石油工程测井放射性3

1、会计学1石油工程测井放射性石油工程测井放射性32 核磁共振测井核磁共振测井(Nuclear Magnetic Resonance Logging)于于20世纪世纪60年代提出，但直到年代提出，但直到20世纪世纪80年代以后才逐渐发展起来，目年代以后才逐渐发展起来，目前已投入生产实践。它利用地层孔隙中富含氢原子的液体（油、水前已投入生产实践。它利用地层孔隙中富含氢原子的液体（油、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）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的孔隙度、可动流体指数、渗透率和岩石孔径分布

2、等油气资源评价所需要的基本参数，进而计算出油层储量。核磁共振测井是迄今唯所需要的基本参数，进而计算出油层储量。核磁共振测井是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，而且具有测量一能够直接测量储集层自由流体孔隙度的测井方法，而且具有测量准确可靠、可提供多种储集层参数等优点。它所带来的测井技术上准确可靠、可提供多种储集层参数等优点。它所带来的测井技术上的重大突破将有效地解决传统测井方法由于不能圆满测取储集层特的重大突破将有效地解决传统测井方法由于不能圆满测取储集层特征参数所导致的产层漏划问题，对石油增产具有重要作用。征参数所导致的产层漏划问题，对石油增产具有重要作用。第三节第三节 核磁

3、共振测井核磁共振测井3 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。在磁矩。在Z轴施加外加磁场后（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），氢核绕外磁场方向转动，这个转动称为进动（图动（图322），进动频率），进动频率 0为：为：一、核磁共振测井一、核磁共振测井（一）核磁共振现象（一）核磁共振现象00B式中式中Y氢核的旋磁比，氢核的旋磁比，rad（sT）；）；B0外加磁场的磁感应外加磁场的磁感应强度，强度，T。4 一、核磁共振测井一、核磁共振测井（一）核磁共振现象（一）核磁共振

4、现象图图322 静磁场中质子的旋转和进动静磁场中质子的旋转和进动5 在保持在保持核子核子静磁场的条件下，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）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。振现象。一、核磁共振测井一、核磁共振测井（一）核磁共振现象（一）核磁共振现象（Nuclear Magnetic

5、Resonance-NMR）6 在核磁共振信号的测量期间，质子磁矩收到在核磁共振信号的测量期间，质子磁矩收到Z轴静磁场的作用，在进动过程轴静磁场的作用，在进动过程中向中向Z轴方向恢复，这个过程叫纵向弛豫。纵向弛豫过程的快慢，反映了岩石的轴方向恢复，这个过程叫纵向弛豫。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：孔渗特性及流体特性。纵向弛豫的方程为：（二）纵向弛豫及横向弛豫（二）纵向弛豫及横向弛豫10( )(1)tTM tMe式中式中M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，

6、T。7 在测量核磁共振信号期间质子磁化强度在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，平面的投影同时向零方向恢复，这个过程称为横向弛豫。横向弛豫过程的表达式为：这个过程称为横向弛豫。横向弛豫过程的表达式为：（二）纵向弛豫及横向弛豫（二）纵向弛豫及横向弛豫式中式中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开始横向弛豫的初始磁化强度，化强度，T；T2-横向弛豫时间，横向弛豫时间，Ms。20( )(1)tTM tMe8 横向弛豫过程的快慢，反映了岩石的孔渗特性，及流体特性。主要是由于测横向弛豫过程的快慢，反映了岩石的孔渗特

7、性，及流体特性。主要是由于测量效率的原因，目前下井核磁共振测井和实验室核磁共振分析，都是测量地层（量效率的原因，目前下井核磁共振测井和实验室核磁共振分析，都是测量地层（岩石）的横向弛豫过程。岩石）的横向弛豫过程。（二）纵向弛豫及横向弛豫（二）纵向弛豫及横向弛豫表表3-4 不同流体的弛豫参数（据不同流体的弛豫参数（据Coates）24 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：一种类型：一种是种是Atlas和和Halliburton采用采用NUMAR专利技术推出的系列核磁共振成像测井仪专利技术推出的系列核磁共振成像测井仪

8、MRIL；另一种是；另一种是Schlumberger推出的组合式脉冲核磁共振测井仪推出的组合式脉冲核磁共振测井仪CMR；还有一；还有一种是以种是以Russia为主生产和制造的大地磁场型系列核磁测井仪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。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。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）核磁共振测量原理（三）核磁共振测量原理25 CMR在探头测量区间中产生局部均匀的静磁场，在探头测量区间中产生局部均匀的静磁场，RMK923利用大地磁场作为静磁场。利用大地磁场作为静磁场。Numa

9、r MRIL型核磁共型核磁共振测井的测量方案具有代表性，见图振测井的测量方案具有代表性，见图323。在测量过程中，。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。岩石中弛

10、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。核磁共振信号基本上是由孔隙流体中的氢核产生。 （三）核磁共振测量原理（三）核磁共振测量原理26 （三）核磁共振测量原理（三）核磁共振测量原理图图323 Numar MRIL型核磁共振测井探头型核磁共振测井探头27 核磁共振测井仪器的原始测量信号是核磁共振测井仪器的原始测量信号是质子的弛豫信号质子的弛豫信号，对弛豫信号反演后，对弛豫信号反演后，可以得到可以得到弛豫时间的谱分布弛豫时间的谱分布。根据弛豫时间的谱分布，可以得到。根据弛豫时间的谱分布，可以得到:地层总孔隙度（地层总孔隙度（TPOR）有效孔隙度

11、有效孔隙度(MPHI)自由流体体积自由流体体积(MBVM)毛管束缚流体体积毛管束缚流体体积(MBVI)粘土束缚水体积等地质参数，如图粘土束缚水体积等地质参数，如图324所示。所示。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用28 二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图324 某井核磁共振测井图某井核磁共振测井图29 图图325所示为利用核磁共振测井解释地层中各种流体所示为利用核磁共振测井解释地层中各种流体成分所依据的模型。从图上可见，核磁共振测井得到的地层成分所依据的模型。从图上可见，核磁共振测井得到的地层总孔隙度总孔隙度(TPOR)，有效孔隙度，有效孔隙度(MPHI)，自由流体体积

12、，自由流体体积(MBVM）、毛管束缚流体体积）、毛管束缚流体体积(MBVI)、粘土束缚水体积之间、粘土束缚水体积之间满足关系：满足关系： （1）总孔隙度（）总孔隙度（TPOR）由粘土束缚水、毛细管束缚水）由粘土束缚水、毛细管束缚水和自由流体体积组成；和自由流体体积组成； （2）有效孔隙度）有效孔隙度(MPHI）由毛细管束缚水和自由流体体）由毛细管束缚水和自由流体体积组成；积组成； （3）自由流体体积）自由流体体积(MBVM)为可产出的气、中到轻质的为可产出的气、中到轻质的油和水，油和水，MBVM=MPHIMBVI； （4）粘土束缚水体积为）粘土束缚水体积为TPOR与与MPHI之差。之差。二、核

13、磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用30 二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图325 核磁共振测井解释模型核磁共振测井解释模型国家重点实验室国家重点实验室国家重点实验室NMR 测井测井32 图图326所示为所示为以核磁共振测井表以核磁共振测井表示的含水砂岩的流示的含水砂岩的流体分量画像。从图体分量画像。从图上可见，在含水砂上可见，在含水砂岩中，岩中，T2时间分布时间分布反映了地层的孔径反映了地层的孔径分布；短分布；短T2分量来分量来自接近和束缚于岩自接近和束缚于岩石颗粒表面的水。石颗粒表面的水。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图3-26 从时间分布表示的含水砂岩的流

14、体分量图像从时间分布表示的含水砂岩的流体分量图像33 核磁共振测井核磁共振测井T2T2测量值的幅度和地层的孔隙度成测量值的幅度和地层的孔隙度成正比正比（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（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。的类型及粘度有关。T2T2时间短一般指示比表面积大而时间短一般指示比表面积大而渗透率低的小孔隙；渗透率低的小孔隙；T2T2时间长则指示渗透率时间长则指示渗透率高的大孔隙。高的大孔隙。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用34 岩石孔隙中氢核的弛豫快慢与弛豫的方式有关。当氢核在岩石孔隙中氢核的弛豫快

15、慢与弛豫的方式有关。当氢核在岩石孔隙的表面附近弛豫时，氢核频繁与孔隙表面碰撞，这岩石孔隙的表面附近弛豫时，氢核频繁与孔隙表面碰撞，这种碰撞使氢核的弛豫过程加快。氢核在孔隙表面附近的弛豫种碰撞使氢核的弛豫过程加快。氢核在孔隙表面附近的弛豫机制属于表面弛豫。如图机制属于表面弛豫。如图327所示，旋进质子在孔隙空间扩所示，旋进质子在孔隙空间扩散时会与其他质子及颗粒表面碰撞，质子每与一个颗粒表面散时会与其他质子及颗粒表面碰撞，质子每与一个颗粒表面碰撞一次，就有可能发生弛豫相互作用，颗粒表面的弛豫是碰撞一次，就有可能发生弛豫相互作用，颗粒表面的弛豫是影响弛豫时间最重要的机制。影响弛豫时间最重要的机制。实

16、验表明，在小孔隙中，质子与颗拉表面实验表明，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。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。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用35 图图328是在某井低孔低渗储集层中核磁共振测量的数据是在某井低孔低渗储集层中核磁共振测量的数据。图中的。图中的“T2CUTOFF”称为称为T2截止值，是指截止值，是指T2分布谱上束分布谱上束缚流体和自由流体的截断值，它将缚流体和自由流体的截断值，它将T2谱分为两部分。大于谱分为两部分。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

17、截止值的那部分区域的面积等于自由流体体积，小于T2截止截止值的那部分区域的面积等于束缚流体体积。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砂岩储集层中确定的TZ截止值为截止值为33ms，但国内在非均值孔，但国内在非均值孔隙介质中的研究表明，隙介质中的研究表明，T2截止值有一定的变化范围。截止值有一定的变化范围。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用361001001000PORShort-TE1Short-TE2（TEL=3.6ms，TW=12

18、.0s）油层水层图7 核磁共振测井识别中等粘度油水淹层实例37 二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图328 某井核磁共振测井图某井核磁共振测井图38 图图329为某井的稠油井段的核磁共振测井图，稠油的含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，导致了氢指数低、粘度大，导致了T2分布谱前移，呈单峰拖拽特征分布谱前移，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。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，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

19、况下，用经验的现向后拖拽的特征。因此，在稠油情况下，用经验的T2截止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。图的计算。图329中中“CMR BFV”为束缚流体体积，为束缚流体体积， Sw与与“CMR BFV”之间的差异指示可动流体体积。之间的差异指示可动流体体积。二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用39 二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图329 某稠油井段的核磁共振测井图某稠油井段的核磁共振测井

20、图40 1. 什么是核磁共振现象？什么是核磁共振现象？2.什么是横向和纵向弛豫时间？什么是横向和纵向弛豫时间？3. T2分布谱有什么作用？分布谱有什么作用？4. CMR测井的应用。测井的应用。小结小结- 41 -砂泥岩地层储层评砂泥岩地层储层评价实例价实例- 42 -由由于于不不同同储储层层流流体体具具有有不不同同的的核核磁磁共共振振特特性性参参数数流流体体类类型型含含氢氢指指数数IH扩扩散散系系数数D(10-5cm2/s)纵纵向向弛弛豫豫时时间间T1(ms)横横向向弛弛豫豫时时间间T2(ms)盐盐水水17.715000.67200轻轻质质油油17.95000460天天然然气气0.381004

21、40040因因此此，不不同同孔孔隙隙结结构构、储储层层流流体体或或相相同同孔孔隙隙结结构构与与储储层层流流体体条条件件下下，不不同同测测井井参参数数将将会会获获得得不不同同的的T2分分布布，从从而而识识别别储储层层流流体体性性质质。判别依据判别依据四四川川地地区区渡渡口口河河构构造造渡渡 4 井井飞飞仙仙关关组组碳碳酸酸盐盐岩岩地地层层 CMR 测测井井实实例例，通通过过气气检检测测分分析析处处理理， 4 42 22 26 6. .5 54 42 26 62 2m m 气气层层特特征征明明显显。测测井井解解释释了了大大段段气气层层，该该段段测测试试已已获获工工业业气气流流。48 在核磁共振信号

22、的测量期间，质子磁矩收到在核磁共振信号的测量期间，质子磁矩收到Z轴静磁场的作用，在进动过程轴静磁场的作用，在进动过程中向中向Z轴方向恢复，这个过程叫纵向弛豫。纵向弛豫过程的快慢，反映了岩石的轴方向恢复，这个过程叫纵向弛豫。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：孔渗特性及流体特性。纵向弛豫的方程为：（二）纵向弛豫及横向弛豫（二）纵向弛豫及横向弛豫10( )(1)tTM tMe式中式中M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。50 CMR在探头测量区间中产生局部均匀的

23、静磁场，在探头测量区间中产生局部均匀的静磁场，RMK923利用大地磁场作为静磁场。利用大地磁场作为静磁场。Numar MRIL型核磁共型核磁共振测井的测量方案具有代表性，见图振测井的测量方案具有代表性，见图323。在测量过程中，。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。核磁共振信号基本上是由孔隙流体中的氢核产生。 （三）核磁共振测量原理（三）核磁共振测量原理51 二、核磁共振测井的应用二、核磁共振测井的应用图图325 核磁共振测井解释模型核磁共振测井