隨鉆核磁共振測井測量模式及脈沖序列設(shè)計(jì)與分析

摘 要 隨鉆測井技術(shù)則可以提供實(shí)時(shí)的地層評價(jià)及井眼信息，具有降低風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約時(shí)間，優(yōu)化井眼軌跡，提供更為科學(xué)的油氣決策信息的優(yōu)勢而得到很大的發(fā)展。核磁共振測井由于可以提供常規(guī)測井所不具有的信息而備受矚目，諸如與巖性無關(guān)的孔隙度、孔徑分布、地層流體賦存狀態(tài)等信息。文章主要介紹隨鉆核磁測井中所使用的兩種最常用的測量模式，并對各個(gè)測量模式進(jìn)行分析說明，最后針對測量模式脈沖序列在兩種典型的隨鉆核磁儀器中的應(yīng)用進(jìn)行分析與說明。

關(guān)鍵詞 隨鉆核磁共振；T1測量模式；T2測量模式；CPMG序列；T2譜

中圖分類號：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0069-02

在電纜核磁測井中，雖然探頭靜磁場的梯度很大，敏感區(qū)的厚度很薄，但是并不影響地層信號的測量。探頭的測量段上下一般都有預(yù)極化磁體，探頭的天線也相對較長，儀器只有縱向運(yùn)動(dòng)，同一個(gè)CPMG序列采集的回波信號絕大部分都來自地層同一區(qū)域。因此，電纜核磁測井儀能得到信噪比較高的地層流體信號。然而，隨鉆核磁共振測井儀除了縱向的運(yùn)動(dòng)外，還存在著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)等，這些形式復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)都對信號的測量造成了不利的影響，因此隨鉆核磁儀器對測量模式及脈沖序列設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[1]。

1 隨鉆核磁工作測井測量模式

1.1 隨鉆核磁工作環(huán)境簡介

隨鉆核磁儀器工作在強(qiáng)烈的鉆井過程中，由于強(qiáng)烈鉆井振動(dòng)所帶來對回波信號的影響和擴(kuò)散對于弛豫的影響效果是一致的。振動(dòng)和擴(kuò)散使得被測氫核在180°匯聚脈沖前后所處的位置發(fā)生了變化，若磁場存在梯度則氫核進(jìn)動(dòng)頻率也會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)對長弛豫時(shí)間的回波信號造成很大的衰減。然而，擴(kuò)散的影響可以用公式定量近似的描述，而振動(dòng)則由于其隨機(jī)性和不確定性，對信號造成的衰減無法定量描述[2]。因此，必須使測量對振動(dòng)盡量地不敏感才能得到比較可靠的回波信號。借助一個(gè)簡單模型來考慮振動(dòng)對測量的影響。假設(shè)儀器橫向運(yùn)動(dòng)的速度為v，氫核的旋磁比γ，沿速度v方向的磁場梯度G，回波間隔TE，那么180°匯聚脈沖前后信號的不可逆散相角可表示為：

（1）

目前，用于測量T2譜的CPMG序列包含大量的180°匯聚脈沖，每個(gè)180°脈沖都會(huì)造成不可逆散相，大量的散相會(huì)累積起來，從而使信號衰減的速度變得非?？?。因此，必須盡可能地減小散相角才能得到可信的T2譜。而用于測量T1的飽和恢復(fù)脈沖序列和反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列，在每個(gè)等待時(shí)間TW后一般只測量一兩個(gè)回波，由于TE很短，散相角基本上可以忽略不計(jì)。因此，T1測量對儀器的振動(dòng)不敏感，更容易得到可靠的數(shù)據(jù)。下面分開來介紹T1、T2這兩種測量模式。

1.2 T1測量模式

目前哈里伯頓公司MRIL-WD儀器在鉆井測量時(shí)大多采用T1測量模式。由于MRIL-WD探頭敏感區(qū)的磁場梯度比較大，根據(jù)式（1）可知，在鉆井條件下測量T2會(huì)因?yàn)閯×艺駝?dòng)導(dǎo)致v變大，而導(dǎo)致信號的急劇衰減。所以MRIL-WD在鉆井條件下選擇了對振動(dòng)不敏感的T1測量模式，又稱為偵測模式（Reconnaissance- Logging- Mode）[3]。T1測量的脈沖序列如圖1所示。

圖1 T1飽和脈沖序列

如圖1，首先發(fā)射一個(gè)頻寬比較大的飽和脈沖，激發(fā)一個(gè)厚層的氫核。飽和脈沖的頻寬大，則脈沖持續(xù)時(shí)間短，而極化的區(qū)域又大，所以飽和脈沖的峰值要大，才能滿足上述要求。然后是普通的自旋回波讀取待測流體縱向弛豫的信息。讀脈沖的頻寬窄，只包括一兩個(gè)正常的回波，時(shí)間很短，即使儀器處于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讀取的信息仍然在飽和脈沖激發(fā)的區(qū)域內(nèi)，且磁場梯度對該縱向弛豫的影響只能通過磁場強(qiáng)度的變化來體現(xiàn)，所以雖然每個(gè)飽和脈沖之后的讀脈沖測量的區(qū)域都可能存在一定的差異，但對T1譜整體的影響并不大。需要說明的是，理想的“飽和脈沖序列”在每個(gè)讀脈沖之后都存在一個(gè)恢復(fù)時(shí)間。一般恢復(fù)時(shí)間大于3倍的最大T1時(shí)間，恢復(fù)時(shí)間使得每個(gè)飽和脈沖激發(fā)前，待測氫核都處于相同的狀態(tài)下，否則測量的信號有可能是錯(cuò)誤的。然而，這種測量方式需要很長的時(shí)間，在核磁共振測井中一般難以實(shí)現(xiàn)。因此，圖1所示的飽和脈沖序列，僅僅是T1測量的一種近似而已。T1對振動(dòng)不敏感，是因?yàn)榭v向磁化矢量Mz與T1的關(guān)系如下所示：

（2）

而平衡態(tài)時(shí)的飽和磁矩Mz，eq和靜磁場B0的關(guān)系如下所示：

（3）

相對于不可逆散相對信號造成的衰減程度，被測區(qū)域的靜磁場強(qiáng)度B0變化并不大，因此在鉆進(jìn)狀態(tài)下進(jìn)行T1測量能得到可信的數(shù)據(jù)。另外，T1與物質(zhì)的屬性（種類和物態(tài)）相關(guān)，對振動(dòng)和擴(kuò)散均不敏感，這更便于數(shù)據(jù)的解釋和分析。為了得到T1譜，需要改變多個(gè)等待時(shí)間Tw，Tw一般采用對數(shù)布點(diǎn)形式，如1 ms，3 ms，10 ms，30 ms，100 ms，300 ms，1000 ms，3000 ms。一個(gè)完整的PAP測量需要10.3秒的時(shí)間。因?yàn)門1測量模式下布點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)小于CPMG序列，這使得T1譜的時(shí)間分辨率遠(yuǎn)低于T2譜。如果要提高譜分辨率，則需要增加更多的等待時(shí)間Tw；如果要提高信噪比SNR，則需要對信號進(jìn)行多次累加，花費(fèi)的時(shí)間將成倍增加。

1.3 T2測量模式

相比于T1測量模式，核磁共振測井中更常用的是T2測量模式，該模式一般采用標(biāo)準(zhǔn)的CPMG序列或DE-CPMG序列。proVISION和MagTrak所用的都是鉆井時(shí)的T2測量模式。由于鉆井速度相對測量速度較慢，因此，兩種儀器的縱向分辨率都遠(yuǎn)高于相應(yīng)的電纜核磁共振測井儀。proVISION的天線縱向分辨率為15 cm，MagTrak的天線縱向分辨率為7 cm。在T2測量中，特別是短弛豫分量的測量經(jīng)常用到回波信號的累加。而信號累加的前提是前后兩次測量的待測氫核要處于相同的初始狀態(tài)下才有意義。假設(shè)一個(gè)理想的CPMG序列如圖2所示，下面分析該CPMG序列對z軸磁化矢量的影響：endprint

圖2 標(biāo)準(zhǔn)的CPMG序列示意圖

在CPMG序列中，經(jīng)過一個(gè)等待時(shí)間TW之后，脈沖將z軸方向的磁矩M0翻轉(zhuǎn)到xy平面上，此時(shí)z方向上Mz=0，根據(jù)T1弛豫，經(jīng)過后，z軸方向的磁矩變?yōu)椋?/p>

（4）

然后，第一個(gè)脈沖，又將翻轉(zhuǎn)180°，縱向磁矩變?yōu)?/p>

（5）

當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖來臨前，根據(jù)T1弛豫，又經(jīng)過了TE時(shí)間，所以z軸方向的磁矩為：

（6）

而第二個(gè)脈沖又將翻轉(zhuǎn)180°，縱向磁矩變?yōu)?/p>

（7）

當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖來臨前 z軸方向的磁矩及第三個(gè)脈沖又將翻轉(zhuǎn)180°后縱向磁矩的變化依照前面式（4）～式（7）類推。將有如下關(guān)系：

（8）

我們知道，TE時(shí)刻z軸方向的磁化矢量與初始值和平衡態(tài)的差值有如下關(guān)系：

（9）

根據(jù)式（8）和式（9）可知第三個(gè)脈沖以后，z軸方向的磁化矢量應(yīng)介于和之間。以上各式成立的條件是當(dāng)T1>TE時(shí)，這時(shí)候e指數(shù)可以做一級展開近似：

；；；……； （10）

綜上所述，如果回波間隔TE足夠短，那么對于長弛豫時(shí)間（比如T1>10TE）分量，在經(jīng)過CPMG序列的若干個(gè)180°翻轉(zhuǎn)脈沖之后，這些弛豫分量的縱向磁化矢量基本為0。這相當(dāng)于一個(gè)完整的CPMG序列結(jié)束之后，不僅xy平面的磁化矢量歸零，z軸的磁化矢量也歸零，需要重新極化開始下一個(gè)CPMG序列測量。

2 典型測量模式實(shí)際應(yīng)用與分析

2.1 proVISION的T2測量模式

較電纜測井，proVISION隨鉆核磁共振測井儀的回波間隔要長一些，為了得到更為準(zhǔn)確的短弛豫時(shí)間的束縛流體的信息，proVISION隨鉆核磁共振測井儀通過在成對CPMG- T2采集序列里加入了一個(gè)快速“爆發(fā)”序列進(jìn)行補(bǔ)償。長等待時(shí)間測量：每個(gè)PAP由2個(gè)相位交替的回波串組成，每個(gè)回波串在單次長等待8.12 s后，采集600個(gè)回波，回波間隔為1.2 ms。

“爆發(fā)”序列測量：每個(gè)PAP由20個(gè)相位交替的回波串組成，每個(gè)回波串在等待0.08 s后，采集30個(gè)回波，回波間隔為1.2 ms。爆發(fā)序列的采集數(shù)目是長等待序列采集數(shù)目的10倍，通過信號累加，可以獲得較高質(zhì)量的短弛豫信號數(shù)據(jù)。在實(shí)際測井中，proVISION隨鉆核磁共振測井儀能夠提供3種不同的測井模式：儀器旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)和靜止，在各種不同的測井模式下，核磁共振測井的采集序列的脈沖參數(shù)都是可調(diào)的，即回波間隔、等待時(shí)間、回波個(gè)數(shù)都可根據(jù)實(shí)際的地層情況設(shè)定。由于儀器運(yùn)動(dòng)能顯著加快T2衰減，為了評估運(yùn)動(dòng)的影響，proVISION采用快速采樣加速計(jì)和磁力計(jì)系統(tǒng)能夠測量實(shí)時(shí)鉆柱運(yùn)動(dòng)。

2.2 MagTrak的T2測量模式

為了在鉆井狀態(tài)下使用CPMG序列得到可靠的T2譜信息， MagTrak主要采用了以下三種具體措施：盡量減小磁場梯度，磁場梯度g≤2gauss/cm；探頭上下安裝扶正器，限制徑向運(yùn)動(dòng)；盡量減小回波間隔TE，最小回波間隔為0.6 ms。地層孔隙流體的橫向弛豫時(shí)間T2可以表示為下式（11），其中的前兩項(xiàng)是本征橫向弛豫率（和流體屬性以及地層孔隙性質(zhì)相關(guān)），第三項(xiàng)是因外磁場梯度和流體擴(kuò)散效應(yīng)而引入的弛豫率。

（11）

對于梯度場，電纜測井儀可以利用這一點(diǎn)，將本征T2和流體擴(kuò)散系數(shù)D從視T2（又稱表象T2）中分離出來，從而得到T2-D的二維圖譜。對于MagTrak，為了減小儀器振動(dòng)對測量的影響，采用的是近零梯度的勻強(qiáng)磁場。因此，磁場梯度和流體擴(kuò)散造成的信號衰減被大大壓制，視T2更大程度上反映的就是流體本征的T2。因此T2弛豫譜的解釋也更加直接和簡單。如果泥漿入侵或者井眼擴(kuò)徑，那么對于電纜測井而言可能會(huì)存在很強(qiáng)的泥漿信號。但是對于隨鉆測井，循環(huán)泥漿具有很高的流速，信號會(huì)急劇衰減，使得這部分信號看起來是束縛流體產(chǎn)生的。因此測量結(jié)果并不影響真正的地層可動(dòng)流體的解釋。

3 結(jié)束語

核磁共振測井是一種在20世紀(jì)50年代提出、80年代發(fā)展起來的井下石油地球物理勘探方法，它利用地層孔隙中富含氫原子的液體（油、水、氣）中氫核受激發(fā)后產(chǎn)生的核磁共振信號，通過測井解釋獲知儲集層的孔隙度、可動(dòng)流體指數(shù)、滲透率和巖石孔徑分布等油氣資源評價(jià)所需要的基本參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出油層儲量。通過適當(dāng)?shù)臏y量模式序列可以獲取地層中流體孔徑與擴(kuò)散信息。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，核磁共振測井定會(huì)有更加廣泛的發(fā)展空間。

基金項(xiàng)目

中海油企業(yè)發(fā)展基金（H04010701W070552）

參考文獻(xiàn)

[1]張辛耘，王敬農(nóng)，郭彥軍.隨鉆測井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢[J].測井技術(shù)，2006，30（1）：10-15.

[2]盧文東，肖立志，季紅鵬，劉東明.隨鉆核磁共振測井儀的關(guān)鍵技術(shù)簡介[J].測井技術(shù)，2007（2）.

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

作者簡介

張嘉偉（1982-），男，中海油服油技事業(yè)部，電子技術(shù)工程師，主要研究方向：測井儀器研制。endprint