勘查技术与工程专业生产实习讲座-测井技术的发展及应用课件

勘查技术与工程专业生产实习讲座-测井技术的发展及应用一、测井学和测井技术的发展1、测井学定义1927年ConradSchlumbergerandHenriDoll发明测井时，法国人把它译为Carottageelectrique（electricalcoring），其意为“电取心”，区别于mechanicalcoring。也有人直译为“在井内用测量装置记录所穿过地层的特性”，狭义上，测井是岩心、井壁取心和岩屑分析的代用品或补充。Themostappropriatenameforthiscontinuousdepth-relatedrecordis:——awirelinegeophysicalwelllog——welllogorlog——eletricallog一、测井学和测井技术的发展井眼形状测井的研究对象：地下几千尺岩层测井学：地质学、物理学、数学、计算机科学、电子学、机械学、系统工程的复杂交叉学科。高温（几十到三百度）高压（几十到100大气压）小井眼（十到50cm）测井环境一、测井学和测井技术的发展岩层的七大物理性质电化学导电声学放射性磁特性热特性介电

测井的实质：用测井仪器沿井孔测量、记录反映岩层的各种物理特性（七大特性），利用相应的测井曲线研究钻井地质剖面、油气储集层的储渗特性，评价它们的油气生产能力并解决其它一些地质及工程问题，研究油气层的地下分布规律、油气水开发动态和油气藏描述等等。井下仪地面仪一、测井学和测井技术的发展油气层水层-SP+根据测井曲线找油气层一、测井学和测井技术的发展2、测井系统组成测井仪：用以测量钻井地质剖面地球物理参数的仪器。测井仪井下仪地面仪包括各种下井仪器的接口、记录仪、车载计算机、传输系统、深度系统等；它可以完成测井曲线的模拟及数字记录、深度记录、信息传输、测井资料现场快速直观解释。不同的仪器可以探测不同的岩石物理特性（如电阻率仪器系列可以探测岩石的导电、介电特性；中子仪可以探测岩石的孔隙度、流体性质等），测井仪一般采用组合方式测井。一、测井学和测井技术的发展井下仪地面仪井轴源车缆车仪器车测井队构成电缆测井装置包括：地面装置：包括计算机、实时显示器及电磁记录仪；井下测量仪器：分无源装置和有源装置（对所穿过地层产生一些影响）。绞车、电缆及数据传输系统。一、测井学和测井技术的发展1、准备工作；2、仪器串接，绞车利用电缆将其下放到井底；3、上提电缆使下井仪沿井身向上移动，并把岩层的某种物理量变成电信号，经电缆传输至地面仪的专用控制部分，再经处理把这些电信号变成连续记录（模拟记录）或以数字形式记录在磁带上，并进行现场解释；4、将资料送回计算站进行数字处理和综合解释，为进行精细油气评价提供基础；测井工艺流程

一、测井学和测井技术的发展3、测井技术的发展

自1927年，法国斯伦贝谢兄弟测出的第一条电阻率曲线以来，测井技术发展经历以下几个阶段：1）模拟测井阶段：是测井装备配套，测井作业工艺趋于成熟时期，发展了电测井、感应测井、微电阻率测井、声波测井、核测井、孔隙度测井系列，同时规范了地面仪器及联系井下仪器与地面装备的电缆，阿尔奇公式的提出为储层孔隙度、电阻率与饱和度之间关系的评价奠定了基础。国内在引进苏联技术的基础上，研制了全自动多线电测仪（JD581），测井解释也从定性阶段向半定量化发展。

一、测井学和测井技术的发展3、测井技术的发展

2）数字测井阶段：

上世纪70年代，由于计算机的广泛应用，主要发展了聚焦型深、中、浅三电阻率测井、三孔隙度测井，提出孔隙度解释体积模型。

3）数控测井阶段：上世纪70年代后期，以斯仑贝谢公司的CSU（cyberserviceunit）系统投入商业应用为标志，测井地面仪由通用计算机系统、专用电子接口及专用测井软件构成，测井工程师通过键盘与系统部件及井下仪器实现交互。测井信号井下数字化，测井过程中实现地面对井下仪器的控制，现场快速直观解释。

一、测井学和测井技术的发展3、测井技术的发展4）成像测井阶段

90年代以后出现了电成像、声成像及核磁成像等成像测井技术，形成常规的解释＋图像显示系列。测井图像指示地层比测井曲线更加清晰、准确、直观，实感性强。5）随钻测井阶段：

随钻测井能在钻井的同时，提供井眼定向测量、岩石物理测井资料及钻井信息，使用仪表化的钻铤和从井底到地面的数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理。6）网络测井阶段：

实时测井、实时数据传递、实时解释评价，目前及未来测井技术发展的趋势。4、测井的分类——电法测井，非电法测井：

自然电位测井SP；普通电阻率测井，1927年，利用欧姆定律；侧向测井1951年；感应测井，50年代，利用电磁感应原理；电磁波传播测井：70年代，介电常数测井，水的介电常数大，油的小，可以区分油水层；电成像测井90年代后，非线性、高分辨率、全井周成像。一、测井学和测井技术的发展ïïïïïïïïîïïïïïïïïíìïîïíìïîïíìïïîïïíì生产测井可预报井喷。气情况，、成分，了解地层含油收集天然气，分析含量气测井：录井的一种，一种方法。量地层倾角和方位角的地层倾角测井：井内测工程测井声波全波列测井声波幅度测井声波速度测井声波测井（中子寿命测井）利用脉冲中子源的测井（中子伽玛测井）利用连续中子源的测井（密度测井）利用伽玛射线源的测井自然伽玛测井放射性测井根据测井的目的及测井环境划分测井系列裸眼井系列套管井系列常规测井系列特殊测井系列常规电法测井常规声法测井常规核测井成象测井系列地层倾角测井常规核测井测量地层导电性的测井方法测量地层介电性的测井方法测量地层电化学特性的测井方法电成象测井方法声成象测井方法探测套管状况的测井方法，如水泥胶结测井、声波变密度、水泥评价测井等电缆式地层测试器热测井、气测井等其它生产测井一、测井学和测井技术的发展一、测井学和测井技术的发展根据测井对象的物理特性划分测井系列普通电阻率、侧向测井、感应测井、倾角测井、电成象测井等电法测井声波测井核测井导电特性介电特性电化学特性声波速度测井：用于评价地层储集性能声波幅度测井：用于评价固井质量等其它测井方法电磁波传播测井、介电测井、深电磁波传播测井自然电位、自然电极、极化电位声波成象测井自然伽马测井、自然伽马能谱测井密度测井中子测井核磁测井同位素示踪测井及其它核测井方法热测井、磁测井、气测井………裸眼井普通电缆地球物理测井分类一、测井学和测井技术的发展一、测井学和测井技术的发展5、测井技术在石油勘探作用和地位不同人有不同的用途：1、一种地下勘探的绘图技术——地质学家；2、评价储层油气生产潜力的一种方法——岩石物理学家；3、地面地震分析的一种补充资料——地球物理学家；4、仅仅为模拟应用提供数值——油藏工程师。在石油勘探中应用——生、储、盖、圈、运、保各过程。生油岩：地上可以通过地化分析、岩芯分析来判断；地下通过测井可以确定含烃量、判断剩余碳、判断潜在生油岩。储层：h厚度、Φ、K、射孔、录井、试采等。盖层：Φ<6%,有效Φ<3%，才是好的盖层，判断孔隙度要用测井资料。圈、运、保：需要地层对比，储集性好，有压差，才能运移，是否有裂缝，有圈闭。1）、弥补取心资料的缺陷注意：在任何情况下，取心率都不会达100%，井下信息有丢失，利用测井资料可以弥补。（1）补充必须的资料：GR、DEN、中子孔隙度、时差；（2）得到比岩心体积更大的地层分析资料、特别是考虑做成了薄片或岩心柱进行；（3）提供用测井资料进行定量分析的数据测量的资料；（4）提供长久保存的信息（图形、磁带）。一、测井学和测井技术的发展5、测井技术在石油勘探作用和地位一、测井学和测井技术的发展5、测井技术在石油勘探作用和地位2）、测井在地球物理中起着特别重要的作用（1）测井提供钻井所钻过岩石的许多性质的真实和连续的结果（岩性、DEN、电阻率）；（2）测井把地面地球物理测量与地下地质联系起来了；（3）提供大量的数据，使比较精确地大量表示岩石沉积过程成为可能。（测井相）（4）能够进行沉积序列描述（矿物成分、岩性、结构、沉积构造、油藏的物理性质、油藏流体性质）（5）可以重现沉积环境（相型分析、序列分析、相位对比）一、测井学和测井技术的发展注意：（6）沉积变换（成岩作用的影响、识别、压实研究）。（7）沉积序列的结构（沉积顺序、相对年代的研究、断裂、地层对比）。（8）沉积序列的变形（褶皱、断层、裂缝）（9）地球物理在地热、地球化学中的应用。（10）测井资料在地质综合应用中的作用和重要性。不结合测井资料而考虑储集层描述是不现实的，忽略测井资料实际上讲会失掉大部分经验内有用的资料，而这些资料是储集层描述所依据资料中的重要组成部分。6、测井在石油勘探开发中应用——地层评价1、储层性质研究主要内容包括：识别岩性、确定粘土矿物类型、确定孔隙度及孔隙结构复杂程度、确定孔隙流体性质及含量、划分渗透层及裂缝发育带、判识油气水层；2、岩相及岩层细微结构、构造的识别，可进行沉积环境的研究。3、配合地震勘探研究地震地层学的问题4、研究构造与沉积环境包括：确定构造倾角与方位角；确定断层与不整合；确定背斜、岩丘、砂坝、河道；确定地层水矿化度及变化和分布等。一、测井学和测井技术的发展1、研究油气藏岩石物性参数在地下的空间分布和油气藏几何特征，提供与油气田开发和生产有关联的经济评价；2、估算油气储量；3、研究油气藏的生、储、盖、运等地质问题。6、测井在石油勘探开发中应用——油气藏描述研究一、测井学和测井技术的发展1、识别水淹层；2、研究油气田开发后期剩余油饱和度及其分布；3、研究生产井和注水井中油、气、水的流动情况。6、测井在石油勘探开发中应用—油气田开发期问题研究一、测井学和测井技术的发展1、研究地层及流体的压力、分析地下流体的性质、岩石强度、井眼稳定性、固井质量等；2、评价压裂、酸化和封堵效果；3、研究生产井和注入井中油气、水流动情况和井身结构的技术状况6、测井在石油勘探开发中应用—油井工程技术问题研究向岩层注入水6、测井在石油勘探开发中应用——监测油气田开发一、测井学和测井技术的发展6、测井在石油勘探开发中的应用

图为首批普通电阻率测井的代表。中国1939年使用电测井勘探石油和天然气，原中科院院士、著名地球物理学家翁文波教授是中国测井学科的奠基人。测井界老前辈赵仁寿、刘永年、王曰才先生对测井学科的创立和发展做出了卓越贡献。老君庙油田I-25井电测井曲线。1948年8月进行了自然电位、0.8米和2米电位测量，10月对L层用9.53mm油嘴试油，平均83.4m2/d。简介：张庆国，男，1969年，中共党员，博士学历，勘查技术与工程系副教授，主要从事复杂储层测井解释与综合评价、油气藏开发地质与精细描述、盆地沉积特征与储层特征研究方向的教学与科研工作。主要学习情况介绍：1988年-1992年大庆石油学院矿场地球物理专业，获学士学位；1998年-2001年大庆石油学院地球探测与信息技术专业，获工学硕士学位；2004-2007年中国石油大学（北京）矿物学、岩石学、矿床学专业学习，获理学博士学位。主要教学及科研情况介绍：先后为勘查技术与工程专业、资源勘查工程专业、石油工程专业本科生主讲《应用地球物理仪器概论》、《地球物理测井》、《开发测井》、《油田开发测井理论》课程；为研究生主讲《剩余油分布技术》、《地球物理仪器新进展》课程。参加完成《应用地球物理仪器基础》（测井仪器部分）、《地球物理资料综合解释》两部专著的编写工作，发表论文十余篇。先后参加并完成大民屯油田沈67块储量复算综合地质研究及储层参数解释评价、水淹层测井计算机描述、齐—双地区热河台油层油水分布规律研究、基于岩性解释的水淹层解释新技术研究、葡萄花油田油层物性参数研究、西部凹陷高升以北地区构造演化史研究及有利目标区选择（2004-2005，中石油辽河油田分公司重点攻关项目）、扶余油田中区非城区油藏精细描述（2005-2006，中石油吉林油田分公司油藏重点研究项目）、准噶尔盆地西北缘克－百地区侏罗系层序地层及沉积相精细研究（2006-2007，中石油新疆油田分公司重大科研项目）、扶余油田东区南部油水过渡带精细油藏描述（2006-2007，中石油吉林油田分公司油藏重点研究项目）、准噶尔盆地“腹部”侏罗系沉积-物源体系分析（2007-，国家重点基础研究发展计划（973计划）专题）等多项科研项目。目前科研情况：正在进行“渤海海域油气田成像测井等资料沉积相研究与应用”、“大情字井葡萄花油层沉积微相研究”、“新民油田民南区块精细地质建模研究”三项科研课题，需要招收地球探测与信息技术储层测井解释与评价方向硕士研究生3-4名、矿物学、岩石学、矿床学研究生1-2名（09年入学），欢迎勘查技术与工程专业、地球物理学专业有意考研的同学报考。电话：650395413804673577；地址：地科馆413房间主讲人：张庆国勘查技术与工程专业生产实习讲座（二）核磁共振测井原理及应用

大庆石油学院地球科学学院2008年7月

核磁共振(NMR—nuclearmagneticresonance)现象是1945年斯坦福大学的Bloch教授和哈佛大学的Purcell教授领导的两个科研小组相继发现的。经过了近50年探索和发展，核磁共振己广泛应用于化学、石油、地学、食品和医学等领域。原子核-指由质子和中子组成的原子核，或仅有一个质子的氢核。磁性-受磁场控制的核子运动。共振-原子核在磁场下的特性，我们利用共振来有效地操纵磁场内的原子核。

核磁共振仪器-可以直接控制和探测原子核的运动，现发展为一种可在井下进行油气观测和评价的方法。二、核磁共振测井发展概况

50年代初期，RussellVarian向石油公司建议探讨开发核磁测井的可能性。R.Brown和B.Gamson于60年代初期开发出了实验仪器样机，但由于固液界面效应的影响，核磁测井产生的信号太弱，磁极幅射比电极辐射能量小，同时原子核核磁矩本身产生的是弱信号，岩石孔隙中油与水的弛豫时间差异相当小，束缚水的核磁弛豫时间非常快，以致于无法接收到信号，使孔隙度和饱和度都难求准。而且，井内泥浆极化效应大大妨碍了地层流体介质的磁化，使得井内本身信号严重干扰了测量。因此，必须对泥浆加顺磁物质消除井眼信号，这很大程度上增加了生产成本。二、核磁共振测井发展概况1978年，为解决核磁测井中存在的问题，提出了内部建场，外部接收的方案。美国LosAlamos国家实验室项目主任JasperJackson博士提出了即不用地磁场，而是在井中放置一个磁体(梯度场)，在井眼周围地层中产生均匀磁场，使过去接收极化后在电磁场中的自然衰变信号，变为接收外部地层核磁共振信号，并且发射频率等于该均匀极化区域氢核的核磁共振频率，最后接收氢核在退激过程中的衰减信号(横向弛豫时间)，并建立有利于核磁共振的条件，从而达到消除泥浆影响的目的。二、核磁共振测井发展概况1983年MelvinMiller博士在美国宾西法尼亚创办了一家专门从事研究设计、制造和现场服务的公司，即NUMAR公司。他们综合了INSIDE—OUT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象测井(MRIL)，并于1991年7月正式投入油田商业服务。斯仑贝谢公司于1995年把以贴井壁磁体为核心的核磁测井(CMR)推向商业服务。我国核磁共振波谱技术的实验室研究始于50年代中期。1962年北京石油地质研究院建立了核磁共振谱波研究室，在对化工产品的化学结构、化学位移及地学中的粘土、孔隙、油、气、水的识别作了实验性的工作。1985年中科院物理所成立核磁共振波谱国家实验室，为促进核磁共振在各学科领域的应用和发展做出了高水平的研究。二、核磁共振测井发展概况90年代核磁测井在以下四个方面取得了明显的进展：(1)缩小回波间隔，增加对粘土孔隙度的测量，成为全孔隙度核磁测井仪；(2)生产出随钻核磁测井，可以及时获取井下地层原始数据；(3)增加发射双频或多频共振频率，为真正的径向核磁成象测井创造了条件；(4)提高了仪器的纵向分辨率，信噪比和测井速度。二、核磁共振测井发展概况核磁测井经过50年的发展，可以提供十分丰富的地层信息，能够定量确定有效孔隙度(φe)、自由流体孔隙度(φf)

、束缚水孔隙度(φw)

、孔径分布(D)以及渗透率(K)等参数。测量结果有受泥浆、泥饼及侵入影响小的特点。同时核磁测井的应用范围也在不断扩大。在油田注水开发的过程中，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、裂缝性油藏的综合评价中，都可以提供强有力的信息。二、核磁共振测井发展概况三、核磁共振测井基本原理基本原理：核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应。原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。质子与中子统称为核子。所有含奇数核子以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核，都具有内秉角动量(或叫“自旋”)。这样的核，自身不停地旋转，犹如一个旋转的陀螺。由于原子核带有电荷，其自旋将产生磁场，即原子核犹如一个旋转的磁铁（见图5-1）。该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示，即：其中：—磁矩；—自旋角动量—比例因子,称做旋磁比,每一个核都有一个特定的值,可由实验测定。通常，原子核的北极可以指向任意方向，如无外界干涉，它们的指向则没有限制。当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，因此，包含大量等同核的系统在宏观上没有磁性。当核磁矩处于外加静磁场中时，它将受到一个力矩的作用。由于原子核是旋转的，所以其运动方式很象陀螺仪或玩具陀螺，旋进速度（远低于旋转速度）取决于陀螺仪的大小和形状，它的旋转速度及重力。因此，原子核象倾倒的陀螺绕重力场进行一样，绕外加磁场的方向进动，其方式与陀螺在地球重力场中的旋转一样。如图5-2所示。三、核磁共振测井基本原理进动频率又叫Larmor频率，是磁场强度与核旋磁比的乘积，即:式中：B0为外加磁场的强度。对于氢核,r=2.6751987X108A.m2/(J.S)，在2.5×10-2T的磁场中，其进动频率是1.06MHZ。

在外加磁场中，整个自旋系统被磁化，宏观上将产生一个净的磁矩矢量和。单位体积内核磁矩的和，叫做宏观磁化量(M与B0平行)，即:三、核磁共振测井基本原理对于被磁化后的自旋系统，再施加一个与静磁场垂直、以进动频率ω0振荡的交变磁场B1。当交变场的能量等于质子两个能级的能量差时，会发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩吸收交变电磁场的能量跃迁到高能态，表现为磁化强度相对于外磁场发生偏转，这种现象被称为核磁共振（见图5-3）。交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲的形式施加。现代核磁共振仪大多采用脉冲方法。由于谱仪的工作频率(决定于静磁场的强度)大多在射频段，故把这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。三、核磁共振测井基本原理加上B1后与B0平行的磁化矢量M将被扳倒，磁化矢量被扳倒的角度与加给自旋的能量成正比，因此，取决于射频场的强度和长度(连续施加的时间)。90o脉冲是指把磁化矢量扳转90o的脉冲，从纵轴(B0)方向扳转到水平面，并与B0及B1都垂直。180o脉冲则引起磁化矢量的反转(见图5-4)。射频脉冲施加前，自旋系统处于平衡状态，磁化矢量与静磁场方向相同；射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向；射频脉冲作用完后，磁化矢量通过自由进动，朝B0方向恢复，核自旋从非平衡状态分布恢复到平衡状态分布的过程叫弛豫。有两种不同的机理：三、核磁共振测井基本原理非平衡态磁化矢量的水平分量Mxy衰减至零的过程称为横向弛豫过程，弛豫速率用来1/T2表示，T2叫横向弛豫时间。横向弛豫过程中，自旋体系的内部相互作用，使磁化矢量进动相位从有序分布趋向无规分布，自旋与晶格或环境之间不交换能量，自旋体系的总能量没有变化。这个弛豫过程叫做自旋一自旋弛豫。磁化矢量的纵向分量MZ恢复到初始磁化强度的过程，称为纵向弛豫过程，弛豫速率用来1/T1表示，T1叫纵向弛豫时间。纵向弛豫过程中，磁能级上的粒子数要发生变化，自旋体系的能量也要发生变化，自旋与晶格或环境之间交换能量，共振时吸收的能量要释放出来，把它称做自旋—晶格弛豫。三、核磁共振测井基本原理因此可以看出，弛豫过程是磁化矢量在坐标系中绕Z轴进动。MX，MY以1/T2的速率呈指数衰减，同时，MZ以1/T1的速率按指数恢复到Z方向的初值，如图5-5。

原子核到底是如何通过弛豫减速的呢？有多种方法可使原子核失去能量返回平衡状态。对于原子核处于液体分子（如水）的情况，一种途径就是撞击固体表面。每次分子撞击固体表面时，原子核都有机会返回到沿原磁场方向的平衡排列状态。这就是…驰豫。在较大的孔隙里，液体分子有更多的空间移动而不会撞上孔壁，所以碰撞频率非常小。在岩石里，核磁共振驰豫取决于孔隙的尺寸：孔隙越大，核磁共振驰豫的时间越长。见图5-6。三、核磁共振测井基本原理原子核的核磁共振非常象一个小孩在操场上荡秋千。小孩懒洋洋地坐在操场的秋千上，哪儿也不想去，这儿就是他最开心的地方。这相当于原子核在固定磁场（B0）里的有序排列，即原子核处于平衡态。当不必太用力地推动他时，每次他接近弧顶并向前荡时，轻轻地推一下。这种被称为共振的轻轻推动可以增强规律性的往复运动。原子核在加入脉冲磁场（B1

）的扳倒运动亦是如此。三、核磁共振测井基本原理当对那个荡秋千的小孩停止施加外力后，秋千在一段时间内仍将继续摆动。原子核也一样有驰豫过程。它们所需要的只是一次持续10微秒（没错，是微秒）的快速无线电脉冲，即可使其维持长达数秒（没错，是秒）的运动。在前面那个荡秋千示例中，停止施加外力后，秋千在一段时间内仍将继续摆动。但秋千上的小孩很不舒服。他不再保持平衡，而处于一种高能状态。由于各方面原因（与空气的摩擦，秋千与支撑结构连接处的摩擦），一段时间后秋千会逐渐慢下来。但秋千上的小孩想尽快进入驰豫状态，于是他稍微收腿，让自己减速，直至他再次可以舒舒服服地坐在那里。三、核磁共振测井基本原理四、核磁共振测量（一）核磁共振测量步骤：第一步是通过放置一块大型磁铁来形成一个强磁场（B0），然后将原子核磁体置于其中，使其按一定方式排列，即排列原子核磁体。第二步是让物体（原子核）移动。这是通过另一磁场（B1）来完成的，而不是与原子核运动产生共振的那个磁场，原子核会从外加磁场获得能量，脱离平衡态。第三步是通过核弛豫方式使原子核减速，降低能量回到平衡态。这一过程它们会辐射出无线电波，并被接收器接收。（二）核磁共振测量方法：核磁测井中测量核磁弛豫的方法主要有自由感应衰减、反转恢复和自旋回波法。（1）自由感应衰减的核心是利用射频脉冲法和预极化方法使与静磁场B0平行的核磁化强度M0扳转90o，以激发自由进动信号，观测得到的信号既是自由感应信号（FID信号）。在井下，地磁场可以作为均匀的稳定磁场B0

，用轴线与其垂直的一个大线圈通过电流产生极化场，要使得极化场足够大，电流则要求很大。极化和接收共用一个线圈。在极化电流关断后延迟一段时间进行测量。四、核磁共振测量实际上，由于磁场非均匀的影响，信号的衰减加快，横向弛豫时间T2比理论值要小，同时由于地磁场很弱，故自由感应衰减信号很小，只是微伏数量级，经电缆传输后，信噪比大为降低，难以检测。另外，该技术要求：①有较长的极化时间，测井速度非常慢；②线圈中电流大，线圈自感也大，要迅速关断电流较困难；③通常是在关断开关后延迟一段时间再测量，这虽然能够压制一部分干扰，但也丢掉了许多有用信息。为了消除井眼影响，有时需往泥浆中掺杂顺磁物质，增加了测井的成本。早期的仪器如Brown的NML仪和斯仑贝谢公司的NMT系列核磁测井仪就是采用这种方案。四、核磁共振测量（2）反转恢复法用来测量纵向弛豫时间，测量原理见图5-7。初始磁化矢量M0沿静磁场方向(见图a)，施加一个与M0完全反向的180o脉冲使B0反转(见图b)，经过τ延迟，Z方向的纵向磁化矢量受纵向弛豫作用逐步恢复(见图c)，再施加一90o脉冲将Z方向剩余的纵向磁化矢量扳转到X轴(或Y轴)，进行检测，测出FID(见图d)。经过一段延迟PD，使磁化矢量完全恢复正常，再开始下一个测量。整个脉冲序列的工作过程如图5-8所示。测量得到的是一串FID信号，其幅度按1/T1的速率恢复。四、核磁共振测量图a为发射器发射的射频脉冲，它由n个(180o—τ—90o—PD)脉冲对组成；图b为整个脉冲序列作用期间纵向磁化矢量大小的变化过程；图c为每次测量得到的FID波形幅度；图d则以三维的形式(两个时间轴)给出了纵向磁化矢量大小随恢复时间、以及每次检测时横向磁化矢量大小(FID)随机采样时间的变化情况。图5-8反转恢复法脉冲序列的工作过程

（3）自旋回波法其基本原理是，首先发射一个90o脉冲，接着再发射一个或一串180o脉冲，由此构成一次测量序列，在一个测量序列中，开始质子线性排列，其后依次为自旋扳倒、进动、重复以失相及重聚。自旋回波法可以消除由于扩散而对测量结果带来的误差，使结果更为准确可靠，并且提高了信噪比。四、核磁共振测量在整个测量周期中，地层被施加一个大的恒定磁场B0（最新的测井仪使用加长的永久磁铁，在测量范围内场强约5.5×10-2T，约比地磁场大1000倍），氢质子按线性排列。第二步是通过发射一个与B0垂直的振荡磁场B1扳倒线性排列的质子。对于有效的自旋扳倒要求B1的频率为：自旋被扳倒的角度取决于B1的强度和施加的时间。例如，在大部分测井中使用的为了将自旋扳倒90o，需要4×10-4T的B1场施加16μs。四、核磁共振测量当质子从B0方向被扳倒90o，它们在垂直于B0的平面上进动。它们象重力场中的陀螺一样运动。开始，所有质子同步进动，并产生频率为进动频率的小磁场，被天线检测并构成基本的NMR测量。

静态磁场B0并不完全均匀，同时由于分子内部的作用致使质子以稍有差异的频率进动。渐渐地它们失去同步—失相—造成天线信号衰减(见图5-9)。衰减信号称为自由感应衰减(FID).

图5-9横向衰减四、核磁共振测量自旋回波使非均匀造成的失相反转。用一次比赛模拟一次90o扳倒脉冲。运动员同时起跑，几圈之后，由于速度稍有不同，他们沿跑道分散开。现在，发令者发出另一个180o脉冲信号，运动员向后转，沿相反方向赛跑。此时速度最快的运动员相对于起跑点跑过最大距离。若条件不变(这不可能)，所有运动员同时跑回起跑点，见图5-10。类似地，90o脉冲加在X轴上，使M0转到Y轴上，脉冲过后，质子将绕着稳定场旋转，由于磁场非均匀性的影响，旋转速度有快有慢，因此相位会逐渐分散，在τ时刻，在Y轴上加上一个180o极化脉冲，已经分散开的质子围绕+Y轴旋转180o转到XY平面的另一个象限中，这时质子仍然向原来方向旋转,四、核磁共振测量但旋转快的和旋转慢的分量的前后顺序已经颠倒，因此在时刻2τ,它们在Y轴上又重新集中起来，质子重聚，在天线中产生一个信号—自旋回波，这个回波的幅度是由2τ时的MY所决定的。在第一个回波之后，核质子在非均匀磁场的作用下，又重新分散开来，自旋回波很快又衰减，在3τ时再加上一个180o脉冲，同理在4τ又得到一个自旋回波信号。因此，如果90o，脉冲过后，在1τ、3τ、5τ......加上180o脉冲，那么2τ、4τ、6τ......时就得到一个自旋回波串。一个90o脉冲后跟着一长串180o脉冲，被称为CPMG序列（见图5-11）。四、核磁共振测量五、核磁共振测井仪器目前，核磁共振测井已广泛服务于油田生产，其主要仪器类型可分为三种：

（1）以俄罗斯生产和制造为主的大地磁场型仪器，该仪器采用预极化—自由进动测量方式，可提供自由流体指数FFI，探测深度较大（从井轴起150cm）；（2）斯仑贝谢公司研制生产的脉冲强磁场型仪器，仪器采用永磁局部均匀磁场—脉冲方法测量，可提供FFI、束缚水、孔径等信息，探测深度较小（井壁起2.5cm）；

（3）Numar公司研制生产的成象测井仪，仪器采用偶极梯度场—脉冲方法测量，可提供FFI、渗透率、扩散系数、束缚水、孔径等信息。CMR测井仪

斯仑贝谢公司的CMR仪为小型滑板仪，其必须用弓型弹簧、在线偏心器或动力井径仪进行偏心测量，仪器结构及横截面见图5-12。磁性很强的永久磁铁放入井中，在井眼之外的地层中建立一个比地磁场强度大约1000倍的均匀磁场区域，天线发射CPMG脉冲序列信号并接收地层的回波信号。CMR原始数据由一系列自旋回波幅度组成（见图5-13），经处理得到弛豫时间T2分布（见图5-14）。T2分布为主要测井输出，由此可导出CMR孔隙度、束缚流体孔隙度、自由流体孔隙度和渗透度。井下NMR测量为周期性的，而不是连续的。测量周期由等待时间和自旋回波采集时间段组成。在等待时间段，氢核重新回到仪器磁场方向。在采集时间段，仪器的发射线圈快速发出自旋回波。采集时间比等待时间短许多。五、核磁共振测井仪器

NUMAR公司的核磁共振测井仪MRIL采用人工梯度磁场代替均匀磁场，用自旋回波序列代替只采集FID的单脉冲，提出了核磁共振成象测井的新方法。MRIL仪器井下仪的核心是磁体和天线，圆柱形永久磁体以偶极子方式排列，外缠射频线圈，磁体沿井轴方向。圆柱形永久磁体是由很多圆形磁片组合而成，这种组合设计使圆柱形磁体沿纵向一半为N极，另一半为S极。永久磁体和天线的这种组合保证静磁场B0和射频磁场B1在任何地方都是相互垂直，两者的等场强线都是同心圆柱壳，场强在径向上均与距离的平方成正比。由于不同径向位置，磁感强度B不同，因此，可通过改变射频频率来选择径向探测区域，以避开井眼和侵入带的影响。

MRIL—C型仪器可以进行T1、T2和扩散系数D的测量，可提供地层有效孔隙度MPHI、束缚水孔隙体积MBVI、自由流体体积MBVM、渗透率和地层孔隙尺寸分布等参数。五、核磁共振测井仪器5.1MRIL仪器MRIL—C型核磁共振测井仪是现有诸多核磁共振测井仪中设计思想较为先进的一种，仪器的主要特点是：

⑴MRIL—C型仪器可以在多频下工作。每次连续测量时，可从一个频率“跳跃”到另一频率，频率间隔15kHz，与之相应地探测的径向位置偏移0.09in。在两个频率间“跳跃”式的工作可以使实验时间减半，对信号处理带来方便，测速加快。⑵在泥浆电阻率很低的井中（0.02Ωm），天线品质下降到7的情况下，仍能发射20kW以上有脉冲功率，以保证射频场B1在探测范围内稳定，同时回波列有较高的信噪比。五、核磁共振测井仪器5.1MRIL仪器⑶C型仪器可对每个脉冲进行完全的调幅和调相，这一特点使该型仪器成为优质的实验室核磁共振仪，用户有实验室研制的脉冲序列易于在下井仪器使用，同时也便于对下井仪器进行刻度自检。

⑷可消除高矿化度泥浆的影响。高矿化度泥浆会对发射和接收的信号衰减，给仪器内部刻度造成误差，同时泥浆中钠核会干扰被测信号。C型仪器可精确预测钠信号幅度。由于钠的T2非常短，不随温度、泥浆成分变化，通过加套筒和使用新的软件系统可以进行钠影响的校正。⑸有较快的测速，72～550m/h。五、核磁共振测井仪器5.1MRIL仪器五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图MRIL测井系统包含数字信号处理控制模块、十三个电路模块，电路原理框图示于图5-15。1.数字信号处理控制子细统（DSP控制模块）

该模块由辅助测量模块和数字信号处理模块（DSP模块）构成。DSP控制模块所用的一系列参数是由电缆遥测系统（WTS）下传的、由NMR实验确定的。DSP模块产生下列信号：1）产生用于检测天线和电路增益的标准刻度信号；2）用标准信号产生用于测井质量检查信号；3）产生配置发射模块系统的数字控制信号；4）产生正弦脉冲信号、余弦方波信号和数据采集控制（DAC）信号，输送到发射模块，这些信号定义了检测信号（RF信号）的频率、相位、形状、振幅和周期。5）产生DSP模块与辐助测量模块间系列信息通道信号。DSP模块用高速转换器转换来自于接收模块的检测信号（RF信号）。辅助测量模块主要作用是信号调节、模数转换及与DSP模块间的系列通讯。辅助测量模块要输入如下信号：五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图1)从刻度模块输出的B1信号，它是发射器能量的指示。在脉冲幅度和周期变化时，该信号用于回波的校正；2)HV电压检测信号；3)温度检测信号；4)数值稳定和变化的电压信号。2.电源模块稳压电源模块可给电子线路短节提供数值稳定和变化的电压信号。3.存能模块不同型号仪器能量存储子系统中的能量存储模块数量不同。能量存储模块可提供10～60A的高峰值电流，这些电流将提供给发射器中的高压电源使用。五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图

五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图4.激励模块激励模块的作用是输出信号幅度控制，这是通过调整两发射器输出的相位差来完成的。当发射器产生脉冲时，发射器需要从高压电源获得大的电流，这将使储能系统中的能量大大减少。通过调整相位差，激励模块有助于输出信号幅度控制，以补偿发射器的高能量需求。当两发射器同相时，天线的输出电压最小；当两发射器的相位调节时，随着相位差的加大，天线上的输出射频信号电压增高。五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图5.发射模块发射模块T1和T2是由相同的两级电路结构组成，主要作用是用两级功放和一级全桥场效应管进行能量放大。激励模块产生的一对逻辑电平信号输入到发射器和滤波模块U1和U2。发射器所需的能量由发射器稳压电源提供，提供给T1、T2的电压为HV+、HV-。该模块产生600V发射器方波点火信号输出到发射滤波电路。6.发射滤波模块发射模块提供的600V方波信号经发射滤波模块滤波为正弦波信号，并输出到天线接口电路，输出正弦波幅度约为输入方波幅度的1.27倍。五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图7.天线接口电路天线接口电路由高能和低能两块线路板组成。功能如下：将两发射器的输出合成，完成射频电压转换，在发射脉冲时对前置放大器进行保护，从天线向前置放大器发送NMR回波，为发射器稳压电源提供正反馈信号。8.前置放大器前置放大器是一个低噪声、增益稳定、宽带前置放大电路，作用是接收NMR回波信号和刻度信号，输出被发送到接收电路。五、核磁共振测井仪器5.2MRIL原理框图9.接收电路接收电路的基本功能是：进行常规滤波；软件衰减和增益控制；抗假频干扰滤波、发送放大及滤波后的射频信号到数字信号处理模块以进行NMR记录。10.刻度电路模块刻度电路模块由刻度电路和B1探测电路构成，主要功能是为B1线圈产生刻度信号，并测量接受的刻度信号以检测电极系。孔隙度解释模型：

核磁共振测井测量的主要是地层孔隙介质中的氢核对仪器的贡献，它不受岩性的影响，在解释孔隙度、渗透率等储层参数时，具有其他测井方法无法比拟的优势。核磁测井与其它测井方法在孔隙度解释中的不同之处就是核磁测井能解释束缚水流体和可动流体孔隙度，解释模型见图5-16。核磁共振测井的原始数据时所接收到的回波串。它是求各种参数和各种应用的基础。六、核磁共振测井解释模型孔隙度解释模型：

孔隙度可以由反演提取的T2分布来评价。研究表明，对于饱和水的岩石，短端T2部分对应岩石的小孔隙或微孔隙，而长T2部分是岩石较大孔隙的反应，这是因为小孔隙或微孔隙中的自由流动的液体甚少，绝大部分是束缚水或滞水，孔隙壁对流体的强烈的相互作用，使其中流体的T2大为降低，而大孔隙中流体却保持了与自由状态相近的性质，对应着长的T2值。基于此，全部T2分布的积分面积可以视为核磁共振孔隙度φNMR(φe):六、核磁共振测井解释模型孔隙度解释模型：

通过选择一个合适的截止值TR,可以区分开反映小孔隙或微孔隙的快速弛豫组分与反映可动水的慢速弛豫组分，使得大于TR的组分下面包围的面积与可产出水相当。对于砂岩截止值大约为33ms，当岩性变化时或表面弛豫改变时，这一截止值可能要相应的变化。因此，自由流体指数和毛管束缚孔隙度可表示为：六、核磁共振测井解释模型饱和度解释模型：对于饱和水的情况，通过上面求得的各种孔隙度，可进一步求得毛管束缚水饱和度、自由流体饱和度：当两相流体油和水并存于孔隙中时，T2会表现出与单一流体不同的特征。一般当地层中含有水和非润湿相的轻质油时，测量的T2分布将表现出双峰模式，低T2对应水，高T2峰对应轻质油。一般可通过选择一个合适的门槛值To,就可以将油水信号区分开。To可以通过实验室NMR岩心分析来确定。冲洗带内对应的残余油饱和度和含水饱和度为：六、核磁共振测井解释模型渗透率解释模型：

核磁共振反应孔隙尺寸的灵敏度很高，因此有两项简单但功能强大的应用。第一就是由孔隙尺寸决定的渗透性。更确切地说，渗透性与孔隙直径的平方成正比，所以人们希望它与核磁共振驰豫的平方也成正比。通过对数百种不同的岩石进行实验室测试，证明确实存在这种关系。核磁共振数据的第二项应用是确定孔隙尺寸的分布。由于在单个岩石内孔隙的尺寸变化很大，因此分布范围很广。通过孔隙尺寸分布，地质学者可以得出大量有关岩石的信息——远胜于在显微镜下进行观察。六、核磁共振测井解释模型渗透率解释模型：

1.由T2和φNMR建立的渗透率模型（斯伦贝谢）。对于砂岩地层，a1=4，a2=2。2.由NMR测得的束缚水和可动流体组合参数φNMR、φFFI、φBVI核与渗透率建立的关系式。（Coatas模型）对于砂岩地层，b1=4，b2=2。六、核磁共振测井解释模型七、核磁共振测井曲线核磁共振仪器输出的测井曲线，它以深度为函数来记录处理的数据。图5-17是典型测井曲线的一部分。图表的每一板块均代表井下工具所做的不同类型的测量。深度刻度（以英尺为单位）在A列的最左端。在右侧板块（E列），每一深度处都有一张小图表。此图表展示了从核磁共振测量结果推导出的孔隙尺寸分布。在6410英尺以下，分布区内的几乎所有重量都处于小孔隙中，如红线左侧的绿色峰值线所示。在6410英尺以上，重量主要分布在大型孔隙里，右侧的绿色峰值线显示了一个纹理粗糙的岩层。从而地质学者可通过查看核磁共振数据，迅速看出地下一英里深处岩石结构的纹理是否在一致性上发生了变化。

左侧第三个板块（C列）显示的是液体渗透率曲线。在这一区域，渗透率按数量级发生变化。在纹理细密的结构中，渗透率可以忽略，而在上述纹理粗糙的结构中，渗透率的影响则至关重要。石油工程师可以利用这些结果为油井制定有效的生产计划。七、核磁共振测井曲线八、核磁共振测井水淹层识别沈84块是沈阳采油厂主力高凝油开发区块，位于静安堡基岩隆起—断裂背斜复式构造带中段，沙三段是主力储层。1986年10月全面投入开发后，先后经历了四次重大调整，截止到1998年6月，综合含水率已经达到79.4%。在调整开发的过程中，测井解释遇到如下问题：

(1)高凝油的影响。原油含蜡高，地层温度下原油粘度5.84~15.5，密度0.865~0.885g／cm3。不同含水期，电阻率差异很小；

八、核磁共振测井水淹层识别(2)淡水水淹影响。初期注水是地表淡水，随着油田综合含水率的上升，逐渐采取污水回注，由于该油田存在多套开发层系，根据水分析资料，各层系地层水矿化度在1000~4500mg/L之间。因此，水淹后地层水得到不同程度的淡化，其电性特征具有淡水水淹特点，即油层水淹后的电阻率同静态油层相近，使常规测井资料对水淹层反映不灵敏；

(3)电性变化影响。该区块地质条件复杂，主力开发层位压实较好，声波时差等测井曲线在不同岩性的储层变化较小或基本一致。油层电阻率在40~150之间变化，许多油层曾被误解释为水层。油层高含水后，使依赖于电阻率信息的水淹层测井解释更加困难。图5-18辽河油田静X井的MRIL综合解释成果图该井的邻井动用井段为1740~2230m。双TW测井解释显示，第74层T2谱的可动流体信号比较靠前，差谱无显示，判断为水层；第54~66层均有不同程度的差谐信号，但谱峰高度及面积存在差异，反映各层含油丰度、水淹程度的不同，其中第55、61、64、65等层的T2谱的可动流体峰比较靠后，差谱指示这几层含烃体积较大，含油饱和度较高，可动水含量较低，产水率也较