1、 核磁共振測井2005年7月1Why NMR Logging2Why NMR Logging?Porosity fSaturation SwPermeability Kf Neutronf DensityRtSw 60%waterSw 40%oil40% Sw 60%oil + waterSwRwRt=f2What will the reservoir produce?Formation3Why NMR Logging ?Neutron / Density log responsesPorosity fSolidsComplex mineralogyFormation model1. Less

2、 sensitivity to pore fluids than to solid matrix; 2. Radioactivity sources.4Why NMR Logging ?Resistivity log responsesWater porosity fwFormation modelComplex texture1. No resolution to capillary bound water; 2. Difficulty to determine clay bound water; 3. No sensitive to hydrocarbon types 5Why NMR L

3、ogging ?f Neutronf DensityResistivity RtSensitive volumes are poorly definedBore hole fluids effectsMud cake effectsRugosity effectsDepth of investigation mismatchVertical resolution mismatch 6 Total Porosity Effective PorosityPore Size Distribution PermeabilityCBW / BVI / FFI RockPropertiesFluidPro

4、pertiesReservoirUnderstanding Hydrocarbon detection Hydrocarbon typingWhy NMR Logging ?Log AnalystWhere are the HCs ?How much HC ?What type of HC ?PetrophysicistWhat are the fluids ?What is the reservoir quality?What will flow ?Reservoir EngineerWhat will produce ?At what rate?Which recovery strateg

5、y ?The NMR logging provides answers for:7NMR Physics核磁共振是磁場中的原子核對電磁波的一種響應，原子核由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電。質子與中子統稱為核子。所有含奇數核子以及含偶數個核子但原子序數為奇數的原子核，都具有內秉角動量（或叫“自旋”）。這樣的核，自身不停地旋轉，猶如一個旋轉的陀螺。由于原子核帶有電荷 ，它們的自旋將產生磁場，象一根磁棒，該磁場的強度和方向可以用核磁矩矢量來表示，即： =p 式中 磁矩；p自旋角動量；比例因子，被稱做旋磁比，是磁性核的一個重要性質，每一個核都有一個特定的值，由實驗測定。可以為正，亦可以為負，所

6、以核磁矩的方向可能與核自旋角動量的方向相同或相反。 當沒有外加磁場時，單個核磁矩隨機取向，因此，包含大量等同核的系統在宏觀上沒有磁性。 8NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS+gpm=2hINSNS Magnetization9+NSThe Origin of Magnetization10當核磁矩處于外加靜磁場中時，它將受到一個力矩的作用，從而會象傾倒的陀螺繞重力場進行一樣，繞外加磁場的方向進動，進動頻率。又叫Larmor頻率，是磁場強度與核旋磁比的乘積，即：o=Bo 式中，Bo為外加磁場的強度。由于不同的核值不一樣，因此，在相同的外加磁場

7、強度中，不同原子核的進動頻率亦不相同。 在外加磁場中，整個自旋系統被磁化，宏觀上將產生一個凈的磁矩矢量和。單位體積內，核磁矩的和，叫做宏觀磁化量（M），即：M=i這個非零宏觀磁化量與外加磁場Bo平行。 11Many spinszzMMyyxxfBoo22B3)1(KTIIhNM+=gMagnetizationNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSt t SN8NS12Nuclear Magnetism+Gyromagnetic Ratio (): Quantum Mech.View (Energy)Classical View(Orientation)high Elow ED

8、EAppliedMagneticField, Bodetermines measurement frequencyh = Planks constantI = spin quantum number單個自旋自旋I=1/2的氫核,在外加磁場中,能級分裂成兩個,即高能態和低能態,對應于核自旋進動的不同取向13 對于被磁化后的自旋系統，再施加一個與靜磁場垂直、以進動頻率。振蕩的交變磁場B1。從量子力學的角度說，此時交變場的能量等于質子兩個能級的能量差，會發生共振吸收現象，即處于低能態的核磁矩吸收交變電磁場提供的能量，躍遷到高能態，磁化強度相對于外磁場發生偏轉，這種現象被稱為核磁共振， 交變電磁場既可

9、以連續地施加，也可以以短脈沖的形式施加。現代核磁共振儀大多采用脈沖方法。它具有許多優越性，特別在提高信噪比方面。由于譜儀的工作頻率大多在射頻段，故把這樣的脈沖電磁波叫做射頻脈沖。14B1tPulse angleq= g B1 tMMMMqPulse Angle (in rotating frame of reference) f 加上B1后與B0平行的磁化矢量M將被扳倒，磁化矢量被扳倒的角度與加給自旋的能量成正比，因此，取決于射頻場的強度和長度（即連續施加的時間）.15MMMMqfMMMq = 90fMMMq = 180f90 pulse180 pulseB1tPulse angleq= g

10、B1 t 90脈沖是指把磁化矢量扳轉90的脈沖，從縱軸（B0）方向扳轉到水平面，并與B0及B1都垂直。180脈沖則引起磁化矢量的反轉 16測量方法 在核磁測井中測量核磁弛豫的方法主要有自由感應衰減、自旋回波、反轉恢復法等。自由感應衰減法在井下測量簡便易行，自旋回波法可以消除由于擴散而對測量結果帶來的誤差，便結果更為準確可靠，并且提高了信噪比。1790pulse90pulseFIDTime Free Induction Decay(FID)180t2tFIDEcho90180Time( ms)Time( ms)12345自旋回波方法(90-180- )19Signal1st Spin-Echo2

11、nd Spin-EchoT Decay2T * Decay2RFTE/2TETE90180180Spin Echo Train20Time(ms)2t4t6t8tTE9018018018018021弛 豫 在射頻脈沖施加以前，自旋系統處于平衡狀態，磁化矢量與靜磁場方向相同，射頻脈沖作用期間，磁化矢量偏離靜磁場方向，射頻脈沖作用完后，磁化矢量又將通過自由進動，朝B0方向恢復，使核自旋從非平衡態分布恢復到平衡態分布。恢復到平衡的過程中叫做弛豫，它包含兩種不同的機理：非平衡態磁化矢量的水平分量MX、Y衰減至零的過程稱為橫向弛豫過程，弛豫速率用1/T2來表示，T2叫做橫向弛豫時間。橫向弛豫過程中，自旋

12、體系的內部相互作用，使磁化矢量進動相位從有序分布趨向無規分布。從此，自旋與晶格或環境之間不交換能量，自旋體系的總能量沒有變化，所以，從微觀機制上考慮，又把這個弛豫過程叫做自旋一自旋弛豫。22磁化矢量的縱向分量MZ恢復到初始磁化強度M0的過程，稱為縱向弛豫過程，弛豫速率用1/ T1來表示，T1叫做縱向弛豫時間。在縱向弛豫過程中，磁能級上的粒子數要發生變化，自旋體系的能量也要發生變化，自旋與晶格或環境之間交換能量，把共振時吸收的能量釋放出來，因此，在微觀機制止，把它稱做自旋一晶格弛豫。23024681012140M0Time(s)Exp(-t/T2)3 T2 , decay 95 %1816 Tr

13、ansverse Relaxation24024681012140M0Time (s)1-exp(-t/T1)3 T1 , Recovery95 %1816 Polarization or Longitudinal Relaxation25M0RF pulseB1Time( s)Echo trainTWTime( s)PolarizationNMR Signal ProcessT1T226024681012140M0Time (s)1816270t2tFIDEcho90180Time( ms)28RF PulseTimeTE90180180180180S NS NEcho SignalTime

14、TEAntenna Magnet mandrel29Time Polarization T2 Polarization T2T2 DecayTETWT1 BuildupM0 . e -t/T2M0(1 - e -t / T1)30TwTeTw= wait time Te= interecho timeNe= Number of echoesRA= running averagetimetimeData Acquisition31P(i)tRaw Data: Echo TrainM(t)Processing Result: T2 DistributionT2From a Echo Train t

15、o a T2 Distribution32物質的弛豫特征 存在三種影響T1或T2弛豫時間的NMR弛豫機理：即顆粒表面弛豫、梯度場中分子擴散引起的弛豫和體積流體進動引起的弛豫 表面弛豫:流體分子在孔隙空間內不停地運動和擴散，在NMR測量期間擴散使分子有充分機會與顆料表面碰撞。在大部分巖石中，顆粒表面弛豫對T1和T2的影響最大。體積弛豫:巖石孔隙中的流體固有的弛豫。擴散弛豫:在梯度場中分子擴散造成的弛豫為擴散弛豫。 33Physics of NMR Logging Tool34 當前，世界上能夠提供核磁共振測井服務的主要有3 家，即俄羅斯、斯侖貝謝和Numar。當代核磁共振測井可分為三種類型：（1

16、）大地磁場型：以俄羅斯生產和制造為主，目前已廣泛用于俄羅斯、韃靼、秋明、哈薩克斯坦等地區，年測井近1000口井。（2）脈沖強磁場貼井壁型：斯化貝謝公司研制并投入生產使用。（3）成象測井型：美國Numar公司研制并投入生產使用。 大慶測井公司2000年7月引進了美國哈里伯頓能源服務公司的MRIL-P型核磁共振測井儀，它是C型儀器的擴展和完善35MRIL in WellboreMRIL ProbeBoreholeSensitiveVolumeCylinders(each 1 mm thickat 1 mm spacing)24 “16”36f1f2Using Multiple Frequencie

17、sf3 Improves Logging Speed Increases Signal to Noise373839 儀器的探頭由一個永久磁鐵，一個射頻脈沖（RF）發射器及一個射頻接受器。 儀器具有以下特點： (1) 24英寸的永久磁鐵在井眼周圍地層產生梯度靜磁場。（2）儀器居中測量，在探測體積范圍內，消除了井眼泥漿信號，可獲得較高的測量信噪比。40（3）P型核磁測井儀器具有9個觀測頻率，它測量的信息，是地層中9個厚度約1mm的殼體內流體的貢獻。大大方便了各種不同觀測模式的設計和實現，并提高了測井作業的效率。（4） MRILP型儀器一次下井可進行標準T2測量，雙等待時間測井和雙回波間隔測量。保

18、證了測量的穩定性，大大提高了井場的工作效率。（5）MRILP型儀器的最小回波間隔可達到0.6ms，實現了對粘土水信號的觀測，因此可獲得地層的總孔隙度和粘土束縛水體積。 41MRIL-Prime Shells16” 250FMRIL Prime ProbeBorehole9 SensitiveVolumeCylinders(each 1 mm thickat 1 mm spacing)24”1”760kHz580kHz42Tw = 12sSingle Frequency ToolMRIL-B, CMR 3 ft/min.92% idleDual Frequency ToolMRIL-C6 ft/

19、min.85% idleNine Frequency Tool(8 freq. shown)MRIL-Prime Tool24 ft/min.TE = 0.6msTW = 8sTW = 1sTE = 1.2msTE = 3.6msTW = 8sTotal porosity with Dual TE and Dual TW in a single pass to cover all types of formation fluids that might be encounter in an exploration/development well. 430100003030time msec3

20、0single volumedual volume8-volumeMRIL-Prime Data Quality- improved data quality with the MRIL-Prime tool4445MRILP型儀器的測量方式 MRILP型核磁共振測井儀有四種基本的觀測模式： （1）單Tw/單TE模式，用DTPTW或D9TPTW表示。由于測量泥質束縛水、毛管束縛水、視總孔隙度、視有效孔隙度 、滲透率，不能做流體類型識別。（2）雙TW/單TE模式，用DTW或D9TW表示，該模式是一種T1加權觀測，除了用于測量泥質束縛水、毛管束縛水、視總孔隙度、視有效孔隙度外，還可以單獨用作油氣識

21、別，并且，通過非完全磁化和含氫指數校正，獲得地層的真有效孔隙度和真總孔隙度。46（3）單TW/ 雙DTE模式，用DTE（n）TW 和 D9TE（n）TW表示，該模式是一種擴散系數加權觀測，可以測量泥質束縛水、毛管束縛水、視總孔隙度、視有效孔隙度，也可以對粘度較高的油進行識別和定量分析。 雙Tw/雙TE模式，用DTWE（n）或D9TWE（n），該模式既利用了擴散系數加權又利用了T1權觀測，可以測量泥質束縛水、毛管束縛水、視總孔隙度、視有效孔隙度、以及對輕烴、高粘度油的識別和定量分析，是一類對新區有效的觀測模式。47MRIL-P型儀器的特點1、孔隙度重復性為1個標準偏差。2、垂向分辨率：標準模式為

22、6 feet。高分辨率模式4 feet。靜止分辨率為2 feet。3、泥漿電阻率最低為 0.02 歐姆.米。4、最高工作溫度175。5、最大工作壓力20000 psi。6、井眼條件：7、僅適用于裸眼井。井眼尺寸儀器直徑（in）最小（in）最大（in）4 7/868.5671648 MRILP型核磁共振測井測前設計 為采集高精度的測井資料，采集到我們所需要的測井信息必須做好測前設計，做好測井設計的關鍵是要準確地確定儲層流體的核磁特性，（T1、T2）而識別流體、核磁持性的幾個關鍵參數有地層溫度、地層壓力、地層水礦化度、泥漿類型、油氣比重、地層溫度下的油氣粘度等。在了解上述信息后，要做好測井方式，參

23、數選擇等準備工作。49MRILProcessing & InterpretationMRIL Corrections & Quality Control:Quality Control Curves:B1MOD+/- 5% of B1 CalibrationCHI 2(Curve to fit quality)GAINPHNO 1.0(Standard Deviation of channel after rotation)PHER 0.0(Mean of the noise channel)PHAN 60 or 240 deg.(Phase Angle)MRILCorrections50測井

24、后的質量檢查主要從以下幾個方面進行測井資料質量檢查各種觀測模式測井有效孔隙度（MPHI）總孔隙度（MSIG）。 雙TW測井中的MPHITWSMPHITWL 雙TE測井中的MPHITELMPHITES核磁有效孔隙度與中子密度交會孔隙度的一致性，要求在水層處MPHIXPHI;在純氣層處經輕烴校正后MPHI中子孔隙度;在砂巖處MPHI密度孔隙度。 51NMR Applications in Petrophysics52 核磁共振測井解釋原理EchoAmplitude0151501351201059075604530Time (ms)20151050.001.002.003.004.000.11101

25、00100010000MBVIMBVM4.000.001.002.003.00Incremental Porosity (pu)MCBWMatrixMatrixDryDryClayClayClay-Clay-BoundBoundWaterWaterMobileMobileWaterWaterCapillaryCapillaryBoundBoundWaterWaterHydrocarbonHydrocarbonT2 DecayMRIL PorosityT2 Decay (ms)T2 Cutoffs53T2T2T2T2T2timetimetimetimetimePore Size and T2 (

26、Water)54Fluid on the surface has rapid relaxation rate 1HBulk fluids have lower relaxation ratesBasic relaxation mechanisms for fluids in rock pores:Bulk relaxation for both T2 and T1Surface relaxation for both T2 and T1Diffusion relaxation for T2Diffusion55NMR - Pore Size (Sandstones)f = 17.1 %Kair

27、 = 1.87 mdSwir= 80.8 %f = 24.4 %Kair = 45.1mdSwir= 58.3 %f = 11.8 %Kair = 414 mdSwir= 29.6 %f = 27.8 %Kair = 2640 mdSwir= 21.3 %.001 .01 0.1 1.0 10 100Radius, micronsRadius (HgI)T2 (NMR)56核磁共振測井的測井方式及 處理解釋方法核磁共振測井的地質應用57Dual TEEffective PorosityActivation selectionLight hydrocarbon detectionTotal an

28、d effective porosity detection Viscous oil detection Objectives to run MRILDual TW1 10 100 1,000T2 (ms)Long TWShort TW1 10 100 1,000T2 (ms)Long TWPartially polarized1 10 100 1,000T2 (ms)Short TELong TETotal Porosity58雙等待時間測井方式適用于:輕質油 (viscosity up to 5 cp)識別天然氣59FluidT1(ms)T2(ms)TypicalT1/T2HIh(cp)D

29、ox105(cm2/s)Brine1 5001 50021.2 - .87 1.8Oil3000 4000300 1000410.2 - 10007.6-0.0015Gas4000 500030 6080.2 - .4.011 - .014(methane)80 - 10060Direct Hydrocarbon TypingDifferential Spectrum Method NUMAR Corp., 19951 10 100 1,000 10,000T2 Time (ms)BrineGasOilPorosityPorosityPorosityLong RecoveryTime (TR)

30、Short RecoveryTime (TR)Difference610M0Time (s)T1 relaxation contrast mechanismWaterHydrocarbonTWshortTWlong1 10 100 1000 T2(ms)TWshort1 10 100 1000 T2(ms)TWlongPolarization and echo acquisitionT2 distribution6263Matrix &Dry ClayClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterLight OilClayBoundWaterCap

31、illaryBoundWaterMoveableWaterLight OilOil base mud filtratePorosityPorosity1101001,000T2 (ms)Long TWShort TWOil-base mudClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterLight OilWater base mud filtratePorosityPorosity1101001,000T2 (ms)Long TWShort TWWater-base mudOil base mud filtrateFormation oil64Mat

32、rix &Dry ClayClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterGasClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterGasOil base mud filtrateOil-base mudPorosityPorosity1101001,000T2 (ms)Long TWShort TWClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterGasWater base mud filtrateWater-base mudPorosityPorosity11010

33、01,000T2 (ms)Long TWShort TWOil base mud filtrateFormation gas65Matrix &Dry ClayClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterLight OilGasClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterLightOilGasWater baseMud filtrateClayBoundWaterCapillaryBoundWaterMoveableWaterLightOilGasOil baseMud filtrate1 10 1

34、00 1,000 T2 (ms)PorosityPorosityLong TWShort TWWater-base mud1 10 100 1,000 T2 (ms)PorosityPorosityLong TWShort TWOil-base mudFormation oil & oil base mud filtrateGasFormation oil6667tRaw Data: Echo Train A (long TW)M(t)tRaw Data: Echo Train B (short TW)M(t)P(i)Processing Result: T2 DistributionT2Di

35、fferential echo trainA - B in Time domaintEcho Train DifferenceM(t)Data Process for Results in Echo Time Domain68MRILProcessing & InterpretationMatrix &Dry ClayClayBoundWaterCapillary BoundWaterMoveableFreeWaterOilGasConductive FluidsMPHIMCBWMFFIPHITMRILMBVIMRIL Porosity for two fluid phasefMRIL = f

36、 . Sxo + f * ( 1 - Sxo) . Hl* . ( 1 etw/T1)waterHCfMRIL = f . Hl . ( 1 etw/T1)69MRILProcessing & Interpretation T.D.A.MRIL Time Domain AnalysisMatrix &Dry ClayClayBoundWaterCapillary BoundWaterMoveableFreeWaterOilGasConductive FluidsMPHIMCBWMFFIPHITMRIL onlyMBVIMRIL + MRIANEPORCBVWETPORMRIL + MRIANT

37、DA_COMPPhiWPhiOPhiG70 Time Domain Analysis1. 直接判斷烴的類型2. 直接求有效孔隙度3. 不依靠電阻率直接求取 Sxo.71適用于:重油 (up to 50 cp)確定Sw, Sor確定 Fw (free water)雙TE測井方式72SSM for case 1.737475MRILProcessing & InterpretationMatrix &Dry ClayClayBoundWaterCapillary BoundWaterMoveableFreeWaterOilGasConductive FluidsMPHIMCBWMFFIPHITMR

38、ILMBVIMRIL Permeability767778 核磁共振測井資料的地質應用（1）核磁共振測井在大慶油田葡西-新肇 地區的應用 （2）核磁共振測井在深層天然氣的應用 （3）核磁共振測井在海拉爾地區的應用 （4）注水開發井水淹層評價 79大慶長垣以西地區是松遼盆地北部重要的勘探地區。該探區存在多套成熟的生油巖，多期活動的繼承性斷裂發育，形成多層位含油的地質特點。巖性以砂泥巖為主，高含泥高含鈣，孔滲低或特低，薄互層較發育，區塊內有低阻油層、高阻水層等，解釋較為困難。 核磁共振測井在大慶油田葡西-新肇地區的應用80818283古井巖心分析滲透率與核磁滲透率對比圖儲層參數的確定84古巖心分析

39、孔隙度與核磁孔隙度對比圖85古井孔隙度、滲透率對比圖86本地區原油大部分屬于輕質油,地面原油密度為0.8209-0.8594g/m3，原油粘度在13.9-51.4mPa .s，平均地層油密度0.723 g/m3，平均地層原油粘度1.4 mPa .s平均原始飽和壓力10.22Mpa。該地區的地層水屬NAHCO3，總礦化度為7818.61-10642.68mg/l。本地區的油水性質適合核磁測井， 所以在該地區加測核磁共振測井，目的是提高該地區的儲層參數的精度以及流體性質的識別，使核磁共振測井能夠發揮較好的作用。 流體性質識別87古井常規測井曲線圖88古井 核磁共振測井差譜成果圖雙TW測井方式的測井

40、。長等待時間12s，短等待時間1s，回波間隔1.2ms，回波數400個。 89485356古井常規測井曲線與核磁共振測井處理成果圖1676.8-1731.6米壓后自噴日產油18.84t/d,氣7537m3/d90葡萄花油層組核磁共振差譜測井成果圖373839404142434491葡萄花油層組核磁共振測井解釋成果圖373839404142434492核磁共振測井在海拉爾地區的應用 大慶油田海拉爾地區巖性復雜，有砂泥巖、砂礫巖、火成巖等復雜巖性。另外海拉爾地區屬山前快速充填斷陷盆地，致使儲層橫向對比困難，油水關系復雜。原油大多屬輕質油，天然氣井的成分以CO2為主。 常規測井曲線的自然伽瑪曲線在儲

41、層非儲層反映基本一致，無法劃分儲層。如何應用測井資料正確劃分儲層，準確識別流體性質，提高勘探開發效益具有特別重要意義。 93貝3*1井測井曲線綜合圖94 49-55號層測井曲線綜合圖貝3*2井95貝井常規測井曲線與核磁共振測井差譜處理成果圖53 555452 5151號層壓后日產油23.813t/d，55號層日產水61.99m3/d原油相對密度0.8158g/m3,粘度3.2mPa.s，凝固點2.0。為輕質油特征. 96核磁共振測井解決疑難問題實例1）根據核磁提供的孔徑分布進行流體性質識別 貝31井38號層，本層以短弛豫組分（432ms）為主，孔隙以細粒徑為主，束縛水含量高，物性差；從核磁共振T2譜