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浅议核磁共振测井仪器理论及应用论文

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  关键词:磁旋比;进动频率;纵向弛豫;横向弛豫

  0引言

浅议核磁共振测井仪器理论及应用论文

  核磁共振仪器通过施加强磁场让原子核自旋产生的核磁矩极化,通过测量极化时间获得纵向弛豫时间,然后通过施加射频电磁场使原子核产生共振,并把体磁化强度扳倒在横向平面上,测量自旋回波信号获取横向弛豫时间,通过对这些数据的反演,获取地层信息。

  国内外多家公司研制出不同型号的核磁共振测井仪,比如,斯伦贝谢的MRScanner,贝克休斯的MREX,哈利伯顿的MRIL及中海油服研制的EMRT。核磁共振测井仪器主要测量地层流体中的氢核,因此原理说明中的核子以氢核为例。

  1核磁测井仪理论基础

  核磁共振技术主要理论基础是所有含有奇数核子(质子和中子)的原子核都具有内秉角动量,也就是自旋,这样的原子核可以看作一个旋转的陀螺,由于带有电荷,他们的自旋将产生磁场,自旋核类似磁棒,这些磁棒在没有外部磁场的情况下是随意排列的。

  如图1所示,当磁场B0施加到磁核时,磁核将绕B0进动,进动频率为:

  式中:γ为磁旋比。基本粒子的磁矩与其角动量(机械矩)的比率,对具有非零机械动量或自旋的每种基本粒子,磁旋比具有确定的值;f为进动频率(Lamor频率),进动是指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转,这种现象称为进动,其频率为进动频率。

  对于氢核

,其他核子有他们自己的γ值,所以从式(1)可知,某种核子的进动频率是与其所处的磁场强度成正比的。

  在MRIL这种居中型的核磁测井仪器中,磁场B0会在井周形成环形的梯度磁场,环带越靠近仪器中心,磁感应强度越大,根据式(1),可知氢核的共振频率也就越高,测井时通过改变射频电磁场B 1的频率使相应环带上的氢核获得共振,就可以探测不同深度的地层环带了[1],如图2所示。

  2核磁共振测井仪工作原理

  2.1极化

  极化是核磁共振应用中的第一步。大量自旋核在被施加如图1所示的磁场B0后,自旋的核子将绕B0方向产生进动,有一部分核磁矩与外部磁场B0一致,即向上(能量状态为低能态);有一部分与B0的方向相反,即向下(能量状态为高能态),但一致的更多一些,这个过程即为极化,从宏观上表现为体磁化强度M0与外部磁场B0的方向一致,核磁共振测井仪器利用的就是这个宏观量。

  外部磁场B0施加后,磁化强度Mz(t)是逐渐由0增加到最大值M0的,最大值M0可以通过测量得到,关系式如下[1]:

  式中:t为氢核暴露在外磁场B0的时间;Mz(t)是时间为t时的体磁化量;M0是最后的最大体磁化强度。

  T1称作纵向弛豫时间,是体磁化量强度达到最大值的63%时所用的时间,3倍的T1是体磁化强度达到最大磁化强度的95%所需时间,油和气的T1值与水的T1值差别较大,可以用来判断地层流体性质,图3所示的就是纵向弛豫曲线图[1]。

  2.2扳倒与自旋回波探测

  如图4所示,在核磁共振设备中,弱的射频电磁场B 1叠加在强的恒定磁场B0上,并且其矢量在垂直于恒定磁场B0方向的平面中以角速度ω旋转。如果弱叠加场B 1的旋转速率ω与进动氢核的拉莫尔频率(ωL=f×2π)不同,则这两个旋转场将是不同步的,在完整的旋转过程中,氢核的自旋轴将被叠加的旋磁场B1时而吸引、时而排斥,并且只会轻微摆动。但是,当它们同步时,即ω与进动氢核的拉莫尔频率ωL相同时,稳定的力将作用在进动氢核的自转轴上,使得进动中的氢核从射频电磁场B 1获得能量,根据量子力学的观点,氢核将实现从低能级到高能级的跃迁,并且使氢核在进动的相位上实现同步,在这种情况下,被称为共振,使用射频电磁场产生共振有时被称为“驱动共振”。实现共振的条件有两个:一是震荡交变磁场B 1必须在垂直于B0的方向上有分量;二是B1的频率必须为氢核在静磁场B0下的进动频率。这个交变电磁场B 1既可以连续地施加,也可以以短脉冲的方式施加,核磁共振测井仪器中大多采用短脉冲方式,如图5所示,产生磁场B 1的线圈在通电期间产生磁场B1,在不通电时可以作为测量线圈[2]。

  射频电磁场B 1施加后,体磁化强度M0会相对B 1磁场进动,扳倒角θ与射频电磁场B 1的大小及施加的时间长短有关,关系式为:

  式中:τ为施加振荡交变电磁场的时间。

  当θ为90°时,体磁化强度M0被扳倒在与B0垂直的平面上,如图6所示,B1沿x轴方向,M0被从z轴扳倒在y轴方向。

  通过线圈,可以测得该平面上的体磁化量,此时,关闭射频电磁场B1,共振了的自旋氢核将很快散相并恢复到较低能态,使得该垂直平面上的体磁化量变为0。造成很快散相的原因主要有3种:

  (1)恒定磁场B0在地层中产生的磁场强度具有非均匀性,根据式(1)可知,会造成一些自旋核进动的快一些,一些慢一些;

  (2)核子之间的相互影响,旋转的质子会受到每个相邻质子产生的微小附加磁场的影响;

  (3)自旋核的扩散。

  由(2)和(3)原因造成的散相是不可恢复的,所以不能实现无限次重新聚相。由(1)造成的散相,可以通过施加扳倒角θ=180°的磁场B1让散相的自旋氢核多次重新聚相,如图7所示。I状态为90°扳倒脉冲施加完以后,核磁矩开始进动并逐步散相,D进动快在前,F进动慢在后;II状态为180°脉冲施加过程中,核磁矩绕x轴方向的磁场B1进动,旋转180°,如从D的位置旋转到D 9位置;III状态为扳倒角为180°的磁场B 1施加完毕后,进动快的D反而落在进动慢的F后方,核磁矩继续进动,在某个时刻D将追上F,实现重新聚相,从而产生自旋回波串,由此消除因磁场不均匀对测量横向弛豫时间常数的影响。如果不能翻转并重新聚相,就只能测量到自由感应衰减(FID)常数T2*,多次重新聚相进行测量,则可以得到横向弛豫时间常数T2,图8清晰说明了T2*与T2的关系[3]。

  90°B 1脉冲施加完并关闭后,横向体磁化强度会逐步衰减到0。横向体磁化强度衰减常数称为T2,又称横向弛豫时间,横向体磁化量的时间函数为:

  式中:M0x是t=0时的横向体磁化强度值(也就是90°脉冲停止的时刻)。

  为获取回波串,对B1磁场需要施加CPMG序列脉冲,即在一个90°脉冲后,施加一串180°脉冲,核磁共振仪器工作的整体时间序列如图9所示[1]。在CPMG序列脉冲的结束段,旋转的氢核产生的核磁矩矢量彻底随意排列了,在纵向和横向上都检测不到体磁化量了。为了开始下一个CPMG脉冲序列,氢核需要重新被极化,所以需要一个等待时间TW,利用这段时间对氢核进行极化,然后才能再次施加CPMG脉冲。图9中上半部分是B 1磁场的两个CPMG脉冲序列,下半部分代表了极化(纵向弛豫曲线)、自旋回波信号串(横向弛豫曲线),TW为极化时间,TE为回波间隔。

  自旋回波数据包含重要信息,回波串的初始幅度反映了地层孔隙度信息,回波串的衰减率反映了孔径尺寸信息和流体类型信息[4]。

  3现场应用

  中海油服研制的EMRT核磁测井仪,自研发成功以来在海上油田得到了广泛应用,年作业量达数十口井,成像及解释效果良好,得到了用户的肯定。如图10所示为南海东部某井两个层位的核磁测井曲线图及解释成果图,黑框所标这两个层位,左侧的常规测井曲线中电阻率和伽马值基本都相同,无法对这两层进行区分,但通过右侧的核磁测井资料可对地层的有效孔隙度进行分析,上层T2谱主要分布于前端,储层偏干,为无效储层;下部储层T2谱靠后,储层较有效。

  4结语

  本文详细阐述了核磁共振测井仪器中极化、扳倒与自旋回波串探测等关键技术,有助于测井工程师更好地理解核磁共振技术及核磁测井仪器。在作业过程中调节好各种复杂参数,结合中海油自研EMRT核磁测井仪的应用情况,阐述了核磁测井仪器在油田储层评价中的重要价值,为后期核磁共振测井技术的发展应用起到借鉴作用。

  参考文献:

  [1]COATES G R,XIAO L,PRAMMER M G.NMR Logging Principles and Applications[M].United States of America:Halliburton Energy Services Publication H02308,1999:37-100.

  [2]肖立志.核磁共振成像测井[J].测井技术,1995,19(4):284-293.

  [3]KELLER P J.Basic Principles of Magnetic Resonance Imaging[M].St.Joseph’s Hospital and Medical Center Phoenix USA:General Electric Company,1990:22-24.

  [4]李仙枝,宋公仆,张向林,等.EMRT核磁共振测井仪及其应用[J].石油仪器,2014(3):42-44.

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