核磁共振测井简介

引言

核磁共振测井是一种适用于裸眼井的测井新技术，是目前唯一可以直接测量任意岩性储集层自由流体（油、气、水）渗流体积特性的测井方法，有明显的优越性。本文主要讲解了核磁共振测井的发展历史、基本原理、基本应用、若干问题及展望。

发展历史

核磁共振作为一种物理现象，最初是由Bloch和Purcell于1946年发现的，从而揭开了核磁共振研究和应用的序幕。1952 年，Varian 发明了测量地磁场强度的核磁共振磁力计，随后他利用磁力计技术进行油井测量。1956 年，Brown 和Fatt研究发现，当流体处于岩石孔隙中时，其核磁共振弛豫时间比自由状态相比显著减小。1960年，Brown 和Gamson研制出利用地磁场的核磁共振测井仪器样机并开始油田服务。

但是，地磁场核磁测井方案受到三个限制，即：井眼中钻井液信号无法消除，致使地层信号被淹没；“死时间”太长，使小孔隙信号无法观测；无法使用脉冲核磁共振技术。因此，这种类型的核磁共振测井仪器难以推广。1978 年，Jasper Jackson 突破地磁场，提出一种新的方案，即“Inside-out”设计，把一个永久磁体放到井眼中(Inside)，在井眼之外的地层中(Outside)建立一个远高于地磁场、且在一定区域内均匀的静磁场，从而实现对地层信号的观测。这个方案后来成为核磁共振测井大规模商业化应用的基础。但是由于均匀静磁场确定的观测区域太小，观测信号信噪比很低，该方案很难作为商业测井仪而被接受。1985 年，ZviTaicher和Schmuel提出一种新的磁体天线结构，使核磁共振测井的信噪比问题得到根本性突破。1988 年，一种综合了“Inside-out”概念和MRI 技术，以人工梯度磁场和自旋回波方法为基础的全新的核磁共振成像测井(MRIL)问世，使核磁共振测井达到实用化要求。

此后，核磁共振测井仪器不断改进，目前，投入商业应用的核磁共振测井仪器的世界知名测井服务公司分别为：斯仑贝谢、哈利伯顿和贝克休斯。他们代表性的产品分别是：Schlumberger--CMR、Halliburton--MRIL-P、Baker hughts—MREX。

基本原理

在没有任何外场的情况下，核磁矩(M)是无规律地自由排列的。在有固定的均匀强磁场σ0影响下，这个自旋系统被极化，即M重新排列取向，沿着磁场方向排列。同时，原子核还存在轨道动量矩，象陀螺一样环绕，这个场的方向以频率ω0 进动。ω0与磁场强度σ

0 成正比，并称ω0为拉莫尔频率。

在极化后的磁场中，如果在垂直于的方向再加一个交变磁场，其频率也为质子（氢核）的进动频率时，将会发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩，通过吸收交变磁场提供的能量，越迁至高能态，此现象称为核磁共振。

造岩元素中各种原子核的核磁共振效应的数值是不同的，它首先决定于原子核的旋磁比，岩石中元素的天然含量以及包含该元素的物质赋存状态。

核磁测井以氢核与外加磁场的相互作用为基础，可直接测量孔隙流体的特征，不受岩石骨架矿物的影响，能提供丰富的底信息，如地层的有效孔隙度、自由流体孔隙度、束缚水孔隙度、孔径分布及渗透率等参数。

氢核在地磁场中具有最大的旋磁比和最高的共振频率，根据含氢物质的旋磁比、天然含量和赋存状态，氢是在钻井条件下最容易研究的元素。因此，包含某种流（水、油或天然气）中的氢原子核是核磁测井的研究对象。

对于静磁场，热平衡时，处于地磁场的氢核自旋系统的磁化矢量与静磁场方向相同，加极化磁场后，磁化矢量偏离静磁场方向，经核磁共振达到高能级的非平衡状态，断掉交变极化磁场后，磁化矢量又将通过自由进动朝着静磁场方向恢复，使自旋系统从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态，这个恢复过程称为弛豫时间。

实际测井时，以地磁场当成静磁场，通过下井仪首先把一个很强的极化磁场加到地层中，等氢核完全极化后，再撤去极化场，则氢核磁化矢量便绕地磁场自由进动，在接收线圈中就可测到一个感应电动势。由于束缚水和可动流体的弛豫时间不同，所以束缚水、可动流体在接收线圈中产生的感应电动势的强弱和持续时间也不一样。测井前事先刻度出束缚水和可动流体的弛豫时间，这样束缚水、可动流体的信息就可直接在测井曲线上反映出来，即可直接计算出自由水、束缚水饱和度。

应用研究

核磁共振测井是在井底条件下实现核磁共振测量。其测量原理的核心之一是对地层施加外加磁场,使氢原子核磁化。氢核是一种磁性核,具有核磁矩。磁体放到井中,将在井周围地层产生磁场,使氢核的磁矩沿磁场方向取向,这个过程叫磁化或极化,极化的时间常数用T1表示,称作纵向驰豫时间。T1与孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质以及地层的岩性等因素有关。核磁共振测井原理的核心之二是利用一个天线系统,向地层发射特定能量、

特定频率和特定时间间隔的电磁波脉冲,产生所谓的自旋回波信号,并接收和采集这种回波信号,所采用的方法叫做自旋回波法。观测到的回波串为按指数规律衰减的信号,其衰减的时间常数用T2表示,叫做横向驰豫时间,它与地层孔隙度的大小、孔隙直径的大小、孔隙中流体的性质、岩性以及采集参数(如te和磁场的梯度)等因素有关。

主要测量成果和能解决的主要地质问题有:

1、确定地层有效孔隙度；

2、确定地层孔隙自由流体体积和束缚流体体积,划分产层与非产层；

3、估算连续的地层渗透率；

4、提供反映地层孔隙大小分布和流体流动特性的T2分布；

5、利用两次不同回波间隔测井进行差谱或移谱分析,直接识别油气；

6、与常规测井资料结合进行综合解释,改进对地层流体性质的评价；

7、确定储集层的有效厚度。

若干问题

但是,在中国核磁共振测井应用实践中,也发现许多问题,不仅影响了应用效果,还曾经在某种程度上影响过人们对这项技术的信心。这些问题主要集中在孔隙度和流体识别上。在孔隙度方面,从理论上来讲,核磁共振测井是最好的测量方法,应该能够提供准确的地层孔隙度测量结果,而实际上在气层、稠油层,或高矿化度钻井液等条件下,往往出现测量孔隙度偏低或偏高的情况,甚至表现出与地层岩性的某种相关性。在流体识别方面,从理论上讲,有这些可能性,并且也发展了相应的数据采集和处理方法,但是,却都有非常强的使用条件。至于核磁共振测井得到的束缚水、渗透率、孔径分布、毛管压力曲线和原油黏度等信息,都是由回波串反演出T2分布,然后再导出的二级参数,也都有非常强的使用条件。对应用实践中出现的种种问题进行归纳、总结和分析,将有益于改进和提高核磁共振测井的应用效果。主要存在以下几个问题有待突破和解决：

1、核磁共振测井孔隙度；

2、核磁共振测井流体识别；

3、核磁共振测井束缚水和渗透率；

4、核磁共振测井仪器的适应性问题。