p型核磁共振仪器原理与应用课件

1、渤海钻探工程公司大港测井分公司渤海钻探工程公司大港测井分公司ZCJZCJ 目目 录录 简简 介介常规测井：常规测井：束缚水体积难以确定束缚水体积难以确定未知地层水矿化度储层油气识别困难未知地层水矿化度储层油气识别困难难以区分稠油与轻质油气难以区分稠油与轻质油气核磁共振测井：核磁共振测井：准确计算束缚流体体积准确计算束缚流体体积油气识别与地层水矿化度无关油气识别与地层水矿化度无关能很好地区分稠油与轻质油气能很好地区分稠油与轻质油气1.迄今唯一能够直接测量储集层迄今唯一能够直接测量储集层自由流体孔隙度自由流体孔隙度的测井方法的测井方法2.测量准确可靠测量准确可靠4.还可提供束缚流体与可动流体相对体

2、积，储层油气类型、孔还可提供束缚流体与可动流体相对体积，储层油气类型、孔隙尺寸分布、渗透率、原油粘度、含油气饱和度和产能性质隙尺寸分布、渗透率、原油粘度、含油气饱和度和产能性质等多种重要参数。等多种重要参数。3. 可以得到不受岩石骨架岩性影响的地层总孔隙度，还可以得到不受岩石骨架岩性影响的地层总孔隙度，还可以可以准确地给出各种孔隙度参数，准确地区分不同的孔隙度成分，准确地给出各种孔隙度参数，准确地区分不同的孔隙度成分，如自由流体孔隙度、毛细管孔隙度、粘土束缚水孔隙度及微如自由流体孔隙度、毛细管孔隙度、粘土束缚水孔隙度及微孔隙度等。孔隙度等。简简 介介 核磁测井是以核磁共振为基础的测井方法，是利

3、用原子核在磁场中的能量变化来获得原子核的信息的现代技术，是唯一能直接区分岩石中束缚和可动流体（水和油）和测定其相对体积的地球物理方法简简 介介 要观测要观测NMRNMR信号，首先需用静磁场磁化地层流体。信号，首先需用静磁场磁化地层流体。NMRNMR测井仪带有测井仪带有强永久磁体强永久磁体，这样就在井眼周围的岩层中产，这样就在井眼周围的岩层中产生了磁场，充填于岩石孔隙中的油、气、盐水所包含的氢核生了磁场，充填于岩石孔隙中的油、气、盐水所包含的氢核就成了微观磁体。氢核沿外加磁场方向排列的磁距产生了地就成了微观磁体。氢核沿外加磁场方向排列的磁距产生了地层的有效磁化或极化。层的有效磁化或极化。 由于地

4、层中氢核的旋磁比最大，所以地层产生的射频回波信号的幅度取决于氢核的浓度。因为岩石骨架中的氢核信号衰减快，所以射频信号幅度只取决于流体中的自由氢核，因此射频信号幅度取决于地层流体的含量，即取决于地层孔隙度。如果我们将仪器在100水的环境下的响应信号作为线性刻度的高点，而将零信号做为线性刻度的低点，我们就可以利用两点线性刻度建立仪器响应信号强度与地层孔隙度在0-100之间的线性对应关系，进而完成磁共振测井中的孔隙度测量。 简简 介介 核磁共振测井就是利用氢核在已知磁场中的核磁核磁共振测井就是利用氢核在已知磁场中的核磁共振现象，来探测地层孔隙度与流体特征的一种方法共振现象，来探测地层孔隙度与流体特征

5、的一种方法。核磁共振现象就是磁性核子对外加磁场的一种物理。核磁共振现象就是磁性核子对外加磁场的一种物理响应。响应。 自然界中大约有一半的原子核可以产生核磁共振自然界中大约有一半的原子核可以产生核磁共振现象，但多数信号较弱，不易探测到。而氢核具有相现象，但多数信号较弱，不易探测到。而氢核具有相对较大的磁动量，且在地层中，氢核广泛存在于岩石对较大的磁动量，且在地层中，氢核广泛存在于岩石孔隙水和油气中，丰度很高，可以产生较强的信号。孔隙水和油气中，丰度很高，可以产生较强的信号。通过调整核磁共振测井仪的频率，与氢核共振频率相通过调整核磁共振测井仪的频率，与氢核共振频率相同，即可测到氢核的信号。同，即可

6、测到氢核的信号。简简 介介 它利用地层孔隙中它利用地层孔隙中富含氢原子的流体富含氢原子的流体（油、气、水）中氢（油、气、水）中氢核受激发后产生的核磁共振信号，通过测井解释获知储集层的核受激发后产生的核磁共振信号，通过测井解释获知储集层的孔隙度孔隙度、可动流体指数可动流体指数、渗透率渗透率和和岩石孔径分布岩石孔径分布等油气资源评等油气资源评价所需要的基本参数，进而计算出油层储量。价所需要的基本参数，进而计算出油层储量。 核磁共振技术是以核磁共振技术是以原子核的顺磁性原子核的顺磁性以及它们与以及它们与外外加磁场加磁场的相互作用的相互作用为基础，探测为基础，探测氢核氢核的共振信号。的共振信号。简简

7、介介共振共振核发生核核发生核磁共振后自由进动过程的衰减（弛豫）时间和振幅磁共振后自由进动过程的衰减（弛豫）时间和振幅振幅振幅信息与探测区氢核的数量成正比，通过刻度可以获得地层孔隙信息与探测区氢核的数量成正比，通过刻度可以获得地层孔隙度信息且不受岩性影响，即度信息且不受岩性影响，即包括纵向弛豫时间包括纵向弛豫时间T1T1，和横向弛豫，和横向弛豫时间时间T2T2，弛豫时间的测量是核磁测井的主要内容弛豫时间的测量是核磁测井的主要内容 原子核原子核由核子（中子和质子）组成，质子带电，中子不带电。原子核的基本特性表现在所带的电荷与具有的质量上。原子核的电荷决定于原子核中质子的数目，而核的质量等于核的质子

8、数与中子数之和，质子和中子在核内既作自旋运动，又作复杂的相对运动 原子核的自旋特性决定于核子中质子和中子的个数，所有的含奇数个核子以及含偶数个核子但原子核序数为奇数的原子核都有自旋的特性，也就有磁性。 核磁共振测井的物理基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用。 原子核的自旋量子数和角动量： 原子核由核子（中子和质子）组成，核子有自旋，核子在原子核内有复杂的相对运动，具有相应的轨道角动量，所有这些角动量耦合起来，构成了原子核的自旋。核的自旋用I描述，I称为自旋量子自旋量子数数，简称核自旋，核自旋，其值可以是零、整数或半整数，它和质量数A及原子序数Z的关系如表所示。质量数A原子序数Z自旋量子数

9、I奇数奇数或偶数1/2，3/2，5/2，偶数偶数0偶数奇数1，2，3，核磁共振测井的物理基础 I=0的核，LI=0，称为非磁性核；I0的核在自旋中会产生磁场的核在自旋中会产生磁场,从外从外界看界看,这些核就是一些微小的磁体。这些核就是一些微小的磁体。核磁共振测井的物理基础 1. 岩石骨架中的主要核素12C、16O、24Mg、28Si、40Ca等均为 偶- 偶核，无磁性，对核磁共振信号没有贡献，因而核磁测井对岩性不敏感； 2. 13C、23Na、35Cl质量数为奇数，为磁性核，但信号很微弱（核磁矩、能级、丰度、核数密度、），在测井中难以测到，目前还不满足测井的条件； 3. 核素核素1H丰度高、磁

10、矩大、测量灵敏度高可得到最大的丰度高、磁矩大、测量灵敏度高可得到最大的核磁信号，是当今核磁测井唯一可探测的核素核磁信号，是当今核磁测井唯一可探测的核素。 左图是一个旋转着的陀螺，当它的旋转轴偏离垂线时，通过重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其轴线沿图中圆环所示的轨迹和方向做圆周运动，不断改变自旋轴的方向。这种运动在力学中叫作旋进或进动。做自旋运动的带电物体具有磁矩，若磁矩偏离外磁场方向，因受磁力矩的作用将绕磁场方向进动进动。进进 动动 氢核（质子）本身带电，质子具有自旋氢核（质子）本身带电，质子具有自旋性，可形成磁场，即质子具有一定的磁矩。性，可形成磁场，即质子具有一定的磁矩。在在Z Z轴施

11、加外加磁场后（轴施加外加磁场后（B B0 0），氢核绕外磁场），氢核绕外磁场方向转动，这个转动称为方向转动，这个转动称为进动进动，称为拉摩进拉摩进动动,进动频率进动频率 0 0为：为：式中式中 :氢核的旋磁比；氢核的旋磁比； B0外加磁场的磁感应强度。外加磁场的磁感应强度。静磁场中质子的旋转和进动静磁场中质子的旋转和进动进进 动动 oB2f的核绕B0作左旋圆运动，e-i0t；的核绕B0作右旋圆运动，ei0t。00B拉摩尔进动拉摩尔进动频率频率 核有磁性，没有外磁核有磁性，没有外磁场作用，核自旋的方向场作用，核自旋的方向是杂乱的。是杂乱的。其矢量和等其矢量和等于零于零, ,宏观磁化量宏观磁化量M

12、 =0M =0在外磁场在外磁场0作用下，产生宏观磁化量作用下，产生宏观磁化量M 0 在外磁场在外磁场0作用下，产生宏观磁化量作用下，产生宏观磁化量M 0 根据量子学理论，在静磁场中，自旋原子核磁矩(自旋角动量)会有多个特定的取向，其取向状态数目可表示为： 2(I+1/2)2(I+1/2)，式中，I I为自旋量子数。对于氢原子(一个质子) I = 1/2 I = 1/2，所以其取向仅有两个可能的状态，即同向平行于B0B0的状态和反向平行于B0B0的状态(其它元素如NaNa有多个状态)。置于恒定磁场中的含氢介置于恒定磁场中的含氢介质，各个核磁矩都绕着磁质，各个核磁矩都绕着磁场方向进动，核自旋的空场

13、方向进动，核自旋的空间取向将与塞曼能级相对间取向将与塞曼能级相对应。达到热平衡时，核磁应。达到热平衡时，核磁矩的取向服从波尔兹曼分矩的取向服从波尔兹曼分布，布，纵向分量与磁场方向纵向分量与磁场方向一致的核磁矩数目略大于一致的核磁矩数目略大于反方向的核磁矩数目，其反方向的核磁矩数目，其矢量和不再等于零，呈现矢量和不再等于零，呈现一定大小的宏观磁矩，称一定大小的宏观磁矩，称为磁化矢量为磁化矢量。在外磁场在外磁场0作用下，产生宏观磁化量作用下，产生宏观磁化量M 0 核磁共振的含义核磁共振的含义 所谓所谓核磁共振核磁共振就是处在外加恒定磁场中的原子核系统受到电磁波就是处在外加恒定磁场中的原子核系统受到

14、电磁波的作用时，当电磁波频率等于核磁矩相邻能级之间的跃迁频率时，（的作用时，当电磁波频率等于核磁矩相邻能级之间的跃迁频率时，（电电磁波频率所决定的量子的能量磁波频率所决定的量子的能量h h 正好等于原子核两个相邻能级之间的正好等于原子核两个相邻能级之间的能量差时能量差时 原子核就会吸收电磁波）引起核能态在两个相邻能级原子核就会吸收电磁波）引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁，这就是之间的跃迁，这就是核磁共振现象核磁共振现象 在保持静磁场条件下，在保持静磁场条件下，核磁化强度MM=MzMz=M0M0，方向与B0B0一致，指向Z轴，若在垂直于磁场B0B0的方向（设在x轴）加一个交变电磁场，当外加射频

15、场的频率等于质子（氢核）当外加射频场的频率等于质子（氢核）的进动频率时，质子吸收外加射频磁场的能量，的进动频率时，质子吸收外加射频磁场的能量，低能态的核跃迁到高能位跃迁到高能位，这就是核磁共振现象。这就是核磁共振现象。0BghNI 静态磁场中的这种排列一旦完成，我静态磁场中的这种排列一旦完成，我们就可以用射频脉冲磁场加载到核子上：们就可以用射频脉冲磁场加载到核子上：射频磁场使极化场发生旋转射频磁场使极化场发生旋转 脉冲持续时间控制旋转角度的大小脉冲持续时间控制旋转角度的大小. .核磁共振的含义核磁共振的含义（1 1）射频场）射频场核磁共振频率，按电磁波频率分段处于射频波段。核磁共振频率，按电磁

16、波频率分段处于射频波段。因为核自旋只同电磁波中射频波段的交变磁场发因为核自旋只同电磁波中射频波段的交变磁场发生共振，所以将激励电磁波称为射频磁场，简称生共振，所以将激励电磁波称为射频磁场，简称射频场。射频场。（2 2）扳转角）扳转角在射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向，在射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向，在在B0B0与与M0M0之间形成的夹角之间形成的夹角 被称为扳转角（被称为扳转角（Flip Flip AngleAngle）。）。当脉冲长度刚好使极化场旋转当脉冲长度刚好使极化场旋转9090, ,我们我们称之为称之为 9090脉冲脉冲. .脉冲时间加倍，磁场旋转脉冲时间加倍，磁场

17、旋转180180，此时称此时称做做 180180 脉冲脉冲. .核磁共振的含义核磁共振的含义核磁弛豫核磁弛豫 当射频脉冲作用停止后，当射频脉冲作用停止后，B0B0磁化矢量通过自由进动磁化矢量通过自由进动向向B0B0方向恢复，使原子核从高能态的方向恢复，使原子核从高能态的非平衡状态，向低能态的平衡状态恢非平衡状态，向低能态的平衡状态恢复。这种高能态的核不经过辐射而转复。这种高能态的核不经过辐射而转变为低能态的过程叫弛豫。变为低能态的过程叫弛豫。 在核磁共振信号的测量期间，在核磁共振信号的测量期间，质子磁矩质子磁矩受受到到Z Z轴静磁场的作用，在进动轴静磁场的作用，在进动过程中向过程中向Z Z轴方

18、向恢复，轴方向恢复，最终要趋向初始磁化最终要趋向初始磁化强度强度M0M0，这个过这个过程叫程叫纵向弛豫（纵向弛豫（T T1 1） 。10( )(1)tTM tMe式中：式中：M0质子初始的磁化强度，质子初始的磁化强度，T； T1质子的纵向弛豫时间，质子的纵向弛豫时间，ms； M(t)t时刻的磁化强度，时刻的磁化强度，T。 纵向弛豫过程的快慢，反映了岩石的孔渗特性孔渗特性及流体特性流体特性。纵向弛豫的方程为：核磁弛豫核磁弛豫在实践中，在实践中，T1T1分布被用于描述磁化过程。这种分布可以反映沉积岩中原分布被用于描述磁化过程。这种分布可以反映沉积岩中原油的复杂成分和孔径分布。油的复杂成分和孔径分布

19、。 在测量核磁共振信号期间在测量核磁共振信号期间质子磁化强度质子磁化强度最终要趋向于零，最终要趋向于零， 这个过程称为这个过程称为横向弛豫横向弛豫（T T2 2） 。横向弛豫过程的表达式为：。横向弛豫过程的表达式为：式中：式中：M(t) t时刻磁化强度在时刻磁化强度在XY平面的投影，平面的投影，T； M0 开始横向弛豫的初始磁化强度，开始横向弛豫的初始磁化强度，T； T2 横向弛豫时间，横向弛豫时间，Ms。20( )(1)tTM tMe核磁弛豫核磁弛豫 在多孔岩石中，横向驰豫时间在多孔岩石中，横向驰豫时间(T(T2 2) )受到流体的扩散、受到流体的扩散、孔隙的大小、流体的类型和体积驰豫时间的

20、影响。孔隙的大小、流体的类型和体积驰豫时间的影响。 T T2 2与孔隙大小成正比，由此利用与孔隙大小成正比，由此利用T T2 2分布计算孔隙分布计算孔隙大小分布。大小分布。 孔隙越大，孔隙越大，T T2 2衰减就越慢，衰减就越慢，T T2 2越长；反之，孔隙越长；反之，孔隙越小，越小，T T2 2衰减越快，衰减越快，T T2 2越短。越短。 核磁弛豫核磁弛豫核磁弛豫核磁弛豫xyzxyzXY平面，旋转开始，并逐步发散平面，旋转开始，并逐步发散开去开去这就是这就是横向弛豫横向弛豫，弛豫时间用，弛豫时间用 T2描述描述.脉冲加载之后脉冲加载之后, , 会发生两个过程：会发生两个过程： 在磁场方向重新

21、排列（重极化在磁场方向重新排列（重极化）这就是这就是纵向弛豫纵向弛豫，弛豫时间用，弛豫时间用 T1描述描述.xyzxyzB0B0核磁共振的含义核磁共振的含义自旋回波 自旋回波 自旋回波 自旋回波 核磁信号确定各种孔隙度 为了激发自由进动信号，采用射频脉冲方法和为了激发自由进动信号，采用射频脉冲方法和预极化方法使宏观磁化强度预极化方法使宏观磁化强度M0相对于静磁场相对于静磁场B0方方向扳转向扳转900，到，到x-y平面，而后所测到的如图右边平面，而后所测到的如图右边所示的信号，即所示的信号，即x-y平面上自旋进动的感应信号，平面上自旋进动的感应信号，叫作自由感应衰减信号，或称叫作自由感应衰减信号

22、，或称FID信号。信号。自由感应衰减信号（自由感应衰减信号（FIDFID） 自由感应衰减信号（自由感应衰减信号（FID）的测量的测量 静磁场B B0 0中，地层中氢核磁矩的取向达到平衡时，核磁化矢量的方向与静磁场一致，从宏观上看不再发生能量的吸收或释放。用预极化法或射频脉冲法可改变这种平衡，使低能氢核吸收能量，将核磁化强度矢量扳倒90，而后发生弛豫。 在弛豫过程中氢核释放能量，初始状态逐渐恢复，此时在与B B0 0垂直的方向上接收天线可测到一串复合的指数衰减振荡信号，即自由感应衰减信号（FID）。早期的仪器只能测量这种信号。自由感应衰减信号自由感应衰减信号Tw = 12s单频 仪器MRIL-B

23、, CMR 3 ft/min.92% 空闲双频仪器MRIL-C6 ft/min.85%空闲9个频率(8 freq. shown)MRIL-Pl24 ft/min.TE = 0.6msTW = 8sTW = 1sTE = 1.2msTE = 3.6msTW = 8sTotal porosity with Dual TE and Dual TW in a single pass to cover all Total porosity with Dual TE and Dual TW in a single pass to cover all types of formation fluids th

24、at might be encounter in an types of formation fluids that might be encounter in an exploration/development well. exploration/development well. 0100003030time msec30 核磁共振测井仪，是在井眼之外的地层中建立一个比地磁场强度大的恒核磁共振测井仪，是在井眼之外的地层中建立一个比地磁场强度大的恒定磁场或梯度磁场，接受自由感应衰减信号或由天线发射脉冲序列信号并接定磁场或梯度磁场，接受自由感应衰减信号或由天线发射脉冲序列信号并接收地层的回波

25、信号。核磁共振测井原始数据一般由一系列自旋回波幅度组成收地层的回波信号。核磁共振测井原始数据一般由一系列自旋回波幅度组成，经过处理得到，经过处理得到T2驰豫时间分布驰豫时间分布 核磁共振测井原理的核心之二是利用一个天线系统，向地层发射特定能核磁共振测井原理的核心之二是利用一个天线系统，向地层发射特定能量、特定频率和特定时间间隔的电磁波脉冲，产生所谓的自旋回波信号，并量、特定频率和特定时间间隔的电磁波脉冲，产生所谓的自旋回波信号，并接收和采集到这种回波信号，所采用的方法则叫做自旋回波法。观测到的回接收和采集到这种回波信号，所采用的方法则叫做自旋回波法。观测到的回波串是按指数规律衰减的信号，其衰减

26、的时间常数用波串是按指数规律衰减的信号，其衰减的时间常数用 T2，表示，叫做横向弛，表示，叫做横向弛豫时间，它与地层孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、岩豫时间，它与地层孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、岩性、以及采集参数等因素有关。性、以及采集参数等因素有关。 核磁共振测井原理的核心之一是对地层施加外加磁场，使氢原子极化。核磁共振测井原理的核心之一是对地层施加外加磁场，使氢原子极化。极化的结果是产生一个可观测的宏观磁化矢量。极化不是瞬间完成的，而是极化的结果是产生一个可观测的宏观磁化矢量。极化不是瞬间完成的，而是按照指数规律进行的。极化为时间常数用按照指数规律进行的

27、。极化为时间常数用T1，称作纵向弛豫时间。它与孔隙，称作纵向弛豫时间。它与孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、以及地层的岩性等因素有度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、以及地层的岩性等因素有关。关。MRIL-P MRIL-P 1 cm1 cm1 mm1 mm1 mm1 mmCMRCMR井壁井壁15cm2.5cmMRIL-CMRIL-C24in24in1mm40cm40cmMRExMREx24in24in探头探头: : 采样区域从采样区域从 2 2个增加到个增加到 9 9个个. .电子线路电子线路: :工作周期（占空因素）提高了工作周期（占空因素）提高了 400%. 400%

28、.通过改进工作温度提高到通过改进工作温度提高到 175 175C.C.通过改进增加了多道数据采样能力通过改进增加了多道数据采样能力. .机械部分机械部分: : 改进了散热效率改进了散热效率. .磁体磁体: : 通过改进，更快的极化探测区域，通过改进，更快的极化探测区域，以支持更快的测速以支持更快的测速. .P P型核磁仪器中的新技术型核磁仪器中的新技术均匀磁场均匀磁场J.Jackson提出提出“Inside-Out”的静磁场实现方案。即把一组磁铁置于井中的静磁场实现方案。即把一组磁铁置于井中(Inside)，在井眼外面在井眼外面(Outside)的地层里激发一个磁场相对均匀的区域，作的地层里激

29、发一个磁场相对均匀的区域，作为核磁共振的工作区。这个确定的工作区位于离井壁一定距离的地层中，为核磁共振的工作区。这个确定的工作区位于离井壁一定距离的地层中，从而避开了井眼的影响，并降低了侵入带的影响。从而避开了井眼的影响，并降低了侵入带的影响。人工激发磁场人工激发磁场自旋质子的拉莫尔进动频率和B0B0成正比。在一个梯度磁场中，自旋质子的进动频率根据质子在磁场中所处的位置不同而不同。在梯度磁场磁场强度大的地方，其质子的进动频率也大，进动速度也快。根据量子物理学原理，一个质子的拉莫尔频率也是其磁共振频率。MRIL一Prime仪器探头主要由长度为6 in的强永久磁铁和天线构成。磁体由众多小磁畴(偶极

30、子) 组成,从横截面上看,N S 极水平平行摆放,由此在径向方向建立起一个梯度磁场人工激发磁场人工激发磁场P P型核磁仪器型核磁仪器1 重复性检查： 在正式测量之前，在测量井段顶部选择典型渗透层测量25m以上重复曲线。当地层孔隙度大于或等于15%时，孔隙度曲线重复测量值的相对误差小于10%；当地层孔隙度小于15%时，孔隙度曲线重复测量的绝对误差为1.5PU。2 曲线质量检查1） 回波串的拟合度CHI曲线应平滑且数值小于2。2） 增益GAIN曲线应平滑且无噪声干扰，增益应随泥浆电阻率及井径的变化而变化。3） 测速应符合测前设计要求。4）测量曲线应与地层规律相吻合，有关孔隙度的响应信息如下：）测量

31、曲线应与地层规律相吻合，有关孔隙度的响应信息如下：a）有效孔隙度有效孔隙度MPHI小于总孔隙度小于总孔隙度PHIT，只有在岩性纯的地层中有效孔隙度等只有在岩性纯的地层中有效孔隙度等于总孔隙度于总孔隙度PHIT。b）岩性纯的水层中：有效孔隙度岩性纯的水层中：有效孔隙度MPHI近似等于密度近似等于密度/中子交会孔隙度。中子交会孔隙度。c）泥质砂岩地层中：有效孔隙度泥质砂岩地层中：有效孔隙度MPHI小于或等于用正确的骨架参数计算的密小于或等于用正确的骨架参数计算的密度孔隙度。度孔隙度。d）纯气层中纯气层中:有效孔隙度有效孔隙度MPHI值应接近于中子孔隙度（假设骨架选择正确）。值应接近于中子孔隙度（假

32、设骨架选择正确）。e）井眼扩径超过仪器探测直径时，仪器的响应将受到井眼泥浆的影响，使毛管井眼扩径超过仪器探测直径时，仪器的响应将受到井眼泥浆的影响，使毛管束缚流体体积束缚流体体积MBVI显著增大。显著增大。f）采用双采用双TW模式测井时，短等待时间测量的有效孔隙度模式测井时，短等待时间测量的有效孔隙度(MPHI-B)小于或等于小于或等于长等待时间测量的有效孔隙度长等待时间测量的有效孔隙度(MPHI-A)。g）采用双采用双TE模式测井时，短回波间隔测量的有效孔隙度模式测井时，短回波间隔测量的有效孔隙度(MPHI-A)大于或等于大于或等于长回波间隔测量的有效孔隙度长回波间隔测量的有效孔隙度(MPH

33、I-B)。的概述的概述 1、仪器组成MRIL-P型核磁成像测井仪主要由以下几部分组成：MRCC电容短节，是MRIL-P的能量贮存单元，它包括12个电容模块，能够在每个周期内快速充电，为天线发射高频脉冲提供能量。MREC电子线路短节，由供电模块、控制模块、振荡模块、发射模块、发射接口模块、天线接口模块、前置放大模块、B1传感器等部分组成，它们共同工作，为发射天线提供高压射频脉冲，并完成与地面系统的通讯。MRSN和MRSS核磁探头，有两种不同外径，一种是6的MRSN，另一种是4 7/8的MRSS。它们均由继电器总成、主磁铁、天线、和预极化磁铁组成。其作用是形成梯度磁场B B0 0，发射RF脉冲，并

34、接收核磁共振信号，是MRIL-P的核心部分。另外，P型核磁还需要一个遥传短节(D4TG)与EXCELL2000配接、下面还可以通过转换短节(CROSSOVER)配接标准DITS仪器。MRECMRCCMRSN或或MRSS框图描述框图描述框图描述框图描述核磁仪器MREC电子线路模块 供电电源模块（POWER SUPPLY MODULE）继电器模块（RELAY MODULE）DSP控制器模块（DSP CONTROLLER MODULE）激发器模块（EXCITER MODULE）发射器接口/电源供电（TX IF/PS）模块DC发射电源辅助模块（HELPER MODULE）发射器模块（HELPER MO

35、DULE）发射器滤波模块（TRANSMITTER MODULES）天线接口模块（ANTENNA INTERFACE MODULE）前置放大器模块（Preamplifier Module）接收器模块（Receiver Module）刻度/B1传感器模块（Calibration /B1 SENSOR MODULE）继电器驱动器模块（RELAY DRIVER MODULE）HES/MRIL 控制器模块（RTU+HIGH SPEED LINK）电容部分为发射器储能。是由12个包含电容的局部能量储存模块组成等价于共计为2.88mF的一个电容。电子线路部分进行发射和接收核磁共振信号，数据采集，以及和地面系

36、统通讯。包括下列部件或模块：高压继电器模块电源变压器供电模块控制器/高速链接模块发射器接口/供电模块数字信号处理器和辅助传感器激励模块发射器模块发射器滤波刻度/B1传感器模块辅助模块前置放大器接收器/继电器驱动模块天线接口组件 这些模块都各自独立地装在一个金属屏蔽盒内，各个金属屏蔽盒安装在线路支架（I-BEAM）上，模块间通过导线束相连。每个模块构成了各自的子系统并能互相协调地工作，产生发射所需要的大功率RF脉冲，该脉冲由天线向围绕探头的地层发射并在有效测量空间内感生出NMR信号。接收子系统通过同一个探头天线拾取NMR信号，并对NMR信号进行数字采集，然后把采集到的NMR信号的原始数据送到地面

37、系统，由系统软件做进一步处理。框图描框图描述述1）系统建立（system setup）观测模式（ACTIVATION）和观测模式组（ACTIVATION SET）或参数表描述NMR实验测量形式，包括：脉冲和数据采集特性，时序，频率，回波个数等等在建立系统时由系统软件通过HES/MRIL控制器加载到MRIL仪器控制器（TOOL CONTROLLER）DSP处理器中。2） DSP向仪器发送一个命令，用于对特定频段内的NMR测量进行设定，同时设置安装在发射器滤波器和天线中的继电器状态，使得发射器滤波器和天线的谐振频率与测量频率相匹配。3） 仪器控制器产生一个精确的参考信号（称作刻度信号或增益信号），

38、用于测试天线增益（Q）和电子线路的系统增益。参考信号是射频RF正弦波，其频率与将要进行的NMR测量的频率相同。此参考信号（大约为4Vpp）送至刻度模块衰减后送到天线的B1线圈回路。B1线圈与探头天线相耦合，使得系统像采集NMR回波信号一样从天线采集B1参考信号。系统通过这种方式可获得当前天线增益Q和电子线路的系统增益。 若测量到的天线增益Q值小于100，为了保护发射器电路的安全，系统将不会启动发射模式。如果探头和发射器滤波器内继电器状态的设置不正确，会导致这种情况的发生。4） 在特定的时间，DSP控制器产生一个启动数据采集的信号，在没有刻度信号和任何NMR回波脉冲信号影响的条件下，对测量系统的

39、噪声和零位失调进行采集测量，用于测井数据的质量控制。5） DSP控制器模块产生数字控制信号将系统设置为发射模式。在此模式下，天线接口模块将发射器模块输出的两路高压RF脉冲相加后输出到探头天线，同时对前置放大器电路实施保护，防止高压发射脉冲进入前置放大器电路对该电路造成损坏。DSP控制器在产生数字控制信号的同时还产生模拟控制信号，发射器激发器模块使用这些模拟控制信号来设定发射脉冲的频率、相位、形状、幅度和持续时间。6）发射器模块产生的大功率RF脉冲（有效值大约1100V）的部分信号经过探头内B1线圈回路耦合后（B1信号）送到刻度/B1传感器模块。系统对B1信号进行采样用来校正由于RF脉冲幅度改变

40、所引起的回波幅度的变化（当RF脉冲的幅度变化时，会影响原始回波信号的幅度）。校正操作是由地面系统软件完成的，校正的基准是在仪器刻度时得到的幅度刻度数据。7）当发射完成后，DSP控制器立即产生数字控制信号。数字控制信号快速地将系统设置为释放模式（DUMP MODE）。在该模式下，发射脉冲残留在天线中的能量被快速释放掉。8）如果所发射脉冲是180脉冲，那么DSP控制器按豫先设定的时间启动回波采集过程。此采集过程包括：将探头天线接收到的回波信号经过天线接口模块送到前置放大器模块，经该模块放大后送往接收器模块；在接收器模块中，RF回波信号经过放大、滤波，然后送DSP模块，DSP模块对RF回波信号进行数

41、字化。数字化的RF回波信号经过数字滤波后得到其基频信号，经过数字相敏解调后得到一同相位分量和一90相移的正交分量。这两个分量构成了NMR原始回波数据。9）根据所设定的观测模式（ACTIWATION SET）的需要，每一个回波测量需要重复第4-7步，所测得每个回波的原始数据在DSP模块中进行累存。当完成对所有回波的原始数据采集后（指完成当前所设定的模式测量），原始回波数据通过1553总线和D4TG遥测短节送到地面系统做进一步的处理。传感器数据（增益、B1、高压HV和仪器供电电压、温度数据、噪声数据等）和回波数据一起送到地面并在MRIL测井程序主窗口中显示。10）经过适当的等待时间TW后，下一个观

42、测测量开始进行，重复第2至第9步。 仪器描述仪器描述 磁共振成象测井仪器系列D居中串联用于测量地层孔隙度。孔隙度测量基于位于沿着仪器轴线同心的薄壁的，末端开口的，圆柱体积内的氢原子。MRILD仪器可以在5个波段单频或者双频模式操作名义频率：580kHz, 610kHz, 640kHz, 670kHz和760kHz.。探头由6英尺长永磁体组成，永磁体产生梯度磁场B0。磁体上的天线发射射频信号B1与永磁场垂直，天线也用于接收从地层返回的测量信号。2个短的永磁体，其强度为2*B0，位于主磁体的上下部；作用是提供快速激化地层的氢。发射器置入电子线路还包括处理器对于不同回波序列编程。由于发射器需要大量电

43、流，使用独立的电容部分进行能量储存。在4个低频波段进行双频操作在上波段单频操作这提供了9个24”高的紧密包裹的柱状面壳层。仪器电子线路能迅速在宽范围粗略地从680kHz到780kHz之间通过改变操作频率切换到不同体积。较低频率的操作导致较深的探测归因于在永磁体产生的梯度场共振发生较接近永磁体 仪器描述仪器描述 MRIL-D(MRIL系列D)由下列部件组成：电容储能部分MRCC-D1.02624电子线路部分MREC-D1.02017探头部分6.0”MRSN-D1.01886探头细4 7/8”MRSS-D1.012015底部转换短节AXBN1.02100电子线路电子线路MREC 电子线路中的子系统

44、一起工作产生所需的高功率射频脉冲来驱动电子线路中的子系统一起工作产生所需的高功率射频脉冲来驱动天线诱发天线周围敏感体积内核磁共振信号。天线用于发射脉冲接着天线诱发天线周围敏感体积内核磁共振信号。天线用于发射脉冲接着接收从地层来的调整的，数字化的信号并送到地面进一步处理。电子接收从地层来的调整的，数字化的信号并送到地面进一步处理。电子线路完成下列功能：线路完成下列功能：1、操作员针对测井选择需要的观测模式。建立遥测并且该观测模式下、操作员针对测井选择需要的观测模式。建立遥测并且该观测模式下传到数字信号处理器控制器。激化表由定义核磁共振试验的参数（脉传到数字信号处理器控制器。激化表由定义核磁共振试

45、验的参数（脉冲数，采集特征和计时）组成。冲数，采集特征和计时）组成。2、每次试验监控天线增益（、每次试验监控天线增益（Q）和电子增益。为进行测量）和电子增益。为进行测量DSP在每一测在每一测量频率产生精确射频参考信号。该信号送于将其削弱并送至量频率产生精确射频参考信号。该信号送于将其削弱并送至B1传感传感器线圈输入的刻度子系统。这提供一到天线的耦合路径来允许系统以器线圈输入的刻度子系统。这提供一到天线的耦合路径来允许系统以和接收核磁共振回波同样方法获取参考信号。增益的漂移以这种方式和接收核磁共振回波同样方法获取参考信号。增益的漂移以这种方式补偿。补偿。3、数字信号处理器（、数字信号处理器（DS

46、P）控制器设置系统发射模式。天线接口发送）控制器设置系统发射模式。天线接口发送发射器输出到天线，并且保护前置放大器输入（在接收器子系统）没发射器输出到天线，并且保护前置放大器输入（在接收器子系统）没有高压脉冲。通过模拟控制信号有高压脉冲。通过模拟控制信号DSP也控制频率，形状，幅度，以及也控制频率，形状，幅度，以及脉冲间隔。脉冲间隔。4、发射器产生高压射频脉冲。这些脉冲的一部分通过B1传感器线圈耦合到刻度子系统。对B1信号采样并在脉冲幅度和间隔的变化时用于校正回波，这影响回波幅度。5、射频脉冲后系统通过DSP配置到“断电”模式来消耗掉天线的能量。6、DSP控制器按预定时间开始对回波采集。这涉及

47、通过天线接口把接收到的回波信号从天线送到接收子系统的前置放大器。放大和滤波后的射频回波信号在DSP子系统数字化。数字化的射频回波接着解调到基带并滤波产生同相和正交部分，这样构成原始回波数据。7、步骤2到6按照激化表的定义指示那样重复多次。原始数据在DSP子系统里累计。原始数据获取后被送到地面系统进一步处理。电子线路电子线路MREC 天线接口模块天线接口模块 天线接口模块的功能是组合从两个发射器（发射器滤波输出）的滤波输出，进行射频电压变换，发射脉冲后使天线断电，从天线到前置放大器传送核磁共振信号，以及在发射脉冲期间保护前置放大器。刻度刻度/B1传感器模块传感器模块B1传感器模块传感器模块B1传

48、感器板实现了“电源校正”传感器其测量B1信号。B1信号在发射器产生天线脉冲的时间里由在B1传感器线圈里给出。该信号检波并积分产生和发射脉冲天线电流幅度和发射脉冲间隔敏感性的B1传感器输出，正如核磁共振回波敏感于幅度和间隔。测井过程中该B1传感器输出用于刻度对于发射脉冲能量变化的核磁共振回波幅度，并使用该刻度数据来校正回波幅度以补偿发射器输出的变化（温度和负载影响导致）。刻度板刻度板刻度板产生精确参考信号注入到B1传感器线圈。天线获得该信号如同核磁共振回波相同方式处理。测井过程中天线Q和电子增益的变化以这样的方式补偿。DSP控制器模块控制器模块/辅助测量辅助测量DSP控制模块控制模块数字信号处理

49、器模块（DSP）包括两块板：DSP板和辅助测量板。DSP板实现下列功能：通过模拟和数字输出控制系统转换射频模拟核磁共振信号输入到数字形式进行数字信号处理和HES/MRIL控制器提供命令和数据通讯辅助测量板辅助测量板辅助测量板通过信号调节块从外部传感器输入接收输入，接着将其送至数据采集块并向外送至DSP板。多路转换器选择16个引入信号其一；仪器放大器对选择的信号刻度并滤波；信号保存并且采样转换到12位并行格式。信号调节块对低频传感器（供电电压，温度传感器，高压检测）提供适当滤波和衰减。温度传感器放大器：电阻从100欧姆变化RD传感器通过数据采集系统转换到可用的电压 激励模块激励模块激励模块从DS

50、P和发射器接口模块接收输入，基于这些输入和读出的高压直流电平，其对于两个发射器产生适合的输入驱动信号。 当发射器脉冲产生会从高压（HV）供电大量下拉电流。电流下拉耗尽系统储存的能量导致HV下降。输出幅度控制的机制是对于激励器调节两个发射器输出的相位角度差别。当同相时天线结果输出电压最小。由于两个发射器是相调（所以相差增加）在天线引起的输出射频电压也增加。这是在激励器里使用的维持天线的射频电压到期望的水平的效果。另外，当一个发射器相位在一个方向移动减少天线的射频电压，另一个发射器相位在相反方向移动相等；因而天线的射频电压的结果维持在不变相位与输入的I和Q有关。当HV下降，只要有足够HV, 相位调

51、制电路以维持天线恒定射频电压方式增加两个发射器之间的相差。前置放大器模块前置放大器模块 前置放大器模块对于接收核磁共振回波和刻度信号实现了非常低噪声，增益稳定，相对宽带前置放大器。宽带特征允许核磁共振频率变化不必需要前置放大器再次调谐 接收器接收器/继电器驱动模块继电器驱动模块接收器：接收器：接收器里主要信号路径是从前置放大器输出。继电器驱动器：继电器驱动器：继电器驱动器接收从数字信号处理器（DSP）输入控制并操作继电器，在MRIL系统切换电容里和外的调谐电路。该切换设置MRIL系统以特定频带操作。DSP上电发送命令，在开始观测模式之前，且每一激化结束。继电器驱动器处理这些命令即使在激化之间没

52、有改变波段。继电器从线性供电顺序减少电流下拉。每个继电器为单极单掷有两个闭锁线圈。探头继电器首先激起提供最大稳定时间以测量增益和噪声。接着发射器滤波继电器开动 发射器模块发射器模块MRIL系统有两个发射器。发射器功能如同转换模式的全桥功率放大器。每个发射器输出连接调谐到首个谐波的发射器滤波器。每个发射器滤波器的正弦波输出连接到主要射频合并变压器。射频合并变压器的次波串联连接结束供给天线的依赖于发射器输入信号相移的正弦波信号（峰值等于1500V15A），这些是由激励器控制。发射器滤波器模块发射器滤波器模块 发射器滤波模块有两个射频输入和两个射频输出。滤波器都提供了串联和并联的LC共振电路的组合。

53、串联LC共振电路有三个可能的共振频率而并联的有两个。波段的共振频率依赖于激励集合里选择的波段。发射器滤波器衰减来自每个发射器的互补方波信号谐波，保留互补的正弦波形输出。这些滤波的正弦波输出应用于天线接口输入。供电模块供电模块 供电模块是一简单线性电源，把延电缆发送来的交流电压转变成仪器电子线路供电必须的低电平的直流电压。电源包括变压器，整流器，滤波器和稳压器。 电源变压器提供适当的初级-次级下降的交流电压变压器。另外还通过初级绕组的中心抽头提供一称作“幻象”高压直流电。该高压直流电用于给发射器供电 发射器接口发射器接口/发射器供电模块发射器供电模块 发射器接口发射器接口 发射器接口集中了几个功

54、能：其放大“衰减”和“断电”信号到30伏峰-峰电平，这是天线接口模块所需的，也包括XGATE限制电路，防止发射器激励器使信号在不合适的倍数。发射器接口同样包括发射器诊断功能，其监视发射器输出线路出现正确的发射器信号电平，并且一旦在这些输出中检测出失败就设置状态标志。 发射器供电发射器供电 发射器电源使用来自线性电源的非稳压电压（+/-DCA），并调整到+/-15VDC。调整的15伏电压用于发射器和其它需要高的电流需求的电路中的浮动电源。发射器电源的输入从天线接口的+/-DCB接收额外的帮助。调整发射器射频输出来产生非稳压电压送回到发射器电源的输入，这样一来就减少了对地面设备的电流需求。DCA和

55、DCB电压通过一串联的二极管分开，该管当DCB比DCA电压变高时候从DCA阻止DCB电压。天线接口开始产生的未调整电压比DCA电压高约400VDC。 当高电压接近350VDC时发射器电源从辅助电源接收到额外的帮助。在350VDC时辅助电源为发射器电源提供+/-15.5VDC输出。该附加的0.5VDC减少了发射器电源的电流需求 辅助电源模块辅助电源模块辅助电源是一开关模式电源，提供通过从600V总线电源展开的附加电源到+/-15V总线。当需要能量进行发射控制时其通过模拟电源里的调整器帮助维持电源消耗在可以接受的水平。辅助电源包含一比较器，脉冲宽度调节器芯片，功放，变压器，整流器和滤波器。当DSP

56、切换时大约在350VDC，辅助电源提供+/-15.3到15.5伏特到15伏总线。这样在高负载周期操作时从发射器电源减少了能量需求。在这些条件下也提供了浮动电源通常操作的能量。高压继电器模块高压继电器模块其功能是隔离电路提供一种在交流线路上将电子线路和电容与幻象直流隔离的方法。一上电或者其它仪器需要直流电，继电器被激发分离从而在高压节点断开电源变压器的中心抽头。当继电器激发，高压直流电连接到电容模块。串联的二极管保护仪器不受不适当的电压极性影响，而且保持储能的电容器不通过电缆放电。鉴于这个前提电阻器用以留出合适时间常数（大约15秒）的放电路径。HES/MRIL控制器控制器-高速链接高速链接HES

57、/MRIL控制器实现了HES1553遥测系统和纽马系列遥测系统之间的接口。同样提供电路来驱动直流电压隔离继电器模块里的以及顶部和底部转换里的继电器。遥测接口由集成的带有中断控制器和串行链接的处理器控制。控制器程序存储在EPROM和512k字节的RAM内存中。处理器响应地面命令控制继电器模块里的继电器 高速链接高速链接MRIL的DSP板提供猝发模式数据超过MRIL控制器板提供的上传通讯通道的带宽。高速链接板对于采集的猝发DSP数据以FIFO（先进先出）内存的形式提供了过渡存储。当支持较高带宽引入猝发数据这样允许控制器板以持续的通讯速率向地面系统移动数据。该板提供有8位同步输入和输出的12288字

58、节FIFO内存。一外部位计时器将引入的数据移位并响应外部位计时器进行存储。既然电路并行使用，低速通讯通道处理那些功能，信号交换和控制电路就可以缩小化。探头电气特性探头电气特性 有两类MRIL Prime探头，4 7/8”直径版本用于小井眼，6”直径的版本用于较大井眼。两种尺寸的探头电气配置相同。都有能调谐至580到800kHz范围共振频率的双向天线。探头短节的顶部有连接发射器到不同排列的电容器来调谐天线到5个不同频率波段的继电器。MRIL探头此外还有嵌入电阻温度装置（RTD）用于测量磁体温度（TEMP3），“B1线圈”也是。RTD的测量用于校正B1测量探测深度磁体的温度效应 B1线圈用于两个目

59、的线圈用于两个目的 注入刻度信号到天线并因此测量和补偿天线Q和电子线路增益的改变或者漂移。提供发生器脉冲的样本允许操作员优化脉冲幅度。脉冲传输路径脉冲传输路径脉冲传输路径从仪器控制模块（DSP板）开始。DSP产生精密积分（相移90度）控制信号（正弦输出和余弦输出）。这些射频正弦波形处于核磁共振频率（fNMR），且被送至激励模块作为输入的I和Q。它们作为频率和相位参考进行控制发生器脉冲频率，相位和幅度。发生器的另一个模拟控制信号同样由DSP产生。该信号在DSP称作数模转换零输出（dac0out）在激励器叫做AM。该信号用于对发生器脉冲进行刻度及整形。当AM的幅度刻度发射器脉冲幅度时，低电平AM信

60、号的形状以高能射频发射器脉冲的包络而再生。当幅度刻度必要优化核磁共振自旋旋转时，脉冲包络形状对于控制脉冲带宽很重要。包络形状和AM电平由操作员通过观测模式控制，观测模式通过地面软件设置标准。MRIL幅度控制的框图如图4脉冲幅度控制所示。MRIL有两个单独的发射器模块。输出在天线接口结合来产生单独的发射脉冲。激励模块使用AM信号和读出的高压电平来确定两个发射器的相对相位差。相位差生成期望的瞬时脉冲幅度。正交正弦控制信号设置频率和默认相移。传输路径简化图，。存在着次要路径（发射器控制和供电的主要路径外）提供高能直流电源15伏驱动高电流的发射器门控信号。每个发射器输出的一小部分在取自发射脉冲期间的组