井下在線核磁共振流體分析實(shí)驗(yàn)方法

吳保松, 肖立志, 劉洛夫, 李夢春, 廖廣志, 賈子健

(1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249; 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

將地層測試器和流體識別技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來,取樣和直接分析流體,成為油氣資源精細(xì)勘探較為有效的手段。能夠精確地定量提供多種地層流體參數(shù)的方法主要有光學(xué)分析法和核磁共振(NMR)技術(shù)。光學(xué)分析法能評價污染情況,但遇到油基鉆井液或者儲層流體為油水混合相時評價效果欠佳,而混相流體是目前油氣開采中最為普遍的狀況[1]。井下在線NMR流體儀的思想在2000年前后形成。Baker Hughes、Halliburton以及Schlumberger等公司曾先后提出過若干種設(shè)計(jì)。2000年Baker Hughes公司提出測量13C的NMR信號,確定地層流體是否含芳香烴和脂肪烴(儀器沒有商業(yè)化)[2]。2000年Halliburton公司研制出井下流體分析儀,以探測1H的NMR信號以獲取流體的相關(guān)信息[3]。2002年Schlumberger公司提出NMR與光學(xué)技術(shù)結(jié)合的儀器模塊(沒有商業(yè)化信息及測井應(yīng)用效果文獻(xiàn))[4]。2002年Halliburton公司對儀器進(jìn)一步技術(shù)升級,研制出新一代井下NMR流體分析儀模塊并商業(yè)化。該儀器與RDT組合使用,能夠測量流動流體的縱向弛豫時間(T1)、靜止流體的橫向弛豫時間(T2)和擴(kuò)散系數(shù)(D),從而獲得地層流體的信息[5]。中國石油大學(xué)(北京)核磁共振測井實(shí)驗(yàn)室長期從事極端條件下NMR探測方法和儀器研制[6-10],于2010年開展了井下NMR流體分析儀的研究,探頭樣機(jī)的研制取得了豐碩成果[11-13]。

本文主要闡述在線NMR流體分析儀的工作原理,重點(diǎn)圍繞儀器樣機(jī)研究核磁共振特性測量方法。以分析模型為基礎(chǔ)研究運(yùn)動測量T1的影響因素,并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的數(shù)據(jù)校正;發(fā)展了一種適合井下獲取擴(kuò)散系數(shù)D的實(shí)驗(yàn)方法;靜止流體的橫向弛豫時間T2以及二維T2-D測量方法和技術(shù)已相對成熟,文中給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 在線工作原理

地層測試器的探針將地層流體引入儀器內(nèi)部,初始階段流體流經(jīng)NMR模塊然后進(jìn)入井筒。該過程需要評價鉆井液對原地層流體污染程度,通過測量流動流體T1參數(shù)評價,這是一個定性測量過程;地層流體特性穩(wěn)定后(即此刻流入儀器內(nèi)部的流體為原地層流體),測量靜止流體的橫向弛豫時間T2和擴(kuò)散系數(shù)D,定量評價流體核磁共振特性;測量結(jié)束可以將流體取樣或排至井眼[11-12]。圖1描述了儀器在線測量流程。

圖1 NMR流體分析實(shí)驗(yàn)室在線測量流程

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

井下NMR流體實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)由探頭樣機(jī)、TECMAG公司Lapnmr譜儀和自制功率放大器組成,實(shí)現(xiàn)弛豫時間(T1和T2)和擴(kuò)散系數(shù)D測量。實(shí)驗(yàn)測試樣品為蒸餾水和原油。

圖2為沿磁體中心軸測量靜磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B0(從探頭頂端到磁體末端)磁場曲線,在8 cm處磁場達(dá)到最大值2 750 Gs*非法定計(jì)量單位,1 Gs=10-4 T,下同,在21 cm處磁場達(dá)到最低值970 Gs,在33 cm處趨于穩(wěn)定,約1 270 Gs。由于磁材料不均勻和安裝工藝的因素,測量區(qū)域磁場誤差約±10 Gs。

圖2 靜磁場B0沿中心軸線方向變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)測量及討論

流體流動測量過程中存在2個問題:共振流體流出被測區(qū)域引起信號損失;流動流體擴(kuò)散引起信號衰減加快。利用多等待時間飽和脈沖恢復(fù)法采集縱向弛豫時間T1回波信號,規(guī)避運(yùn)動對擴(kuò)散引起測量信號的影響。對于流體量的影響,利用分析模型進(jìn)行研究,從而實(shí)現(xiàn)定性測量流動流體的縱向弛豫時間T1。定量測量靜止流體的橫向弛豫時間T2和擴(kuò)散系數(shù)D等與核磁共振流體分析相關(guān)參數(shù),驗(yàn)證儀器和實(shí)驗(yàn)方法的可行性。

3.1 縱向弛豫時間T1測量

流體流過探頭,流體流經(jīng)預(yù)極化磁體使H原子的極化矢量達(dá)到目的極化矢量,然后進(jìn)入測量(共振)區(qū)域,在運(yùn)動過程中測量T1。利用多等待時間飽和恢復(fù)脈沖序列采集第1個回波獲取縱向弛豫時間T1信息。

流動測量中涉及到被測樣品量的變化等因素對測量結(jié)果的影響。由NMR信號產(chǎn)生機(jī)理和NMR信號檢測入手,以建立單線圈運(yùn)動測量分析模型為基礎(chǔ),研究流速對自由流體測量的影響。以被測流體為參考系建立分析模型(見圖3),研究T1的運(yùn)動測量問題。線圈處于測量區(qū)域,預(yù)極化區(qū)域在模型中沒有表示出來。在測量區(qū)域,永磁體產(chǎn)生靜磁場B0(z方向),線圈產(chǎn)生RF場B1,同時接收回波信號。線圈的有效長度為L。圖3中描述了探頭在時間t0至t0+t以速度v沿-x方向由右向左運(yùn)動。

圖3 單線圈分析模型中在t0時刻和t0+t時刻探頭的位置

對于給定的傳感器參數(shù),一定體積V產(chǎn)生的NMR信號S(t)可以表示為[14-15]

(1)

式中,θ0為脈沖扳倒角;M0為單位體積流體初始磁化矢量。

流動測量時流速為v,保證原來射頻線圈有效區(qū)域內(nèi)流體沒有被新流入流體完全代替,接收到的第1個回波幅值時t=Twj+2τ,信號表示為

S(2τ)=AvTwj+A(1-e-Twj/T1)·

(L-vTwj-2vτ)

(2)

這里A=M0e-2τ/T2,τ是回波間隔時間TE的一半。TE足夠小,A?M0。由式(2)可知運(yùn)動的情況較為復(fù)雜,流體速度對測量有一定影響。

基于上述模型,對自由流體(T1=3 s)在不同流速下建立正演模型進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4(a)為速度校正前T1譜,圖4(b)為速度校正后T1譜。校正前,隨著速度的增加受新流入測量有效區(qū)域的流體和原來射頻線圈有效區(qū)域的流體部分移出2個方面的影響,T1譜峰左移。利用分析模型(見圖4)校正后,T1譜回到原來位置。

驗(yàn)證試驗(yàn)中樣品為自由水,流速為1 cm/s,設(shè)置飽和脈沖序列的等待時間Tw在0.5～1 400 ms之間,TE=0.2 ms。把回波幅度對等待時間作圖,得到磁化矢量恢復(fù)曲線。圖5是不同等待時間得到的信號幅度,通過標(biāo)準(zhǔn)的反演方法并進(jìn)行流動校正,得到T1=2.7 s(見圖6)。

圖5 利用飽和恢復(fù)脈沖序列得到的水的T1數(shù)據(jù)

圖6 校正后水的T1譜

3.2 橫向弛豫時間T2測量

流體處于停頓狀態(tài),使用CPMG脈沖序列測量T2。圖7是頻率為5.36 MHz、回波間隔0.4 ms條件下分別得到的水和原油樣品T2譜。

3.3 擴(kuò)散系數(shù)D測量

擴(kuò)散系數(shù)D除了可以用來校正不同溫度下儀器的磁場梯度,還可利用獲取不同流體的擴(kuò)散系數(shù)定量評價已知環(huán)境溫度的流體黏度。流體處于靜止?fàn)顟B(tài),本文使用SGSE脈沖序測量,通過改變TE求得擴(kuò)散系數(shù)。表1是不同的回波間隔。

圖8中紅色圓圈為標(biāo)準(zhǔn)流體(蒸餾水),其擴(kuò)散系數(shù)D=2.5×10-5cm2/s=2.5×10-9m2/s(溫度300 K)?？v坐標(biāo)是不同回波間隔TE的回波幅度與最小間隔回波幅度比值的對數(shù),橫坐標(biāo)是回波間隔TE的3次方。改變TE得到一條直線,直線斜率k與磁場梯度平方成正比。

圖8 探頭梯度標(biāo)定和測量原油擴(kuò)散系數(shù)

探頭梯度G0由標(biāo)準(zhǔn)流體標(biāo)定。圖8中藍(lán)色星號為原油樣品的測量數(shù)據(jù),同理獲得原油樣品的擴(kuò)散系數(shù)D=1.9957×10-10m2/s。

3.4 二維核磁共振T2-D測量

T2-D區(qū)分油和水效果較好。井下NMR流體分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,采用擴(kuò)散編輯(Diffusion-editing)脈沖序列獲取靜止流體的T2-D譜[16-17]。該脈沖序列包括2個窗口,第1個窗口只有2個回波,第2個窗口用最小回波間隔的CPMG回波串采集信號。第2個窗口的回波間隔(TE)為0.2 ms,改變第1個窗口回波間隔(TE,1)實(shí)現(xiàn)T2-D二維測量,TE,1取值為1～10 ms,對數(shù)布點(diǎn)20個。圖9為水的T2-D二維分布。

圖9 水的T2-D二維分布

4 結(jié)束語

在數(shù)千米深的井底條件下建立一個多功能的NMR流體分析實(shí)驗(yàn)室,直接對儲層流體進(jìn)行原地實(shí)時分析,是油氣科學(xué)家的一貫追求。NMR流體分析實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)井底條件下直接對儲層流體進(jìn)行原地在線實(shí)時分析。本文圍繞NMR流體分析儀的實(shí)驗(yàn)方法,著重分析了流體流動測量T1理論,以單線圈模型為基礎(chǔ),研究信號受影響因素,并利用流動實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了流動測量T1的可行性;利用原理樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了橫向弛豫時間T2,擴(kuò)散系數(shù)D以及T2-D的測量。樣機(jī)能夠完成井下多功能NMR流體實(shí)驗(yàn)室的要求,實(shí)現(xiàn)對流體核磁共振特性(T1、T2和D)進(jìn)行在線測量。本文所涉及的測量方法應(yīng)用于井下NMR流體分析,將大大提高油氣精細(xì)勘探的準(zhǔn)確性。

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