現(xiàn)代核磁共振測(cè)井儀器的應(yīng)用之電子技術(shù) 【摘要】目前國(guó)內(nèi)基本應(yīng)用的核磁共振測(cè)井儀器主要有三種：Schlumberger公司的CMR儀器，Bakerhughs公司的MREX儀器，Halliburton公司的MRIL-P儀器。本文電子技術(shù)論文概述核磁共振(NMR)目前最新的工藝水平，是針對(duì)那些希望獲得有關(guān)核磁共振儀器在地層評(píng)價(jià)能力方面知識(shí)的非本行業(yè)專(zhuān)家們需要，其目的是為了闡明基本測(cè)量原理和解釋必須了解的核磁共振地層評(píng)價(jià)技術(shù)，并且論述了應(yīng)用方法。
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水份儀 1論文前言
20世紀(jì)90年代采用脈沖核磁共振測(cè)井儀器，為石油工業(yè)提供了分析儲(chǔ)層流體、巖石和流體與巖石相互影響方面唯一的、甚至是革命性的新方法。這項(xiàng)技術(shù)的采用恰好適時(shí)。這正好與7O年代以后產(chǎn)量迅速遞減而鉆進(jìn)突然增加，迫切需要新儀器的形勢(shì)適應(yīng)，以便評(píng)價(jià)勘探開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的油氣藏。脈沖核磁共振儀器具有廣泛、新穎和獨(dú)特的地層評(píng)價(jià)用途，并且這項(xiàng)技術(shù)自從其創(chuàng)始以來(lái)已迅速發(fā)展。
核磁共振(NMR)測(cè)井的現(xiàn)代階段可以追溯到1978年在洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始的一個(gè)核磁共振裸眼測(cè)井研究項(xiàng)舀。該項(xiàng)目的部分目標(biāo)是制造和試驗(yàn)一種能克服核磁測(cè)井儀器缺點(diǎn)的井眼核磁共振測(cè)井儀器。洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)儀器使用了強(qiáng)永久磁鐵，并且完成了脈沖核磁共振自旋回波測(cè)量，像現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室核磁共振儀器裝置中所使用的那些儀器那樣這些測(cè)量方法的價(jià)值是它極其靈活，并且能夠特制以便適臺(tái)于許多不同的地層評(píng)價(jià)應(yīng)用。
洛斯阿拉莫斯?jié)h器已證明了其可用性，但是不能滿(mǎn)足工業(yè)儀器需要，因?yàn)樾旁氡容^低，并且磁鐵和討頻線(xiàn)圈設(shè)計(jì)引起一種巨大的井眼信號(hào)證明了這種儀器的可用性之后不久，1983年被一個(gè)努莫爾(Numar)公司發(fā)現(xiàn)，并且斯倫貝謝公司著手始獨(dú)立研究，努力設(shè)計(jì)適合于工業(yè)性核磁共振測(cè)井測(cè)量的核磁共振磁鐵和射頻天線(xiàn)。
這些儀器都大大優(yōu)越于核磁測(cè)井儀器，并且很快在地層評(píng)價(jià)方面見(jiàn)到效果。自從第一次采用工業(yè)性?xún)x器以來(lái)，兩個(gè)公司已經(jīng)采用了先進(jìn)的核磁共振電纜式起下儀器，及隨鉆測(cè)井核磁共振儀器。1997年努莫爾公司出售給哈里伯頓公司，并且作為一個(gè)完全擁有的子公司經(jīng)營(yíng)至今。2001年哈里伯頓公司采用的一種核磁共振流體分析器是其電纜式流體取樣下井儀器的構(gòu)成部分。哈衛(wèi)伯頓公司和斯倫貝謝公司分別于2000年和2002年采用了隨鉆測(cè)井儀。
2現(xiàn)代核磁共振測(cè)井儀器的應(yīng)用 2．1脈沖核磁共振測(cè)井儀器。
傳感器(即磁鐵和天線(xiàn))是脈沖核磁共振測(cè)井儀器的心臟部分。它對(duì)重要的儀器特性方面有顯著影響，包括信噪比、最小回波跨距、探測(cè)深度、測(cè)井速度和垂向分辨能力。通用的儀器全都有某些不同的
傳感器設(shè)計(jì)。更深一層的區(qū)別是電子線(xiàn)路、操作系統(tǒng)、脈沖程序、數(shù)據(jù)處理和解釋算法。關(guān)于核磁共振儀器的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范可在業(yè)務(wù)公司網(wǎng)址上查出。
2．2測(cè)量原理。核磁共振測(cè)量包括兩個(gè)步驟：第一步是造成儲(chǔ)層流體的一種凈磁化作用。當(dāng)測(cè)井儀器通過(guò)井眼移動(dòng)時(shí)，磁的磁場(chǎng)向量，極化了儲(chǔ)層中流體的氫原子核，產(chǎn)生一種凈磁化作用。磁化作用是沿著方向的，稱(chēng)為縱向磁化。在井眼附近區(qū)域內(nèi)(在井壁的幾時(shí)內(nèi))的幅度一般為幾百個(gè)高斯。的幅度隨著與磁鐵的徑向距離增大而減小，在整個(gè)測(cè)量體中產(chǎn)生一種磁場(chǎng)梯度，或梯度分布。如在下面所述，磁場(chǎng)梯度用于鑒別和表征儲(chǔ)層中流體在受到作用之前，氫原子核的磁矩是隨機(jī)定向的，因而流體的凈磁化作用為零。在極化時(shí)間期間，磁化作用朝向其平衡值M按指數(shù)增長(zhǎng)。表征磁化作用按指數(shù)增加特性的時(shí)間常數(shù)是縱向松弛時(shí)間，稱(chēng)為。在磁化作用時(shí)間當(dāng)中磁化的增加。
在儲(chǔ)層巖石中值的分布是描述磁化過(guò)程所必須的。分布反映出在沉積巖中烴類(lèi)的復(fù)雜組成和孔隙大小分布。以極化時(shí)間至少等于最長(zhǎng)的三倍來(lái)保證達(dá)到充分的磁化。如果極化時(shí)間太短，則核磁共振得出的孔隙度低估了真實(shí)地層孔隙度。
接著極化時(shí)間，立即對(duì)地層施加一系列射頻脈沖。第一次射頻脈沖稱(chēng)為“90脈沖”，因?yàn)樗D(zhuǎn)磁化向量，此向量開(kāi)始平行于，轉(zhuǎn)入橫向平面垂直于。一旦磁化作用是在橫向平面內(nèi)，它圍繞旋轉(zhuǎn)，在同一天線(xiàn)內(nèi)產(chǎn)生一種隨時(shí)間變化信號(hào)，用于造成脈沖。一種核磁共振自由感應(yīng)衰減(FID))信號(hào)在90脈沖之后立即首先出現(xiàn)，但是衰減太快以致不能檢測(cè)到。接著90脈沖是一系列最后間隔180脈沖，是用于再聚焦氫原子核的磁矩，以便形成偶合的自旋回波信號(hào)。記錄每對(duì)180脈沖之間的自旋回波。此信號(hào)之所以稱(chēng)為“回波”是因?yàn)槠湓诿繉?duì)180脈沖之間的中點(diǎn)達(dá)到最大振幅，然后在接續(xù)脈沖之前迅速衰減到零。重新聚焦磁距產(chǎn)生下一次回波。
射頻脈沖和伴隨的自旋回波是已知作為卡爾-珀塞爾-梅布姆-吉爾(Gxrr-Purcell-Meiboom-Gil1)程序(CPMG)。這是最廣泛使用的核磁共振測(cè)井程序。自旋回波信號(hào)呈指數(shù)衰減的包絡(luò)線(xiàn)具有時(shí)間常數(shù)的特性，已知作為彎曲或自旋回波松弛(即衰減)時(shí)間。自旋回波衰減曲線(xiàn)的幅度外推返回到零時(shí)間(緊接著9O脈沖)是等于核磁共振導(dǎo)出的總孔隙度，假設(shè)流體的含氫指數(shù)等于1。
關(guān)于一種核磁共振儀器的重要技術(shù)規(guī)范是其最小回波間隔。最小回波間隔起一種重要作用，與信噪比一起，在確定感光性界限(最短值)時(shí)可以用儀器測(cè)量。為了在含粘土夾層和小孔隙水的地層中精確和可重復(fù)測(cè)量核磁共振總孔隙度，短的最小回波間隔是必要的(即關(guān)于測(cè)量的值比3ms時(shí)間更短)。通用儀器的最小回波間隔范圍約從0．2ms到1．2ms。
在一種典型的核磁共振測(cè)量中，經(jīng)過(guò)1秒的周期采集數(shù)以千計(jì)的回波�；夭〝�(shù)取決于預(yù)計(jì)的地層松弛時(shí)間。在具有長(zhǎng)松弛時(shí)間的地層中(即地層中具有輕質(zhì)油或巖層具有大孔隙和／或孔洞)，為了精確測(cè)量分布中的長(zhǎng)值，需要更多回波。實(shí)際上在儀器的磁場(chǎng)梯度中分子的擴(kuò)散引起一種附加的T2擴(kuò)散衰減機(jī)理，其在最長(zhǎng)方面影口向的上限可以測(cè)量出來(lái)。縱向上松弛時(shí)間是不受擴(kuò)散影響的。
2．3正進(jìn)行的研究和可能的將來(lái)應(yīng)用。從用核磁共振推導(dǎo)巖石潤(rùn)濕性方法方面近期不斷進(jìn)展的研究，看來(lái)是有前途的。希望這項(xiàng)工作將導(dǎo)致可用于推導(dǎo)潤(rùn)濕性的井下技術(shù)的誕生。另一種有前途的研究領(lǐng)域是利用核磁共振測(cè)量測(cè)算儲(chǔ)層流體的壓力、體積、溫度(PVT)性質(zhì)。可以預(yù)見(jiàn)的是，這項(xiàng)研究最后將導(dǎo)致用這種技術(shù)預(yù)測(cè)地層內(nèi)流全的PVT性質(zhì)(即高壓物性)，包括原油的分子組成在內(nèi)。這種方法將對(duì)改進(jìn)常規(guī)的地層評(píng)價(jià)和完井結(jié)果有重大作用。還有，前景看好的研究工作正在進(jìn)行中，以便利用核磁共振擴(kuò)散測(cè)量更好地確定巖石和／或孔隙空間的連通性和結(jié)構(gòu)。這種研究有助于更好地了解復(fù)雜儲(chǔ)層中的生產(chǎn)能力。
進(jìn)一步窺視將來(lái)，使用與醫(yī)學(xué)中軟細(xì)胞組織成象的核磁共振相同方式利用核磁共振方法使儲(chǔ)層中流體成象是可能的。在遠(yuǎn)隔的層位上應(yīng)用光譜學(xué)測(cè)井是可能的。比如對(duì)地層原油中脂肪族與芳香比例的原地測(cè)量。
3論文結(jié)語(yǔ)
核磁共振測(cè)井是70世紀(jì)60年代期間第一次采用的，當(dāng)時(shí)核磁測(cè)井儀器是用于地磁場(chǎng)中進(jìn)行不含原油領(lǐng)先測(cè)量的。核磁測(cè)井儀器在80年代晚期從服務(wù)中退役�，F(xiàn)代脈沖核磁共振儀器是在90年代早期采用的，并且這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)對(duì)地層評(píng)價(jià)發(fā)揮了重大作用。
業(yè)務(wù)：