井下核磁共振技術的進展

吳保松, 肖立志, 劉洛夫, 李夢春

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室, 中國石油大學(北京), 北京 102249;2.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710021)

0 引 言

核磁共振測井利用氫原子核與磁場相互作用產(chǎn)生的共振現(xiàn)象實現(xiàn)井下油氣儲層信息的探測。核磁共振測井除了能夠提供地層孔隙度、含烴飽和度和地層滲透率,利用核磁共振測井信息還可以計算黏土束縛水、毛細管束縛水和自由流體含量,估算原油黏度和巖石孔隙結構[1]。核磁共振測井技術無論在技術層面,還是在應用層面上都已經(jīng)取得巨大進步。本文主要探討了近年來適用于核磁共振測井的新技術、新方法。

1 非諧振技術

從20世紀90年代早期引入脈沖核磁共振技術以來,Halliburton公司、Schlumberger公司以及Baker Hughes公司先后基于Jackson提出的Inside-out理念,發(fā)展了MRIL-P、MR Scanner和MREx電纜核磁共振測井儀,隨后又各自推出了MRIL-WD、proVISION和Magtrak隨鉆核磁共振測井儀。Halliburton公司推出了井下NMR流體分析實驗室用于流體識別[2-3]。核磁共振測井硬件技術不斷發(fā)展。

核磁共振探頭有激發(fā)核自旋和探測核進動的功能。核磁共振測井儀探頭一般利用電容對探頭的阻抗和頻率進行調(diào)節(jié),探頭(除磁體外)包括NMR線圈以及并聯(lián)電容。探頭調(diào)諧后,天線上加載電流I和輸入功率P,滿足I=2QP/(ωL),其中,ω為探頭的諧振頻率,L為天線電感,Q(Q=ωL/R,R為線圈的串聯(lián)電阻)為天線品質因數(shù)。同樣,接收時信號增益是ZQ/(ωL),其中Z為探頭阻抗。所以共振電路的特性受天線上功耗和外界影響(溫度、壓力以及樣品的電阻率變化)非常敏感。

非諧振技術是指不使用調(diào)諧或匹配電容,探頭具有超帶寬特性。Hopper等[4]提出一種雙天線結構,發(fā)射天線沒有調(diào)諧或阻抗匹配,而接收天線調(diào)諧到拉莫爾頻率。Mandal等[5]實現(xiàn)了真正意義上的寬帶非諧振系統(tǒng),制作了探頭樣機并進行了實驗測量(見圖1)。樣機主要包括數(shù)字控制系統(tǒng)、非調(diào)諧線圈、功率放大電路和H橋功率放大電路、寬帶前置放大電路、發(fā)射/接收切換開關。該技術應用于核磁共振測井儀器,能夠解決溫度或地層礦化度等因素對探頭天線品質因數(shù)的影響,提高測量精度。另外,核磁共振測井儀在地層中形成梯度磁場,非諧振技術具有帶寬特性,可以快速切換操作頻帶,即使用1個線圈能夠實現(xiàn)多頻以及多核實驗。

圖1 寬帶非諧振系統(tǒng)框圖

2 多頻脈沖技術

核磁共振測井中,傳統(tǒng)多頻測量是指梯度磁場里利用不同頻率脈沖序列,分時獲取不同切片的地層信息。這里,多頻脈沖是指1個脈沖序列包含多于1個頻率的射頻脈沖。多頻脈沖技術在核磁共振測井中有重要的潛在應用,如測量弛豫時間、擴散系數(shù)以及刻度B1。Sacolick等[6]利用偏置脈沖在回波信號中形成的Bloch-Siegert相移研究B1磁場分布。Mandal等[7]介紹了多頻CPMG脈沖序列及Bloch-Siegert相移的原理(見圖2)。該脈沖序列包括N個90x激勵脈沖和180y聚焦脈沖,脈沖之間頻率相差整數(shù)倍f0,不同頻率脈沖激勵梯度場中不同切片形成回波信號。利用該技術可以提高核磁共振測井速度,在同樣測井速度條件下能夠提高信噪比(SNR)。另外,該技術為實現(xiàn)快速T1測井提供了可能。

圖2 多頻CPMG脈沖序列

3 T1核磁共振測井

雖然核磁共振測井在技術和理論方法上已經(jīng)成熟,但是電纜核磁共振測井應用過程中也存在一些問題。在儲層參數(shù)評價方面,目前核磁共振測井只測量地層孔隙流體的橫向弛豫時間(T2),其受擴散效應影響而不能獲取精確的束縛流體孔隙度和總孔隙度;在流體識別方面,油、氣、水信號在T2分布上重疊不可避免,尤其氣體信號很弱,且與束縛流體重疊;在測前設計方面,核磁共振測井需要針對地層物性和含油氣性質進行復雜的測前設計,降低了核磁共振作業(yè)效率,提高了測井成本。T1核磁共振測井可以解決上述問題。

在T1核磁共振測井方面,Akkurt[8]、Chen[9]和Menger[10]等嘗試用不同方法計算T1,然后利用T1上的差異進行流體識別。Akkurt[11]等理論分析對比了T1測井相對于T2測井的優(yōu)勢,并提出了T1測井的數(shù)據(jù)處理方法。Menger等[12]隨鉆核磁共振成像儀器MRIL-WD在鉆井狀態(tài)下測量對運動不敏感的T1,Mullen等[13]結合T1和T2測量,提高了非常規(guī)油氣藏解釋精度。Akkurt等[14]提出基于縱向弛豫時間T1的快速測井概念,建立正演模型驗證了采用飽和恢復脈沖序列(SR),最長等待時間約為1.5T1即滿足獲取準確地層孔隙度的要求。Akkurt[15]基于極化校正的方法解決了快速T1核磁共振測井中預極化的問題。T1測井可以解決儲層高擴散流體識別的難題,獲得準確的地層縛流體孔隙度和總孔隙度。

4 脈沖序列優(yōu)化

核磁共振測井中主要應用CPMG測量橫向弛豫時間T2和飽和恢復脈沖序列測量T1。脈沖序列的優(yōu)化有2個方向:發(fā)展脈沖序列以提高SNR;發(fā)展脈沖序列兼顧測量短弛豫信號。

CPMG脈沖序列對非均勻靜磁場B0和射頻場B1具有魯棒性,磁場的偏置帶來的影響不會在回波中累加;另外CPMG前面若干個回波會受CP分量的影響,之后的回波按指數(shù)衰減,并由樣品的固有弛豫特性決定,而不受場的非均勻性影響,因此廣泛應用于核磁共振測井測量弛豫或者擴散系數(shù)。

在非均勻場中提高NMR測量的SNR一直是難點問題。理想的情況是提高靈敏度的體積或切片厚度,進而直接提高信號強度。理論上,最直接的方式可以增加B1增加切片厚度,然而井底條件下B1受條件限制。另一種方法是利用相位或幅度調(diào)制的復合脈沖,實現(xiàn)寬帶激勵或聚焦脈沖增加切片厚度。Koroleva等[16]研究表明,在同樣的脈寬條件下,PA(phase-alternating)聚焦脈沖與標準180°聚焦脈沖相比可以明顯提供信號幅度。尤其利用SPA(symmetric phase-alternating)復合聚焦脈沖(27°-y126°y27°-y)代替標準180°脈沖,SNR提高1倍,而不需要增加聚焦脈沖的長度或功率損耗。圖3上部為標準CPMG脈沖序列,由90x激勵脈沖和一長串180y聚焦脈沖組成,下面是寬帶脈沖序列,激勵脈沖和聚焦脈沖都是復合脈沖。SPA聚焦脈沖和標準180y聚焦脈沖有同樣的幅度和脈寬。

圖3 CPMG脈沖序列優(yōu)化

Mandal等[17]介紹了一類新的激勵脈沖AMEX(axis-matching excitation pulses)。AMEX脈沖是針對不同聚焦脈沖進行優(yōu)化設計,并充分考慮相應聚焦脈沖的缺陷,補償其部分不足。最理想的激勵脈沖是使整個帶寬范圍內(nèi)的縱向磁化矢量轉變?yōu)闄M向磁化矢量。AMEX激勵脈沖具有寬帶的特性,使帶寬內(nèi)初始的縱向磁化矢量盡可能轉變成橫向磁化矢量。利用優(yōu)化控制的方法設計了若干種相位調(diào)制的AMEX激勵脈沖,并進行了對比。實驗表明,用新的激勵脈沖代替標準90°脈沖,不僅增加了信號帶寬,在非均勻場中提高了信號幅度,與寬帶聚焦脈沖結合,SNR提高在3倍之上。另外,MEX激勵脈沖減小了開始回波幅度中瞬態(tài)CP分量,能夠更好地測量短弛豫時間信號。

Casabianca等[18]用掃頻脈沖取代CPMG脈沖序列中硬脈沖,以獲得更大的帶寬,從而提高了SNR。利用WURST形狀掃頻脈沖,形成交替的FID回波和spectral回波(見圖4),利用非諧振線圈結合超寬帶發(fā)射和接收電子線路進行了實驗驗證,增加了帶寬,同時提高了SNR。但是由于掃頻脈沖脈寬比硬脈沖長,相應地需要更長的回波時間,同時脈沖消耗更多能量,另外不適用于測量短弛豫信號。

圖4 掃頻脈沖組成的CPMG脈沖序列(箭頭表示頻率增加的方向)

測量T1的脈沖序列一般是IR和SR脈沖序列,而鑒于測井速度的考慮,目前測井中使用SR序列。用IR序列測量時間長,而SR脈沖序列不能很好地測量短弛豫分量。Chen等[19]提出了高效測量T1的HSIR(Hybrid saturation-inversion-recovery)脈沖序列:結合了IR序列對短弛豫分量高的靈敏性和SR序列快速采集數(shù)據(jù)的特征。該脈沖序列測量時間短,同時又保證快弛豫組分的分辨力,尤其在有機頁巖、重油儲層、微孔發(fā)育的碳酸鹽巖。

圖5 HSIR脈沖序列(TW是SAT脈沖之后等待時間,TI是反轉恢復時間)

5 結 論

(1) 討論了非諧振技術、多頻脈沖、T1測井以及寬帶測量脈沖序列等新技術、新方法的進展。這里涉及的技術是通用技術,不局限于電纜NMR測井儀、隨鉆NMR測井儀或井下NMR流體分析實驗室。對于石油井下應用非諧振技術能夠極大提高其性能,同時為適應該技術的發(fā)展,文中討論了相應的脈沖序列。T1測井在儲層參數(shù)評價及流體識別等方面具有諸多優(yōu)勢,硬件技術逐漸成熟。

(2) 未來新型核磁共振測井儀應具備的特性:快速測井,能與核孔隙度或電阻率測井同時作業(yè);能提供更精確的孔隙度和更準確的高擴散流體的信息;能夠極大地減少復雜的測前工作,簡化操作,測量成本低。

參考文獻:

[1] 肖立志, 謝然紅, 廖廣志. 中國復雜油氣藏核磁共振測井理論與方法 [M]. 北京: 科學出版社, 2012.

[2] 吳保松, 肖立志. 井下核磁共振流體分析實驗室及其應用 [J]. 波譜學雜志, 2011, 28(2): 228-236.

[3] Wu B S, Xiao L Z, Li X, et al. Sensor Design and Implementation for a Downhole NMR Fluid Analysis Laboratory [J]. Petroleum Science, 2012, 9(1): 38-45.

[4] Hopper T, Mandal S, Cory D, et al. Low-frequency NMR with a Non-resonant Circuit [J]. Journal of Magnetic Resonance, 2011, 210: 6974.

[5] Mandal S, Utsuzawa S, Song Y Q. An Extremely Broadband Low-frequency MR System [J]. Microporous and Mesoporous Materials, 2013, 178: 53-55.

[6] Sacolick L I, Wiesinger F, Hancu I, et al.B1Mapping by Bloch-Siegert shift [J]. Magn Reson Med, 2010, 63: 1315-1322.

[7] Mandal S, Utsuzawa S, Cory D G, et al. An Ultra-broadband Low-frequency Magnetic Resonance System [J]. Journal of Magnetic Resonance, 2014, 242: 113-125.

[8] Akkurt R, Moore M, Freedman J J. Impact of NMR in the Development of a Deepwater Turbidite Field [C]∥SPWLA 38th Annual Logging Symposium, Houston, Texas, 1997.

[9] Chen S, Olima O, Gamin H. Estimation of Hydrocarbon Viscosity with MultipleTEDual Wait-time MRIL Logs [C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana, 1998, SPE 49009.

[10] Menger S, Prammer M G, Drack E D. Calculation of CombinedT1andT2Spectra from NMR Logging Data [C]∥SPWLA 40th Annual Logging Symposium, Oslo, Norway, 1999.

[11] Bonnie R, Akkurt R, Bradford C. WirelineT1Logging [C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver, Colorado, 2003, SPE 84483.

[12] Menger S, Sands P. NMR in Motion [J]. Petrophysics, 2003, 44(3): 190-195.

[13] Mullen M, Jim Bray, Bonnie R. Fluid Typing withT1NMR: IncorporatingT1andT2Measurements for Improved Interpretation in Tight Gas Sands and Unconventional Reservoirs [C]∥SPWLA 46th Annual Logging Symposium, New Orleans, Louisiana, United States, 2005.

[14] Akkurt R, Kersey D G, Zainalabedin K. Challenges for EverydayNMR——An Operator’s Perspective [C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, 2006, SPE.

[15] Akkurt R. System and Methods forT1-based Logging: United States, 775535482 [P]. 2010.

[16] Koroleva V D, Mandal S, Song Y Q, et al. Broadband CPMG Sequence with Short Composite Refocusing Pulses [J]. Journal of Magnetic Resonance, 2013, 230: 64-75.

[17] Mandal S, Koroleva V D, Borneman T W, et al. Axis-matching Excitation Pulses for CPMG-like Sequences in Inhomogeneous Fields [J]. Journal of Magnetic Resonance 2013, 237: 1-10.

[18] Casabianca L B, Mohr D, Mandal S, et al. Chirped CPMG for Well-logging NMR Applications [J]. Journal of Magnetic Resonance, 2014, 242: 197-202.

[19] Li L, Chen S. Sensitive New NMR HybridT1Measurements for Gas Shale, Heavy Oil, and Microporosity Characterization [C]∥SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, 2012, SPE.