[科普中國]-核磁測井

原理

在地磁場的作用下，地層中那些自旋軸與地磁場不完全重合的氫核繞地磁場旋進。如果在下井儀器中用極化線圈產(chǎn)生與地磁場垂直的強脈沖磁場(與地磁場比較而言)，迫使氫核的自旋軸離開地磁場的方向，當極化磁場去掉后，它們繞地磁場旋進并逐漸恢復到原有狀態(tài)。氫核的旋進在感應線圈中產(chǎn)生逐漸衰減的射頻信號，其幅度取決于地層中自由流體的氫核數(shù)，稱自由流體指數(shù)。

而束縛水或死油對核磁測井不起明顯作用。井眼產(chǎn)生的信號衰減很快，可以通過延遲測量時間將其影響減至最小。根據(jù)自由流體指數(shù)可獲得巖石的自由流體孔隙度，配合其它資料可計算滲透率。如果進而測量熱馳豫時間，則可以區(qū)別油和水。

測量方法核磁共振的測量方法有多種，在核磁共振測井中主要采用了預極化方式、自旋回波方式等，前者在井下測量簡便易行，后者可以消除由于擴散而對測量結(jié)果帶來的誤差，使結(jié)果更為準確，并且提高了信噪比。

預極化方式在穩(wěn)定場的垂直方向上加一較強的極化場，經(jīng)過足夠長極化時間，原來沿穩(wěn)定場建立的平衡靜磁化強度會發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿總場方向取向，產(chǎn)生一個橫向磁化強度分量，這時突然撤去極化場，磁化強度便在穩(wěn)定場的作用下以拉莫爾頻率進動，其縱向分量逐漸恢復到平衡值，而橫向分量逐漸減小到0，在垂直于穩(wěn)定場方向上會測量到一個隨時間衰減的自由感應衰減信號FID，利用其幅度的變化可以研究物質(zhì)的T2。該方法要求有較長極化時間，測井速度慢，且電流大，迅速關斷電流較困難，若在開關斷開后延遲一段時間測量，雖能壓制部分干擾，但也丟掉了許多有用信息。

自旋回波方式預極化方式測量的T2到磁場非均勻性嚴重影響。為了改善測量的質(zhì)量，右用這種方式。在垂直于穩(wěn)定場方向旋加一90度極化脈沖，使M0產(chǎn)生90度的傾角，脈沖過后，由于產(chǎn)生弛豫作用，各分量相位分散，橫向分量減小，經(jīng)過恢復時間τ再施加脈沖，散開的磁矩繞極化場翻轉(zhuǎn)180度，再過時間τ，分散的核磁矩又集中到極化場成90度的位置，開成一個強的自旋回波。改變時間間隔，可測量到一組幅度各不相同的自旋回波，其衰減時間常數(shù)為T2。如果脈沖間隔足夠小，就可有效地消除擴散和磁場非均勻性對測量的影響。有人曾研究了一種自旋回波核磁共振測井儀，由于當時設計過于簡單，脈沖的精度不好控制，因而沒有得到應用。

歷史發(fā)展人們第一次認識核磁共振(NMR)的潛在價值是在20世紀50年代，在60年代早期研制出核磁測井(NML)儀。NML儀因其許多局限性最終在80年代末停止了服務。盡管它有諸多局限性，但為支持NML測井而進行的實驗研究，預見了今天仍在進行的多種地層評價，其中包括估算滲透率、孔隙大小分布、自由流體體積、原油黏度和潤濕性。

現(xiàn)代NMR測井的發(fā)展可以追溯到1978年在LosAlamos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。LosAlamos試驗儀器使用的是強永久磁鐵，正如那些在現(xiàn)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(jié)果極其靈活，可適用于許多不同的地層評價。

LosAlamos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(chǎn)生很大的井眼信號而無法滿足商用需求?？尚行哉撟C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。

20世紀90年代初，研究有了收獲，有兩家公司開始對電纜式儀器樣機進行現(xiàn)場測試。儀器性能遠遠超過NML儀，在地層評價方面很快有了效果。自從第一支商用儀器投入使用以來，這兩家公司都推出了先進的電纜式NMR測井儀和隨鉆測井(LWD)NMR儀器。1997年，Numar公司被哈里伯頓收購，現(xiàn)已完全成為其子公司。

2001年，哈里伯頓公司推出了NMR流體分析儀，它是電纜式流體采樣儀的一部分。2000和2002年，哈里伯頓公司和斯倫貝謝公司分別推出了LWD儀器。貝克·休斯公司在2004年推出了電纜式NMR儀，2005年推出了LwDNMR儀。2