石油工程測(cè)井放射性

石油工程測(cè)井放射性第1頁/共48頁2核測(cè)井

核磁共振測(cè)井(NuclearMagneticResonanceLogging)于20世紀(jì)60年代提出，但直到20世紀(jì)80年代以后才逐漸發(fā)展起來，目前已投入生產(chǎn)實(shí)踐。它利用地層孔隙中富含氫原子的液體（油、水）中氫核受激發(fā)后產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)，通過測(cè)井解釋獲知儲(chǔ)集層的孔隙度、可動(dòng)流體指數(shù)、滲透率和巖石孔徑分布等油氣資源評(píng)價(jià)所需要的基本參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出油層儲(chǔ)量。核磁共振測(cè)井是迄今唯一能夠直接測(cè)量?jī)?chǔ)集層自由流體孔隙度的測(cè)井方法，而且具有測(cè)量準(zhǔn)確可靠、可提供多種儲(chǔ)集層參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。它所帶來的測(cè)井技術(shù)上的重大突破將有效地解決傳統(tǒng)測(cè)井方法由于不能圓滿測(cè)取儲(chǔ)集層特征參數(shù)所導(dǎo)致的產(chǎn)層漏劃問題，對(duì)石油增產(chǎn)具有重要作用。第三節(jié)核磁共振測(cè)井第2頁/共48頁3核測(cè)井

氫核（質(zhì)子）本身帶電，質(zhì)子具有自旋性，可形成磁場(chǎng)，即質(zhì)子具有一定的磁矩。在Z軸施加外加磁場(chǎng)后（B0），氫核繞外磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)（圖3－22），進(jìn)動(dòng)頻率0為：一、核磁共振測(cè)井（一）核磁共振現(xiàn)象式中Y—?dú)浜说男疟龋瑀ad／（s·T）；B0—外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。第3頁/共48頁4核測(cè)井

一、核磁共振測(cè)井（一）核磁共振現(xiàn)象圖3－22靜磁場(chǎng)中質(zhì)子的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)動(dòng)第4頁/共48頁5核測(cè)井

在保持核子靜磁場(chǎng)的條件下，對(duì)質(zhì)子施加與靜磁場(chǎng)方向垂直的射頻場(chǎng)。由于射頻場(chǎng)的作用，質(zhì)子的磁矩將倒向XY平面。當(dāng)外加射頻場(chǎng)的頻率等于質(zhì)子（氫核）的進(jìn)動(dòng)頻率時(shí)，質(zhì)子吸收外加射頻磁場(chǎng)的能量，躍遷到高能位，這就是核磁共振現(xiàn)象。一、核磁共振測(cè)井（一）核磁共振現(xiàn)象（NuclearMagneticResonance-NMR）第5頁/共48頁6核測(cè)井

在核磁共振信號(hào)的測(cè)量期間，質(zhì)子磁矩收到Z軸靜磁場(chǎng)的作用，在進(jìn)動(dòng)過程中向Z軸方向恢復(fù)，這個(gè)過程叫縱向弛豫?？v向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特性及流體特性。縱向弛豫的方程為：（二）縱向弛豫及橫向弛豫式中M—質(zhì)子初始的磁化強(qiáng)度，T；T1—質(zhì)子的縱向弛豫時(shí)間，ms；M(t)—t時(shí)刻的磁化強(qiáng)度，T。第6頁/共48頁7核測(cè)井

在測(cè)量核磁共振信號(hào)期間質(zhì)子磁化強(qiáng)度在XY平面的投影同時(shí)向零方向恢復(fù)，這個(gè)過程稱為橫向弛豫。橫向弛豫過程的表達(dá)式為：（二）縱向弛豫及橫向弛豫式中M(t)t時(shí)刻磁化強(qiáng)度在XY平面的投影，T；M0—開始橫向弛豫的初始磁化強(qiáng)度，T；T2-橫向弛豫時(shí)間，Ms。第7頁/共48頁8核測(cè)井

橫向弛豫過程的快慢，反映了巖石的孔滲特性，及流體特性。主要是由于測(cè)量效率的原因，目前下井核磁共振測(cè)井和實(shí)驗(yàn)室核磁共振分析，都是測(cè)量地層（巖石）的橫向弛豫過程。（二）縱向弛豫及橫向弛豫表3-4不同流體的弛豫參數(shù)（據(jù)Coates）第8頁/共48頁核磁共振現(xiàn)象1)核有磁性，沒有外磁場(chǎng)作用，宏觀上沒有磁性。第9頁/共48頁（一）核磁共振現(xiàn)象2)在外磁場(chǎng)Ｂ0作用下，產(chǎn)生宏觀磁化量M0

。進(jìn)動(dòng)頻率ω0=γB0第10頁/共48頁3)在垂直Ｂ0方向上加交變磁場(chǎng)頻率ω=ω0=γB0,發(fā)生核磁共振現(xiàn)象。M被扳倒。第11頁/共48頁4)弛豫（交變磁場(chǎng)作用完）,Ｔ１&Ｔ２

第12頁/共48頁核磁共振測(cè)井1)極化

第13頁/共48頁2)自旋回波測(cè)量

第14頁/共48頁3)井中測(cè)量第15頁/共48頁核磁共振測(cè)井資料處理1)核磁共振測(cè)井測(cè)的是氫核的共振信號(hào)大小及其衰減速率Φ∝Hv∝A第16頁/共48頁2)巖石弛豫機(jī)理

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第18頁/共48頁3)核磁共振測(cè)井處理:T2分布第19頁/共48頁核磁共振測(cè)井特點(diǎn)1)只對(duì)氫核的磁共振信號(hào)觀測(cè)，其它核無影響；2)只測(cè)量流體中的氫核響應(yīng)，無骨架影響；3)只測(cè)量距井眼一定距離孔隙流體中的氫核響應(yīng)，無井眼影響(探測(cè)深度約15cm)。第20頁/共48頁NMR測(cè)井特點(diǎn)

第21頁/共48頁NMR測(cè)井解釋模型1)孔隙度模型第22頁/共48頁2)滲透率模型第23頁/共48頁24核測(cè)井

目前，在全世界范圍內(nèi)提供商業(yè)服務(wù)的核磁共振測(cè)井儀主要有3種類型：一種是Atlas和Halliburton采用NUMAR專利技術(shù)推出的系列核磁共振成像測(cè)井儀MRIL；另一種是Schlumberger推出的組合式脈沖核磁共振測(cè)井儀CMR；還有一種是以Russia為主生產(chǎn)和制造的大地磁場(chǎng)型系列核磁測(cè)井儀RMK923。這些核磁共振測(cè)井儀器的具體測(cè)量方式存在一些差異，但在測(cè)量原理上大同小異。（三）核磁共振測(cè)量原理第24頁/共48頁25核測(cè)井

CMR在探頭測(cè)量區(qū)間中產(chǎn)生局部均勻的靜磁場(chǎng)，RMK923利用大地磁場(chǎng)作為靜磁場(chǎng)。NumarMRIL型核磁共振測(cè)井的測(cè)量方案具有代表性，見圖3－23。在測(cè)量過程中，首先用靜磁場(chǎng)使地層中的質(zhì)子（氫核）定向排列；然后對(duì)質(zhì)子施加特定頻率，且方向與靜磁場(chǎng)方向垂直的射頻磁場(chǎng)，使質(zhì)子發(fā)生核磁共振。巖石中的質(zhì)子受激發(fā)躍遷到高能態(tài)，然后以弛豫的形式放出多余的能量，質(zhì)子回到平衡態(tài)。質(zhì)子在弛豫過程中放出的能量，就是核磁共振的測(cè)量信號(hào)。巖石中核磁共振信號(hào)基本上是由孔隙流體中的氫核產(chǎn)生。（三）核磁共振測(cè)量原理第25頁/共48頁26核測(cè)井

（三）核磁共振測(cè)量原理圖3－23NumarMRIL型核磁共振測(cè)井探頭第26頁/共48頁27核測(cè)井

核磁共振測(cè)井儀器的原始測(cè)量信號(hào)是質(zhì)子的弛豫信號(hào)，對(duì)弛豫信號(hào)反演后，可以得到弛豫時(shí)間的譜分布。根據(jù)弛豫時(shí)間的譜分布，可以得到:地層總孔隙度（TPOR）有效孔隙度(MPHI)自由流體體積(MBVM)毛管束縛流體體積(MBVI)粘土束縛水體積等地質(zhì)參數(shù)，如圖3－24所示。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第27頁/共48頁28核測(cè)井

二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用圖3－24某井核磁共振測(cè)井圖第28頁/共48頁29核測(cè)井

圖3－25所示為利用核磁共振測(cè)井解釋地層中各種流體成分所依據(jù)的模型。從圖上可見，核磁共振測(cè)井得到的地層總孔隙度(TPOR)，有效孔隙度(MPHI)，自由流體體積(MBVM）、毛管束縛流體體積(MBVI)、粘土束縛水體積之間滿足關(guān)系：（1）總孔隙度（TPOR）由粘土束縛水、毛細(xì)管束縛水和自由流體體積組成；（2）有效孔隙度(MPHI）由毛細(xì)管束縛水和自由流體體積組成；（3）自由流體體積(MBVM)為可產(chǎn)出的氣、中到輕質(zhì)的油和水，MBVM=MPHI－MBVI；（4）粘土束縛水體積為TPOR與MPHI之差。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第29頁/共48頁30核測(cè)井

二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用圖3－25核磁共振測(cè)井解釋模型第30頁/共48頁NMR測(cè)井第31頁/共48頁32核測(cè)井

圖3－26所示為以核磁共振測(cè)井表示的含水砂巖的流體分量畫像。從圖上可見，在含水砂巖中，T2時(shí)間分布反映了地層的孔徑分布；短T2分量來自接近和束縛于巖石顆粒表面的水。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用圖3-26從時(shí)間分布表示的含水砂巖的流體分量圖像第32頁/共48頁33核測(cè)井

核磁共振測(cè)井T2測(cè)量值的幅度和地層的孔隙度成正比（一般情況下該孔隙度不受巖性的影響），衰減率與孔隙大小和孔隙流體的類型及粘度有關(guān)。T2時(shí)間短一般指示比表面積大而滲透率低的小孔隙；T2時(shí)間長(zhǎng)則指示滲透率高的大孔隙。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第33頁/共48頁34核測(cè)井

巖石孔隙中氫核的弛豫快慢與弛豫的方式有關(guān)。當(dāng)氫核在巖石孔隙的表面附近弛豫時(shí)，氫核頻繁與孔隙表面碰撞，這種碰撞使氫核的弛豫過程加快。氫核在孔隙表面附近的弛豫機(jī)制屬于表面弛豫。如圖3－27所示，旋進(jìn)質(zhì)子在孔隙空間擴(kuò)散時(shí)會(huì)與其他質(zhì)子及顆粒表面碰撞，質(zhì)子每與一個(gè)顆粒表面碰撞一次，就有可能發(fā)生弛豫相互作用，顆粒表面的弛豫是影響弛豫時(shí)間最重要的機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明，在小孔隙中，質(zhì)子與顆拉表面碰撞的幾率高，弛豫快；在大孔隙中，質(zhì)子與顆粒表面碰撞的幾率低，弛豫慢。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第34頁/共48頁35核測(cè)井

圖3－28是在某井低孔低滲儲(chǔ)集層中核磁共振測(cè)量的數(shù)據(jù)。圖中的“T2CUTOFF”稱為T2截止值，是指T2分布譜上束縛流體和自由流體的截?cái)嘀?，它將T2譜分為兩部分。大于T2截止值的那部分區(qū)域的面積等于自由流體體積，小于T2截止值的那部分區(qū)域的面積等于束縛流體體積。T2截止值是利用T2開展儲(chǔ)集層孔隙內(nèi)流體研究所需的重要參數(shù)，國外在均勻砂巖儲(chǔ)集層中確定的TZ截止值為33ms，但國內(nèi)在非均值孔隙介質(zhì)中的研究表明，T2截止值有一定的變化范圍。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第35頁/共48頁36Ch1Introduction第36頁/共48頁37核測(cè)井

二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用圖3－28某井核磁共振測(cè)井圖第37頁/共48頁38核測(cè)井

圖3－29為某井的稠油井段的核磁共振測(cè)井圖，稠油的含氫指數(shù)低、粘度大，導(dǎo)致了T2分布譜前移，呈單峰拖拽特征。這是由于稠油中的瀝青質(zhì)等重組分的橫向弛豫速度非?？?，儀器無法測(cè)量到；而一些較輕質(zhì)成分的弛豫速度較慢，呈現(xiàn)向后拖拽的特征。因此，在稠油情況下，用經(jīng)驗(yàn)的T2截止值將高估毛管束縛水含量、低估可動(dòng)流體體積，使核磁共振總孔隙度低于實(shí)際總孔隙度，進(jìn)而影響滲透率及含油飽和度的計(jì)算。圖3－29中“CMRBFV”為束縛流體體積，Sw與“CMRBFV”之間的差異指示可動(dòng)流體體積。二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用第38頁/共48頁39核測(cè)井

二、核磁共振測(cè)井的應(yīng)用圖3－29某稠油井段的核磁共振測(cè)井圖第39頁/共48頁40核測(cè)井

1.什么是核磁共振現(xiàn)象？2.什么是橫向和縱向弛豫時(shí)間？3.T2分布譜有什么作用？4.CMR測(cè)井的應(yīng)用。小結(jié)第40頁/共48頁-41-3013～3035m即為高滲透性儲(chǔ)層，核磁共振響應(yīng)特征表現(xiàn)為：自由流體峰幅度明顯增高，而束縛流體峰則相對(duì)較低。2980～2985m泥巖層段，核磁共振有效孔隙度很低，僅2～3%，而且絕大部分為束縛水孔隙體積。角58井砂泥巖地層儲(chǔ)層評(píng)價(jià)實(shí)例第41頁/共48頁-42-白馬8井：結(jié)果3648.91～3780m段經(jīng)測(cè)試日產(chǎn)水15.6方，證實(shí)了儲(chǔ)層的存在。砂巖地層儲(chǔ)層劃分實(shí)例白馬8井第42頁/共48頁判別依據(jù)應(yīng)用二、流體性質(zhì)判別第43頁/共48頁差分譜法判別油氣