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1、,核磁共振录井技术 分析与应用,前 言,二十世纪30年代，物理学家伊西多拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转，这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。 1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构。医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，
2、利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗劳特伯尔于1973年开发出了核磁共振成像技术(MRI)，核磁共振在医学上的应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段。90年代初期，美国率先将核磁共振应用于石油测井。之后，中国引进这一技术，并在油气勘探与开发中应用。1996年北京石油勘探开发研究院廊坊分院渗流所研制出低磁场（共振频率2MHz和5MHz）核磁共振全直径岩芯分析系统，继而开发生产了便携式核磁共振岩样分析仪，为核磁共振应用于录井行业奠定了基础。,近年来 ，录井技术有了长足的进步，综合录井的发展，尤其是地化、定量荧光、热解色谱录井
3、技术的广泛运用，很好地解决了储层中烃类丰度的测量问题，使录井评价定量化，解释符合率明显提高，但储层物性资料的匮乏一直是录井行业的缺陷，储层物性控制着储层产液能力甚至产液性质。之前，录井行业无法直接准确获得储层物性资料，只能通过观察样品粒度、分选磨圆、胶结等情况大概判断，也曾尝试利用其他方法(如地化录井的二次测量称重法等）计算孔隙度、含油饱和度，效果不太理想。室内岩心分析准确度高，但受制约。核磁录井技术的发展可以说弥补了物性测量的空白。,核磁录井技术特点,核磁录井与常规分析对比,检测岩样类型多。常规分析仅针对标准圆柱岩心，无法检测岩屑和井壁取心。 提交结果快速。岩心样两天、岩屑样1天。常规岩心分
4、析至少需要1个月。 可检测流体存在状态。常规分析手段难以提供可动流体、束缚流体饱和度等参数。 检测成本低。样品类型；材料消耗。,核磁共振录井技术的检测对象,样品：岩心、岩屑和井壁取心。 对象：岩样孔隙内的流体。固体骨架不产生核磁共振信号。,核磁共振录井技术的检测参数,孔隙度（相对误差10） 渗透率（0.3数量级） 含油饱和度（相对误差10） 可动流体饱和度 束缚水、可动水饱和度,核磁共振检测的各项参数均具有较高精度，能够满足工程上快速评价和区分有效储层的精度要求。,核磁共振录井技术应用的必要性,储层的孔隙度、渗透率、油(气)饱和度、流体赋存特征等是油气田勘探开发最基本的岩石物性参数。核磁共振录
5、井技术实现了将常规岩石物性分析方法向地质录井行业的迁移，为物性录井提供了有效手段。该项新技术的应用对于地质录井快速评价有效储层、指导现场钻进，为完井讨论及完钻测试提供数据等方面均具有重要意义。,核磁共振录井技术,核磁共振录井技术：将核磁共振技术应用到地质录井中，通过检测岩样孔隙内的流体量、流体性质，以及流体与岩石孔隙固体表面之间的相互作用，快速求取储层的孔隙度、渗透率、油水饱和度以及可动流体饱和度等评价参数，为地质录井储层快速评价提供准确数据，进一步提高地质录井油、气、水层综合解释的符合率。,常 规 录 井,岩芯、岩屑、壁芯 （直接观察）,综 合 录 井,地 化 录 井,定量荧光录井,核 磁
6、录 井,泥 浆 （脱气，组分分离）,显示级别 系列对比（115）,天然气成分（C1C5) 含量（%）,岩芯、岩屑、壁芯 （热解，组分分离）,烃类含量（S0、S1、S2） 组份（C1C33)%,岩芯、岩屑、壁芯 （溶解，荧光激发）,原油含量(mg/L),岩芯、岩屑、壁芯 （核磁共振）,孔隙度、含油饱和度、可动流体、束缚水等,核磁共振录井与其它录井方法的区别,常规、综合、地化等录井主要通过观察检测岩样和泥浆中的油气进而判断储层流体性质，而核磁录井不仅通过测量储层中的油气含量（含油饱和度），更是结合储层物性（如孔隙度、可动流体、束缚水、可动水等）来综合判断油气水层，解释结果更先进，更全面，更准确。,
7、1、现场分析。样品处理环节少，分析速度快，含油饱和度准确。 2、基地分析：需做饱和水处理，含油饱和度值需校正。,核磁录井方式,我们自2003年底引进了核磁共振分析仪，并组织专业技术人员立项研究开发核磁录井方法，通过实验验证了孔隙度、渗透率的测量方法，摸索出含油饱和度测定中合适的Mn2+浓度和浸泡时间，根据实验数据给出了不同岩性T2截止值的快速确定，对可动水百分含量、原油粘度、密度等参数进行了探索，针对探井工作量较大的中央凹陷区进行了大量的核磁参数测量，建立了解释标准和解释图板。 2004年开始核磁录井技术应用于录井工程服务，核磁录井在储集层评价完井及试油讨论中发挥了重要作用，补充了常规录井的不
8、足，提高了录井解释符合率。 我们现有2台RecCore-04核磁共振岩样分析仪，能够满足每年60口井的生产需要，主要录井方式采取现场取样，基地分析，同时根据实际需要，部分重点探井把仪器推进到录井现场，在现场实现随钻快速评价。 目前核磁录井主要应用于区域探井，2004年录井19口，主要集中在中央坳陷区；2005年录井37口，2006年录井45口,2007年录井53口。录井区域已由中央坳陷区扩展到西部斜坡、东南隆起、伊通地堑等吉林各个探区。,核磁录井在吉林油田应用状况,核磁共振基础理论,原子核由质子与中子构成，质子带电，中子不带电。原子核的电荷决定于原子核中质子的数目，而核的质量则决定于核质子数与
9、中子数之和。根据原子核的电荷与质量这两个特性，可解释原子核与周围粒子的强相互作用，如裂变、聚变等，但不能解释一些弱相互作用，如核磁共振等。要解释核磁共振现象，就要了解原子核的另一个特性：自旋。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同： 只有自旋量子数等于半整数的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，能够为人们所利用的原子核有： 1H1 13C6 14N7 19F9 31P15,岩石骨架中的主要核素C、O、Mg、Si、Ca 等均为偶-偶核，无“自旋”，无磁性，无核磁信号。,孔隙流体中的1
10、H原子序数为奇数，具“自旋”特性，磁矩大，丰度高，信号强。因此核磁录井主要检测1H的核磁信号。,3 拉莫(Larmor)进动 在重力场中,转动着的陀螺,有两个矩的作用：一个是重力mg产生的力矩，它力图使陀螺躺下不动；另一个是由陀螺绕其轴心自转时产生的动量矩，动量矩阻止陀螺躺下而使整个陀螺绕垂直于地面的轴转动，描绘出一个圆锥型轨迹。 这种运动在力学中叫进动。与重力场中旋转体发生旋进相似，旋转的带电原子核具有动量矩,若有一外加均匀磁场B0作用于该原子核，并假设重力作用可以忽略或已被抵消，那么它并不下落，而是在动量矩作用下绕B0做自由进动。其磁矩的轨迹描绘出一个圆锥体，进动频率为0=B0，这种进动称
11、为拉莫进动。,1 核磁矩 原子核的基本特性表现在所带的电荷与具有的质量上。原子核对外的效应可看作是一个具有一定质量与体积、均匀带电的球体。原子核的自旋等效于该球体的旋转。自旋的原子核引起绕核心沿旋转方向环行的电流,从而产生磁矩,称为核磁矩。在磁场B0中会受到力矩的作用。 2 动量矩 原子核具有质量m,自旋时具有速度,故原子核具有自旋角动量，又称动量矩P=rm,这里r为质量m相对于原子核旋转轴的距离。 由于核磁矩与动量矩均由自旋引起,其间必有联系。可以证明,这两个矢量是共线的,且成比例,即=P。式中为比例系数,称为旋磁比。,当对系统加上一个垂直于B0的旋转磁场B1时，B1将与磁矩相互作用，如果所
12、加的旋转磁场的角频率正好等于核磁矩的进动频率0时，磁矩相当于受到静磁场B1的作用，将围绕B1进动，进动的角频率1=B1，这时的进动是两种进动的合成，结果使磁矩与B0之间的夹角发生变化，增加，核磁矩从外加交变磁场中吸收了能量，这就是核磁共振现象。,核磁共振的经典力学描述,根据量子力学的理论，核磁矩在磁场中只能取某些固定的方向，而不能取其它方向。例如对氢核1H，自旋量子数I=1/2，核磁矩只能有两个取向，即核磁矩只能在两个可能的进动圆锥上进动。当核磁矩在上面的进动圆锥上进动时(与B0平行)，相当于磁量子数m=1/2，处于低能态；当核磁矩在下面的进动圆锥上进动时(反平行于B0)，相当于m=-1/2，
13、处于高能态。外加一个交变磁场，如果其频率满足条件=B0，那么，处在上进动圆锥上的核磁矩将吸收交变磁场能量而跃迁到下进动圆锥上来，即从低能态跃迁至高能态，产生核磁共振。,核磁共振的量子力学观点,无外部磁场作用时，核磁矩的指向是无序的，宏观上介质不具有磁性。在外加磁场B0中，整个自旋系统被磁化，使核磁矩排列有序。,上面讨论的是单个原子核的磁矩以及它在外磁场中的行为。但是，在实际核磁共振石油应用中，原子核（1H）不是单独存在，而是处于含有大量原子核的群体之中，,宏观磁化矢量,磁场、自旋与能级分裂,在外加磁场中，该自旋矢量将沿着外磁场的方向排列并存在两种能量状态 低能态：N-S-N-S 高能态：N-N
14、-S-S,核磁共振信号,就是自旋不断吸收能量，从低能态跃迁到高能态,同时,自旋从高能态回到低能态,放出能量，从而使系统达到Boltzman分布的过程。,Boltzmann 分布与核磁共振信号,所有这些自旋群产生的磁化矢量之和，称为宏观磁化矢量M 核磁共振研究净宏观磁化矢量在外磁场B0中的运动规律，核磁共振检测到的信号，就是由于该宏观磁化矢量运动，在接收线圈中引起磁通量变化而产生的电动势。,净宏观磁化矢量与核磁共振信号,在静磁场B0中，当体系达到平衡时，磁化矢量与B0一致，指向Z轴方向。垂直于B0方向外加一交变磁场，当满足共振条件时，低能态的核不断吸收能量转变成高能态的核，磁化矢量偏离静磁场方向
15、，在B0与之间形成的夹角称为扳转角。撤掉交变磁场，磁化矢量通过自由进动向B0恢复，使原子核从高能态的非平衡状态向低能态的平衡状态恢复，这个过程称为弛豫。弛豫包含两个部分：核磁化矢量在Z轴上的分量z最终趋向初始磁化强度0，称为纵向弛豫。其时间常数T1称为纵向弛豫时间。在（x,y）平面上的分量xy最终趋向于零，称为横向弛豫，其时间常数T2称为横向弛豫时间。磁化矢量的变化会引起检测线圈电动势的变化，产生自由感应衰减信号，通过测量信号的强度与衰减时间，可以获得弛豫的强度与弛豫时间。由于T1的测量必须等到磁化矢量恢复到平衡状态，时间很长，所以核磁测井、核磁录井测量的是横向弛豫时间T2。,核磁共振弛豫与弛
16、豫时间的测量,T2的测量采用自旋回波法(CPMG)来实现。 在x方向施以90脉冲后，Mxy=M0，Mz=0。由于外磁场的不均匀，FID信号很快衰减。这是由于构成磁化矢量M的各核磁矩的进动速度快慢不一，很快在进动圆锥上分散开来的缘故。在x方向施以180脉冲后，各核磁矩绕x轴转动180，180脉冲结束后，这些磁矩仍按原来的转动方向进动，于是它们在-y方向上渐渐聚集，接收线圈中FID渐渐增强。此后核磁矩继续以不同速度进动使聚集的核磁矩重新散开，信号重又衰减。这些回波最大幅值之间的变化过程代表了样品横向磁化强度衰减的变化。,改变180脉冲个数可以得到不同时间间隔下的自旋回波，直到核磁矩均匀散开，信号消失。自旋回波串反演得到T2谱。,自旋回波串,T2弛豫时间测量方法(CPMG脉冲序列)参数优选,回波时间 回波个数 恢复时间 等待时间 扫描次数,仪器测量参数的优选-扫描次数scans,建
