天然氣核磁共振測井技術的探討與應用前景

李強，陳子亮

（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

1 核磁共振測井發展

現代NMR測井的發展可以追溯到1978年在Los Alamos國家實驗室開展的NMR井眼測井研究項目。該項目的部分目標是制造和測試一種在井眼中使用的NMR測井儀，它能克服NML儀的局限性。Los Alamos試驗儀器使用的是強永久磁鐵，正如那些在現代實驗室的NMR儀器一樣，進行了脈沖NMR自旋回波測量。這些測量結果極其靈活，可適用于許多不同的地層評價。Los Alamos實驗室儀器證明了NMR測井的可行性，但由于其信噪比（S／N）太低，而且磁鐵和射頻（RF）線圈的設計產生很大的井眼信號而無法滿足商用需求。可行性論證后不久，1983年成立的Numar公司和斯倫貝謝公司開始了獨立的研究，試圖設計NMR磁鐵和RF天線，從而滿足商用NMR測井需求。

2 核磁共振測井原理

2.1 核磁共振測井應用基本原理

核磁共振（NMR）具有信息豐富、測量信號不受固體骨架的影響、觀測范圍具有可選性等特點。是將所采集到儲層巖心樣品置入一個靜磁場及一個振蕩磁場中，當具有一定孔隙度、滲透率及含油飽和度（或含水飽和度）的巖心中的油或水中的氫原子核被激發后吸收能量，滿足共振條件時，產生核磁共振現象。

總體來說核磁共振是磁場中的原子核對電磁波的一種響應［2］，處于熱平衡的自旋系統，在外磁場的作用下磁化矢量偏離靜磁場方向，外磁場作用完后，磁化矢量試圖從非平衡狀態恢復到平衡狀態，恢復到平衡態的過程叫做馳豫。核磁共振NMR信號的馳豫時間與氫核所處的周圍環境密切相關，水的縱向恢復時間比烴快得多。根據核磁共振特性間的差異指示含氫密度的高低來識別油氣層。

2.2 核磁共振測井參數測量原理與方法

（1）T2截止值的選取。核磁共振測井可以精確計算許多地質參數，主要包括地層總孔隙度、有效孔隙度、粘土束縛水飽和度、毛管束縛水飽和度、中值孔喉半徑、含水飽和度、含油飽和度、儲層絕對滲透率等參數。在此我們主要對孔隙度對應的相關參數進行計算研究。利用T2譜分析計算儲層束縛水孔隙度和可動流體孔隙度時，準確的T2截止值是正確計算這些參數的前提。T2截止值的確定主要通過實驗室獲得，不同巖性和孔隙結構的巖石數值不同。在砂泥巖地層，T2截止值一般為33，在碳酸鹽巖地層為98。一般在不同的研究區域，進行巖心實驗測量，可以較為準確的確定T2截止值參數。確定T2的常用方法是，對離心前后的T2譜分別作累積線，從離心后的T2譜累積線最大值處作X軸平行線，與離心前的T2譜累積線相交，由交點引垂線到X軸，其對應的值為T2，如圖1所示。

圖1 T2截止值求取方法示意圖

（2）儲層孔隙度計算模型。核磁共振測井詳細描述了巖石中各類孔隙特性，可以較為準確地計算各類孔隙度，測量結果直接反映了地層的孔隙情況。對飽和巖樣測得的T譜，用標準樣品進行刻度，將核磁信號強度轉換成孔隙度，轉換公式如下:

式中:φnmr—樣品核磁孔隙度值（百分單位）；M—標準樣品T2譜的總幅度；V—標準樣品總含水量（水的體積cm）；S、G—分別為標準樣品在NMR數據采集時的累積次數和接受增益；Mi—樣品第i個T2分量的核磁共振T2譜幅度；V—樣品的體積（以cm為單位）；s、g—分別為樣品核磁共振數據采集時的累積次數和接受增益。

利用上述方法進行T2譜的刻度后，就可以進行各種孔隙度的計算。在孔隙度的計算中，首先要確定T2譜分布與孔隙度對應的相關參數，然后對T2譜進行面積積分來確定儲層的各類孔隙度。這里我們主要對毛管束縛流體孔隙度和可動流體孔隙度進行計算，其確定方法如下:

3 核磁共振測井氣層識別

用核磁共振識別天然氣主要用密度孔隙度與核磁共振總孔隙度（DPHI—TCMR）重疊法、差譜分析法和移譜分析法。

3.1 重疊法

應用傳統的信號處理解釋技術，計算密度孔隙度和核磁共振孔隙度，兩條曲線重疊后，其間較大的幅度差為氣層的標志。該方法比應用中子—密度孔隙度交會識別氣層更加明顯。這是因為中子測井易受泥質的影響，而TCMR測量的只是巖石孔隙中流體的含氫指數。

3.2 差譜分析法

是利用水和天然氣的縱向馳豫時間T1相差較大這一特點來進行流體性質判別，水的縱向馳豫時間T1遠小于天然氣的縱向馳豫時間，所以水的恢復速率遠快于天然氣的恢復速率。根據這一特點，利用長、短兩種不同等待時間的CPM G脈沖序列進行兩次測量，在短等待時間情況下，水得到完全恢復，而天然氣只有部分得到恢復；在長等待時間情況下，水和天然氣均得到了完全恢復。所以求出長、短等待時間下的兩個回波波列的差，即可消除水的信號，突出天然氣的信號，從而達到識別天然氣的目的。

3.3 移譜分析法

利用靜態梯度磁場中流體擴散特性對橫向馳豫時間T2的影響來探測天然氣的。通常情況下，氣的擴散作用比油、水都強。根據不同流體擴散系數不同，在兩個CPMG脈沖序列中使用兩個不同的回波間隔TEL、TES和一個長TW進行測量，擴散效應使TE的T2譜向減小的方向移動；天然氣有最大的擴散系數D，T2分布譜減小的最厲害；水的擴散系數D比天然氣小得多，T2譜分布減小的程度也要小得多。對比其T2分布減小的程度，即可進行移譜分析。從而達到識別天然氣的目的。

4 核磁共振測井的應用前景

如今隨著測井新技術的飛速發展，核磁共振測井信息在天然氣的勘探、開發中的應用領域也日益擴大，它不僅可以對各種復雜氣儲集層進行精確評價，而且也逐步應用于沉積環境、構造形態、古今構造應力等方面的研究，由此推動了儲集層橫向預測、油氣藏描述、儲集層改造、優化鉆井設計等領域中測井技術應用的廣闊前景。

［1］孫遜，趙文杰.核磁共振（NMR）測井的進展［J］.測井與射孔，2007，（1）.

［2］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用［M］.北京:科學出版社，1998.

［3］邱廣軍.核磁共振成像測井應用［J］.內江科技，2010，（1）:78.

［4］崔秀芝，秦菲莉，袁恩祥，等.應用核磁共振測井資料評價氣層［J］.內蒙古石油化工，2005，（12）:115.

［5］杜尚明，胡光燦，李景明，等.天然氣資源勘探［M］.北京:石油工業出版社，2004.