核磁共振测井理论及应用

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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，VarianSchlumberger-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，仪器使用一些大线圈和强电流，在

2、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

3、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LosAlamos国家实验室JasperJackson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，MelvinMiller博士在美国创办了NU－MAR公司，他们综合了“INSIDE－OUT”概念和MAR技术同时，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

4、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B0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。B0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。B0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，

5、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

6、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、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

7、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