核磁共振測井原理

核磁共振測井原理快速發(fā)展的核磁共振測井技術(shù)1945年，Bloch和Purcell發(fā)現(xiàn)了核磁共振（NMR）現(xiàn)象。從那時起，NMR作為一種有活力的譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)，進(jìn)而擴(kuò)展到生命科學(xué)、診斷醫(yī)學(xué)及實(shí)驗(yàn)油層物理等領(lǐng)域。如今，NMR已成為這些領(lǐng)域的重要分析和測試手段。40年代末，Varian公司證實(shí)了地磁場中的核自由運(yùn)動，50年代，VarianSchlumberger-Doll，Chevron三個公司開展了核磁共振測井可行性研究。60年代初開發(fā)出實(shí)驗(yàn)儀器樣機(jī)，它基于Chevron研究中心提出的概念，儀器使用一些大線圈和強(qiáng)電流，在志層中產(chǎn)生一個靜磁場，極化水和油氣中的氫核。迅速斷開靜磁場后，被極化的氫核將在弱而均勻的地磁場中進(jìn)動。這種核進(jìn)動在用于產(chǎn)生靜磁場的相同線圈中產(chǎn)生一種按指數(shù)衰減的信號。使用該信號可計算自由流體指數(shù)FFI，它代表包含各種可動流體的孔隙度。這些早期儀器有一些嚴(yán)重的技術(shù)缺陷首先，共振信號的靈敏區(qū)包括了所有的井眼流體，這迫使作業(yè)人員使用專門的加順磁物質(zhì)的泥漿和作業(yè)程序，以消除大井眼背景信號，這是一促成本昂貴且耗時冗長的處理，作業(yè)復(fù)雜而麻煩，測井速度慢石油公司難以接受。其次，用強(qiáng)的極化電流持續(xù)20ms的長時間，減小了儀器對快衰減孔隙度成分的靈敏度，而只能檢測具有長弛豫衰減時間的自由流體，由于固液界面效應(yīng)對弛豫影響及巖石孔隙中油與水的弛豫時間差異不大，使得孔隙度和飽和度都很難求準(zhǔn)。此外，這些儀器為翻轉(zhuǎn)被極化的自旋氫核需消耗大量功率，不能和其它測井儀器組合。但這些難題沒有使核磁共振測井研究中止。70年代末至80年代初，美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室JasperJackson博士提出“INSDE－OUT”磁場技術(shù)。在相同時期，磁共振成象（MRI）概念也得到很大發(fā)展。1983年，MelvinMiller博士在美國創(chuàng)辦了NU－MAR公司，他們綜合了“INSIDE－OUT”概念和MAR技術(shù)同時，斯倫貝謝公司幾十年來，一直在努力發(fā)展核磁共振測井技術(shù)?？傮w來看，十幾年來核磁共振測井技術(shù)的快速發(fā)展表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，根據(jù)“INSIDE－OUT”思想，不用地磁場，而是在井中人工放置一個高強(qiáng)度磁體，所推出的核磁共振率統(tǒng)核心部分是由穩(wěn)恒磁體發(fā)射射頻（RF）脈沖并采集自旋回波信號的RF線圈組成。該技術(shù)使穩(wěn)恒場B0與RF場B1相互垂直，磁體的軸沿井筒主向，其磁場方向垂直地地層。B0場與B1場的特點(diǎn)是：在空間任意處它們均相互正交；它們的等場強(qiáng)線為同心圓柱面；場強(qiáng)在徑向上均與距離的平方成反比。B0與B1的正交性是獲取最大信號的關(guān)鍵。核磁共振空間是由RF脈沖頻率確定的，可以通過選頻選定探測空間。因此使用各種新型核磁共振測井儀不象過去那樣要進(jìn)行繁重的泥漿處理作業(yè)。第二，選用了由Carr，Purcell，Meiboon和Gill改進(jìn)的脈沖回波序列技術(shù)，即CPMG序列脈沖回波技術(shù)，它的思想是對可逆轉(zhuǎn)散相效應(yīng)引起的快衰減進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)計RF線圈和穩(wěn)恒磁場的獨(dú)特組合可以實(shí)現(xiàn)自旋回波序列。選用這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）利用自旋轉(zhuǎn)回波方法可以獲得較高的信噪比，這對任何測量都是一個基本指標(biāo)，對井下連續(xù)測量更重要。（2）自旋回波技術(shù)可放松對磁場極高均勻性的需求。這對MIR（核磁共振成象）和MRL（磁共振測井）都非常重要。MIR使用梯度場來定位信號怪生區(qū)域。MRL特別要求其測量對象置在探頭之外，因此均勻度很高的磁場是不可能的。（3）自旋回波序列可視具體情況需要進(jìn)行修改，有靈活可變化的特點(diǎn)，適于多種多樣的井眼和地質(zhì)情況。近二、三十年已發(fā)展出幾百種回波序列。由于計算機(jī)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使僺作者控制RF脈沖的強(qiáng)度、相位、寬度和發(fā)射時間的能力不斷增強(qiáng)，也使核磁共振測井可選用的自旋回波序列更豐富多樣。第三、開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，為NMR測井應(yīng)用提供了科學(xué)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)研究是進(jìn)場應(yīng)用的基礎(chǔ)，多年來國內(nèi)外石油公司、研究單位、測井公司、大學(xué)對多孔巖石NMR測井應(yīng)用的主要原理如孔隙度表面弛豫特性、體積流體弛豫特性、流體擴(kuò)散弛豫、巖石中順磁物質(zhì)對弛豫影響，巖石孔隙度、滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕性與弛豫特性的關(guān)系，束縛流體、可動流體弛豫特性，油、水、氣弛豫特性差別，粘度、礦化度對弛豫時間影響等等方面開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，同時對實(shí)驗(yàn)資料分析處理研究所作的假設(shè)與近似作了充分闡述，為應(yīng)用核磁共振測井資料求巖石物理參數(shù)，識別油、氣、水，預(yù)測產(chǎn)能，選擇測井參數(shù)等建立了應(yīng)用基礎(chǔ)，大大推進(jìn)發(fā)該技在油氣勘探、開發(fā)中的應(yīng)用。第四、對測量參數(shù)的選擇做了很多分析研究工作。每次測井中有三個參數(shù)能夠控制，它們是回波間隔、等待時間和采集的回波總數(shù)。因而NMR測量是一種動態(tài)結(jié)果，取決于如何測量它。改變等待時間能影響總的極化效應(yīng)。改變回波間隔能影響觀測流體擴(kuò)散效應(yīng)的能力增加回波總數(shù)能獲得更精確的有關(guān)長弛豫時間分量的信息。改變測井參數(shù)能影響NMR測井解釋主要原理的運(yùn)用，例如縮短回波間隔將獲得更多的與粘土相關(guān)的快弛豫信號成分的信息；加長回波間隔會增大流體梯度擴(kuò)散效應(yīng)，用以區(qū)分油、氣；而縮短等待時間，通過不完全極化成分的長弛豫分量，利于區(qū)分油、氣等。第五、對測量信號的處理技術(shù)不斷進(jìn)行改進(jìn)。如：對T2回波信號用多指數(shù)模型擬合成弛豫時間分布譜，通過截止值區(qū)分束縛流體和可動流體體積；用譜差分法和譜位移法識別孔隙中流體類型，及充分采集早期回波求粘土束縛水體積等軟件?，F(xiàn)在，NMR測井在應(yīng)用方面已有重要進(jìn)展。首先它能告訴地層中含有多少流體，是自曲流體還是束縛流體，在有利情況下，能過考慮各種影響因素后能決定流體類型，即區(qū)分油、氣、水。其次，它能提供不同的孔隙度成分，依據(jù)橫向弛豫時間T2的分布，以截止值方法區(qū)分自由流體、毛管束縛水、粘土束縛水分別占據(jù)的孔隙空間。90年代初期的儀器能測量的最短T2下限值是3－5ms，最新儀器可能測量的T2衰減成分下限達(dá)0.1－0.5ms。因此可以求自由流體孔隙度、有效孔隙度，正向求總孔隙度TCMR方面邁進(jìn)。第三，它能提供常規(guī)孔隙度儀器不能獲得的關(guān)于地層孔隙度尺寸分布和孔隙結(jié)構(gòu)的信息。更好地描述流體的可動性。第四，新的、測速較快、成本較低的NCMR儀和常規(guī)儀器結(jié)合，可改善關(guān)鍵地層特性如束縛水包和度和滲透率的確定，從而提高儲層產(chǎn)能預(yù)測能力。同時，可提供更準(zhǔn)確的定量化的泥質(zhì)砂巖氣層和稠油層評價。目前，能提供NMR測井商業(yè)服務(wù)的主要有兩種儀器。一種是NUMAR公司的MRIL儀，另一種是斯倫貝謝公司的CMR。MRIL儀為獲得強(qiáng)信號使用條形磁鐵和縱向接收線圈的組合，以產(chǎn)生與井眼同軸、離井幾英寸的長（2ft）薄圓柱環(huán)狀探測靈敏區(qū)。近年來該型儀器增加一種多路定時方式，提高快衰減測量的信噪比，即將回波間隔為1.2ms由400個回波組成的標(biāo)準(zhǔn)脈沖回波組成的標(biāo)準(zhǔn)脈沖回波序列和標(biāo)準(zhǔn)半回波間隔有8－16個回波的短回波予序列快速脈沖結(jié)合，這一脈序列重復(fù)50次噪音減至1/7。目前該儀器測量的T2能短至0.5ms。另一種是斯倫貝謝公司的CMR儀器。該儀器使用一對條形磁鐵，在其中間夾定向天線、聚焦，該儀器的垂向分辨率為6in。探測靈敏區(qū)為進(jìn)入地層0.5－1.25in的體積域。它對薄泥質(zhì)砂巖快速孔隙度變化比較敏感。近年CMR硬件已得到改進(jìn)，信號處理軟件已升級，每個回泚的信噪比已改進(jìn)50%，回波采樣率增加40%，回波間隔從0.32ms縮短為0.2ms，優(yōu)化了信號處理軟件使其對短T2衰減有最大靈敏度。因此，新的脈沖回波CMR－200儀器測量的最短地層T2衰減時間，用連續(xù)測井方式時達(dá)到0.3ms，點(diǎn)測方式達(dá)0.1ms。兩個公司雖然都采用低場射頻脈沖方式，但所用頻率不同。磁場的選擇核磁共振測井的初始階段，人們利用地磁場做為穩(wěn)定的均勻磁場，但磁場的均勻程度和強(qiáng)度有時并不能滿足核磁共振測井的要求，所以要設(shè)計更適合井下測量的磁場。經(jīng)過人們的努力，已經(jīng)提出了多種磁場設(shè)計方案，主要有均勻場和梯度場的選取。斯倫貝謝公司的可組合核磁共振測井儀CMR是90年代發(fā)展起來的，其設(shè)計思想源于上述方案，并加以發(fā)展。儀器尺寸小，可組合性高，永久磁鐵和天線都固定在帖井壁的滑板上，磁鐵平行分布在天線兩側(cè)，在附加裝置的作用下，它們發(fā)出的磁力線伸向地層，在離井壁約1in處形成一個均勻的磁場區(qū)域。調(diào)節(jié)天線發(fā)出的射頻場頻率可以選擇磁場均勻區(qū)為共振區(qū)域。儀器貼井壁測量，因此消除了井眼對測量的干擾，既提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，又降低了測井的成本，同時，使儀器有較高的分辨率。但是應(yīng)該看到儀器的徑向探測深度還是比較淺，并且選擇的探測區(qū)域的體積很小，信號拫弱，信噪比有時仍不理想。Numar公司的MRIL技術(shù)的核心部分是兩塊高強(qiáng)度的永久磁鐵，磁鐵呈偶極方式相向沿井軸方向排列，永久磁鐵產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場在徑向上隨著距井軸距離的加大而逐漸減弱，這是一個沿徑向分布的梯度場。通過調(diào)節(jié)射頻場的頻率可