崔海標(biāo)，陸　凡，李　鑫，于蘇浩，陸　川，王利花，夏　陽，李兵剛，肖　晶（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗　017300）

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D-T2二維核磁共振測井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

崔海標(biāo)，陸凡，李鑫，于蘇浩，陸川，王利花，夏陽，李兵剛，肖晶
（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，內(nèi)蒙古烏審旗017300）

摘要：面對日益復(fù)雜的勘探對象，一維T2譜核磁共振測井技術(shù)在流體識別中面臨越來越多的困難，測井學(xué)家將二維核磁共振波譜技術(shù)引入核磁共振測井領(lǐng)域，創(chuàng)造出D-T2二維核磁共振測井技術(shù)。本文對D-T2二維核磁共振測井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做一綜述，簡述了二維核磁共振波譜學(xué)原理，介紹了D-T2二維核磁共振基本原理，列舉了三種常用的D-T2二維核磁共振測井采集序列，展示了兩個(gè)D-T2測井實(shí)例。D-T2二維核磁共振測井的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了從D-T2二維譜中快速、精確區(qū)分油氣水，為儲層精細(xì)測井評價(jià)提供了新工具。

關(guān)鍵詞：流體識別；二維核磁共振；采集序列；測井評價(jià)

自20世紀(jì)90年代初，脈沖核磁共振測井儀器開始在石油行業(yè)投入商業(yè)服務(wù)，其主要原理是：利用CPMG脈沖序列觀測地層孔隙流體中氫核的核磁共振信號，經(jīng)過數(shù)學(xué)反演得到地層的T（2橫向弛豫時(shí)間）分布。因其在獲得地層孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率、流體類型、飽和度等儲層重要信息中的出色發(fā)揮，一維核磁共振在測井技術(shù)與巖石物理實(shí)驗(yàn)分析中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)?shù)貙涌紫吨写嬖谟蜌馑旌狭黧w時(shí)，它們的T2譜往往是重疊的，即便使用移譜法、差譜法和增強(qiáng)擴(kuò)散法有時(shí)也很難有效地將它們區(qū)分開，這就催生了二維核磁共振測井方法的發(fā)展。D-T2二維核磁共振測井是在一維核磁共振的基礎(chǔ)上拓展觀測的信息量，從單一的T2譜拓展到D（流體擴(kuò)散系數(shù)）-T2分布。2002年，Sun和Dunn以及Hurlimann等分別提出了改進(jìn)的CPMG序列，實(shí)現(xiàn)了D-T2二維核磁共振測井，彌補(bǔ)了一維核磁共振測井在流體識別和定量評價(jià)中的不足。Baker Atlas公司的MREx和Schlumberger公司的MR Scanner等新一代核磁共振測井儀器的出現(xiàn)，為二維核磁共振測井的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了必要條件。二維核磁共振測井與目前的核磁共振測井相比，數(shù)據(jù)測量方法和處理方法都有了重大革新[1，2]。

1　二維核磁共振波譜學(xué)

1971年，Jeener首先提出了二維傅里葉變換的思想，隨后Ernst領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將其應(yīng)用到二維核磁共振的研究工作中，在1974年測出了第一張二維核磁共振譜，在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一系列二維測譜技術(shù)，二維核磁共振波譜學(xué)從此成為現(xiàn)代化學(xué)分析不可或缺的手段，Ernst也因此榮獲了1991年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。二維核磁共振譜的信號是兩個(gè)獨(dú)立頻率變量的函數(shù)，記為S（ω2，ω1），共振峰分布在由兩個(gè)頻率軸組成的平面上。二維空間中信號強(qiáng)度的等值曲線圖，描述了各個(gè)原子在不同位置上彼此的相互作用。一般二維核磁共振譜是專指時(shí)間域的二維實(shí)驗(yàn)，以兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)間變量進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，得到信號S（t2，t1），經(jīng)過兩次傅里葉變換得到二維譜S（ω2，ω1）。為了得到兩個(gè)彼此獨(dú)立的時(shí)間變量，采用“分割時(shí)間軸”的思想把時(shí)間軸分段，讓分割開的兩段時(shí)間獨(dú)立變化實(shí)現(xiàn)二維時(shí)間域?qū)嶒?yàn)。

一般二維核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)的時(shí)間軸按其物理意義分成四個(gè)時(shí)期：預(yù)備期、發(fā)展期、混合期和檢測期（見圖1）。（1）預(yù)備期，這部分通常由較長的延遲時(shí)間Td和激發(fā)脈沖組成，延遲時(shí)間的作用是等待核自旋體系達(dá)到熱平衡，類似一維實(shí)驗(yàn)的等待時(shí)間。樣品至少由一個(gè)射頻脈沖激發(fā)，扳轉(zhuǎn)總磁化矢量到適當(dāng)?shù)某跏嘉恢茫唬?）發(fā)展期t1，控制磁化矢量的演化，演化時(shí)間以固定增量Δt1增加，構(gòu)成第二個(gè)時(shí)間變量；（3）混合期，由一組固定長度的脈沖和延遲組成，在此期間通過相干或極化的傳遞，建立檢測的條件，有時(shí)也可以不設(shè)這個(gè)混合期；（4）檢測期，檢測信號，信號作為檢測期時(shí)間t2的函數(shù)被記錄下來[3]。

2　D-T2二維核磁共振測井基本原理

2.1油氣水在（T1，T2，D）三維空間中的分布

核磁共振測井的目的是通過對地層孔隙流體中氫核核磁共振信號的觀測，反演后獲得地層孔隙度、束縛水和可動(dòng)流體體積等重要巖石物理參數(shù)，為儲層評價(jià)和產(chǎn)能預(yù)測提供重要信息。根據(jù)地層條件下油氣水的T1，T2和D（擴(kuò)散系數(shù)）的分布范圍繪制的（T1，T2，D）三維空間分布示意圖[3]（見圖2），受表面弛豫、擴(kuò)散弛豫、體弛豫的綜合影響，一維T2譜中油氣水的信號發(fā)生重疊；但是在D軸上，天然氣的擴(kuò)散系數(shù)最大，地層水的擴(kuò)散系數(shù)次之，由于原油的黏度變化范圍較大，其擴(kuò)散系數(shù)是個(gè)較寬的分布，除了輕質(zhì)油的擴(kuò)散系數(shù)與地層水相當(dāng)，中等黏度、稠油的擴(kuò)散系數(shù)小于地層水。因此，發(fā)展擁有D、T2兩個(gè)維度的D-T2核磁共振測井方法可解決一維核磁共振測井中遇到的油水識別難題。

圖1　二維核磁共振波譜實(shí)驗(yàn)脈沖序列示意圖

圖2　（T1，T2，D）三維空間中油氣水分布區(qū)域示意圖

D-T2二維核磁共振測井技術(shù)利用了二維核磁共振波譜學(xué)的概念[4]，但研究的對象和使用的表征參數(shù)不同：D-T2二維核磁共振測井研究的對象是飽和流體的地層巖石，不是波譜學(xué)中的微觀分子；表征的參數(shù)是橫向弛豫時(shí)間T2和流體擴(kuò)散系數(shù)D，不是化學(xué)位移。改進(jìn)或發(fā)展新的數(shù)據(jù)采集方法，開發(fā)相應(yīng)的二維核磁共振數(shù)據(jù)反演方法，就能夠獲得飽和流體巖石的D-T2二維核磁共振分布圖，D-T2二維核磁共振測井技術(shù)的典型解釋圖版（見圖3）。

二維D-T2譜一個(gè)數(shù)軸代表弛豫時(shí)間T2，反映孔隙大小分布，另一個(gè)數(shù)軸代表孔隙流體的擴(kuò)散系數(shù)D，垂直軸代表與氫核數(shù)量成正比的信號幅度，該技術(shù)主要利用不同流體擴(kuò)散系數(shù)D的差異在二維D-T2譜上有效識別流體類型。

2.2 D-T2數(shù)據(jù)采集序列

Hürlimann和Venkataramanan等[6，8]設(shè)計(jì)的D-T2脈沖序列稱為擴(kuò)散編輯脈沖序列（見圖4）。該脈沖序列中第一個(gè)窗口的長度是變化的，但180°脈沖的個(gè)數(shù)固定為兩個(gè)，因此只產(chǎn)生兩個(gè)回波。第二個(gè)窗口用最小的回波間隔采集信息，可以不考慮擴(kuò)散弛豫的影響。第一個(gè)窗口的第二個(gè)回波就是第二個(gè)窗口的起始回波，通過在第一個(gè)窗口改變回波間隔TE的大小，將由于擴(kuò)散而引起的衰減記錄到第二個(gè)窗口的起始回波中。

圖3　D-T2二維核磁共振技術(shù)典型解釋圖版

因此第二個(gè)窗口采集的回波串幅度可寫成：

式中：f（D，T2）-二維（D，T2）分布函數(shù)，D-孔隙流體的擴(kuò)散系數(shù)，γ-旋磁比（常數(shù)），G-儀器磁場梯度。將不同TE的脈沖序列采集數(shù)據(jù)聯(lián)立反演，即可得到儲層巖石的（D，T2）二維分布。

Sun和Dunn設(shè)計(jì)出兩個(gè)窗口的改良式CPMG序列[5，7，9，12]（見圖5）。該序列同樣采用了二維核磁共振波譜學(xué)中“分割時(shí)間軸”的方法，將每個(gè)CPMG序列在時(shí)間軸上分為兩個(gè)窗口：第一個(gè)窗口長度固定為t0，改變第一個(gè)窗口中的回波個(gè)數(shù)使回波間隔從大變小，實(shí)現(xiàn)儲層流體擴(kuò)散信息的加載；第二個(gè)窗口用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波信號，將擴(kuò)散弛豫衰減降到最小，實(shí)現(xiàn)儲層巖石橫向弛豫信息的加載，同時(shí)將第一個(gè)窗口中的擴(kuò)散衰減記錄到第二個(gè)窗口采集的回波幅度中。

圖4　擴(kuò)散編程（diffusion editing）序列示意圖

圖5　改良式CPMG序列示意圖

由多孔介質(zhì)核磁共振弛豫理論，結(jié)合改良式CPMG序列的特點(diǎn)，可推得第二個(gè)窗口采集的回波串幅度為：

式中：bik-第一個(gè)窗口的回波個(gè)數(shù)為NElk時(shí)，第二個(gè)窗口中第i個(gè)回波的幅度，對應(yīng)的采樣時(shí)間為ti+t0；f（D，T2）-二維（D，T2）分布函數(shù)；γ-氫核的旋磁比；D-孔隙流體的擴(kuò)散系數(shù)；t0-第一個(gè)窗口的時(shí)間長度。解譜時(shí)將第二個(gè)窗口采集的多條回波串聯(lián)立反演，即可得到儲層的（D，T2）二維分布。

后來研究發(fā)現(xiàn)，用兩個(gè)窗口的脈沖序列來消除兩個(gè)核函數(shù)的耦合并非必要。謝然紅等利用多組不同回波間隔的CPMG回波串實(shí)現(xiàn)了（D，T2）二維分布測量和反演（見圖6）。采用CPMG脈沖序列的二維核磁共振數(shù)據(jù)測量方法，給定足夠長的等待時(shí)間，保證孔隙流體中的氫核完全極化，改變回波間隔TE，測量一組對應(yīng)不同回波間隔的CPMG自旋回波串，則回波幅度b（t，TE）可表示為：

3　D-T2二維核磁共振技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

3.1 P型核磁儀器D-T2測量實(shí)例

南堡凹陷發(fā)育河流、三角洲和水下扇等多種沉積相，各沉積相帶互相疊置，儲集層巖性、物性變化快，利用常規(guī)測井資料進(jìn)行流體性質(zhì)識別難度很大[11]，利用MRIL-Prime儀器對該凹陷A井進(jìn)行多回波間隔的二維核磁共振測井試驗(yàn)（見圖7）[13]。

圖6　常規(guī)CPMG序列D-T2測量示意圖

3.2 MR-Scanner核磁儀器D-T2測量實(shí)例

X，155英尺處的D-T1圖顯示1號殼圖中的束縛流體信號和稠油信號。100 ms以后的自由水信號隨DOI的增加而逐漸降低。流體分析表明自由水從1號殼到8號殼逐漸減少。對這一現(xiàn)象的解釋是，水信號源來自泥漿濾液，濾液驅(qū)替的是儲層中可流動(dòng)的稠油；如果濾液驅(qū)替的是地層水，那么水信號應(yīng)該保持穩(wěn)定。X，020 到X，050英尺層段的解釋難度更大。該層段處電阻率較低，每個(gè)DOI都存在水信號。從X，040英尺的D-T1圖提供了流體信息。由于濾液侵入所產(chǎn)生的水信號出現(xiàn)在1號殼和4號殼中，而在8號殼中消失。因此，認(rèn)為濾液驅(qū)替了NMR儀器無法測量到的稠油。出現(xiàn)在三個(gè)殼中的強(qiáng)水信號都源自束縛水，因此，該產(chǎn)層應(yīng)該生產(chǎn)純油，不產(chǎn)水。

圖7　MRIL-Prime儀器在A井采集的不同回波間隔核磁共振T2分布及（D，T2）分布

4　總結(jié)

D-T2二維核磁共振測井技術(shù)彌補(bǔ)了一維T2譜技術(shù)油氣水重疊的短板，為準(zhǔn)確識別流體類型、計(jì)算含油飽和度，進(jìn)而為估算油氣儲量提供重要參數(shù)，D-T2二維核磁共振測井技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，在今后的復(fù)雜儲層勘探中將發(fā)揮越來越重要的作用。

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Review on the development of D-T2two-dimensional nuclear magnetic resonance logging

CUI Haibiao，LU Fan，LI Xin，YU Suhao，LU Chuan，WANG Lihua，XIA Yang，LI Binggang，XIAO Jing
（Gas Production Plant 5 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Wushenqi Neimenggu 017300，China）

Abstract:Faced with an increasingly complex exploration target,one-dimensional T2spectrum NMR logging technology is facing more and more difficulties in fluid identification.Therefore two -dimensional NMR spectroscopy technology is introduced into the field of NMR logging by well logging scientists, which creates D-T2two-dimensional NMR logging technology.In this paper,the development status of D-T2two-dimensional NMR logging technology is reviewed,the principle of two-dimensional NMR spectroscopy is outlined,the basic principle of D-T2two-dimensional NMR is introduced, three common acquisition sequences of D-T2two-dimensional NMR logging are cited,two examples of D-T2two-dimensional NMR logging are showed.The application of D-T2two-dimensional NMR logging achieves a rapid and precise distinction between water and gas from D-T2two-dimensional spectra,book=2,ebook=7which provides a new tool for the reservoir logging evaluation.

Key words：fluid identification；two-dimensional nuclear magnetic resonance；acquisition sequence；logging evaluation

*收稿日期：2016－02-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.001

中圖分類號：TE355.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0001-05