一種新型核磁共振測井儀設計

白克宗 趙宏宇 張嘉偉

【摘 要】核磁共振測井技術是當今世界最新進的一種測井技術之一，其測井信號全部來自地層中的流體信號，可用對地層中的自由流體、束縛水、滲透率以及孔徑分布等重要參數進行定量分析。在復雜巖性特殊巖性儲層、低孔低滲或石油天然氣和稠油等儲層都具有明顯的應用效果。本文主要對一種新型核磁共振測井儀進行簡要介紹，并分析其主要的功能模塊。目前該核磁儀器已經成功應用于實際作業中，取得了很好的現場實際應用效果。

【關鍵詞】核磁共振;CPMG序列;回波信號;前置放大;小波分析

中圖分類號： TN912 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0005-004

【Abstract】NMR logging is the one of the most advanced technology around the world， logging signals come from fluid of the formation. Parameters like moved fluid， bound water， permeability， pore-distribution and so on can be analyzed through this technology， especial for complicated reservoir， Low-porosity & permeability formation and heavy oil formation. This paper introduces a new NMR logging tool， which is analyzed through its function models. Now this tool have been used in actual wells with good logging results.

【Key words】NMR; CPMG sequence; Echoes; Pre-amplifier; Wavelet analysis

0 引言

從核磁共振測井技術一出來，該技術一直是石油測井領域最前沿最先進的技術[1]。核磁共振直接測量地層中流體的相關信息，技術復雜且信號微弱。所以當第一支核磁共振測井儀推出現場應用時，立即被譽于測井技術的神話。本文主要對一種新型核磁共振儀器進行簡要介紹，分析其主要的功能。最后對該儀器實際作業應用結果進行分析，驗證了該儀器的性能。

1 核磁共振測井背景介紹

1.1 國內外核磁共振測井儀現狀

目前國際上主要的核磁儀器有斯倫貝謝的CMR-plus、MRX，哈里伯頓的MRIL-P、MRIL-XL和阿特拉斯的MREX。所有這些儀器的探測器工作原理如下圖1所示： CMR采用偏心、均勻場方案;MRX及MRIL-XL具有偏心、梯度磁場、多工作頻率設計，能進行不同深度的切片測量分析;MRIL-P型儀器為居中型、梯度磁場設計，具有9個工作頻率，居中測量，功耗較大;MREx儀器采用貼井壁偏心測量，有12個工作頻率，回波間隔可達0.4ms[2]，具備二維核磁采集與處理功能。本文設計的新型核磁儀器，采用8個頻率的梯度場、具有高分辨率等主要亮點[2]，處于國際同類儀器具有相同水平。

1.2 核磁共振信號產生與接收模型

核磁共振采用圖2所示的信號產生及接收模型。如圖2所示的這種典型的核磁共振工作方式稱為CPMG序列。首先等待TW激化時間使地層中的流體完全激化，確保地層流體氫原子核磁矩向靜磁場方向激化排列，進行90度發射脈沖使其核磁矩搬轉90度，其后每隔TE時間進行180度脈沖發射使其在同一平面的兩個速度不同的矢量重合產成回波信號，這種核磁發射序列即為CPMG序列[2]。

核磁共振主要采用CPMG序列工作，采集一系列回波信號，并計算回波的幅值與相位。實際采集信號中采集到的回波幅度值一般在100nv～5uV范圍內，頻率在580KHz～1.2MHz。所以必須設計一種低輸入噪聲電壓的接收鏈路，對信號進行預處理，便于后續數字處理。

2 核磁共振測井儀器（EMRT）設計

2.1 核磁儀器（EMRT）整體結構設計

新型核磁共振測井儀整體結構圖如下圖3所示。主要由4個部分組成：接收鏈路部分、數字電路部分、發射鏈路部分及天線探頭部分。其中接收鏈路部分是該儀器的核心，其設計性能的好壞直接決定了整只儀器的信噪比與抗干擾性能[3]。

2.2 接收鏈路設計

接收鏈路設計框圖如圖4所示。該接收鏈路的主要功能是對地層回波信號進行前置放大、濾波，輸出到事件控制板進行采集與處理。該部分是整個核磁共振儀器電路的核心部分，其噪聲性能直接影響儀器的整體性能，因此接收鏈路設計對整只儀器性能指標至關重要[4]。

接收鏈路主要由隔離電路（decoupler電路）、前放電路（PreAmp電路）以及一系列輔助電路組成。其中隔離電路的主要作用是在儀器進行高壓發射時有效阻斷天線探頭上高壓發射信號與前放電路的連接，保護前放電路免受高壓沖擊。前放電路將地層回波信號進行信號濾波放大，并輸出給事件控制電路進行數字采集與信號處理。事件控制板主要進行信號的采集處理以及發射信號的控制。下面主要重點對接收鏈路中隔離電路與前放電路板兩部分進行分析。

如上圖5中所示，天線連接隔離板的輸入，隔離板擁有一個輸入高壓檢測部分，其主要是由一個運放比較器構成。當發射高壓時，該比較器檢測到高壓信號，然后強制啟動收發控制邏輯模塊的輸出電壓，使其及時變低電平從而有效驅動隔離板上兩個MOSFET管有效關斷。圖5中的收發開關是由兩個耐高壓的MOSFET管構成。當高壓發射完成后，由事件控制電路產生一個Softdump的軟泄放控制信號，使隔離板上的泄放開關導通同時控制收發切換控制信號使RT_SW為高電平，使收發開關導通確保天線與接收電路同時接地，起到泄放天線中殘存的發射能量，為回波信號接收作準備，一般此時間控制在30us以內。然后將Softdump軟泄放控制信號變高以斷開泄放開關，進行地層回波信號的接收。

前放電路由一系列低噪聲精密放大器組成，其整體結構設計框圖如下圖6所示。第一級由兩組相同的差分儀用放大電路并聯設計，可有效降低輸入電壓噪聲;第二部分主要是由三級級聯的低噪聲運放電路串聯設計，對微弱信號進行放大;第三級由一個1MHz低通濾波放大電路構成，將前級信號進行低通濾波;最后一級由AD8131芯片來將前級輸出信號轉化成差分信號傳輸給事件控制電路進行信號采集處理，差分信號輸出可確保在信號傳輸過程中空間共模信號干擾的作用。

上圖6所示前放電路的結構設計框圖，為了測試該電路帶寬，采用信號發生器輸出峰峰值5V，頻率100KHz～1.2MHz變化的正弦信號為輸入信號，經衰減器衰減120dB后輸入至圖6中前放電路左側輸入端，AD8131最后一級差分放大器輸出端連接示波器CH3、CH4，記錄示波器（CH3-CH4）的差分輸出信號在示波器中進行平均256次的信號峰峰值如下表1所示。

上表1中輸入信號頻率（KHz）表示信號發生器輸出峰峰值5V，頻率100KHz～1.2MHz變化的正弦波，第 1～4次示波器記錄（mV）表示前放電路差分輸出信號經示波器平均256次的峰峰值，記錄4次;4次測量的平均值（mV）表示第 1～4次示波器記錄（mV）對應數據的平均值。將表1中記錄數據繪制成頻率響應曲線如下圖7所示：

2.3 基于小波分析的微弱信號提取算法設計

小波分析是時間（空間）頻率的局部化分析，通過伸縮平移運算對信號（函數）逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節，解決了Fourier變換的困難問題[6]。提升小波算法相比基于經典的小波算法最主要優點是：改進了經典小波算法，使其更易于實現。新型核磁儀器在國內外首次實現并成功現場應用了基于提升小波分析的核磁共振回波提取算法和現場快速反演算法，能夠在現場作業環境下及時精確的提取回波和反演分析。

3 新型核磁共振測井儀器應用分析

截至目前為止該新型核磁儀器已經在渤海、湛江、山西、新疆及伊拉克、俄羅斯等地成功作業上兩百多次，取得了很好的應用效果。下圖為該儀器在伊拉克某個區塊碳酸鹽巖地層作業的典型油層響應結果進行簡要分析。

上圖13所示地層段為典型油層核磁響應圖，標準T2譜分布主要表現為雙峰或多峰形態，譜峰在400ms左右，分布范圍為高幅度，長弛豫特征，可動孔隙度較發育。在移譜圖中T2譜明顯前移。3065-3070m，3072-3077m，3080-3084m三個層段可動孔隙分別高達8pu， 6pu，17pu，滲透性好，泥質束縛水較弱，為典型的油層。

4 結束語

我公司從2008年開始啟動對核磁共振測井儀的研究，截止目前為止已經完成整套核磁儀器的研制工作，掌握了全套核心技術及制作工藝，儀器各項指標均以達到國際先進水平，生產出24只新型核磁共振測井儀，并成功作業上百井次，取得了良好的現場應用效果，目前儀器已經全面應用與國內外測井市場中。核磁共振測井技術目前在國內是一項新型的技術，受到了各大石油公司的廣泛使用與喜愛[9]。相信隨著今后科技的發展與進步，核磁共振技術的應用前景定會更加光明[10]。

【參考文獻】

[1]George Coates，肖立志，Manfred Prammer著，孟繁瑩譯.核磁共振測井原理與應用.北京：石油工業出版社，2007.

[2]邵維志，莊升，丁娛嬌，一種新型核磁共振測井儀———MREx.石油儀器，2004.

[3]Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments， 1966.

[4]華中科技大學微弱信號檢測技術資料.

[5]戴逸松，微弱信號檢測方法及儀器.? 北京：國防工業出版社，1994.

[6]核磁共振測井接收鏈路設計.科學與技術研究，2012：27-28.

[7]一種基于小波變換的核磁共振微弱信號提取算法設計.科學與技術研究，2012，：5-6.

[8]劉越，戴逸松，劉君義.應用DPSD算法測量調幅信號的研究.計量學報，2000，21（3）：222-22.

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

[10]肖立志，謝然紅.核磁共振測井儀器的最新進展與未來發展方向.測井技術，2003，27（4）：265-269.