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1、核磁共振测井对油气资源评价的贡献Jasper Jackson肖 立 志( 美国 Los Alamos 实验室)( 江汉石油学院, 荆州 434102)摘 要 从地磁场核磁共振测井到 Inside-out 概念的提出, 再到磁共振成像测井, 全面回顾了有关的早期历史。 根据测井油气评价的基本问题以及常规测井解释所存在的缺陷, 深入分析了核磁共振测井对产液性质、产层性质、油藏性质测井评价的贡献。 核磁共振测井不是原有方法的简单改进, 它以全新的原理, 提供一套全新的信息, 通过全新的响应关系, 对测井油气资源评价,包括层位、储量、产能以及增产措施与效果评价等问题, 提供全新的解答。最后, 指出了核
2、磁共振测井可能的发展方向。主题词 核磁共振测井; 油气资源; 评价; 发展趋势分类号 P631. 823 1 核磁共振测井的发展核磁共振 ( NMR) 作为一种物理现象是 1946 年由哈佛大学的 Purcell 和斯坦福大学的Bloch 两人各自独立地发现的。 不久后, 美国的 Russell Varian 证实了地磁场中的核自由进动。1952 年, Varian 发明 NMR 磁力计, 用于测量地磁场的强度, 其基本组成是一个缠绕 线圈的水瓶。当一个直流电流通过该线圈时,沿线圈轴向将产生一个磁场,瓶中水的氢核受到轴向磁场的作用,几秒钟后, 改变它们原来沿地磁场的取向为沿线圈的轴线取向。然后
3、, 迅速断开电流, 用该线圈作接收器,检测质子绕地磁场进动产生的信号。精确地测量进动频率, 可以确定地磁场的总强度。Varian 把这种仪器设计成便携式磁力计, 成功地推 向了市场。一种利用气体 ( 铷雾) 中非成对电子自旋的改进仪器, 至今仍然用作航测磁力计, 拖在飞机的尾部进行地球物理磁力异常的观测, 或用于海底探测。50 年代中期, Varian 提出, 磁力计技术可以用于油井测量。把线圈下放到井里, 与磁力计的工作原理一样,线圈中的极化电流产生一个比地磁场强得多的磁场,地层中油或水的质子将沿该磁场重新取向。然后,迅速切断直流电流, 用同一线圈接收核进动产生的信 号。 最初的想法是试图观
4、测信号的衰减, 利用油与水驰豫时间的差别来检测油层。 Varian 向几个与石油工业有关的公司建议了一个项目,探讨开发核磁测井的可能性。一些公司表示有兴趣, 其中包括Chevron ( 当时叫加利福尼亚公司) 。一个用电池操作的样机在加利福尼亚 Bakersfield 附近的稠油区进行试验, 想看看能否从水中区分出油来。但是, 结果相当不 明确。1956年, Brown 和 Fatt 1在 Chevron 研究室发现, 当流体处于小空间时, 例如, 岩石第 20 卷 第 4期 1998 年 12 月江 汉 石 油 学 院 学 报 J OURN AL OF JIA NGH A N PET ROL
5、EUM IN ST ITUT EVol. 20 No. 4 Dec. 1998 ?Jasper Jackson, 男, 美国Los Alamos国家实验室著名科学家, “Inside-out”核磁测井之父, 现任 “Science”杂 志编委, 美国科学促进委员会委员。孔隙中, 其NMR 驰豫时间与自由状态相比显著减小。 这一现象也同样被其他油公司的研究 所发现, 只是由于所有权方面的原因, 没有发表。受限扩散对驰豫时间影响的发现非常重要, 这一基本现象在测井工业中成为后来核磁测井解释和应用的基础;在生物学及医学的扩散现象研究中也非常重要, 因为细胞内水的驰豫与细胞外面的水很不一样。为了寻找引
6、 起这一现象的原因, 进行了许多实验和理论研究。 结果表明, 驰豫时间与孔隙大小有关, 而且, 较小的孔具有较短的驰豫时间。对于球形孔,驰豫时间则与孔隙半径成正比。以此为基础,发展出分析岩心与测井数据的经验方法。实验观测到的非指数衰减信号,可以分解成两条指数曲线,对应长短两个驰豫时间。短驰豫时间部分归并成小孔隙中的流体,并设 想它们是不可采的; 长驰豫时间对应大孔隙,其中的流体是可采的, 这一部分也被称作自由流体指数 ( FFI) 。对这一部分可采油的测量是地磁场核磁测井 ( NML) 的主要应用。Chevron 公司的 Brown 和 Gamson 2于 1960 年研制出利用地磁场的核磁测
7、井仪器样 机。在进行了初步尝试之后,几个油田服务公司为这项技术发放了许可证,并开始提供NML 测井服务。许多石油刊物上都刊登广告,说这种方法能够对油层的许多问题提供答 案。但是, 这种方案在使用上受到两个很大的限制。首先,仪器周围的流体主要是井眼里 的钻井泥浆,除非进行某种测量来消除井眼信号,否则就不能观测到地层流体信号,因为地层信号比井眼信号小几个数量级。 人们想到一个办法, 把数量可观的磁粉混合到泥浆中。但是,混合这些磁粉通常需要数小时, 在井口不能做其他任何事情, 钻井人员对此很不乐意。第二个限制是技术上的, 即在检测信号之前切断很高的直流电流,需要相当长的时间 ( 与核磁驰豫时间相比)
8、 。“ 死时间”很长意味着小孔隙中的信号无法观测到, 从而导致将长短两个衰减时间曲线外推到零时刻得到它们的大小、 并导出FFI 时, 带来很大的不准确性。由于这些问题的存在, 使得 NML 没有被石油工业接受成为一种标准的常规测井方法, 尽管Schlumberger 直到 80 年代末期仍然在用这种测量原理, 俄罗斯、 阿塞拜疆等原苏联各国甚至沿用至今 3。1978 年,美国 Los Alamos 国家实验室的 Jasper Jackson 到 Chevron 研究室进行了一次私人访问,看到 NML 测井前混合磁粉时漫长与麻烦的过程,他开始着手寻找一种新方 案, 把NMR 测井的灵敏区域 “
9、聚集”到井眼外面, 从而不需对井眼流体加磁粉。寻找的结果是提出 “ Inside-out”概念, 发明了基于反向磁体的 “ Inside- out”NMR 测井仪, 即不用地磁场, 而是在井中放置一个磁体,使其在井眼周围的地层中产生均匀磁场, 建立磁共振 条件, 共振区域在井眼之外, 由此达到消除井内泥浆影响的目的 4。与 “ 预极化 地磁场自由进动方法”相比, Inside-out 技术是一个很大的进步, 它是核磁测井大规模商业化应用的重要基础 5。 除了无须在泥浆中添加磁粉外, Inside-out 技术较 NML 还有其他的一些优越性。 首先, 磁场强度比地磁场更高, 观测信号更大 (
10、单位体积样品) ; 其次, 最重要的一条, 是利用射频磁场扳转磁化矢量,操纵自旋系统, 产生自旋回波。这样一来,一方面,由于射频场的切断可以非常快,使仪器的 “ 死时间”大大减小。短的 “ 死时间”允许对极小的孔隙中的信号进行观测, 并对数据进行更好的分析。另一方面,它打开了应用各种有效的 射频脉冲序列的大门, 通过对自旋系统的操作, 提取地层流体的化学和物理的信息, 把它们变得像化学实验中的 NMR 的常规应用一样。这是第一支脉冲核磁共振测井仪的最初愿望。Los Alsmos “ Inside-out”核磁测井仪器设计原理的验证分别于 1980 年和 1983 年在40江 汉 石 油 学 院
11、 学 报第 20 卷 Los Alamos 实验室 4及休斯顿大学的 API 实验井得到验证。 但是, 原理的正确并不等于可以大规模推广应用, 困难之一在于,这种原始方案产生的均匀磁场区域太小, 观测信号的信噪比很低,很难作为商业测井仪而被接受。寻找提高信噪比的方法,成为进一步发展核磁测井的关键。 在与Jasper Jackson 提出 Inside- out 概念大致相同的时期, 即 70 年代末至 80 年代初,核磁共振技术本身得到很大的发展,特别是磁共振成像 ( MRI) 概念的提出和日益走向成熟, 最令人激动的是在诊断医学中得到成功应用。1983年, Melvin Miller 博士在
12、美国的宾夕法尼亚州创办了一家专门从事核磁测井研究、 仪器设计与制造、 现场测井服务的公司, 即NUMAR 公司。 他们在 1985 年获得 Jasper Jackson 技术的专利使用权, 试图通过提高这种 方法的信噪比, 使其能够达到商业应用。 1985 年中, 两位为NUMAR 公司以色列分部NU-MALOG 工作的威兹曼科学院科学家 Schmuel, Shtrikman 教授和他们的研究生Zvi T aich-er 博士, 提出一种新的磁体与天线结构, 使核磁测井信噪比问题得到根本性突破。 1988 年, 一种综合了 Inside- out 概念和MRI 技术, 以人工梯度磁场和自旋回波
13、方法为基础的全新的磁共振成像测井 ( MRLL, 仪器商标) 问世, 使磁测井达到实用化要求。MRIL 于 1990 年正式投入油田商业服务, 很快在全球范围内得到成功应用, 使NUMAR 这家名不见经传的 小公司受到石油公司的普遍青睐, 成为国际上几家主要测井服务公司,如 Western Atlas,Halliburton, Computalog 等的核磁测井仪器供应商和合作伙伴。NUMAR 于 1994年推出C 型双频 MRIL, 并与Atlas 的 Eclips5700 系统组合成功; 1995 年, 提出 DHT 油气识别技术, 把 MRIL 的应用范围从有效孔隙度、渗透率、束缚水孔隙
14、体积, 延伸到油气水孔隙 流体类型的识别, 大大增强了核磁测井解决油气评价问题的能力; 1996 年, 他们又实现了泥质束缚水的观测, 推出能够测量总孔隙度的 C/ T P 型 MRIL。Schlumberger 公司, 作为核磁测井最早的研究机构之一, 在过去的四十多年里, 从未 放弃过对发展核磁共振测井的努力,一直有专门的实验室和研究人员从事岩石核磁共振和核磁测井的探索。进入 90 年代, 他们终于放弃地磁场核磁测井方案。1991年, 他们宣布,一种以 Inside-out 概念为基础, 利用永久磁铁在地层中产生局部均匀磁场的贴井壁极板型核磁测井新仪器 CMR ( 仪器商标) 问世, 它能
15、够得到纵向分辨率非常高的地层核磁共振观 测信号。2 核磁共振测井对油气资源评价的贡献目前, 虽然尚无法就核磁测井对测井技术所可能带来的深刻变革做透彻的评述, 但是,我们可以就它对测井油气资源评价的已有贡献作些讨论。首先不妨让我们回到测井地层评价的基本问题。测井地层油气资源评价通过对地层油 气资源特征的合理分解和模型化, 试图利用测井所获得的地层信息, 以及这些信息与地层特征模型的响应关系,把离散化了的地层油气资源特征模型描述或表征出来。实际上, 这种描述与表征, 或者如通常所说的测井解释, 是在三个不同层面上交织进行的。第一层面: 产液性质评价, 包括孔隙流体成分 ( 油、气、水) 的确定,可
16、动流体 ( 油、气、水) 饱和度、不可动流体 ( 束缚水、残余油) 饱和度等的估算;第二层面: 产层性质评价, 包括孔隙度、孔径分布、渗透率、粒径分布、 分选性、裂缝分布和润湿性等的分析; 第三层面: 油41第 4期Jasper Jackson等: 核磁共振测井对油气资源评价的贡献藏性质评价,包括沉积环境、构造特征、产层连通性、储量、产能、采收率、增产措施与 效果、投入/ 产出比等的评价。经过近 70 年发展起来的常规测井技术, 已经形成了不同的测井系列来解决上述基本问题, 最典型的当属孔隙度测井系列和电阻率测井系列,分别用来进行产层孔隙度的估算和 孔隙流体成分及其饱和度的评价。 在比较理想的条件下, 这些方法都具有一定的有效性。 但是, 实现这种有效性往往需要付出很大的努力, 而且,一旦偏离理想条件,其有效性就会受到动摇, 这是由于常规测井方法自身的响应特征所决定的。一方面,常规测井响应的影响因素都非常复杂, 通常包括许多与地层油气资源特征无关的因素, 如岩石矿物骨架成分 常常对油气评价带来严重的不利影响, 不仅增加了选择地层矿物模型的工作量,矿物
