提高泥质束缚水测量精度的核磁共振测井技术

朱万里,靳敏刚,姜曼,张娟,陈玉杰,李圣均,宋宇

(1.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;2.中国石油天然气集团有限公司测井试验基地,陕西西安710077)

0 引 言

核磁共振测井结果不受岩石骨架影响,能获得用于地层评价所需的孔隙度、渗透率、孔径分布、流体性质及含量等信息[1]。但是,由于磁场强度低、样品体积小等原因,测量结果直接影响测井数据反演的准确性,对于存在于不可动孔隙、弛豫快的泥质束缚水更是难以准确测量。

MRT多频核磁共振测井仪器在推广应用初期,曾遇到泥质束缚水测量精度低、T2谱丢失的问题。通过对测井数据质量控制曲线分析,测量的泥质束缚水信噪比偏低,导致在数据反演时受到严重干扰,影响到储层物性参数(如孔隙度、渗透率、孔径分布等)和T2截止值的准确计算,如何提高泥质束缚水测量信噪比成为解决上述问题的关键[2]。研究表明,从核磁共振信号产生机理出发,研究梯度磁场中不同射频脉冲发射下的回波信号幅度能够提高核磁共振测量信噪比[3]。

1 泥质束缚水测量方法

核磁共振测井的重要应用之一是确定储层的束缚水体积,在储层压力条件下,地层中的束缚水是不可流动的。在含有泥质黏土的情况下,泥质束缚水的衰减时间可能与毛细管束缚水部分重叠,在T2谱上,两者之间可能不存在明显的界限。核磁共振地层体积模型见图1。

图1 核磁共振地层体积模型

模型包括骨架和干黏土、泥质束缚水、毛细管束缚水、可动水、油和气。图1下部是MRT核磁共振测井仪器对各孔隙度分量的响应。核磁共振有效孔隙度不含泥质束缚水孔隙度的贡献,也不包括由泥质尺寸孔隙的其他物质的贡献,例如极其细小的晶粒粉砂岩中的水、很稠的油或者沥青、颗粒表面的顺磁化合物、石膏或者黏土矿物中的结合水[4]。

由于泥质束缚水的氢核吸附在黏土颗粒的表面,具有非常短的横向弛豫时间和纵向弛豫时间,因此需要足够短的回波间隔和较短的恢复时间。MRT仪器采用回波间隔为0.6 ms、恢复时间为20 ms、回波数量为10个。测量泥质束缚水,为了提高测量的信噪比,采用连续重复24次之后累加平均完成1次测量[5]。由于短回波间隔的影响,在去除回波信号接收采集时间、天线残余能量泄放时间、仪器死时间之后,射频脉冲发射时间受到严格限制,为了满足磁化矢量的有效扳转,射频脉冲采用硬脉冲发射。

2 射频脉冲方式对信号测量的影响

在核磁共振测井中,采用CPMG脉冲序列实现自旋回波信号测量,射频脉冲方式分为2种,即硬脉冲与软脉冲[6]。在多频率工作模式的测井仪器中,常使用软脉冲,目的是在频率域可有一个确定好的激励区域,以避免干扰附近相邻频率,而泥质束缚水测量需要采用硬脉冲发射来实现短回波间隔。

提高核磁共振测井信噪比主要在于:①提高回波信号强度;②根据核磁共振信号特点,通过降噪来抑制噪声[7]。

2.1 射频脉冲方式的影响因素

射频脉冲实现磁化矢量的扳转,需要考虑磁化扳转角与射频脉冲的幅度、持续时间,以及脉冲形状(见图2),磁化扳转角可表示为

(1)

式中,θ为扳转角;γ为旋磁比,对于氢核,γ/2π=42.58 MHz/T;B1为射频脉冲的幅度;τ为脉冲持续时间;S(t)为脉冲形状函数。

图2 射频脉冲形状示意图

如果采用复合射频脉冲,设硬脉冲持续时间所占复合脉冲的比例为β。对于特定的核磁共振测井仪器,射频脉冲幅度固定不变,为了实现磁化矢量在观测平面的分量最大,90°脉冲对应的复合脉冲持续时间为

(2)

因此,复合射频脉冲持续时间与形状参数β相关。当硬脉冲所占比例越小时,复合脉冲持续时间越长,相反,当硬脉冲所占比例越大时,复合脉冲持续时间越短。

2.2 射频脉冲方式与信号强度的关系

核磁共振区域的大小决定核磁共振的信号强度,若核磁共振区域越大,则信号强度就越高。在梯度磁场核磁共振测井中,通常核磁共振区域为较薄的圆柱壳或部分圆柱壳,核磁共振壳的厚度由射频脉冲带宽和静磁场梯度决定

(3)

式中,Δf为射频脉冲带宽;G为静磁场梯度。

脉冲形状决定了信号带宽的大小。在时间域是方波的硬脉冲经过傅里叶变换后,在频率域是一个sinc函数;在时间域是一个sinc函数的软脉冲,经过傅里叶变换后,在频率域是一个方形。考虑硬脉冲在频率域主波瓣零点位置附近的能量较小,采用在主波瓣幅值-3 dB时对应的频率范围作为硬脉冲的有效带宽,此时带宽内信号分量占信号总能量的1/2。对于复合脉冲,仍需要考虑此因素,信号强度可表达为

(4)

式中,Δfeff为射频脉冲形状函数S(t)经过傅里叶变换后的有效带宽。

利用上述公式,对不同形状的射频脉冲开展傅里叶变换,计算给定射频脉冲幅度B1和扳转角θ条件下的有效带宽,进而研究脉冲方式与回波信号强度的关系。

2.3 射频脉冲方式与信号带宽的关系

分别数值模拟硬脉冲、软脉冲和复合脉冲与信号带宽的关系。根据核磁共振射频信号特点,设定拉莫尔频率为500 kHz,磁化扳转角为90°,脉冲幅度为5 Gauss,射频脉冲持续时间为100 μs,约为50个射频信号周期,经过傅里叶变换,得到信号强度在频率域的分布(见图3、图4、图5)。

图3 硬脉冲在时域与频率域响应

在频率域的响应可以得出,硬脉冲具有多次谐波分量,且频谱呈sinc函数分布,在主波瓣幅值-3 dB时对应的频率范围作为有效带宽。接近真实情况的不带耳瓣的软脉冲,其频谱在零点位置变化缓慢,但与硬脉冲相比,能量集中,有效带宽明显大于硬脉冲。复合脉冲与硬脉冲相似,频谱呈sinc函数分布,但是谐波分量少,能量相对集中,有效带宽介于软脉冲和硬脉冲之间。

图4 软脉冲在时域与频率域响应

图5 复合脉冲在时域与频率域响应

由于有效带宽与脉冲持续时间相关,逐步改变脉冲形状参数β,数值模拟复合脉冲与信号幅度之间的关系,经归一化处理后的结果见图6。当复合脉冲形状参数β为0.33时获得最大信号幅度,较传统的硬脉冲和软脉冲分别提高约22%。

图6 归一化的自旋回波信号幅度与复合脉冲形状参数β的关系

2.4 实验验证与应用效果

在MRT多频核磁共振测井仪上开展相关实验。首先通过时序控制设计,在MRT上实现复合射频脉冲,在核磁探头天线两端测量射频脉冲信号。

实验时设定工作频率780 kHz,回波间隔为0.6 ms,恢复时间为3 s,回波串个数为300,累加次数为16。在常温条件下对模拟孔隙度为100 p.u.地层的硫酸铜溶液进行测试,测量回波串幅度与孔隙度稳定性。采用传统硬脉冲与复合脉冲的刻度水箱孔隙度波动对比(见图7),可见复合脉冲比传统硬脉冲增加了原始回波信号幅度,而提高了信噪比。

在长庆油田的应用中(见图8),对于典型的低孔隙度、低渗透率储层,产出状况与孔隙结构密切相关,通过MRT核磁共振测井,精确计算出储层有效孔隙度、泥质束缚水孔隙度、渗透率、饱和度等参数,准确识别出气层、水层和干层。在3 636.0～3 640.5 m井段经过试气,日产气62 685 m3,日产水1.2 t,应用效果明显。

图7 传统硬脉冲和复合脉冲测量的孔隙度曲线

图8 应用复合射频脉冲技术的MRT核磁共振测井应用效果

3 结 论

(1)地层泥质束缚水具有非常短的横向弛豫时间和纵向弛豫时间,需要足够短的回波间隔和较短的恢复时间进行测量,同时采用连续重复多次累加平均来提高信噪比。

(2)射频脉冲方式分为软脉冲、硬脉冲和复合脉冲,目的都是为了实现磁化矢量的扳转。复合脉冲中的硬脉冲所占比例越小时,复合脉冲持续时间越长,反之亦然。

(3)射频脉冲方式决定了信号带宽大小,通过采用复合射频脉冲技术,相比传统的硬脉冲,提高信号带宽,从而提高了仪器信噪比,进而提高了泥质束缚水测量的精度,在应用中取得了良好效果。