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2006 年 第 4 期 测 井 与 射孔 二维核磁共振岩石物理 B oqi n Sun ， K eh- Ji m D unn 著 肖 亮 译 (中国石油大学(北京) 闵家华 校 (胜利石油管理局) 摘要 ： 二维核磁共振(2D N M R )为岩石物理勘探开辟了广阔领域并对石油测井技术产生了重大影 响。当孔隙介质中饱和了不同扩散系数的复杂流体时。 能从固定脉冲序列或变化的双窗序列 C PM G 测量 中提取并清晰地描述出这种信息。用 丁 2 弛豫时间和扩散系数这两个独立变量绘制的二维 N M R 图中能 清楚地 区分 出岩 石中的油 和水 二维 核磁共振 中的“ 二 维” 概念可 扩展到对含饱 和流 体的孔 隙介 质的研 究中， 这种孔隙介质涉及两个或更多独立变量的组合， 如化学位移与 丁1 丁 2 弛豫时间比(反映孔隙大小)， 质 子数 量与扩散对 比等 。 关键词 ： 二维核磁共振 扩散核磁共振测井 1前言 二维核磁共 振在频谱学 中是 广泛使用的技 术， 直到最近几年才应用到核磁共振测井和岩石 物理学的研究 。常规的二维核磁共振是一个二维 图， 由两个独立变量的轴组成 ， 两个轴都用频率表 示， 该 图指示化学位移或耦合常数， 二维信号强度 等值线图代表二维频谱学的相关性 ， 描述由于化 学交换 、 扩散、 J 耦合或者量子跃迁而引起的不 同 原子位置的相关性。化学位移和扩散系数之间的 相关性称之为“ 扩散排序的核磁共振频谱” 。 二维 N M R 给岩石物理学勘探研究 开辟了广 阔领域 ， 最重要的是在测井 中的应用 ， 能准确地确 定地层 中的油 和水的饱 和度。它利用磁场梯度 中 增强的 丁 2 弛豫率 以及油 、 水扩散系数 的较大差 异生成能明显 区分出油、 水信号的二维 N M R 图。 这种二维 N M R 图常叫做 D 一 丁 2 图， 质子数量被 认为是扩散系数 D 以及弛豫时间 丁 这两个独立 变量的函数。其它一些多维 N M R 图有 T 一 丁 2、 D T 一 丁 2、 1、 一化学位移 、 丁 2一化学位移 、 扩散 或弛豫 时 间一编 码 N M R图等等 ， 其 中的一 些 N M R 图只适用于岩心分析中。下面将主要讨论 二维核磁共振测井 。 2二维核磁共振测井 传统的核磁共振测井 ， 只利用 分布来进 行储层评价， 故又称为“ 一维核磁共振测井” 。从 丁 2 分布中可确定许多岩石物理量 ： 丁 2 的幅度累 加能给出饱和流体地层的孔隙度 ， 分布本身提 供 了孔隙大小分布， 而磁场梯度 峰值 的相对 位移有助于确定孔 隙中烃 的类型和数 量。然而， 在一维核磁共振图中要准确地确定含油饱和度是 非常困难的而且有时候根本就不可能确定 。二维 核磁共振在区分地层中的油和水方面则 明显有了 改 善 。 磁场梯度 中增强的 弛豫率能将油水 区分 开 ， CP M G 回波 串的 回波幅度 大致 写成如下 形 式 ： ， ， 2， b 一 M (tf) 一 f,e P _ 一 (1) ，曹 1 这里 b 是第 个回波 (f一1， ， )， ti 是衰 减时间， )， 是旋磁 比， g 是磁场梯 度， D 是孔隙流 体的 自扩散系数， r 是半 回波间隔， ， ， 是要求取的 区间孔隙度。假设有 m 个 丁 弛豫时间等间隔的 置于对数坐标中， 在一个足够大的、 能包括所有孔 隙大小的体积元上， g 是均匀的， 那么用积分形式 进行计算时， 公式(1)可以写成第一种弗雷德霍姆 收稿 日期 ： 2006 05 20 译者简介 ： 肖亮， 男， 2004 年 毕业 于江汉石油学院地球物理系 ， 现为中国石 油大学 (北京)在读硕士研究生 ， 主要从事测井资料 的综合解释 及应用研究 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 测 井与 射孔 2O06 生 (F red hoi m )积分形式 ： r r b(t， r) 一 l l ， (T2， D )kl ( ， ) 2(r， D ， )dT2dD JJ (2) 式中， k (t， 了 、 2)和 k2(r， D ， )是与公式 (1)中两个 指数形式的积分 因子有关 的函数，(T 2， D )是 和扩散系数 D 的二维分布 函数 。为了建立一 个二维图， 必须运用不 同的 回波间隔 T E 一2r 来 对变化的扩散系数 D 进行编码。问题是 ， 这两个 积分函数核都与一个共同的变量 t 有关 。反演不 会使 幅度增强衰减 ， 而是使较短的 弛豫时 间前移 。Sun 、 D unn 以及 H fl rl i m ann 等人分别发 现这两个积分 函数核能够通过在第二个积分函数 中固定 t值 、 用修正双窗的 C PM G 脉 冲序列的办 (b ) 回波 (c ) 回波 回波 N l N E 图 1 使用不 同的回波间隔 (A )脉 冲梯度场(B )恒定梯 度场 规 则 CP M G 编 码 (C ) 恒 定 梯 度 场 双 窗 CPM G 编码 法分离开来。图 1 显示了得到二维核磁共振图的 不同方法 ， 图 A 使用 了脉 冲梯度； 图 B 采用了恒 定梯度， 规则 C P M G 不同回波间隔编码； 图 C 采 用恒定梯度 ， 双窗 C P M G 编码 。第一个窗采用固 定长度或变化的 已知长度 ， 采用不 同的回波 间隔 来编码扩散信息。第二个窗记录了采用最小回波 间隔的规则 C PM G 编码信息 。 实际上 ， 公式(2)可写成如下形式 ： rr b(t， r)=l l ， (丁 2， D )k(t， r， 丁 2， D )d dD (3) JJ 在这里把两个积分 函数 当作一个来处理 ， 两个变 量的函数 ，( ， D )用一步反演求得 这样来 ， 我们就只需要不同回波间隔的规则 C PM G ， 不需 要有修正的双窗 C PM G 脉冲序列了。 图 2 是三个相邻深度上记录的二维核磁共振 测井结果。左边一列是作 为扩散 系数 D 和 弛豫 时间 T z 函数的质 子数量的等值线 图。右边列 显示 了相同深度上 的三维图， 纵轴 为质子 幅度。 扩散系数在 310 c m s 左右识别为水峰 ， 用经 验建立的 D T z 线上的位景上来 识别油峰。注 意， 下面两个深度上的水峰有一个长的肩 ， 延伸到 扩散系数值很低的地方， 这指示了粘土的存在 ， 因 为扩散受到限制 而导致视扩散 系数变小 ， 同时回 曼 理 茁 溅 墨 1 0 1 0 。 。 1 0 1 0 1 0 扩散系数(c Ill 8) 图 2 三个相邻深度的二维核磁共振测井图 左 边为等 值线图 右边为三维图。 纵轴 为质子数量 。 。 -。 一。 。 一。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 二维核磁 共振 岩石 物理 波间隔的变化和磁场梯度值都不够大， 不 足以分 辨这个区域 。 图 3 是二维 核磁共 振测井结果 的另一 个例 吕 厘 翟 黼 意 目 疆 窨 蕊 g 疆 曾 醚 薏 扩散系数( s) 图 3 二维核磁共振测 井图 图 A 、 B 、 C 和 D 描述 了深 度从水 层(A 和 B )减少 到油层 (C 和 D )过 程中 的 D - T 2 图， 实线 (白色 )显示 了 了在 外界 状态 下不动油的 D - T 2 关系 子 ， 图 A 、 B 、 C 和 D 描述 了深度从水层(A 和 B )减 少到油层(C 和 D )过程中的 D 图。在 图上 可 以明显看到 自由流体和束缚水所对应 的峰， 当 到达油层的时候 ， 另一个油的峰显示在右上角。 如果在获取 C PM G 回波 串的时候我们 采用 不 同 的 等 待 时 间， 那 么 极 化 因 子1 一 exp U， 个 f一 1将插入到公式(2)和公式(3)中。通过反 J 1， 演就能得到 T 一T z 图甚至是三维的 D T 一 图 。 其它的仅仅用在岩心分析中二维核磁共振的 应用包括 T IM A S ， T 2M A S 和扩散或者弛豫 时间 标定的核磁共 振成像。图 4 是一个岩心样 品的 T IM A S 的 二 维 图 ， 这 里 烷 烃 链 的 C H 。 峰 是 0 87ppm ， 烷烃链的 C H 和 C H z 峰是 1 26ppm ， 水峰是在 5ppm 而芳香族油峰是 7ppm 左右。这 几种分析尽管没有应用到测井中来 ， 但是能 帮助 我们理解孔隙流体和孔隙大小之间的内在关系。 吕 星 曾 鞋 图 4 二维 T 1M A S 图 纵坐标是 T 1 弛豫 时 间。 m s； 横 坐标是化学位移 脂族油峰值 接近 l ppm 水峰接 近 5ppm 而芳香族油峰接近 7ppm