核磁共振测井理论与应用.doc

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1、核磁共振测井理论与应用核磁共振测井技术应用研究的发展一、 快速发展的核磁共振测井技术1945年，Bloch和Purcell发现了核磁共振（NMR）现象。从那时起，NMR 作为一种有活力的谱分析技术被广泛应用于分析化学、物理化学、 生物化学，进而扩展到生命科学、 诊断医学及实验油层物理等领域。 如今， NMR 已成为这些领域的重要分析和测试手段。40年代末，Varian公司证实了地磁场中的核自由运动，50年代，Varian Schlumberger-Doll， Chevron 三个公司开展了核磁共振测井可行性研究。60 年代初开发出实验仪器样机，它基于 Chevron 研究中心提出的概念， 仪器

2、使用一些大线圈和强电流， 在志层中产生一个静磁场， 极化水和油气 中的氢核。 迅速断开静磁场后， 被极化的氢核将在弱而均匀的地磁场中进 动。这种核进动在用于产生静磁场的相同线圈中产生一种按指数衰减的信 号。使用该信号可计算自由流体指数 FFI，它代表包含各种可动流体的孔 隙度。这些早期仪器有一些严重的技术缺陷首先， 共振信号的灵敏区包括 了所有的井眼流体， 这迫使作业人员使用专门的加顺磁物质的泥浆和作业 程序，以消除大井眼背景信号， 这是一促成本昂贵且耗时冗长的处理， 作 业复杂而麻烦， 测井速度慢石油公司难以接受。 其次，用强的极化电流持 续20ms的长时间，减小了仪器对快衰减孔隙度成分的灵

3、敏度，而只能检 测具有长弛豫衰减时间的自由流体， 由于固液界面效应对弛豫影响及岩石 孔隙中油与水的弛豫时间差异不大， 使得孔隙度和饱和度都很难求准。 此 外，这些仪器为翻转被极化的自旋氢核需消耗大量功率， 不能和其它测井 仪器组合。但这些难题没有使核磁共振测井研究中止。 70 年代末至 80 年 代初，美国 Los Alamos 国家实验室 Jasper Jackson 博士提出“ INSDE OUT”磁场技术。在相同时期，磁共振成象（MRI）概念也得到很大发展。 1983年， Melvin Miller 博士在美国创办了 NUMAR 公司，他们综合了“ INSIDE OUT”概念和MAR技术

4、同时，斯伦贝谢公司几十年来，一 直在努力发展核磁共振测井技术。 总体来看， 十几年来核磁共振测井技术 的快速发展表现在以下几个方面：第一，根据“INSIDE OUT ”思想，不用地磁场，而是在井中人工 放置一个高强度磁体， 所推出的核磁共振率统核心部分是由稳恒磁体发射 射频（RF）脉冲并采集自旋回波信号的 RF线圈组成。该技术使稳恒场 Bo与RF场B1相互垂直，磁体的轴沿井筒主向，其磁场方向垂直地地层。 Bo场与B1场的特点是：在空间任意处它们均相互正交；它们的等场强线 为同心圆柱面；场强在径向上均与距离的平方成反比。Bo与B1的正交性是获取最大信号的关鍵。核磁共振空间是由 RF 脉冲频率确定

5、的，可以通 过选频选定探测空间。 因此使用各种新型核磁共振测井仪不象过去那样要 进行繁重的泥浆处理作业。第二，选用了由 Carr，Purcell，Meiboon 和 Gill 改进的脉冲回波序列 技术，即 CPMG 序列脉冲回波技术，它的思想是对可逆转散相效应引起 的快衰减进行补偿。 设计 RF 线圈和稳恒磁场的独特组合可以实现自旋回 波序列。选用这种技术的优点是：（1）利用自旋转回波方法可以获得较高 的信噪比，这对任何测量都是一个基本指标， 对井下连续测量更重要。（2） 自旋回波技术可放松对磁场极高均匀性的需求。这对MIR （核磁共振成象）和 MRL （磁共振测井）都非常重要。 MIR 使用

6、梯度场来定位信号怪 生区域。 MRL 特别要求其测量对象置在探头之外，因此均匀度很高的磁 场是不可能的。（3）自旋回波序列可视具体情况需要进行修改， 有灵活可 变化的特点， 适于多种多样的井眼和地质情况。 近二、三十年已发展出几 百种回波序列。由于计算机和电子技术的不断发展，使僺作者控制 RF 脉 冲的强度、 相位、宽度和发射时间的能力不断增强， 也使核磁共振测井可 选用的自旋回波序列更丰富多样。第三、开展了大量实验研究，为 NMR 测井应用提供了科学基础。实 验研究是进场应用的基础， 多年来国内外石油公司、 研究单位、测井公司、 大学对多孔岩石 NMR 测井应用的主要原理如孔隙度表面弛豫特性

7、、 体积 流体弛豫特性、 流体扩散弛豫、 岩石中顺磁物质对弛豫影响， 岩石孔隙度、 渗透率、孔隙结构、润湿性与弛豫特性的关系，束缚流体、可动流体弛豫 特性，油、水、气弛豫特性差别，粘度、矿化度对弛豫时间影响等等方面 开展了大量实验研究， 同时对实验资料分析处理研究所作的假设与近似作 了充分阐述， 为应用核磁共振测井资料求岩石物理参数， 识别油、气、水， 预测产能，选择测井参数等建立了应用基础， 大大推进发该技在油气勘探、 开发中的应用。第四、对测量参数的选择做了很多分析研究工作。 每次测井中有三个 参数能够控制，它们是回波间隔、等待时间和采集的回波总数。 因而 NMR 测量是一种动态结果， 取

8、决于如何测量它。 改变等待时间能影响总的极化 效应。改变回波间隔能影响观测流体扩散效应的能力增加回波总数能获得 更精确的有关长弛豫时间分量的信息。 改变测井参数能影响 NMR 测井解 释主要原理的运用， 例如缩短回波间隔将获得更多的与粘土相关的快弛豫 信号成分的信息；加长回波间隔会增大流体梯度扩散效应，用以区分油、 气；而缩短等待时间，通过不完全极化成分的长弛豫分量，利于区分油、 气等。第五、对测量信号的处理技术不断进行改进。如：对 T2 回波信号用 多指数模型拟合成弛豫时间分布谱， 通过截止值区分束缚流体和可动流体 体积；用谱差分法和谱位移法识别孔隙中流体类型， 及充分采集早期回波 求粘土束

9、缚水体积等软件。现在， NMR 测井在应用方面已有重要进展。首先它能告诉地层中含 有多少流体， 是自曲流体还是束缚流体， 在有利情况下， 能过考虑各种影 响因素后能决定流体类型，即区分油、气、水。其次，它能提供不同的孔 隙度成分，依据横向弛豫时间 T2 的分布，以截止值方法区分自由流体、 毛管束缚水、粘土束缚水分别占据的孔隙空间。 90 年代初期的仪器能测 量的最短T2下限值是3- 5ms,最新仪器可能测量的T2衰减成分下限达 0.1-0.5ms。因此可以求自由流体孔隙度、有效孔隙度，正向求总孔隙度 TCMR 方面迈进。第三,它能提供常规孔隙度仪器不能获得的关于地层孔 隙度尺寸分布和孔隙结构的

10、信息。 更好地描述流体的可动性。 第四,新的、 测速较快、成本较低的 NCMR 仪和常规仪器结合,可改善关鍵地层特性 如束缚水包和度和渗透率的确定, 从而提高储层产能预测能力。 同时,可 提供更准确的定量化的泥质砂岩气层和稠油层评价。目前,能提供 NMR 测井商业服务的主要有两种仪器。 一种是 NUMAR 公司的 MRIL 仪,另一种是斯伦贝谢公司的 CMR 。 MRIL 仪为获得强信 号使用条形磁铁和纵向接收线圈的组合, 以产生与井眼同轴、 离井几英寸 的长（ 2ft ）薄圆柱环状探测灵敏区。近年来该型仪器增加一种多路定时 方式，提高快衰减测量的信噪比，即将回波间隔为1.2ms由400个回波

11、组 成的标准脉冲回波组成的标准脉冲回波序列和标准半回波间隔有 8-16 个回波的短回波予序列快速脉冲结合,这一脉序列重复 50 次噪音减至 1/7。目前该仪器测量的T2能短至0.5ms。另一种是斯伦贝谢公司的CMR 仪器。该仪器使用一对条形磁铁,在其中间夹定向天线、聚焦,该仪器的 垂向分辨率为6in。探测灵敏区为进入地层0.51.25in的体积域。它对薄 泥质砂岩快速孔隙度变化比较敏感。近年 CMR 硬件已得到改进,信号处 理软件已升级,每个回泚的信噪比已改进 50%,回波采样率增加 40%, 回波间隔从0.32ms缩短为0.2ms,优化了信号处理软件使其对短 T2衰减 有最大灵敏度。因此,新

12、的脉冲回波 CMR-200 仪器测量的最短地层 T2 衰减时间，用连续测井方式时达到 0.3ms,点测方式达0.1ms。两个公司虽然都采用低场射频脉冲方式,但所用频率不同。二、 核磁共振测井技术应用研究的发展1. 求束缚水饱和度,改进地层渗透率评价测量束缚流体孔隙度成分是 NMR 孔隙度测井的一种专门应用, 它基 于 NMR 技术具有区分束缚流体孔隙度和可动流体孔隙度的能力。 用常规 测井方法测量束缚流体孔隙度是很困难的。 一种全 NMR 信息测量需要一 个长的等待时间以极化地层流体所有组分, 还要一个长的采集时间以测量 最长的弛豫时间。经验表明,砂岩地层束缚流体的T2 弛豫时间通常小于33m

13、s,碳酸盐岩地层则小于100ms。束缚流体与可动流体的截止值，应以 不同地区和层段岩样实验测量来提供。 在专门的快速束缚流体 NMR 测井 中,可通过让长 T2 成分测量准确度较低而使用短等待时间。此外,选用 短回波间隔和适当的回波数也可减小采集时间而保证测量体积没有显著 变化。由于束缚流体弛豫时间短， 这种 NMR 测井仪的测速可达 3600ft/h。值得注意的是，许多高粘度油的T2测量值含有低于33ms （砂岩）或 100ms （碳酸盐岩）而高于0.3ms的组分，它包含在束缚流体测井中。孔 隙度表面顺磁物质存在，流体含氢指数减小也会出现类似情况。在世界各地，专门针对束缚流体已在 25口井中

14、进行了 NMR 测井。 在北海、墨西哥湾一些实例研究表明，由于使用 CMR 测井求得较准 的束缚水饱和度，同时CMR与其它测井结合获得准确度较好的孔隙度值， 从而使渗透率参数评价得到明显改进。 同时由于 NMR 测井技术能区分束 缚流体与可动流体孔隙度， 因而为低电阻率油层识别， 油水过渡带油层品 质评价，提供了更好的技术前提。2. 由核磁共振测井确定地层孔隙度不论是斯伦贝谢公司的CMR测井仪，还是NUMAR C测井仪，均 能提供储层的束缚流体孔隙体积， 自由流体孔隙体积和有效孔隙度。 在实 验室，前两种孔隙体积一般根据岩心测试数据经拟合得到的 T2分布曲线 通过确定截止值而求得的。 现场测井

15、解释时所用截止值， 一般以实验室工 作为基础。由核磁共振测井求得的有效孔隙度一般由毛细管束缚流体孔隙体积 及自由流体孔隙体积组成。 不含粉砂、 粘土束缚水体积及微孔隙部分， 这 是因为以往的NMR测量T2灵敏度下限是3ms,不能记录到T?的快衰减 成分。改进的NMR测井T2测量灵敏度下限的关键参是提高信噪比和缩 短回波间隔。止前，CMR、MRIL C两种仪器在 面均有了显著。以CMR 200仪为例，信噪比提高50%,回波间隔从0.32ms减小到0.2ms,信号 处理软件改进使其对T2快衰减成分有最大灵敏度，这样CMR 200连续 测井T2灵敏下限由3ms减小到0.3ms。MRIL系列的T?灵敏

16、下限也达到 0.5ms。图1示出了 CMR仪在南美一口井用新处理软件的测井应用结果。 用此比较TCMR （CMR总孔隙度）、CMRP （CMR有效孔隙度）、DPHI （密度测井孔隙度）NPHI （中子孔隙度）。地层是一个薄的泥质砂岩层。 度测井结果示于图 1 第 2 道。密度测井孔隙度是用 2.65g/cm3 岩石骨架密 度计算得出的。 整个井段由含水砂岩及上覆泥岩组成。 第一道给出自然伽 马和井径测井曲线及T2截止值为12ms计算的束缚流体孔隙度曲线。第 三道示出T2分布（TCMR ）曲线。为了提供10in的高垂向分辨率TCMR测井来描述这个薄层，以2in 的采样间隔采集 CMR 测井数据。

17、 密度孔隙度测井用组从事电缆测井仪的 “快车平台”系列中的三探头密度仪测井，它有高达8in的地层分辨率。在 X520 X540ft 的泥岩段, TCMR 与密度测井孔隙度符合好,而 CMRP读数约低10pu,读数低的原因是泥岩 T2分布中含有比CMRP探 测门限值3ms更短的成分被截掉了。在X540 X570ft的中纯含水砂岩段， 几乎不含弛豫时间低于几毫秒的孔隙度， 故 TCMR ，CMRP，DPHI，NPHI 之间均符合得比较好。从第一道可看出自然伽马曲线与 12ms 为截止值的束缚孔隙度曲线间 有相关性，这说明了 TCMR 测量的另一种应用。束缚流体测量能提供一 种与地层天然放射性无关的

18、泥岩指示器。 这点对包含放射性矿物 （如钾长 石）的一些纯砂岩测井环境是重要在这种地质环境中不能用自然伽马测井 区分砂岩和泥岩。已经发现，在其它泥质砂岩层用近似范围为812ms的 T2 截止值计算出束缚流孔隙度，是一种有用泥岩指示器。在有利条件下 TCMR 测量的实现，使泥质砂岩气层识别得以简化； 能探测的重油粘度范围从lOOOMpa.s扩展到10000mpa.s在复杂环境中近 似求得地层总孔隙度， ，为计算粘士束缚水体积筛供了技术基础，从而为 用电测曲线更准确计算油气饱和度创造了条件。3. 用 NMR 测量残余油气饱和度通常测量的 NMR 弛豫信号由油和水混合物中两种弛豫成分组成 （如 图

19、2），根据弛豫特性，使用能深解于水的顺磁离子（例如锰） ，使水的衰 减时间变得足够短短到 NMR 测井仪测量下限值以外， 这样来自信号就消 失了，只探测油的信号（如图 3）。经过多年研究，已研究一种 NMR 测一 注一注测（NMRL IL）方法，测量油层的残余油饱和度。其基本方法是： 在给泥浆加含可溶顺磁离子物质前作一次 NMR 测井，然后缎带泥浆添加 含可溶顺磁离子物质并对套管以下的井段扩眼， 刮掉泥饼， 在含顺磁离子 的浆滤液充分侵入汉透性地层后（一般冲洗侵入深度能达到几英寸） ，再 进行 NMR 测井。如果冲洗带混合液含足够浓度的顺磁离子，使其水信号 更快衰减，则由第二次 NMR 测井测

20、到的是油信号，比较两次测井结果， 可得到剩余油或残余油饱和度剖面。 为了解释残余油饱和度， 往往需要了 解注水驱油水淹波及情况， 故要对被研究井取心， 通过岩样测试了求出区 分油、水的 T2 截止值及渗透率。由于 NMR 测量信号只来自于孔隙流体，因而认为 NMR 测一注一测 技术是裸眼井确定残余油饱和度的最准确方法。 研究早期， 泥浆顺磁离子 添加剂使用Mn-EDTA （乙二胺四乙酸）近几年研究认为，改用 Mng作 添加剂成本降低一个数量级， 二是它对水弛豫率更大， 需要的添加剂数量 少。这种方法在西得克萨斯碳酸盐岩油田两口井的白云岩地层中取得了 较好效果。以第二口井为例（图 4），这口井用

21、饱和盐水钻井液以 7.875in 钻头钻到4350ft,在4100 4280ft井段取了岩心。测井是在从盐段底部 3500ft 处到井低间配置了淡水段后进行的。这样做的目的是使 NMR 测井 的井眼钠信号极小化。首先进行的是斯伦贝谢公司的快车平台系列测井, 包括中子、密度、微电阻率、阵列感应、高分辨方位侧向、 微电阻率扫描。 第一次测井是用MRIL常规仪器（750kHz）,泥浆未加添加剂，淡水段配 置为10000mg/1NaCI浓度。第二次测井在泥浆中加入 Mncl?添加济，并对 套管以下井段扩眼(扩眼后井径接近 8.5in),用相同的MRIL (750kHz) 仪测井。此时淡水段也加了添加剂

22、，浓度为 17000mg/1NaCl 等效浓度。 比较两次测井可看出, 由于泥浆滤液中有顺磁离子作泥浆添加剂可成功减 小近井眼地层水弛豫信号,达到识别和计筧残余油饱和度的目的。4. 利用 NMR 测井识别油、气、水层利用储层流体的不同弛豫特性和扩散特性, 有可能区分油、气、水层。 在储层孔隙空间内,天然气总是非润湿的,这样天然气的T1 总是反映天然气的体积弛豫b，而表面弛豫影响很小。同样，在T2测量中表面弛豫 T2S 也可忽略,主要反映体积弛豫和扩散弛豫。在一般储层条件下,甲烷 的扩散至少要比水快一个数量级，室温下天然D。约为100 x 10cm/s,水的 D0 为 2.3x 10cm/s。对

23、墨西哥湾地区某一砂岩储层的盐水、 轻质油和天然气的 NMR 特性 作了测量，条件是：储层温度为 93.33C,储层压力为31MPa,石油粘度 为0.2MPa.s,盐水矿化度为120X10mg/l，磁场梯度为17x 10T/cm。由表 1 可看出,气的 T2、D0、D0T1 差别都达一个数量级,而其 T1 可 能重叠；盐水和油、气的T1和D0T1有一个数量级差别，而其T2可能重叠。 利用这些观测结果可以确定能反映储层各种流体 NMR 特性的相似性和差 异性的脉冲序列,去研究用 NMR 测井区分油、气、水层潜力。谱差分法 (DSM),谱位移法就是进行这种研究的实例。这里只以谱差分法为例。如图 5

24、所示是包含盐水，轻油和气的砂岩储层。用 DSM 法要进行等 待时间为Tl和Ts的两次测井，Tl T1g , T1g Ts 3w，max,例如和Tl 取8s而Ts取1.5s。由于烃和盐水之间的T1有很大差异，当将两次测量谱 相减时，水的信号抵消了谱差分后只含烃信号。在图 5 中气信号集聚于 40ms附近。为求得某相所占的孔隙隙体积, 对每个相的总信号必须进行含烃指数 HI和T1校正。一旦确定出油相和气相的孔隙体积，用经过校正的 nmr或 t去除油相或气相孔隙度可得到相应相的含烃饱和度。注意两次测谱 相减时也消去了粘土束缚水信号,使得 DsM 法在泥质砂岩有好的效果。图 6 是 DsM 法在气储层

25、应用的实例,其中 T2 谱是深度显示的灰度 刻度直方图。第4道的谱是Tl为6s而第五道是Ts为3s的谱，由于储层 是在束缚状态(T2w,max 32ms)且气的T2是在40ms附近，在第4道第 五道中大多数信号集聚在短弛豫时间的积分单元内。 刚好低于气的盐水信 号缺失。这口井使用的泥浆基泥浆,但在谱差分中没有出现 512ms 左右 的油信号,表明没有显著油滤液侵入发生(泥浆滤液的 NMR 特性是实验 室测定的) 选择合适的等待时间, 使两次测量时泥浆滤液被率分极化, 谱 差分中滤液信号将被消去) 。DSM法应用成功必须满足如下条件：油、气和盐水间的 T1有足够差别，这要求地层是亲水的，油气相对

26、是轻质的；气和油的T2 必须有足够差别，磁场梯度（NUMAR公司的MRIL仪磁场梯度在18X 10-4T/cm左 右，而斯伦贝谢公司的 CMR 仪比这个值小得多）可导致气快速散相从而 使气和油的 T2 产生差别；盐水必须完全极化； 油气的相弛豫是单指数的。 同时应指出，温度、压力、含氢指数、油的粘度、泥浆类型、井眼特性侵 入深度都会影响从测井得到的有用信息。等待时间选择不当常破坏 DSM 应用的基本条件。由以上实例与分析可看出，用 NMR 测井方法区分油、气、水层目前 还处于研究中，在某些有利情况下才得好效果。5. NMR 测井和其它测井资料的综合应用 核磁共振测井虽有独特之处，但它测量的弛豫

27、特性仍受多种因素影 响，因而用 NMR 测井求岩石物理参数，进行地层评价时常需综合其它资 料。（1 ）束缚流体测井。在现场，模块式动态地层测试器 MDT 测量，可 在设计的测点求得渗透率并确定有无可产烃。用这些结果可补充用 CMR 测井求得的连续渗透率测量剖面，并帮助证实CMR测量识别的可动流体。 反之，用 CMR 结果指导 MDT 取样深度，井场作业效率可大大提高。（2）CMR测量与电磁波传播测井EPT、超热中子孔隙度测井 APT结 合可确定地层粉砂含量。粉砂含量增加使电导率增加，因而 EPT 传播和 衰减时间增大，粉砂含量增加使CMR测量的束缚水孔隙度增加。APT提 供一种与地层中粉砂和泥

28、质有关的热中子吸收影响小的孔隙度， 它们结合 可适当地确定复杂岩性的粉砂含量。 而地层的粉砂含是量能决定一个桩层 的品位，细粉砂将使储层渗透率和产油能力急剧减小。（3）在墨西哥湾将 NMR 测井和传统的密度、中子、感应测井结合在 高束缚水低阻油层和油基泥浆深侵入地层评价方面取得了好的效果。 这里 提到的是在美国南路易斯安那一个断层背斜西翼钻的一口加密开发井， 目 的是采出水驱油储层上倾部位的储量。 该桩层是河流三角洲区沉积的砂岩 储层，电阻率相当低。所用测井系列如图 7。有的密度、中子、感应测井 加上CMR孔隙度和T2分布图，记录CMR用的参数是 WT = 1.3s, TE = 0.32MS,

29、 600个回波。显然有一些砂层，其较长的T2对应较大的孔隙度， 例如, XX140ft 附近的低阻砂岩, CMR 孔隙小于密度孔隙度,长的 T2S 可能对应于烃或大孔隙或两者的综合。也有高阻砂岩如XX110ft和XX90ft 附近。由原始资料显示解释这些层是困难的, 因而要作综合岩石物性分析。 图 8 是图 7 显示井段的 ELAN 分析结果。 CMR 资料与快车平台系列综合, 分析岩性和流体。 同时也显示了井壁取心分析结果, 证实油显示是在低阻 层段。结论是，CMR总孔隙度低是由于采用1.3s等待时间烃的极化不完 全。在该层,因侵入深使电阻率测井过低,以可疑层完井。向上井段自由 水很少,以日

30、产油 100 桶,含水量 10%完井。因此, CMR 和常规测井综 合解释有助于准确诊断储层产能。6. 我所在核磁共振测井研究中所做的初步工作 总公司中油测井公司、华北油田测井公司，辽河油田测井公司等已引 进 NUMAR 公司 MRIL 测井仪，同时胜利油田等单位引进了 CMR 测井服 务，目前已在五个油区测井 20 多口。一些研究单位、大学和油田结合， 对该技术的应用作了初步研究。我所在 NM 基础实验方面也做了一些工 作，以推动国内核磁共振测井技术的应用。(1) 岩心核振共振实验分析与常规物性测量的对比研究。 利用 38 块江汉油田的砂岩和泥质砂岩岩心，首先进岩心常规物性参数测 量，然后分

31、别在不同场强条件下测量岩心的 M -1衰减曲线，每条Ti曲线 不少于20个实给点。用专用软件将测量数据转换为Ti和T2分布曲线。由标准岩样的核磁化信号幅度 M (0)标准对各测量岩样的M (0)i进行归 一化后可由 i = M (0) i/M (0)标准x 标准求得 nmk。根据Timur和Coates 公式，由岩样的 nmr, FFI , BVI及选定的反数可得相应岩样的渗透率 Knmr。 将 nmr与Knmr和常规物性方法测量的孔隙度、渗透率K进行对比研究， 得出如下结果： 用不同场强(85,2和1MHz)和不同脉冲间隔T (0.25,0.08,0.25ms) 测看出，在高场强下(T相同时

32、)测量的孔隙度 mnr明显比浮力法测量 结果低,在低场下测量的 mnr 则符合较好(图 9)。出现这种结果的原因 可能是在高强下,顺磁性性杂质(铁、锰)及大的磁场内部梯度同时作用使 T 衰减明快造成的。 用不同的经验公式估算渗透率，除了要确定准 , MRI , FFImri ,BVI MRI 外，重要一点是要楰据各地区岩样测量选择合适的系数 C。 根据 NMR 测井求缚流体孔隙度和自由流体孔隙度,关键是要用 实验室岩样测量等方法选用合适的截止值。 由江汉油田岩样测得的束缚水 T2上限截止值是15ms左右。(2) 对井下仪器探测系作了调研、分析对比,进行了设计。三、 几点认识(1)核磁共振测井技

33、术是一种正在迅速发展的技术。 十几年来这种技 硬件、信号处理软件、测量参数选取、低场核磁共振岩心分析研究,用低 场核磁共振测井资料获取储层岩石物理参数及评价储层等方面都得到很 大进步,已成为主流测井技术之一,它和成象测井,随钻井一起,使测井 技术发展进入新阶段。近几年 NMR 测井已成为全球测井界关注的热点。核磁共振测井所提 供的独特信息, 砐大的增加了测井地层评价的能力。 这种技硬、 软件新近 的改进,已拓宽了在井下能测量的多孔介质流体弛豫时间范围, 根据测量 得到的信息可区分束缚流体和自由流体体积, 求得受岩性影响小的有效孔 隙度，近似求得总孔隙度。 这种技术也为了解储层产能， 确定残余油

34、饱和 度打开了新途径。已经见到利用它改进复杂砂泥岩评价的许多实例。（2）NMR 测量技术应用于井下储层环境研究中也遇到某些局限性。 例如，孔隙中流体弛豫和扩特性的测量结果受到井下储层温度、 压力、 氢 指数、孔隙壁顺磁物质、地层水矿化度、原油粘度、侵入深度、润湿性及 测量参数、 测井速度、井眼条件（泥浆电阻率过低， 井眼过大及不规则时） 等因素不同情况的影响。 因此将它用于地怪评价时， 单一方法不可能是万 能的。应该和其有效测井方法一起，取长补短，综合应用。特别在碳酸盐 岩储层应用、套管井产液性质测量，随钻 NMR 测井等方面，还有大量工 作要作。（3）在我国核磁共振岩心测试实验研究已有一定技

35、术储备， 而经引入 核磁共振测井仪器在现场试用是近二三十年的事。 因此在我国油气储层实 际开发应用中， 这项技术尚处于起步阶段。 在这一时期， 一方面要继续引 进国外 NMR 技术成果，同时应针对我国东、西部油气田不同储层开展 NMR 技术应用基础和应用方法的研究工作，并加强指导协调，发挥好已 引进的核磁共振井仪器的作用， 使这项新技术在我国油气勘探、 开发中发 挥好的效益，以推动我国核磁共振测井技术的发展。（4）国外核磁共振测井技术的发展楞程缎带我们一种启示： 作为石油 工业重要技术之一的测井技术， 必须根据勘探、 开发和工程需求， 把近代 物理、数学、计算机技术、 微电子技术等最新理论和技

36、术成果及时用到测 井学科的基础实验和前沿技术研究之中。 由此才能不断开发新理论， 提出 新方法，发展新技术，学科才会充满生机和活力。参加本文编写工作的还有彭石林、陈鹏、陈莹华同志。核磁共振测井仪器发展与资料解释莫修文 梅忠武 李舟波（长春科技大学地球物理系）一、引言 核磁共振测井测量的是地层中含氢流体的弛豫特征， 它与流体的数量 和性质有着密切的联系。 核磁共振测井从一开始就受到人们的重视， 但由 于技术条件的限制， 在很长一段时间没有得到推广应用。 最近几年， 随着 磁场设计和测量方案研究的进展， 新式的仪器已以投入应用， 度取得了初 步成功。核磁共振测井资料的解释与应用研究也取得了很大进展

37、， 利用核 磁共振测井资料评价地层的能力逐步提高。 本文就核磁共振测井技术中的 两个主要问题即磁场没计与测量方案的选 取做一个讨论，并结合现有的 几种仪器对它们进行了技术上的比较， 分析了核磁共振技术发展与现存的 问题。同时，对核磁共振测井资料的解释方法与应用情况作了介绍。二、测井仪设计的发展核磁共振测井同实验室 NMR 研究既相似又有区别。 实验室研究时可 将样品置于合适的磁场中， 信噪比很高。 在井下，地层是不可能放在这样 的磁的，必须选 择合适的磁场方案， 地磁场有时可以视为均匀场。 另外， 还必须教导考虑信号的传输及井眼流体的存在等影响信噪比的因素。 选择 适合井下作业的测量方案也很重

38、要。1. 磁场的选择核磁共振测井的初始阶段， 人们利用地磁场做为稳定的均匀磁场， 但 磁场的均匀程度和强度有时并不能满足核磁共振测井的要求， 所以要设计 更适合井下测量的磁场。 经过人们的努力，已经提出了多种磁场设计方案， 主要有均匀场和梯度场的选取。Jackdon设计沿井轴方向放置两个同级相对的磁铁，在径向上产生一 个沿井轴环形分布的磁场。 随着距离的增大， 磁场强度有一个相对均匀且 强度较高的区域。 该场可以作为稳定磁场， 发射和接收共用线圈置于两块 磁铁中间， 轴向与井轴一致， 将射频脉冲的频率调节到磁场 均匀区域的 共振频率，可以选择探测的区域。受当时技术限制，要提高信噪比，只能 将磁

39、铁的尺寸做得很大，且均匀场范围过小，实际应用存在着一些问题。 其可取之处在于采用人工场 代替地磁场 ，用调频技术减小了井眼影 响，省去了杂质的掺杂这一繁琐过程。Masi 的设计改善了磁场的均匀性，在同级相对磁铁间增加了径向分 布的三块扇形附加磁铁， 这样产生的磁场伸向地层， 在径向上有一个较大 的均匀范围， 且强度得到一定增强。 尽管如此， 这样产生的磁场 的强度 还是比较弱。 且当时的技术条件下， 人们还是无法方便地消除来自井眼泥 浆的干扰信号，所以这种磁场设计没有应用到商业化仪器中去。Givens 改进了这一设计， 将磁场改由上下两组磁铁组成， 上下磁铁组 以相反极性向着地层放置， 磁铁组

40、之间由高导磁性的材料连接， 使用高导 相关性材料的目的在于使其外面产生的磁场很弱，以便减少对主场的干 扰。上下磁铁组开成的主场的磁力线伸向地层， 它在井壁一定范围内没井 轴方向是较均匀的。 这一设计的目的仍然是在地层中利用人工磁铁产生均 匀的高强度磁场区域，是对均匀方案的改造和完善。斯伦贝谢公司的可组合核磁共振测井仪 CMR 是90年代发展起来的， 其设计思想源于上述方案，并加以发展。仪器尺寸小，可组合性高，永久 磁铁和天线都固定在帖井壁的滑板上， 磁铁平行分布在天线两侧， 在附加 装置的作用下，它们发出的磁力线伸向地层，在离井壁约 1in 处形成一个 均匀的磁场区域。调节天线发出的射频场频率

41、可以选择磁场均匀区为共振 区域。仪器贴井壁测量， 因此消除了井眼对测量的干扰， 既提高了数据的 质量，又降低了测井的成本，同时，使仪器有较高的分辨率。但是应该看 到仪器的径向探测深度还是比较浅， 并且选择的探测区域的体积很小， 信 号拫弱，信噪比有时仍不理想。Numar 公司的 MRIL 技术的核心部分是两块高强度的永久磁铁， 磁铁 呈偶极方式相向沿井轴方向排列， 永久磁铁产生的稳定磁场在径向上随着 距井轴距离的加大而逐渐减弱， 这是一个沿径向分布的梯度场。 通过调节 射频场的频率可以选择共振的区域。 存在的问题是， 如果井眼质量不好如 扩孔严重，测量环节带中可能会有泥浆存在，结果仍会受到泥浆

42、的干扰， 另外，由于选择的区域是一个小的环形区域， 有用信号的强度也不会太高。2. 核磁共振测井的测量方法 核磁弛豫的测量方法有多种，在核磁共振测井中主要采用了预极化 方式、自旋回波方式等， 前者在井下测量简便易行， 后者可以消除由于扩 散而对测量结果带来的误差，使结果更为准确，并且提 高了信噪比。1) 预极化方式在稳定场的垂直方向上加一较强的极化场， 经过足够长极化时间， 原 来沿稳定场 建立的平衡静磁化强度会发生偏转而沿总场方向取向， 产生 一个横向磁化强度分量， 这时突然撤去极化场， 磁化强度便在稳定场的作 用下以拉莫尔频率进动， 其纵向分量逐渐恢复到平衡值， 而横向分量逐渐 减小到 0

43、，在垂直于稳定场 方向上会测量到一个随时间衰减的自由感应 衰减信号FID ,利用其幅度的变化可以研究物质的 T2。该方法要求有较长 极化时间，测井速度慢，且电流大，迅速关断电流较困难，若在开关断开 后延迟一段时间测量，虽能压制部分干扰，但也丢掉了许多有用信息。2) 自旋回波方式预极化方式测量的 T2 到磁场非均匀性严重影响。为了改善测量的质 量，右用这种方式。在垂直于稳定场 方向旋加一 900 极化脉冲，使 M0 产生 900的倾角，脉冲过后，由于产生弛豫作用，各分量相位分散，横向 分量减小，经过恢复时间t再施加脉冲，散开的磁矩绕极化场翻转 180, 再过时间t ,分散的核磁矩又集中到极化场成

44、90的位置，开成一个强的自旋回波。 改变时间间隔, 可测量到一组幅度各不相同的自旋回波, 其 衰减时间常数为T2。如果脉冲间隔足够小，就可有效地消除扩散和磁场 非均匀性对测量的影响。 有人曾研究了一种自旋回波核磁共振测井仪, 由 于当时设计过于简单,脉冲的精度不好控制,因而没有得到应用。3) CPMG 脉冲序列法 上面的自旋回波方案缺点是不能进行重复测量, 且极化脉冲不精确会带来测量结果的误差,因此现代测井术应用了 CPMG 脉冲序列方法。其 大致原理类似于上述的自旋回波法,只是 90脉冲和 180脉冲,交替地加 在x和y轴上，不断重复这一过程，就可以得到一系列自旋回波列。 即使 180脉冲宽

45、度不精确,偶数的回波幅度也是正确的,故脉宽的误差对测量 的 T2 结果不会有多在影响。回波的幅度以 T2 为时间常数衰减。新式的 核磁共振测井仪器都使用了这一技术而使得测量结果精度更为提向。 通过 改变回波间距, 可以测量到不同回波序列, 并由此可以得到地层中流体准确的 T2 和扩散系数 D。三、资料的解释与应用 核磁共振测井对处于束缚状态的氢核不敏感， 它主要反映岩石孔隙中 含氢流体的情况。 T2 受流体的粘度、矿化度、温度影响、另外还与测量 的磁场条件有关。 当流体处在孔隙介质中时， 由于具有约束边界， 核磁共 振测井响应不仅取流体本身的性质， 还取决于骨架的影响程度。 在快速扩 散极限下

46、，孔隙介质中流体的弛豫时间 T2 一般满足：1 1 S = + P 2 (-)T2 T2BV式中T2B 自由体积含氢流体的弛豫值；P 2-表面弛豫特性，它取决于表面的矿物组成和孔隙中含氢流 体的性质；S、V 分别为孔隙的表面积与体积；由于多种原因，测量的 T2 具有多种弛豫组分，因而服从一个分布函 数 P( T2)。1. 研究地层的孔隙核磁共振测井反映孔隙的能力同回波间距 TE有关，随着TE的增加， 它反映细微孔隙中含氢流体数量的能力变差。 由于的回波间距及信噪比的 限制，通常认为它不反映粘土束缚水， 因此核磁共振孔隙度可以视为可产 水与毛管束缚水孔隙度。全部 T2 分布的积分面积可以视为核磁

47、共振孔隙 度，它等于或略小于岩石的孔隙度。选择一个合适的截止值TR，小于TR部分的面积视为毛管束缚水体积，大于 TR的T2分布面积可以视为可 产水体积，由此可得出岩石的各种孔隙度。 对于砂岩， TR 值大约为 33ms， 当岩性变化或表面弛豫改变时， 它右能要相应地改变。 或者将原始回波列 经过处理，变为 8或 10个分瓣，前面 3 或 4 个瓣的幅度相加作为毛细束 缚水的体积，全部分瓣的总和即为总的核磁共振孔隙度 nmr,二者之差即 为自由流体指数 FFI。将核磁共振测井与其它孔隙度测井相结合， 可以求出粘土束缚水孔隙 度 wb以及残余水孔隙度 irr，这是用电阻率测井进行饱和度评价时需要

48、的一个重要参数。以上的解释方法、对于亲水岩石中含有与水不相混合的轻质油时是适 应的。如果岩石部分亲油、 高粘度重油、天然气、岩石中含某些磁性物质、 甚低的孔隙度地层致的信噪比降低寻孔隙度的精度有时也会有影响。如果表面弛豫作用强烈， T2 正比于孔隙的大小，弛豫测量就反映孔 径的分布，所以，将 T2 分布重新刻度就可以得到岩石的孔隙分布直方图， 因此，用核共振测井可以研究岩石的孔径分布情况。 当地层含多相流体时 石亲水， 水峰将反映岩石的孔径分布， 油对孔径的变化不敏感， 但由于测 井信噪比不高和油水间可存在的相互影响， 核磁共振测井反映分布的能力 会降低。2. 求饱和度一般而言， T2 弛豫分

49、布的幅度与该组分的体积含量有关饱含水的情 况，通过求得各种孔隙度， 可以得到毛细束缚水饱和度、 自由流体饱和度， 与其它孔隙度测井相结合， 可以得到粘土束缚水饱和度 S 及残余水饱和度 S。当两相流体油水共存时设岩石亲水，则油表现出其自由体积的弛豫 值，而水表现出表面弛豫值，测量的 T2 分布将呈现双峰分布，低 T2 峰 对应着润湿性的水， 高 T2 峰对应着轻质油， 通过选择一个合适的门槛值， 可以将油水信号区分开。 不同的地区可能有不同的门槛值。 油水峰下包围 的面积分别为含油和含水的体积。由于仪器的信噪比较低、 油水两相可能存在的相互作用及其它因素影 响，油水峰可能会产生干扰， 特别是对于混合润湿相的情