核磁共振测井基础理论

核磁共振测井基础理论讲座中国石油勘探开发研究院测井与遥感所2007年10月10日核磁共振的应用•核磁共振(NuclearMagneticResonance—NMR)是一种重要的物理现象。1946年，斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell分别用不同的样品(水和石蜡)、不同的方法(双线圈、感应法和单线圈、吸收法)独立地进行了体样品核磁共振实验，标志着核磁共振正式诞生。随后核磁共振在物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中得到了广泛应用。核磁共振的应用目前核磁共振测井主要在裸眼井中测量，既可以用于电缆测井，也可以用于随钻测井，能够为地层油气资源评价提供独特的、在许多情况下是不可或缺的重要信息，主要包括：z与岩石矿物骨架成分无关的孔隙度；z孔径分布（孔隙中只含有单相流体时）；z毛管束缚水、泥质束缚水、可动流体；z渗透率；z可动流体中的油、气含量等。这些信息的获取和应用，改善了测井对地层油气评价的准确性、对储量计算的合理性、对产能预测的可靠性、以及对油气田增产措施评价的可能性。核磁共振现象•对于被磁化后的核自旋系统，如果在垂直于静磁场方向再加一个交变电磁场，而且，让其频率与拉莫尔频率，根据量子力学原理，核自旋系统将发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩将通过吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态。这种现象即是所谓的核磁共振。原子核的磁性•核磁共振技术的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用。原子核的磁性起源于原子核的磁矩，而原子核的磁矩又起源于原子核的自旋角动量。原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子与中子统称核子。研究表明，所有含奇数个核子、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。原子核的磁性原子核的磁性由于原子核带有电荷，它们的自旋将产生磁场，像一个磁棒，核磁矩矢量为pγμ=•没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，宏观上不显磁性。外加磁场中的自旋1/2-1/2yzxB00Lµ拉莫尔方程当核磁矩处于外加静磁场中时，它将受到一个力矩的作用，从而会像倾倒的陀螺绕重力场进动一样，绕外加磁场的方向进动，进动频率由Larmor（拉莫尔）方程确定，即：式中，为外加磁场的磁感应强度。例如，在强度为0.025T的外加磁场中，氢核的拉莫尔进动频率是1.065MHz。不同的原子核，由于其值不一样，在相同的外加磁场中，将有不同的进动频率。另一方面，同一种原子核，在不同强度的磁场中，其进动的频率也会不同。B00γω=•根据量子力学原理，在外加磁场中，核磁矩的空间取向是量子化的。例如，自旋为1/2的氢核，磁矩只有与平行和反平行两种取向。平行于的磁矩处于低能态，与反平行的磁矩则处于高能态。外加磁场使核自旋的能级发生分裂。相邻能级之间的能量差为•式中，h为普朗克常数。01hBEEEmmγ=−=Δ−宏观磁化矢量3KTB)1I(IhNM022+=γ在外加磁场中，整个自旋系统被磁化，宏观上产生一个净的磁化矢量和。该宏观磁化量与外加磁场B0平行。M平行磁矩的布局多于反平行磁矩。根据高能级与低能级粒子布居满足波尔兹曼分布。在B0磁场中,宏观磁化强度的大小为B0其中，K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；N为单位体积中的核自旋数。B1fB1高能态低能态zyxBoff0MMMMθfMMMθ=90°fMMMθ=180°f90°pulse180°pulseB1τ偏转角θ=γB1τ弛豫•射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向；射频脉冲作用后，磁化矢量又将自由进动，向B0方向恢复，核自旋从高能级的非平衡态往低能级的平衡态恢复，这一过程称为弛豫。•射频脉冲作用后，M0被分解成X-Y平面的分量MXY和MZ方向分量。•MXYÆ0横向弛豫过程弛豫速率为1/T2•MZÆM0纵向弛豫过程弛豫速率为1/T1纵向弛豫过程12345纵向弛豫过程按照[1-exp(-t/T1)]规律恢复3T1,Polarize95%0.951.00横向弛豫过程0501001500M0Time(ms)200横向弛豫过程按照[exp(-t/T2)]规律恢复90°pulse90°pulse自由感应衰减信号（FreeInductionDecay—FID)Time21102*2BTTΔ+=γ自由感应衰减信号0τ2τFIDEcho90°180°时间(ms)时间(ms)12345CPMG（CarrPurcellMeiboomGill）脉冲序列T1测量•反转恢复法P180P90P180P90P180P90t1t2FIDT1测量•反转恢复法Signal–M0+M0InversionRecoveryM(t)=M0(1–2e–t/T1)t0t1t2t3t4T1T1测量•饱和恢复法Signal+M0M(t)=M0(1–e–t/T1)t0t1t2t3t4T1fastslowslowfast自旋回波90ox180ox180ox180oxT1T2T2T2*T2测量Carr-Purcellsequence2τ4τ6τ8τ90o180o180o180o180oΤΕ=2τexp(–2nτ/Τ2)tAmplitudetTERDCPMG自旋回波串PolarizationrecoveryCPMG自旋回波串•Halliburton/NumarMRILB单频MRILC双频MRILPrime9个频MRWD随钻仪器•SchlumbergerCMR-ATE=320μsCMR-200TE=200μsCMRPlusTE=200μs&预极化MRScanner•BakerAtlasMRILBMRILCMREx核磁共振仪器磁体天线共振区域MudNSFrequency3Frequency1Frequency2Frequency4Frequency5Frequency6Frequency7Frequency8Frequency9MaximumTemperature350F177CMaximumPressure20,000psi1400barsLength6.0”52.88ft16.1m4.875”50.38ft15.4mWeight6.0”1,475lbs669Kg4.875”1,275lbs578KgOutsideDiameter6.0in.15.2cm4.875in.12.4cmMaximumHoleSize6.0”16in.40.6cm4.875”8.5in.21.6cmMinimumHoleSize6.0”7.0in.17.8cm4.875”6.0in.15.2cmLoggingSpeedSpeedChartsMRIL-PrimeToolSpecificationsMRIL-PrimeToolSpecificationsD4TGCrossoverSubMRCC-DMREC-DMRSN-DCableHead60161.5166”16681Diam:35/8Weight:100lbs.Diam:6Weight:775lbs.Diam:35/8Weight:250lbs.Diam:35/8Weight:250lbs.Diam:35/8Weight:100lbs.rAmplitudeofB0(r)f0(r)f1f2r1r2B0(r)ΔfΔr仪器外壁井壁•磁场强度(470gaussor2000KHz)•静磁场分布较复杂•贴井壁性仪器•受井眼影响•高分辨率(6inch).测量样品体积小，信噪比低.•测井速度150-250ft/hr(600-2000ft/hr,CMR-Plus)小磁铁屏蔽磁铁天线扰流天线MREx磁场分布MRScanner规格•测量速度(ft/hr)：3600-250•垂向分辨率(in)：7.5,18•回波间隔(ms)：0.45•探测深度主天线(in)：1.5,1.9,2.3,2.7,4*••高分辨率天线(in)1.25••最小适用井眼(inches)：5-7/8”•压力(kpsi)：20•温度(DegC)：150•长度(ft)：32•探头直径(in)：5”•仪器全重(lbs)：1200NSMainHigh-resMRScanner烃类识别适用于淡水泥浆和低矿化度地层水以及高孔隙度地层。随泥浆电导率的增加和孔隙度的降低，深探测深度测量值将有较大噪声。操作范围可粗略估算:Rm井下泥浆电阻(Ohmm)x孔隙度(%)1超出此操作范围时可用定点测量模式受仪器的重量和耗电量的影响，与其它仪器的组合受限，但是与ECS的完全组合可提供完整的岩性，孔隙度和流体识别的方法核磁共振测井T2谱反演T2分布TimeSignalAmplitudeNech,1,i1)(301,2,1L=⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎝⎛−=∑=−−jTtTWTjijijeeats301∑==jjaφT2cutoffBVIFFI孔隙度•核磁共振测井的观测信号强度和孔隙流体具有一定的对应关系，零时刻的信号强度（FID或回波串）可以标定为地层孔隙度。RelaxationTime(T2),msIncrementalPorosity,%00.511.522.50.11101001000100000510152025CumulativePorosity,%BVIFFIMRIPorosityAfterPctoSwicumulativeincremental100%SaturatedcumulativeincrementalT2cutoff碎屑岩地层T2cutoff＝33ms碳酸盐地层T2cutoff＝92msT2T2T2T2T2timetimetimetimetimeThroatradius(r),microns-T2,ms10-210110210310410-1100Amplitude(a)1000r/2ρeorRelaxationtimeT2,ms10-210110210310410-1100Amplitude(a)ρeisfound@MaxCNMRT2DistributionPoreSizeDistributionSandstoneKair=2.15mdPorosity=9.7p.u.ρe=23.0μm/sec.DolomiteKair=7.41mdPorosity=15.8p.u.ρe=5.35μm/sec.LimestoneKair=12.3mdPorosity=10.5p.u.ρe=3.16μm/sec.10-1100101102103104T2Relaxationtime,or1000r/2ρe,msPorethroatdistributionNMRdistributionφ=17.1%Kair=1.87mdSwir=80.8%φ=24.4%Kair=45.1mdSwir=58.3%φ=11.8%Kair=414mdSwir=29.6%φ=27.8%Kair=2640mdSwir=21.3%.001.010.11.010100Radius,micronsRadius(HgI)T2(NMR)束缚水饱和度33ms(砂岩)100ms(碳酸盐岩)自由水束缚水渗透率计算T2GK=a(T2G)bΦcCoateK=(10Φ)4(FFI/BVI)2K=a((1-Sw)/Sw)bΦc岩心渗透率分析10-310-210-110010110210310-2100102空气渗透率(mD)NMR渗透率(mD)MRILEquation:k=10aφb(FFI/BVI)ca=-5.6315,b=4.8721,andc=1.1102NMRpermeabilityversusairpermeabilitywithBVI(TE=1.2ms)∑∑+====NNjjNjjcutcutaFFIaBVI11,PermeabilityEstimators•Summation-of-echomethoddoesisnotwellestablishedyet.Itisonlyaqualitativeindicator.•Forhighlyinvadedreservoirwithwaterbasedmud,T2Gequationispreferred(iti