第二章核磁共振测井的发展和研究现状.doc

第一章 核磁共振测井对油气资源的评价第一节 核磁测井核磁共振(NMR)这种物理现象是1946年由l斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcel两人各自独立地发现的。不久后，美国的Russell Varian证实了地磁场中的核自由进动。1952年， Varian发明NMR磁力计，用于测量地磁场的强度，其基本组成是一个缠绕线圈的水瓶。当一个直流电流通过该线圈时，沿线圈轴向将产一个磁场，瓶中水的氢核受到轴向磁场的作用，几秒钟后，改变它们原来沿地磁场的取向，而沿线圈的轴线取向。然后，迅速断开电流，用该线圈作接收器，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。1.1基本原理在没有任何外场的情况下，核磁矩(M)是无规律地自由排列的。在有固定的均匀强磁场0影响下，这个自旋系统被极化，即M重新排列取向，沿着磁场方向排列。同时，原子核还存在轨道动量矩，这个场的方向以频率0进动。0与磁场强度0成正比，并称0为拉莫尔旋进频率。在极化后的磁场中，如果在垂直的方向再加一个交变磁场，其频率也将会发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩，通过吸收交变磁场提供的能量，越迁至高能态，此现象称为核磁共振。 造岩元素中各种原子核的核磁共振效应的数值是不同的，它首先决定于原子核的旋磁比，岩石中元素的天然含量以及包含该元素的物质赋存状态。 核磁测井以外加磁场与氢核的相互作用为基础，可直接测量孔隙流体的特征，不受岩石骨架矿物的影响，能提供丰富的信息，如地层的有效孔隙度、束缚水孔隙度、自由流体孔隙度、孔径分布及渗透率等参数。 氢核在地磁场中具有最大的旋磁比和最高的共振频率，根据含氢物质的旋磁比、天然含量和赋存状态，氢是在钻井条件下最容易研究的元素。因此，包含某种流（水、油或天然气）中的氢原子核是核磁测井的研究对象。 对于静磁场，热平衡时，处于地磁场的氢核自旋系统的磁化矢量与静磁场方向相同，加极化磁场后，磁化矢量偏离静磁场方向，经核磁共振达到高能级的非平衡状态，断掉交变极化磁场后，磁化矢量又将通过自由进动朝着静磁场方向恢复，使自旋系统从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态，这个恢复过程称为弛豫时间。 实际测井时，以地磁场当成静磁场，通过下井仪首先把一个很强的极化磁场加到地层中，等氢核完全极化后，再撤去极化场，则氢核磁化矢量便绕地磁场自由进动，在接收线圈中就可测到一个感应电动势。由于束缚水和可动流体的弛豫时间不同，所以束缚水、可动流体在接收线圈中产生的感应电动势的强弱和持续时间也不一样。测井前事先刻度出束缚水和可动流体的弛豫时间，这样束缚水、可动流体的信息就可直接在测井曲线上反映出来，即可直接计算出自由水、束缚水饱和度。1.2测井方法51.2,1自由进动法自由进动法（free precession method）是核磁测试中研究岩石弛豫特性的一种方法。为了得到自由进动信号，首先使介质处于稳定磁场Hn中，并达到平衡状态，即介质的磁化强度M与H。方向一致。此时可以采用不同方法使M相对于H。旋转90，例如在垂直H。方向加一个强度大大超过Ho的极化场Hp，将得到相对于Ho的磁化强度横向分量M。当Hp快速去掉后，系统处于不平衡状态，将观察到M围绕Ho的自由进动信号，其幅度按M(t)=M。exp(一t/T2)随时间而减小。T2即为横向弛豫时间。自由进动信号衰减曲线经处理后，可以得到自由进动信号的处事幅值。该值反应岩石孔隙中自由流体的数量，称为自由流体指数（FFI）。分析自由进动信号振幅随时间衰减变化，可以得到横向弛豫时间T2。1.2.2自旋回波法自旋回波法（spin-echo method）是在静磁场不均匀情况不可以测定横向弛豫时间的一种方法。它在静磁场的垂随方向加上90-180电磁脉冲序列。90脉冲使磁化强度处翻转在y轴上，成为磁化强度横向分量。在非均匀磁场影响下，很快散相，然后在时间为r时，在x轴上施加一个180脉冲，把磁化强度矢量倒转180，到其镜像位置，结果是沿着与散相过程相反的方向使磁化矢量得以重聚，在180。脉冲后的r时刻,，可以测到一个自旋回波。回波幅度与加上l80。脉冲的时刻r有关。改变r，并多次重复90-180脉冲序列，便可以得到一串按横向弛豫时间衰减的回波信号。1.3测井结果的解释和应用现代核磁测井的基本原始数据，多数采用CPMG多脉冲序列自旋回波技术来获得回波串。进行核磁测井数据解释时，首先是根据回波串幅度的变化反演横向弛豫时间T2谱。根据T2谱的分析，可以获得孔隙度、束缚水饱和度及渗透率估计值。根据这些数据我们可以：1.划分储集层确定 2.储层的有效孔隙度 3.确定渗透率、颗粒大小 4.确定残余油饱和度 5.在沥青化的储集层中划分含可动油的夹层 6.估计含油地层的自由水含量，确定储集层的产能 7.评价低电阻率油层。第二节 核磁测井评价油气测井油气资源评价通过对地层油气资源特征的合理模型化和分解，试图利用测井所获得的地层信息，以及这些信息与地层特征模型的复杂的响应关系，把离散化了的地层油气资源特征模型描述或表征出来。实际上，这种描述与表征，就是通常所说的测井解释，是在三个不同层面上交织进行的。第一层面:产液性质评价,包括孔隙流体成分(油、气、水)的确定，可动流体(油、气、水)饱和度、不可动流体(束缚水、残余油)饱和度等的估算；第二层面:产层性质评价，包括孔隙度、粒径分布、渗透率、孔径分布、分选性、裂缝分布和润湿性等的分析；第三层面:油藏性质评价，包括沉积环境、构造特征、产层连通性、产能、储量、采收率、增产措施与效果、投入/产出比等的评价。2.1常规测井6常规测井最典型的当属孔隙度测井系列和电阻率测井系列,分别用来进行产层孔隙度的估算和孔隙流体成分及其饱和度的评价。在理想条件下，常规测井还是非常有效的，但偏离理想条件，其有效性就会受到动摇，这是由于常规测井方法自身的响应特征所决定的。一方面，常规测井响应的影响因素都非常繁杂，一般情况都包括许多与地层油气资源特征无关的因素，如岩石矿物骨架成分常常对油气评价带来严重的干扰，不仅增加了选择地层矿物模型的复杂程度和难度，矿物参数的精确性也直接影响评价结果的精度；另一方面，常规测井响应方程所对应的地层模型又往往过于简单,满足不了油气资源评价的要求，许多与油气特征直接有关的因素因为不能被测井响应所分辨而无法考虑进去。例如，在孔隙度测井系列我们通常假设的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等参数，因为无论密度、中子，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。再如，电阻率测井解释常用的双水模型及Waxman-Smiths模型，只能把孔隙流体区分成自由水、泥质束缚水、烃三种类型，而对于引起油层低阻重要原因的毛管束缚水却无能为力，因为它们与自由水具有相同的电特性，由此导致大量低阻油层被常规测井所漏判。所以，地层模型不完备，提供的油气特性参数不充分，响应方程复杂，与油气特征无关的模型参数多，以及由此引起的多解性、低精度和无用劳动等，使常规测井技术在油气资源评价中受到局限。2.2核磁测井7现代核磁共振测井(MRIL与CMR)采集到的基本数据是回波串，基本处理方法是通过多指数拟合得到横向驰豫时间T2分布。第一，它对于所观测的原子核具有选择性。核磁测井以外加磁场氢核与的相互作用为基础,只对氢核产生的共振信号进行观测,其他类型的原子核对观测信号没有影响。第二，它对原子核所处的外部环境具有选择性。由于固体与流体中氢核的磁共振驰豫性质存在明显区别，核磁测井信号直接来自于地层孔隙中的流体，提供的观测数据信号几乎不受岩石矿物骨架成分的影响，使得资料的解释与应用不再受到地层矿物模型的影响。第三，它对地层距井眼的径向距离具有一定的选择性。核磁共振成像测井的磁体在地层中建立一个梯度磁场，使径向距离与氢原子核的共振频率一一对应，通过改变发射脉冲的频率，并且还可以在一定范围内选择径向探测深度，从而避免井眼泥浆及泥饼等不利部位对测井信号的影响。由于上述三个方面的选择性，使得核磁共振成像测井的响应变得很简单,它只来自于距井眼一定距离的孔隙流体的氢核。最后，这样观测到的回波串，是孔隙流体氢核核磁共振纵向弛豫时间、横向驰豫时间、分子自扩散运动及流动等特性的综合反映，它以一种可预知的方式,包含了孔隙类型、孔径大小、孔间连通性、流体类型、流体化学成分、流体流动特性、赋存状态(流动、束缚)等十分丰富的信息。通过对回波串的处理，可以很方便地得到有效孔隙度、自由流体孔隙度、束缚水孔隙度、孔径分布以及渗透率等定量参数；通过对脉冲序列中采集控制参数的改变，利用纵向驰豫时间T1加权和扩散系数D加权的方式，可以对流体类型进行识别和定量计算。对于勘探阶段，核磁测井为储层的产液性质、产层性质及可采储量等油气资源评价基本问题的