現代核磁共振測井儀器的應用之電子技術(shù)
【摘要】目前國內基本應用的核磁共振測井儀器主要有三種：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，是針對那些希望獲得有關(guān)核磁共振儀器在地層評價(jià)能力方面知識的非本行業(yè)專(zhuān)家們需要，其目的是為了闡明基本測量原理和解釋必須了解的核磁共振地層評價(jià)技術(shù)，并且論述了應用方法。斜嘴鉗 | 光功率計 | 轉速表 | 酸堿度計 | 沼氣檢測儀 | 氣體檢測儀 | 驗電筆 | 其它儀器 | 采樣儀 | 記錄儀 | 毒性氣體 | 煙氣分析儀 | 光度計 | 電工鉗 | 頻譜分析儀 | 水份儀
　　1論文前言
　　20世紀90年代采用脈沖核磁共振測井儀器，為石油工業(yè)提供了分析儲層流體、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適應，以便評價(jià)勘探開(kāi)發(fā)更復雜的油氣藏。脈沖核磁共振儀器具有廣泛、新穎和獨特的地層評價(jià)用途，并且這項技術(shù)自從其創(chuàng )始以來(lái)已迅速發(fā)展。
　　核磁共振(NMR)測井的現代階段可以追溯到1978年在洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國家實(shí)驗室創(chuàng )始的一個(gè)核磁共振裸眼測井研究項舀。該項目的部分目標是制造和試驗一種能克服核磁測井儀器缺點(diǎn)的井眼核磁共振測井儀器。洛斯阿拉莫斯實(shí)驗儀器使用了強永久磁鐵，并且完成了脈沖核磁共振自旋回波測量，像現代實(shí)驗室核磁共振儀器裝置中所使用的那些儀器那樣這些測量方法的價(jià)值是它極其靈活，并且能夠特制以便適臺于許多不同的地層評價(jià)應用。
　　洛斯阿拉莫斯漢器已證明了其可用性，但是不能滿(mǎn)足工業(yè)儀器需要，因為信噪比較低，并且磁鐵和討頻線(xiàn)圈設計引起一種巨大的井眼信號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，并且斯倫貝謝公司著(zhù)手始獨立研究，努力設計適合于工業(yè)性核磁共振測井測量的核磁共振磁鐵和射頻天線(xiàn)。
　　這些儀器都大大優(yōu)越于核磁測井儀器，并且很快在地層評價(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成部分。哈衛伯頓公司和斯倫貝謝公司分別于2000年和2002年采用了隨鉆測井儀。
　　2現代核磁共振測井儀器的應用
　　2．1脈沖核磁共振測井儀器。傳感器(即磁鐵和天線(xiàn))是脈沖核磁共振測井儀器的心臟部分。它對重要的儀器特性方面有顯著(zhù)影響，包括信噪比、最小回波跨距、探測深度、測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計。更深一層的區別是電子線(xiàn)路、操作系統、脈沖程序、數據處理和解釋算法。關(guān)于核磁共振儀器的詳細技術(shù)規范可在業(yè)務(wù)公司網(wǎng)址上查出。
　　2．2測量原理。核磁共振測量包括兩個(gè)步驟：第一步是造成儲層流體的一種凈磁化作用。當測井儀器通過(guò)井眼移動(dòng)時(shí)，磁的磁場(chǎng)向量，極化了儲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(zhù)方向的，稱(chēng)為縱向磁化。在井眼附近區域內(在井壁的幾時(shí)內)的幅度一般為幾百個(gè)高斯。的幅度隨著(zhù)與磁鐵的徑向距離增大而減小，在整個(gè)測量體中產(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層中流體在受到作用之前，氫原子核的磁矩是隨機定向的，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按指數增長(cháng)。表征磁化作用按指數增加特性的時(shí)間常數是縱向松弛時(shí)間，稱(chēng)為。在磁化作用時(shí)間當中磁化的增加。
　　在儲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)的復雜組成和孔隙大小分布。以極化時(shí)間至少等于最長(cháng)的三倍來(lái)保證達到充分的磁化。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(zhù)極化時(shí)間，立即對地層施加一系列射頻脈沖。第一次射頻脈沖稱(chēng)為“90脈沖”，因為它旋轉磁化向量，此向量開(kāi)始平行于，轉入橫向平面垂直于。一旦磁化作用是在橫向平面內，它圍繞旋轉，在同一天線(xiàn)內產(chǎn)生一種隨時(shí)間變化信號，用于造成脈沖。一種核磁共振自由感應衰減(FID))信號在90脈沖之后立即首先出現，但是衰減太快以致不能檢測到。接著(zhù)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。記錄每對180脈沖之間的自旋回波。此信號之所以稱(chēng)為“回波”是因為其在每對180脈沖之間的中點(diǎn)達到最大振幅，然后在接續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井程序。自旋回波信號呈指數衰減的包絡(luò )線(xiàn)具有時(shí)間常數的特性，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(zhù)9O脈沖)是等于核磁共振導出的總孔隙度，假設流體的含氫指數等于1。
　　關(guān)于一種核磁共振儀器的重要技術(shù)規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)可以用儀器測量。為了在含粘土夾層和小孔隙水的地層中精確和可重復測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量中，經(jīng)過(guò)1秒的周期采集數以千計的回波�；夭〝等�決于預計的地層松弛時(shí)間。在具有長(cháng)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)，為了精確測量分布中的長(cháng)值，需要更多回波。實(shí)際上在儀器的磁場(chǎng)梯度中分子的擴散引起一種附加的T2擴散衰減機理，其在最長(cháng)方面影口向的上限可以測量出來(lái)�？v向上松弛時(shí)間是不受擴散影響的。
　　2．3正進(jìn)行的研究和可能的將來(lái)應用。從用核磁共振推導巖石潤濕性方法方面近期不斷進(jìn)展的研究，看來(lái)是有前途的。希望這項工作將導致可用于推導潤濕性的井下技術(shù)的誕生。另一種有前途的研究領(lǐng)域是利用核磁共振測量測算儲層流體的壓力、體積、溫度(PVT)性質(zhì)�？梢灶A見(jiàn)的是，這項研究最后將導致用這種技術(shù)預測地層內流全的PVT性質(zhì)(即高壓物性)，包括原油的分子組成在內。這種方法將對改進(jìn)常規的地層評價(jià)和完井結果有重大作用。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散測量更好地確定巖石和／或孔隙空間的連通性和結構。這種研究有助于更好地了解復雜儲層中的生產(chǎn)能力。
　　進(jìn)一步窺視將來(lái)，使用與醫學(xué)中軟細胞組織成象的核磁共振相同方式利用核磁共振方法使儲層中流體成象是可能的。在遠隔的層位上應用光譜學(xué)測井是可能的。比如對地層原油中脂肪族與芳香比例的原地測量。
　　3論文結語(yǔ)
　　核磁共振測井是70世紀60年代期間第一次采用的，當時(shí)核磁測井儀器是用于地磁場(chǎng)中進(jìn)行不含原油領(lǐng)先測量的。核磁測井儀器在80年代晚期從服務(wù)中退役�，F代脈沖核磁共振儀器是在90年代早期采用的，并且這項技術(shù)已經(jīng)對地層評價(jià)發(fā)揮了重大作用。