核磁共振仪器测井方法研究新.doc

2008年度科技成果核磁共振仪器测井方法研究中国石油集团测井有限公司吐哈事业部二八年十一月核磁共振仪器测井方法研究项目完成：范生刚 李 胜 刘春辉 曹冠平 高利兵 贾祥金 陈 嘉成果编写：范生刚 成果审核： 技术审核：中国石油集团测井有限公司吐哈事业部二八年十一月目录前言第一章：核磁共振测井地层响应机理第二章：仪器各部分构成，和功能第三章：核磁共振资料录取的实现第四章：核磁共振典型观测模式的构成第五章：核磁共振测井资料质量控制方法 第六章：三塘湖火成岩测井资料质量问题探讨第七章：对核磁仪器常见故障判断和维修 前言常规测井方法存在问题：常规的测井方法在油气藏的发现和开发过程中起着重要作用，但是也有其自身局限性，其解释精度受到地层岩性和解释模型选择等因素得影响，尤其是在一些复杂岩性地层，常规测井方法和基于典型地层模型的解释方法对储层的评价和实际情况存在较大偏差。核磁共振测井是解决此类问题的一个有效方法。核磁共振优点：核磁共振测井是目前国际上最先进的油气层评价方法之一，它只探测地层中的流体，不受地层岩性的影响直接得到储层孔隙度，而且能够分辨出可动流体，束缚流体，和泥质束缚水的相对比例，还能判断地层流体得性值判断油气。这些都是常规测井方法无法比拟的优点。引进和投产过程我们所做的工作：在项目的引进和投产过程中我们的技术人员学习和研究了该套设备的原理；完成了和现有的地面系统的配接，进行了车间试验和刻度；针对核磁共振测井的特点设计和完善了上井施工的工艺流程；上实验井，研究核磁测井观测模式选择经验规律，并在实际测井过程中针对三塘湖火成炎资料质量问题展开探讨和试验工作，找出问题原因，给出了解决办法。并针对核磁共振仪器在应用过程中出现的故障总结了故障判断方法和维修维护方法。本篇文章将对我们所做的工作进行总结报告。第一章：核磁共振测井地层响应机理本章节中介绍核磁共振测井的原理和地层相应机理，一、 核磁共振基本原理介绍核磁信号的测量是通过控制水或烃类流体分子内氢原子来实现的，氢原子的磁动量和自旋角动量使得氢原子像一个磁铁和陀螺的结合体， 氢原子磁极方向由永久磁体和射频脉冲共同产生的磁场决定。图1 原子自旋进动示意图接收到的信号由在一个时间段记录的一个序列的回波幅度构成。这些回波信号来自于在由探头磁铁产生的磁场内进动的氢原子。由于氢原子具有磁动量，他们就可以在核磁天线中感生出信号。回波信号是由探头内的主天线发出的射频脉冲产生的，回波信号的探测也要有这个天线来完成。每一个发出的射频脉冲都会产生一个回波，回波的幅度再由仪器记录下来。记录下来的一些列回波幅度称为一个CPMG测量。图2核磁共振回波在天线线圈中产生电信号图3理想的脉冲回波串CPMG 测量（experiments ）总是成对收集。产生第二个回波的发射脉冲和第一个发射脉冲有个相位差使得回波幅度正好相反。用第一个测量减去第二个测量就产生了交替相位对。这一过程有两个目的：（1）保持信号剔除低频电路噪声和直流静态偏置量 （2）允许我们测量并剔除高高频探头机械电子噪声（ringing ）。 可以从回波串中提取出两个有用得信息那就是：初始信号幅度，信号衰减速率。图4回波串提供的信息最初的回波幅度和敏感体积内空隙流体内的氢原子数量成正比，因此最初回波幅度可以刻度唯孔隙度(FNMR). 。因为NMR信号只对孔隙流体有响应，岩石的骨架成份没有贡献, 因此NMR 的测量不需要关注岩石的岩性。信号幅度随时间按指数衰减这一点和脉冲中子的衰减类似， NMR 信号的指数衰减常数称为横向弛豫时间 T2。从T2的分析中我们可以得到更多的岩石物理信息比如：孔隙大小，孔隙内流体得性质，地层孔隙度，流体的黏度等等。另一个重要的常数就是： T1,纵向弛豫时间 ，这个常数可以提供流体黏度的相关信息。虽然我们不去真正实时测量T1, 但是他的值对于测井实际操作想当重要因为它决定了连续测量（experiments）之间等待时间 Tw。图5纵向弛豫时间和发射等待时间的关系二、T2衰减的机理如果正如我们所说NMR信号的强度和地层中的流体氢原子数量成正比 ，为什么信号会随着时间衰减呢哪？衰减的原因就是进动氢原子失相（进动方向不一致）造成的。失相由三方面原因引起，其中两方面和氢原子与周围环境相互作用有关（包括孔隙空间内，和固体之间）第三个因素是测量本身的组织方式有关。图6 T2衰减的3种方式流体块效应：这个效应由流体质子之间相互作用产生的，这种作用和流体黏度成正比，和流体温度成反比。表面效应：流体内质子和岩石表面质子相互作用, 这种作用和岩石的疏松程度（孔隙比表面）成正比。扩散效应：由于在不均磁场内布朗运动造成的失相（质子移出敏感体积）。三种效应的对横向弛豫时间的影响用以下公式来描述：其中：T2r 体积弛豫时间，由流体性质决定（如黏度，成份等），水润岩石中油的主要弛豫方式，和回波间个无关。T2surface 表面弛豫时间，水在岩石表面的弛豫机制，和回波间隔无关。T2diffusion 扩散弛豫时间，和流体扩散系数，测井参数有关如回波间隔，磁场梯度，气体的主要弛豫方式。T2R 总弛豫时间（测量值）这一公式告诉我们T2值是三个效应共同作用的结果，但是T2最小的组分将主导最终结果，也就是说T2R 将比任何效应单独作用时间短，但接近最短效应作用时间。体积弛豫是油的主要弛豫方式，因为油通常占据孔隙的中心部分，和孔隙的壁不发生接触。 表面弛豫是水的主要弛豫方式，因为多数岩石是水润湿的。表面弛豫也是泥质束缚水的主要弛豫方式，因为泥质里所含的流体通常都是水，而孔隙或者说裂隙非常小，因此具有很高的比表面，带来极低的T2值。扩散弛豫是气体的主要驰豫方式，因为气体具有很高的扩散系数，气体粒子有更多的自由度。三、T2孔隙尺寸关系 在饱和了水的岩石中，T2和岩石孔隙成比例。就是说小孔隙对应短T2 图7 孔隙大小和T2的关系在井眼的任何深度上，核磁采样的岩石都具有一个不同空隙大小的分布，所以NMR信号的衰减，不是单一的T2 ，而是 和采样区孔隙分布相对应的T2分布。图8不同的孔隙尺寸对应T2弛豫使用拉普拉斯变换可以把回波幅度转换为时域分布，显示为不同的T2时间对应的空隙度分布。 把仪器对100%水的环境响应作为两点刻度的高值点（即100孔隙度单位），零信号响应作为低值点（0孔隙度单位）确定地层孔隙尺寸相当重要，因为这样才能把孔隙尺寸和大小孔隙内所含流体和渗透率建立联系。 (渗透率最终决定地层流体是否可以产出。)我们可以直观的将大孔隙对应于高的渗透率，小孔隙对应于低孔隙度。当然这也不完全正确， (渗透率主要是由孔吼大小来决定的)。但是我们具有足够的经验数据来支持这种孔隙度、孔隙尺寸和渗透率之间的关系。为了简化孔隙度分析，我们讲孔隙体积和相关得流体按照是否可动分为两类：我们称可以从地层中产出的流体为自由流体;不能产出的为束缚流体。束缚流体可以进一步分为：倪质束缚水和毛管束缚水这两种情况流体的束缚力是不一样的，流体的性质也是不一样的。 能够把束缚水定两侧出来是核磁共振仪器和其他孔隙度测井仪器相比主要的优势，一个高含水地层可能由于所有水都是束缚水的情况下，而不产出水。要把孔隙内的自由流体成分和束缚流体分开不一定是一件轻易的事。实际上至少有两种方法，但是每一种都需要对一些参数进行调整。这些调整都要基于实验室内的岩心分析数据。 我们用的这两种方法叫：截止值法（CBVI）和BVI谱法（SBVI）。第一中方法假定所有t2值低于某一个值的时候就认为它是束缚流体，其余的则是自由流体另一种方法假定所有孔隙都具有一定百分数的自由流体和束缚流体。而束缚流体百分数随着T2值的增加而减少。要使用核磁共振测井数据有几种公式，计算渗透率George Coates 创建的公式：T2 和流体类型关系孔隙中的烃类可以改变t2和孔隙尺寸的关系。 在含水饱和度小于1的岩石样品中T2分布反映了孔隙尺寸和流体类型。这是因为不同弛豫机制影响不同类型的流体。由于这一现象的存在，我们在谈到含烃地层时孔隙尺寸分布是不正确的。虽然Te的选择对T2的测量有影响，尤其是在含气地层中，我们可以用一些通用的指导方针来预测T2谱中的水、油、气信号。流体类型 T2范围气 10 100 msec.重油 1 10 msec.中等重油 10 200 msec.轻质油 200 1000 msec.水 (泥质束缚水) 0.5 3 msec.毛管束缚水(BVI) 3 33 msec. (沙岩)毛管束缚水(BVI) 3 90+ msec. (碳酸岩)自由水(FFI) 33 500+ msec. (沙岩)自由水(FFI) 90+ - 500+ msec. (碳酸岩)但是必须要记住:effective MPHItotal PHIT (also called MSIG)第二章：仪器各部分构成，和功能本章节介绍核磁共振仪器内部各部分组成，和各部分如何共同工作产生NMR experiments 。描述了核磁共振仪器三个主要组成部分，对每一个模块的功能进行了解释说明。同时也说明了地面系统的一些重要调整修改。一、MRIL 框图介绍核磁共振仪器利用核磁共振来测量地层孔隙度，并且给出地层孔隙流体的组成部分如：粘土束缚水，毛管束缚水、和可动流体。对这些数据进行得分析可以给出重要的储层参数，包括渗透率，可动流体类型(油、气、水)NMR 自旋回波测量包含有一系列脉冲发射回波接收交替序列， 发射脉冲被传送到位于永久磁场中的射频天线内，而这个射频天线又可以用来接收感生自旋回波信号。核磁共振仪器由三部分构成，共同构成仪器串。如下图所示：1)D-探头2)D-电子线路短节3)D-电容短节 (能量储存) 探头短节内部含有一个强磁永久磁铁加一个用于预极化钐钴磁铁可以提供静态磁场，磁铁上面装有调谐射频天线。核磁电路短节内装有可以产生高能射频脉冲并且对接收到的回波信号进行放大、滤波、解调的电路。还包含有控制刻度通讯和供电电路。.核磁电容短节可以为井下仪提供电能储备，使得发射器能够短时间内发射大量的能量，避免了由于电缆电阻的影响短时间无法从地面传输大量能量的困难。短节内还具有消除核磁数据和DITS通讯之间相互干扰，的功能，电容短节内的继电器可以消除核磁仪器和其它需要W2辅助供电DITS仪器之间的兼容问题。 哈利伯顿版的核磁共振仪器串内还包括 crossover 短节，这个短节可以使核磁共振仪器底部跟其他仪器进行连接.也 具有消除核磁数据和DITS通讯之间相互干扰，的功能，电容短节内的继电器可以消除核磁仪器和其它需要W2辅助供电DITS仪器之间的兼容问题功能。图1核磁共振仪器串 图2核磁共振仪器框图二、基本 NMR测试序列 （Experiments）基本 NMR测试序列包含有一系列交替进行脉冲发射和接收动作，CPMG 序列的时序特征可以用下图来表示：图3 基本 MRIL 测试序列的时序90 度和 180 度标志指的是射频脉冲对质子扳倒角度。扳倒角度的大小是脉冲幅度和持续时间的函数，对于同样幅度的脉冲180度大约是90度脉冲时间的两倍。周期时间TC, 和间隔时间 TE, 的选择用来在特定井中实现测试序列的最优化，脉冲宽度和回波数以及测试序列为了特定的工作也要进行选择。上面的时序图是经过简化的，只显示了脉冲和回波的位置和持续时间，实际上发射脉冲和接收回波包含着一组频率(500-800khz)的射频的包络。P型核磁测试序列的一些典型参数值是：Parameter Range脉冲宽度(90度.) 100 - 200 us脉冲宽度(180 度) 160 - 320 us回波间隔TE 0.6 ms - 6 ms测试序列周期TC 500 ms - 6 sec.每个测试序列回波数 10 - 1000三、电子线路短节描述和数据采集流程P型核磁电子线路短节包括以下模块：供电模块继电器模块DSP（数字信号处理器）控制模块激励器（Exciter）模块发射器接口/发射供电 (TX IF/PS) 模块Helper模块发射器模块发射滤波模块天线借口模块预放大模块接收器模块刻度/Bl 探测模块继电器驱动模块HES/MRIL 控制模块 (遥测单元RTU + 高速通讯连接High Speed Link)这些模块每一个都单独分装屏蔽壳体内，这些壳体又安装到统一的支架上，模块间通过铠装线来相互连接，模块包含一些子系统这些子系统一起工作产生高能射频脉冲然后从探头天线发射出去，在敏感体积内感生出NMR.信号 ，然后子系统还是通过相同的探头天线采集到这些信号，把这些原始信号向上传递交给地面软件进行进一步处理，以下对典型数据采集过程进行简单的描述： 1)系统设置：观测模式设置，即设置一组参数，这组参数对测试序列进行规定和描述。 (脉冲和采集特征，时序，频率，回波数等等)，系统软件通过HES/MRIL 控制模块将这组参数加载到仪器DSP控制模块上， 2)一个工作于一定频段下测试序列的启动命令传输到仪器，发射滤波模块和天线中的继电器吸合，来匹配工作频率。3)刻度/Bl 探测模块产生一个精确的参考信号（即刻度信号或者增益信号）用来测量天线的增益（“Q”）和系统的增益，参考信号是和正在运行测试序列 频率一样的正弦波。这个信号(约 4 Vpp)被传输到刻度模块中，然后经过衰减再导入到探头的 Bl 端口上， Bl端口提供了一个到探头天线耦合通道，使得系统得到一个NMR 回波一样的参考信号。通过这种办法系统对天线增益Q和系统增益进行补偿。 如果测得的增益小于100，或者探头和发射滤波模块继电器未正常设置，则发射模式将被关闭，以此保护电子线路不被烧坏。4)DSP控制模块产生一个启动一段时间内进行数据采集所必需的信号，（刻度信号被关闭，不需要前面提到得产生NMR信号的脉冲），这一时段采集的是背景干扰信号称为“Noise和Offset 作为数据质量的检测参考。5) DSP控制模块产生数字控制信号来配置系统处于发射模式，在此模式之下天线接口将发射模块的输出导入到探头天线作为天线的输入，同时避免来自于发射模块的高压脉冲进入到预放大模块中。DSP也产生模拟信号发射激励模块用这些模拟信号来定义射频射脉冲的频率、相位、形状、幅度、和脉冲持续时间。6)发射模块产生高能射频脉冲（约1100Vrms）这个脉冲（B1信号）的一部分通过谭头上的B1回路端口耦合到刻度子系统。B1信号被采样用于对回波信号脉冲幅度变化进行校正。校正过程是由地面系统软件来完成的，软件校正的依据就是先前获取得刻度数据。7)DSP控制模块产生的数字控制信号将系统快速设置成为放电（Dump）模式，再次模式之下探头电线当中射频脉冲遗留下的能量被迅速释放掉。 8)如果前一个脉冲是产生回波信号的脉冲DSP控制模块则在预定的时间启动回波信号采集过程，这个过程包括：把接收到来自于探头天线的回波信号通过天线借口模块导入预放大模块，在接收模块中对回波信号进行放大和滤波，然后再到DSP模块进行数字化，数字化后的回波信号解调到到基频带再经过滤波产生同步积分组分，这个积分组分就构成原始回波数据。9)对于观测模式所需要的每一个回波第 4 7步都要重复一遍。原始的回波数据在DSP模块中进行累积，当一个测试序列（experiment）所需要的所有回波数据都获取完毕之后,原始回波数据通过1553总线和D2TS遥测电路短节向上传输等待进一步处理。探头数据（增益、B1、直流高压、仪器工作电、温度数据、噪声数据）也和回波数据一起向上传输。10)在经过合适的等待时间之后另一个测试序列（experiment），又开始运行重复2-9步骤。系统设置测试序列启动继电器吸合产生增益信号lGain 100 ?启动数据采集发射模式发射脉冲测量B1天线接口到放电模式是产生回波信号脉冲 ?采集回波最后一个回波?数据上传开始等待时间发射停止产生错误提示结束否YesNoYesYesNo图3数据采集过程四、探头电子特征有两种MRIL探头 4 7/8 直径探头用于小井眼， 6直径探头用于大井眼。两种探头具有相同的电路配置，他们具有双向翻转天线，共振频率都调谐到600到800Khz范围，天线内海内置一个电阻式温度探头，用于探测磁铁的温度，和B1回路温度。由于磁铁温度变化会引起的探测深度变化，所以温度探头测的温度用来对测得的B1进行校正。B1回路有两个作用：1)向天线中输入信号，以此对天线增益和电子线路增益的飘移进行测量和补偿。2)对发射脉冲进行抽样让操作员对脉冲幅度进行优化。下图是反映探头电路特征简图。图4探头电路特征B1回路电阻大约是50欧姆。电阻式温度测量电路电在常温状态阻值大约是100欧姆。图5 P型核磁天线结构图用于核磁仪器探头的继电器具有速度快，（转换时间1毫秒），具有耐高压的特性，能够和好的传递射频，且具有很高的可靠性（测试开关1000万次）。五、脉冲的发射路径脉冲发射路径开始于 DSP 处理器模块，参照图2 ，DSP模块产生 精确的积分控制信号（90度相移），一个正弦（Sinout）另一个余弦(Cosout).。这些射频正弦曲线和处于 NMR频率(fNMR), 然后传入到激励模块中，作为I和Q。这两种信号做为控制发射脉冲频率、相位以及幅度的参考。另一个发射模块模拟控制信号也由DSP模块产生，在DSP中叫做 dac0out 在激励模块中称为AM ，这个信号用来量度和整形发射脉冲，低幅度AM信号形状被复制成为高能射频脉冲的包络，同时AM的幅度决定了射频脉冲的幅度，脉冲包络形状控制脉冲频率带宽，然而为了优化核磁共振自旋必须对脉冲幅度进行控制。操作员通过操作软件对观测模式进行设定来控制包络的形状和AM的幅度由。核磁共振幅度控制原则用图6来表示。核磁共振仪器中具有两个发射模块。两个发射模块输出在天线接口模块内合而为一然后产生单一发射脉冲。激励模块利用AM信号和探测到高压水平来决定两个发射器模块发射脉冲相位差，从而产生我们期望的瞬时脉冲幅度。积分正弦控制信号设置频率和缺省相移。 图6 发射脉冲幅度控制图图7是发射路径简化图，包含了B1测量和Helper模块供电。图 7: 信号发射路径天线接口模块电路将1800Vpp的信号输入到天线中。除了发射控制和供电主要通路之外还存在一条次级通路用来提供+/- 15V电来驱动大电流发射闸门开关电路信号。在脉冲发射时段内每个发射模块输出脉冲都有一小部分从合成变压器中取出来(如图6所示)。这一部分分出的射频“Helper”信号经过整流和滤波然后反馈到发射器供电电路板上，在此电路板上这部分反馈信号进过调节（并且和直流供电及Helper模块相结合）提供+/- 15V大电流供电。在没有发射器高压存在的条件下，来自于W5电缆的未经调节交流电经过整流后为发射模块提供电能。在发射循环过程中仪器需要大量能量来产生B1脉冲，在系统增益低的情况下更是如此。下图显示了电容电压随时间变化图。 图8电容电压随时变化图我们可以发现回波串越长（Ne越大）则最低高压值（HVmin）越低。如果高压最低值下降到400V以下。发射模块中脉冲相位移动已经不足以补偿能量损失，B1的幅度将会降低导致自旋质子偏转不足回波幅度降低。PCP和DCCP中引入Boost（增压）模式减少高压下降影响维持高压最高值所有时间达到600V六、信号接收路径信号接收路径开始于探头天线内感生信号，这个信号可以是NMR回波信号 (跟随发射脉冲之后)也可以是进入B1回路之后耦合到电线的精确增益刻度信号。在接收模式下天线接口经过设定之后可以将天线接收信号导入到低噪声预放大器模块进行放大。然后进入到接收模块进行进一步的放大和滤波。然后进入到DSP电路。在DSP电路中射频A/D转换器将对信号进行双通道积分检波和数字化，数据经过缓存之后送入到HES/MRIL控制模块中，数据在此模块中存储直到通过1553总线向DITS要测短节传输。以下是接收路径简图包括增益刻度路径:图9 信号接收路径下图显示在电路不同位置典型的信号幅度。图10: 信号幅度HES /MRIL控制模块将NUMAR通讯协议转换成为HES DITS标准，这个模块还充当了遥测单元（RTU）和井下1553总线接口的功能。遥测单元将来自于D2TS的命令进行转译，并在接到D2TS上传命令之后将存储的数据向D2TS传输。七、仪器供电路径仪器电路工作电是通过W5模式供的交流电，缆头电压120V ，频率60赫兹，脉冲发射使用的是直流电，直流电通过变压器中心抽头和交流电混合向下供电。供电模块对W5模式所供的电进行整流、滤波、调节产生独立的经过调节的+/-5V电用于模拟电路，+/-15V用于模拟电路，专用于发射系统的+/-15V电，还有数字电路部分使用的+5V电。还有用于发射器模块未经调节的电压，这条供电通路发射模块输出电压为零时为门驱动电路供电。如果发射模块有输出电压，位于天线接口模块中的Helper电路将来自于发射模块输出的能量经过整流和过滤输送到发射器供电模块中，这条供电路径也用来给门驱动电路提供大电流+/-15V电。直流电通过隔离继电器连接到核磁共振仪器上，这些继电器由地面软件控制，如果不连接核磁仪器这些继电器由地面控制断开的。八、地面供电系统由于耗电量大，尤其是在环境增益比较低的时候供电控制面板必须经过一定的改造使之能够允许加压供电控制（ Boost Control.）新的地面系统配备有新的直流供电控制面板，这供电控制面板由4个 Sorensen电源经过并联和串联可以提供600V直流电，每个电源最大电流1.7安培。在低增益测井模式下发射所需能量会超过当前正在使用的电缆供电配置模式（W2/W5）所能提供能量发射能力。在不久的将来可能必须采用新的直流电传输模式。强化供电面板(DCCP)的功能就是增加核磁共振仪器所需能量，以往的供电方案都是使用一个恒定电源，由仪器实现电源管理功能。对电源的管理包括分路调节器，和饱和控制器。强化供电面板将电源管理转移到地面系统来实现，第一个强化供电面板是由Numar公司制造的。它使用模拟计算机来测得电缆长度计算井下电压。当井下电压降低到启动电压之下一个300V电被串接到600V供电电源上。新的供电面板实现相同功能只是将供电分成15部增量每步增量40V, Past power schemes used a线路电阻的大小通过瞬间增大或降低电压40V监测电流的变化来计算得出。（而电容短节对于瞬间的电压变化可以看成是短路的）。电压变量除以电流变化就是线路电阻值。地面电压减去这个电阻值和电流值的乘积就是缆头电压值。当缆头电压降低4个供电电源增加供电来补偿线路损失。| IIII | 800mA F LINE RES 220 | VVVV| 295 v 3 BHVLTG 119 |面板显示右下图可见。显示的第一个项目就是电压和电流的柱状图，I代表电流，V代表电压，Sorensen电源上显示的是数字但是当仪器出于工作状态的时候显示数字刷新的速度不够快不能提共及时准确数字。柱状图给出电压电流变化的直观显示。满刻度电流3500mA,满刻度电压是1200V,柱状图右侧是电流和电压值，上面一行中F和4的字样是16进制的电压电流允许增强供电的最大值，第一个F是测得的线路最大电阻值，较短电缆比较长的电缆需要的供电增强值要小因为较短电缆上压降比较小。第二个“4”字样是代表选定电压最大增强值。增强供电功能每次可以启动一个级别的增强量以此可以检查提供增强供电硬件是否正常。增强供电模式开始于200V，然后每增长一个级别电压升高23V。下面一行数字中的“3”代表供电面板输出得增强值。电阻值位于第一行最右侧。电阻值的下面是缆头电压值。检查供电面板工作是否正常可以通过慢慢增加电压值来实现，首先一起要联结到电缆上，并且观测模式要下载到仪器上。只有在供电电压和电流大于0且小于满刻度的时候供电面板才会试着测量线路电阻值。如果带压小于200V，增强供电功能被关闭，面板依然会测量线路电阻值，面板通过向电路输入脉冲来实现。面板应该可以测的线路电阻误差在10%以内。采用模式2供电的线路电阻每1000英尺电阻约为10欧姆。随着电压增长超过200V,增强模式被启动，电压每一步23V逐步增长。在每个测量模式运行过程中面板会增强供电到设定允许的最大增强值。如果要运行一个简单的测量模式面板会增强供电到最大允许水平，然后在电容充电的过程中恢复到“O”水平。增强供电每增长一个级别电压应该增长40V。第三章：核磁共振资料录取的实现本章讲述和NMR测试序列(experiment)相关的几方面实际问题。实际测试序列和理想状态是有差别的，因此要采取措施可以使两者尽可能的接近。和核磁共振数据相关的几个概念如：回波串累加，相位交替成对回波串，低振铃窗口，多频率，Dithering在本文中将会给与解释。环境对于核磁共振测井的影响和环境影响校正也将进行解释。一、基本CPMG测试序列存在的问题1、 低信噪比 在以前的章节中我们介绍了核磁共振的概念，如横向和纵向驰豫，和CPMG脉冲回波测试序列。核磁共振测试序列的输出可以用指数衰减曲线来表示，通过分析衰减曲线我们能够获取地层岩石物理信息。下图是核磁共振仪器简单CPMG测试序列信号衰减实例。图1 CPMG测试序列信号衰减实例接收到的回波脉冲幅度在纳伏数量级，因此要将这个信号和噪声区分开来十分困难用另一句话说就是信噪比极低。核磁共振测量的输出结果是孔隙度，要得到这个数据首先将回波串拟合成指数曲线，然后将曲线反推到时间为零的时刻（必须这样做因为不可能测量到自由感应信号），DC直流偏移量（offset）和噪声。 核磁共振输出的主要数据是孔隙度，我们通过将回波串首先拟合成指数衰减曲线，然后再将指数衰减曲线反推到零时刻得到。电路中的直流偏移量和噪声将会影响接收到回波以及噪声的幅度，即使这种影响很小也会改变信号衰减的形状使得指数衰减曲线拟合以及后续分析变得非常困难。2、纵向弛豫和测速图2显示的是CPMG测试序列的时序图。虽然核磁共振测井测的是T2, T1也重要，因为它表示质子纵向弛豫时间，也就决定了随后的测试序列中有多少质子对孔隙度测量有贡献，（比如说在探测体积中只有所有的质子都充分极化之后测到的孔隙度才是正确的）。图2 CPMG测试序列的时序图就算是一条特别干净的理想指数衰减曲线，如果Tw不是足够长的话，测出的孔隙度也会偏小。由于T1和Tw的关系(Tw = 3 T1)T1对于对于CPMG测试序列多长时间可以重复一次具有直接的影响。核磁共振数据采集是时间驱动的，理想状态下我们希望连续不断的覆盖所有地层，那就意味着我们只能在两个连续的测试序列间隙时间内将仪器移动一段距离，这样的话测速将会受到极大限制。如果我们使用的 Tw太短, 则计算处的孔隙度将会太小，相反如果Tw太长则会不必要的降低测速，浪费宝贵的钻机时间。3、振铃除了电路噪声和直流偏移量还有另一个因素影响测试系统，称为振铃，它是一种电子和机械的综合作用。在图3中可见电流I通过探头天线的时候会和永久磁体产生的磁场产生一个相互作用力F,作用于磁体表面，同时一个扭矩作用于探头。因为电流使变化的那么扭矩会在仪器上产生震动，这个震动接着会在天线上感生电路噪声。称为振铃噪声（ringing noise）。振铃噪声衰减极快，但是仍然会在回波探测阶段存在。振铃噪声的幅度通常比回波幅度要大，因为在第一个回波的时刻有90度和180度脉冲一起产生的振铃噪声存在，因此第一个回波受影响最大。图3 电流和磁场相互作用即振铃经验显示对于一定的频率噪声比较高，而且这种情况因仪器不同而不同。另外还发现在回波间隔越小的情况下振铃噪声越严重，这是因为随着回波间隔减少意味着180度脉冲结束和回波脉冲开始之间的时间间隔减小来不及让振铃噪声消失。.图4振铃噪声对回波信号的干扰二、提出的解决办法1、多频率我们从核磁共振理论可以知道只有那些以共振频率进动得质子才对总的回波信号有贡献，而且共振频率（又叫拉莫尔频率）和永久磁场强度成正比。f # g B0考虑到这个原理在梯度磁场中，我们可以采用不同频率射频信号来引起位于磁场中不同部位的质子发生共振。这就是我们提高探测深度的方法。图5梯度磁场中不同敏感体积探测不同频率的回波信号要求多种调谐到不同频率探测电路，或者一个具有一定带宽的共振电路。当我们按要求采用一定频率射频对一定区域质子进行激发的时候，所有处于共振窗口之外的质子得磁矩可以和外部磁场方向保持平行，用另一句话说质子不会感知到不是其共振频率的射频信号。通过交替采用不同的几个频率我们能够激发不同探测深度上的质子，如果不同的频率比较相近，激发的区域相互之间距离比较近，在实际资料应用中可以看成等同的。而且当我们采用一个特定的频率时，对应于其他频率的共振区域允许重新极化，只要这些区域不重合和就行。图6不同频率探测敏感体积图两个频率之间的转换使得两个测试序列之间的一半时间不会影响T1弛豫，测速相应提高2倍。对于一个梯度17 17 Gauss/cm的梯度磁场来说频率改变12KHz（中心频率是750千赫兹）共振敏感体积半径改变大约1毫米。仪器典型的工作频率是500-800千赫兹，发射和接收频率带宽12 千赫兹。如果运行双频模式，发射频率设置为中心频率附近，偏离中心频率+/-6千赫兹。P型核磁中这种理念被进一步拓展，采用5个共振频带，其中4个工作与双频模式，一个单频模式，这样使用的共振频率就有9个分布于500到800千赫兹之间。最高频段用于泥质束缚水的探测，他必须工作于单频模式（因为需要更大的带宽）这个频带探测深度最浅。关于共振频率以及带宽的概念请注意：当从单频模式转换到双频模式的时候，引入带宽的概念特别重要，下图显示单频正弦波信号的时域和频域图。图7时域和频域图将1 MHz的脉冲信号 200毫秒内的两图相比.图8带宽的概念当地一个信号的频域图在工作频率的是后显示为一条直线，第二个信号的频域图显示为以工作频率为中心的一个包络，带宽的定义就是频谱中幅度降到峰值70%的是所跨的频率范围。这一颠的重要性在于对于给定的任何频率脉冲这个脉冲信号实际上包含一个范围的频率成分，这些频率成分一工作频率为中心。2、预极化磁体既然我们想测井速度快一点，那么自然就想到了预极化的问题。探头内的磁铁有6英尺长，居中缠绕着两寸的天线。很明显这样在天线到达之前留出2英尺磁铁极化地层中的质子。如果我们要极化一种T1为4秒的液体我们需要将液体暴露在磁场中12秒钟时间，然后才能发射脉冲，接收回波。用这2英尺的磁体我们测速不得超过10英尺/分，以便于获得12秒钟的液体暴露于磁场时间。 如果我们想要测速达到24英尺/分，则需要4.8英尺的预极化长度。因为我们既想上测又可以下测那么需要两端各4.8英尺预极化长度，加上2英尺的天线长度磁体总长度达到11.6英尺，为了减少磁体长度，我们改变了预极化磁体的材料，通过使用钐钴材料，我们可以得到强度是磁铁2到2.5倍的磁场强度。 当我们解释极化过程的时候我们用一些小磁棒和永久磁铁平行建立起一个磁化矢量的过程来演示。事实上是磁化矢量M和其所在磁场强度成正比，就像流体的温度随着周围空气温度增加而增加一样。如果我们使用一个强度更大的磁体，极化过程的速度由流体的T1来决定，最终的极化强度会更大即更大的磁化矢量M。既然我们只是想得到一个和使用磁铁达到强度一样的磁化强度，那么钐钴磁体会议更快的速度达到。如果仔细想一下这个过程，我们会发现有可能过极化一些流体（极化矢量太大）。幸运的是能够达到过极化的流体是那些具有段T1的流体，这些流体在2英尺磁铁通过的时候恢复到正确的极化强度，而长T1的流体会极化到正确的强度之附近，2英尺磁铁会完成剩余的磁化过程。下图显示了上述原则，有趣的是我们可以用6秒的时间将T1为4秒的物质极化到他完全极化的95%，而不用12秒，在图中可见所有T1小于4秒的物质在6秒钟之内可以达到全极化的+ 5%之内，当测速为24ft/m,或更低时，再天线到达之前极化已经完成。 图9加速极化以下公式表明磁场强度和极化程度之间的关系 其中：M：极化程度N：自旋密度g：回旋比h：普朗克常数 / 2 pI：自旋量子数H0：磁场强度K：波尔兹曼常熟T：绝对温度因此我们可以得到这样的关系式：M # B0 / T也就是说磁化程度和磁场强度成正比和温度成反比。3、累加次数和相位交替对 (PAP)噪声和基线偏移根据其定义来说是随机的，然而一个回波在一定时间上会重复其幅度和位置，如果我们将回波串进行累加然后取平均值就可以降低噪声水平，校正基线偏移，从而从整体上提高信噪比。累加次数（RA）代表累加了多少单独的回波串才能得到完全校正过的观测序列。对比下面两个图左边一个是单个回波串，右边是8个回波串的平均值。 图10不同累加次数信号质量对比信噪比的提高可以很明显的看出来，指数衰减曲线也更为明显。研究发现通过前. P / 2周期脉冲的反相可以减少测量系统的偏移以及减少振铃的干扰。图11显示的是两个回波的反相结果然而这种理念可以推广到整个回波串。图11回波反相当第一个P/ 2 周期脉冲相位为0的时候回波幅度为正数，当相位为180度的时候回波幅度为负数，通过两个对相位进行平均就可能将基线偏移消除的掉。如果脉冲的 / 2相位发生变化，但是相位没有发生变化，我们改变回波串的相位而不改变振铃的相位。 Figure 8.图12两个回波相加减从上图可见通过将两个回波相加或相减我们可以得到回波信号和振铃的真实值。因此我们不仅能够校正振铃而且可以定量计算振铃值。关于相位交替对何回波累加次数请注意：相位交替对采用1-2 2-3 3-4 4-1的配对方式，且这些回波是属于同一个频率。累加次数也是如此，在累积过程当中新的新数据代替最老的数据。这就是累加次数的含义，上述两种处理方式相接合意味着在使用8个频率的MAX4这样的观测模式中最小累加次数是16，这种情况下第17个activation替代累加过程中的第一个activation。 4、低振铃窗口在核磁共振仪器制造出来之后的调试阶段，仪器的频率响应要进行分析，天线调试到一个产生振铃较小的频率。通常在仪器工作频率范围内会有几个低振铃频率窗口。图10显示的是振铃图，在图中我们可以看到仪器共振频率附近不同频率振铃噪声幅度 。图 13 振铃噪声幅度和频率的对应关系在实际应用当中必须在仪器工作中心频率附近找到一个 +/- 15-kHz的窗口，使得振铃噪声在刻度时小于40（对于段回波间隔观测模式这个窗口宽度必须达到+/- 10 kHz。仪器工作于低振铃窗口的重要性在于避免接收信号超过接收电路放大器的动态范围。5、频率抖动我们原先把振铃信号看成是由于射频诱发探头机械振动而产生的。使用相位交替脉冲对的方法可以很大程度上减少回波串中的振铃噪声信号，然而有些振铃噪声（主要是由90度脉冲引起）仍然可以对第一个回波（Echo 1）产生影响。频率抖动是一项新技术通过降低第一个回波的振铃噪声可以大大提高信号质量。图 14.频率抖动图中实线表示仪器测到的振铃噪声， 如果在每次测量之后紧接着用同样的频率将相位稍作平移再作一次测量这样就可以将第一个回波中的噪声及时补偿掉。平移量的大小是回波间隔的函数，通过计算使得相位移动180度（如上图虚线所示）。在使用了回波累加之后再使用频率抖动技术就可以把振铃噪声影响消除掉。二、纵向分辨率如果仪器不移动(如点测)则纵向分辨率等于仪器长度。如果仪器移动测量的体积随着每次测量都在增加，因此纵向分辨率会随着测速增加而减少。累加次数（RA）对纵向分辨率也有影响。图15仪器测井过程中的移动纵向分辨率公式把上述因素考虑在内：其中： L代表仪器天线长度S 代表测速RA 代表累加次数T 代表一个观测序列所用时间F 代表使用频率个数图 15仪器移动和回波串由公式我们可以得出以下结论：对于点测纵向分辨率是射频天线长度。对单频模式测量来说天线越短分辨率越好。对给定的观测序列时间，纵向分辨率随着测速增加而降低，对于给定的测速分辨率随着观测序列时间的增加而降低，RA越大纵向分辨率越低但是信噪比提高。使用的频率越多纵向分辨率越低（RA越高）。三、循环周期循环周期是一个和发射器负荷周期相关的概念。简单的地说就是用于单个CPMG 观测序列的发射时间，举例说明：首先我们看一下单频模式：图16单频模式周期图在这个例子中, Tc = (Ne * Te) + Tw对于双频模式,图17双频模式发射周期在这个例子中, 2 * Tc = (Ne * Te) + Tw因此对于双频模式, Tc = (Ne * Te) + Tw / 2 .如果使用三个频率则, Tc = (Ne * Te) + Tw / 3 .由此可以总结如下：Tc = (Ne * Te) + Tw / F 其中 F是使用频率个数.以上计算认为 Tw, Ne 和 Te是相同的，否则的话会更复杂.四、仪器的移动（测速问题）仪器在井眼中移动对测量结果有两个主要的影响：1、 新的未经极化的质子在进入敏感体积之前要充分极化这个过程所用的时间直接受仪器长度和仪器测速的影响。2、 在井眼周围横截面上已经存在的质子中位于敏感体积之外的数量以及完全极化进入敏感体积的质子数量也和仪器长度与测速有关。为了消除这些影响因素中第一个影响因素。P型核磁增加了以下特点：6英尺长的永久磁体超出天线上下各2英尺，在上述磁体的两端再加1英尺强磁体，加快预极化速度。 而且如果发射等待时间 Tw(3倍于纵向弛豫时间 3 T1 ) 非常短，有些质子将不能完全极化，所测孔隙度会偏小，预极化磁体实际上解决了这个问题。第二个影响因素不会影响孔隙度计算，然而后续的回波会比早些时候的回波承受更大的影响，为了照顾测速一个10%的精度是可以接受的。这就意味着在观测序列运行过程中我们可以接受探测体积10%的变化。既然是天线的长度决定了探测体积（即敏感体积）一个长的天线可以允许快的测速（以降低纵向分辨率为代价）。下图说明了这一点。图18天线长度对分辨率的影响NUMAR公司开发出一系列的测速图板来根据不同的井眼条件和要求的纵向分辨率来决定合适的测速。 提供的测速图板来获得标准的纵向分辨率（6英尺）和加大分辨率（4.5英尺）经过测速选择获得想要得分辨率而且保证一个较好的指数曲线拟合（即较低的CHI）。 五、环境因素对核磁测量数据的影响在核磁共振测井过程中有几个井眼的特征需要考虑，有些会对测量有影响需要作必要的校正。这些因素包括井眼电阻率，地层电阻率，磁体温度，井眼直径，这些都是影响核磁测井最重要的因素。1、井眼电阻率和温度的影响井眼电阻率是含盐浓度和温度的函数，随着含盐浓度增加井眼电阻率降低，井眼电阻率的增加可以造成天线负载增加，降低了电路的Q值。同样的含盐浓度温度增高电阻率降低。2、地层电阻率和温度的影响地层和井眼流体一样构成天线负荷，地层含盐浓度地层温度，电阻率和电路Q值和井眼的影响影响机理一样，另外一个含盐浓度的影响是流体中的盐分替换了氢原子，减少了氢原子浓度从而减少了给定孔隙度的信号幅度。这两种作用必须给与充分考虑。3、随着温度增加磁共振作用降低这种作用是由于热能的影响，在绝对零度，就是很小的静态磁场也可以引起所有单个磁矩和这个磁场取向一致，随着温度的升高可以和磁场取向一致的质子数降低。要增到自旋磁矩和磁场取向一致质子数目一个办法就是加大磁场强度，使用相同的磁体用上述办法会减少敏感体积的半径，而且共振频率也相应提高。4、随着温度增加含氢指数降低温度增加引