第一章-CMR测井技术及应用

核磁共振成象测井技术……-1-核磁共振测井(NMR)技术及应用核磁共振测井(NMR)技术及应用主讲：陈科贵核磁共振测井新技术绪论核磁共振成象测井技术……-4-问题的提出：多年来，储层孔隙度测井评价一直靠AC,CNL,DEN三条曲线来进行，他们只能给出一般简单的孔隙度，且这种孔隙度值常受岩性的影响。中子测井和声波测井不仅受岩石骨架的影响，而且更重要的是易受泥质的影响，此外密度测井易受井眼的影响。上个世纪90年代，一种全新的孔隙度测井方法----核磁共振测井诞生了并被成功地应用到石油勘探开发方面，该测井具有常规孔隙度测井所无法比拟的优势（独特的魅力）：基本不受岩石骨架岩性的影响，可以准确地给出各种孔隙度参数，准确地区分不同的孔隙度成分，如自由流体孔隙度、毛细管孔隙度、粘土束缚水孔隙度及微孔隙度等。核磁共振成象测井技术……-5-核磁共振测井的发展概况：1)1945年发现了核磁共振现象；to1991年有12位科学家在此方面作出了卓越贡献，应用领域广阔；2)50年代有人建议探讨开发NMR的可能性，60年代研制出样机，1978年美国Jasper博士提出合理的建议，1983年MillerDr.创办Numar公司设计开发了MRIL,于1991年７月正式投入油田服务。Schlumber1995年将CMR推向商业服务；3)前苏联于60年代初期开始研制它，1972年投入生产使用，90年代研制了RMK923型仪器(普遍使用)。4)我国1985年成立了实验室，目前各油田引进NUMAR核磁共振成象测井技术……-6-公司仪器、schlumberger公司仪器，可以提供解释和服务。90年代，核磁共振测井在四个方面取得了明显的进展：1)缩小回波间隔TE,增加对粘土孔隙度的测量，成为全孔隙度测量仪；2)生产出随钻核磁测井，可以及时获取井下地层原始数据；3)增加发射双频或多频共振频率，为真正的径向核磁成象测井创造了条件；4)提高了仪器的纵向分辨率、信噪比和测井速度。NMR经过近60年的发展，可以提供十分丰富的地层信息，能够定量确定各种孔隙度、孔径分布和渗透率参数。测量结果不受泥浆、泥饼及侵入与岩性的影响。在注水开发….从核磁共振的物理基础出发，介绍其测井原理、测井仪器、解释方法及其在各方面的成功应用。第一二节核磁共振的测井基础及物质的驰豫特征请同学们在查阅资料时，考虑这样几个问题：1）核磁共振测井的理论基础是什么？核磁共振测井测量的是地层孔隙介质中氢核对仪器的贡献吗?2)什么叫横向驰豫、纵向驰豫过程？T1、T2表示什么时间？横向、纵向驰豫过程的测量分别采用什么方法？3)组合式核磁共振仪CMR的测量方式有哪３种？4)地层中的氢核的驰豫方式有哪三种？Why核磁共振测井不受岩性影响？1/T2=?,1/T1=?(加权机制）问题提出◆核磁共振测井的现状随着油气勘探难度的不断加大，人们对测井技术提出了更高要求。正是在这种情况下核磁共振测井技术应运而生，并受到石油勘探开发工作者的高度重视并被寄予厚望。尤其是近十几年来，它已成为整个全球测井界关注的热点，代表着当今世界测井高新技术的前沿，其优越性更是令人瞩目。◆核磁共振测井的优势核磁共振测井基本不受岩石成分的影响，并以此为特色而区别于其它测井方法。目前，国内外多利用人工磁场极化地层介质的原子核，激发出脉冲式高频电磁波使核产生共振吸收，然后测量地层介质释放的共振吸收能量，从而识别地层介质。核磁共振测井作为一种全新的测井方法可以直观而准确地提供储层的有效孔隙度、渗透率、束缚水饱和度等参数，结合常规测井可求出含水饱和度，能有效地识别出油、气、水层。不仅如此，它还包含着储层孔径大小分布等各种信息，能够通过T2cutoff值区分可动流体体积和毛管束缚流体体积，进而深入地反映储层的孔隙结构。这些特点都是常规测井方法无可比拟的。（一）核磁共振现象•核有磁性，没有外磁场作用，宏观上没有磁性。（一）核磁共振现象•在外磁场Ｂ0作用下，产生宏观磁化量M0。•进动频率ω0=γB0•在垂直Ｂ0方向上加交变磁场•频率ω=ω0=γB0•发生核磁共振现象。•M被扳倒。•弛豫（交变磁场作用完）Ｔ１;Ｔ２•极化•自旋回波测量•井中测量（三）核磁共振测井资料处理•核磁共振测井信息：•核磁共振测井测的是氢核的共振信号大小及其衰减速率•Φ∝Hv∝A•２岩石弛豫机理（三）核磁共振测井资料处理•核磁共振测井处理•Ｔ2分布（四）核磁共振测井特点•只对氢核的磁共振信号观测，其它核无影响；•只测量流体中的氢核响应，没有骨架影响；•只测量距井眼一定距离孔隙流体中的氢核响应，无井眼影响。应用1)提供连续K2)确定束缚水体积3)提供自由流体体积4)薄层识别5)孔隙度不受岩性影响6)烃检测/低阻带仪器指标核磁共振成象测井技术……-20-CMR孔隙度与岩性无关。斯仑贝谢--渗透率公式其他公司（四）核磁共振测井特点（五）核磁共振测井解释模型•孔隙度模型•渗透率模型一、孔隙度模型储层参数解释模型的建立TmaxФCMR=∫S(T2)dT2（1）TminФB=ФCMR－Фf（2）二、渗透率模型储层参数解释模型的建立1、斯仑贝谢公式：K=C·（ФCMR）a1·（T2log）a2T2log为T2的对数平均值，对砂岩地层，通常取a1=4，a2=2。2、Coats公式:K=C·ФCMRb1[Фf/Фb]b2上面两式中的C都由实验室得到,经验值为10。也可将计算的K值与岩心分析的K值对比，调整C的值，直到两组数据匹配一致为止。对砂岩地层，a1=4,a2=2,b1=4,b2=2。以上两类公式的区别在于第一类对烃影响敏感，对含烃地区不适用，第二类受烃影响小。三、含水饱和度模型储层参数解释模型的建立2.结合常规测井资料用阿尔奇模型求取含水饱和度:3.双水模型：4.Waxman—Smits模型：1.对T2积分可求取含水饱和度：maxmin2min2222)()(TTTTcapdTTSdTTSScutoffmaxmin2222max2)()(TTTTwfdTTSdTTSScutoffWnwmttRSR11])([11wcwwbwnwtmttCCSwtSCSaR]1[11WTVWnWTmttSQBRSaR用核磁共振测井资料评价储层孔隙结构四、基于CMR资料研究储层孔隙结构1、岩心毛管压力资料和核磁共振室内测量资料对比2、孔径分布比较用核磁共振测井资料评价储层孔隙结构3、T2分布与孔隙结构参数之间的关系由CMR确定理想位置再进行MDT测压分析/K拟合较理想。核磁共振成象测井技术……-32-核磁共振测井测量的是氢核的共振信号及其衰减速率（驰豫速率），显然，信号的大小反映氢核的多少，也就反映了地层中流体的含量。驰豫速率除与流体本身的驰豫特性有关外，还要受流体与岩石骨架表面的相互作用及孔隙的面体比的影响。横向驰豫速率还与磁场不均匀性和流体的扩散特性有关。对于孔隙中只含有单相流体时，横向驰豫时间T2可表示为：1/T2=1/T2B+1/T2S+1/T2D式中：T2B—体积驰豫,T2S—表面驰豫,T2D—扩散驰豫有扩散引起的T2可用下式表示：1/T2D=（γGTE）2*D/12式中：γ-质子的旋磁比G--磁场梯度（17-20*10-4T/CM）,TE---回波间隔,D---流体扩散系数：核磁共振成象测井技术……-33-表面相互作用影响的大小，即1/T2S，实验和理论分析表明它可以表示为：1/T2S=ρ2*（S/V）式中：S---单位孔隙的表面积,V---单位岩石中孔隙体积,ρ2---表面驰豫强度，表征岩石颗粒表面驰豫能力S/V---孔隙比表面因此，1/T2=1/T2B+ρ2*（S/V）+（γGTE）2*D/12，在没有磁场强度或GTE很小，扩散相对观测驰豫时间的贡献可以忽略。并且，在一般情况下，体积驰豫会比表面驰豫慢得多，1/T2B也可以忽略，此时有核磁共振成象测井技术……-34-1/T2=1/T2S=ρ2*（S/V）（5）V/S=ρ2*T2S（6）由（5）是可以看出，孔隙内流体的驰豫时间和孔隙空间大小及形状有关。孔隙越小，比表面越大，表面相互作用对孔隙流体驰豫的影响也越大，T2S的值也越小，观察到的T2也越短。所以，利用对T2驰豫时间的测量可以评价孔隙的大小。（6）式中V/S的值取决于孔隙的形状。对于典型的球形孔、管型孔、以及板状孔，V/S的值分别为d/6,d/4,d/2，d为孔隙的直径（对球形孔、管形孔）或板状孔的宽度。横向表面驰豫强度ρ2为常数，一般为1μm/s≤ρ2≤30μm/s。所以，横向驰豫时间T2豫孔隙直径d有了对应关系，这一关系已被证实。孔隙内的流体按所处的位置可分为两部分：一部分是处于孔壁附近的一薄层内，厚度约1nm。此范围内的流体部分丧失迁移能力，成为束缚水。它们的扩散受到孔壁的限制，并不断与孔壁发生相互作用，由于孔壁顺磁中心的存在等因素，使该区域内氢的驰豫时间变短，该区域称为慢驰豫区。另一部分是孔隙腔体，它称为快驰豫区。这两个区域的氢由于流体分子的扩散运动而发生强烈的交换，并不断地混合，实际测得的是岩石孔隙内各种驰豫的总效应。当地层中的孔隙大小不均匀时，不同尺度的孔隙，其中流体呈现各种不同的驰豫时间，实际观测到的自旋回波串的衰减是各种不同驰豫时间的总效应。通过对实测的自旋回波衰减曲线进行最小二乘非线性拟合，就可求得地层中各种驰豫时间所对应的体积。核磁共振成象测井技术……-36-由于不同尺度的孔隙（粘土孔隙、微孔隙、小孔隙、大孔隙、长的T2分布孔隙等）对应于不同的驰豫时间，而且实际测得的T2分布是各种不同驰豫时间的总效应。因此，利用T2分布可以评价孔径的大小。在实际应用中，只需选取不同的T2截止值，通过计算T2分布谱的积分面积即可得到不同大小孔隙的孔隙度。粘土孔隙、微孔隙、小孔隙、大孔隙、长的T2分布孔隙等所对应的T2截止值可以通过岩心实验测得。对于典型的球形孔、管形孔等的T2截止值如前所述与孔隙的直径有关。在实际应用中，当储层含油时，由于油的T2分布受粘度以及分子特性的影响而变化（不同粘度的油有不同的驰豫时间），有它自己的T2分布，因而储层含油时，T2分布不能反映孔径分布。渡4井CMR孔隙尺寸分析成果图渡4井不同回波间隔时的CMR孔隙度和T2分布渡4井不同回波间隔时的CMR气检测结果大宛109井CMR与常规测井组合图可动流体514.0-518.5:油:0.48方/日水:1.41方/日527.5-529.5:油:0.30方/日水:21.8方/日大宛106井CMR与常规测井组合图可动流体束缚流体塔中164井CMR与常规测井组合图油水界面3864米结论与建议1．核磁共振测井基本不受岩性影响，能够测量束缚水孔隙度和可动流体孔隙度。核磁共振测井主要通过T2分布谱来计算各种孔隙度。在T2谱上我们只需确定一个截止值（T2cutoff）就可以区分束缚流体和可动流体。全部T2分布的积分面积可视为CMR；大于T2cutoff的组分下面包围的面积即为可动流体孔隙度ｆ；小于T2cutoff的组分下面的面积即为束缚水孔隙度b。2．用核磁共振测井求取储层物性参数和研究储层孔径分布情况是可行的，但存在一定的局限性与适应性，即①储层物性应该足够好(孔隙度≥8%）；②井眼环境有利；③测井参数选择必须恰当。对于新区新层，建议选择多套测井参数进行测量；④由于核磁共振测井探测深度比较浅，当泥浆侵入过深时，势必造成地层流体信号的大大减弱。这时，单纯用核磁共振测井判别储层流体性质必然存在片面性，最好结合常规测井资料进行解释。3．核磁共振测井能够通过T2cutoff值区分可动流体体积和毛管束缚流体体积，进而深入地反映储层的孔隙结构。T2分布与孔隙结构之间存在很好的对应关系（孔喉半径、喉径均值、分选系数、均质系数、K/φ、排驱压力、中值压力等）；利用K/φ与孔隙结构参数的关系，可以有效地指导现场生产。4．通过对Tuo133井处理与解释分析，可以看出：核磁共振测井在低电阻率油层及低孔隙度储层识别等方面具有较大的优越性。但是，我们也应该明白，核磁共振测井不是万能的，必须与常规测井相结合才能更好地