井下隨鉆核磁共振流體分析裝置設計與試驗驗證

李 新， 米金泰， 張 衛(wèi)， 姚金志， 李三國

（1. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2. 中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064）

準確了解油藏流體性質(zhì)是油田開發(fā)成功的關鍵[1]，在數(shù)千米深的油氣井井下建立多功能流體分析系統(tǒng)——“井下流體分析實驗室”，直接對儲層流體進行原地實時分析，對于油氣勘探開發(fā)至關重要[2]。隨鉆井下流體實驗室在鉆井過程中提供高精度流體成分數(shù)據(jù)，以獲得更全面的油藏動態(tài)信息，持續(xù)鉆進的同時保證最佳的井眼軌跡，避免鉆井井下風險，確保定向與完井質(zhì)量[3]。

井下油氣流體分析技術主要有光學分析法和核磁共振（NMR）分析法。光學分析法能夠評價儲層污染，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。核磁共振技術不受鉆井液或儲層影響，能夠在儲層溫度和壓力條件下獲得地層流體的主要信息[4-5]，還可以評價鉆井液對地層的污染程度[6]。2000年，Halliburton公司推出了井下流體分析儀MRLab，采用Halbach永磁體結構產(chǎn)生靜磁場，射頻線圈工作頻率大約2 MHz[7]，測量液態(tài)氫獲取流體信息；2002年，Schlumberger公司提出了核磁共振流體分析儀與光學分析儀相結合的方案，后來采用光學與核磁共振測井結合的形式進行作業(yè)；2002年，Halliburton公司研制出新一代井下核磁共振流體分析儀并商業(yè)化[8]，在儲層溫度和壓力條件下測量流體的弛豫時間，獲得氣油比、流體黏度等信息。另外，吳保松等人[9-10]開發(fā)了多功能電纜式井下核磁共振流體分析試驗樣機，研究了在線獲取樣品信息的探測方法；陳偉梁等人[11]實現(xiàn)了一維和二維時域核磁共振測量。目前，國內(nèi)外尚無井下隨鉆核磁共振流體分析儀器開發(fā)和應用的報道。

為此，筆者提出了井下隨鉆核磁共振流體分析裝置設計方案，以井下隨鉆儀器體積為約束條件，優(yōu)化設計和研制了隨鉆小型核磁共振流體分析傳感器樣機，開展了流體核磁共振響應信號測試和核磁共振弛豫時間譜分析試驗，驗證了方案的可行性。

1 隨鉆核磁共振流體分析裝置研制

1.1 試驗樣機總體方案

井下隨鉆核磁共振流體分析的關鍵是探測器功能與結構的綜合設計，要求井下核磁共振流體探測器不但能夠進行井下隨鉆核磁共振信號測量，還要求滿足井下鉆鋌的空間約束條件，電磁和材料性能適應井下高溫環(huán)境，整體結構滿足井下機械強度和壓力密封要求。

為對鉆鋌尺寸約束下的物理空間設計進行仿真，并滿足實驗室內(nèi)核磁共振流體探測器的仿真測試需要，設計了原型樣機，主要由本體、外蓋、蓋板和核磁共振流體探測器等組成（見圖1）。

圖 1 井下隨鉆核磁共振流體分析試驗樣機結構Fig.1 Structure of NMR fluid analyzer prototype for downhole LWD

將核磁共振流體探測器嵌入短節(jié)本體中，用卡環(huán)、螺栓固定。將外蓋用螺栓固定在短節(jié)上，外蓋與短節(jié)之間用O形圈密封，防止液體進入核磁共振流體探測器。短節(jié)長度為 1 100 mm，外徑為 190.0 mm，符合常用鉆鋌尺寸，上下扣形均為API標準扣型（左端為φ193.7 mm正規(guī)扣，右端為NC50扣）。鉆井液從短節(jié)內(nèi)部的水眼通道流過，為了適應核磁共振流體探測器的掛接，采用了偏水眼設計，兼顧了整體強度和過流面積。為了方便室內(nèi)測試，核磁共振流體探測器兩端設置了流體口1和流體口2，用于仿真流體輸入和排出探測器的過程。

1.2 井下核磁共振流體探測器

1.2.1 磁體設計

井下核磁共振流體探測器呈圓柱形，主要由高導磁外筒、永磁體、射頻線圈、流體管路和調(diào)諧匹配電路等部分組成（見圖2）。由于永磁材料充磁體積的限制，永磁體在軸向上由3段獨立的磁塊粘結而成，磁體總長200.0 mm。永磁材料為釤鈷，具有高居里溫度和低溫度系數(shù)的優(yōu)點。永磁體組合方案從傳統(tǒng)Halbach結構發(fā)展而來[12]，由8個各為45°的離散型磁瓦（內(nèi)半徑 22.5 mm，外半徑 40.0 mm）組合而成。磁瓦的充磁方向按照雙極Halbach設置，起到中心聚磁的作用，最終在內(nèi)腔中形成由左至右的N—S雙極強磁場。

圖 2 井下核磁共振流體探測器結構Fig.2 Structure of downhole NMR fluid detector

理想Halbach結構具有外部零漏磁的特點，為了減小采用離散Halbach帶來的外部漏磁場，永磁體外部增加了高導磁材料外殼，將外部磁力線從N極直接導回S極進入磁體內(nèi)部，實現(xiàn)真正零漏磁的同時，進一步增強聚磁效果，并對脆性的釤鈷材料提供保護作用。高導磁外殼材料為高磁導率的工業(yè)純鐵，在其外部做了防銹處理，具有非常高的電導率，作為屏蔽層為射頻線圈提供良好的低噪電磁環(huán)境。

核磁共振探流體測器橫截面上的磁路設計如圖 3（a）所示，外殼外徑為 100.0 mm，磁塊內(nèi)徑為45.0 mm。永磁體組合內(nèi)腔的中心為樣品管，內(nèi)部容納流體樣品；外部刻有螺旋槽，用于容納和固定漆包線螺線管線圈繞組。永磁組合內(nèi)壁上設置有電磁屏蔽層，以防止射頻線圈發(fā)射的電磁波直接照射到磁體材料上產(chǎn)生渦流噪聲。

利用有限元軟件，對探測器的磁路進行仿真分析。磁場中心磁感應強度 B0=0.535 6 T，對應1H 氫核共振拉莫爾頻率f0=22.81 MHz，并在磁體中心區(qū)域形成了均勻區(qū)域。圖3（b）為靜磁場的二維實際測繪結果，圖3（c）和圖3（d）分別為沿z軸和 x方向上的磁感應強度分布，零點位于永磁組合內(nèi)腔中心。z軸和y軸上10.0 mm范圍內(nèi)的磁感應強度與中心完全相同，磁場均勻度非常高。高導磁外殼表面的磁感應強度約為10-5T，與地磁場強度的量級相同，實現(xiàn)了等效無漏磁，通過套管段時更加安全。

圖 3 核磁共振流體探測器的磁體結構和磁場分布Fig.3 Magnet structure and magnetic field distribution of downhole NMR fluid detector

1.2.2 射頻天線

射頻天線由射頻線圈和調(diào)諧前端組成。射頻線圈為螺線管結構，由高溫漆包線繞制在特制樣品管外側。樣品管材料為聚醚醚酮（PEEK）工業(yè)高分子材料，具有良好的耐高溫特性和較高的硬度。PEEK不含氫元素，測量時沒有核磁共振信號干擾。樣品管外側留有螺旋槽，便于固定繞線間距。由于射頻線圈處于靜磁場中，施加高電壓射頻場時受到磁場的洛倫茲力作用會發(fā)生機械振動，產(chǎn)生“振鈴”噪聲，采用耐高溫室內(nèi)硫化（RTV）膠水將漆包線與樣品管粘結牢固。螺線管線圈產(chǎn)生的射頻場垂直于紙面（沿y軸），而靜磁場方向平行于z軸，二者天然呈垂直關系，滿足核磁共振條件，利用了螺線管天線高效率的優(yōu)勢。

研制的小型核磁共振流體探測器磁體總成、射頻線圈與樣品管如圖4所示。為減小射頻脈沖發(fā)射過程中電路的能量損耗，調(diào)諧前端高壓電容（位于圖4（a）內(nèi)部，無法顯示）盡量緊靠射頻線圈接線一側。射頻發(fā)射時，對天線施加大功率脈沖，諧振電路各部件中產(chǎn)生高壓和較大的瞬間電流，使用RTV膠對各電子組件和天線走線進行絕緣隔離保護，以減小天線“振鈴”噪聲。

圖 4 井下隨鉆核磁共振流體探測器的磁體總成、射頻線圈與樣品管Fig.4 NMR fluid analysis detector for downhole logging while drilling

井下隨鉆核磁共振流體探測器組裝完畢后，考慮金屬部件對射頻線圈自身電容電感的耦合影響，利用安捷倫精密阻抗分析儀（型號為42941A）對射頻天線整體進行了調(diào)諧。利用天線前端匹配網(wǎng)絡、耐高壓固定和微調(diào)電容陣列，得到中心諧振頻率frf=22.81 MHz、品質(zhì)因數(shù) Q=45、阻抗 Z0=50 Ω，與采集電路的頻率和阻抗匹配較好。

2 核磁共振試驗與數(shù)據(jù)分析

2.1 核磁共振信號質(zhì)量觀測

核磁共振回波是瞬態(tài)信號，激發(fā)核磁共振現(xiàn)象需要探測器滿足比較嚴密的物理條件（靜磁場均勻且與射頻場垂直，低電磁噪聲環(huán)境），不僅其電氣性能與電子采集系統(tǒng)要良好匹配（頻率和阻抗），還要考慮探測器與電子采集系統(tǒng)之間射頻信號線的衰減影響。

在電子采集系統(tǒng)上編寫了CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列時序，利用探測器采集樣品自旋回波。經(jīng)過調(diào)試確定CPMG脈沖序列主要試驗參數(shù)：頻率 22.81 MHz，等待時間 15 s、回波間隔 1 ms，單回波包羅采集64個點，信號疊加16次，接收器增益100。測試時，在純凈水中加入脫水硫酸銅形成硫酸銅溶液，在保持信號量不變的情況下，可以縮短樣品的縱向弛豫時間T1，提高測試效率。試驗結果表明，獲得了高質(zhì)量、高信噪比（SNR=150）的核磁共振自旋回波串。對采集的原始數(shù)據(jù)信號進行回波峰值提取，得到CPMG回波信號衰減曲線（見圖5）。

從圖5可以看出，回波串的包絡具有明顯的單指數(shù)衰減特征；單個回波顯示包絡光滑、相位穩(wěn)定，表明掃頻正確、參數(shù)合理，驗證了在試驗樣機制作工藝上采取的壓制渦流和“振鈴”的做法。

試驗樣機的回波間隔最小可設定為60 μs，理論上能夠探測的橫向弛豫時間T2達到90 μs，覆蓋了非常寬泛的井下流體弛豫時間范圍，提高了對T2較短的稠油的分辨能力。這一方面受益于探測器具有較高的共振頻率，天線上的能量能夠快速瀉放；另一方面表明選取天線的品質(zhì)因數(shù)Q值較為合理，在信噪比和回波間隔之間取得了較好的平衡。

圖 5 硫酸銅溶液樣品的回波串衰減曲線Fig. 5 Echo attenuation curves in the CuSO4 solution sample

圖 6 流體樣品及其T2譜測量結果Fig.6 Fluid samples and their T2 spectrum measurement results

2.2 流體樣品弛豫時間譜試驗分析

選取鹽水、煤油、白油和水基鉆井液（取自勝利油田）等4種典型油水樣品，考察該試驗樣機的區(qū)分能力。首先測量其CPMG回波串，再利用逆Laplace正則化反演算法求取橫向弛豫時間T2分布（見圖6，其中橫坐標T2采用在10-1～104ms范圍內(nèi)對數(shù)平均布點的方式，縱坐標為不同組分對應的信號幅度）。

孔隙流體的T2可表示為：

式中：T2為橫向弛豫時間，ms；T2bulk為自由弛豫時間，ms；T2surf為表面弛豫時間，ms；T2diff為擴散弛豫時間，ms。

從圖6可以看出，鹽水、煤油和白油的組分相態(tài)相對連續(xù)，T2譜呈單峰分布。試管中的樣品接近理想自由流體狀態(tài)，T2時間主要來自自由弛豫貢獻。

計算得到鹽水、煤油和白油樣品的T2分布主峰分別位于 2 000，1 000 和 350 ms處，在各自自由流體弛豫時間T2bulk理論范圍內(nèi)。水基鉆井液樣品取自勝利油田鉆井現(xiàn)場，含有黏土和添加劑。黏土具有非常大的比表面積，對水具有吸附作用，使水呈束縛狀態(tài)，大大縮短了水的弛豫時間T2。測量結果表明，水基鉆井液的T2譜呈雙峰分布，包括8 ms處的主信號峰和100 ms處的小信號峰，表明有2種T2差異較明顯的組分。主信號峰8 ms位于黏土束縛水范圍內(nèi)，遠小于其他3種自由流體的弛豫時間T2，符合分析結果；小信號峰來自某些含氫元素的微量組分。4種流體樣品的核磁共振T2譜信號具有十分明顯的特征，能夠互相區(qū)分，因此可以利用T2分布與流體黏度等關鍵參數(shù)的對應關系進行井下流體的精細分析和評價。

3 結論與建議

1）根據(jù)提出的井下隨鉆核磁共振流體分析裝置設計方案，設計和研制了小型核磁共振流體分析試驗樣機，為構建井下隨鉆地層流體核磁共振實驗室奠定了基礎。

2）研制的核磁共振流體分析裝置具有體積小、易便攜、磁場強、均勻性高和信噪比高的特點。利用樣機進行流體信號質(zhì)量測試和樣品分析，能夠準確區(qū)分試驗樣品流體類型，測量結果正確可靠，說明設計方案可行。

3）形成的核磁共振探測器小型化關鍵技術解決了檢測信息滯后和樣品干擾的問題，為傳統(tǒng)地面鉆井液錄井檢測向井下隨鉆測井發(fā)展提供了借鑒。建議繼續(xù)優(yōu)化核磁共振探測器尺寸，形成耐高壓技術方案，并利用多維核磁共振技術進行隨鉆流體檢測先導研究。