核磁共振测井

1核磁共振测井2WhyNMRLogging3WhyNMRLogging…?PorosityfSaturationSwPermeabilityKfNeutronfDensityRtSw60%waterSw40%oil40%Sw60%oil+waterSwRwRt=f2Whatwillthereservoirproduce?Formation4WhyNMRLogging…?Neutron/DensitylogresponsesPorosityfSolidsComplexmineralogyFormationmodel1.Lesssensitivitytoporefluidsthantosolidmatrix;2.Radioactivitysources.5WhyNMRLogging…?ResistivitylogresponsesWaterporosityfwFormationmodelComplextexture1.Noresolutiontocapillaryboundwater;2.Difficultytodetermineclayboundwater;3.Nosensitivetohydrocarbontypes6WhyNMRLogging…?fNeutronfDensityResistivityRtSensitivevolumesarepoorlydefinedBoreholefluidseffectsMudcakeeffectsRugosityeffectsDepthofinvestigationmismatchVerticalresolutionmismatch7•TotalPorosity•EffectivePorosity•PoreSizeDistribution•Permeability•CBW/BVI/FFIRockPropertiesFluidPropertiesReservoirUnderstanding•Hydrocarbondetection•HydrocarbontypingWhyNMRLogging…?LogAnalystWherearetheHC’s?HowmuchHC?WhattypeofHC?PetrophysicistWhatarethefluids?Whatisthereservoirquality?Whatwillflow?ReservoirEngineerWhatwillproduce?Atwhatrate?Whichrecoverystrategy?TheNMRloggingprovidesanswersfor:8NMRPhysics核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应，原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。质子与中子统称为核子。所有含奇数核子以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核，都具有内秉角动量（或叫“自旋”）。这样的核，自身不停地旋转，犹如一个旋转的陀螺。由于原子核带有电荷，它们的自旋将产生磁场，象一根磁棒，该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示，即：μ=γp式中μ—磁矩；p—自旋角动量；γ—比例因子，被称做旋磁比，是磁性核的一个重要性质，每一个核都有一个特定的值，由实验测定。γ可以为正，亦可以为负，所以核磁矩的方向可能与核自旋角动量的方向相同或相反。当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，因此，包含大量等同核的系统在宏观上没有磁性。9NSNSNSNSNS+++++++gpm=2hIMagnetization10+TheOriginofMagnetization11当核磁矩处于外加静磁场中时，它将受到一个力矩的作用，从而会象倾倒的陀螺绕重力场进行一样，绕外加磁场的方向进动，进动频率ω。又叫Larmor频率，是磁场强度与核旋磁比的乘积，即：ωo=γBo式中，Bo为外加磁场的强度。由于不同的核γ值不一样，因此，在相同的外加磁场强度中，不同原子核的进动频率亦不相同。在外加磁场中，整个自旋系统被磁化，宏观上将产生一个净的磁矩矢量和。单位体积内，核磁矩的和，叫做宏观磁化量（M），即：M=∑μi这个非零宏观磁化量与外加磁场Bo平行。12ManyspinszzMMyyxxfBoo22B3)1(KTIIhNM+×=gMagnetizationNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSttSN8NS13NuclearMagnetism+++++++GyromagneticRatio(g):gpm=2hIQuantumMech.View(Energy)ClassicalView(Orientation)highElowEDEAppliedMagneticField,Bodeterminesmeasurementfrequencyh=Plank’sconstantI=spinquantumnumber单个自旋自旋I=1/2的氢核,在外加磁场中,能级分裂成两个,即高能态和低能态,对应于核自旋进动的不同取向14对于被磁化后的自旋系统，再施加一个与静磁场垂直、以进动频率ω。振荡的交变磁场B1。从量子力学的角度说，此时交变场的能量等于质子两个能级的能量差，会发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态，磁化强度相对于外磁场发生偏转，这种现象被称为核磁共振，交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲的形式施加。现代核磁共振仪大多采用脉冲方法。它具有许多优越性，特别在提高信噪比方面。由于谱仪的工作频率大多在射频段，故把这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。15B1tPulseangleq=gB1tMMMMqPulseAngle(inrotatingframeofreference)f加上B1后与B0平行的磁化矢量M将被扳倒，磁化矢量被扳倒的角度与加给自旋的能量成正比，因此，取决于射频场的强度和长度（即连续施加的时间）.16MMMMqfMMMq=90fMMMq=180f90pulse180pulseB1tPulseangleq=gB1t90°脉冲是指把磁化矢量扳转90°的脉冲，从纵轴（B0）方向扳转到水平面，并与B0及B1都垂直。180°脉冲则引起磁化矢量的反转17测量方法在核磁测井中测量核磁弛豫的方法主要有自由感应衰减、自旋回波、反转恢复法等。自由感应衰减法在井下测量简便易行，自旋回波法可以消除由于扩散而对测量结果带来的误差，便结果更为准确可靠，并且提高了信噪比。1890°pulse90°pulseFIDTimeFreeInductionDecay(FID)190t2tFIDEcho90°180°Time(ms)Time(ms)12345自旋回波方法(90°-ι-180°-ι)20Signal1stSpin-Echo2ndSpin-EchoTDecay2T*Decay2RFTE/2TETE90°180°180°SpinEchoTrain21Time(ms)2t4t6t8tTE90°180°180°180°180°22弛豫在射频脉冲施加以前，自旋系统处于平衡状态，磁化矢量与静磁场方向相同，射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向，射频脉冲作用完后，磁化矢量又将通过自由进动，朝B0方向恢复，使核自旋从非平衡态分布恢复到平衡态分布。恢复到平衡的过程中叫做弛豫，它包含两种不同的机理：非平衡态磁化矢量的水平分量MX、Y衰减至零的过程称为横向弛豫过程，弛豫速率用1/T2来表示，T2叫做横向弛豫时间。横向弛豫过程中，自旋体系的内部相互作用，使磁化矢量进动相位从有序分布趋向无规分布。从此，自旋与晶格或环境之间不交换能量，自旋体系的总能量没有变化，所以，从微观机制上考虑，又把这个弛豫过程叫做自旋一自旋弛豫。23磁化矢量的纵向分量MZ恢复到初始磁化强度M0的过程，称为纵向弛豫过程，弛豫速率用1/T1来表示，T1叫做纵向弛豫时间。在纵向弛豫过程中，磁能级上的粒子数要发生变化，自旋体系的能量也要发生变化，自旋与晶格或环境之间交换能量，把共振时吸收的能量释放出来，因此，在微观机制止，把它称做自旋一晶格弛豫。24024681012140M0Time(s)Exp(-t/T2)3T2,decay95%1816TransverseRelaxation25024681012140M0Time(s)[1-exp(-t/T1)]3T1,Recovery95%1816PolarizationorLongitudinalRelaxation26M0RFpulseB1Time(s)EchotrainTWTime(s)PolarizationNMRSignalProcessT1T227024681012140M0Time(s)1816280t2tFIDEcho90°180°Time(ms)29RFPulseTimeTE90180180180180SNSNEchoSignalTimeTEAntennaMagnetmandrel30TimePolarizationT2PolarizationT2T2DecayTETWT1BuildupM0.e-t/T2M0(1-e-t/T1)31TwTeTw=waittimeTe=interechotimeNe=NumberofechoesRA=runningaveragetimetimeDataAcquisition32P(i)tRawData:EchoTrainM(t)ProcessingResult:T2DistributionT2FromaEchoTraintoaT2Distribution33物质的弛豫特征存在三种影响T1或T2弛豫时间的NMR弛豫机理：即颗粒表面弛豫、梯度场中分子扩散引起的弛豫和体积流体进动引起的弛豫表面弛豫:流体分子在孔隙空间内不停地运动和扩散，在NMR测量期间扩散使分子有充分机会与颗料表面碰撞。在大部分岩石中，颗粒表面弛豫对T1和T2的影响最大。体积弛豫:岩石孔隙中的流体固有的弛豫。VST//122=扩散弛豫:在梯度场中分子扩散造成的弛豫为扩散弛豫。12122DGTTEDg=34PhysicsofNMRLoggingTool35当前，世界上能够提供核磁共振测井服务的主要有3家，即俄罗斯、斯仑贝谢和Numar。当代核磁共振测井可分为三种类型：（1）大地磁场型：以俄罗斯生产和制造为主，目前已广泛用于俄罗斯、鞑靼、秋明、哈萨克斯坦等地区，年测井近1000口井。（2）脉冲强磁场贴井壁型：斯化贝谢公司研制并投入生产使用。（3）成象测井型：美国Numar公司研制并投入生产使用。大庆测井公司2000年7月引进了美国哈里伯顿能源服务公司的MRIL-P型核磁共振测井仪，它是C型仪器的扩展和完善。36MRILinWellboreMRILProbeBoreholeSensitiveVolumeCylinders(each1mmthickat1mmspacing)24“16”37f1f2UsingMultipleFrequenciesf3ImprovesLoggingSpeedIncreasesSignaltoNoise38仪器的探头由一个永久磁铁，一个射频脉冲（RF）发射器及一个射频接受器。仪器具有以下特点：(1)24英寸的永久磁铁在井眼周围地层产生梯度静磁场。（2）仪器居中测量，在探测体积范围内，消除了井眼泥浆信号，可获得较高的测量信噪比。（3）P型核磁测井仪器具有9个观测频率，它测量的信息，是地层中9个厚度约1mm的壳体内流体的贡献。大大方便了各种不同观测模式的设计和实现，并提高了测井作业的效率。（4）MRIL—P型仪器一次下井可进行标准T2测量，双等待时间测井和双回波间隔测量。保证了测量的稳定性，大大提高了井场的工作效率。（5）MRIL—P型仪器的最小回波间隔可达到0.6ms，实现了对粘土水信号的观测，因此可获得地层的总孔隙度和粘土束缚水体积。39MRIL-PrimeShells16”@250°FMRILPrimeProbeBorehole9SensitiveVolumeCylinders(each1m