核磁共振技術(shù)摘要

1、原子核的磁性NMR技術(shù)的基礎(chǔ)是利用原子核自身的磁性及其與外加磁場(chǎng)的相互作用原子核=質(zhì)子+中子=核子 原子序數(shù)=質(zhì)子數(shù)所有含奇數(shù)個(gè)核子或含偶數(shù)個(gè)核子但原子序數(shù)為奇數(shù)的原子核，具有自旋磁矩即具有磁性，如11H、 21H、 31H、 136C、 178O、 199F 、2312Na等。這樣的核，不停旋轉(zhuǎn)，象一根磁棒。11H具有最大的自旋角動(dòng)量和測(cè)量靈敏性，是測(cè)量對(duì)象。沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)，單個(gè)核自旋或核磁矩隨機(jī)取向，系統(tǒng)宏觀上沒(méi)有磁性。NS核磁矩1單自旋核在外磁場(chǎng)中的表現(xiàn)核磁矩在外磁場(chǎng)（由永久磁鐵產(chǎn)生）中，受到力矩的作用，象傾倒的陀螺繞重力場(chǎng)進(jìn)動(dòng)一樣，繞外場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)。對(duì)氫核：=4258Hz/Gauss，在50

2、0Gauss的外加磁場(chǎng)中，共振頻率f=2.13 MHz不同的核具有不同的值，在同一磁場(chǎng)中具有不同的進(jìn)動(dòng)頻率，因此能夠?qū)⒉煌拇判院藚^(qū)分開(kāi)Larmor 頻率 f= BoxzBoy2在外磁場(chǎng)中，整個(gè)自旋系統(tǒng)被磁化，所有核磁矩沿靜磁場(chǎng)方向取向，在宏觀上將產(chǎn)生一個(gè)磁矩和，稱為宏觀磁化矢量M，方向與Bo平行。自旋系統(tǒng)在外磁場(chǎng)中的表現(xiàn)： 宏觀磁化矢量MBoyxzMBo平行100006反平行1000003沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)施加外磁場(chǎng)時(shí)大量核磁矩由無(wú)序變有序排列4 宏觀磁化矢量 宏觀磁化矢量M是測(cè)量區(qū)域內(nèi)的磁性氫核磁矩被靜磁場(chǎng)Bo磁化所形成的，其方向與靜磁場(chǎng)Bo一致。M繞Bo以Larmor頻率進(jìn)動(dòng)。核磁共振測(cè)井的目

3、的是：用相同頻率的射頻脈沖場(chǎng)激發(fā)它，使之產(chǎn)生共振信號(hào)并用線圈加以接收，以獲得有關(guān)的地層信息。5NMR弛豫B1射頻脈沖施加前：自旋系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，M與 Bo方向相同；射頻脈沖施加期間：M與Bo垂直,產(chǎn)生磁共振：核自旋系統(tǒng)吸收外界能量，由低能態(tài)躍升至高能態(tài)；射頻脈沖施加后：M朝Bo方向恢復(fù)，核自旋系統(tǒng)由非平衡時(shí)的高能態(tài)恢復(fù)到平衡時(shí)的低能態(tài)。核自旋系統(tǒng)由非平衡時(shí)的高能態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過(guò)程，稱為弛豫。弛豫的快慢或速率用1/T1或1/T2表示。yxzMBo射頻脈沖場(chǎng)B1頻率=共振頻率6T1和T2弛豫時(shí)間縱向弛豫：過(guò)程中自旋系統(tǒng)內(nèi)部能量發(fā)生變化，自旋與晶格或環(huán)境間進(jìn)行能量交換，把共振時(shí)吸收的能量釋放出來(lái)

4、，又稱自旋-晶格弛豫。橫向弛豫：過(guò)程中自旋系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生能量偶合，總能量不變，磁化矢量進(jìn)動(dòng)由有規(guī)律變?yōu)闊o(wú)規(guī)律，又稱自旋-自旋弛豫。磁共振弛豫過(guò)程：縱向弛豫（T1）和橫向弛豫（T2）MtMtT1弛豫T2弛豫7T2弛豫時(shí)間測(cè)量： CPMG脈沖法脈沖序列：(90o)X (180o)Y echo (180o)Y echo 22TE=290O180O180ORF信號(hào)第一個(gè)自旋回波第二個(gè)自旋回波T2衰減T2*衰減TE -回波串時(shí)間間隔8CPMG脈沖序列信號(hào)第一個(gè)自旋回波第二個(gè)自旋回波T2衰減T2*衰減90oRF脈沖90oRF脈沖180oRF脈沖F SFSFSFS產(chǎn)生自旋-回波9NMR測(cè)量原理NS儀器中的永久

5、磁鐵極化地層孔隙中的氫核施加CPMG脈沖串信號(hào)：90o脈沖，使磁化矢量反轉(zhuǎn)； 180o脈沖，記錄恢復(fù)中的自旋-回波信號(hào)等待氫核磁化矢量恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)最大信號(hào)幅度正比于充滿流體的孔隙度大小信號(hào)衰減時(shí)間 孔隙大小，流體特性 孔隙結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)特性10MRIL-C磁共振成像儀結(jié)構(gòu)頻帶寬BO（r）BO（r）BO=169GaussG=17Gauss/cm166地層磁鐵天線泥漿井壁敏感區(qū)井筒MRIL探頭敏感區(qū)柱殼厚1mm，彼此相隔1mm162411五、測(cè)量結(jié)果及提供的地質(zhì)參數(shù)1、原始數(shù)據(jù)2、原始數(shù)據(jù)的反演3、T2分布的意義4、影響T2的因素-孔隙半徑、 流體粘度12測(cè)井原始數(shù)據(jù)：自旋-回波串時(shí)間,微秒幅度

6、13NMR回波串的反演處理方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的回波串信號(hào)采用多指數(shù)擬合:式中：Ai是與第i個(gè)T2時(shí)間相對(duì)應(yīng)的組分信號(hào)幅度，已刻度成孔隙度單位；T2i的選取可任意，但一般有規(guī)律地選取，按T2i=2i+1的形式取值，即 T2i=4 ms，8 ms，16 ms，32 ms，64 ms，通過(guò)反演，求出各個(gè)Ai的值，以T2i為橫坐標(biāo)，以Ai為縱坐標(biāo)，將各個(gè)T2i下的Ai連成折線，即得到所謂的T2分布譜。14NMR測(cè)井提供的地質(zhì)參數(shù)通過(guò)對(duì)自旋回波串反演，得到下列參數(shù)：橫向弛豫時(shí)間T2分布地層有效孔隙度自由流體體積束縛流體體積連續(xù)的滲透率剖面CMR:SDR 模型: K=C (CMR)4(T2,MEAN,LOG)

7、2MRIL:Coates 模型: K=（MPHI/C）4(MBVM / BVI)2 15典型T2分布16T2分布的意義一般呈雙峰分布，短T2對(duì)應(yīng)的峰是由毛細(xì)管微孔隙中的束縛流體(不可動(dòng)流體)形成的， 長(zhǎng)T2對(duì)應(yīng)的峰是由滲流大孔隙中的自由流體(可動(dòng)流體)形成的。區(qū)分自由流體和束縛流體的界限稱之為T(mén)2截止值。砂巖T2截止值為33ms，灰?guī)r為92ms。T2分布與壓汞資料對(duì)比，可得到與之相對(duì)應(yīng)的孔隙大?。讖剑┓植?。當(dāng)孔隙中只有單相流體存在時(shí)， T2分布的形態(tài)反映巖石的孔隙大?。讖剑┓植?，從而能反映儲(chǔ)集層的巖石物理特性。當(dāng)孔隙中有多相流體存在時(shí)， T2分布的形態(tài)不僅反映巖石的孔隙大?。讖剑┓植?，而

8、且反映流體的類型和特性。當(dāng)油、氣、水的弛豫性質(zhì)差別較大時(shí)，根據(jù)T2分布的形態(tài)和展布情況，可定性地識(shí)別油、氣、水的存在。17巖樣飽含水巖樣被離心甩干18巖樣飽含水巖樣被離心甩干19巖樣飽含水巖樣被離心甩干20巖樣飽含水巖樣被離心甩干21影響2的主要因素WettabilityPore Size & GeometryPore Mineralogy Pore Fluid Diffusivity MagneticsPore Fluid Viscosity22三種弛豫機(jī)制1、巖石顆粒表面弛豫流體分子在孔隙內(nèi)不停地運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散，在每一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，與巖石顆粒表面發(fā)生碰撞： 氫核把能力傳給顆粒表面，對(duì)T1有貢獻(xiàn)

9、； 影響散相過(guò)程的恢復(fù)，對(duì) T2有貢獻(xiàn)。大多數(shù)巖石顆粒表面對(duì)T1和T2具有重要影響?？紫洞笮?S/V)和表面弛豫能力(1、2)在表面弛豫過(guò)程中起重要作用。23巖石顆粒表面弛豫24孔徑大小與T2弛豫時(shí)間關(guān)系充水的孔隙小孔徑：衰減快大孔徑：衰減慢T2-1（S/V）幅度時(shí) 間25T2分布形態(tài)與K的關(guān)系262、體積流體弛豫即使不存在于巖石孔隙內(nèi)，在體積流體內(nèi)也會(huì)發(fā)生弛豫。影響體積弛豫的因素有：流體粘度，溫度，是否含氣。三種弛豫機(jī)制27T2與流體粘度的關(guān)系粘度（CP）T2,log(msec)283、梯度場(chǎng)中分子擴(kuò)散引起的弛豫 使CPMG回波間隔最小,并使磁場(chǎng)梯度較小,可把擴(kuò)散對(duì)T2的影響減小。三種弛豫機(jī)

10、制29總弛豫過(guò)程 對(duì)T2： 對(duì)T1： 三種弛豫機(jī)制30六、測(cè)井解釋模型1、NMR孔隙度解釋模型2、NMR資料處理方法3、綜合流體評(píng)價(jià)和飽和度計(jì)算模型31NMR孔隙度解釋模型骨 架干粘土粘土束縛水毛管束縛水自由流體tMBVIMBVMCMRBVIFFIMPHI32MRIL測(cè)井資料處理方法 第一步：NMR測(cè)井分析 MRILPOST此程序?qū)F(xiàn)場(chǎng)采集的回波串進(jìn)行反演得到T2分布，然后求出核磁共振孔隙度MPHI、束縛流體孔隙度MBVI、可動(dòng)流體孔隙度MBVM及核磁共振滲透率MPERM。 第二步：綜合流體分析 MRAX2該程序是在第一步處理的基礎(chǔ)上,結(jié)合常規(guī)方法測(cè)得的資料（Rt、DEN、CNL等）做進(jìn)一步的

11、油水定量分析。33NMR參數(shù)計(jì)算-MRILPOST孔隙度 即現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的T2回波衰減信號(hào)t=0時(shí)的幅度。束縛流體孔隙度可動(dòng)流體孔隙度計(jì)算滲透率 C為巖心刻度系數(shù)，一般采用巖心刻度給出；在沒(méi)有巖心的情況下，取缺省值C=10。34回波串處理35綜合流體分析MRAX2計(jì)算束縛水飽和度 Swb=(TMRIL)/T 雙水模型計(jì)算陽(yáng)離子交換量Qv Qv=Swb/VQ VQ=0.3（320/(T(ok)+25)） =(SAL/40)0.5 用WaxmanSmits模型計(jì)算SWT36七、NMR的三種測(cè)量方式標(biāo)準(zhǔn)T2測(cè)井 提供儲(chǔ)層巖石物理學(xué)參數(shù)TR測(cè)井方式：差譜分析 直接找油和氣TE或T2D測(cè)井方式：移譜分析 直

12、接找輕質(zhì)油和氣，區(qū)分重油和水37T2弛豫時(shí)間測(cè)量原理時(shí)間射頻B1場(chǎng)回波 MO縱向分量NE個(gè)回波TWTETRT1恢復(fù)周期(s)=2(TW+NETE)TE -回波串時(shí)間間隔Tw-等待時(shí)間38TR方式：直接確定烴類型根據(jù)油、氣、水具有不同的弛豫響應(yīng)特征，采用不同的等待時(shí)間TW（兩個(gè)脈沖序列之間的時(shí)間)進(jìn)行測(cè)量，可反映出流體性質(zhì)在核磁共振響應(yīng)上的差異，以便加以識(shí)別和區(qū)分。短等待時(shí)間Tws：水信號(hào)可完全恢復(fù)，烴不能完全恢復(fù)。長(zhǎng)等待時(shí)間TWL：水信號(hào)可完全恢復(fù)，烴也能完全恢復(fù)。將兩種TW測(cè)得的T2譜相減(差譜)，可基本消除水的信號(hào),突出烴信號(hào)，從而達(dá)到識(shí)別油、氣、水層的目的。39油、氣、水的弛豫時(shí)間墨西哥

13、灣儲(chǔ)層油、氣、水的弛豫時(shí)間測(cè)量條件：儲(chǔ)層溫度93.33, 壓力31MPa 原油粘度0.2mPa.s, 鹽水礦化度120000mg/L 磁場(chǎng)梯度17Gauss/cm40油、氣、水的弛豫時(shí)間勝利油田儲(chǔ)層油、氣、水的弛豫時(shí)間(測(cè)量條件:原油粘度10mPa.s,溫度20,水礦化度3000mg/L)41TW的選取原則TWLT1,gas3T1,waterTWS T1,gas典型選取:TWS=1.5s, TWL=6.0s42差譜分析原理示意圖氣油1 10 100 1000 10000 T2 （ms） 水 油 氣 TWlongTWshortDiff SpectraPOROSITYPOROSITYPOROSIT

14、YTWlongTWshort水434445TE測(cè)井方式：直接找油氣油氣水具有不同的擴(kuò)散系數(shù)，在梯度磁場(chǎng)中對(duì)T2時(shí)間及其分布有不同程度的影響：增加回波間隔TE，將導(dǎo)致T2減小，T2分布將向減小的方向移動(dòng)：氣有最大的擴(kuò)散系數(shù)D， T2減小最厲害；輕質(zhì)油有較大的D， T2減小明顯；水的D比氣和輕質(zhì)油都小， T2減小程度小；重油有最小的擴(kuò)散系數(shù)， T2減小最小。若采用長(zhǎng)、短兩種TE測(cè)井，對(duì)比其T2分布減小的程度，即進(jìn)行所謂的移譜分析，將能夠區(qū)分油氣水。46移譜分析找氣原理示意圖1 10 100 1000 10000 T2 （ms）POROSITYPOROSITY 水 油 氣 TESTELTESTEL水

15、氣油水氣油TE -回波串時(shí)間間隔47移譜分析區(qū)分重油和水原理示意圖1 10 100 1000 T2 （ms）POROSITYPOROSITY 水 油 氣 TESTELTESTEL水油水油TE -回波串時(shí)間間隔48TESminTEL2ms典型選取:TES=1.2ms(min)TEL=2.4,3.6ms,4.8msTE的選取原則49NMR測(cè)井資料的應(yīng)用儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算復(fù)雜巖性油藏評(píng)價(jià)流體性質(zhì)識(shí)別完井及鉆井方案的確定50準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?chǔ)層孔隙度巖心分析孔隙度測(cè)井孔隙度51準(zhǔn)確估算滲透率巖心分析滲透率計(jì)算滲透率52復(fù)雜巖性儲(chǔ)層飽和度評(píng)價(jià)埕北302井53商745井火成巖孔隙度估算54稠油水淹油藏評(píng)價(jià)55低阻儲(chǔ)層評(píng)

16、價(jià)與下面的一層合試，日產(chǎn)油19噸，不含水。56識(shí)別小差異電阻率儲(chǔ)層57薄互層評(píng)價(jià)E、F、G三層合試，日產(chǎn)油8.4方，不含水。58礫巖油藏評(píng)價(jià)59低孔隙儲(chǔ)層溶孔和裂縫識(shí)別60差譜識(shí)別油氣層61差譜識(shí)別油水層62移譜識(shí)別油層18051820.4試油初產(chǎn)120噸/日63移譜識(shí)別水層1930.4 1932米測(cè)試:日產(chǎn)液55.6方,油5.6噸64完井方案的確定-單143井65鉆井決策的確定-王平1井AB66結(jié)論為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供更精確的地質(zhì)參數(shù)，如孔隙度、滲透率、飽和度等。針對(duì)火成巖復(fù)雜巖性非均質(zhì)儲(chǔ)層，也能獲取準(zhǔn)確的地層孔隙度，劃分有效的滲透層和定性確定孔隙結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)層流體的流動(dòng)能力。有效識(shí)別砂泥巖剖面的低電

17、阻細(xì)砂巖儲(chǔ)層及薄互層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，束縛流體體積，區(qū)分水層和低阻油層。識(shí)別小差異電阻率儲(chǔ)層。67九、推廣NMR測(cè)井應(yīng)注意的問(wèn)題和建議實(shí)例表明核磁共振共振測(cè)井具有一些常規(guī)測(cè)井所不具備的優(yōu)點(diǎn)，信息量豐富，資料解釋方便直觀，應(yīng)用潛力大。與常規(guī)測(cè)井結(jié)合進(jìn)行綜合解釋，可改進(jìn)對(duì)地層流體性質(zhì)評(píng)價(jià)的可靠性。但核磁共振測(cè)井畢竟是一種單項(xiàng)相方法，并且井眼條件、巖性、深度等測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定的影響，因此有它的局限性，再有它也要求依賴巖心實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)對(duì)它進(jìn)行有效的刻度。根據(jù)近來(lái)對(duì)十幾口井資料的分析，建議在今后的推廣使用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：68問(wèn)題和建議1、目前使用的兩種核磁共振儀器CMR、MRIL，由于儀器

18、的結(jié)構(gòu)、測(cè)井的方式和在地下所建立的人工磁場(chǎng)的差異，所以對(duì)測(cè)井的井筒條件要求也不同。CMR儀是貼井壁測(cè)量，受井眼、侵入的影響非常敏感，在使用差譜、移譜觀測(cè)方式測(cè)量效果方面不如MRIL儀好。MRIL是居中測(cè)量，探測(cè)深度是CMR十幾倍。但它的探測(cè)半徑受溫度的影響，通常溫度增高，造成磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)梯度）減弱，相應(yīng)的使探測(cè)半徑減小。建議在進(jìn)行核磁共振測(cè)井時(shí)，保障正常的井眼，最大井眼尺寸不超過(guò)10英寸。69問(wèn)題和建議2、在計(jì)算束縛流體體積和滲透率的模型中，影響其計(jì)算精度的主要參數(shù)一個(gè)是T2截止值和校正系數(shù)C，在沒(méi)有巖心數(shù)據(jù)的時(shí)候，可選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)值。這兩個(gè)參數(shù)在有條件的情況下最好由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)加以刻度。70問(wèn)題和建議3、核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集的信噪比是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。正常要保證大于20。4、地層中的一些順磁物質(zhì)（磁鐵礦、含鐵物質(zhì)）會(huì)對(duì)核磁共振信號(hào)造成影響。另外砂泥薄互層、非均質(zhì)性儲(chǔ)層也會(huì)對(duì)T2分布譜造成影響，影響判斷流體的性質(zhì)。71問(wèn)題和建議5、差譜、移譜測(cè)井方式在深層、低孔、低滲的儲(chǔ)層應(yīng)用效果不如在中、淺層、中孔、中滲的砂巖效果好。鑒于上述一些客觀因素，在應(yīng)用過(guò)程中要加以注意，避免上述的局限，同時(shí)注意發(fā)揮核磁共振的優(yōu)勢(shì)，更好的為勘探和開(kāi)發(fā)服務(wù)。72十、NMR測(cè)井 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1994年SPWLA在美新墨西哥州召開(kāi)“核磁共振在測(cè)井中的