测量方法及质量控制3

核磁共振测量方法、观测模式及质量控制核磁共振测井基础核磁共振测井基础自由感应衰减信号FID--freeinductiondecayzyxBoB1M900脉冲这一衰减通常是指数型的，FID时间常数T2*是非常短的，只有几十毫秒。FID是由磁场的非均质性引起的。该非均质性是由磁场梯度和在测量物质中产生的某些分子进动引起的。由于B0磁场的非均质性，不同位置的质子将以不同的拉莫频率进动，由此产生这一快速的衰减。核磁共振测井基础B1特点：zyxBoθB1MB1为垂直于静磁场B0的振荡磁场；其振荡频率必须等于质子在静磁场中的拉莫频率；核磁测井地层中的氢核吸收和发射的电磁波频率为580～760kHz，属广播电台的中波频段，因此B1为射频脉冲磁场。B1tPulseangleq=gB1tMMMq=90f90脉冲MMMq=180f180脉冲θ－扳倒角τ为射频脉冲作用时间，通称脉冲宽度核磁共振测井基础纵向弛豫和横向弛豫驰豫包含两个组成部分：①核磁化矢量M在z轴上的分量Mz，最终要趋向初始磁化强度M0，称为纵向弛豫。纵向弛豫的时间常数用T1表示，称为纵向弛豫时间。②M在(x,y)平面上的分量Mxy最终要趋向于零，称为横向弛豫。横向弛豫的时间常数用T2表示，称为横向弛豫时间。在研究核磁共振作用时，被观察的核所处的原子或分子系统叫格子。组成格子的原子或分子的运动情况决定于该系统的物理状态。纵向弛豫是指高能态的核通过弛豫放出的能量转变为格子平移、转动和振动的热能。能量是在自由旋进的原子核与格子之间进行的，所以也称自旋格子弛豫。结果是使Mz逐步恢复到M0。旋进着的核在与外部磁场垂直的平面上有旋转的磁场矢量成分。当高能态的核与低能态的核非常接近时，这种旋转小磁场会使对方的核的自旋迁移，这就是横向弛豫。因能量交换是在自由旋进的原子核之间进行的，所以也称自旋自旋弛豫。这种能量交换过程的结果，是使Mxy逐步恢复到零。M0MB0核磁共振测井基础ABCD024681012140Time(s)1816M0核磁共振测井原理的核心之一是对地层施加外加磁场，使氢原子核磁化。氢核是一种磁性核，具有核磁矩。在没有外加磁场的时候，氢核的磁矩是随机取向的，宏观上没有磁性，如图中的A。当磁体放到井里时，将在其周围的地层中产生磁场，使氢核的磁矩沿磁场方向取向，这个过程叫磁化、或极化。极化的结果是产生一个可观测的宏观磁化矢量。极化不是瞬间完成的，而是按照指数规律进行的，如图中的B、C、D所示。极化的时间常数用T1来表示，称作纵向弛豫时间，它与孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、以及地层的岩性等因素有关。对于地层岩石来说，极化曲线往往需要用多个T1描述。图3－1的下半部分展示了宏观磁化矢量M随极化时间增长的曲线，其中M0是完全极化后的磁化强度。可以很容易地证明，使M接近M0（95％）所需要的极化时间，用TW表示，至少是3T1，即TW3T1。核磁共振测井基础0t2tFIDEcho90°180°Time(ms)核磁共振测井原理的核心之二是利用一个天线系统，向地层发射特定能量、特定频率、和特定时间间隔的电磁波脉冲，产生所谓的自旋回波信号，并接收和采集到这种回波信号，所采用的方法则叫做自旋回波法。天线发射的电磁波的频率将决定切片观测的具体位置；电磁波脉冲的能量决定切片内磁化矢量扳倒的程度，如90或180等；而时间间隔，用TE来表示，则直接影响观测到的回波信号幅度的大小。图中，A、B、C分别表示自旋回波方法的不同阶段。第1行给出的是磁化矢量的扳倒情况；第2行给出的是天线发射脉冲、接收回波信号、以及切片的过程；第3行给出的是天线的发射脉冲；第4行给出的则是天线可能的接收信号，包括90脉冲作用后的自由感应衰减信号（FID）和180脉冲作用后的自旋回波信号（ECHO）。核磁共振测井基础RFPulseTimeTE90180180180180SNSNEchoSignalTimeTEAntennaMagnetmandrel如90脉冲之后，再发射一连串180脉冲，在每一个180脉冲后面都可以采集到一个回波信号，从而得到一个回波串。180脉冲之间的时间间隔，即TE，是可以设置的，回波之间的间隔与180之间的间隔相等。在回波串的观测中，重要的参数有两个，即TE和回波个数NE。观测到的回波串是按指数规律衰减的信号，其衰减的时间常数用T2来表示，叫做横向弛豫时间，它与地层孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、岩性、以及采集参数（如TE和磁场的梯度）等因素有关。对于地层岩石来说，回波串的衰减曲线往往需要用多个T2描述。CPMG脉冲序列核磁共振测井基础TimePolarizationT2PolarizationT2T2DecayTETWT1BuildupM0.e-t/T2M0(1-e-t/T1)一个观测周期包括磁化和回波串采集两个阶段核磁共振测井基础broughtinleftoutTwNe*TeNe*TeVV*(Ne*Te)V*TwV*(Ne*Te)2¡2¡2¡仪器设计特点仪器设计特点MRIL-P型核磁共振技术及应用wellborewellbore14″~16″MRIL-PTOOL2424″″1mm760kHz580kHz1mmSNSNantennaMagnetMandrelrAmplitudeofB0(r)f0(r)GradientfieldB0(r)approximately175GaussLarmorfrequencyf0(r)approximately750kHzatthisshellWellborePermanentmagneticmandrel14DirectionofB0(r)核磁共振测井仪器的探头包括磁体和天线。磁体被一个玻璃钢外壳所包裹，而天线则被置于玻璃钢外套之中。探头的周围是井眼泥浆，再外面是地层。观测信号来自于一个形状规则的圆环切片，而圆环的直径和厚度则由天线发射电磁波的频率和脉冲的频带所完全确定。TooldiameterFormationWellboreMudMagnetAntennaB0(r)B0(r)SensitivevolumeBandwidthofRFpulseDiameterofinvestigationSlicethicknessCenterfrequency图的上半部分是探头在井眼中以及圆环形切片在地层中的横截面示意图；下半部分表达了切片的实现方式。磁体产生的磁场沿径向方向减小，形成一个梯度磁场，使得径向不同距离地层中的氢核具有不同的核磁共振频率，而且，频率与径向距离有一一对应的关系。天线发射的脉冲有一个中心频率和频带，只有核磁共振频率与这一中心频率相等的地层才被激发，才会产生共振现象，从而才会被观测。而与该频率不相等的地层氢核，则不会被激发，对观测信号不会产生任何影响。当然，天线发射的脉冲不会是单频率的，而是具有一定的带宽，这种频带将确定共振的地层区域，从而确定切片的厚度。MRIL-P测量模式PorosityBVI+FFIClayboundwaterT2Relaxationtime(ms)01001101000FullypolarizedPolarization0M0AcquisitionFullpolarizedPartialpolarized01001101000PartiallypolarizedT2Relaxationtime(ms)4PRPRPRPRPRPRPRPRTW2AAAA3AAAA0AAAA1AAAA1”4PRPRPRPRPRPRPRPRTW2AAAA3AAAA0AAAA1AAAA1”观测模式是一种以获取特定应用信息为目标的磁化和采集方式，它包括TW、TE、NE、最小累加次数RA（minRA）的设置、频率的使用及其时序。MRIL－Prime的9个频率通常被分成5个频带。从低频（离探头较远）到高频（离探头较近）为0、1、2、3、4。其中0、1、2、3四个频带各包含有两个频率。第五频带则只有一个频率，并且总是用作泥质束缚水（PR06）的观测，其采集参数也都是固定的，即TE＝0.6ms，TW=0.2s，NE=10，RA=50。单TW/单TE模式，用DTPTW或D9TPTW表示，其测量原理如图所示，图中的上半部分给出了磁化和采集的时间序列，下半部分给出了两个不同的磁化－采集组合得到的T2分布。使用9个频率时，频带的使用和时序关系则如图所示。它们采集的回波串分两组，即A组和PR06组。A组的采集参数为TE＝1.2ms(DTPTW)或0.9ms(D9TPTW),NE=400(DTPTW)或500（D9TPTW），TW则用≥3T1的原则选取，预先设计为8s，9.5s，12s。“单TW/TE”用于测量泥质束缚水、毛管束缚水、视有效孔隙度和视总孔隙度。MudNSFrequency3Frequency1Frequency2Frequency4Frequency5Frequency6Frequency7Frequency8Frequency9Approximately1inMRIL-P测量模式34PRPRPRPRPRPRPRPRABABABAB2ABABABAB1ABABABAB0ABABABABTWATWB34PRPRPRPRPRPRPRPRABABABAB2ABABABAB1ABABABAB0ABABABABTWATWBPorosityT2Relaxationtime(ms)0100110100001001101000BrineOilGasT2Relaxationtime(ms)ShortTWLongTW0M00TWshortWaterLightoilGas0M0TWlongWaterLightoilGasShortTWAcquisitionAcquisitionLongTWf1f2双TW/单TE模式，用DTW或D9TW表示，测量原理如图所示，它可以通过两个频率的交替使用，完成两个不同极化时间的回波串的采集。使用9个频率时，其频带的使用和时序关系如图所示。它们采集到的回波串包括三组，即A、B和PR06组。A组的磁化参数为长TW，B组的磁化参数为短TW，两组的采集参数TE、NE则相同。TE、NE和minRA。“双TW/单TE加PR06”模式是一种T1权观测，除了用于测量泥质束缚水、毛管束缚水、视有效孔隙度和视总孔隙度外，还可以单独用作轻质油气的识别，并且，通过非完全磁化和含氢指数校正，获得地层的真有效孔隙度和真总孔隙度。MRIL-P测量模式4PRPRPRPRPRPRPRPR3210AABBAABBAABBAABBAABBAABBAABBAABB4PRPRPRPRPRPRPRPR3210AABBAABBAABBAABBAABBAABBAABBAABBPorosityT2Relaxationtime(ms)0100110100001001101000BrineOilT2Relaxationtime(ms)Polarization0M0WaterLightoilGasAcquisitionLongTEf2Polarization0M0WaterLightoilGasAcquisitionShortTEf1ShortTELongTE单TW/双TE模式，用DTE(n)TW或D9TE(n)TW表示，测量原理如图所示，它可以通过两个频率的交替使用，完成两个不同回波间隔的回波串的采集。使用9个频率时，其频带的使用和时序关系如图所示。它们采集的回波串包括A、B和PR06组，其中A组由短TE采集，B组由长TE采集，两组的极化常数TW相同。例如，DTE108表示TW＝8s、TES=1.2ms、TEL=2.4ms。“单TW/双TE加PR06”模式是一种扩散系数加权观测，可以测量泥质束缚水、毛管束缚水，视有效孔隙度，视总孔隙度，也可以对粘度较高的油进行识别和定量分析。MRIL-P测量模式4PRPRPRPRPRPRPRPR3DEDEDEDE2DEDEDEDE1ABABABAB0ABABABAB4PRPRPRPRPRPRPRPR3DEDED