一種新型核磁共振測井儀設(shè)計(jì)

白克宗 趙宏宇 張嘉偉

【摘 要】核磁共振測井技術(shù)是當(dāng)今世界最新進(jìn)的一種測井技術(shù)之一，其測井信號全部來自地層中的流體信號，可用對地層中的自由流體、束縛水、滲透率以及孔徑分布等重要參數(shù)進(jìn)行定量分析。在復(fù)雜巖性特殊巖性儲層、低孔低滲或石油天然氣和稠油等儲層都具有明顯的應(yīng)用效果。本文主要對一種新型核磁共振測井儀進(jìn)行簡要介紹，并分析其主要的功能模塊。目前該核磁儀器已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)中，取得了很好的現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】核磁共振;CPMG序列;回波信號;前置放大;小波分析

中圖分類號： TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0005-004

【Abstract】NMR logging is the one of the most advanced technology around the world， logging signals come from fluid of the formation. Parameters like moved fluid， bound water， permeability， pore-distribution and so on can be analyzed through this technology， especial for complicated reservoir， Low-porosity & permeability formation and heavy oil formation. This paper introduces a new NMR logging tool， which is analyzed through its function models. Now this tool have been used in actual wells with good logging results.

【Key words】NMR; CPMG sequence; Echoes; Pre-amplifier; Wavelet analysis

0 引言

從核磁共振測井技術(shù)一出來，該技術(shù)一直是石油測井領(lǐng)域最前沿最先進(jìn)的技術(shù)[1]。核磁共振直接測量地層中流體的相關(guān)信息，技術(shù)復(fù)雜且信號微弱。所以當(dāng)?shù)谝恢Ш舜殴舱駵y井儀推出現(xiàn)場應(yīng)用時，立即被譽(yù)于測井技術(shù)的神話。本文主要對一種新型核磁共振儀器進(jìn)行簡要介紹，分析其主要的功能。最后對該儀器實(shí)際作業(yè)應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該儀器的性能。

1 核磁共振測井背景介紹

1.1 國內(nèi)外核磁共振測井儀現(xiàn)狀

目前國際上主要的核磁儀器有斯倫貝謝的CMR-plus、MRX，哈里伯頓的MRIL-P、MRIL-XL和阿特拉斯的MREX。所有這些儀器的探測器工作原理如下圖1所示： CMR采用偏心、均勻場方案;MRX及MRIL-XL具有偏心、梯度磁場、多工作頻率設(shè)計(jì)，能進(jìn)行不同深度的切片測量分析;MRIL-P型儀器為居中型、梯度磁場設(shè)計(jì)，具有9個工作頻率，居中測量，功耗較大;MREx儀器采用貼井壁偏心測量，有12個工作頻率，回波間隔可達(dá)0.4ms[2]，具備二維核磁采集與處理功能。本文設(shè)計(jì)的新型核磁儀器，采用8個頻率的梯度場、具有高分辨率等主要亮點(diǎn)[2]，處于國際同類儀器具有相同水平。

1.2 核磁共振信號產(chǎn)生與接收模型

核磁共振采用圖2所示的信號產(chǎn)生及接收模型。如圖2所示的這種典型的核磁共振工作方式稱為CPMG序列。首先等待TW激化時間使地層中的流體完全激化，確保地層流體氫原子核磁矩向靜磁場方向激化排列，進(jìn)行90度發(fā)射脈沖使其核磁矩搬轉(zhuǎn)90度，其后每隔TE時間進(jìn)行180度脈沖發(fā)射使其在同一平面的兩個速度不同的矢量重合產(chǎn)成回波信號，這種核磁發(fā)射序列即為CPMG序列[2]。

核磁共振主要采用CPMG序列工作，采集一系列回波信號，并計(jì)算回波的幅值與相位。實(shí)際采集信號中采集到的回波幅度值一般在100nv～5uV范圍內(nèi)，頻率在580KHz～1.2MHz。所以必須設(shè)計(jì)一種低輸入噪聲電壓的接收鏈路，對信號進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)數(shù)字處理。

2 核磁共振測井儀器（EMRT）設(shè)計(jì)

2.1 核磁儀器（EMRT）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型核磁共振測井儀整體結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。主要由4個部分組成：接收鏈路部分、數(shù)字電路部分、發(fā)射鏈路部分及天線探頭部分。其中接收鏈路部分是該儀器的核心，其設(shè)計(jì)性能的好壞直接決定了整只儀器的信噪比與抗干擾性能[3]。

2.2 接收鏈路設(shè)計(jì)

接收鏈路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。該接收鏈路的主要功能是對地層回波信號進(jìn)行前置放大、濾波，輸出到事件控制板進(jìn)行采集與處理。該部分是整個核磁共振儀器電路的核心部分，其噪聲性能直接影響儀器的整體性能，因此接收鏈路設(shè)計(jì)對整只儀器性能指標(biāo)至關(guān)重要[4]。

接收鏈路主要由隔離電路（decoupler電路）、前放電路（PreAmp電路）以及一系列輔助電路組成。其中隔離電路的主要作用是在儀器進(jìn)行高壓發(fā)射時有效阻斷天線探頭上高壓發(fā)射信號與前放電路的連接，保護(hù)前放電路免受高壓沖擊。前放電路將地層回波信號進(jìn)行信號濾波放大，并輸出給事件控制電路進(jìn)行數(shù)字采集與信號處理。事件控制板主要進(jìn)行信號的采集處理以及發(fā)射信號的控制。下面主要重點(diǎn)對接收鏈路中隔離電路與前放電路板兩部分進(jìn)行分析。

如上圖5中所示，天線連接隔離板的輸入，隔離板擁有一個輸入高壓檢測部分，其主要是由一個運(yùn)放比較器構(gòu)成。當(dāng)發(fā)射高壓時，該比較器檢測到高壓信號，然后強(qiáng)制啟動收發(fā)控制邏輯模塊的輸出電壓，使其及時變低電平從而有效驅(qū)動隔離板上兩個MOSFET管有效關(guān)斷。圖5中的收發(fā)開關(guān)是由兩個耐高壓的MOSFET管構(gòu)成。當(dāng)高壓發(fā)射完成后，由事件控制電路產(chǎn)生一個Softdump的軟泄放控制信號，使隔離板上的泄放開關(guān)導(dǎo)通同時控制收發(fā)切換控制信號使RT_SW為高電平，使收發(fā)開關(guān)導(dǎo)通確保天線與接收電路同時接地，起到泄放天線中殘存的發(fā)射能量，為回波信號接收作準(zhǔn)備，一般此時間控制在30us以內(nèi)。然后將Softdump軟泄放控制信號變高以斷開泄放開關(guān)，進(jìn)行地層回波信號的接收。

前放電路由一系列低噪聲精密放大器組成，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如下圖6所示。第一級由兩組相同的差分儀用放大電路并聯(lián)設(shè)計(jì)，可有效降低輸入電壓噪聲;第二部分主要是由三級級聯(lián)的低噪聲運(yùn)放電路串聯(lián)設(shè)計(jì)，對微弱信號進(jìn)行放大;第三級由一個1MHz低通濾波放大電路構(gòu)成，將前級信號進(jìn)行低通濾波;最后一級由AD8131芯片來將前級輸出信號轉(zhuǎn)化成差分信號傳輸給事件控制電路進(jìn)行信號采集處理，差分信號輸出可確保在信號傳輸過程中空間共模信號干擾的作用。

上圖6所示前放電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖，為了測試該電路帶寬，采用信號發(fā)生器輸出峰峰值5V，頻率100KHz～1.2MHz變化的正弦信號為輸入信號，經(jīng)衰減器衰減120dB后輸入至圖6中前放電路左側(cè)輸入端，AD8131最后一級差分放大器輸出端連接示波器CH3、CH4，記錄示波器（CH3-CH4）的差分輸出信號在示波器中進(jìn)行平均256次的信號峰峰值如下表1所示。

上表1中輸入信號頻率（KHz）表示信號發(fā)生器輸出峰峰值5V，頻率100KHz～1.2MHz變化的正弦波，第 1～4次示波器記錄（mV）表示前放電路差分輸出信號經(jīng)示波器平均256次的峰峰值，記錄4次;4次測量的平均值（mV）表示第 1～4次示波器記錄（mV）對應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值。將表1中記錄數(shù)據(jù)繪制成頻率響應(yīng)曲線如下圖7所示：

2.3 基于小波分析的微弱信號提取算法設(shè)計(jì)

小波分析是時間（空間）頻率的局部化分析，通過伸縮平移運(yùn)算對信號（函數(shù)）逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的困難問題[6]。提升小波算法相比基于經(jīng)典的小波算法最主要優(yōu)點(diǎn)是：改進(jìn)了經(jīng)典小波算法，使其更易于實(shí)現(xiàn)。新型核磁儀器在國內(nèi)外首次實(shí)現(xiàn)并成功現(xiàn)場應(yīng)用了基于提升小波分析的核磁共振回波提取算法和現(xiàn)場快速反演算法，能夠在現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境下及時精確的提取回波和反演分析。

3 新型核磁共振測井儀器應(yīng)用分析

截至目前為止該新型核磁儀器已經(jīng)在渤海、湛江、山西、新疆及伊拉克、俄羅斯等地成功作業(yè)上兩百多次，取得了很好的應(yīng)用效果。下圖為該儀器在伊拉克某個區(qū)塊碳酸鹽巖地層作業(yè)的典型油層響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行簡要分析。

上圖13所示地層段為典型油層核磁響應(yīng)圖，標(biāo)準(zhǔn)T2譜分布主要表現(xiàn)為雙峰或多峰形態(tài)，譜峰在400ms左右，分布范圍為高幅度，長弛豫特征，可動孔隙度較發(fā)育。在移譜圖中T2譜明顯前移。3065-3070m，3072-3077m，3080-3084m三個層段可動孔隙分別高達(dá)8pu， 6pu，17pu，滲透性好，泥質(zhì)束縛水較弱，為典型的油層。

4 結(jié)束語

我公司從2008年開始啟動對核磁共振測井儀的研究，截止目前為止已經(jīng)完成整套核磁儀器的研制工作，掌握了全套核心技術(shù)及制作工藝，儀器各項(xiàng)指標(biāo)均以達(dá)到國際先進(jìn)水平，生產(chǎn)出24只新型核磁共振測井儀，并成功作業(yè)上百井次，取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，目前儀器已經(jīng)全面應(yīng)用與國內(nèi)外測井市場中。核磁共振測井技術(shù)目前在國內(nèi)是一項(xiàng)新型的技術(shù)，受到了各大石油公司的廣泛使用與喜愛[9]。相信隨著今后科技的發(fā)展與進(jìn)步，核磁共振技術(shù)的應(yīng)用前景定會更加光明[10]。

【參考文獻(xiàn)】

[1]George Coates，肖立志，Manfred Prammer著，孟繁瑩譯.核磁共振測井原理與應(yīng)用.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2]邵維志，莊升，丁娛嬌，一種新型核磁共振測井儀———MREx.石油儀器，2004.

[3]Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments， 1966.

[4]華中科技大學(xué)微弱信號檢測技術(shù)資料.

[5]戴逸松，微弱信號檢測方法及儀器.? 北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[6]核磁共振測井接收鏈路設(shè)計(jì).科學(xué)與技術(shù)研究，2012：27-28.

[7]一種基于小波變換的核磁共振微弱信號提取算法設(shè)計(jì).科學(xué)與技術(shù)研究，2012，：5-6.

[8]劉越，戴逸松，劉君義.應(yīng)用DPSD算法測量調(diào)幅信號的研究.計(jì)量學(xué)報(bào)，2000，21（3）：222-22.

[9]肖立志. 核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應(yīng)用. 北京： 科學(xué)出版社， 1998.

[10]肖立志，謝然紅.核磁共振測井儀器的最新進(jìn)展與未來發(fā)展方向.測井技術(shù)，2003，27（4）：265-269.