（地球探测与信息技术专业论文）mrex核磁测井数据处理方法研究.pdf

s t u d y o np r o c e s s i n gm e t h o do fm r e x l o g g i n gd a t a at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日疑；沙f | 年6a 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名一么些 指导教师签名：弓q 铀 日期：加，年月岁日 日期：上。，年 石月岁 日 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。m r e x 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。 本文在深入研究核磁测井基本理论的基础上，通过调研国内外核磁测井资料与应用 实例，对m r e x 核磁测井资料数据处理的整个流程和其中的关键技术进行了研究。 数据提取和原始回波串生成方面，对m r e x 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 m r e x 核磁数据回波生成一系列关键技术，包括相位校正、回波叠加、标准组组合、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。 回波串反演方面，研究了利用核磁测井回波串进行t 2 谱反演的数学模型和奇异值 分解方法。采用奇异值分解的一种改进方法反演t 2 谱，满足了现场资料处理的需要。 储层参数计算方面，研究了利用核磁资料处理计算孔隙度、渗透率等储层基本参数 的方法，并通过变t 2 截止值和d m r 、s m r 技术提高参数的求取精度。 流体定性分析和定量计算方面，结合典型油气水层特征，分析了移谱、差谱法的原 理及适用条件。定量计算从回波串信息处理和t 2 谱信息处理两个方面展开。基于回波 串处理的定量计算利用的是双t w 测井资料回波串差，基于t 2 谱信息处理包括利用双 t e 资料扩散分析、多g t e 资料扩散分析及多g t e 资料t 2 谱联合反演3 种方法。其中， 将快速模拟退火算法用于回波串差的两相搜索，得到了较好的效果。 在上述研究工作的基础上，通过实例井的处理分析对方法进行了验证。 关键词：m r e x 核磁测井，数据处理，奇异值分解，流体性质分析 d a t ap r o c e s s i n gm e t h o ds t u d yo nm r e x l o g g i n g l iz h o n g x i n ( g e o d e t e c t i o na n di n f o r m a t i o nt e c l u l o l o g ) r ) d i r e c t e db yp r o f s u nj i a n m e n g a b s t r a c t n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c el o g g i n gt e c h n o l o g yi sam a j o rp r o g r e s so fw e l ll o g g i n g i n d u s t r yi nt h e19 9 0 s np r o v i d e sn e wa n s w e r st oh y d r o c a r b o ne x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t i nc o m p l e xr e s e r v o i r s m r e xn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c el o g g i n gi sa na d v a n c e do n e ，w h i c h i si m p o r t e df r o mf o r e i g nc o m p a n i e s b e c a u s et h i st o o li sl a u n c h e di nas h o r tt i m e ，b o t l l h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h i si n s t r u m e n ta r e i m p e r f e c t , a n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa l e d i f f e r e n ti na n do u to fc h i n a , s o m ep r o b l e m s ，m a i l yo nt h ed a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o n ， a r ee n c o u n t e r e d ，i ft h e s ep r o b l e m sa r en o ts o l v e d ，w i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h ea p p l i c a t i o no ft h i s m c h n o l o g yi nc h i n a t h r o u g hp l e n t yo fi n v e s t i g a t i o no nn m rl o g g i n gr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na th o m ea n d a b r o a d ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ee n t i r ep r o c e s so fd a t ap r o c e s s i n go nt h eb a s i so fn m rb a s i c t h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g i e s i nd a t ae x t r a c t i o na n de c h og e n e r a t i o na s p e c t s ，t h e f e a t u r e ，a c t i v a t i o n ，d a t ar e c o r d i n g f o r m a to fm r e xt o o la r ea n a l y z e d m a k i n gc l e a rd a t aa c q u s i t i o na n ds t o r a g ed e t a i l s ，o r i g i n a l r e c o r dd a t aa r ee x t r a c t e d as e r i e so fk e yt e c h n o l o g i e so fe c h og e n e r a t i o nf r o mm r e x o r i g i n a l d a t aa r e f o r m e d ，i n c l u d i n gp h a s e - c o r r e c t i o n ，e c h os t a c k ，s t a n d a r d e c h oc o m b i n a t i o n s ， t i m e - t o d e p t hc o n v e r s i o n ，e t c t h eo r i g i n a lo r h o g o n a ls i g n a l si nt i m ed o m a i na r ep r o c e s s e dt o e c h os i g n a l si nd e p t hd o m a i n i ne c h oi n v e r s i o na s p e c t s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe c h o - t 2i n v e r s i o na n ds i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o na l g o r i t h ma r ed i s s c u s e d a ni m p r o v e ds i n g u l a r ev a l u ed e c o m p o s i t i o nt o o b t a i n n i n gt h et 2s p e c t r u mf r o me c h oi su s e d i nr e s e r v o i rp a r a m e t e rc a l c u l a t i o n a s p e c t s ，m e t h o d st oc a l c u l a t et h ep o r o s i t ya n d p e r m e a b i l i t y f r o mn m rd a t aa r er e s e a r c h e da n di m p r o v i n gt h e a c c u r a c yo fp a r a m e t e r s t h r o u g hv a r i a b l et 2c u t 0 厅v 猷u e sa n dd m r , s m rt e c h n o l o g i e s i nf l u i dq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n dq u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o na s p e c t s ，a n a l y z et h ef e a t u r eo f s h i f ts p e c t r u mm e t h o d ( s s m ) ，d i f f e r e n t i a ls p e c t r u mm e t h o d ( d s m ) o ft h et y p i c a lo i l ，g a s a n dw a t e rr e s e r v o i ra sw e l la st h et h e o r i e sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so ft h e s em e t h o d s q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nb a s e do ne c h o su s e se c h od i f f e r e n c eb e t w e e nd u a l t we c h o s q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nb a s e do nt 2s p e c t r u mi n c l u d et h r e em e t h o d s ：d i f f u s i o na n a l y s i so f d u a l t et 2s p e c t r a , d i f f u s i o na n a l y s i so fm u l t ig t e1 2s p e c t r a , j o i n ti n v e r s i o no fm u l t i g t et 2s p e c t r a a m o n gt h e m ，t h eu s eo fv e 巧f a s ts i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mf o r d u a l - p h a s et 2r e s e a r c ho ne c h og e t sg o o dr e s u l t s b a s e so nt h i ss t u d y , t h e s em e t h o d sa r ev e r i f i e db yt h et r e a t m e n to fw e l l s k e yw o r d s ：m r e xw e l ll o g g i n gt o o l ，d a t ap r o c e s s i n g ，s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，f u l i d t y p i n ga n da n a l y s i s n l 目录 第一章绪论l 1 1 选题依据及研究意义1 1 2 国内外核磁测井研究现状1 1 2 1 核磁共振测井仪器发展现状【2 1 1 1 2 2 核磁数据处理解释方法发展现状3 1 3 研究内容与关键问题5 1 4 研究方法与技术路线6 第二章核磁共振测井基础。7 2 1 核磁共振测井物理基础7 2 1 1 核磁共振现象产生条件7 2 1 2 核磁共振弛豫特征8 2 2 核磁共振测井信号测量方法1 l 2 3 小结l3 第三章m r e x 回波信号生成处理技术研究1 4 3 1m r e x 核磁共振测井仪器简介14 3 2m r e x 数据采集观测模式。1 5 3 2 1p p 、p pb a s i c 观测模式1 5 3 2 2p po i l 观测模式16 3 2 3p pg a s 观测模式一l8 3 3m r e x 数据记录方式2 0 3 4 各组回波生成技术2 0 3 5 标准组回波合成技术2 4 3 6m r e x 回波信号生成处理实例。2 7 3 7 小结3 0 第四章回波串反演处理技术研究”3 1 4 1 反演模型3l 4 2 反演参数的选择。3 2 4 3 经典奇异值分解方法3 2 4 4 奇异值分解的一种改进方法3 4 4 5 回波串反演处理实例3 5 4 6 ，j 、结3 9 第五章t 2 谱信息处理进行储层参数求取4 0 5 1 计算孔隙度。4 0 5 2 计算毛管束缚水4 1 5 3 估算渗透率4 2 5 4 提高参数计算精度的方法“4 4 5 4 1 变t 2 截止值改进束缚水饱和度计算一4 4 5 4 2 与密度声波结合改进孔隙度计算4 6 5 5 参数计算处理实例及分析4 9 5 64 、结51 第六章t 2 谱及回波串信息处理进行流体分析一5 2 6 1 利用核磁资料进行流体分析的基础一5 2 6 1 1 不同流体的弛豫特性“5 2 6 1 2 流体分析的基本方法一5 5 6 1 3 不同流体的核磁测井响应特征5 6 6 1 4 流体定性方法适用性分析一5 9 6 2 基于回波串信息处理的流体定量评价技术”5 9 6 2 1 双等待时间回波串差反演进行流体定量评价5 9 6 2 2 快速模拟退火算法在回波串差反演中的应用6 3 6 3 基于t 2 谱信息处理的流体定量计算技术6 7 6 3 1 双回波间隔t 2 谱扩散分析进行流体定量评价”6 7 6 2 2 多回波间隔t 2 谱扩散分析进行流体定量评价“7 l 6 2 3 多回波间隔t 2 谱联合反演进行流体定量评价“7 3 6 44 、结7 6 结论7 7 参考文献7 9 v 攻读硕士学位期间取得的学术成果。8 4 致 射8 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 选题依据及研究意义 第一章绪论 自1 9 4 6 年核磁共振现象被发现以来，核磁共振技术作为一种重要的现代分析手段 已经广泛应用于各个领域。随着勘探程度的提高和勘探目标的复杂化，油气勘探技术发 展的重点也转移到核磁共振成像等新技术。 核磁共振测井技术的物理基础是氢原子核( 1 h ) 自身的磁性及其与外加磁场的相互 作用。核磁共振测井的原始数据是地层岩石孔隙流体中氢核在c p m g 脉冲序列下观测 得到的回波串，该信号包含了孔隙类型、孔径大小、渗透率、孔间连通性、流体类型、 流动特性等信息。通过对回波串进行多指数反演和对t 2 谱进行处理分析，可获得丰富 的地层信息和地质参数【1 , 2 j 。 斯伦贝谢、哈里伯顿、阿特拉斯是国际测井服务三巨头，他们研制出各具特色的核 磁共振仪器【3 】，并配有专门的数据处理解释软件。国产核磁共振仪器的研制刚刚起步， 国内石油公司全靠进口国外公司价格昂贵的核磁仪器和软件1 4 1 。国内核磁共振测井研究 的重点放在了t 2 谱反演方法的改进和核磁资料的应用方面，而在前期的回波串生成方 法研究较少【5 j 。 本文所研究的m r e x 仪器是b a k e r a t l a s 公司推出的一种核磁共振测井仪【3 】。该仪器 有以下显著的特点：多个频率测量，频率范围宽；多磁场梯度；偏心贴井壁测量，观测 信号强；数据采集模块化，不同目的储层提供配套的观测模式，操作简单易行【3 , 6 - 9 1 。 从2 0 0 0 年开始，我国先后引进了多套m r e x 测井仪，在河南、大港等油田开展了 测井应用f 3 , 7 - 1 3 1 。虽得到了许多成功的实例，但在应用也遇到一些问题。国内在核磁数据 处理方面研究滞后的问题已凸现出来。 因此，弄清m r e x 仪器的数据保存结构及观测信息，发展m r e x 核磁测井数据处 理方法与技术，对于解决m r e x 核磁测井应用中的问题，提高我国核磁测井数据处理解 释水平，具有很好的指导意义与应用价值。这也是本文的来源。 1 2 国内外核磁测井研究现状 1 2 1 核磁共振测井仪器发展现状【2 】 1 9 4 6 年，p u r c e l l 和b l o c h 两人各自独立发现核磁共振现象。不久后，v a r i a n 证实了 第一章绪论 地磁场中核的自由进动，并发明用于测量地磁场强度的n m r 磁力计。随后他提出将利 用n m r 磁力计技术用于油井测量，并根据油水弛豫时间的差异来检测油层的设想，迈 出了核磁共振在石油工业应用的第一步。1 9 6 0 年，c h e v r o n 公司和s c h l u m b e r g e r 公司合 作研制出利用地磁场的核磁共振测井仪器( n m l ) ，并用于油田测录井服务。 现代核磁测井技术的开创性进展是由j a c k s o n 完成的。1 9 7 8 年，j a c k s o n 提出将反 向磁体对放置于井中，在井眼周围的地层中产生局部均匀磁场，建立核磁共振条件后进 行观测，这就是著名的“i n s i d e o u t ”技术，并发明了基于反向磁体“i n s i d e o u t 的n m r 测录井仪器j 该技术有三大独到之处：第一，将共振区域置于井眼之外的地层中，而不是利用地 磁场，从而消除了井眼和泥浆的影响；第二，人工磁场强度高，单位体积样品的信号比 利用地磁场观测更大；第三，射频磁场的使用不仅使仪器的“死时间”大大减小，能够 实现对极小的孔隙中的信号进行观测，而且射频脉冲序列的可操作性更强，更改脉冲序 列的时序可以获取准确的流体信息。但该技术存在均匀磁场区域小，观测信号信噪比低 的问题。 1 9 8 3 年，专门从事核磁测井研究、仪器设计制造的n u m a r 公司成立，1 9 8 8 年该 公司推出全新的核磁共振成像测井( m 础l ) 系列，标志着核磁测井达到实用化要求。 m r i l 以人工梯度磁场和自旋回波为基础，综合了“i n s i d e o u t 概念和磁共振成像( m 砌) 技术。1 9 9 0 年，m r i l b 仪器投入商业服务，在全球范围内得到广泛的成功应用。此后， 1 9 9 4 年，推出能与a t l a s 的e c l i p s5 7 0 0 系统组合的m r i l c 型；1 9 9 6 年，实现对粘土 束缚水的观测，推出能够测量总孔隙度的改进产品m r i l c t p 型。1 9 9 7 年，哈里伯顿 收购n u m a r ，并与次年推出了e x c e l l2 0 0 0 上成像测井的重要组成部分一 m r i l p r i m e 型核磁共振测井仪。该仪器采用9 个工作频率( 7 6 0 5 8 0k h z ) 及加长预 极化磁体的方法，既能提高测井速度，又能获得更多的信息，数据精度也大大提高。 s c h l u m b e r g e r 公司作为核磁测井最早的研究机构之一，在半个多世纪里一直延续着 岩石核磁共振和核磁测井的探索研究。直到1 9 9 2 年，s c h l u m b e r g e r 公司才放弃了原先 的利用地磁场测井的方案，推出了利用永久磁体在地层中产生局部均匀磁场、贴井壁测 量的偏心型组合式核磁共振测井仪器c m r ，并进行了现场测试。2 0 0 0 年，s c h l u m b e r g e r 推出新型仪器c m r p l u s ，比c m r 改进了功能，提高了数据采集速度。 前苏联在6 0 年代初期就开始核磁共振仪器的研制，其仪器主要以大地地磁场为主， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 7 2 年投入生产使用，二十世纪九十年代生产的 i m k 9 2 3 得到了普遍使用【1 4 1 。 2 0 0 1 年，哈里伯顿推出了n m r 流体分析仪。哈里伯顿和斯伦贝谢公司分别在2 0 0 0 年和2 0 0 2 年推出各自的随钻测井仪器l w d ( l o g g i n gw h i l ed r i l l i n g ) ，贝克休斯公司在 2 0 0 5 年推出了l w d 的n m r 仪器i 巧j 。 国内核磁测井始于上个世纪九十年代中期。1 9 9 6 年，我国的华北测井公司、中油测 井公司【l 】、辽河测井公司【1 6 1 、胜利油田【1 7 1 引进了核磁共振成像测井( m r i l c t p ) ，标 志着核磁共振成像测井进入中国。大庆、大港、辽河油田于2 0 0 1 年先后引进了 m r i l p r i m e 型核磁共振成像测井仪( 肖立志i l 】，19 9 8 ) 。 本文研究的m r e x 是b a k e ra t l a s 公司在2 0 世纪末推出的一种偏心测量核磁共振测 井仪。该仪器在探头、观测序列和数据采集等方面有显著特点，代表了当今核磁共振测 井数据采集和处理评价技术的前沿【3 , 8 - 9 。 2 0 0 2 年后，河南油田【3 ，l2 1 、大港油田f 7 - 1 1 1 、中海油服【1 3 】引进了m r e x 型核磁共振成 像测井仪器，并得到了一些成功的应用【3 , 7 - 1 3 1 。 1 2 2 核磁数据处理解释方法发展现状 ( 1 ) 原始回波生成方面 国外服务公司对国内只提供服务，关键技术，尤其是核磁资料数据提取及原始回波 串生成技术国外一直保密。国内在这方面的研究也比较匮乏。 ( 2 ) t 2 谱反演方面 核磁测井资料的处理解释是建立在弛豫信号回波串的多指数反演处理基础上的。 1 9 8 1 年，b u f f e r 等提出模平滑方法，并加入了非负约束。1 9 9 8 年，b o r g i a l l 9 1 提出均 匀惩罚的反演方法。目前，广泛使用反演方法大都是基于奇异值分解s v d ( s i n g u l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ) 算法的( d u m a 2 0 l ，1 9 9 9 ) 。 2 0 0 1 年王为民【2 1 1 等提出奇异值分解反演算法和变换反演算法，并给出了优选原则。 翁爱华 2 2 1 也对奇异值分解与正则化相结合的方法应用于反演软件开发。2 0 0 2 年，翁爱 华等2 3 1 考虑到核磁测井数据可能不服从正态高斯分布，采用回归m 估计和常规正则化 反演方法结合的方法。王才志、李宁【2 4 】开展了奇异值分解在c i f 2 0 0 0 平台上应用研究。 2 0 0 3 年，王才志1 2 5 1 等正式提出截断奇异值的方法，从而将奇异值分解应用到低信噪比 的情况。同年，姚绪刚【2 6 1 、王忠东【2 7 1 提出了一种利用整体迭代修正多指数反演的联合迭 代反演法( s i r t ) 。2 0 0 5 年，姜瑞忠【2 8 1 等通过一种新的实现非负性约束的迭代方案， 3 第一章绪论 改进了奇异值分解算法解谱。2 0 0 7 年，谭茂金等 2 9 1 将遗传算法应用到于核磁测井数据 的反演中。廖广志等对核磁共振t 2 谱反演影响因素进行了研究。孙圳3 1 1 研究了信赖 域方法在t 2 谱反演中的应用。2 0 0 9 年，马建海等3 2 1 提出基于迭代t i k h o n o v 正则化的核 磁测井解谱方法。 ( 3 ) 参数计算方面 b r o 、i l 【3 3 j ( 1 9 5 6 ) 研究发现，核磁共振弛豫时间与孔隙大小有关，可以求出代表大 孔隙可动流体的长弛豫时间所占的比重，t i m u r 【蚓( 1 9 6 8 ) 将该部分信号定义为自由流 体指数。弛豫时间与孔隙大小关系理论和自由流体指数的概念奠定了核磁共振测并应用 的基础。阿克谢利罗德【3 5 】( 1 9 8 2 ) 提出将核磁测井结果与实验室测量总孔隙度建立关系， 来评价岩石总孔隙度。随着核磁测井仪器的升级，现代的核磁共振仪器除求得总孔隙度 外，还能区分可动水、毛管束缚水和粘土束缚水等( p r a m m e r 等【3 6 1 ，1 9 9 6 ) 。 孔隙度解释的基础是孔隙度解释模型，而孔隙度解释模型的基础是t 2 截止值。随 着研究的进展，发现固有的t 2 截止值并不适合所有的储层。对于毛管束缚水的计算， 除截止值法外还有频谱法【l 】，仍然有适用条件。 利用核磁资料进行渗透率评价最早是s e e v e r s l 3 7 】( 1 9 6 6 ) 通过研究砂岩弛豫时间与 渗透率的关系提出的，随后t i m u r 【2 1 提出利用核磁计算渗透率的新方法。随后岩心室内 核磁共振实验研究大规模开展起来，也发展出许多渗透率解释模型【2 】。 此外，核磁资料还可以与密度和声波资料结合来提高含气地层孔隙度的求取精度 ( f r e e d m a n 【3 7 3 8 j ，19 9 7 ，c h a n hc a om i n h 3 9 】，19 9 9 ) 。 ( 4 ) 流体分析方面 核磁共振测井只对孔隙流体中氢核有反映，采用合适的模式进行观测，可以利用油 水在t 1 和扩散上的差异来区分流体。利用核磁资料进行流体性质分析得益于1 9 9 5 年的 两篇文章( a k k u r t t 4 0 1 ，1 9 9 5 ，p r a m m e r 【4 1 1 ，1 9 9 5 ) 。该文提到的第一种方法是差分法( d s m ) ， 它利用不同等待时间的两个回波串，将不同等待时间的回波串或t 2 谱进行差分，该差 分信号用于计算储层含烃饱和度。第二种是根据流体扩散系数差异识别流体的移谱法 ( s s m ) 。它采用两个不同的回波间隔( t e ) ，分别进行反演得到相应t 2 谱并进行对比， 不同扩散系数的流体信号的移动量不同，根据移动量的来区分流体类型。以此为基础， 还发展了扩散分析( d i 彤n ) 和增强扩散方法( e d m ) 。扩散分析通过交会图技术，突 出油水的扩散系数和固有弛豫时间的差异，建立饱和度模型。增强扩散方法通过采用一 个很大的t e ，确定以扩散弛豫时间决定的地层水的t 2 上限( 即水线t 2 d w ) ，大于该值 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的信号认为是油的信号，经过积分计算便可得到油的体积。 随着核磁共振仪器的发展，一次观测能够测得多个t w 多个t e 的数据，利用多组 回波串核磁进行流体分析的技术也跟着发展起来。b o q i ns u n t 4 2 】( 2 0 0 3 ) 等提出s i m e t 技术，包括编辑t 2 谱流体识别方法( f e t ) 和全局反演流体分析方法( g i f t ) ，可以 得到油、气、水的固有弛豫谱和相应的含量。邵维志【8 j 、赵秋来【3 1 、刘正峰【1 2 】介绍了 m r e x 数据处理中用到的m g t e 和s i m e t 技术，并对国内的应用实例进行了分析。 核磁共振技术发展的一个方向是二维核磁共振。2 0 0 2 年，b o q i ns u n l 4 3 , 4 4 1 以及s o n gy q 掣4 5 1 分别提出了利用2 个窗1 ：3 改进自旋回波脉冲序列c p m g 实现了2 dn m r 测井。 国内谢然红【4 6 4 8 1 通过数值模拟和岩心实验，利用二维核磁共振识别流体。毛志强1 4 9 1 、刘 天定【5 0 1 介绍了二维核磁共振在油田中的应用。 1 3 研究内容与关键问题 本文从m r e x 型核磁测井的原始数据出发，研究了原始数据提取、回波串生成、t 2 谱反演、参数计算、流体性质定性识别和定量计算的方法。主要包括： ( 1 ) 核磁时间域回波串处理技术。包括：计算平均相位角；旋转处理，计算 信号道和噪声道；各组回波生成；标准组回波合成；时间域差分；时深转换。 ( 2 ) 研究利用核磁测井回波串进行t 2 谱反演的数学模型和奇异值分解方法，提供 一种满足现场资料处理的t 2 谱反演方法。 ( 3 ) 研究利用核磁资料及孔隙度、渗透率等模型进行参数计算的模型及方法，并 研究提高参数求取精度的方法。 ( 4 ) 研究利用核磁共振资料进行流体性质定性识别和定量计算的方法。定性识别 方面，分析移谱、差谱法的原理及适用条件；定量计算方面，从t 2 谱信息处理和回波 串信息处理两个方面进行探讨，研究流体定量计算的方法。 关键问题： ( 1 ) 核磁资料的数据提取技术和时间域回波串处理技术。 ( 2 ) 利用改进奇异值分解法进行t 2 谱反演方法研究。 ( 3 ) 利用核磁资料及孔隙度、渗透率等模型核磁资料进行参数计算，提高参数求 取精度的方法。 ( 4 ) 核磁共振资料进行流体性质定性识别和定量计算的方法，回波串差资料的两 相流体的视t 2 值和视孔隙度搜索方法。 5 第一章绪论 1 4 研究方法与技术路线 根据文献资料及相关手册，深入剖析核磁共振测井处理解释的整个流程，并弄清各 个步骤的关键技术，编制相应的软件模块，对方法进行验证。本文的技术路线如图1 1 。 m r e x 回波信号生成 核磁回波串反演 储层参数计算 流体分析 m r e x 原始数据提取技术 锌组回波牛成技术 标准组网波合成技术 时深转换技术 改进奇异值分解t ：谱反演技术 受嶙 提高参数 求取精度 可蹙t 2 截止值办法 与常规曲线合方注 荩于网波串信息lr 攻雨波串 处理的方法 n 定谚；l 算 基于t 2 谱信息 处理的方法 r - i i ) 、l i r 技术 u 丽 l - - - - - - - - - - - 一 时同域分析技术 ( 1 d a ) 舣1 资料t 2 谁li移谱分折技术 定母汁搏i - i( d i f a n ) 多t e 资聿： t 2 - 蹯 定量i f 算 图i - i 本文技术路线 6 裟一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章核磁共振测井基础 2 1 核磁共振测井物理基础 2 1 1 核磁共振现象产生条件 原子核是由两部分核子组成的，一部分是带电的质子，另外一部分是不带电的中子。 除中子数和质子数都是偶数的核外，原子核都具有自旋特性，如1 h ，2 3 n a ，1 3 c 等。氢 核( 1 h ) 在地层孔隙流体( 包括水和烃) 中的含量很丰富，且磁矩大，核磁信号强，它 的核磁共振响应是当今核磁测井和岩石物理研究的基础【l 】。 一个原子核对外可看作是有一定质量和体积的带电球体。原子核的自旋会产生一个 环行电流，该环形电流绕核一t b 沿旋转方向产生磁矩： = 厂p ( 2 - 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，尸为自旋角动量，为磁矩，7 为磁旋比。不同的原子核7 值是不同 的，1 h 的y = 2 x x 4 2 5 8m h z 厂r 。 在没有外加磁场的条件下，单个核磁矩的取向是随机的，大量同种核的系统在宏 观上不显磁性。施加静磁场b o 时，磁矩将绕该磁场的方向进动，如同重力场中的陀 螺，进动频率为： c o o = y s o ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 称为拉莫尔( l a r m o r ) 方程，b o 为磁场的强度，纨为拉莫尔频率。 结果就是该自旋系统有一个宏观磁化矢量和，并把单位体积的核磁矩定义为宏观磁 化量( m ) ： m = 鸬 ( 2 - 3 ) _ 一。 如果在垂直于静磁场的方向给该自选系统再加一个频率0 3 = c o o 的交变电磁场b l ， 且b 1 场决定的能量正好等于原子核相邻能级的能量差时，核磁矩就会吸收交变电磁场 的能量从低能态跃迁到高能态，这就是核磁共振现象。 b l 磁场频率一般在射频段，称为射频脉冲。自旋系统在b l 施加以前处于平衡状态， 7 第二章核磁共振测井基础 宏观磁化矢量m 与静磁场b o 方向相同。施加射频脉冲作用时，磁化矢量产生偏离。偏 离的角度称为扳倒角秒，且有： 0=7ef。(2-4) ， - 口 式中，b 1 为射频磁场强度，t 。为射频磁场持续时间。这里要提到两个最常用的脉冲： 一个是9 0 。脉冲，它将m 从纵轴( b o ) 方向扳转到与b o 及b l 都垂直的水平面上；另 外一个是1 8 0 。脉冲，它将m 扳转到与纵轴( b o ) 相反的方向。脉冲磁场作用及9 0 。、 1 8 0 。典型脉冲如图2 1 所示。 ( d ) 1 8 0 脉冲 2 y b j t p y y 图2 1脉冲磁场作用及9 0 。、1 8 0 。典型脉冲 2 1 2 核磁共振弛豫特征 所谓弛豫是指磁化矢量m 在停止射频脉冲后，发生自由进动，最终使核自旋系统 恢复到平衡状态，能级从高能级恢复到低能级的过程，如图2 2 所示。 设静磁场b o 的方向为z 方向，则射频脉冲作用后的磁化量m 被分解成两部分：一 部分是z 轴方向上的分量称为纵向分量( m ：) ，另一部分是x y 平面的分量称为横向分 量( m x y ) 。于是，弛豫过程便可以由两个方面来描述。 纵向弛豫时间t l 反映的是纵向弛豫分量m ：往初始宏观磁化强度m o 的恢复过程。 纵向弛豫使磁能级上的粒子数和自旋体系的能量发生变化。t l 的大小跟自旋与周围晶格 能量交换的速度有关。 横向弛豫时间t 2 反映的是横向弛豫分量m w 往数值为零的初始状态的恢复过程。 横向弛豫耦合了自旋之间的能量，使磁化矢量进动的相位分布发生变化，从有规分布变 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 得无规起来，即发生所谓的散相，从而造成横向弛豫分量的衰减。横向分量过程中，自 旋系统的总能量没有变化，自旋与晶格或环境之间不交换能量。 时i 司 图2 - 2 弛豫过程及弛豫规律示意图 从机制上讲，弛豫的主要形式有体弛豫、表面弛豫和扩散弛豫3 种。 ( 1 ) 体弛豫( 自由弛豫) 体弛豫是自由状态下流体的核磁弛豫机制，反映流体本身的弛豫特性，并且与所处 的温度和流体的粘度等有关。一般情况下，储层中的体积弛豫时间较长，对弛豫时间的 贡献通常可以忽略。但当流体存在于较大的孔隙空间( 洞或者裂缝) ，或流体为粘度较 大的润湿相，或孔隙流体顺磁性离子浓度较大时，体弛豫对弛豫时间有较大影响。 ( 2 ) 表面弛豫 表面弛豫是由于岩石孔隙中的流体分子和岩石颗粒表面发生碰撞而造成。润湿相岩 石中的流体分子在孔隙中不停地做布朗运动。分子多次碰撞到颗粒表面，把核自旋能量 传到颗粒表面，造成核自旋重新排列和相移，从而分别对纵向弛豫时间，i ：和横向弛豫时 间l 有贡献。 颗粒表面对，h 的弛豫能力的定量表征为表面弛豫强度p 。在氢核弛豫过程中，并 非所有颗粒表面的都具有相同作用效果。如果岩石中铁等顺磁性矿物含量较高，则它将 具有比普通岩石大的p 值。 孔隙大小对表面弛豫的影响很大，弛豫的速率取决于质子与孔隙表面碰撞的频繁程 度，这就取决于比面( s ) 。大孔隙的比面小，碰撞几率小，弛豫时间相对较长；小孔 隙的比面大，碰撞几率大，弛豫时间较短。 9 第二章核磁共振测井基础 表面弛豫对总的弛豫时间的影响下式表示。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，外仍分别指纵向表面弛豫强度、横向表面弛豫强度。 ( 3 ) 梯度磁场中的扩散弛豫 当静磁场中存在磁场梯度时，分子运动会产生相移，对横向弛豫时间t ，产生大的贡 献，该部分贡献称为扩散弛豫。静磁场b 0 中的磁场梯度主要与仪器中的磁体有关，也要 受到孔隙岩石颗粒物质与孔隙流体间的磁化差异的影响。扩散弛豫对i 没有影响，对 t 2 的影响表示为： = 一d ( y g t e ) z 协7 ， 式中，d 为流体的扩散系数，y 为氢核的旋磁比，g 为观测时的磁场梯度，t e 脉冲 序列的回波间隔。 地层中孔隙流体的横向弛豫是这三种弛豫共同作用的结果，方程为： 寺2 亡+ 亡+ 亡 c 2 剐 己己。kk 第一部分是表面弛豫的贡献，第二部分是在梯度磁场扩散弛豫的贡献，第三部分是 体弛豫的贡献。 纵向弛豫过程不受扩散弛豫的影响，i 相应的方程为： 土：上+ 上 ( 2 9 )。一o o 一 i ， 王i 。i b 这三种弛豫机制在不同条件下所起的作用不同。体弛豫受到孔隙流体类型、粘度等 性质的影响，在油气层中t 2 的分布包含孔隙流体的性质与含量的信息。因此，可以区 别油气水，估算油气饱和度，定量评价油气层。表面弛豫受地层孔隙大小的影响，如小 孔隙的弛豫时间短，大孔隙的弛豫时间较长。当表面弛豫机制为主时，弛豫时间的分布 能够反映孔隙大小的分布。对于扩散弛豫，当外加磁场梯度不很强，回波间隔足够短时， l 的扩散弛豫影响可忽略