核磁共振测井

何宗斌长江大学地物学院核磁共振测井一核磁共振现象二核磁共振测井三物质的驰豫特征四核磁共振测井资料处理五核磁共振测井解释资料解释六核磁共振测井资料处理系统七核磁共振测井资料应用核——原子核磁——磁场核磁共振（NMR）——原子核在磁场中的响应为什么原子核在磁场中会发生响应呢？（核有磁性）一核磁共振现象（一）核有磁性核由质子和中子组成；质子带正电，中子不带电；所以，原子核带正电的。另外，有些核具有内秉角动量（自旋）。奇数核子奇数原子序数，偶数核子因而核有磁性。磁矩描述磁场强度与方向的矢量自旋角动量；旋磁比，每个核都有一特定的值。有正有负，核磁矩的方向与其有关。PP（二）没有外磁场作用单个磁矩随机取向；系统宏观上没有磁性。（三）静磁场作用单个自旋要受力矩作用，表现：（1）原子核吸收能量，磁矩取向变化（极化）；（2）磁矩绕静磁场Ｂ0静动(与陀螺在重力场中发生进动类似)。进动频率（Larmor频率)00B（四）静磁场作用整个自旋系统整个自旋系统被磁化产生宏观磁化量M0（M0的变化过程是核磁测井观测对象）（五）垂直方向上施加交变磁场在垂直Ｂ0方向上加交变磁场，频率ω=ω0=γB0发生核磁共振吸收现象。也就是M被扳倒。脉冲，M扳倒90度脉冲，M扳倒180度90180（六）交变磁场作用后—弛豫磁化矢量朝Ｂ0方向恢复，使核自旋系统从非平衡分布恢复到平衡分布。纵向弛豫T1横向弛豫T21纵向弛豫/T1非平衡态磁化矢量的纵向分量恢复到初始磁化矢量M0的过程弛豫速率1/T1弛豫时间T1磁能级粒子数发生变化，自旋体系能量也要发生变化，自旋与晶格交换能量，又称自旋-晶格弛豫。Mz是以1/T1的速率按指数恢复到Z方向的初值。)1()(10TtzeMtM2横向弛豫/T2非平衡态磁化矢量的水平分量Mxy衰减至零的过程弛豫速率1/T2弛豫时间T2磁化矢量进动相位从有序分布趋向无规则分布，自旋体系内部相互作用，自旋与晶格不交换能量，又称自旋-自旋弛豫。横向弛豫按指数衰减20TteMM（一）核磁共振信号测量（二）俄罗斯RK-923测井仪（三）CMR测井仪（四）MRIL测井仪（五）核磁共振测井过程（六）核磁共振测井特点二核磁共振测井1.自由感应衰减法2.自旋回波法3.反转恢复法（测T1）（一）核磁共振信号测量自由感应衰减的核心是利用某种方法使与静磁场B0平行的核磁化强度M0扳转90度以激发自由进动信号。（1）射频脉冲法（2）预极化法1.自由感应衰减法（1）射频脉冲法用一个90度射频脉冲使原来沿静磁场方向的磁化矢量扳转90度，然后进行观测，得到的信号即是自由感应衰减信号（或FID信号）（早期的斯仑贝谢核磁测井仪器采用此种方法）（2）预极化法在稳定磁场B0的垂直方向上加一较强的预极化磁场Bp，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建立起来的平衡态磁化强度M0会发生偏转而沿总场的方向取向。(Mp)如果极化时间足够长，BpB0，所以Mp近似与M0方向垂直。这时突然撤去Bp，因时间很短，Mp绕B0进动（w0),由于驰豫，在进动的同时，纵向分量恢复到平衡态的M0，而横向分量将按有效横向驰豫时间T2*确定的速率衰减。这时在垂直于B0方向上探测，在接收线圈中可以观测到一个频率为W0变化的自由进动信号。（俄罗斯现代核磁测井仪器采用此种方法）)exp(*20TtMMpp21102*2BTT自由感应衰减法所使用的静磁场B0都是采用的大地地磁场，因而产生的信号很弱。2自旋回波法现代核磁信号的测量采用（CMR与MRIL）CPMG脉冲测量过程：极化-扳倒-失相-重聚-测量-再失相-再重聚-再测量．．．ECHOECHOyyx)180()180()90(（二）俄罗斯RK-923测井仪观测方式：预极化—地球场自由进动法测量：U=U0exp(-t/T2)中的产U1,U2,U3三个值。经温度，环境校正与处理得到自由流体指数参数N与纵向驰豫时间T1。缺点：1.信号太弱，有时不能用。2.极化时间长，测速太慢。3.电流自感大，开关延迟，丢失前端有用信息。4.井眼环境影响大。5.磁场非均匀性，衰减常数为T2*。（三）CMR测井仪CMR：井内建场均匀，贴井壁测量探测深度浅（2.5cm)但回波间隔小，纵向分辨率高但对井眼要求高目前是单频测量CMR发展过程（四）MRIL测井仪井内建立梯度场，居中多频测量。回波间隔大一些，但探测深度深。油气识别应用好一些。（五）核磁共振测井过程（1）永久磁铁使氢核极化产生可观测的宏观磁化量；（2）由天线向地层发射CPMG脉冲序列，接收微伏级的回波信号，观测整个回波串；（3）一个回波采集完毕，需等待一段时间Tw，使氢核宏观磁化量逐渐恢复到平衡状态。（六）核磁共振测井特点１只对氢核的磁共振信号观测，其它核无影响；２只测量流体中的氢核响应，没有骨架影响；３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。三物质的驰豫特征自然界元素的一半能产生核磁共振，核磁共振信号的强弱取决于核的数量，核角动量和磁矩以及所处的环境。由于地层中所含的元素中氢核的旋磁比最大，并且具有较高的丰度，所以检测氢核的核磁共振信号比较容易。由于氢核一般包含在地层的流体中，所以研究岩石的核磁共振时就需要了解岩石的中流体的核磁性质。引起岩石流体中氢核弛豫的原因是什么呢？（一）NMR驰豫机理（二）水，油，气驰豫特征（三）固体的弛豫（一）NMR驰豫机理1.颗粒表面驰豫2.扩散驰豫3.体积驰豫驰豫过程小结1.颗粒表面驰豫流体分子在孔隙空间内不停地运动与扩散，在NMR测量期间扩散使分子有充分的机会与颗粒表面碰撞。可能发生两种现象：（1）氢质子将核自旋能量传递给颗粒表面，使之与静磁场B0重新排列（T1驰豫）。（2）质子可能不可逆地失相（T2驰豫）。在表面驰豫中，孔隙大小起了重要的作用，驰豫速率与质子碰撞表面的频率有关，也就是说与面体比有关。在大孔隙中，碰撞发生次数少，其S/V小，因此驰豫相对延长；在小孔隙中，碰撞发生次数多，其S/V大，因此驰豫时间短；对于单个孔隙来说，核自旋按指数衰减：VSTs111VSTs221表面驰豫与温度，压力无关。岩石中包含不同尺寸的孔隙，每个孔隙具有自己的S/V，因而会有多个驰豫组分，实测的T2不是一个单值，而是T2分布函数。在驰豫自旋方面，不是所有面都具有相同的能力，顺磁离子，如铁，锰，镍和铬等为特别有效的驰豫物质，只要它们存在，就会形成顺磁中心，对表面驰豫起控制作用。砂岩中含有1%左右的铁，使其孔隙流体驰豫效率大为提高，超过碳酸盐岩。2.扩散驰豫在梯度场中，分子扩散造成的驰豫。当静磁场中存在梯度时，分子运动能造成失相，导致T2驰豫，T1驰豫不受影响。地层岩石中，磁场的梯度有两个来源：测井仪器建立的，第二是岩石骨架颗粒与孔隙流体之间磁化率差异引起的内部背景梯度磁场12)(122DGTTEDCPMG法是已知的减小梯度场扩散的最好脉冲序列，使CPMG回波间隔达到极小，可减小扩散对T2驰豫的影响。TE越小，扩散造成的影响越小油气水都是能够扩散的流体，对它们的观测都要受到扩散驰豫的影响，尤其是气体，主要受扩散驰豫控制。（位移谱识别油气的原因）12)(122DGTTED3.体积驰豫（自由驰豫）即使颗粒表面和内部磁场梯度不存在，在体积流体中也会发生驰豫，它反映流体本身的NMR性质。在水存在大孔隙中，仅有少量的水可接触表面（如溶洞），体积驰豫明显。4.驰豫过程小结上述的驰豫过程并行作用也就是说它们的速率相加。横向驰豫：纵向驰豫：BDSTTTT22221111BSTTT111111（二）水，油，气驰豫特征1.水的驰豫特征：T1T2水润湿碎屑岩表面表面溶洞自由自由/扩散油润湿自由自由/扩散含有高浓度的顺磁离子，扩散驰豫为主，表现为快衰减特征2.油的驰豫特征：水润湿碎屑岩中，油的NMR驰豫时间不受地层特性的影响，仅为油组分和地层温度的函数。T1T2稠油自由自由轻质油自由自由/扩散原油T2不是单一的驰豫时间，而具有驰豫时间分布，原油是不同类型的烃的混合物。3.气体的驰豫特征：T1自由驰豫T2扩散驰豫为主（三）固体的驰豫特征NMR测井是以氢核为观测对象，骨架中也含有氢，特别是粘土水与含结晶水的矿物（如石膏中富含氢）。这些固体中的氢核影响中子测井，但对NMR测井无影响。原因：T1长约几十秒或几百秒不能被极化T2短仅数十微秒回波信号被采集前已经衰减所以NMR仪对骨架影响极不敏感四核磁共振测井资料处理（一）核磁测井的测量信息（二）核磁信号的处理过程（一）核磁测井的测量信息核磁共振测井测的是氢核的共振信号大小及其衰减速率1.信号大小反映的是地层孔隙度：HNM0２衰减速率反映了岩石的驰豫性质，不同孔隙大小的流体中的氢核有不同的驰豫速率３核磁共振测井处理就是要把不同驰豫速率与其所对应的信号大小反映出来Ｔ2分布miTtiiePtA12)(（二）核磁信号的处理过程1、首先确定T2i阿特拉斯：斯仑贝谢：采用选一T2时间段（即从T2最小值T2min到T2最大值T2max）作对数均分，划分为30或50组分的特征驰豫。mitiiTePtA12)(iT212ii＝0，1，…，8，9２、结合实际回波数据求解Pi(0)３、一系列Pi与所对应的T2i就构成了T2分布。（一）孔隙度模型（二）渗透率模型（三）孔径分布（四）差分谱（五）位移谱（六）时域分析识别轻烃五核磁共振测井资料解释核磁测井与其它测井方法在孔隙度解释中的不同之处就是核磁测井能解释束缚流体和可动流体孔隙度。对于采用新一代的核磁共振测井仪测井，还能解释出粘土束缚流体孔隙度。（一）孔隙度模型骨架粘土粘土束缚流体毛管束缚流体可动水可动油气孔隙度解释模型的原因由于骨架、粘土的氢核驰豫时间极短，T2值约为10us。粘土束缚水T2驰豫时间与粘土矿物和含水量有关，实验数据和现场测试资料同时说明在1ms范围内。根据实验研究表明，对于饱和水的岩石，在T2分布上，短T2部分对应着岩石的小孔隙或微孔隙；而长T2部分是岩石较大孔隙的反映，这是因为小孔隙或微孔隙中自由流动的液体甚少，绝大部分是束缚水或滞水，孔隙壁对流体的强烈相互作用，使其流体的驰豫大为降低；而大孔隙中的流体（可动水和可动油气）却保持了与自由状态相近的性质，对应着长的T2谱。并且还发现，当空气取代孔隙中的流体时，T2分布曲线的变化情况与毛细管压力曲线的改变方式极其相似，随着大孔隙中的水被排出，T2分布中的长T2组分首先消失。实验室如何确定T2截止值？将100%饱含水岩心与去饱和岩心测量的两种T2孔隙度分布及累计孔隙度曲线作在一张图上；以去饱和岩心测量的束缚水孔隙度（去饱和岩心测量T2累计孔隙度曲线最大值处）为起点作与纵轴垂直的平行线；找到该平行线与100%饱含水岩心T2累计孔隙度曲线的交点；依该交点作与横轴垂直的平行线；该平行线与横轴的交点对应的T2值即是所得到的T2截止值。标准的海相砂岩的T2截止值为33ms.在没有岩心核磁实验的情况下用33ms这个值还是可行的。新一代的核磁共振仪，由于能测到粘土束缚水信号，粘土束缚水与毛管束缚水之间的截止值通常用3ms.（二）渗透率模型A－SDR模型渗透率乘积因子，单位mD，缺省值A＝4mD，精确的C值由岩心实验数据确定；B-SDR模型T2对数平均指数，缺省值B＝2；C－SDR模型孔隙度指数，缺省值C＝4。BCmeTAK)()(log21SDR渗透率解释模型2Timur/Coates渗透率解释模型A－Timur/Coates模型渗透率乘积因子，单位mD，缺省值A＝1mD，精确的C值由岩心实验数据确定；B-Timur/Coates模型模