磁場作為靜磁場。利用大地磁場作為靜磁場。Numa

9、r MRIL型核磁共型核磁共振測井的測量方案具有代表性，見圖振測井的測量方案具有代表性，見圖323。在測量過程中，。在測量過程中，首先用靜磁場使地層中的質(zhì)子（氫核）定向排列；然后對質(zhì)首先用靜磁場使地層中的質(zhì)子（氫核）定向排列；然后對質(zhì)子施加特定頻率，且方向與靜磁場方向垂直的射頻磁場，使子施加特定頻率，且方向與靜磁場方向垂直的射頻磁場，使質(zhì)子發(fā)生核磁共振。巖石中的質(zhì)子受激發(fā)躍遷到高能態(tài)，然質(zhì)子發(fā)生核磁共振。巖石中的質(zhì)子受激發(fā)躍遷到高能態(tài)，然后以弛豫的形式放出多余的能量，質(zhì)子回到平衡態(tài)。質(zhì)子在后以弛豫的形式放出多余的能量，質(zhì)子回到平衡態(tài)。質(zhì)子在弛豫過程中放出的能量，就是核磁共振的測量信號。巖石中弛

10、豫過程中放出的能量，就是核磁共振的測量信號。巖石中核磁共振信號基本上是由孔隙流體中的氫核產(chǎn)生。核磁共振信號基本上是由孔隙流體中的氫核產(chǎn)生。 （三）核磁共振測量原理（三）核磁共振測量原理26 （三）核磁共振測量原理（三）核磁共振測量原理圖圖323 Numar MRIL型核磁共振測井探頭型核磁共振測井探頭27 核磁共振測井儀器的原始測量信號是核磁共振測井儀器的原始測量信號是質(zhì)子的弛豫信號質(zhì)子的弛豫信號，對弛豫信號反演后，對弛豫信號反演后，可以得到可以得到弛豫時間的譜分布弛豫時間的譜分布。根據(jù)弛豫時間的譜分布，可以得到。根據(jù)弛豫時間的譜分布，可以得到:地層總孔隙度（地層總孔隙度（TPOR）有效孔隙度

11、有效孔隙度(MPHI)自由流體體積自由流體體積(MBVM)毛管束縛流體體積毛管束縛流體體積(MBVI)粘土束縛水體積等地質(zhì)參數(shù)，如圖粘土束縛水體積等地質(zhì)參數(shù)，如圖324所示。所示。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用28 二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖324 某井核磁共振測井圖某井核磁共振測井圖29 圖圖325所示為利用核磁共振測井解釋地層中各種流體所示為利用核磁共振測井解釋地層中各種流體成分所依據(jù)的模型。從圖上可見，核磁共振測井得到的地層成分所依據(jù)的模型。從圖上可見，核磁共振測井得到的地層總孔隙度總孔隙度(TPOR)，有效孔隙度，有效孔隙度(MPHI)，自由流體體積

12、，自由流體體積(MBVM）、毛管束縛流體體積）、毛管束縛流體體積(MBVI)、粘土束縛水體積之間、粘土束縛水體積之間滿足關(guān)系：滿足關(guān)系： （1）總孔隙度（）總孔隙度（TPOR）由粘土束縛水、毛細(xì)管束縛水）由粘土束縛水、毛細(xì)管束縛水和自由流體體積組成；和自由流體體積組成； （2）有效孔隙度）有效孔隙度(MPHI）由毛細(xì)管束縛水和自由流體體）由毛細(xì)管束縛水和自由流體體積組成；積組成； （3）自由流體體積）自由流體體積(MBVM)為可產(chǎn)出的氣、中到輕質(zhì)的為可產(chǎn)出的氣、中到輕質(zhì)的油和水，油和水，MBVM=MPHIMBVI； （4）粘土束縛水體積為）粘土束縛水體積為TPOR與與MPHI之差。之差。二、核

13、磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用30 二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖325 核磁共振測井解釋模型核磁共振測井解釋模型國家重點實驗室國家重點實驗室國家重點實驗室NMR 測井測井32 圖圖326所示為所示為以核磁共振測井表以核磁共振測井表示的含水砂巖的流示的含水砂巖的流體分量畫像。從圖體分量畫像。從圖上可見，在含水砂上可見，在含水砂巖中，巖中，T2時間分布時間分布反映了地層的孔徑反映了地層的孔徑分布；短分布；短T2分量來分量來自接近和束縛于巖自接近和束縛于巖石顆粒表面的水。石顆粒表面的水。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖3-26 從時間分布表示的含水砂巖的流

14、體分量圖像從時間分布表示的含水砂巖的流體分量圖像33 核磁共振測井核磁共振測井T2T2測量值的幅度和地層的孔隙度成測量值的幅度和地層的孔隙度成正比正比（一般情況下該孔隙度不受巖性的影響），衰減率與孔隙大小和孔隙流體（一般情況下該孔隙度不受巖性的影響），衰減率與孔隙大小和孔隙流體的類型及粘度有關(guān)。的類型及粘度有關(guān)。T2T2時間短一般指示比表面積大而時間短一般指示比表面積大而滲透率低的小孔隙；滲透率低的小孔隙；T2T2時間長則指示滲透率時間長則指示滲透率高的大孔隙。高的大孔隙。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用34 巖石孔隙中氫核的弛豫快慢與弛豫的方式有關(guān)。當(dāng)氫核在巖石孔隙中氫核的弛豫快

15、慢與弛豫的方式有關(guān)。當(dāng)氫核在巖石孔隙的表面附近弛豫時，氫核頻繁與孔隙表面碰撞，這巖石孔隙的表面附近弛豫時，氫核頻繁與孔隙表面碰撞，這種碰撞使氫核的弛豫過程加快。氫核在孔隙表面附近的弛豫種碰撞使氫核的弛豫過程加快。氫核在孔隙表面附近的弛豫機(jī)制屬于表面弛豫。如圖機(jī)制屬于表面弛豫。如圖327所示，旋進(jìn)質(zhì)子在孔隙空間擴(kuò)所示，旋進(jìn)質(zhì)子在孔隙空間擴(kuò)散時會與其他質(zhì)子及顆粒表面碰撞，質(zhì)子每與一個顆粒表面散時會與其他質(zhì)子及顆粒表面碰撞，質(zhì)子每與一個顆粒表面碰撞一次，就有可能發(fā)生弛豫相互作用，顆粒表面的弛豫是碰撞一次，就有可能發(fā)生弛豫相互作用，顆粒表面的弛豫是影響弛豫時間最重要的機(jī)制。影響弛豫時間最重要的機(jī)制。實

16、驗表明，在小孔隙中，質(zhì)子與顆拉表面實驗表明，在小孔隙中，質(zhì)子與顆拉表面碰撞的幾率高，弛豫快；在大孔隙中，質(zhì)子與顆粒表面碰撞的幾率低，弛豫慢。碰撞的幾率高，弛豫快；在大孔隙中，質(zhì)子與顆粒表面碰撞的幾率低，弛豫慢。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用35 圖圖328是在某井低孔低滲儲集層中核磁共振測量的數(shù)據(jù)是在某井低孔低滲儲集層中核磁共振測量的數(shù)據(jù)。圖中的。圖中的“T2CUTOFF”稱為稱為T2截止值，是指截止值，是指T2分布譜上束分布譜上束縛流體和自由流體的截斷值，它將縛流體和自由流體的截斷值，它將T2譜分為兩部分。大于譜分為兩部分。大于T2截止值的那部分區(qū)域的面積等于自由流體體積，小于

17、截止值的那部分區(qū)域的面積等于自由流體體積，小于T2截止截止值的那部分區(qū)域的面積等于束縛流體體積。值的那部分區(qū)域的面積等于束縛流體體積。T2截止值是利用截止值是利用T2開展儲集層孔隙內(nèi)流體研究所需的重要參數(shù)，國外在均勻開展儲集層孔隙內(nèi)流體研究所需的重要參數(shù)，國外在均勻砂巖儲集層中確定的砂巖儲集層中確定的TZ截止值為截止值為33ms，但國內(nèi)在非均值孔，但國內(nèi)在非均值孔隙介質(zhì)中的研究表明，隙介質(zhì)中的研究表明，T2截止值有一定的變化范圍。截止值有一定的變化范圍。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用361001001000PORShort-TE1Short-TE2（TEL=3.6ms，TW=12

18、.0s）油層水層圖7 核磁共振測井識別中等粘度油水淹層實例37 二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖328 某井核磁共振測井圖某井核磁共振測井圖38 圖圖329為某井的稠油井段的核磁共振測井圖，稠油的含為某井的稠油井段的核磁共振測井圖，稠油的含氫指數(shù)低、粘度大，導(dǎo)致了氫指數(shù)低、粘度大，導(dǎo)致了T2分布譜前移，呈單峰拖拽特征分布譜前移，呈單峰拖拽特征。這是由于稠油中的瀝青質(zhì)等重組分的橫向弛豫速度非?？?。這是由于稠油中的瀝青質(zhì)等重組分的橫向弛豫速度非?？?，儀器無法測量到；而一些較輕質(zhì)成分的弛豫速度較慢，呈，儀器無法測量到；而一些較輕質(zhì)成分的弛豫速度較慢，呈現(xiàn)向后拖拽的特征。因此，在稠油情

19、況下，用經(jīng)驗的現(xiàn)向后拖拽的特征。因此，在稠油情況下，用經(jīng)驗的T2截止截止值將高估毛管束縛水含量、低估可動流體體積，使核磁共振值將高估毛管束縛水含量、低估可動流體體積，使核磁共振總孔隙度低于實際總孔隙度，進(jìn)而影響滲透率及含油飽和度總孔隙度低于實際總孔隙度，進(jìn)而影響滲透率及含油飽和度的計算。圖的計算。圖329中中“CMR BFV”為束縛流體體積，為束縛流體體積， Sw與與“CMR BFV”之間的差異指示可動流體體積。之間的差異指示可動流體體積。二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用39 二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖329 某稠油井段的核磁共振測井圖某稠油井段的核磁共振測井

20、圖40 1. 什么是核磁共振現(xiàn)象？什么是核磁共振現(xiàn)象？2.什么是橫向和縱向弛豫時間？什么是橫向和縱向弛豫時間？3. T2分布譜有什么作用？分布譜有什么作用？4. CMR測井的應(yīng)用。測井的應(yīng)用。小結(jié)小結(jié)- 41 -砂泥巖地層儲層評砂泥巖地層儲層評價實例價實例- 42 -由由于于不不同同儲儲層層流流體體具具有有不不同同的的核核磁磁共共振振特特性性參參數(shù)數(shù)流流體體類類型型含含氫氫指指數(shù)數(shù)IH擴(kuò)擴(kuò)散散系系數(shù)數(shù)D(10-5cm2/s)縱縱向向弛弛豫豫時時間間T1(ms)橫橫向向弛弛豫豫時時間間T2(ms)鹽鹽水水17.715000.67200輕輕質(zhì)質(zhì)油油17.95000460天天然然氣氣0.381004

21、40040因因此此，不不同同孔孔隙隙結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、儲儲層層流流體體或或相相同同孔孔隙隙結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與儲儲層層流流體體條條件件下下，不不同同測測井井參參數(shù)數(shù)將將會會獲獲得得不不同同的的T2分分布布，從從而而識識別別儲儲層層流流體體性性質(zhì)質(zhì)。判別依據(jù)判別依據(jù)四四川川地地區(qū)區(qū)渡渡口口河河構(gòu)構(gòu)造造渡渡 4 井井飛飛仙仙關(guān)關(guān)組組碳碳酸酸鹽鹽巖巖地地層層 CMR 測測井井實實例例，通通過過氣氣檢檢測測分分析析處處理理， 4 42 22 26 6. .5 54 42 26 62 2m m 氣氣層層特特征征明明顯顯。測測井井解解釋釋了了大大段段氣氣層層，該該段段測測試試已已獲獲工工業(yè)業(yè)氣氣流流。48 在核磁共振信號

22、的測量期間，質(zhì)子磁矩收到在核磁共振信號的測量期間，質(zhì)子磁矩收到Z軸靜磁場的作用，在進(jìn)動過程軸靜磁場的作用，在進(jìn)動過程中向中向Z軸方向恢復(fù)，這個過程叫縱向弛豫?？v向弛豫過程的快慢，反映了巖石的軸方向恢復(fù)，這個過程叫縱向弛豫。縱向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特性及流體特性?？v向弛豫的方程為：孔滲特性及流體特性?？v向弛豫的方程為：（二）縱向弛豫及橫向弛豫（二）縱向弛豫及橫向弛豫10( )(1)tTM tMe式中式中M質(zhì)子初始的磁化強(qiáng)度，質(zhì)子初始的磁化強(qiáng)度，T；T1質(zhì)子的縱向弛豫時間，質(zhì)子的縱向弛豫時間，ms；M(t)t時刻的磁化強(qiáng)度，時刻的磁化強(qiáng)度，T。50 CMR在探頭測量區(qū)間中產(chǎn)生局部均勻的

23、靜磁場，在探頭測量區(qū)間中產(chǎn)生局部均勻的靜磁場，RMK923利用大地磁場作為靜磁場。利用大地磁場作為靜磁場。Numar MRIL型核磁共型核磁共振測井的測量方案具有代表性，見圖振測井的測量方案具有代表性，見圖323。在測量過程中，。在測量過程中，首先用靜磁場使地層中的質(zhì)子（氫核）定向排列；然后對質(zhì)首先用靜磁場使地層中的質(zhì)子（氫核）定向排列；然后對質(zhì)子施加特定頻率，且方向與靜磁場方向垂直的射頻磁場，使子施加特定頻率，且方向與靜磁場方向垂直的射頻磁場，使質(zhì)子發(fā)生核磁共振。巖石中的質(zhì)子受激發(fā)躍遷到高能態(tài)，然質(zhì)子發(fā)生核磁共振。巖石中的質(zhì)子受激發(fā)躍遷到高能態(tài)，然后以弛豫的形式放出多余的能量，質(zhì)子回到平衡態(tài)。質(zhì)子在后以弛豫的形式放出多余的能量，質(zhì)子回到平衡態(tài)。質(zhì)子在弛豫過程中放出的能量，就是核磁共振的測量信號。巖石中弛豫過程中放出的能量，就是核磁共振的測量信號。巖石中核磁共振信號基本上是由孔隙流體中的氫核產(chǎn)生。核磁共振信號基本上是由孔隙流體中的氫核產(chǎn)生。 （三）核磁共振測量原理（三）核磁共振測量原理51 二、核磁共振測井的應(yīng)用二、核磁共振測井的應(yīng)用圖圖325 核磁共振測井解釋模型核磁共振測井