MRIL核磁共振成像测井技术综述2021年4月第23卷第2明外测蚪技术‘0I{11JWE1IL0G(;INCFECHNO[OCYAIr.2021Vr_23Nn_2MRIL核磁共振成像测井技术综述赵全胜(中油测井技术效劳有限责任公司北京100101)摘要:核磁共振成像测井是一种全新的测井方法,它所提供的独特信息,极大地增强了测井的地层评价能力,是对裸眼井测井解释和油气评价技术的重大突破.本文阐述了MRIL核磁共振测井仪的测井原理,结合多年的测井经验,对测井作业过程中的质量控制进行了详细介绍,并借助解释软件进行了实例分析.关键词:核磁共振;成像测井:自旋回波;横向弛豫O引言核磁共振成像测井是通过研究地层流体中的氢核在外加磁场中所表现出来的特性,来描述储层的岩石物理特性和孔隙流体特性的一种新型测井技术.它可以直接测量岩石孔隙中流体的信号,其测量结果根本上不受岩石骨架的影响而区别于现有其他测井方法.核磁共振成像测井信号包含十分丰富的地层信息,可用于定量确定有效孔隙度,自由流体孔隙度,束缚水孔隙度,孔径分布以及渗透率等参数.在勘探阶段,核磁共振成像测井能为产液性质,产层性质及可采储量等地层评价问题的解决提供可靠的信息.在开发阶段,那么可为油层的强水淹,趋替效率,剩余油饱和度以及采收率等关键问题的评价和分析提供定量数据.目前,在全世界范同内提供商业效劳的核磁共振成像测井仪主要有4种类型:阿特拉斯公司最新推出的偏心测量的总孔隙度核磁共振测井仪MREx;哈理伯顿公司果用NUMAR专利技术推出的系列核磁共振成像测井仪MRIL;斯伦贝谢公司推出的组合式脉冲核磁共振测井仪CMR;以及俄罗斯生产和制造的大地磁场型系列核磁共振洲井仪ⅡMK923.本文将阐述哈理伯顿公司生产的MRIL—Pime型核磁共振成像测井仪的测量原理以及应用实例分析.1MRIL仪器的测量原理MRIL(MagneticResonanceImagingLogging)采用“井内磁体一井外建场测量〞的根本原理,把一个永久磁铁放在井筒中,在井外地层产生梯度磁场,建立磁共振条件,如图1所示『lJ.通过对射频场频率及频带的选择,实现对径向特定距离处柱壳状地层薄片信号的观测,其中柱壳的直径和薄片的厚度分别由射频场的频率与带宽确定.基于梯度磁场,可以做时分式多频观测.当个切片观测完毕,其中的质子需一一…～‘6〞氇250F一一r一一一图1MRIL仪器测量原理示意图[t作者简介:赵全胜(1972-),男,工程师,1994年毕业于西安石油学院,现在中油测并技术效劳有限责任公司从事现场测井操作工作.第23卷?第2期MRII,{发磁共振成像测F技术综述要一定H,h’r-~1完成弛豫恢复,此时,利用不同的频率对另一薄片进行探测.f}1此,增加观测次数,提高信噪比,从而加快测井速度.而且,在梯度磁场条件下,可以对岩石孑L隙中流体的扩散特性进行观测,进而提供对稠油与水以及水与气的有效识~Ili21.MRIL采集到的根本数据是回波串,根本处理方法是通过多指数拟合得到横向驰豫时间T分布.首先,它对于所观测的原子核具有选择性.核磁共振测井以氢核与外加磁场的相互作用为根底,只对氢核产生的磁共振信号进行观测,其他类型的原子核对观测信号没有影响.其次,它对原子核所处的外部环境具有选择性.由于固体与流体中氢核的磁共振驰豫性质存在明显差异,核磁共振测井信号直接来自于地层孑L隙中的流体,提供的观测结果几乎不再受到地层矿物模型的困扰.再次,它对地层距井眼的径向距离具有一定的选择性.核磁共振测井的磁体在地层中建立一个梯度磁场,使氢原子核的共振频率与径向距离一一对应,通过改变发射脉冲的调制频率,可以在一定范围内选择径向探测深度,从而防止井眼泥浆及泥饼等不利部位的影响.由于这三个方面的选择性,使得核磁共振测井的响应变得很单纯,它只来自于距井眼一定距离的薄片内孑L隙流体的氢核.MRIL测井仪器可以提供以下三类常规测井仪器无法提供的信息【3]:(1)流体含量:由于水中氢核的密度是的,因此,可以把MRIL数据直接转换为视含水孑L隙度.这种转换不需要知道岩石的矿物成份,同时,也不必担忧流体中的微量元素(如硼,它影响中子孑L隙度测量)的影响.(2)流体特性:油,气,水具有不同的核磁共振特性,MRIL测井仪器可以确定不同流体(水,油,气)的存在及含量,同时还可以确定流体的某些特性f如粘度).它采用特定的脉冲序列(或观测模式),从而提高对不同流体及其赋存状态的探测能力.(3)孑L径和孑L隙度:储层岩石孑L隙空间中流体的核磁共振响应与自由状态流体的核磁共振响应是不同的.而且,孑L径越小,孑L隙水的视核磁共振特性和自由水之间的差异越大.使用简单的方法就可以从MRIL数据中提取足够的孑L径信息,从而改良对一些重要的岩石物理特性,如渗透率,毛细管束缚水体积等的估算.l-I核磁共振信号的根本测量方法1.1.1自由感应衰减为了激发自由进动信号,可以利用能够使宏观磁化强度M.相对于静磁场B.方向扳转9Oo的各种方法,例如射频脉冲方法和预极化方法,最简单的射频脉冲方法是单脉冲序列,即利用一个9O.射频脉冲,使原来沿静磁场方向取向的磁化矢量扳转9O.,然后进行观测,得到的信号即是自由感应衰减信号,或称FID信号.1.1.2自旋回波自旋回波是核磁共振技术中非常重要的概念,它是为克服静磁场不均匀性的影响,准确测定横向驰豫时间而开展起来的.自旋回波脉冲序列由“90.一下一180.一下一回波〞所组成.第一个9O.脉冲使磁化矢量扳转在XY水平面上,磁化矢量的横向分量会由于静磁场的局部非均匀性等原因而很快散相.一定延迟f时间后,施加一个180.脉冲,把磁化矢量扳转180.,到其镜像位置,结果是沿着与散相过程相反的方向使磁化矢量各横向分量得以重聚在180~脉冲后的f时刻’)【嬲恒l卜—个回波信号.自旋回波实际上是一种服从能量守恒的散相一重聚过程.它作为180o射频脉冲重聚作用的结果,在自由感应衰减信号消失之后比拟长的一段时间才出现.而且由于静磁场不均匀性引起的横向磁化矢量的散相是热力学可逆的,因此,回波信号能够通过180.射频脉冲串一个接一个地被屡次重聚,从而得到回波串,如图2所示【4】.图2理想的自旋回波串嗍1.1.3横向弛豫时间的测量横向弛豫过程的测量通常用所谓的CPMG(Carr,Purcell,Meiboom,Gil1)方法来完成.它以自旋回波脉冲序列为根底,通过观测到的自旋回波串的衰减过程来确定横向弛豫.CPMG脉冲序列为(90.x一『f一(180o)Y—下一echo]n,即在(90.x脉冲之后,连续施加一系列间隔相同的08oo)Y脉冲,从而采集到一串回波,当被观测的横向弛豫服从单指数衰减时,这罔外测井抟术样测得的回波串其幅度将按1厂f:的速率衰减.当被观测的横向驰豫包岔多个单指数衰减时,CPMG回波串幅度的包络线将是多个指数的和,并日.可以分解出不同的指数成分.测量过程中,增加回波个数n,将提高信噪比,并增强对衰减慢的长T分量的分辨能力,减小回波间隔,那么将减小扩散对T测量的影响,并提高对衰减快的短T分量的分辨能力.在屡次累加时,两次测量之问的延迟,或叫纵向恢复时问T非常重要.一个回波串采集完毕,必须等待足够的时间TR,使纵向磁化矢量完全恢复,才能开始第二个回波串的采集.1.1.4纵向弛豫时间的测量测量纵向弛豫过程的根本方法是反转恢复法.180.脉冲使磁化矢量完全反转,,r延迟后磁化矢,量的纵向分量往平衡状态恢复,并与延迟时间有关,90.脉冲使纵向磁化矢量扳倒在XY平面上,便于检测.发射器发射的射频脉冲由n个(180.一,r一90.一A一P.)脉冲对组成.在每个脉冲对中,180.脉冲使沿磁场方向的初始磁化矢量完全反转;,r期间,z方向的纵向磁化矢量受纵向弛豫的作用而逐步恢复;90.脉冲那么使z方向的磁化矢量扳转到x(或Y)轴,以便能够被检测’Ai是检测期,测出FID;P.为延迟期,使磁化矢量能够完全恢复正常,以便下一个回合的测量.对纵向磁f化矢量做一系列不同,r值的观测,得到一组M(,r)值.取一个足够长的,r(通常大于5T),用于确定M(0).如果被观测的纵向弛豫过程服从单指数规律,那么测得的FID信号串,其幅度M(,r)将按1,]r的速率呈指数地恢复.当被观测的纵向弛豫过程服从多指数规律时,测得的M(,r)将是一个多指数函数的和,并且由该组M(,r)的观测值可以分解出多指数函数的形式及其对观测磁化矢量的奉献.除反转恢复法外,纵向弛豫过程还可以用饱和恢复法等脉冲序列来观测,这里就不详细阐述了.纵向弛豫过程的观测通常是很费时间的,相比之下,横向弛豫过程的测量那么要快得多.就电缆测井而言,由于对测速有一定的要求,多项选择择横向弛豫为测量对象纵向弛豫那么被用作加权机制实现对流体成分的识别.1.1.5流体分子扩散系数的测量流体分子总是处在不停的自扩散运动之中,可以用扩散系数D来描述,它与流体的粘度及温度等因素有关.当静磁场存在比拟大的非均匀性时,观测到的自旋回波信号将受到分子扩散的显着影响.扩散系数测量方法的根本思想是在z方向加一个比较大的梯度场G,同时选择差异较大的不同的回波问隔T,测量两组或多组CPMG回波串,再计算出实际的弛豫时问T:和D.1.2核磁共振的测井模式1.2.1标准T测井利用恰当的恢复时间T和标准回波间隔,测量自旋回波串.TH的选择取决于地层流体的核磁共振纵向弛豫时间T,一般要求T>(3～5)T;T那么越小越好.通过对回波串的多指数拟合常规处理,得到T2分布和有效孔隙度;结合岩心分析确定的束缚水T:截止值,可以计算束缚水孔隙体积和自由流体孔隙体积;再根据核磁共振渗透率模型,进一步估算地层渗透率;通过与常规电阻率及孔隙度测井资料的综合解释,确定自由流体中烃的孔隙体积.1.2.2总孔隙度测井MRIL能够测量总孔隙度,它利用新的观测方式,除了作回波问隔为1.211〞18的标准T2测井,得到有效孔隙度,毛管束缚水以外,还可以把回波间隔做到只有0.6ms,观测出泥质束缚水.首先由1.2ms的回波间隔作常规测量,然后用0.6ms的回波间隔测10个回波,重复50次以提高信噪比,得到泥质束缚水的信号.总孔隙度测井可以确定出总孔隙度,泥质束缚水,毛管束缚水以及可动流体的孔隙体积.1.2.3双T测井双测井设置足够长的等待时间,使TR>(3—5)T,T为轻烃的纵向弛豫时问,每次测量时使纵向弛豫到达完全恢复,利用两个不同的回波间隔TⅡ和T测量两个回波串.由于水与气或水与中等粘度的油扩散系数不一样,使得各自在T分布上的位置发生变化,由此对油,气,水进行识别.所以,它是一种扩散系数加权方法.在长回波间隔T得到的T:分布上,能观测到水与轻质油的信号,而气的信号却消失了.这是因为气体的扩散太快,还没有观测到就衰减掉了.这就是所谓的移谱分析法(SSM),如图3所示.图3用移谱法(SSM)判别储层流体性质第23巷?第2期MR1L核磁共振成像测井技术综述1.2.4双T测井由于水与烃(油,气)的纵向弛豫时问。