核磁共振成像测井技术的影响因素研究

新疆石油地质 ２００8年第9卷第5期8年新疆石油地质 ２００8年第9卷第5期8年0月新疆石油地质ＸＩＮＪＩＡＮＧＰＥＴＲＯＬＥＵＭＧＥＯＬＯＧＹＶｏｌ．Ｎｏ．5Oct．8文章编号１００１３８７２０００5０650０4核磁共振成像测井技术及应用赵全胜中国石油测井技术效劳有限责任公司北京10010〕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。阐述了核磁共振的根本理论与测井原理并借助解释软件进行了实例分析使核磁共振成像测井解释结果与录井显示情况完全一致进一步证实了该技术的优越性和在油气评价过程中所起的重要作用。关键词核磁共振成像测井自旋回波横向弛豫中图分类号P3.6文献标识码Ａ核磁共振成像测井是通过研究地层流体中的氢核与外加磁场的相互作用特性来描述储集层的岩石物理及孔隙流体特性的一可以直体的信不受岩于现有共振成定有效孔隙度自由流体孔隙度束缚水孔隙度孔径、油层的水淹程度驱替效率剩余油饱和度以及采收。目前在全世界范围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哈理伯顿公司采用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；以及俄罗斯生产的大地磁场型系列核磁共振测井仪ЯМК923本文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。1核磁共振测井的根本原理MRIMagneticReonanceImagingLoggin采用“井内磁体－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。当一个切片观测完毕其中的质子需要一定时间完成弛豫恢复此时利用不同的频率即可对另一薄片进行探测。在梯度磁场条件下可以对岩石孔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别。P型核磁探头井眼760kHz580kHz9个柱壳状薄片-1″24″16″@250°F图1MRIL测井仪器原理示意MRIL采集到的根本数据是回波串，通过多指数拟合得到横向弛豫时间t2分布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弛豫性质存在明显差异核磁共振测井信号直接来自于地层孔隙中的流体提供的观测结果几乎不再受到地层矿物类型的困扰。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收稿日期－－5修订日期－3－3作者简介赵全男河南平舆人工程师现场测井Te-3E-maizhaoquansheng@cnlc.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孔隙流体的氢核。MRIL测井仪器可以提供以下3类用常规测井仪器无法提供的信息。〔〕流体含量 由于水中氢核的密度是的，可以把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孔隙流体的氢核。MRIL测井仪器可以提供以下3类用常规测井仪器无法提供的信息。〔〕流体含量 由于水中氢核的密度是的，可以把MRIL数据直接转换为视含水孔隙度这种转换不需要知道岩石的矿物成分同时也不必担忧流体中微量元如硼它影响中子孔隙度测的影响。〔〕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水油〕的存在及含量同时还可以确定流体的某些特如粘它采用特定的脉冲序或观测模从而提高对不同流体及其赋存状态的探测能力。〔〕孔径和孔隙度 集层岩石孔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孔径越小束缚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数据中提取足够的孔径信息，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。2核磁共振测井的物理根底]核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应，每一种元素的原子核都有特定的自旋量子数自旋量子数大于0的原子核在自旋时会产生磁场由于量子特性在外磁场B0中原子核只能2I+种取I为原子核的自旋量子氢核的自旋量子数I=1/22I+1=2所以其在外磁场中仅有两个取向即顺磁场方低能和逆磁场方高能当氢核的核磁矩处于外加静磁场中，它将受到一个力矩的作用从而会像倾倒的陀螺绕重力场进行一样绕外加磁场方向进动进动频率ω又叫Larmor频率由磁场强度与核旋磁比的乘积即Larmor公式ω0=2πf=γB0γ为原子核的核磁〕确定。例如，在强度为0.025T的外加磁场中，氢核的拉莫尔进动频率是1.065MHz.不同的原子核由于其γ值不一样在相同的外加磁场中将有不同的进动频率同一种原子核在不同强度的磁场中其进动频率也会不同在外加磁场B0中整个自旋系统被磁化对于被磁化后的自旋系统，再施加一个与Larmor频率相同的射频脉zzBBMzMyfxzyyxyxBx图2核磁共振效应在射频脉冲施加以前，自旋系统处于热平衡状态磁化矢量与静磁场方向相同射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向射频脉冲作用完后磁化矢量又将朝B0翻转，试图从非平衡状态恢复到平衡状态恢复到平衡态的过程叫做弛豫。这个过程可以用两个弛豫时间来描述，即自旋-晶格或称纵向弛豫时t和自旋-自旋或称横向弛豫时t。t1反映磁化矢量的纵向分量恢复到初值的过程它决定于受激自旋与周围晶格之间能量的传递速度t2反映非平衡态磁化矢量水平分量衰减到零的过程这种衰减来自于邻核局部场及静磁场的不均匀性引起的散相弛豫过程具有指数关系，而且t2均小于t1.孔隙流体的纵向弛豫过程受自由弛豫和外表弛豫两种机制控制，横向弛豫过程那么受到自由弛豫外表弛豫扩散弛豫3种机制的作用所谓自由弛豫是指流体处于不受限制的空间时的核磁共振弛豫外表弛豫是指分子扩散时与岩石颗粒外表碰撞核自旋的能量传递给外表，使质子自旋沿B0重新取向，由此引起纵向弛豫同时自旋被不可逆转地失相引起横向弛豫的加速扩散弛豫是指测量自旋回波串的时候分子扩散引起回波串衰减速率加快，由此引入的弛豫叫做扩散弛豫。故t1受流体自由弛豫和外表弛豫的影响而t2那么还受到流体扩散弛豫的影响。3 核磁共振的测井模式〔〕标准t2测井间tR准回波间隔t测量自旋回波串。tR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t3~〕ttE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t2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。冲B从量子力学的角度说此时射频脉冲的能量等·新疆石油地质２００8年〔〕C/P测井 C/P-MRIL能够测量总孔隙度它利用新的观测方式除了作回波间隔为1.2ms的标准t2测井得到有效孔隙度毛细管束缚水以外还可以·新疆石油地质２００8年〔〕C/P测井 C/P-MRIL能够测量总孔隙度它利用新的观测方式除了作回波间隔为1.2ms的标准t2测井得到有效孔隙度毛细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C/P可以确定出总孔隙度泥质束缚水毛细管束缚水以及可动流体的孔隙体积。〔〕双tE测井 双tE测井设置足够长的等待时间使t3~tth为轻烃的纵向弛豫时间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tL和tS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t2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tL得到的t2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SS如图3所示。水气油长恢复时t〕短恢复时t〕差异110100t时ms100010000图4用差分谱〔DS〕判别储集层流体性质〔〕增强扩散测〔ED〕增强扩散方法EDMEnhancedDiffusionMetho〕能够确定可动水体积和检测轻质油的存在。利用长tW和长tE测量的t2分布来检测轻质油其数据通过B组输入除了长tW和长tE测量用来检测轻质油以外可动水的量化还需要长tW和短tE测量后者的数据通过A组输入。横向核磁共振衰减通常涉及三个并行确实定观测衰减率的过程：1/t=1/t+1/tS+1/tD，〕短回波间隔短回波间隔水气水油式中，下标ABSD分别表示视Apparen、体积Bul表面感Surfac扩散感Diffusio机制。在正常的湿水条件下稠油衰减信号由来自体积和扩散感应衰减的奉献组成稠油里的炭氢长分子链使得自扩散时间非常短以至于可观测的衰减受快速体积弛豫控制。在可湿性变化的条件下可能将会引入外表弛豫的奉献这种外表弛豫能够奉献给更短的视稠油弛豫但至今没有得到实验室证实。外表弛豫通常支配多孔介质里的水信号尤其当使用短回波间0.9或1.2m时。在梯度磁场里当回波间隔增加扩散导致附加的弛豫致使水的t2谱里慢的局部移动到快的时间段里因为tE很短水的长t2组分移动到小于100ms的弛豫时间里在这种情况下剩余油和介质里的原油提供大于100ms的弛豫时间能长回波间隔长回波间隔1101001000 100001101001000 10000时ms时ms图3用移谱〔SS〕判别储集层流体性质〔〕双tW测井 由于水与油的纵向弛豫时间t1相差很大意味着它们的纵向恢复速率很不相同水的纵向恢复远比烃快。如果选择不同的等待时间观测到的回波串中将包含不一样的信号分布。双tW测井利用特定的回波间隔和长、短两个不同的等待时间tL和tt3t其中ttNet，t3~tt=t+Nettw为水的纵向弛豫时间分别观测两个不同的回波串由于纵向弛豫时间加权机制的作用使两个回波串对应的t2分布存在差异由此来识别油气水层其工作原理为用特定的回波间隔采集回波数据等待一个比拟长的时间t使水与烃的纵向磁化矢量全部恢复再采集第二个回波串等待一个比拟短的时间t，使水的纵向磁化矢量完全恢复而烃的信号只局部恢复。tL回波串得到的t2分布中油气水各相都包含在其中而且完全恢复tS回波串得到的t2分布中水的信号完全恢复而油气信号只是很少一局部两者相减水的信号被消除剩下油与气的信号由此对油气进行识别与解释即所谓的被很清楚地识别为烃。这就是标准的增强扩散技术，用来观测和定量轻质大约1～50mP的剩余油饱和度。水的扩散感应弛豫tW通过替式里的水的自扩散系数D计算出来。4 应用实例分析核磁共振测井不仅可以获得高质量的有效孔隙度参数而且用它的t2分布谱还可以直接反映岩石的有效孔隙半径和岩石的比面积t2数值越小其对应的孔隙半径越小是岩石中小孔隙或微孔隙的反映t2数值越大其对应的孔隙半径越大是岩石中较大孔隙差分谱分析DS如图4所示。孔隙度孔隙度孔隙度孔隙度孔隙度孔隙度孔隙度油层SW<50%有效孔隙度≥12%；低产油层SW<50%5%≤有效孔隙度<12%；干层有效孔隙度<5%；水层SW>50%有效孔隙度≥5%.本人曾在中东地区测油层SW<50%有效孔隙度≥12%；低产油层SW<50%5%≤有效孔隙度<12%；干层有效孔隙度<5%；水层SW>50%有效孔隙度≥5%.本人曾在中东地区测过MRIL井数口，效果不错下面就以其中一口井为例分析通过MagReson软件处理和解释的成果。该井选用D9TE2的脉冲时序测井它的特点是双E500个0.9s脉冲和166个2.7s脉，以及对应于双tE的双SW12.988s和1.000有5个波段0.9stE测量波段0和12.7stE测量波段2和3局部恢复测量波段4.为9％~17％有效孔隙度大体上为中64~128〕和以细16~32孔隙为主有个别大孔隙。平均含油饱和度约为70％原油粘度约为40Ps.该井在测井作业时曾一度发生井涌从井口返出少量原油中途被迫停止测井进行更换泥浆压井处理之后又继续测井从现场钻井监督处得悉该井取心的油气显示良好该储层的录井资料也显示了很好的含烃指示尤其在383~393和核磁共振测井资料解释结果一致。该井在试油后产量很高而且该储层为主要产层进一步验证了核磁共振测井解释的准确性。5 结束语核磁共振测井以全新的原理提供一套全新的信息通过全新的响应关系对地层油气资源评价包括层位储量产能以及增产措施效果评价等在内的基本问题进行全新的解答大大提高了由测井确定地层孔隙度和渗透率的可靠性及精度克服了用常规方法难以评价复杂岩性低孔低渗和低电阻等油气藏的难题。随着技术的进步和研究的深入核磁共振测井技术包括仪器软件设计及解释与应用将不断得到创新与开展并且在测井油气评价技术中起到越来越重要的作用。参考文献：t分布t分布心岩性电阻率孔隙度移谱体渗透率长等待时间长回波间隔自然伽马深侧向密度KL0KG水1自然电位浅侧向中子体水10KCOA钻头尺寸微球声波0100380390400图5结合常规测井曲线的核磁共振测井解释成果］肖立志.核磁共振成像测.测井技术19951：284-293.PrammerMG.AnewmultibandgenerationofNMRloggingtool.SPEREE200151-58.肖立志.谢然红.核磁共振在石油测井与地层油气评价中的应.中国工程科学200387-94...北京科学出版社1998.从解释数据和成果图图〕得出以下分析在383~400m处核磁共振总孔隙度15.6％有效孔隙度12.5％、可动流体8.6％、毛管束缚水3.9％、渗透率0.27×103μ.基于理论计算，该层的t2谱是一致的。泥质束缚水毛管束缚水和可动流体在t2谱上都有显示而可动流体的谱峰显示低值在80~100s段运用移谱法分tE=2.7标准t2谱“三峰变成了“双峰可动流体谱峰移动到毛管束缚水谱里毛管］］］MagneticResonanceImagingLoggingTechnologyandApplicationZHAOQuan-sheng(C