P型核磁共振测井原理及应用.doc

0 P 型核磁共振测井推广应用型核磁共振测井推广应用 目 录 前前 言言 1 一 基本测井原理及仪器介绍一 基本测井原理及仪器介绍 1 1 核磁的测井原理及仪器介绍 1 2 质量控制 4 二 二 P 型核磁的处理解释方法型核磁的处理解释方法 6 1 处理流程 6 2 时域分析 TDA 7 3 扩散分析 DIFAN 9 三 对三 对 P 型核磁测井处理系统的改进型核磁测井处理系统的改进 11 1 BUILDER 开发工具包 11 2 解释系统的二次开发及应用 12 四 实际应用四 实际应用 14 1 前前 言言 1945 年斯坦福大学的 Bloch 教授和哈佛大学的 Purcell 教授领导的两个小组相继发现了核磁共 振现象 从此开创了一门新的学科 核磁共振波谱学 经过了近 年的探索和发展 核磁共 振已广泛应用于化学 石油 地学 食品和医学等领域 年 公司利用 概念 利用梯度磁场和自旋回波方 法 设计开发了全新的磁共振成像测井 并于 年 月正式投入油田商业服务 斯仑贝谢公司于 年把以贴井壁磁体为核心的核工业磁测井 推向商业服务 哈里伯顿公司收购 公司以后 逐步推出了一系列核磁共振测井仪器 如 挂接在 EXCELL2000 下的 P 型核磁共振仪 MRIL Prime 地层测试器 RDT 发展出称为核磁实验室的模 块 MRI LAB 以及随钻核磁共振测井仪 MRIL WD Tool 核磁共振测井可以提供十分丰富的地层信息 能够定量确定有效孔隙度 自由流体孔隙度 束缚水孔隙度 孔径分布以及渗透率等参数 核磁测井的应用范围在不断扩大 在油田注水开发 过程中 可用于确定油层水淹程度 驱替效率 剩余油饱和度 产层性质 可采储量及采收率等 在复杂岩性碳酸盐岩 火成岩储层 在低孔低渗低电阻储层中 寻找气层 区分油 气界面 在 裂缝性油藏的综合评价 提供强有力的信息 一 基本测井原理一 基本测井原理及仪器介绍及仪器介绍 1 核磁的测井原理及仪器介绍 核磁的测井原理及仪器介绍 2000 年我公司引进了哈里伯顿的 MRIL Prime 核磁测井仪器 与阿特拉斯公司的 C 型核磁共振 仪器同属于 NUMAR 公司的产品 采用与 C 型仪器相同的测井原理 都属于居中测量 采用的也 是 CPMG 脉冲序列 测量方式上也采用标准 T2 差谱 移谱测井 因为可以用 0 6ms 回波间隔进 行测井 能测量地层粘土孔隙 所以可以得到地层的总孔隙度 MRIL Prime 型仪器与 MRIL C 型结构是一样 仪器探头由三个基本部分组成 一个永久磁铁 一个射频脉冲 RF 发射器及一个射频接收器 但 MRIL Prime 仪器的永久磁铁较 C 型加长 增 强了极化能力 与 C 型仪器相比具有更多的优势 P 型核磁共振测井仪采用 9 个观测频率 它在地层中形成 9 个厚度为 1mm 间隔 1mm 高度 24in 2 的探测圆环 使得仪器对地层的探测体积增大 得到的地下信息更准确 更丰富 9 个频率分为 5 个频带 0 1 2 3 4 中心频率分别为 590 620 650 680 760Khz 最后一个频带 760Khz 只用来进行粘土束缚体积测量 频率的增加 意味着在相同的时间内 它比单频或双 频仪器采集更多的信息 换个方式说 如果要采集相同的信息 所用时间要少 3 到 4 倍 这是因 为其中一个频率在等待的时候 其它几个频带可以进行数据的采集 大大提高了测井的速度 见 图 6 P 型核磁共振测井分为单 TW 单 TE 双 TW 单 TE 单 TW 双 TE 双 TW 双 TE 四种采集次 序 每张图都显示了一个完整的采集周期 分别如图 1 4 所示 图 2 双 TW 单 TE 采集次序 3 单 TW 单 TE A A A A PR A A A A PR 双 TW 单 TE A A B B PR A A B B PR A 长等待时间 B 短等待时间 单 TW 双 TE A A PR A A PR A A PR A A PR 双 TW 双 TE A A B B PR D D E E PR A A B B PR D D E E PR 其中 A 与 D 为相同 的长等待时间 B 与 E 有相同的短等待时间 但回波间隔不同 B 为短回波间隔 E 为长回 波间隔 所以可以将之分解为两个双 TW 单 TE 和一个单 TW 双 TE 如图 5 图 1 单 TW 单 TE 采集次序 图 3 单 TW 双 TE 采集次序图 4 双 TW 双 TE 采集次序 4 ABC 双 TW 短 TE PR DEC 双 TW 长 TE PR ADC 双 TE PR 由于可以进行多个频率采集 P 型核磁共振测井设计了很多观测模式 在测井施工以前 根据 地区和油气藏特征 通过测前设计 选用所需要的观测模式 其中 TW 单 TE 模式分为 6 种 双 TW 单 TE 共有 14 种 单 TW 双 TE 模式有 24 种 双 TW 双 TE 模式有 8 种 模式的划分是根据 等待时间和回波间隔的不同 短等待时间最小为 1 0s 长等待时间最长为 15s 回波间隔最小为 0 9ms 最长为 6 0ms 每种模式都有回波间隔为 0 6ms 的 10 个回波 对粘土束缚水进行测量 根据 C 型核磁共振测井应用的经验及习惯 推荐选用以下模式 单 TW 单 TE 模式 D9TP12 TW 12s TE 0 9ms ECHO 500 双 TW 单 TE 模式 D9TW 长 TW 12 98s 短 TW 1 0s TE 0 9ms ECHO 500 单 TW 双 TE 模式 D9TE310 短 TE 0 9ms 长 TE 3 6ms TW 10s ECHO 500 125 D9TE412 短 TE 0 9ms 长 TE 4 5ms TW 10s ECHO 500 100 双 TW 双 TE 模式 D9TWE3 TE 0 9 3 6ms TW 12 98 1 0s ECHO 500 125 D9TWE4 TE 0 9 4 5ms TW 12 98 1 0s ECHO 500 100 MRIL Prime 仪器的主要技术参数 仪器探头外径 47 8 和 6 仪器探测范围 6 8 5 47 8 探头 图 5 双 TW 双 TE4 ABC DEC ADC 图 6 MRIL Prime 仪器示意图 5 7 16 6 探头 泥浆电阻率 大于 0 02 m 最大工作温度 350F 约等于 176 摄氏度 磁共振频率 500KHZ 800KHZ 2 质量控制 质量控制 图 7 P 型核磁共振测井控制面板 A 组 如图 7 所示 P 型核磁采用了较为完善的质量监控手段 可以分为以下几个方面 增益 增益是仪器对周围环境的感应 Gain 值应比较稳定 A B C D E 五组增益值应比 较相近 增益值一般受泥浆电阻率和井眼温度影响比较大 一般随泥浆电阻率的减小和温度的增 高而减小 如果增益值减小到 100 以下 仪器将无法工作 B1 和 B1mod B1 是 CPMG 脉冲的强度 它使 90 度的质子产生 180 度偏转 这个值是已被刻度好 的 这个值必须做温度校正 下井后操作员调整 B1A B1B 使 B1modA B1modB 等于 B1 误差应在 5 以内 CHI 值 多指数拟合程度 这个值应小于 2 如果信噪比低 CHI 值可以达到 3 噪声指示 Offset Noise Ringing IENoise Noise IENoise 应小于 10 Offset Ringing 应大于 30 而小于 30 6 探针电压 相位校正信息 PHER 虚部均值 应等于零 PHNO 回波串虚部标准偏差 约等于 1 PHCO 相位角 在测量井段内应比较稳定 图 8 P 型核磁共振测井质量控制 图 8 包括了不同组和不同频率的 GAIN B1 B1MOG 探针电压 回波串相位特性 噪声指示 Chi 以及测量得到的有效孔隙度和束缚孔隙度 如果任何一个质量控制指示值超出它所允许的范围 它所对应的颜色就会变暗 7 二 二 P 型核磁的处理解释方法型核磁的处理解释方法 1 处理流程 处理流程 图 9 MRIL P 核磁共振测井资料处理流程 P 型核磁处理流程如上图所示 下面对处理项目进行简单的介绍 Split MCLS 将双 TW 双 TE Max2TwTe 测井文件分解 一般拆成三个文件 分别为 2 个回波 间隔不同的 DTW 和 1 个 DTE 文件 RESEQ 将前面拆开的文件分别重写代码 EchoStrip 运用标准模块处理所有回波 经过叠加平均和相位校正把回波转为孔隙度 BIN 如果资料信噪比低 可以增加回波串的叠加个数 8 的倍数 但这就要牺牲纵向分辨率 叠加次 数越多 纵向分辨率就越差 在时间域做 T2 拼接 PR 组为 0 5 1 2 4ms 其它组为 8 到 2048ms 得到总孔隙度 这个孔隙度没有进行余弦滤波 T2T1 Event 估算自由流体的 T1 以及最多两相流体的 T2 TDA comp 这个模块的基本思想是认为差谱后的信号都是油气的信号 从而得出油 气 水三 相流体的孔隙度 双 TW 双 TE Max2TwTe Split MCLS RESEQ 然后 按不同测量方式进行处理 标准标准 T2T2 EchoStrip ProcessT2 d T2 Toolkit Pre MRIAN Swb MRIAN MRIAN DTWDTW EchoStrip T2T1 Eve nt TDA comp ProcessT2d T2 Toolkit Pre MRIAN Swb MRIAN TDA MRIAN DTEDTE EchoStrip ProcessT 2d T2 Toolkit Pre MRIA N Swb MRIAN T2 DIFSEL DIFAN DIFAN MRIAN 可不做 TDA 和 DIFAN 分析 8 ProcessT2d 时间域转换为深度域 以下的步骤全部在深度域进行 T2 Toolkit 为后续处理做各种相关的计算 包括孔隙度 BIN 的滤波 粘土束缚水 渗透 率 总孔隙度的计算以及解谱 完成 T2 Toolkit 以后 对资料进行综合分析 需要输入常规资料 电阻率 中子 密度曲线 是必须的 综合分析模块总称为 MRIAN 分为三个步骤 Pre MRIAN Swb MRIAN MRIAN Pre MRIAN 完善总孔隙度 计算核磁共振的束缚水含量 SWBMRI 为交会图准备数据 Swb MRIAN 更准确的计算束缚水含量 MRIAN 计算输出最终处理解释结果 T2 DIFSEL 通过 TE 分布范围 计算长短回波间隔的几何平均值 为 DIFAN 输出参数 DIFAN 扩散分析 也可称为稠油分析 P 型核磁数据可以单独处理分析或与常规数据结合分析 当单独从核磁数据解释 它可以提供 侵入带孔隙 渗透率 流体类型和流体饱和度 P 型核磁提供了两种单独分析数据的计算模块 在 时间域里运行的时域分析 TDA 模块和在深度域里运行的扩散分析 DIFAN 模块 2 时域分析时域分析 TDA 时域分析使用的是由双 TW 采集的数据 进行油气识别 包括两个步骤 T2T1 Event TDA comp 它能有效的从测量数据中搜索出自由流体的 T1 以及最多两相流体的 T2 来得到油 气 水的孔隙体积 它的基础是不同的流体有不同的极化速率 或不同的 T1 弛豫时间 气和轻质油的 T1 粘度小于 5cp 通常比水的 T1 长 时域分析可以提供以下成果 1 冲洗带的流体类型 2 含气储层校正的 MRIL 孔隙度 如果不进行校正 由于气比较长的 T1 和低氢指数 使测 得的孔隙度偏小 3 对轻质油校正的 MRIL 孔隙度 4 完成冲洗带的流体饱和度分析 TDA 是从 DSM Differential Spectrum Method 发展起来的 差谱主要是定性检测气层的存在 基本原理如图 11 所示 TDA 分析是在时间域把长等待回波串与短等待回波串相减 形成差谱 必 须大于 1 5cp 而不是在 T2 域相减 因此它比 DSM 有两个关键优势 在时间域计算的两个回波串的差更可靠 这个差谱再转换成 T2 分布 TDA 对未完全极化和氢指示影响能进行较好的校正 9 图 10 是 TDA 分析的 T1 搜索基本原理 T1FBIN T1LBIN T1 搜索的起始 结束 BIN TWLU TWSU 在给定的搜索范围内 长短等待时间 的孔隙度 由核磁共振孔隙度公式我们知道 TWLU HI 1 e TW T1 所以可以用下面公式计算出自由流体的 T1 TWLU TWSU HI 1 e TWL T1 HI 1 e TWS T1 T2 搜索 TDA 分析认为差谱后的信号都是油气的信号 在时间域把长等待回波串与短等待回波串相减 形成差谱 EDIF 见图 12 如果认为差谱由两相流体组成 油 气 采用的是双指数拟合 EDIF x e t T2x y e t T2y 如果认为只有一相流体 油或气 则采用单指数拟合 EDIF x1 e t T2x1 通过给出的流体相数目 起止回波 迭代限制等参数搜索得到两相流体的 T2x 和 T2y 或单相流 体的 T2x1 图 11 DSM 差谱示意图 图 12 TDA 差谱示意图 以两相流体为例 前面得到的 T2x 和 T2y 分别设定为 T2gas T2oil T1 设为 T1oil 从而拟 合得到油 气的孔隙度 经过含氢指数和 T1 校正 最后得到 TDA 分析的油 气 水孔隙体积 这 图 10 T1 搜索示意图 10 些孔隙体积反映的应该是冲洗带的流体 如果已知施工地区油的粘度 温度 可以计算一个理论 的 T2 与搜索得到的 T2 进行对比 如果两者吻合 就可以认定为油 图 13 是 TDA 分析的成果图 第 6 道是 TDA 处理的流体孔隙度结构 第 7 道是核磁共振结合常规资料处理得到的流体孔隙结构 3 扩散分析扩散分析 DIFAN 扩散分析采用移谱测井数据 用于中等粘度的油品的识别与计算 不同流体的扩散性质不 同 是由于梯度磁场的不均匀性 导致 T2 随回波间隔 TE 改变 其关系可以用方程表示 12 21 2 1 2 int GrTECDT T a G 磁场强度 r 氢核的旋磁比 Da 分子的视扩散系数 TE 回波间隔 T2int 当磁场强度为 0 时固有的弛豫时间 C 经验常数 对核磁为 1 08 方程中除了回波间隔 TE 所有的都是常量 移谱方法 SSM 是利用不同的回波间隔 不同的流体在 T2 上的变化不同的一种定性识别流 体的方法 DIFAN 是定量分析流体扩散性质的一个经验模式 它可以搜索出流体的长 短回波间隔 的 T2 值 T2l T2s 它主要解决 T1 差别不太明显 不易使用 TDA 或扩散性差别很小 不易使用 双 TE SSM 的情况 它通过搜索得到不同流体在长短回波间隔的 T2 分布上位置的不同 定量计 算孔隙中含水体积和含油体积 对于低粘度的碳氢化合物如轻质油和凝析油 不适用 DIFAN 因为 油水的扩散系数相差很小 对于粘度大于 100cp 的高粘度的油 重油 也不适用 DIFAN 因为残 余油的 T2int 值和不可动水的 T2int 值相差很小 图 14 是扩散分析处理结果 第 6 道是经过 DIFAN 处理得到的不同流体的孔隙体积 第 7 道是核磁共振结合常规资料处理得到的流体孔隙结构 11 图 13 TDA MRIAN 处理成果图 12 图 14 DIFAN MRIAN 处理成果图 三 对三 对 P 型核磁测井处理系统的改进型核磁测井处理系统的改进 国内多家测井公司在引进哈里伯顿公司的 MRIL P 型核磁采集系统的同时 都相应地引进了其 解释系统 DPP 其核磁测井资料的谱差分测井和谱位移定量计算为我们提供了较准确的冲洗带饱 和度参数 通常 在不同的地区 采用与地质情况相符合的含油饱和度模型才能获得准确的结果 但是 DPP 软件在含水饱和度模型中 仅提供双水模型 且其粘土水的附加导电性是一温度的函 数 事实上 由于同期地层在不同地区埋深不同 温度不同 或沉积环境的差异均会导致粘土水 的电导率变化 而且 在成果图上无法标注符合国内解释标准的解释结论 因此 它不能满足生 产中的需要 鉴于这种情况 利用其中的开发工具包 BUILDER 进行二次开发 完善了双水饱和度 模型 并填加了适合于不同地区的饱和度模型 增加了标注符合国内解释标准的各种结论等 解 决了引进软件在后处理上不适应国内生产需要 1 BUILDER 开发工具包开发工具包 哈里伯顿公司的石油物理解释平台为用户提供了功能较强大的用户开发工具包 它为用户提 供了两种开发语言 Fortran 和 C 并为用户建立模型提供了良好的输入 输出接口 它要求用户 指定输入 输出曲线 参数 通过用户程序的计算输出各种处理结果 并为用户提供一标准的 DPP 运行界面 完全能满足在实际生产中二次开发的需要 其主要的开发流程如图 15 所示 其中的解释模型参数申明文件 mds 为指定测井解释程序 的输入曲线 输出曲线和各种参数 以及申明在解释程序中需要的各种变量 而模型使用的语言 文件 mdl 文件 可以采用 C 语言 也可以采用 FORTRAN 语言进行编写 编译连接就可以得到用户 需要的各种解释程序 mds 文件的包含较多的对资料处理方法和处理参数进行予定义模式 但应用较多的包含以下部 分 1 测井数据输入输出 表示为 LOGS 曲线名 指定输入输出标记 曲线单位 指定曲线数据类型 曲线描述 指示特殊处理标记 其中在特殊处理的标记中可以指定处理矢量数据的大小 SZ 和处理数据的采样率 STEP 2 解释模型参数输入 表示为 13 CNST 参数名 缺省值 输入或输出 最小值 最大值 单位 参数描述 参数组序号 特殊处理标记 其中的特殊处理标记为是否定义最大和最小值 或采用处理的数据文件中对应的最大 最小 值 3 参数组序号 GRPN 组名 序号 它的重要作用是在运行解释系统时根据不同的组序号需要选择不同的解释参数 4 运行程序时需要的变量申明 DARR 变量名 数据类型 变量维数大小 描述 内部名标记 在指明各种输入 输出以及参数后 需要写一个数据处理模块 其处理模块mdl文件为一标准 的FORTRAN或C语言的处理程序 利用开发工具包中的BUILDER创建的FORTRAN解释程序结构如下 IF MDLINT THEN 处理初始 READ TOPWL F12 4 WELLTP 读入数据文件顶深 READ BOTWL F12 4 WELLBT 读入数据文件底深 加入用户代码 END IF IF ZONINT THEN 是否是需要处理的深度段 PASS 0 在多步处理中使用 加入用户代码 ENDIF 由 mdl 编写的解释模型代码 IF LSTZON THEN 本段程序为判断深度段处理是否完成代码 MYPASS MYPASS 1 PASS MYPASS XINDEP XZNSTR SETCUR TRUE NEWPAS TRUE 只对多步处理有效 XOTDEP ABSENT ENDIF IF LSTMDL THEN 本段为判断是否为最后的模型处理 加入代码 ENDIF 1000 CONTINUE END 在解释程序的编写中 必须要注意的是 由于 DPP 系统中可 以在 MDS 文件中选择处理顺序可以从井底 井口 也可以从井口 井底 因此 在处理程序中要采用深度控制的处理程序一定要 注意这一点 否则在一些情况下将得不到正确的结果 图 15 BUILDER 开发示意图 14 2 解释系统的二次开发及应用 解释系统的二次开发及应用 利用开发工具包 在 DPP 系统中 改进了 DPP 系统中的 MRAIN 的双水饱和度模型和增加了 Ariche Waxman Smith Patchett Herrick 饱和度解释模型 下面主要对改进的双水模型的进行 介绍 在哈里伯顿核磁综合解释模块 MRAIN 中 采用的双水模型计算饱和度方法如下 1 CC S S C S C wcwwt wb w w wttt 其中 Ct 电导率 a 曲折度系数 t 总孔隙度 Swt 总含水饱和度 Ccw 粘土水电导率 Cw 地层水电导率 Swb 粘土水饱和度 W 是系数 其中的系数 W 是Coates 和 Howard 在 1992 提出的与有效束缚水饱和度有关的系数 表 示为 W 0 4 Swire 1 65 其中 Swire 2 MPHI MBVI Swire 而粘土水的电导率采用的是一与温度有关的函数 函数为 7 16T 4 504T 000216 0 Ccw 其中 T 为温度 单位为华氏度 可以看出 在粘土水的计算中 粘土水的导电能量只与温度有关 事实上 相同温度下的地 层 由于沉积条件和粘土矿物的不同 它们的粘土水的电阻率有较大的差异 它并不只与地层的 温度有关 通常情况下 利用 P 型核磁测井的总孔隙度测井模式可以得到地层的粘土束缚水 而对于区 域内压实好的无毛管束缚水的泥