核磁共振T2谱提取研究

西安石油大学本科毕业设计（论文）核磁共振测井 T2 谱提取方法研究摘 要：核磁共振测井技术是上个世纪九十年代世界测井行业的重大技术进步之一，为复杂油气藏勘探开发提供了全新的解决方案。MREx 核磁共振测井仪是我国引进的先进核磁共振测井仪器。由于该仪器推出较快，硬件和软件都不完善，且由于处理解释软件所适用的地质条件跟我国实际也有较大差异等原因，在数据处理和解释中遇到了一些难题。如果这些问题不解决，必将大大影响该技术在我国的应用。数据提取和原始回波串生成方面，对 MREx 仪器探测特性、观测模式、数据记录格式等方面进行了剖析，弄清了数据采集及存储细节，实现了对原始记录信息的提取。对 MREx 核磁数据回波生成一系列关键技术，包括相位校正、标准组组合、回波叠加、时深转换等进行了研究，掌握了从时间域原始信号到深度域的回波串信号的处理技术。关键词：核磁测井；T 2 谱；MREx；回波西安石油大学本科毕业设计（论文）Study on The Extraction Method of NMR T2 SpectrumAbstract: Nuclear Magnetic Resonance logging technology is a major progress of well logging industry in the 1990s. It provides new answers to hydrocarbon exploration and development in complex reservoirs. MREx nuclear magnetic resonance logging is an advanced one，which is imported from foreign Companies. Because this tool is launched in a short time， both hardware and software of this instrument are imperfect， and geological conditions are different in and out of China，some problems， maily on the data processing and interpretation， are encountered，If these problems are not solved，will greatly influence the application of this technology in China.In data extraction and echo generation aspects， the feature， activation， data recording format of MREx tool are analyzed. Making clear data acqusition and storage details， original record data are extracted. A series of key technologies of echo generation from MREx original data are formed， including phase-correction， echo stack， standard echo combinations， time-to-depth conversion， etc. The original orhogonal signals in time domain are processed to echo signals in depth domain.Key words: Well Logging Tool ; T2 Spectrum ; MREx ; Echo西安石油大学本科毕业设计（论文）I目 录1 前言 .11.1 核磁共振发展史 .11.2 国内外研究现状 .11.3 核磁共振研究目的及意义 .32 核磁共振的原理 .52.1 核磁矩与自旋角动量 .52.2 经典力学观点与量子力学观点 .52.3 核磁共振测井的计算方法 .73 核磁共振测井的仪器 .103.1 核磁共振测井的仪器的发展 .103.2 MRILPrime 仪器介绍 .114 MREx 回波信号生成处理技术研究 .134.1 MREx 核磁共振测井仪器简介 .134.2 MREx 数据采集观测模式 .144.2.1 PP、PP Basic 观测模式 .154.2.2 PP Oil 观测模式 .164.2.3 PP Gas 观测模式 .184.3 MREx 数据记录方式 .194.4 各组回波生成技术 .204.5 标准组回波合成技术 .245 T2 谱信息处理进行储层参数求取 .275.1 计算孔隙度 .275.2 计算毛管束缚水 .285.3 估算渗透率 .295.4 提高参数计算精度的方法 .315.4.1 变 T2 截止值改进束缚水饱和度计算 .315.4.2 与密度声波结合改进孔隙度计算 .336 总结与认识 .36参考文献 .37致 谢 .38西安石油大学本科毕业设计（论文）11 前言1.1 核磁共振发展史核磁共振这种物理现象分别是由 1946 年由斯坦福大学的布洛赫(Bloch)和哈佛大学的拍塞尔(Parcel)两人各自领导的小组发现的。把奇数个核子的原子核放于磁场中，再加某一频率射频场，将会发现原子核吸收射频场的现象。后来，美国的RussellVarian 证实了地磁场中的核自由进动并发明了便携式磁力计。1952 年，Varian 发明 NMR 磁力计，用于测量地磁场的强度，其基本组成是一个水瓶缠绕着线圈。当有直流电流通过该线圏时，沿线圈轴向将产一个磁场，水的氧核由于因为受到轴向磁场的作用，几秒钟后，改变它们原来沿地磁场的方向，而沿线圈轴线方向。然后断开电流，用该线圈作接收器并检测质子绕地磁场进动产生的信号。精确地测定进动频率，可以确定地磁场的总强度。由此人们第一次认识核磁共振的潜在价值，并在上个 60 年代早期研制出核磁测井(NML) 仪。Borwn 和 Fatt 在 1956 年研究发现，当流体处于岩石孔隙中时核磁共振弛豫时间与自由状态相比显著减小，并对原油在岩心中的弛豫特征进行了探讨 1-3。Timur 在 1968 年提出自由流体指数的概念并用核磁共振测量了砂岩孔隙度、自由流体指数和渗透率等参数的方法。核磁测井仪由于有许多局限性最终在 80 年代末停止了服务。尽管它有诸多局限性，但为核磁测井发展而进行诸多研究，使核磁共振测井有了今天的估算孔隙度、渗透率、自由流体体积、束缚流体体积和润湿性等多种地层评价手段。1978 年在 LosAlamos 实验室进行的核磁测井研究项目是现代核磁测井发展的根源。该项目的主要目标是制造在井下使用的核磁共振测井仪，必须克服 NML 仪的局限性。该研究项目所使用的仪器与现代实验室核磁共振仪器一样都用强度很大的钐钴合金永久磁体来产生均勻磁场，再用脉冲磁场来测量自旋回波信号。该仪器可以得到多种测量结果，用于不同地层的评价。该仪器证实了核磁共振用于测井的可行性，但由于它的采集信号的噪音大，而且无法消除掉井眼信号，严重影响了地层信号的采集。斯伦贝谢公司和 Numar 公司开始了对核磁共振仪器的研究，重新设计了磁铁、磁场和天线以满足商业核磁测井的需求。1.2 国内外研究现状国外许多学者开展了提高核磁共振仪器性能的研究工作。KleinbergR 和MarschallD.分别对核磁共振测井的弛豫特性和毛管压力曲线进行了研究。S.Chen、Manfred Prammer 和 Stefan Menger 等人对用核磁测井来计算各种地层孔隙度和流体百分比提出了新的途径。KorkowitzJ.P.、 Crowe M.B.及 AkkurtR 等人研究西安石油大学本科毕业设计（论文）2了利用添加弛豫试剂来识别不同性质流体及利用流体的扩散效应来计算储级集层的含油饱和度。20 世纪 90 年代初，研究有了收获，有两家公司开始对电缆式核磁共振仪器进行现场测试。仪器性能远远超过 NML 仪，对地层评价方面有了很好的效果。自从第一支商用仪器投入使用以来，这两家公司都先后推出了先进的电缆式核磁共振测井仪和随钻测井(LWD) 核磁共振测井仪器。1997 年，哈里伯顿公司收购了 Numar 公司，2001 年哈里伯顿公司推出了 NMR 流体分析仪，它是电缆式流体釆样仪的一部分。在 2000 和 2002 年哈里伯顿公司和斯伦贝谢公司分别推出了 LWD 仪器。贝克休斯公司在 2004 年推出了电缆式 NMR 核磁共振测井仪器，2005 年推出了 LWD 核磁共振测井仪器仪。磁铁和天线是脉冲 NMR 测井仪的核心部分。它对仪器的最小回波间距、探测深度、性噪比、垂直分辨率和测井速度有重要影响。在用的所有仪器在传感器的设计上都是不同的，主要差别是电子线路、脉冲序列、固件、数据处理和解释处理算法等方面。斯伦贝谢的 NMR 测井仪器有一个脉冲序列发生器和三个天线，可进行多种不同方式的测量。其中两根天线是用于高分辨率测量，可计算束缚流体孔隙度、自由流体孔隙度、总孔隙度及渗透率，还能用来探测天然气和轻质油。主天线有多个频率，不同的频率对应的探测深度不同，可对不同的地层进行评价。现在的核磁测井仪器如 MRIL-C、MRIL-Prime、MREx、CMR-Plus、MR-Scanner 都是用强度大的永久磁铁來产生均匀磁场，采集的信号时都是用脉冲序列所激发的信号。自从核磁共振测井得到广泛运用以来，NMR 测井最有意义的新进展之一就是能计算出与岩性无关的 NMR 总孔隙度。由于根据常规三孔隙度(密度、中子、声波)测井求取孔隙度要知道岩石骨架性质，所以 NMR 测井仪是唯一能够提供与岩性无关的孔隙度的方法。在复杂岩性、特殊岩性和未知岩性的非均质地层中，为了准确测量孔隙度，用核磁共振测井有独特的优势。根据 T2 分布是核磁测井最重要的成果，很多有用的地层参数可由 T2 分布计算出来。根据核磁共振的回波串反演计算出的T2 谱可计算出核磁总孔隙度、有效孔隙度、自由流体孔隙度和束缚流体孔隙度，也能估算渗透率、评价储层类别等。我国的核磁共振测井是 1996 年开始的。中国石油集团测井有限公司(CPL)的华北事业部最先引进了 NUMAR 公司的 C 型磁共振成像测井仪(MRIL-C)。随后，这项技术在我国迅速推广。如今，4 大测井公司的核磁共振测井仪器(MRIL-C、MRIL-Prime、 MREx、CMR-Plus、MR-Scanner) 均在我国广泛运用并取得了很好的效果。但核磁共振测井仪器及软件基本靠进口，核磁共振测井技术的各种理论基本是靠吸收国外的各种文献及资料，但在实际运用过程中出现的多种异常现象尚不能做出合理的解释，影响了运用效果，某种程度上影响了人们对这项技术。在 2010 年中国石油集团测井有限公司的技术中心研制出了仿 MRIL-P 型仪器，西安石油大学本科毕业设计（论文）3同时中海油田服务股份有限公司也研制出了仿 MREx 贴井壁测量 EMRT 测井仪器以及其配套的解释软件。在核磁共振测井解释软件上国内也有很大的进步，基本可以不再依靠国外的解释软件，进一步推动了我国核磁共振测井技术的发展。在国内外核磁共振测井的运用中均存在很多还未解决的问题及缺陷。从理论上来讲 NMR 是测量的孔隙度是最好的方法，能够提供准确的孔隙度测量信息，而实际上在稠油层、气层、或高矿化度钻井液、以及含有导磁矿物的岩石等条件下，往往出现测量孔隙度偏大或偏小的情况，甚至与某些岩性有相关性。核磁 T2 谱区分可动流体和束缚流体时，最重要的参数是 T2 截止值，而 T2 截止值由实验室才能确定，不同区块、不同层位、不同岩性的 T2 截止值相差很大。对于砂泥岩储层，通常把33ms 作为 T2 的截止值，用于区分束缚水和自由水。但该值在许多情况下都难以适用，如在低孔低渗储层、致密储层中 T2 截止值在 1-40ms 之间，由于 T2 截止值分布范围广，因此计算的误差会很大。在碳酸岩储层中，T 2 截止值明显大于砂岩的截止值，一般在 100ms 左右。在流体的识别方面，有很多半定性半定量的方法，但是都有非常强的使用条件。核磁共振测井得到的渗透率量子力学、束缚水、孔径分布、毛管压力曲线、原油粘度等信息，都是由回波串反演计算出 T2 分布，然后再导出的二级参数，也都限定了其使用范围。因此，在应用实践中容易出现的种种问题。在评价储层类型方面，核磁T2 谱与毛细管压力曲线有相似的性质，都表征了储层的孔隙结构分布，因此，可在没有实验毛细管压力曲线数据情况下用 T2 谱构造毛管压力曲线来评价储层好坏，但T2 形态又受到储层含烃的影响，导致构造出的毛细管压力曲线有偏差，在技术上还要进一步的发展才能有更广泛的发展。稠油资源在我国各大油田分布非常广泛，现在还没有一种测井方法能精确的对稠油进行描述、检测和分析，国际上用核磁共振测井评价稠油还处于探索阶段。精准的评价稠油将有非常好的前景。稠油在核磁共振上有独特的响应特征，因此可以通过核磁数据分析识别稠油。由于调油的粘度大，流动性差，泥浆侵入较浅(侵入带浅)，冲洗带孔隙中的稠油不易被泥浆代替，NMR 计算的流体饱和度可信度较高。无论地层是亲水还是亲油，稠油的 T2 分布都和束缚水信号重叠，计算束缚水饱和度难度极大，并且使得用来评价中等粘度原油的 SSM 或 DIFAN 方法失效。由于稠油的 Ta 值小极化时间短，在双等待时间测井模式下的 DSM 方法也失去效果。目前的核磁共振测井仪器都因回波间隔较长，部分弛豫稠油核磁信号没有被记录，当稠油粘度高于 1000cp 时，含氧指数会降低，使计算的地层孔隙度误差偏大。因此需要对核磁测井有新的认识，及寻找新的方法来提高核磁测井。1.3 核磁共振研究目的及意义测井的主要目的是进行地层评价，其核心内容如下：西安石油大学本科毕业设计（论文）4第一：产液性质评价。主要是孔隙流体（油、气、水）成分的确定，可动流体（油、气、水）饱和度、不可动流体（残余油、束缚水）饱和度的计算。第二：产层性质的评价。主要是孔隙度、孔径分布、渗透率、粒径分布，分选性、润湿性等的分析。第三：油藏性质的评价。主要是沉积环境、构造特征、产层的连通性、储量、产能、开采价值等的评价。常规的测井方法经过近 80 年的发展，已经有不同的测井系列可以解决上述的问题。孔隙度测井系列和电阻率测井系列可以分别用来进行产层孔隙度的估算和孔隙流体成分以及饱和度的评价。在比较理想的条件下这些方法取得的效果是不错的，但是实际影响这些常规测井方法的地层因素都很复杂，包括岩石矿物、骨架成分等与地层油气资源特征无关的因素，这就给我们的测井评价带来了严重的不确定性。而另一方面，常规测井响应方程对应的地层模型过于简单使许多与油气特征有关的因素不能被处理，无法满足我们对油气资源评价的要求。例如，在孔隙度测井系列中的多矿物体积模型中，不可能包含作为产层质量重要指标的孔径分布及渗透率参数（因为无论中子、密度、还是声波时差测井，对孔径分布及渗透率都不灵敏，无法分辨） 。在电阻率测井中，微孔发育或者粒间水丰富情况下由毛管束缚水引起的低阻油层也经常被漏判。所以，地层模型的不完善，提供的油气参数不充分或者提供的参数与油气特征无关都会引起我们测井解释的低精度和多解性，使得常规测井技术在油气评价中受到了一定的限制。核磁共振测井作为一种裸眼井测井新方法，有全新的理论和响应方程，其测量的是地层中自由流动流体中氢核的数量，所以在确定孔隙度时不受固体骨架的影响，确定饱和度不受地层水电阻率的影响，因而它能够为地层的油气评价提供独特的、可靠的、在许多情况下甚至是不可或缺的重要信息，这些信息包括：与岩性无关的孔隙度；毛管束缚水、泥质束缚水、可动流体饱和度；渗透率；可动流体中的油、气含量等。这些信息的获取和应用极大地改善了对地层油气评价的准确性、对储量计算的合理性、对产能预测的合理性，以及对油气田增产措施评价的可能性。固体骨架对核磁共振测井响应没有贡献，观测信号只来自于孔隙中的流体。而且，孔隙中的不同流体，如泥质束缚水、毛管束缚水、可动水、天然气、轻质油、稠油等，具有不同的核磁共振性质通过精心设计的观测模式，可有效地识别这些流体，并进行定量解释。核磁共振测井的应用在一定程度上能够解决常规测井方法中难以解决的问题。但是，无法直接应用核磁测井原始回波数据，必须对其进行反演得到T2 谱再经过计算处理才能得到上有用息。而 T2 谱反演结果直接影响储层参数（如孔隙度、渗透率、孔径分布等）计算和流体别的准确性。因此，研究核磁共振 T2 谱反演技术是进行核磁共振测井解释和应用的基础关键，对其进行深入研究意义深远。西安石油大学本科毕业设计（论文）52 核磁共振的原理原子核由质子与中子构成，质子带电，中子不带电，质子与中子统称核子。原子核的基本特性表现在所带的电荷与其具有的质量上。原子核的电荷数目取决于原子核中质子的数目，而核的质量则取决于核质子数与中子数之和。根据原子核的电荷与质量这两个特性，可解释原子核与周围粒子的强相互作用，如裂变、聚变等，但不能解释一些弱相互作用，如核磁共振现象。要解释核磁共振现象，就要了解原子核的另一个由内秉角动量产生的特性：自旋。原子核按有无自旋可分为：有自旋的原子核与无自旋的原子核。研究表明：所有含奇数个核子以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核，都具有“自旋” 。如 、 、 、 等为有自旋的原H1F9P31Na2子核。这样的核，自身不停地旋转。在外加磁场中，犹如一个旋转的陀螺。有自旋的原子核才是核磁共振研究的对象，核磁共振测井中最常用的是氢核 4。12.1 核磁矩与自旋角动量原子核对外的效应可将原子核看作是一个具有一定质量与体积、均匀带电的球体。原子核的自旋等效于该球体的旋转。自旋的原子核引起绕核心沿旋转方向环行的电流，从而产生磁矩，称为核磁矩 ，又称磁偶极子。在外磁场中 会受到力mm矩 T 的作用。根据力学的定义，某矢量相对于某个点或某个轴的作用称为矩，它等于矢量作用点到某点或某轴的矢量半径 r 与作用矢量的矢量积原子核具有质量 m，自旋时具有速度 v，故原子核具有自旋角动量 ，这里 r 为质量 m 相对于原子核旋转vrP*轴的距离。由于核磁矩 与自旋角动量 P 均由自旋引起，其间必有联系。可以证明，m这个矢量是共线的，且成正比，即 式中 为比例系数，称为旋磁0m（Gyromagneticratio） 。不同的元素，相应有不用的旋磁比，对 而言，这个值为H142.58MHZ/Tesla。2.2 经典力学观点 与量子力学观点为了使核磁矩在磁场中的势能发生变化，或者说要使图 2-1 中 与 B0 的夹角 发生变化，必须吸收能量，这可通过在与静磁场 B0 方向相垂直的平面（x-y 平面）上加一个射频场来实现，射频场在时间上是交变的磁场 ，因为：tcos21西安石油大学本科毕业设计（论文）6（2-1）tCOSBBi211交变磁场 可分解为两个相反方向转动的旋转磁场 和 ，其中1 ticB1ti1_同 在 B0中的进动方向一致，而 B1+则与这一方向相反。1为便于分析，引入旋转坐标系 x-y-z，它以角速度 0 相对于 x-y-z 沿 的进动方向转动( 图 2-la)。在旋转坐标系中，不绕 z转动，B 1-（也相对静止。正像在静磁场 B0 作用下， 在 x-y-z 坐标系中绕 B 进动一样，在 x-y-z坐标系中 绕 B1-（进动，进动角频率为 。其结果是使 与 B 之间的夹角 发生变化（图 2-lb） ，1同时 的势能也发生变化。 增加，势能增加，这个能量增量由外加交变磁场B1（射频场）提供，交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲形式施加。现代核磁共振技术都采用脉冲方法。当 减小时，势能减小，将能量交给外加交变磁场，这种能量交换只有在交变磁场的角频率满足 时才发生，此时0B与 B1-（绕 Z 轴同步旋转。这一现象就是核磁共振，式 就是共振条件，共振频率为 。0图 2-1 利用旋转坐标系分析 B1- 对 的作用（ a）旋转坐标系：（