原子核的磁性

原子核的磁性NMR技術(shù)的基礎(chǔ)是利用原子核自身的磁性及其與外加磁場的相互作用原子核=質(zhì)子+中子=核子原子序數(shù)=質(zhì)子數(shù)所有含奇數(shù)個(gè)核子或含偶數(shù)個(gè)核子但原子序數(shù)為奇數(shù)的原子核，具有自旋磁矩即具有磁性，如11H、21H、31H、136C、178O、199F、2312Na等。這樣的核，不停旋轉(zhuǎn)，象一根磁棒。11H具有最大的自旋角動(dòng)量和測量靈敏性，是測量對象。沒有外場時(shí)，單個(gè)核自旋或核磁矩隨機(jī)取向，系統(tǒng)宏觀上沒有磁性。NS核磁矩5/8/20241原子核的磁性單自旋核在外磁場中的表現(xiàn)核磁矩在外磁場（由永久磁鐵產(chǎn)生）中，受到力矩的作用，象傾倒的陀螺繞重力場進(jìn)動(dòng)一樣，繞外場方向進(jìn)動(dòng)。對氫核：γ=4258Hz/Gauss，在500Gauss的外加磁場中，共振頻率f=2.13MHz不同的核具有不同的γ值，在同一磁場中具有不同的進(jìn)動(dòng)頻率，因此能夠?qū)⒉煌拇判院藚^(qū)分開Larmor頻率f=γBoxzBoy5/8/20242原子核的磁性在外磁場中，整個(gè)自旋系統(tǒng)被磁化，所有核磁矩沿靜磁場方向取向，在宏觀上將產(chǎn)生一個(gè)磁矩和，稱為宏觀磁化矢量M，方向與Bo平行。自旋系統(tǒng)在外磁場中的表現(xiàn)：

Ⅰ宏觀磁化矢量MBoyxzMBo平行100006反平行1000005/8/20243原子核的磁性沒有外磁場時(shí)施加外磁場時(shí)大量核磁矩由無序變有序排列5/8/20244原子核的磁性宏觀磁化矢量宏觀磁化矢量M是測量區(qū)域內(nèi)的磁性氫核磁矩被靜磁場Bo磁化所形成的，其方向與靜磁場Bo一致。M繞Bo以Larmor頻率進(jìn)動(dòng)。核磁共振測井的目的是：用相同頻率的射頻脈沖場激發(fā)它，使之產(chǎn)生共振信號并用線圈加以接收，以獲得有關(guān)的地層信息。5/8/20245原子核的磁性NMR弛豫B1射頻脈沖施加前：自旋系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，M與Bo方向相同；射頻脈沖施加期間：M與Bo垂直,產(chǎn)生磁共振：核自旋系統(tǒng)吸收外界能量，由低能態(tài)躍升至高能態(tài)；射頻脈沖施加后：M朝Bo方向恢復(fù)，核自旋系統(tǒng)由非平衡時(shí)的高能態(tài)恢復(fù)到平衡時(shí)的低能態(tài)。核自旋系統(tǒng)由非平衡時(shí)的高能態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過程，稱為弛豫。弛豫的快慢或速率用1/T1或1/T2表示。yxzMBo射頻脈沖場B1頻率=共振頻率5/8/20246原子核的磁性T1和T2弛豫時(shí)間縱向弛豫：過程中自旋系統(tǒng)內(nèi)部能量發(fā)生變化，自旋與晶格或環(huán)境間進(jìn)行能量交換，把共振時(shí)吸收的能量釋放出來，又稱自旋-晶格弛豫。橫向弛豫：過程中自旋系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生能量偶合，總能量不變，磁化矢量進(jìn)動(dòng)由有規(guī)律變?yōu)闊o規(guī)律，又稱自旋-自旋弛豫。磁共振弛豫過程：縱向弛豫（T1）和橫向弛豫（T2）M∥tM⊥tT1弛豫T2弛豫5/8/20247原子核的磁性T2弛豫時(shí)間測量：

CPMG脈沖法脈沖序列：(90o)X—τ—(180o)Y—τ—echo—τ—(180o)Y—τ—echo……τ2τ2τTE=2τ90O180O180ORF信號第一個(gè)自旋回波第二個(gè)自旋回波T2衰減T2*衰減★★★TE---回波串時(shí)間間隔5/8/20248原子核的磁性CPMG脈沖序列信號第一個(gè)自旋回波第二個(gè)自旋回波T2衰減T2*衰減90oRF脈沖90oRF脈沖180oRF脈沖FSFSFSFS產(chǎn)生自旋-回波5/8/20249原子核的磁性NMR測量原理NS儀器中的永久磁鐵極化地層孔隙中的氫核施加CPMG脈沖串信號：90o脈沖，使磁化矢量反轉(zhuǎn)；180o脈沖，記錄恢復(fù)中的自旋-回波信號等待氫核磁化矢量恢復(fù)原來的狀態(tài)最大信號幅度正比于充滿流體的孔隙度大小信號衰減時(shí)間孔隙大小，流體特性

孔隙結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)特性5/8/202410原子核的磁性MRIL-C磁共振成像儀結(jié)構(gòu)頻帶寬BO（r）BO（r）BO=169GaussG=17Gauss/cm16〃6〃地層磁鐵天線泥漿井壁敏感區(qū)井筒MRIL探頭敏感區(qū)柱殼厚1mm，彼此相隔1mm16〃24〃5/8/202411原子核的磁性五、測量結(jié)果及提供的地質(zhì)參數(shù)1、原始數(shù)據(jù)2、原始數(shù)據(jù)的反演3、T2分布的意義4、影響T2的因素-孔隙半徑、流體粘度5/8/202412原子核的磁性測井原始數(shù)據(jù)：自旋-回波串時(shí)間,微秒幅度5/8/202413原子核的磁性NMR回波串的反演處理方法對現(xiàn)場采集的回波串信號采用多指數(shù)擬合:式中：Ai是與第i個(gè)T2時(shí)間相對應(yīng)的組分信號幅度，已刻度成孔隙度單位；T2i的選取可任意，但一般有規(guī)律地選取，按T2i=2i+1的形式取值，即T2i=4ms，8ms，16ms，32ms，64ms，…通過反演，求出各個(gè)Ai的值，以T2i為橫坐標(biāo)，以Ai為縱坐標(biāo)，將各個(gè)T2i下的Ai連成折線，即得到所謂的T2分布譜。5/8/202414原子核的磁性NMR測井提供的地質(zhì)參數(shù)通過對自旋—回波串反演，得到下列參數(shù)：橫向弛豫時(shí)間T2分布地層有效孔隙度自由流體體積束縛流體體積連續(xù)的滲透率剖面CMR:SDR模型:K=C×(ФCMR)4(T2,MEAN,LOG)2MRIL:Coates模型:

K=（MPHI/C）4×(MBVM/BVI)2

5/8/202415原子核的磁性典型T2分布5/8/202416原子核的磁性T2分布的意義一般呈雙峰分布，短T2對應(yīng)的峰是由毛細(xì)管微孔隙中的束縛流體(不可動(dòng)流體)形成的，長T2對應(yīng)的峰是由滲流大孔隙中的自由流體(可動(dòng)流體)形成的。區(qū)分自由流體和束縛流體的界限稱之為T2截止值。砂巖T2截止值為33ms，灰?guī)r為92ms。T2分布與壓汞資料對比，可得到與之相對應(yīng)的孔隙大?。讖剑┓植?。當(dāng)孔隙中只有單相流體存在時(shí)，T2分布的形態(tài)反映巖石的孔隙大?。讖剑┓植?，從而能反映儲集層的巖石物理特性。當(dāng)孔隙中有多相流體存在時(shí)，T2分布的形態(tài)不僅反映巖石的孔隙大?。讖剑┓植?，而且反映流體的類型和特性。當(dāng)油、氣、水的弛豫性質(zhì)差別較大時(shí)，根據(jù)T2分布的形態(tài)和展布情況，可定性地識別油、氣、水的存在。5/8/202417原子核的磁性巖樣飽含水巖樣被離心甩干5/8/202418原子核的磁性巖樣飽含水巖樣被離心甩干5/8/202419原子核的磁性巖樣飽含水巖樣被離心甩干5/8/202420原子核的磁性巖樣飽含水巖樣被離心甩干5/8/202421原子核的磁性5/8/202422原子核的磁性5/8/202423原子核的磁性5/8/202424原子核的磁性影響Ｔ2的主要因素WettabilityPoreSize&GeometryPoreMineralogyPoreFluidDiffusivityMagneticsPoreFluidViscosity5/8/202425原子核的磁性三種弛豫機(jī)制1、巖石顆粒表面弛豫流體分子在孔隙內(nèi)不停地運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，在每一個(gè)測量周期內(nèi)，與巖石顆粒表面發(fā)生碰撞：Ⅰ氫核把能力傳給顆粒表面，對T1有貢獻(xiàn)；Ⅱ影響散相過程的恢復(fù)，對T2有貢獻(xiàn)。大多數(shù)巖石顆粒表面對T1和T2具有重要影響?？紫洞笮?S/V)和表面弛豫能力(ρ1、ρ2)在表面弛豫過程中起重要作用。5/8/202426原子核的磁性巖石顆粒表面弛豫5/8/202427原子核的磁性孔徑大小與T2弛豫時(shí)間關(guān)系充水的孔隙小孔徑：衰減快大孔徑：衰減慢T2-1≌ρ（S/V）幅度時(shí)間5/8/202428原子核的磁性T2分布形態(tài)與K的關(guān)系5/8/202429原子核的磁性2、體積流體弛豫即使不存在于巖石孔隙內(nèi)，在體積流體內(nèi)也會發(fā)生弛豫。影響體積弛豫的因素有：流體粘度，溫度，是否含氣。三種弛豫機(jī)制5/8/202430原子核的磁性T2與流體粘度的關(guān)系粘度（CP）T2,log(msec)5/8/202431原子核的磁性3、梯度場中分子擴(kuò)散引起的弛豫

使CPMG回波間隔最小,并使磁場梯度較小,可把擴(kuò)散對T2的影響減小。三種弛豫機(jī)制5/8/202432原子核的磁性總弛豫過程對T2：

對T1：

三種弛豫機(jī)制5/8/202433原子核的磁性六、測井解釋模型1、NMR孔隙度解釋模型2、NMR資料處理方法3、綜合流體評價(jià)和飽和度計(jì)算模型5/8/202434原子核的磁性NMR孔隙度解釋模型骨架干粘土粘土束縛水毛管束縛水自由流體φtMBVIMBVMφCMRBVIFFIMPHI5/8/202435原子核的磁性MRIL測井資料處理方法第一步：NMR測井分析MRILPOST此程序?qū)F(xiàn)場采集的回波串進(jìn)行反演得到T2分布，然后求出核磁共振孔隙度MPHI、束縛流體孔隙度MBVI、可動(dòng)流體孔隙度MBVM及核磁共振滲透率MPERM。

第二步：綜合流體分析

MRAX2該程序是在第一步處理的基礎(chǔ)上,結(jié)合常規(guī)方法測得的資料（Rt、DEN、CNL等）做進(jìn)一步的油水定量分析。5/8/202436原子核的磁性NMR參數(shù)計(jì)算-MRILPOST孔隙度

即現(xiàn)場測量的T2回波衰減信號t=0時(shí)的幅度。束縛流體孔隙度可動(dòng)流體孔隙度計(jì)算滲透率

C為巖心刻度系數(shù)，一般采用巖心刻度給出；在沒有巖心的情況下，取缺省值C=10。5/8/202437原子核的磁性回波串處理5/8/202438原子核的磁性綜合流體分析MRAX2計(jì)算束縛水飽和度

Swb=(ΦT－ΦMRIL)/ΦT

雙水模型計(jì)算陽離子交換量Qv

Qv=Swb/α·VQ

VQ=0.3（320/(T(ok)+25)）α=(SAL/40)0.5

用Waxman－Smits模型計(jì)算SWT5/8/202439原子核的磁性七、NMR的三種測量方式標(biāo)準(zhǔn)T2測井

提供儲層巖石物理學(xué)參數(shù)TR測井方式：差譜分析

直接找油和氣TE或T2D測井方式：移譜分析

直接找輕質(zhì)油和氣，區(qū)分重油和水5/8/202440原子核的磁性T2弛豫時(shí)間測量原理時(shí)間射頻B1場回波MO縱向分量NE個(gè)回波TWTETRT1恢復(fù)周期(s)=2×(TW+NE×TE)TE---回波串時(shí)間間隔Tw---等待時(shí)間5/8/202441原子核的磁性TR方式：直接確定烴類型根據(jù)油、氣、水具有不同的弛豫響應(yīng)特征，采用不同的等待時(shí)間TW（兩個(gè)脈沖序列之間的時(shí)間)進(jìn)行測量，可反映出流體性質(zhì)在核磁共振響應(yīng)上的差異，以便加以識別和區(qū)分。短等待時(shí)間Tws：水信號可完全恢復(fù)，烴不能完全恢復(fù)。長等待時(shí)間TWL：水信號可完全恢復(fù)，烴也能完全恢復(fù)。將兩種TW測得的T2譜相減(差譜)，可基本消除水的信號,突出烴信號，從而達(dá)到識別油、氣、水層的目的。5/8/202442原子核的磁性油、氣、水的弛豫時(shí)間墨西哥灣儲層油、氣、水的弛豫時(shí)間測量條件：儲層溫度93.33℃,壓力31MPa原油粘度0.2mPa.s,鹽水礦化度120000mg/L磁場梯度17Gauss/cm5/8/202443原子核的磁性油、氣、水的弛豫時(shí)間勝利油田儲層油、氣、水的弛豫時(shí)間(測量條件:原油粘度10mPa.s,溫度20℃,水礦化度3000mg/L)5/8/202444原子核的磁性TW的選取原則TWL≥T1,gas3T1,water≤TWS≤T1,gas典型選取:TWS=1.5s,TWL=6.0s5/8/202445原子核的磁性差譜分析原理示意圖氣油110100100010000T2（ms）水油氣TWlongTWshortDiffSpectraPOROSITYPOROSITYPOROSITYTWlongTWshort水5/8/202446原子核的磁性5/8/202447原子核的磁性5/8/202448原子核的磁性TE測井方式：直接找油氣油氣水具有不同的擴(kuò)散系數(shù)，在梯度磁場中對T2時(shí)間及其分布有不同程度的影響：增加回波間隔TE，將導(dǎo)致T2減小，T2分布將向減小的方向移動(dòng)：氣有最大的擴(kuò)散系數(shù)D，T2減小最厲害；輕質(zhì)油有較大的D，T2減小明顯；水的D比氣和輕質(zhì)油都小，T2減小程度?。恢赜陀凶钚〉臄U(kuò)散系數(shù)，T2減小最小。若采用長、短兩種TE測井，對比其T2分布減小的程度，即進(jìn)行所謂的移譜分析，將能夠區(qū)分油氣水。5/8/202449原子核的磁性移譜分析找氣原理示意圖110100100010000T2（ms）POROSITYPOROSITY水油氣TESTELTESTEL水氣油水氣油TE---回波串時(shí)間間隔5/8/202450原子核的磁性移譜分析區(qū)分重油和水

原理示意圖1101001000T2（ms）POROSITYPOROSITY水油氣TESTELTESTEL水油水油TE---回波串時(shí)間間隔5/8/202451原子核的磁性TES→minTEL≥2ms典型選取:TES=1.2ms(min)TEL=2.4,3.6ms,4.8msTE的選取原則5/8/202452原子核的磁性NMR測井資料的應(yīng)用儲層參數(shù)計(jì)算復(fù)雜巖性油藏評價(jià)流體性質(zhì)識別完井及鉆井方案的確定5/8/202453原子核的磁性準(zhǔn)確測量儲層孔隙度巖心分析孔隙度測井孔隙度5/8/202454原子核的磁性準(zhǔn)確估算滲透率巖心分析滲透率計(jì)算滲透率5/8/202455原子核的磁性復(fù)雜巖性儲層飽和度評價(jià)——埕北302井5/8/202456原子核的磁性商745井火成巖孔隙度估算5/8/202457原子核的磁性稠油水淹油藏評價(jià)5/8/202458原子核的磁性低阻儲層評價(jià)與下面的一層合試，日產(chǎn)油19噸，不含水。5/8/202459原子核的磁性識別小差異電阻率儲層5/8/202460原子核的磁性薄互層評價(jià)E、F、G三層合試，日產(chǎn)油8.4方，不含水。5/8/202461原子核的磁性礫巖油藏評價(jià)5/8/202462原子核的磁性低孔隙儲層溶孔和裂縫識別5/8/202463原子核的磁性差譜識別油氣層5/8/202464原子核的磁性差譜識別油水層5/8/202465原子核的磁性移譜識別油層1805~1820.4試油初產(chǎn)120噸/日5/8/202466原子核的磁性移譜識別水層1930.4～1932米測試:日產(chǎn)液55.6方,油5.6噸5/8/202467原子核的磁性完井方案的確定-單143井5/8/202468原子核的磁性鉆井決策的確定-王平1井AB5/8/202469原子核的磁性結(jié)論為儲層評價(jià)提供更精確的地質(zhì)參數(shù)，如孔隙度、滲透率、飽和度等。針對火成巖復(fù)雜巖性非均質(zhì)儲層，也能獲取準(zhǔn)確的地層孔隙度，劃分有效的滲透層和定性確定孔隙結(jié)構(gòu)及儲層流體的流動(dòng)能力。有效識別砂泥巖剖面的低電阻細(xì)砂巖儲層及薄互層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，束縛流體體積，區(qū)分水層和低阻油層。識別小差異電阻率儲層。5/8/202470原子核的磁性九、推廣NMR測井應(yīng)注意的問題和建議實(shí)例表明核磁共振共振測井具有一些常規(guī)測井所不具備的優(yōu)點(diǎn)，信息量豐富，資料解釋方便直觀，應(yīng)用潛力大。與常規(guī)測井結(jié)合進(jìn)行綜合解釋，可改進(jìn)對地層流體性質(zhì)評價(jià)的可靠性。但核磁共振測井畢竟是一種單項(xiàng)相方法，并且井眼條件、巖性、深度等測量環(huán)境對測量結(jié)果有一定的影響，因此有它的局限性，再有它也要求依賴巖心實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)對它進(jìn)行有效的刻度。根據(jù)近來對十幾口井資料的分析，建議在今后的推廣使用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：5/8/202471原子核的磁性問題和建議1、目前使用的兩種核磁共振儀器CMR、MRIL，由于儀器的結(jié)構(gòu)、測井的方式和在地下所建立的人工磁場的差異，所以對測井的井筒條件要求也不同。CMR儀是貼井壁測量，受井眼、侵入的影響非常敏感，在使用差譜、移譜觀測方式測量效果方面不如MRIL儀好。MRIL是居中測量，探測深度是CMR十幾倍。但它的探測半徑受溫度的影響，通常溫度增高，造成磁場強(qiáng)度（磁場梯度）減弱，相應(yīng)的使探測半徑減小。建議在進(jìn)行核磁共振測井時(shí)，保障正常的井眼，最大井眼尺寸不超過10英寸。5/8/202472原子核的磁性問題和建議2、在計(jì)算束縛流體體積和滲透率的模型中，影響其計(jì)算精度的主要參數(shù)一個(gè)是T2截止值和校正系數(shù)C，在沒有巖心數(shù)據(jù)的時(shí)候，可選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)值。這兩個(gè)參數(shù)在有條件的情況下最好由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來加以刻度。5/8/202473原子核的磁性問題和建議3、核磁共振測井?dāng)?shù)據(jù)采集的信噪比是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。正常要保證大于20。4、地層中的一些順磁物質(zhì)（磁鐵礦、含鐵物質(zhì)）會對核磁共振信號造成影響。另外砂泥薄互層、非均質(zhì)性儲層也會對T2分布譜造成影響，影響判斷流體的性質(zhì)。5/8/202474原子核的磁性問題和建議5、差譜、移譜測井方式在深層、低孔、低滲的儲層應(yīng)用效果不如在中、淺層、中孔、中滲的砂巖效果好。鑒于上述一些客觀因素，在應(yīng)用過程中要加以注意，避免上述的局限，同時(shí)注意發(fā)揮核磁共振的優(yōu)勢，更好的為勘探和開發(fā)