核磁共振技术摘要.ppt

原子核的磁性 NMR技术的基础是利用原子核自身的磁性及其与外加磁场的相互作用原子核 质子 中子 核子原子序数 质子数所有含奇数个核子或含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核 具有自旋磁矩即具有磁性 如11H 21H 31H 136C 178O 199F 2312Na等 这样的核 不停旋转 象一根磁棒 11H具有最大的自旋角动量和测量灵敏性 是测量对象 没有外场时 单个核自旋或核磁矩随机取向 系统宏观上没有磁性 单自旋核在外磁场中的表现 核磁矩在外磁场 由永久磁铁产生 中 受到力矩的作用 象倾倒的陀螺绕重力场进动一样 绕外场方向进动 对氢核 4258Hz Gauss 在500Gauss的外加磁场中 共振频率f 2 13MHz不同的核具有不同的 值 在同一磁场中具有不同的进动频率 因此能够将不同的磁性核区分开 在外磁场中 整个自旋系统被磁化 所有核磁矩沿静磁场方向取向 在宏观上将产生一个磁矩和 称为宏观磁化矢量M 方向与Bo平行 自旋系统在外磁场中的表现 宏观磁化矢量 没有外磁场时 施加外磁场时 大量核磁矩由无序变有序排列 宏观磁化矢量 宏观磁化矢量M是测量区域内的磁性氢核磁矩被静磁场Bo磁化所形成的 其方向与静磁场Bo一致 M绕Bo以Larmor频率进动 核磁共振测井的目的是 用相同频率的射频脉冲场激发它 使之产生共振信号并用线圈加以接收 以获得有关的地层信息 NMR弛豫 B1射频脉冲施加前 自旋系统处于平衡状态 M与Bo方向相同 射频脉冲施加期间 M与Bo垂直 产生磁共振 核自旋系统吸收外界能量 由低能态跃升至高能态 射频脉冲施加后 M朝Bo方向恢复 核自旋系统由非平衡时的高能态恢复到平衡时的低能态 核自旋系统由非平衡时的高能态恢复到平衡态的过程 称为弛豫 弛豫的快慢或速率用1 T1或1 T2表示 y z M Bo 射频脉冲场B1频率 共振频率 T1和T2弛豫时间 纵向弛豫 过程中自旋系统内部能量发生变化 自旋与晶格或环境间进行能量交换 把共振时吸收的能量释放出来 又称自旋 晶格弛豫 横向弛豫 过程中自旋系统内部发生能量偶合 总能量不变 磁化矢量进动由有规律变为无规律 又称自旋 自旋弛豫 磁共振弛豫过程 纵向弛豫 T1 和横向弛豫 T2 T1弛豫 T2弛豫 T2弛豫时间测量 CPMG脉冲法 脉冲序列 90o X 180o Y echo 180o Y echo RF TE 回波串时间间隔 CPMG脉冲序列 NMR测量原理 MRIL C磁共振成像仪结构 井筒 MRIL探头 敏感区柱壳厚1mm 彼此相隔1mm 16 24 五 测量结果及提供的地质参数 1 原始数据2 原始数据的反演3 T2分布的意义4 影响T2的因素 孔隙半径 流体粘度 测井原始数据 自旋 回波串 NMR回波串的反演处理方法 对现场采集的回波串信号采用多指数拟合 式中 Ai是与第i个T2时间相对应的组分信号幅度 已刻度成孔隙度单位 T2i的选取可任意 但一般有规律地选取 按T2i 2i 1的形式取值 即T2i 4ms 8ms 16ms 32ms 64ms 通过反演 求出各个Ai的值 以T2i为横坐标 以Ai为纵坐标 将各个T2i下的Ai连成折线 即得到所谓的T2分布谱 NMR测井提供的地质参数 通过对自旋 回波串反演 得到下列参数 横向弛豫时间T2分布地层有效孔隙度自由流体体积束缚流体体积连续的渗透率剖面 CMR SDR模型 K C CMR 4 T2 MEAN LOG 2MRIL Coates模型 K MPHI C 4 MBVM BVI 2 典型T2分布 T2分布的意义 一般呈双峰分布 短T2对应的峰是由毛细管微孔隙中的束缚流体 不可动流体 形成的 长T2对应的峰是由渗流大孔隙中的自由流体 可动流体 形成的 区分自由流体和束缚流体的界限称之为T2截止值 砂岩T2截止值为33ms 灰岩为92ms T2分布与压汞资料对比 可得到与之相对应的孔隙大小 孔径 分布 当孔隙中只有单相流体存在时 T2分布的形态反映岩石的孔隙大小 孔径 分布 从而能反映储集层的岩石物理特性 当孔隙中有多相流体存在时 T2分布的形态不仅反映岩石的孔隙大小 孔径 分布 而且反映流体的类型和特性 当油 气 水的弛豫性质差别较大时 根据T2分布的形态和展布情况 可定性地识别油 气 水的存在 岩样饱含水岩样被离心甩干 岩样饱含水岩样被离心甩干 岩样饱含水岩样被离心甩干 岩样饱含水岩样被离心甩干 影响 2的主要因素 Wettability PoreSize Geometry PoreMineralogy PoreFluidDiffusivity Magnetics PoreFluidViscosity 三种弛豫机制 1 岩石颗粒表面弛豫流体分子在孔隙内不停地运动和扩散 在每一个测量周期内 与岩石颗粒表面发生碰撞 氢核把能力传给颗粒表面 对T1有贡献 影响散相过程的恢复 对T2有贡献 大多数岩石颗粒表面对T1和T2具有重要影响 孔隙大小 S V 和表面弛豫能力 1 2 在表面弛豫过程中起重要作用 岩石颗粒表面弛豫 孔径大小与T2弛豫时间关系 充水的孔隙 小孔径 衰减快大孔径 衰减慢T2 1 S V 幅度 时间 T2分布形态与K的关系 2 体积流体弛豫即使不存在于岩石孔隙内 在体积流体内也会发生弛豫 影响体积弛豫的因素有 流体粘度 温度 是否含气 三种弛豫机制 T2与流体粘度的关系 3 梯度场中分子扩散引起的弛豫使CPMG回波间隔最小 并使磁场梯度较小 可把扩散对T2的影响减小 三种弛豫机制 总弛豫过程对T2 对T1 三种弛豫机制 六 测井解释模型 1 NMR孔隙度解释模型2 NMR资料处理方法3 综合流体评价和饱和度计算模型 NMR孔隙度解释模型 MPHI MRIL测井资料处理方法 第一步 NMR测井分析MRILPOST此程序将现场采集的回波串进行反演得到T2分布 然后求出核磁共振孔隙度MPHI 束缚流体孔隙度MBVI 可动流体孔隙度MBVM及核磁共振渗透率MPERM 第二步 综合流体分析MRAX2该程序是在第一步处理的基础上 结合常规方法测得的资料 Rt DEN CNL等 做进一步的油水定量分析 NMR参数计算 MRILPOST 孔隙度即现场测量的T2回波衰减信号t 0时的幅度 束缚流体孔隙度可动流体孔隙度计算渗透率C为岩心刻度系数 一般采用岩心刻度给出 在没有岩心的情况下 取缺省值C 10 回波串处理 综合流体分析MRAX2 计算束缚水饱和度Swb T MRIL T双水模型计算阳离子交换量QvQv Swb VQVQ 0 3 320 T ok 25 SAL 40 0 5用Waxman Smits模型计算SWT 七 NMR的三种测量方式 标准T2测井提供储层岩石物理学参数TR测井方式 差谱分析直接找油和气TE或T2D测井方式 移谱分析直接找轻质油和气 区分重油和水 T2弛豫时间测量原理 周期 s 2 TW NE TE TE 回波串时间间隔Tw 等待时间 TR方式 直接确定烃类型 根据油 气 水具有不同的弛豫响应特征 采用不同的等待时间TW 两个脉冲序列之间的时间 进行测量 可反映出流体性质在核磁共振响应上的差异 以便加以识别和区分 短等待时间Tws 水信号可完全恢复 烃不能完全恢复 长等待时间TWL 水信号可完全恢复 烃也能完全恢复 将两种TW测得的T2谱相减 差谱 可基本消除水的信号 突出烃信号 从而达到识别油 气 水层的目的 油 气 水的弛豫时间 墨西哥湾储层油 气 水的弛豫时间 测量条件 储层温度93 33 压力31MPa原油粘度0 2mPa s 盐水矿化度120000mg L磁场梯度17Gauss cm 油 气 水的弛豫时间 胜利油田储层油 气 水的弛豫时间 测量条件 原油粘度10mPa s 温度20 水矿化度3000mg L TW的选取原则 TWL T1 gas3T1 water TWS T1 gas典型选取 TWS 1 5s TWL 6 0s 差谱分析原理示意图 气 油 TE测井方式 直接找油气 油气水具有不同的扩散系数 在梯度磁场中对T2时间及其分布有不同程度的影响 增加回波间隔TE 将导致T2减小 T2分布将向减小的方向移动 气有最大的扩散系数D T2减小最厉害 轻质油有较大的D T2减小明显 水的D比气和轻质油都小 T2减小程度小 重油有最小的扩散系数 T2减小最小 若采用长 短两种TE测井 对比其T2分布减小的程度 即进行所谓的移谱分析 将能够区分油气水 移谱分析找气原理示意图 TE 回波串时间间隔 移谱分析区分重油和水原理示意图 1101001000T2 ms POROSITY POROSITY TES TEL 水 油 水 油 TE 回波串时间间隔 TES minTEL 2ms典型选取 TES 1 2ms min TEL 2 4 3 6ms 4 8ms TE的选取原则 NMR测井资料的应用 储层参数计算复杂岩性油藏评价流体性质识别完井及钻井方案的确定 准确测量储层孔隙度 准确估算渗透率 复杂岩性储层饱和度评价 埕北302井 商745井火成岩孔隙度估算 稠油水淹油藏评价 低阻储层评价 识别小差异电阻率储层 薄互层评价 砾岩油藏评价 低孔隙储层溶孔和裂缝识别 差谱识别油气层 差谱识别油水层 移谱识别油层 移谱识别水层 完井方案的确定 单143井 钻井决策的确定 王平1井 结论 为储层评价提供更精确的地质参数 如孔隙度 渗透率 饱和度等 针对火成岩复杂岩性非均质储层 也能获取准确的地层孔隙度 划分有效的渗透层和定性确定孔隙结构及储层流体的流动能力 有效识别砂泥岩剖面的低电阻细砂岩储层及薄互层的孔隙结构特征 束缚流体体积 区分水层和低阻油层 识别小差异电阻率储层 九 推广NMR测井应注意的问题和建议 实例表明核磁共振共振测井具有一些常规测井所不具备的优点 信息量丰富 资料解释方便直观 应用潜力大 与常规测井结合进行综合解释 可改进对地层流体性质评价的可靠性 但核磁共振测井毕竟是一种单项相方法 并且井眼条件 岩性 深度等测量环境对测量结果有一定的影响 因此有它的局限性 再有它也要求依赖岩心实验室分析数据对它进行有效的刻度 根据近来对十几口井资料的分析 建议在今后的推广使用中应注意以下几个问题 问题和建议 1 目前使用的两种核磁共振仪器CMR MRIL 由于仪器的结构 测井的方式和在地下所建立的人工磁场的差异 所以对测井的井筒条件要求也不同 CMR仪是贴井壁测量 受井眼 侵入的影响非常敏感 在使用差谱 移谱观测方式测量效果方面不如MRIL仪好 MRIL是居中测量 探测深度是CMR十几倍 但它的探测半径受温度的影响 通常温度增高 造成磁场强度 磁场梯度 减弱 相应的使探测半径减小 建议在进行核磁共振测井时 保障正常的井眼 最大井眼尺寸不超过10英寸 问题和建议 2 在计算束缚流体体积和渗透率的模型中 影响其计算精度的主要参数一个是T2截止值和校正系数C 在没有岩心数据的时候 可选用经验数据值 这两个参数在有条件的情况下最好由实验数据来加以刻度 问题和建议 3 核磁共振测井数据采集的信噪比是一个关键环节 正常要保证大于20 4 地层中的一些顺磁物质 磁铁矿 含铁物质 会对核磁共振信号造成影响 另外砂泥薄互层 非均质性储层也会对T2分布谱造成影响 影响判断流体的性质 问题和建议 5 差谱 移谱测井方式在深层 低孔 低渗的储层应用效果不如在中 浅层 中孔 中渗的砂岩效果好 鉴于上述一些客观因素 在应用过程中要加以注意 避免上述的局限 同时注意发挥核磁共振的优势 更好的为勘探和开发服务 十 NMR测井技术的发展趋势 1994年SPWLA在美新墨西哥州召开 核磁共振在测井中的应用 专题会议 代表们曾共同设计了一支理想的NMR测井仪 指标如下 1 纵向分层能力0 3 0 6m 2 探测深度2 30cm3 测井速度180 540m h 4 共振频率 2MHz5 回波个数 600个 6 回波间隔 1ms7 耐温 175 8 对井眼环境不灵敏9 能够同时得到T1 T2 扩散 流动等信息10 具有可靠的井下质量监测和控制系统11 能够对采集到的数据进行实时分析处理12 仪器外径适合不同井径的要求13 能够方便地与其它测井仪器在一起进行测量14 能够做多频观测 实现对地层径