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1、核磁共振测井理论与应用核磁共振测井技术应用研究的发展一、 快速发展的核磁共振测井技术1945年，Bloch 和Purcell发现了核磁共振（NMR）现象。从那时起，NMR作为一种有活力的谱分析技术被广泛应用于分析化学、物理化学、生物化学，进而扩展到生命科学、诊断医学及实验油层物理等领域。如今，NMR已成为这些领域的重要分析和测试手段。40年代末，Varian公司证实了地磁场中的核自由运动，50年代，Varian Schlumberger-Doll，Chevron三个公司开展了核磁共振测井可行性研究。60年代初开发出实验仪器样机，它基于Chevron研究中心提出的概念，仪器使用一些大线圈和强电流
2、，在志层中产生一个静磁场，极化水和油气中的氢核。迅速断开静磁场后，被极化的氢核将在弱而均匀的地磁场中进动。这种核进动在用于产生静磁场的相同线圈中产生一种按指数衰减的信号。使用该信号可计算自由流体指数FFI，它代表包含各种可动流体的孔隙度。这些早期仪器有一些严重的技术缺陷首先，共振信号的灵敏区包括了所有的井眼流体，这迫使作业人员使用专门的加顺磁物质的泥浆和作业程序，以消除大井眼背景信号，这是一促成本昂贵且耗时冗长的处理，作业复杂而麻烦，测井速度慢石油公司难以接受。其次，用强的极化电流持续20ms的长时间，减小了仪器对快衰减孔隙度成分的灵敏度，而只能检测具有长弛豫衰减时间的自由流体，由于固液界面效
3、应对弛豫影响及岩石孔隙中油与水的弛豫时间差异不大，使得孔隙度和饱和度都很难求准。此外，这些仪器为翻转被极化的自旋氢核需消耗大量功率，不能和其它测井仪器组合。但这些难题没有使核磁共振测井研究中止。70年代末至80年代初，美国Los Alamos国家实验室Jasper Jackson 博士提出“INSDEOUT”磁场技术。在相同时期，磁共振成象（MRI）概念也得到很大发展。1983年，Melvin Miller博士在美国创办了NUMAR公司，他们综合了“INSIDEOUT”概念和MAR技术同时，斯伦贝谢公司几十年来，一直在努力发展核磁共振测井技术。总体来看，十几年来核磁共振测井技术的快速发展表现在
4、以下几个方面：第一，根据“INSIDEOUT”思想，不用地磁场，而是在井中人工放置一个高强度磁体，所推出的核磁共振率统核心部分是由稳恒磁体发射射频（RF）脉冲并采集自旋回波信号的RF线圈组成。该技术使稳恒场B0与RF场B1相互垂直，磁体的轴沿井筒主向，其磁场方向垂直地地层。B0场与B1场的特点是：在空间任意处它们均相互正交；它们的等场强线为同心圆柱面；场强在径向上均与距离的平方成反比。B0与B1的正交性是获取最大信号的关鍵。核磁共振空间是由RF脉冲频率确定的，可以通过选频选定探测空间。因此使用各种新型核磁共振测井仪不象过去那样要进行繁重的泥浆处理作业。第二，选用了由Carr，Purcell，M
5、eiboon和Gill改进的脉冲回波序列技术，即CPMG序列脉冲回波技术，它的思想是对可逆转散相效应引起的快衰减进行补偿。设计RF线圈和稳恒磁场的独特组合可以实现自旋回波序列。选用这种技术的优点是：（1）利用自旋转回波方法可以获得较高的信噪比，这对任何测量都是一个基本指标，对井下连续测量更重要。（2）自旋回波技术可放松对磁场极高均匀性的需求。这对MIR（核磁共振成象）和MRL（磁共振测井）都非常重要。MIR使用梯度场来定位信号怪生区域。MRL特别要求其测量对象置在探头之外，因此均匀度很高的磁场是不可能的。（3）自旋回波序列可视具体情况需要进行修改，有灵活可变化的特点，适于多种多样的井眼和地质情
6、况。近二、三十年已发展出几百种回波序列。由于计算机和电子技术的不断发展，使僺作者控制RF脉冲的强度、相位、宽度和发射时间的能力不断增强，也使核磁共振测井可选用的自旋回波序列更丰富多样。第三、开展了大量实验研究，为NMR测井应用提供了科学基础。实验研究是进场应用的基础，多年来国内外石油公司、研究单位、测井公司、大学对多孔岩石NMR测井应用的主要原理如孔隙度表面弛豫特性、体积流体弛豫特性、流体扩散弛豫、岩石中顺磁物质对弛豫影响，岩石孔隙度、渗透率、孔隙结构、润湿性与弛豫特性的关系，束缚流体、可动流体弛豫特性，油、水、气弛豫特性差别，粘度、矿化度对弛豫时间影响等等方面开展了大量实验研究，同时对实验资
7、料分析处理研究所作的假设与近似作了充分阐述，为应用核磁共振测井资料求岩石物理参数，识别油、气、水，预测产能，选择测井参数等建立了应用基础，大大推进发该技在油气勘探、开发中的应用。第四、对测量参数的选择做了很多分析研究工作。每次测井中有三个参数能够控制，它们是回波间隔、等待时间和采集的回波总数。因而NMR测量是一种动态结果，取决于如何测量它。改变等待时间能影响总的极化效应。改变回波间隔能影响观测流体扩散效应的能力增加回波总数能获得更精确的有关长弛豫时间分量的信息。改变测井参数能影响NMR测井解释主要原理的运用，例如缩短回波间隔将获得更多的与粘土相关的快弛豫信号成分的信息；加长回波间隔会增大流体梯
8、度扩散效应，用以区分油、气；而缩短等待时间，通过不完全极化成分的长弛豫分量，利于区分油、气等。第五、对测量信号的处理技术不断进行改进。如：对T2回波信号用多指数模型拟合成弛豫时间分布谱，通过截止值区分束缚流体和可动流体体积；用谱差分法和谱位移法识别孔隙中流体类型，及充分采集早期回波求粘土束缚水体积等软件。现在，NMR测井在应用方面已有重要进展。首先它能告诉地层中含有多少流体，是自曲流体还是束缚流体，在有利情况下，能过考虑各种影响因素后能决定流体类型，即区分油、气、水。其次，它能提供不同的孔隙度成分，依据横向弛豫时间T2的分布，以截止值方法区分自由流体、毛管束缚水、粘土束缚水分别占据的孔隙空间。
9、90年代初期的仪器能测量的最短T2下限值是35ms，最新仪器可能测量的T2衰减成分下限达0.10.5ms。因此可以求自由流体孔隙度、有效孔隙度，正向求总孔隙度TCMR方面迈进。第三，它能提供常规孔隙度仪器不能获得的关于地层孔隙度尺寸分布和孔隙结构的信息。更好地描述流体的可动性。第四，新的、测速较快、成本较低的NCMR仪和常规仪器结合，可改善关鍵地层特性如束缚水包和度和渗透率的确定，从而提高储层产能预测能力。同时，可提供更准确的定量化的泥质砂岩气层和稠油层评价。目前，能提供NMR测井商业服务的主要有两种仪器。一种是NUMAR公司的MRIL仪，另一种是斯伦贝谢公司的CMR。MRIL仪为获得强信号使
10、用条形磁铁和纵向接收线圈的组合，以产生与井眼同轴、离井几英寸的长（2ft）薄圆柱环状探测灵敏区。近年来该型仪器增加一种多路定时方式，提高快衰减测量的信噪比，即将回波间隔为1.2ms由400个回波组成的标准脉冲回波组成的标准脉冲回波序列和标准半回波间隔有816个回波的短回波予序列快速脉冲结合，这一脉序列重复50次噪音减至1/7。目前该仪器测量的T2能短至0.5ms。另一种是斯伦贝谢公司的CMR仪器。该仪器使用一对条形磁铁，在其中间夹定向天线、聚焦，该仪器的垂向分辨率为6in。探测灵敏区为进入地层0.51.25in的体积域。它对薄泥质砂岩快速孔隙度变化比较敏感。近年CMR硬件已得到改进，信号处理软
11、件已升级，每个回泚的信噪比已改进50%，回波采样率增加40%，回波间隔从0.32ms缩短为0.2ms，优化了信号处理软件使其对短T2衰减有最大灵敏度。因此，新的脉冲回波CMR200仪器测量的最短地层T2衰减时间，用连续测井方式时达到0.3ms，点测方式达0.1ms。两个公司虽然都采用低场射频脉冲方式，但所用频率不同。二、 核磁共振测井技术应用研究的发展1. 求束缚水饱和度，改进地层渗透率评价测量束缚流体孔隙度成分是NMR孔隙度测井的一种专门应用，它基于NMR技术具有区分束缚流体孔隙度和可动流体孔隙度的能力。用常规测井方法测量束缚流体孔隙度是很困难的。一种全NMR信息测量需要一个长的等待时间以极
12、化地层流体所有组分，还要一个长的采集时间以测量最长的弛豫时间。经验表明，砂岩地层束缚流体的T2弛豫时间通常小于33ms，碳酸盐岩地层则小于100ms。束缚流体与可动流体的截止值，应以不同地区和层段岩样实验测量来提供。在专门的快速束缚流体NMR测井中，可通过让长T2成分测量准确度较低而使用短等待时间。此外，选用短回波间隔和适当的回波数也可减小采集时间而保证测量体积没有显著变化。由于束缚流体弛豫时间短，这种NMR测井仪的测速可达3600ft/h。值得注意的是，许多高粘度油的T2测量值含有低于33ms（砂岩）或100ms（碳酸盐岩）而高于0.3ms的组分，它包含在束缚流体测井中。孔隙度表面顺磁物质存
13、在，流体含氢指数减小也会出现类似情况。在世界各地，专门针对束缚流体已在25口井中进行了NMR测井。在北海、墨西哥湾一些实例研究表明，由于使用CMR测井求得较准的束缚水饱和度，同时CMR与其它测井结合获得准确度较好的孔隙度值，从而使渗透率参数评价得到明显改进。同时由于NMR测井技术能区分束缚流体与可动流体孔隙度，因而为低电阻率油层识别，油水过渡带油层品质评价，提供了更好的技术前提。2. 由核磁共振测井确定地层孔隙度不论是斯伦贝谢公司的CMR测井仪，还是NUMARC测井仪，均能提供储层的束缚流体孔隙体积，自由流体孔隙体积和有效孔隙度。在实验室，前两种孔隙体积一般根据岩心测试数据经拟合得到的T2分布
14、曲线通过确定截止值而求得的。现场测井解释时所用截止值，一般以实验室工作为基础。由核磁共振测井求得的有效孔隙度一般由毛细管束缚流体孔隙体积及自由流体孔隙体积组成。不含粉砂、粘土束缚水体积及微孔隙部分，这是因为以往的NMR测量T2灵敏度下限是3ms，不能记录到T2的快衰减成分。改进的NMR测井T2测量灵敏度下限的关键参是提高信噪比和缩短回波间隔。止前，CMR、MRILC两种仪器在面均有了显著。以CMR200仪为例，信噪比提高50%，回波间隔从0.32ms减小到0.2ms，信号处理软件改进使其对T2快衰减成分有最大灵敏度，这样CMR200连续测井T2灵敏下限由3ms减小到0.3ms。MRIL系列的T
15、2灵敏下限也达到0.5ms。图1示出了CMR仪在南美一口井用新处理软件的测井应用结果。用此比较TCMR（CMR总孔隙度）、CMRP（CMR有效孔隙度）、DPHI（密度测井孔隙度）NPHI（中子孔隙度）。地层是一个薄的泥质砂岩层。度测井结果示于图1第2道。密度测井孔隙度是用2.65g/cm3岩石骨架密度计算得出的。整个井段由含水砂岩及上覆泥岩组成。第一道给出自然伽马和井径测井曲线及T2截止值为12ms计算的束缚流体孔隙度曲线。第三道示出T2分布（TCMR）曲线。为了提供10in的高垂向分辨率TCMR测井来描述这个薄层，以2in的采样间隔采集CMR测井数据。密度孔隙度测井用组从事电缆测井仪的“快车
16、平台”系列中的三探头密度仪测井，它有高达8in的地层分辨率。在X520X540ft的泥岩段，TCMR与密度测井孔隙度符合好，而CMRP读数约低10pu，读数低的原因是泥岩T2分布中含有比CMRP探测门限值3ms更短的成分被截掉了。在X540X570ft的中纯含水砂岩段，几乎不含弛豫时间低于几毫秒的孔隙度，故TCMR，CMRP，DPHI，NPHI之间均符合得比较好。从第一道可看出自然伽马曲线与12ms为截止值的束缚孔隙度曲线间有相关性，这说明了TCMR测量的另一种应用。束缚流体测量能提供一种与地层天然放射性无关的泥岩指示器。这点对包含放射性矿物（如钾长石）的一些纯砂岩测井环境是重要在这种地质环境中不能用自然伽马测井区分砂岩和泥岩。已经发现，在其它泥质砂岩层用近似范围为812ms的T2截止值计算出束缚流孔隙度，是一种有用泥岩指示器。在有利条件下TCMR测量的实现，使泥质砂岩气层识别得以简化；能探测的重油粘度范围从1000Mpa.s扩展到10000mpa.s；
