p型磁共振成像测井技术的解释与应用

p型磁共振成像测井技术的解释与应用

哈里伯顿p型磁共振成像广泛应用于中国的油井勘探市场。它的探测主要由永久磁铁、一个高频脉象处理器和一个高频装置组成。采用cpmg脉象冲程序，使用9个观测频率，在该层形成9个厚度为1mm、高度为24分钟的圆形勘探周期。同时,哈里伯顿公司提供了基于工作站及PC平台下的资料处理平台(DPP、Petrosite),可以进行孔隙度、渗透率计算,以及进行基于差谱和移谱的孔隙流体分析等。由于知识产权,核心处理方法和技术是保密的,目前国内众多测井解释处理软件不能达到与Petrosite处理精度完全一致的结果,说明国内众多测井解释处理软件采用的方法有一定局限性。笔者在基于P型核磁共振特殊的采集模式和数据记录格式剖析的基础上,利用采集频率回波信号叠加技术和相位校正技术来获得准确的回波信号,采用基于分数维的奇异值横向弛豫时间(T2)谱分解方法和T2谱拼接技术来得到精确的T2谱,使用基于纵向弛豫时间(T1)和T2差异的流体性质识别技术处理P型核磁共振成像测井资料,并开发出了一套全新的基于CifLog一体化测井解释平台的P型核磁共振成像测井资料解释处理软件。该软件油田现场应用与Petrosite处理结果完全一致,扩展和提高了P型核磁共振成像测井资料在油田勘探开发中的使用范围和效果。1信号叠加处理P型核磁共振成像测井的原始测量信号由9个频率工作所得,配合不同的等待时间与回波间隔,设计了100多种观测模式,可归结为单TW(极化时间)/单TE(回波间隔)、双TW/单TE、单TW/双TE和双TW/双TE等4大类模式。提取有用的回波信号采用在时间域内的叠加和校正处理后得到,其中原始测量信号的温度、泥浆矿化度、功率等的校正方法较成熟,而叠加处理方法需要优化。原始测量信号的回波幅度(Ramp)和回波相位(Rpha),先由式(1)计算才能得到正交的两道回波信号Ex与Ey;再根据观测模式并考虑信号测量的相位交替变化对信号进行叠加;最后,采用式(2)计算叠加后的回波信号的相位角φ,用式(3)进行相位旋转处理获取有用的回波信号道曲线(Echo)与噪音道曲线(Noise)。Ex(i)=Ramp(i)cos[Rpha(i)]Ey(i)=Ramp(i)sin[Rpha(i)](1)φ=arctan∑i=2nEy(i)∑i=2nEx(i)(2)Echo(i)=Ex(i)cos(φ)+Ey(i)sin(φ)Noise(i)=−Ex(i)sin(φ)+Ey(i)cos(φ)(3)Ex(i)=Ramp(i)cos[Rpha(i)]Ey(i)=Ramp(i)sin[Rpha(i)](1)φ=arctan∑i=2nEy(i)∑i=2nEx(i)(2)Echo(i)=Ex(i)cos(φ)+Ey(i)sin(φ)Νoise(i)=-Ex(i)sin(φ)+Ey(i)cos(φ)(3)2关于t1谱的精度T2谱是核磁共振成像测井资料解释与应用的关键环节。通过时间域回波信号预处理方法得到的回波信号由多种横向弛豫分量叠加而成,存在多种指数衰减过程,采用多指数拟合表达(见式(4)),一般采用数学反演处理得到T2分布。y(t)=∑i=1mxie−tT2i(4)y(t)=∑i=1mxie-tΤ2i(4)式中,y(t)为t时刻观测到的回波幅度,即测井仪器测量的回波数据;T2i为第i种弛豫分量的横向弛豫时间;xi为第i种弛豫分量零时刻的信号大小;m为弛豫分量个数;t为时间(0×TE,1×TE,2×TE,…,n×TE)。假设观测的回波数为n个,弛豫分量为m个,则式(4)可写成联立方程组:Y=AX(5)Y=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢y1y2⋮yn⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥n×1A=⎡⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢e−t(1)T2(1)e−t(2)T2(1)⋮e−t(n)T2(1)e−t(1)T2(2)e−t(2)T2(2)⋮e−t(n)T2(2)⋯⋯⋮⋮e−t(1)T2(m)e−t(2)T2(m)⋮e−t(n)T2(m)⎤⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥n×mX=⎡⎣⎢⎢⎢⎢x1x2⋮xm⎤⎦⎥⎥⎥⎥m×1Y=[y1y2⋮yn]n×1A=[e-t(1)Τ2(1)e-t(1)Τ2(2)⋯e-t(1)Τ2(m)e-t(2)Τ2(1)e-t(2)Τ2(2)⋯e-t(2)Τ2(m)⋮⋮⋮⋮e-t(n)Τ2(1)e-t(n)Τ2(2)⋮e-t(n)Τ2(m)]n×mX=[x1x2⋮xm]m×1由式(5)可知:T2谱实际上是一个病态问题,弛豫数据有微小噪声,会使解的结果差异很大。通过研究发现,采用大量增加T2布点数的做法并不能真正提高T2谱的精度(见图1)。图1左边的T2谱为一组数据的解,为了检测该方法确定和控制解个数的能力,人为地使矩阵A中的测试函数个数加倍,其结果见图1右边的T2谱。不难发现增加求解参数的个数,并没有增加T2谱的精度,仅仅是在T2间隔的旧采样点之间进行了内插,因此,笔者采用分数维的奇异值解谱方法能提高解谱精度。根据前人的经验和对模型数据进行分析发现,对于从核磁共振测井仪器反演得到的T2谱,其解的个数是跟核磁共振的信噪比相匹配的,如图2所示。在低信噪比情况下,对于实际求解的个数必须用奇异值锥度进行调整,由于最短的T2分量不能快速从噪声信号中分离出来,因此锥体的形状同时影响解的系统误差和随机误差。对于高的测量信号信噪比,笔者采用分数维奇异值解谱方法,在确保不会引起过度的不稳定性的前提下自动将条件数放大;对于低信噪比,由于测量数据可信度低,分数维奇异值解谱方法自动将条件数变成小值,以得到有意义的解。通过对信噪比的控制来满足奇异值锥体函数的要求,当采集信号的信噪比低于默认门槛值(30倍首个回波幅度)时,通过加快最短的T2分量衰减幅度,从而使得奇异值截断不显得陡峭,T2谱也显得更加细致,进而保留更多有用的地层信息。3流体的定量分析方法一般轻烃有比较长的T1,而水则由于与岩石孔隙表面相接触,T1大大缩短,差谱定量分析方法是根据油气与水的T1的差异来识别流体,而一般水的扩散系数比较大,而中高粘度的原油的扩散系数比水小,移谱定量分析方法是利用粘度中等的油与水的扩散系数存在差异来进行流体识别。3.1比较t2值的计算水在较短的极化时间能完全磁化,而轻质油与气需要较长的极化时间才能完全磁化,所以,如果有烃存在,长、短极化时间得到的T2分布就会有明显差异。利用长、短极化时间(TlW、TsW)确定的孔隙度(φTWl、φTWs)可以由式(6)计算流体的视T1值。如果假设核磁共振的差谱信号是由单相流体或两相流体构成的,则可由单指数拟合(式(7))或双指数拟合(式(8))来计算T2值。在有效流体T2范围内,如果差分谱只存在一个峰分布,那么T2就代表了该流体的T2值。当差分谱存在多个峰时,一般认为地层至少存在两相流体,那么计算的T2是各相流体综合的视T2值。为了将两相流体各自的T2准确计算出来,通常采用带有T2区间段的ii与jj相搜索。设两相流体为ii、jj相,ii、jj相流体的T2谱上有两个区间段,在ii、jj相各自T2区间段上按照式(7)就可以计算出各相流体的T2曲线。φTWlφTWs=1−e−TlW/T11−e−TsW/T1(6)EDIF(t)=φ⋅e−tT2(7)EDIF(t)=φii⋅e−tT2ii+φjj⋅e−tT2jj(8)φΤWlφΤWs=1-e-ΤWl/Τ11-e-ΤWs/Τ1(6)EDΙF(t)=φ⋅e-tΤ2(7)EDΙF(t)=φii⋅e-tΤ2ii+φjj⋅e-tΤ2jj(8)式中,EDIF为差谱信号。根据计算的T1和T2值对核磁共振的总孔隙度和有效孔隙度进行含烃指数和极化时间的校正,确定最终的油、气、水相的孔隙度。3.2“tle”分布谱水的识别观测的T2是流体的扩散系数D、回波间隔TE、以及磁场梯度G的函数。对于固定的G,通过改变TE,中高粘度油与自由水的T2将发生不同程度的变化,即自由水的T2将比中高粘度油以更快的速度减小。比较长、短TE(TlE、TsE)的T2分布,就可以找出油、水的特征信号,实现对中高粘度油的识别和定量评价。通过对T2分布谱进行分析,可以计算出长、短TE分布谱的几何平均值、峰值、半峰值。根据式(9)可以计算出固有弛豫时间T2int,再计算水的扩散系数Dw。1(T2)CPMGj=1T2int+D(γ⋅G⋅TE(j))212(9)1(Τ2)CΡΜGj=1Τ2int+D(γ⋅G⋅ΤE(j))212(9)式中,γ为旋磁比,rad·s/T;CPMG为脉冲序列;j=l,s。利用1/T2int-D/Dw交会图求视含水饱和度,并可以计算TlE分布谱水的最大T2值(T2DW)。一般地层孔隙中所有与水有关的T2都小于T2DW,而地层中油的T2基本上都大于T2DW,这样就可根据TlE的T2DW右侧谱峰的有无及大小来识别评价油气层。4缚水饱和度分析及综合分析自行研制的软件能利用核磁共振成像测井资料进行孔隙度分析、束缚水饱和度分析、综合分析。在处理过程中也可输入深度匹配好的常规曲线,如电阻率、中子、密度、时差、光电吸收截面指数、自然电位曲线等。孔隙度分析模块功能主要是计算总孔隙度、束缚水含量(SWBMRI)、快速岩性评价;束缚水饱和度分析模块主要功能是利用已有的资料,尽可能多计算几条束缚水饱和度(SWB),把SWBMRI与其他SWB对比,选择最优的SWB曲线;综合分析模块主要功能包括利用阿尔奇模型、W-S模型、双水模型计算含水饱和度,并对先前计算出的总孔隙度、有效孔隙度、束缚水孔隙度进行校正。X1井为吉林地区某井,油品为普通轻质油。图3是使用自行研制的软件对X1井进行完整的核磁处理成果图。图3中33、37号层标准T2谱均达到1500ms以上,有效孔隙度为15%左右,渗透率在最好的层段能达到50×10-3μm2,该孔隙度、渗透率数据与该地区岩心试验结果接近,这两个层的差谱分析及移谱分析结果均给出较高的含烃体积,核磁综合分析结果也表明33、37号层具有较高的含烃饱和度,且37层要好于33层,处理的含油饱和度能达到50%左右。对3