李 新， 米金泰， 張 衛(wèi)， 姚金志， 李三國(guó)

（1. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2. 中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營(yíng) 257064）

準(zhǔn)確了解油藏流體性質(zhì)是油田開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵[1]，在數(shù)千米深的油氣井井下建立多功能流體分析系統(tǒng)——“井下流體分析實(shí)驗(yàn)室”，直接對(duì)儲(chǔ)層流體進(jìn)行原地實(shí)時(shí)分析，對(duì)于油氣勘探開(kāi)發(fā)至關(guān)重要[2]。隨鉆井下流體實(shí)驗(yàn)室在鉆井過(guò)程中提供高精度流體成分?jǐn)?shù)據(jù)，以獲得更全面的油藏動(dòng)態(tài)信息，持續(xù)鉆進(jìn)的同時(shí)保證最佳的井眼軌跡，避免鉆井井下風(fēng)險(xiǎn)，確保定向與完井質(zhì)量[3]。

井下油氣流體分析技術(shù)主要有光學(xué)分析法和核磁共振（NMR）分析法。光學(xué)分析法能夠評(píng)價(jià)儲(chǔ)層污染，但遇到油基鉆井液或者儲(chǔ)層流體為油水混合相時(shí)評(píng)價(jià)效果欠佳。核磁共振技術(shù)不受鉆井液或儲(chǔ)層影響，能夠在儲(chǔ)層溫度和壓力條件下獲得地層流體的主要信息[4-5]，還可以評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)地層的污染程度[6]。2000年，Halliburton公司推出了井下流體分析儀MRLab，采用Halbach永磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜磁場(chǎng)，射頻線圈工作頻率大約2 MHz[7]，測(cè)量液態(tài)氫獲取流體信息；2002年，Schlumberger公司提出了核磁共振流體分析儀與光學(xué)分析儀相結(jié)合的方案，后來(lái)采用光學(xué)與核磁共振測(cè)井結(jié)合的形式進(jìn)行作業(yè)；2002年，Halliburton公司研制出新一代井下核磁共振流體分析儀并商業(yè)化[8]，在儲(chǔ)層溫度和壓力條件下測(cè)量流體的弛豫時(shí)間，獲得氣油比、流體黏度等信息。另外，吳保松等人[9-10]開(kāi)發(fā)了多功能電纜式井下核磁共振流體分析試驗(yàn)樣機(jī)，研究了在線獲取樣品信息的探測(cè)方法；陳偉梁等人[11]實(shí)現(xiàn)了一維和二維時(shí)域核磁共振測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)井下隨鉆核磁共振流體分析儀器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的報(bào)道。

為此，筆者提出了井下隨鉆核磁共振流體分析裝置設(shè)計(jì)方案，以井下隨鉆儀器體積為約束條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)和研制了隨鉆小型核磁共振流體分析傳感器樣機(jī)，開(kāi)展了流體核磁共振響應(yīng)信號(hào)測(cè)試和核磁共振弛豫時(shí)間譜分析試驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性。

1 隨鉆核磁共振流體分析裝置研制

1.1 試驗(yàn)樣機(jī)總體方案

井下隨鉆核磁共振流體分析的關(guān)鍵是探測(cè)器功能與結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)，要求井下核磁共振流體探測(cè)器不但能夠進(jìn)行井下隨鉆核磁共振信號(hào)測(cè)量，還要求滿足井下鉆鋌的空間約束條件，電磁和材料性能適應(yīng)井下高溫環(huán)境，整體結(jié)構(gòu)滿足井下機(jī)械強(qiáng)度和壓力密封要求。

為對(duì)鉆鋌尺寸約束下的物理空間設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，并滿足實(shí)驗(yàn)室內(nèi)核磁共振流體探測(cè)器的仿真測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了原型樣機(jī)，主要由本體、外蓋、蓋板和核磁共振流體探測(cè)器等組成（見(jiàn)圖1）。

圖 1 井下隨鉆核磁共振流體分析試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of NMR fluid analyzer prototype for downhole LWD

將核磁共振流體探測(cè)器嵌入短節(jié)本體中，用卡環(huán)、螺栓固定。將外蓋用螺栓固定在短節(jié)上，外蓋與短節(jié)之間用O形圈密封，防止液體進(jìn)入核磁共振流體探測(cè)器。短節(jié)長(zhǎng)度為 1 100 mm，外徑為 190.0 mm，符合常用鉆鋌尺寸，上下扣形均為API標(biāo)準(zhǔn)扣型（左端為φ193.7 mm正規(guī)扣，右端為NC50扣）。鉆井液從短節(jié)內(nèi)部的水眼通道流過(guò)，為了適應(yīng)核磁共振流體探測(cè)器的掛接，采用了偏水眼設(shè)計(jì)，兼顧了整體強(qiáng)度和過(guò)流面積。為了方便室內(nèi)測(cè)試，核磁共振流體探測(cè)器兩端設(shè)置了流體口1和流體口2，用于仿真流體輸入和排出探測(cè)器的過(guò)程。

1.2 井下核磁共振流體探測(cè)器

1.2.1 磁體設(shè)計(jì)

井下核磁共振流體探測(cè)器呈圓柱形，主要由高導(dǎo)磁外筒、永磁體、射頻線圈、流體管路和調(diào)諧匹配電路等部分組成（見(jiàn)圖2）。由于永磁材料充磁體積的限制，永磁體在軸向上由3段獨(dú)立的磁塊粘結(jié)而成，磁體總長(zhǎng)200.0 mm。永磁材料為釤鈷，具有高居里溫度和低溫度系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。永磁體組合方案從傳統(tǒng)Halbach結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)[12]，由8個(gè)各為45°的離散型磁瓦（內(nèi)半徑 22.5 mm，外半徑 40.0 mm）組合而成。磁瓦的充磁方向按照雙極Halbach設(shè)置，起到中心聚磁的作用，最終在內(nèi)腔中形成由左至右的N—S雙極強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖 2 井下核磁共振流體探測(cè)器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of downhole NMR fluid detector

理想Halbach結(jié)構(gòu)具有外部零漏磁的特點(diǎn)，為了減小采用離散Halbach帶來(lái)的外部漏磁場(chǎng)，永磁體外部增加了高導(dǎo)磁材料外殼，將外部磁力線從N極直接導(dǎo)回S極進(jìn)入磁體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)真正零漏磁的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)聚磁效果，并對(duì)脆性的釤鈷材料提供保護(hù)作用。高導(dǎo)磁外殼材料為高磁導(dǎo)率的工業(yè)純鐵，在其外部做了防銹處理，具有非常高的電導(dǎo)率，作為屏蔽層為射頻線圈提供良好的低噪電磁環(huán)境。

核磁共振探流體測(cè)器橫截面上的磁路設(shè)計(jì)如圖 3（a）所示，外殼外徑為 100.0 mm，磁塊內(nèi)徑為45.0 mm。永磁體組合內(nèi)腔的中心為樣品管，內(nèi)部容納流體樣品；外部刻有螺旋槽，用于容納和固定漆包線螺線管線圈繞組。永磁組合內(nèi)壁上設(shè)置有電磁屏蔽層，以防止射頻線圈發(fā)射的電磁波直接照射到磁體材料上產(chǎn)生渦流噪聲。

利用有限元軟件，對(duì)探測(cè)器的磁路進(jìn)行仿真分析。磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度 B0=0.535 6 T，對(duì)應(yīng)1H 氫核共振拉莫爾頻率f0=22.81 MHz，并在磁體中心區(qū)域形成了均勻區(qū)域。圖3（b）為靜磁場(chǎng)的二維實(shí)際測(cè)繪結(jié)果，圖3（c）和圖3（d）分別為沿z軸和 x方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，零點(diǎn)位于永磁組合內(nèi)腔中心。z軸和y軸上10.0 mm范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與中心完全相同，磁場(chǎng)均勻度非常高。高導(dǎo)磁外殼表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為10-5T，與地磁場(chǎng)強(qiáng)度的量級(jí)相同，實(shí)現(xiàn)了等效無(wú)漏磁，通過(guò)套管段時(shí)更加安全。

圖 3 核磁共振流體探測(cè)器的磁體結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布Fig.3 Magnet structure and magnetic field distribution of downhole NMR fluid detector

1.2.2 射頻天線

射頻天線由射頻線圈和調(diào)諧前端組成。射頻線圈為螺線管結(jié)構(gòu)，由高溫漆包線繞制在特制樣品管外側(cè)。樣品管材料為聚醚醚酮（PEEK）工業(yè)高分子材料，具有良好的耐高溫特性和較高的硬度。PEEK不含氫元素，測(cè)量時(shí)沒(méi)有核磁共振信號(hào)干擾。樣品管外側(cè)留有螺旋槽，便于固定繞線間距。由于射頻線圈處于靜磁場(chǎng)中，施加高電壓射頻場(chǎng)時(shí)受到磁場(chǎng)的洛倫茲力作用會(huì)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生“振鈴”噪聲，采用耐高溫室內(nèi)硫化（RTV）膠水將漆包線與樣品管粘結(jié)牢固。螺線管線圈產(chǎn)生的射頻場(chǎng)垂直于紙面（沿y軸），而靜磁場(chǎng)方向平行于z軸，二者天然呈垂直關(guān)系，滿足核磁共振條件，利用了螺線管天線高效率的優(yōu)勢(shì)。

研制的小型核磁共振流體探測(cè)器磁體總成、射頻線圈與樣品管如圖4所示。為減小射頻脈沖發(fā)射過(guò)程中電路的能量損耗，調(diào)諧前端高壓電容（位于圖4（a）內(nèi)部，無(wú)法顯示）盡量緊靠射頻線圈接線一側(cè)。射頻發(fā)射時(shí)，對(duì)天線施加大功率脈沖，諧振電路各部件中產(chǎn)生高壓和較大的瞬間電流，使用RTV膠對(duì)各電子組件和天線走線進(jìn)行絕緣隔離保護(hù)，以減小天線“振鈴”噪聲。

圖 4 井下隨鉆核磁共振流體探測(cè)器的磁體總成、射頻線圈與樣品管Fig.4 NMR fluid analysis detector for downhole logging while drilling

井下隨鉆核磁共振流體探測(cè)器組裝完畢后，考慮金屬部件對(duì)射頻線圈自身電容電感的耦合影響，利用安捷倫精密阻抗分析儀（型號(hào)為42941A）對(duì)射頻天線整體進(jìn)行了調(diào)諧。利用天線前端匹配網(wǎng)絡(luò)、耐高壓固定和微調(diào)電容陣列，得到中心諧振頻率frf=22.81 MHz、品質(zhì)因數(shù) Q=45、阻抗 Z0=50 Ω，與采集電路的頻率和阻抗匹配較好。

2 核磁共振試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 核磁共振信號(hào)質(zhì)量觀測(cè)

核磁共振回波是瞬態(tài)信號(hào)，激發(fā)核磁共振現(xiàn)象需要探測(cè)器滿足比較嚴(yán)密的物理?xiàng)l件（靜磁場(chǎng)均勻且與射頻場(chǎng)垂直，低電磁噪聲環(huán)境），不僅其電氣性能與電子采集系統(tǒng)要良好匹配（頻率和阻抗），還要考慮探測(cè)器與電子采集系統(tǒng)之間射頻信號(hào)線的衰減影響。

在電子采集系統(tǒng)上編寫(xiě)了CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列時(shí)序，利用探測(cè)器采集樣品自旋回波。經(jīng)過(guò)調(diào)試確定CPMG脈沖序列主要試驗(yàn)參數(shù)：頻率 22.81 MHz，等待時(shí)間 15 s、回波間隔 1 ms，單回波包羅采集64個(gè)點(diǎn)，信號(hào)疊加16次，接收器增益100。測(cè)試時(shí)，在純凈水中加入脫水硫酸銅形成硫酸銅溶液，在保持信號(hào)量不變的情況下，可以縮短樣品的縱向弛豫時(shí)間T1，提高測(cè)試效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，獲得了高質(zhì)量、高信噪比（SNR=150）的核磁共振自旋回波串。對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行回波峰值提取，得到CPMG回波信號(hào)衰減曲線（見(jiàn)圖5）。

從圖5可以看出，回波串的包絡(luò)具有明顯的單指數(shù)衰減特征；單個(gè)回波顯示包絡(luò)光滑、相位穩(wěn)定，表明掃頻正確、參數(shù)合理，驗(yàn)證了在試驗(yàn)樣機(jī)制作工藝上采取的壓制渦流和“振鈴”的做法。

試驗(yàn)樣機(jī)的回波間隔最小可設(shè)定為60 μs，理論上能夠探測(cè)的橫向弛豫時(shí)間T2達(dá)到90 μs，覆蓋了非常寬泛的井下流體弛豫時(shí)間范圍，提高了對(duì)T2較短的稠油的分辨能力。這一方面受益于探測(cè)器具有較高的共振頻率，天線上的能量能夠快速瀉放；另一方面表明選取天線的品質(zhì)因數(shù)Q值較為合理，在信噪比和回波間隔之間取得了較好的平衡。

圖 5 硫酸銅溶液樣品的回波串衰減曲線Fig. 5 Echo attenuation curves in the CuSO4 solution sample

圖 6 流體樣品及其T2譜測(cè)量結(jié)果Fig.6 Fluid samples and their T2 spectrum measurement results

2.2 流體樣品弛豫時(shí)間譜試驗(yàn)分析

選取鹽水、煤油、白油和水基鉆井液（取自勝利油田）等4種典型油水樣品，考察該試驗(yàn)樣機(jī)的區(qū)分能力。首先測(cè)量其CPMG回波串，再利用逆Laplace正則化反演算法求取橫向弛豫時(shí)間T2分布（見(jiàn)圖6，其中橫坐標(biāo)T2采用在10-1～104ms范圍內(nèi)對(duì)數(shù)平均布點(diǎn)的方式，縱坐標(biāo)為不同組分對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度）。

孔隙流體的T2可表示為：

式中：T2為橫向弛豫時(shí)間，ms；T2bulk為自由弛豫時(shí)間，ms；T2surf為表面弛豫時(shí)間，ms；T2diff為擴(kuò)散弛豫時(shí)間，ms。

從圖6可以看出，鹽水、煤油和白油的組分相態(tài)相對(duì)連續(xù)，T2譜呈單峰分布。試管中的樣品接近理想自由流體狀態(tài)，T2時(shí)間主要來(lái)自自由弛豫貢獻(xiàn)。

計(jì)算得到鹽水、煤油和白油樣品的T2分布主峰分別位于 2 000，1 000 和 350 ms處，在各自自由流體弛豫時(shí)間T2bulk理論范圍內(nèi)。水基鉆井液樣品取自勝利油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)，含有黏土和添加劑。黏土具有非常大的比表面積，對(duì)水具有吸附作用，使水呈束縛狀態(tài)，大大縮短了水的弛豫時(shí)間T2。測(cè)量結(jié)果表明，水基鉆井液的T2譜呈雙峰分布，包括8 ms處的主信號(hào)峰和100 ms處的小信號(hào)峰，表明有2種T2差異較明顯的組分。主信號(hào)峰8 ms位于黏土束縛水范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于其他3種自由流體的弛豫時(shí)間T2，符合分析結(jié)果；小信號(hào)峰來(lái)自某些含氫元素的微量組分。4種流體樣品的核磁共振T2譜信號(hào)具有十分明顯的特征，能夠互相區(qū)分，因此可以利用T2分布與流體黏度等關(guān)鍵參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行井下流體的精細(xì)分析和評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論與建議

1）根據(jù)提出的井下隨鉆核磁共振流體分析裝置設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)和研制了小型核磁共振流體分析試驗(yàn)樣機(jī)，為構(gòu)建井下隨鉆地層流體核磁共振實(shí)驗(yàn)室奠定了基礎(chǔ)。

2）研制的核磁共振流體分析裝置具有體積小、易便攜、磁場(chǎng)強(qiáng)、均勻性高和信噪比高的特點(diǎn)。利用樣機(jī)進(jìn)行流體信號(hào)質(zhì)量測(cè)試和樣品分析，能夠準(zhǔn)確區(qū)分試驗(yàn)樣品流體類(lèi)型，測(cè)量結(jié)果正確可靠，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案可行。

3）形成的核磁共振探測(cè)器小型化關(guān)鍵技術(shù)解決了檢測(cè)信息滯后和樣品干擾的問(wèn)題，為傳統(tǒng)地面鉆井液錄井檢測(cè)向井下隨鉆測(cè)井發(fā)展提供了借鑒。建議繼續(xù)優(yōu)化核磁共振探測(cè)器尺寸，形成耐高壓技術(shù)方案，并利用多維核磁共振技術(shù)進(jìn)行隨鉆流體檢測(cè)先導(dǎo)研究。