核磁共振测井基础理论

• 根据量子力学原理，在外加磁场中，核磁 矩的空间取向是量子化的。例如，自旋为 1/2的氢核，磁矩只有与平行和反平行两种 取向。平行于的磁矩处于低能态，与反平 行的磁矩则处于高能态。外加磁场使核自 旋的能级发生分裂。相邻能级之间的能量 差为
ΔE = Em−1 − Em = γhB0
• 式中，h为普朗克常数。
仪器外壁 井壁
B0(r)
f1 f2
Δf Δr r
r1 r2
•磁场强度 (470 gauss or 2000 KHz)
•静磁场分布较复杂
• 贴井壁性仪器
•受井眼影响
• 高分辨率 (6 inch). 测量样品体积
小，信噪比低.
•测井速度 150-250 ft/hr (600-
2000 ft/hr, CMR-Plus)
• 射频脉冲作用后，M0被分解成X-Y平面的分 量MXY和MZ方向分量。
• MXYÆ0 横向弛豫过程 弛豫速率为1/T2 • MZ ÆM0 纵向弛豫过程 弛豫速率为1/T1
纵向弛豫过程
1.00 0.95
3 T1 , Polarize 95 %
1
2
3
5
4
纵向弛豫过程按照[1-exp(-t/T1)]规律恢复
扰流 天线
屏蔽磁铁
天线 小磁铁
MREx 磁场分布
MR Scanner 规格
• 测量速度(ft/hr)：
• 垂向分辨率(in) ：
• 回波间隔
(ms) ：
• 探测深度 主天线 (in)：
• • 高分辨率天线 (in)
• • 最小适用井眼 (inches) ：
• 压力
(kpsi)：
• 温度 (DegC)：
操作范围可粗略估算: Rm井下泥浆电阻 (Ohmm) x 孔隙度 (%) > 1
超出此操作范围时可用定点测量模式
受仪器的重量和耗电量的影响，与其它仪器的组合受限 ，但是与 ECS的完全组合可提供完整的岩性，孔隙度和 流体识别的方法
核磁共振测井T2谱反演
∑ s(ti )
=
30
a
j =1
j
⎜⎜⎜⎝⎛1
+ M0 t
t4 – M0
• 饱和恢复法
T1 测量
Signal
+ M0 T1
0
t1
t
t2
t3
t4
M(t) = M0 (1 – e – t/T1 )
T2 测量
自旋回波
90ox 180ox 180ox 180ox
slow fast
T2 T2*
slow fast
Carr-Purcell sequence
宏观磁化矢量
在外加磁场中，整个自旋
B0
系统被磁化，宏观上产生
一个净的磁化矢量和。该
宏观磁化量与外加磁场B0
平行。M平行磁矩的布局
多于反平行磁矩。根据高
能级与低能级粒子布居满
足波尔兹曼分布。在B0磁
场中,宏观磁化强度的大
小为
M = Nγ 2h 2I(I + 1)B0
3KT
其中，K为玻尔兹曼常数；T 为绝对温度；N为单位体积中 的核自旋数。
• 长度 (ft)：
• 探头直径 (in)：
• 仪器全重 (lbs)：
3600 - 250 7.5, 18 0.45 1.5, 1.9, 2.3, 2.7, 4* 1.25 5-7/8” 20 150 32 5” 1200
S N
Highres Main
MR Scanner 烃类识别适用于淡水泥浆和低矿化度地层水 以及高孔隙度地层。随泥浆电导率的增加和孔隙度的降 低，深探测深度测量值将有较大噪声。
原子核的磁性
由于原子核带有电荷，它 们的自旋将产生磁场，像 一个磁棒，核磁矩矢量为
μ = γp
• 没有外加磁场 时，单个核磁矩 随机ห้องสมุดไป่ตู้向，宏观 上不显磁性。
外加磁场中的自旋
z
L B0 0
1/2 µ
y
x -1/2
拉莫尔方程
当核磁矩处于外加静磁场中时，它将受到一个力矩的作
用，从而会像倾倒的陀螺绕重力场进动一样，绕外加磁场
1
2
3
4
5
90°
FID
0
180°
τ
时间( ms)
Echo
2τ 时间( ms)
• 反转恢复法
P180 P90
FID
P180 P90
t1
P180
P90
t2
T1 测量
• 反转恢复法
T1 测量
Signal
T1
0
t1
t2
t3
Inversion Recovery M(t) = M0 (1 – 2 e – t/T1 )
核磁共振的应用
目前核磁共振测井主要在裸眼井中测量，既可以用于电缆 测井，也可以用于随钻测井，能够为地层油气资源评价提 供独特的、在许多情况下是不可或缺的重要信息，主要包 括： z 与岩石矿物骨架成分无关的孔隙度； z 孔径分布（孔隙中只含有单相流体时）； z 毛管束缚水、泥质束缚水、可动流体； z 渗透率； z 可动流体中的油、气含量等。 这些信息的获取和应用，改善了测井对地层油气评价的准 确性、对储量计算的合理性、对产能预测的可靠性、以及 对油气田增产措施评价的可能性。
Outside Diameter
6.0 in. 15.2 cm 4.875 in. 12.4 cm
MRSN -D
Maximum Hole Size 6.0”
16
in. 40.6 cm
4.875” 8.5 in. 21.6 cm
Minimum Hole Size 6.0” 7.0 4.875” 6.0
Pore throat distribution NMR distribution
Sandstone Kair = 2.15 md Porosity = 9.7 p.u. ρe = 23.0 μm/sec.
Dolomite Kair = 7.41 md Porosity = 15.8 p.u. ρe = 5.35 μm/sec.
MRIL C
双频
MRIL Prime 9 个频
MRWD
随钻仪器
•Schlumberger
CMR-A
TE=320 μs
CMR-200 TE=200 μs
CMR Plus TE=200 μs & 预极化
MR Scanner
•Baker Atlas
MRIL B
MRIL C
MREx
磁体
共振区域
天线
S
N
Mud
z Bo
f0
f
y
B1
x
B1
f
高能态
低能态
B1
偏转角
θ= γ B1 τ
τ
M
θ = 90°
f
M
90° pulse
M M
θ
f
M
θ = 180°
f
M
180° pulse
弛豫
• 射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方 向；射频脉冲作用后，磁化矢量又将自由进 动，向B0方向恢复，核自旋从高能级的非平 衡态往低能级的平衡态恢复，这一过程称为 弛豫。
in. 17.8 cm in. 15.2 cm
Logging Speed
Speed Charts
C rossover S ub
D ia m : 3 5 /8 "
81"
W e ight: 1 0 0 lb s .
166"
D ia m : 3 5 /8 " W e ight: 2 5 0 lb s.
166”
横向弛豫过程
M0
0
0
50
100
150
200
横向弛豫过程按照[exp(-t/T2)]规律恢复
Time(ms)
自由感应衰减信号
90° pulse
90° pulse
自由感应衰减信号（Free Induction Decay—FID)
Time
1 = 1 + γ ΔB0
T2* T 2
2
CPMG（Carr Purcell Meiboom Gill） 脉冲序列
BVI
FFI
25
Cumulative Porosity, %
20
MRI Porosity
15
10
5
0
1000
10000
Relaxation Time (T2), ms
T2
time
T2
time
T2
time
T2
time
T2
time
Pore Size Distribution
NMR T2 Distribution
核磁共振测井基础理论讲座
中国石油勘探开发研究院测井与遥感所 2007年10月10日
核磁共振的应用
• 核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance—NMR)是一种重 要的物理现象。1946年，斯坦福大学的Bloch和哈佛大学 的Purcell分别用不同的样品(水和石蜡)、不同的方法(双 线圈、感应法和单线圈、吸收法)独立地进行了体样品核 磁共振实验，标志着核磁共振正式诞生。随后核磁共振在 物理、化学、材料科学、生命科学和医学等领域中得到了 广泛应用。
核磁共振现象
• 对于被磁化后的核自旋系统，如果在垂直 于静磁场方向再加一个交变电磁场，而 且，让其频率与拉莫尔频率，根据量子力 学原理，核自旋系统将发生共振吸收现 象，即处于低能态的核磁矩将通过吸收交 变电磁场提供的能量，跃迁到高能态。这 种现象即是所谓的核磁共振。
原子核的磁性
• 核磁共振技术的基础是原子核的磁性及其 与外加磁场的相互作用。原子核的磁性起 源于原子核的磁矩，而原子核的磁矩又起 源于原子核的自旋角动量。原子核由质子 和中子组成，质子带正电，中子不带电， 质子与中子统称核子。研究表明，所有含 奇数个核子、以及含偶数个核子但原子序 数为奇数的原子核，都具有内秉角动量 （或叫“自旋”）。这样的核，自身不停地旋 转，犹如一个旋转的陀螺。
−
e
−WT T1, j
⎠⎞⎟⎟⎟e
− ti T2,
j
i = 1,L, Nech
Signal Amplitude
BVI
FFI
Time
30
φ = ∑aj
j =1
T2 cutoff
T2 分布
孔隙度
• 核磁共振测井的观测信号强度和孔隙流体 具有一定的对应关系，零时刻的信号强度 （FID或回波串）可以标定为地层孔隙度。
Incremental Porosity, %
2.5
100% Saturated
2
cumulative
incremental
1.5 After Pc to Swi cumulative
incremental
1
0.5
0 0.1
1
10 T2cutoff
100
碎屑岩地层T2cutoff＝33ms 碳酸盐地层T2cutoff＝92ms
Frequency 1
Frequency 2 Frequency 3 Frequency 4 Frequency 5 Frequency 6 Frequency 7 Frequency 8 Frequency 9
MRIL-Prime
Tool Specifications
C a b le H e a d
ρe is found @ Max C
Amplitude (a) Amplitude (a)
10-2
10-1
100
101
102
103
104
Throat radius (r), microns - T2, ms
10-2
10-1
100
101
102
103
104
1000r/2ρe or Relaxation time T2, ms
Radius, microns
T1 > T2
CPMG 自旋回波串
90 o
180 o
ΤΕ = 2τ
180 o
180 o
180 o
exp( –2nτ/Τ2 )
Amplitude
Polarization 2τ
4τ
recovery
TE
RD
t
6τ
8τ
CPMG 自旋回波串
t
核磁共振仪器
•Halliburton/Numar
MRIL B
单频
的方向进动，进动频率由Larmor（拉莫尔）方程确定，
即：
ω B = γ
0
0
式中，为外加磁场的磁感应强度。例如，在强度为 0.025T的外加磁场中，氢核的拉莫尔进动频率是 1.065MHz。
不同的原子核，由于其值不一样，在相同的外 加磁场中，将有不同的进动频率。另一方面，同 一种原子核，在不同强度的磁场中，其进动的频 率也会不同。
D4TG
Maximum Temperature Maximum Pressure
350 F
177 C
M RCC-D
20,000 psi 1400 bars
Length
6.0” 52.88 ft 4.875” 50.38 ft
16.1 m
15.4
m
M REC -D
Weight
6.0” 1,475 lbs 669 Kg 4.875” 1,275 lbs 578 Kg
Limestone
Kair = 12.3 md Porosity = 10.5 p.u.
ρe = 3.16 μm/sec.
10-1
100
101
102
103
104
T2 Relaxation time, or 1000r/2ρe, ms
Radius (HgI) T2 (NMR)
φ = 17.1 % Kair = 1.87 md Swir = 80.8 %
D ia m : 3 5 /8 " W e ight: 2 5 0 lb s.
1 6 1 .5 "
D ia m : 6 " W e ight: 7 7 5 lb s.
60"
D ia m : 3 5 /8 "
W e ight: 1 0 0 lb s .
Amplitude of B0(r) f0(r)