《核测井》-核磁共振测井

石油工程测井资源与环境学院程超第三章核测井

（核磁共振测井）(NuclearMagneticResonanceLogging)第三节核磁共振测井问题的提出：多年来，储层孔隙度测井评价一直靠AC、CNL、DEN三条曲线来进行，他们只能给出一般简单的孔隙度，且这种孔隙度值常受岩性的影响。中子测井和声波测井不仅受岩石骨架的影响，而且更重要的是易受泥质的影响，此外密度测井易受井眼的影响。WhyNMRLogging…?核磁共振测井于20世纪60年代提出，由于核磁共振发现，Purcell和Block分享了1952年的诺贝尔物理奖。直到20世纪80年代以后才逐渐发展起来20世纪90年代以来投入使用的一种新的测井方法（一）核磁共振测井简介核磁共振技术是以原子核的顺磁性以及它们与外加磁场的相互作用为基础，探测氢核的共振信号。

它利用地层孔隙中富含氢原子的流体（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孔隙度、可动流体指数、渗透率和岩石孔径分布等油气资源评价所需要的基本参数，进而计算出油层储量。（一）核磁共振测井简介储层参数的准确性直接影响到储层评价的优劣和储量的精确计算；束缚水饱和度、渗透率是储层定量评价的重要参数。而核磁共振测井就是解决复杂岩性储层评价的手段之一，核磁共振测井可以获得两个重要信息就是束缚水饱和度、渗透率；与传统测井相比优势在于基本不受岩性影响，精度更高。（一）核磁共振测井简介优点：1.迄今唯一能够直接测量储集层自由流体孔隙度的测井方法2.测量准确可靠4.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孔隙度等。（二）核磁共振的物理基础1、原子核的运动原子由原子核和绕核运动的电子组成；原子核由质子和中子组成，质子和中子在核内既作自旋运动，又作复杂的相对运动。2、核磁矩pu

原子核放入静磁场中，由于核固有的自旋运动，因此具有的自旋角动量，将产生一个核磁矩（根据量子力学观点，核磁矩在外磁场中的空间取向是量子化的，只能取一些确定的方向）。（二）核磁共振的物理基础3、核磁共振的含义所谓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，核磁矩的磁能级间发生共振跃迁。（二）核磁共振的物理基础

在保持静磁场的条件下，对质子施加与静磁场方向垂直的射频场。由于射频场的作用，质子的磁矩将倒向XY平面。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，跃迁到高能位，这就是核磁共振现象。3、核磁共振的含义如果没有外磁场，核自旋的方向是杂乱的，它们的矢量和等于零。交变的磁场会使磁矩产生周期性的增大与减小，并不断的从交变磁场吸收能量和向交变磁场辐射能量。u4、核磁共振现象氢原子核所拥有的两个重要性质：（二）核磁共振的物理基础第一个性质:

磁旋运动总是指向磁场方向，这就象指南针总是指向地球磁极一样。第二个性质:角运动,它使磁旋绕磁场作进动，这就象重力场中的陀螺运动，有一定的角度4、核磁共振现象氢原子核所拥有的两个重要性质：（二）核磁共振的物理基础利用核子与磁场的这种相互作用，我们可以使外加交变磁场的角频率等于核子的进动频率，从而产生可测量的核磁共振信号。

静态磁场使氢原子核进动产生的磁场方向与其相同(原子核被极化)。

只要静态磁场保持，任何刺激之后，氢核将努力回复到该状态（它是一种低能态）。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：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.当脉冲长度刚好使极化场旋转90°,我们称之为90°脉冲.脉冲时间加倍，磁场旋转180°，此时称做

180°

脉冲.xyzxyzXY平面，旋转开始，并逐步发散开去这就是横向弛豫，弛豫时间用T2描述.一个90°脉冲加载之后,会发生两个过程：

同时，它们也开始在磁场方向重新排列（重极化）这就是纵向弛豫，弛豫时间用T1描述.xyzxyzB0B0

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。在Z轴施加外加磁场后（B0），氢核绕外磁场方向转动，这个转动称为进动，进动频率0为：式中

:γ—氢核的旋磁比；

B0—外加磁场的磁感应强度。静磁场中质子的旋转和进动4、核磁共振现象核有磁性，没有外磁场作用，核自旋的方向是杂乱的。4、核磁共振现象在外磁场Ｂ0作用下，产生宏观磁化量M0

4、核磁共振现象在外磁场Ｂ0作用下，产生宏观磁化量M0

4、核磁共振现象在垂直Ｂ0方向上加交变磁场（射频脉冲磁场）频率ω=ω0=γB0发生核磁共振现象，并感应出一个个回波作为核磁测井的原始信号。

M被扳倒（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）4、核磁共振现象

所谓驰豫就是指自旋系统由高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态的过程。它分为纵向驰豫时间（T1）和横向驰豫时间（T2）。5、驰豫时间

在核磁共振信号的测量期间，质子磁矩受到Z轴静磁场的作用，在进动过程中向Z轴方向恢复，这个过程叫纵向弛豫（T1）

。式中：M0—质子初始的磁化强度，T；

T1—质子的纵向弛豫时间，ms；

M(t)—t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及流体特性。纵向弛豫的方程为：5、驰豫时间

在测量核磁共振信号期间质子磁化强度在XY平面的投影同时向零方向恢复，这个过程称为横向弛豫（T2）

。横向弛豫过程的表达式为：式中：M(t)—

t时刻磁化强度在XY平面的投影，T；

M0—开始横向弛豫的初始磁化强度，T；

T2

—横向弛豫时间，Ms。5、驰豫时间驰豫时间的物理含义：在多孔岩石中，横向驰豫时间(T2)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影响。T2与孔隙大小成正比，由此利用T2分布计算孔隙大小分布。孔隙越大，T2衰减就越慢，T2越长；反之，孔隙越小，T2衰减越快，T2越短。T2分布谱可以定性的认识储层的好坏、大的峰面积向右移表示可动体多，岩石分选性好，连通孔隙发育，储层好。驰豫时间增加方向信号分布T2驰豫时间增加方向信号分布T2驰豫时间的物理含义：核磁共振是一种物理现象，即原子核对磁场作出的一种响应。很多原子核都具有磁矩，其特征就象旋转的磁棒一样。这些原子核可与外加磁场相互作用，产生可测量信号。氢核具有相对较大的磁矩，并且岩石孔隙内的水和油中都富含氢核。通过调节核磁共振测井仪器的发射频率至氢核的共振频率，可使测量信号最强并被测量出来。（三）核磁共振测井原理核磁共振测量信号的幅度和衰减(弛豫时间)。核磁共振信号的幅度与测量范围内氢核的数量成正比。弛豫时间取决于孔隙尺寸的大小，小孔隙使弛豫时间缩短。（三）核磁共振测井原理核磁共振测井是研究包含在流体中（水、油和天然气）氢的天然含量和赋存状态的一种测井方法。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T2驰豫时间分布。测井仪器不同，其测量原理和方法各有差异，但其物理基础正如前所述。（三）核磁共振测井原理要观测NMR信号，首先需用静磁场磁化地层流体。NMR测井仪带有强永久磁体，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。

氢核沿外加磁场方向（被称作纵向）排列所需的时间，被定义为纵向弛豫时间T1。在实践中，T1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。

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，而是按照指数规律进行的。极化为时间常数用T1，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关。

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，其衰减的时间常数用

T2，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、岩性、以及采集参数等因素有关。

目前，在全世界范围内提供商业服务的核磁共振测井仪主要有3种类型：一种是阿特拉斯公司和哈利伯顿公司采用NUMAR专利技术推出的系列核磁共振成像测井仪MRIL；斯仑贝谢公司推出的组合式脉冲核磁共振测井仪CMR；以俄罗斯为主生产和制造的大地磁场型系列核磁测井仪RMK923。这些核磁共振测井仪器的具体测量方式存在一些差异，但在测量原理上大同小异。（三）核磁共振测井原理

NumarMRIL型核磁共振测井的测量方案具有代表性。在测量过程中，首先用静磁场使地层中的质子（氢核）定向排列；然后对质子施加特定频率，且方向与静磁场方向垂直的射频磁场，使质子发生核磁共振。岩石中的质子受激发跃迁到高能态，然后以弛豫的形式放出多余的能量，质子回到平衡态。质子在弛豫过程中放出的能量，就是核磁共振的测量信号。岩石中核磁共振信号基本上是由孔隙流体中的氢核产生。（三）核磁共振测井原理NumarMRIL型核磁共振测井探头核磁共振测井特点：只对氢核的磁共振信号观测，其它核无影响；只测量流体中的氢核响应，没有骨架影响；只测量距井眼一定距离孔隙流体中的氢核响应，无井眼影响。核磁共振测井的观测模式：

核磁共振测井的观测模式是一种以获取特定应用信息为目标的磁化和采集方式，它包括等待时间（Tw：TimeWait）、回波间隔时间（Te：Interechotime）等参数的设置、频率的使用及其时序。

目前，核磁测井有以下几种测量方法：

（四）核磁共振测井资料处理核磁共振测井处理Ｔ2分布核磁共振测井是通过对回波串的多指数拟合，获得横向弛豫时间

鉴于多家仪器系统的不同，处理软件的关键在于：Coates/Timer模型

SDR模型可动流体孔隙度束缚流体饱和度B、其次C、再通过渗透率A、首先是数据格式的转换。

Forward软件在处理测井资料前首先将各种格式（XTF、LIS、DLIS等）的数据转换成该评价系统下的WIS格式，而NMRPORC也是将其它格式文件转换成DLIS格式，而后进行处理。=>滤波解谱=>｝｝（四）核磁共振测井资料处理

TmaxФCMR=∫S(T2)dT2（1）

Tmin

ФB=ФCMR－Фf（2）孔隙度模型:1、斯仑贝谢公式：K=C·（ФCMR）a1·（T2log）a2

T2log为T2的对数平均值，对砂岩地层，通常取a1=4，a2=2。渗透率模型：

2、Coats公式:K=C·ФCMRb1[Фf/Фb]b2

上面两式中的C都由实验室得到,经验值为10。也可将计算的K值与岩心分析的K值对比，调整C的值，直到两组数据匹配一致为止。对砂岩地层，a1=4,a2=2,b1=4,b2=2。以上两类公式的区别在于第一类对烃影响敏感，对含烃地区不适用，第二类受烃影响小。对T2积分可求取含水饱和度：饱和度模型：核磁共振测井仪器的原始测量信一号是质子的弛豫信号，对弛豫信号反演后，可以得到弛豫时间的谱分布。根据弛豫时间的谱分布，可以得到:（五）核磁共振测井的应用地层总孔隙度（TPOR）毛管束缚流体体积（MBVI）有效孔隙度（MPHI）自由流体体积（MBVM）粘土束缚水体积（1）总孔隙度（TPOR）由粘土束缚水、毛细管束缚水和自由流体体积组成；（2）有效孔隙度(MPHI）由毛细管束缚水和自由流体体积组成；（3）自由流体体积(MBVM)为可产出的气、中到轻质的油和水，MBVM=MPHI－MBVI；（4）粘土束缚水体积为TPOR与MPHI之差。核磁共振测井解释模型（五）核磁共振测井的应用Matrix&

DryClayClay

Bound

WaterCapillary

Bound

WaterMoveableWaterOilGasMPHIMCBWMFFIMSIGMRILPorosityresponseMBVIMudfiltrateMatrix&

DryClayClay

Bound

WaterCapillary

Bound

WaterMoveableWaterOilGasVolumetricmodelofthevirginzoneVolumetricmodeloftheinvadedzone（五）核磁共振测井的应用（五）核磁共振测井的应用图3－26所示为以核磁共振测井表示的含水砂岩的流体分量画像。从图上可见，在含水砂岩中，T2时间分布反映了地层的孔径分布；短T2分量来自接近和束缚于岩石颗粒表面的水。（五）核磁共振测井的应用核磁共振测井T2测量值的幅度和地层的孔隙度成正比（一般情况下该孔隙度不受岩性的影响），衰减率与孔隙大小和孔隙流体的类型及粘度有关。T2时间短一般指示比表面积大而渗透率低的小孔隙；T2时间长则指示渗透率高的大孔隙。（五）核磁共振测井的应用3013～3035m即为高渗透性储层，核磁共振响应特征表现为：自由流体峰幅度明显增高，而束缚流体峰则相对较低。2980～2985m泥岩层段，核磁共振有效孔隙度很低，仅2～3%，而且绝大部分为束缚水孔隙体积。实验表明，在小孔隙中，质子与颗拉表面碰撞的几率高，弛豫快；在大孔隙中，质子与颗粒表面碰撞的几率低，弛豫慢。（五）核磁共振测井的应用（五）核磁共振测井的应用图中的“T2CUTOFF”称为T2截止值，是指T2分布谱上束缚流体和自由流体的截断值，它将T2谱分为两部分。大于T2截止值的那部分区域的面积等于自由流体体积，小于T2截止值的那部分区域的面积等于束缚流体体积。T2截止值是利用T2开展储集层孔隙内流体研究所需的重要参数，国外在均匀砂岩储集层中确定的T2截止值为33ms，但国内在非均值孔隙介质中的研究表明，T2截止值有一定的变化范围。（五）核磁共振测井的应用图3－28某井核磁共振测井图孔隙中氢核的弛豫过程还与流体的粘度有关。对于稠油，由于高粘度流体束缚了氢核的弛豫形态，使得氢核的弛豫过程加快；有时甚至低于仪器测量时间的下限，以致仪器无法测量稠油部分的弛豫时间。相反，轻质油的弛豫过程较慢，使弛豫时间的谱分布上长弛豫时间部分的幅度增加。（五）核磁共振测井的应用图3－29为某井的稠油井段的核磁共振测井图，稠油的含氢指数低、粘度大，导致了T2分布谱前移，呈单峰拖拽特征。这是由于稠油中的沥青质等重组分的横向弛豫速度非常快，仪器无法测量到；而一些较轻质成分的弛豫速度较慢，呈现向后拖拽的特征。因此，在稠油情况下，用经验的T2截止值将高估毛管束缚水含量、低估可动流体体积，使核磁共振总孔隙度低于实际总孔隙度，进而影响渗透率及含油饱和度的计算。（五）核磁共振测井的应用（五）核磁共振测井的应用核磁共振测井识别流体性质的独特机理：孔隙中水、油和气具有不同的弛豫特性（通常是体积弛豫、表面弛豫和扩散弛豫3种弛豫机理的综合作用），从而造成核磁共振信号的差异。因此，不同测井参数（如等待时间，Tw、回波间隔时间，Te、回波个数，Ne等）条件下将会获得不同的T2分布，从而识别储层流体性质。

流体类型含氢指数IH扩散系数D(×10-5cm2/s)纵向弛豫时间T1(ms)横向弛豫时间T2(ms)盐水17.71～5000.67～200轻质油17.95000460天然气0.38100440040（五）核磁共振测井的应用谱差分法识别气水层核磁共振测井的差谱法又称双Tw测井，它是利用水和烃的纵向驰豫时间T1相差较大这一特性来进行流体性质识别的。水的纵向驰豫时间T1远小于油气的纵向驰豫时间，也就是说水的恢复速率远快于油和气的恢复速率。根据这一特性进行两次不同极化时间的CMR测井，在长等待时间条件下，水和油气得到了恢复；在短极化时间条件下，水得到完全恢复，而油和气只有极少得到恢复，用长极化时间记录下的T2分布谱减去短的极化时间的T2分布谱，使这个差谱消除非烃信号，同时保留了轻烃的极化信号。核磁共振：T2谱表明，孔隙大小分布均一，以大孔隙为主，孔隙结构较好。图中第六道是长Twl（13s）、短Tws(1s)的T2谱差谱指示道，差谱越明显说明含气饱和度越高。核磁共振T2谱和差谱显示表明含有一定数量的烃，综合解释为气层，试气结果日产气4.4×104m3。常规测井：2751.0m～2761.7m砂体厚度大，SP幅度较大，岩性纯，Rt高达2000Ω.m以上，最高达3577Ω.m，本区砂岩气层的电阻率一般小于100欧姆.米。因此该段表现为典型的低孔高阻特性，这类储层在常规曲线上显示特征与干层相似，难以识别。（五）核磁共振测井的应用谱位移法识别气水层核磁共振测井的移谱法就是双Te测井，移谱法是根据油、气和水的扩散系数的差异来进行流体性质识别的。它是利用不同流体的扩散系数不同，选择不同的回波间隔来定性的判断流体的性质。通常，天然气的扩散系数比较大，油和水的扩散系数很小。根据这一特性设置足够长的等待时间，每次测量时使纵向弛豫达到完全恢复，利用两个不同的回波间隔Tel、Tes，测量两个回波串，由于各种流体的扩散系数不一样，使得各自在T2分布上的位置发生变化。

榆20井核磁共振成果图

其中曲线T2s、T2l分别是短

Te（0.9ms）、长

Te(3.6ms)的T2谱的峰值，在第一道的水兰色的充填表示长

Te(3.6ms)的T2谱的峰值向前移动的距离，单位ms。移动的距离越大，说明天然气扩散特征越明显，储集层含有天然气。

★天然气、轻质油、水在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征在孔隙性、物性基本一致的情况下，标准T2谱上，气层峰值在水层的前面，轻质油峰值最长位于水的后边，同时其T2谱分布也明显长于水层和气层。在差谱信息上，水层无差谱信号或有弱的差谱信号，轻质油层、气层存在明显的差谱信号；从移谱测井看，气层与轻质油和水相比表现为明显的移谱现象，很容易与水区分，而轻质油与水相比表现为基本相似的移谱现象。★中等粘度油层在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征当其粘度与轻质油接近时，响应特征与轻质油类似；当其粘度靠近稠油时，响应特征与稠油类似。图为粘度11.87cp/500C的油层核磁测井成果图，图中标准T2谱上，油层、水层的T2谱主峰分布比较接近，在差谱信息上，油层有明显的差谱信号而水层有很弱的差谱信号；在移谱测井上，油层与水层存在明显的差异，水层表现为迅速前移，其峰值移到了油峰的前面。

★稠油层在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征在标准T2谱上，水层的T2谱分布明显比稠油层T2谱分布范围较广；在差谱信息上，稠油在1s内基本上已完全极化，无或弱的差谱信号显示；与此相反，对于水层，在1s的短等待时间内，大孔径中的水信号没有完全极化，有明显的差谱信号显示；从移谱测井看，无论水层还是稠油储层，其T2谱的右边界均表现为前移的趋势，但稠油层的T2峰值前移的程度要远低于水层。★中等粘度油层水淹后在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征储层被水淹后，首先被水淹的大孔隙、高渗透地层的T2值表现出自由水状态，标准T2分布谱呈单峰分布且拖曳很长，可达到2000ms以上，同时长T2分量幅度很高，在差分谱上，由于大孔隙中的水T1很长，致使短等待时间下水的信号不能完全极化，从而出现明显的差谱信号，水淹程度越强，差谱信号越明显；从移谱测井可以看出，长回波间隔的T2谱呈明显的三峰分布，由于水比中等粘度的油扩散快，故水峰前移多，且移到了油峰的左边。★稠油层水淹后在标准T2谱、移谱、差谱上响应特征稠油储层被水淹后，标准T2谱呈平缓的单峰分布，T2值很长，可达2000ms以上且长T2对应的幅度较高，这是水淹层与纯稠油层的明显差别，也是划分水淹层的一个标志。从差谱测井资料上看，稠油水淹层有很强的差谱信号，这是被驱入水冲刷后的大孔隙中水信号，水淹越强，差谱现象越明显。由于稠油粘度较大，且水淹后的稠油层其剩余油占据较小的孔隙空间，故其T2峰值对应于短T2部分，当大孔隙中的水在长TE下移动时，形成明显的双峰结构，油的信号占据在双峰的凹陷处。随着残余油饱和度的增大，双峰结构的凹陷处的幅度将变得饱满。基于CMR资料研究储层孔隙结构

（五）核磁共振测井的应