李 新,王志戰(zhàn),李三國(guó),肖立志

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

核磁共振測(cè)井的預(yù)極化分析與優(yōu)化

李 新1,2,王志戰(zhàn)1,李三國(guó)1,肖立志2

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院,北京 100101;2.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

分析核磁共振預(yù)極化的必要性與設(shè)計(jì)原理,針對(duì)現(xiàn)有預(yù)極化方法不能兼顧較大T1范圍與極化效率的問(wèn)題,提出一種基于過(guò)極化、欠極化和調(diào)理磁場(chǎng)的分級(jí)快速預(yù)極化改進(jìn)方法。利用Bloch極化方程,在特定運(yùn)動(dòng)速度與T1范圍條件下完成預(yù)極化場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,該方法不但可以有效節(jié)省核磁共振運(yùn)動(dòng)測(cè)量過(guò)程中的極化時(shí)間,而且具有適用T1范圍廣的優(yōu)勢(shì),能夠?yàn)楹舜殴舱駵y(cè)井傳感器與脈沖序列設(shè)計(jì)提供新的思路和重要依據(jù)。

核磁共振測(cè)井;運(yùn)動(dòng)測(cè)量;預(yù)極化;Bloch方程

核磁共振測(cè)井技術(shù)能夠準(zhǔn)確確定儲(chǔ)層孔隙度,在定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層流體特性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1-2]。石油井下作業(yè)具有高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn),核磁共振測(cè)井必須采用運(yùn)動(dòng)測(cè)量模式以滿足高時(shí)效性的要求[3-4],這也是核磁共振井下流體分析和在線檢測(cè)等技術(shù)的必備特征[5]。核磁共振測(cè)井是時(shí)間(時(shí)序)驅(qū)動(dòng)的[6-7],要求待測(cè)地層進(jìn)入敏感區(qū)域時(shí)達(dá)到特定極化狀態(tài),合理的預(yù)極化機(jī)制設(shè)計(jì)是核磁共振測(cè)井儀器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,核磁共振測(cè)井預(yù)極化主要基于額外預(yù)極化磁場(chǎng)。Hürlimann等提出預(yù)極化磁場(chǎng)與探測(cè)區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度相等的方法[8-9]相對(duì)簡(jiǎn)單有效,但預(yù)極化效率不高。Prammer基于加入強(qiáng)預(yù)(過(guò))極化磁體增大信號(hào)量的思想[10]發(fā)展出一級(jí)強(qiáng)磁場(chǎng)預(yù)極化方法提高核磁測(cè)井速度[11-12],這種方法極化效率很高,常針對(duì)長(zhǎng)T1進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),但適用流體縱向弛豫時(shí)間范圍受限。隨后Prammer等人提出兩級(jí)預(yù)極化方法[13],在強(qiáng)預(yù)極化磁場(chǎng)之后加入一級(jí)穩(wěn)定(欠極化)磁場(chǎng),將過(guò)極化量快速拉近探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)極化量[14]。Prammer、Bouton和Masak等人將其應(yīng)用于核磁共振井下流體分析儀器[15-17];Wu等人優(yōu)化拓寬了其適用T1范圍(2～3 s)[18]。由于地層條件和流體復(fù)雜多樣,縱向弛豫時(shí)間還受到巖石復(fù)雜孔隙分布影響,現(xiàn)有方法還存在一定的適用局限性,發(fā)展兼顧極化效率和適用寬T1范圍地層流體的預(yù)極化方法是必然趨勢(shì)。筆者基于對(duì)現(xiàn)有方法的分析,提出一種改進(jìn)的分級(jí)快速預(yù)極化方法,利用數(shù)值模擬針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

1 快速預(yù)極化原理

核磁共振測(cè)井預(yù)極化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于利用特定磁場(chǎng)組合操控縱向磁化矢量(平行極化靜磁場(chǎng)方向)隨時(shí)間的變化關(guān)系。核磁共振測(cè)井期間,傳感器磁場(chǎng)與被測(cè)地層之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),地層流體自旋系統(tǒng)先后經(jīng)歷不同強(qiáng)度的多個(gè)磁場(chǎng)區(qū)域,這相當(dāng)于對(duì)自旋系統(tǒng)施加時(shí)變靜磁場(chǎng)。此時(shí),縱向磁化量的變化規(guī)律滿足下式[8]:

式中,Mz為縱向磁化量;r為自旋位置;t為極化時(shí)間;χ為磁化率;μ0為真空中的磁導(dǎo)率;T1為縱向弛豫時(shí)間;v為測(cè)井速度(方向垂直靜磁場(chǎng)方向,此處用標(biāo)量簡(jiǎn)化表示)。

核磁共振敏感區(qū)與傳感器的相對(duì)位置是固定的,預(yù)極化磁場(chǎng)組合對(duì)地層的極化作用存在時(shí)間先后順序,可按階段依次考慮。當(dāng)自旋系統(tǒng)處于不隨時(shí)間變化的單一靜磁場(chǎng)中時(shí),根據(jù)Bloch方程[19-20],高能態(tài)原子核通過(guò)向周圍分子釋放能量,躍遷到低能態(tài),縱向磁化量Mz逐漸增加達(dá)到熱平衡值M0,其變化規(guī)律符合Mz(t)/M0=1－exp(－t/T1);當(dāng)撤銷熱平衡系統(tǒng)的磁場(chǎng)時(shí),低能態(tài)原子核從周圍分子吸收能量躍遷到高能態(tài),其衰減變化規(guī)律符合Mz(t)/M0=exp(－t/T1),如圖1所示。計(jì)算自旋從一個(gè)磁場(chǎng)進(jìn)入另一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)這兩種機(jī)制同時(shí)作用,其極化量隨時(shí)間變化同時(shí)受兩個(gè)磁場(chǎng)特性控制。

核磁共振測(cè)井預(yù)極化優(yōu)化原則為:當(dāng)自旋完成預(yù)極化后、即將進(jìn)行核磁共振測(cè)量的時(shí)刻滿足以下條件:①極化量與探測(cè)區(qū)域相等或盡量接近;②對(duì)較寬范圍T1弛豫組分均有較好極化效果;③預(yù)極化期間的極化時(shí)間(運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度)盡量短。

圖1 施加和撤消外加磁場(chǎng)時(shí)的磁化量變化規(guī)律Fig.1 Magnetization evolution when a B0field is applied or removed

2 現(xiàn)有預(yù)極化方法分析

2.1 探測(cè)磁場(chǎng)延長(zhǎng)極化方法

預(yù)極化磁場(chǎng)強(qiáng)度與探測(cè)區(qū)磁場(chǎng)相等的方法簡(jiǎn)單明了(圖2(a))[8-9],能夠適應(yīng)很高的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)Bloch方程可知,此時(shí)欲達(dá)到Mz(t)/M0的極化率所需時(shí)間t=－T1ln(Mz(t)/M0)。預(yù)極化磁場(chǎng)長(zhǎng)度Lpre主要由地層T1、運(yùn)動(dòng)速度v和目標(biāo)極化程度Mz(t)/M0決定,Lpre=－vT1ln(Mz(t)/M0)。

地層流體的T1范圍分布較寬,原油的T1組分可達(dá)4.5 s,此時(shí)達(dá)到99.33%的極化率所需極化時(shí)間t=5T1=22.5 s,Lpre=66.7 cm(v=3 cm/s)。這種傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)在于所有T1組分的磁化量上限均為M0,預(yù)極化磁場(chǎng)調(diào)整參數(shù)只有Lpre一項(xiàng);其不足之處在于磁體利用率較低,預(yù)極化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

2.2 差異化磁場(chǎng)預(yù)極化方法

2.2.1 強(qiáng)磁場(chǎng)一級(jí)預(yù)極化

強(qiáng)磁場(chǎng)一級(jí)預(yù)極化是指在探測(cè)區(qū)域之前利用一級(jí)強(qiáng)磁場(chǎng)快速提升磁化量以實(shí)現(xiàn)預(yù)極化[15-17](圖2 (b))。這種預(yù)極化模式下,待測(cè)地層經(jīng)過(guò)預(yù)極化磁場(chǎng)作用后、即將進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)刻的極化率為

式中,B0為探測(cè)區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度;Bpre為預(yù)極化磁場(chǎng)強(qiáng)度,Bpre＞B0。

圖2 核磁共振測(cè)井的預(yù)極化方法示意圖Fig.2 Diagram of pre-polarization methods for NMR logging

優(yōu)化時(shí),將式(2)整理得到t=－ln(1－(Mz(t)/ M0)B0/Bpre)T1,給定極化程度Mz(t)/M0、T1和磁場(chǎng)相對(duì)數(shù)值即可得所需預(yù)極化時(shí)間。通常,Bpre取2.0～2.5倍B0,若取Bpre=2.17B0、T1=4.5 s,則極化程度達(dá)到99.33%時(shí)所需極化時(shí)間t=2.75 s?？梢?jiàn),這種方法對(duì)長(zhǎng)T1時(shí)間組分極化效率很高。其不足在于式(2)決定了此時(shí)的極化時(shí)間與T1一一對(duì)應(yīng),因此只能針對(duì)單一或較窄T1組分優(yōu)化,當(dāng)T1弛豫分布較寬時(shí)適應(yīng)性不好。

2.2.2 強(qiáng)弱磁場(chǎng)兩級(jí)式預(yù)極化

在上述強(qiáng)預(yù)極化磁場(chǎng)與探測(cè)磁場(chǎng)區(qū)域之間再加入一級(jí)強(qiáng)度相對(duì)弱于探測(cè)區(qū)域的穩(wěn)定(欠極化)磁場(chǎng)[13]形成兩級(jí)預(yù)極化方法(圖2(c)),將過(guò)極化量快速拉低靠近探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)極化量[14],擴(kuò)展了適用的縱向弛豫范圍[18]。自旋在過(guò)極化磁場(chǎng)Ba中經(jīng)歷時(shí)間ta的極化后,再進(jìn)入欠極化磁場(chǎng)Bb經(jīng)歷時(shí)間tb極化時(shí)的極化率為

因式(3)無(wú)法直接求解,根據(jù)長(zhǎng)T1組分所需極化時(shí)間權(quán)重較大的事實(shí),首先正演長(zhǎng)T1組分在兩段已知預(yù)極化磁場(chǎng)下的極化量分布,再按照極化目標(biāo)值確定磁場(chǎng)最優(yōu)組合。相對(duì)于一級(jí)預(yù)極化方法,這種方法的適用范圍有所拓寬。然而,由于短T1組分的極化量對(duì)磁場(chǎng)變化非常敏感,致使預(yù)極化結(jié)束時(shí)刻的短弛豫組分極化量完全由第二級(jí)欠極化磁場(chǎng)決定,仍無(wú)法完全滿足地層流體T1分布范圍(尤其是短弛豫組分)的預(yù)極化要求。

3 新型分級(jí)預(yù)極化方法的數(shù)值分析與優(yōu)化

3.1 新型預(yù)極化方法描述

提出一種三級(jí)預(yù)極化改進(jìn)方法。沿儀器相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的三級(jí)階梯狀預(yù)極化磁場(chǎng)分別為過(guò)極化場(chǎng)Ba、欠極化場(chǎng)Bb和調(diào)理極化場(chǎng)Bc,三者磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定差異(Ba＞Bc＞Bb),如圖2(d)所示?？焖兕A(yù)極化步驟與磁化量變化規(guī)律依次為:①待測(cè)地層進(jìn)入過(guò)極化磁場(chǎng)Ba,其磁化量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,離開(kāi)Ba時(shí)刻達(dá)到過(guò)極化狀態(tài);②待測(cè)地層進(jìn)入欠極化磁場(chǎng)Bb,磁化量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小,離開(kāi)Bb時(shí)刻降至目標(biāo)極化量附近;③待測(cè)地層進(jìn)入調(diào)理磁場(chǎng)Bc,離開(kāi)Bc時(shí)逼近目標(biāo)極化量(預(yù)極化完成);④待測(cè)地層進(jìn)入目標(biāo)探測(cè)磁場(chǎng)進(jìn)行激發(fā)檢測(cè)。

當(dāng)各級(jí)磁場(chǎng)強(qiáng)度確定后(不失一般性,按目標(biāo)探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度歸一化后的定量數(shù)值為Ba∶Bb∶Bc= 2.17∶0.82∶1),主要優(yōu)化對(duì)象(或可控變量)變?yōu)闈M足最優(yōu)原則的各級(jí)最優(yōu)極化時(shí)間,這在確定的速度下等價(jià)于各級(jí)磁場(chǎng)長(zhǎng)度(頂端效應(yīng)可忽略時(shí)對(duì)應(yīng)于磁體陣列長(zhǎng)度)。首先以地層進(jìn)入預(yù)極化磁場(chǎng)的先后順序?qū)τ?jì)算中的物理量做如下定義:①過(guò)極化磁場(chǎng)Ba的長(zhǎng)度為L(zhǎng)a,待測(cè)地層離開(kāi)Ba陣瞬間的磁化量Mz(ta),其中ta=La/v;②待測(cè)地層隨即進(jìn)入欠極化磁場(chǎng)Bb的長(zhǎng)度為L(zhǎng)b,離開(kāi)Bb瞬間的磁化量為Mz(tb),其中tb=(La+Lb)/v;③待測(cè)地層隨即進(jìn)入長(zhǎng)度為L(zhǎng)c的調(diào)理磁場(chǎng)Bc,離開(kāi)Bc瞬間的磁化量為Mz(tc),其中tc=(La+Lb+Lc)/v。

3.2 差異化分級(jí)預(yù)極化優(yōu)化

根據(jù)Bloch方程可知,極化時(shí)間主要消耗在長(zhǎng)T1組分上,首先針對(duì)較長(zhǎng)單一T1值將問(wèn)題簡(jiǎn)化,計(jì)算地層以特定速度經(jīng)過(guò)Ba和Bb后的極化量,得到La與Lb待選組合;根據(jù)地層流體的復(fù)雜T1組分范圍,依次深入考察待選組合對(duì)不同T1分布范圍的適應(yīng)情況,基于仿真結(jié)果確定最優(yōu)La與Lb長(zhǎng)度;據(jù)分析結(jié)果證明引入調(diào)理磁場(chǎng)的必要性,計(jì)算復(fù)雜T1流體達(dá)到特定極化程度所需要的Lc,完成三級(jí)極化方法優(yōu)化。

3.2.1 過(guò)極化與欠極化磁場(chǎng)優(yōu)化

根據(jù)電纜式核磁共振測(cè)井及井下核磁共振流體分析儀應(yīng)用需求,模擬分析過(guò)程中假定v=3 cm/s,其他應(yīng)用領(lǐng)域也可按本文方法擴(kuò)展。極化時(shí)間主要花費(fèi)在長(zhǎng)T1組分,理想單一T1=4 s的地層經(jīng)過(guò)過(guò)極化場(chǎng)Ba和欠極化場(chǎng)Bb后的磁化矢量Mz(tb)隨La和Lb的變化關(guān)系如圖3所示。對(duì)于較短的La,磁化量隨Lb的增長(zhǎng)而增大;對(duì)于較長(zhǎng)的La,磁化量隨Lb的增長(zhǎng)而減小。對(duì)于任意的Lb,磁化量總隨La的變長(zhǎng)而增加。為了便于觀察,將圖3(a)結(jié)果投影到二維平面得到等勢(shì)圖3(b),可見(jiàn)引入Lb之后則需要更長(zhǎng)的La才能使磁化量達(dá)到目標(biāo)量1。圖3 (b)中Mz(tb)=1等勢(shì)線為一條光滑曲線,提取其對(duì)應(yīng)的La與Lb組合為滿足要求的待選組合。

圖3 磁化矢量Mz(tb)隨La和Lb的變化規(guī)律(T1=4.5 s)Fig.3 Evolution of Mz(tb)with respect to Laand Lbfor T1=4.5 s

地層中的不同流體成分具有不同的T1分布范圍。地層水的T1較短、T1分布譜寬范圍較窄;純烷烴、純油或輕質(zhì)原油的T1分布都是單峰,而一般原油的弛豫時(shí)間分布更為復(fù)雜[21];鉆井液濾液的T1范圍也較寬[22]。因此,需要將上述單一T1條件下的計(jì)算結(jié)果逐步外推,考察對(duì)復(fù)雜流體組合的適應(yīng)性。首先將流體T1分布擴(kuò)展至中等跨度,但仍基本保持在較長(zhǎng)T1范圍段(2.0～4.5 s),得到磁化量分布規(guī)律如圖4(a)所示。

圖4 不同La和Lb組合時(shí)的磁化量演化過(guò)程Fig.4 Evolution of magnetization with respect to Laand Lbfor different T1

圖4(a)表明不同T1的地層流體經(jīng)過(guò)La和Lb段時(shí)具有不同的極化量,但整體變化存在規(guī)律:極化曲線隨著La和Lb的增加逐漸聚焦在(10.50 cm, 10.92 cm)附近,這正是引入欠極化磁場(chǎng)的作用特點(diǎn)。在該位置上,不同T1組分的極化量均處于目標(biāo)值1附近(97.81%～101.70%),達(dá)到了較好的預(yù)極化效果。據(jù)此可確定該位置為此T1分布范圍下的最優(yōu)長(zhǎng)度組合(Laopt,Lbopt)=(10.50 cm,10.92 cm)。

考察在上述二級(jí)極化最優(yōu)組合條件下,更短毫秒級(jí)T1短弛豫組分的極化特征。將流體T1范圍擴(kuò)大至T1=0.0～4.5 s(理論上無(wú)法取得0 s,此處表示無(wú)需極化時(shí)間)后的極化量變化規(guī)律如圖4(b)所示。此時(shí),相當(dāng)大部分短弛豫組分只快速極化至82.00%左右,并一直保持到最后(圖4(b)),出現(xiàn)了欠極化現(xiàn)象。圖4(c)為不同T1對(duì)應(yīng)的Mz(tb)的分布。當(dāng)1.5＜T1＜4.5 s時(shí),92.07%＜Mz(tb)＜102.00%;當(dāng)T1＜1 s時(shí)的Mz(tb)不足85.37%;特別是T1＜0.5 s之下組分的極化量只有82.00%,相當(dāng)于欠極化磁場(chǎng)Bb單獨(dú)存在時(shí)的效果。這是由于短T1所需極化時(shí)間很短、其極化程度易隨磁場(chǎng)變化而變化造成的,證明了引入第三級(jí)調(diào)理磁場(chǎng)將磁化量逼近期望值的必要性。

3.2.2 調(diào)理磁場(chǎng)優(yōu)化

基于兩級(jí)預(yù)極化場(chǎng)Ba和Bb的優(yōu)化結(jié)果(Laopt, Lbopt),設(shè)計(jì)第三級(jí)調(diào)理磁場(chǎng)Bc。地層流體T1組分為0.0～4.5 s時(shí),磁化量隨Lc的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同T1的極化量Mz(tc)隨Lc的變化關(guān)系Fig.5 Evolution of Mz(tc)with respect to Lcfor different T1

隨著Lc的增加,欠極化和過(guò)極化磁化量同時(shí)朝著目標(biāo)磁化量1靠近,不同T1組分的變化速率雖然有所差異,但最終都逐漸達(dá)到100%附近,引入調(diào)理磁場(chǎng)的聚焦效果明顯。結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在Lc=16.05 cm時(shí),所有磁化量的分布范圍為99.33%～100.40%,滿足設(shè)計(jì)要求(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為100±1%)。

綜上可知,基于上述方法和流程對(duì)預(yù)極化機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化,確定了三級(jí)預(yù)極化場(chǎng)(Ba,Bb,Bc)的最優(yōu)長(zhǎng)度分別為(Laopt,Lbopt,Lcopt)=(10.5 cm,10.92 cm,16.05 cm)。整個(gè)預(yù)極化系統(tǒng)總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=Laopt+ Lbopt+Lcopt=37.47 cm。

3.3 整體效果分析

3.3.1 預(yù)極化效率分析

單一長(zhǎng)T1組分(T1=4.5 s)以速度v=3 cm/s經(jīng)過(guò)整個(gè)預(yù)極化場(chǎng)系統(tǒng)(Ba,Bb,Bc)時(shí),極化量隨極化時(shí)間t的變化關(guān)系如圖6所示?？傤A(yù)極化時(shí)間tc=12.49 s時(shí)的極化程度就達(dá)到了99.33%,如圖6中D點(diǎn)所示。若采用傳統(tǒng)延長(zhǎng)探測(cè)磁場(chǎng)的極化方法,所需時(shí)間長(zhǎng)達(dá)22.50 s(5T1),如圖6中A點(diǎn)所示。優(yōu)化后效率明顯提高,極化時(shí)間可節(jié)省44.49%。

圖6 不同預(yù)極化機(jī)制的效率對(duì)比Fig.6 Efficiency comparison among different pre-polarization methods

3.3.2 弛豫時(shí)間適用范圍分析

將流體組分?jǐn)U展為T1=0.0～4.5 s時(shí)的磁化量總體變化規(guī)律如圖7所示。圖7橫坐標(biāo)分別為極化時(shí)間t和T1組分。在圖7(a)三維分布圖上,能夠更清晰地看出每個(gè)T1組分對(duì)應(yīng)的極化量隨極化時(shí)間的變化規(guī)律。短T1組分對(duì)應(yīng)的極化量隨磁場(chǎng)變化非?？?曲線形態(tài)幾乎呈直角折線變化。優(yōu)化后的預(yù)極化場(chǎng)組合將所有T1組分的極化量范圍控制在99.33%～100.40%(圖7(b)),對(duì)0.0～4.5 s分布范圍內(nèi)的T1組分均有較好的適應(yīng)性。

圖7 優(yōu)化后不同T1組分的極化量總體變化規(guī)律Fig.7 Overall evolution of magnetization afteroptimization for different T1

4 結(jié) 論

(1)預(yù)極化效果與預(yù)極化場(chǎng)強(qiáng)和長(zhǎng)度有關(guān),合理的預(yù)極化機(jī)制能夠大幅縮短極化時(shí)間;不同預(yù)極化機(jī)制對(duì)不同的T1組分有其適用性,應(yīng)根據(jù)應(yīng)用范圍(T1長(zhǎng)短和分布寬窄)優(yōu)選方法。

(2)極化時(shí)間主要消耗在長(zhǎng)T1組分上,應(yīng)作為主要優(yōu)化對(duì)象。短弛豫組分的極化過(guò)程非?？?主要受末端預(yù)極化場(chǎng)控制;差異化分級(jí)預(yù)極化場(chǎng)的最后一級(jí)必須與檢測(cè)磁場(chǎng)具有相同強(qiáng)度,才能使短弛豫組分聚焦達(dá)到預(yù)期極化效果。

(3)提出的改進(jìn)快速預(yù)極化方法兼顧了極化效率與T1范圍,結(jié)合分級(jí)預(yù)極化場(chǎng)的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程,為核磁共振測(cè)井傳感器和脈沖序列設(shè)計(jì)提供了新的思路。算例顯示,T1=0～4.5 s、v=3 cm/s條件下的預(yù)極化效率較同樣滿足(2)要求的探測(cè)磁場(chǎng)延長(zhǎng)方法提高近一倍,優(yōu)越性明顯。

(4)極化方法對(duì)封閉式(核磁共振井下流體分析儀器)和單邊核磁共振系統(tǒng)(電纜和隨鉆核磁共振測(cè)井儀器)均適用。預(yù)極化磁場(chǎng)長(zhǎng)度主要由磁體長(zhǎng)度決定,工程應(yīng)用中還應(yīng)注意考慮具體磁體有限長(zhǎng)度的影響。

[1] COATES G R,XIAO L Z,PRAMMER M G.NMR logging principles and applications[M].Houston:Gulf Publishing Company,1999.

[2] DUNN K J,BERGMAN D J,LATORRACA G A.Nuclear magnetic resonance petrophysical and logging application[M].New York:Elsevier Science,2002.

[3] 劉雙惠,肖立志,胡法龍,等.核磁共振測(cè)井地層界面響應(yīng)特征研究[J].地球物理學(xué)報(bào),2008,51(4): 1262-1269.

LIU Shuanghui,XIAO Lizhi,HU Falong,et al.Studies on NMR logging responses at formation boundary[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(4):1262-1269.

[4] 李新,肖立志,黃科,等.隨鉆核磁共振測(cè)井的地層界面響應(yīng)特征[J].地球物理學(xué)報(bào),2013,56(8): 2862-2869.

LI Xin,XIAO Lizhi,HUANG Ke,et al.Nuclear magnetic resonance logging-while-drilling response at formation boundary[J].Chinese Journal of Geophysics, 2013,56(8):2862-2869.

[5] 胡海濤,肖立志,吳錫令.核磁共振測(cè)井儀探頭設(shè)計(jì)中的數(shù)值方法[J].物理學(xué)報(bào),2012,61(14):149302.

HU Haitao,XIAO Lizhi,WU Xiling.Numerical method of designing nuclear magnetic resonance logging device sensor[J].Acta Physica Sinica,2012,61(14): 149302.

[6] 李新,肖立志,劉化冰,等.優(yōu)化重聚脈沖提高梯度場(chǎng)核磁共振信號(hào)強(qiáng)度[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(14): 147602.

LI Xin,XIAO Lizhi,LIU Huabing,et al.Optimization of nuclear magnetic resonance refocusing pulses to enhance signal intensity in gradient B0field[J].Acta Physica Sinica,2013,62(14):147602.

[7] 肖立志.井下極端條件核磁共振探測(cè)系統(tǒng)研制[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,37(5):44-56.

XIAO Lizhi.Design and implementation of NMR system in downhole extreme conditions[J].Journal of China U-niversity of Petroleum(Edition of Natural Science), 2013,37(5):44-56.

[8] HüRLIMANN M D.NMR logging tool and method for fast logging:United States,6140818[P].2000-10-31.

[9] MCKEON D,MINH C C,FREEDMAN R,et al.An improved NMR tool design for faster logging[R].SPWLA 40th Annual Logging Symposium,Paper CC,1999.

[10] KLEINBERG R L,GRIFFIN D D,FUKUHARA M,et al.Borehole measurement of NMR characteristics of earth formations:United States,5055787[P].1991-10-08.

[11] PRAMMER M G,BOUTON J,CHANDLER R N,et al.A new multiband generation of NMR logging tools [R].SPE 49011,1998.

[12] PRAMMER M G,BOUTON J,CHANDLER R N,et al.Theory and operation of a new multi-volume NMR logging system[R].SPWLA 40th Annual Logging Symposium,Paper DD,1999.

[13] PRAMMER M G,BOUTON J,MASAK P.Magnetic resonance fluid analysis apparatus and method:United States,2002/0140425 A1[P].2002-10-03.

[14] SEIFERT D J,AKKURT R,AL-DOSSARY S,et al.Nuclear magnetic resonance logging while drilling,wireline,and fluid sampling[R].SPE 105605,2007.

[15] PRAMMER M G,J BOUTON,MASAK P.The Downhole NMR fluid analyzer[R].SPWLA 42th Annual Logging Symposium,Paper N,2001.

[16] BOUTON J,PRAMMER M G,MASAK P,et al.Assessment of sample contamination by downhole NMR fluid analysis[R].SPE 71714,2001.

[17] MASAK P,BOUTON J,PRAMMER M G,et al.The downhole magnetic resonance fluid analyzer[R].SPWLA 43th Annual Logging Symposium,Paper GGG, 2002.

[18] WU B S,XIAO L Z,LI X,et al.Sensor design and implementation for a downhole NMR fluid analysis laboratory[J].Petroleum Science,2012,9:38-45.

[19] BLOCH F.Nuclear induction[J].Physical Review, 1946,70(7/8):460-474.

[20] BLOCH F,HANSEN W W,PACKARD M.The nuclear induction experiment[J].Physical Review,1946,70 (7/8):474-485.

[21] BROWN R J S.Proton relaxation in crude oils[J].Nature,1961,189(4762):387.

[22] COOLIDGE J E,RITCHIE I,GAMSON B W.NML resolves difficult logging problems[R].SPWLA 3th Annual Logging Symposium,Paper K,1962.

(編輯 修榮榮)

Analysis and optimization of pre-polarization methodology for NMR logging

LI Xin1,2,WANG Zhizhan1,LI Sanguo1,XIAO Lizhi2
(1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing 100101,China; 2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The requirement for NMR measurement in moving state is an essential feature of NMR techniques in highly timeconstrained conditions,such as NMR logging,downhole and on-line NMR analysis.It's of significance to introduce pre-polarization to shorten the waiting time,then to increase measurement efficiency in these NMR applications.The theoretical mechanism and design principle of NMR pre-polarization were discussed.Based on existing pre-polarization schemes,a fast three-step pre-polarization technique was proposed.The static B0fields for pre-polarization consist of an over-polarization field,an under-polarization field and a field for adjustment.By employing a numerical simulation procedure based on Bloch equations,the individual fields in this scheme are optimized and improved under a given movement velocity condition.Efficiency and applicability analysis results demonstrate that this new pre-polarization design and its corresponding optimization methodology can improve the waiting time significantly for a wide T1components range(0－4.5 s),which can provide insights and supports for new moving NMR logging sensor and pulse sequences design.

NMR logging;scanning;pre-polarization;Bloch equation

P 613.83

A

1673-5005(2014)05-0075-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.05.010

2013－12－10

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41130417);國(guó)家“863”項(xiàng)目(2013AA064605)

李新(1981－),男,博士,主要從事核磁共振測(cè)井研究。E－mail:lxsripe@163.com。

李新,王志戰(zhàn),李三國(guó),等.核磁共振測(cè)井的預(yù)極化分析與優(yōu)化[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014,38(5):75-81.

LI Xin,WANG Zhizhan,LI Sanguo,et al.Analysis and optimization of pre-polarization methodology for NMR logging[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(5):75-81.