李 新， 米金泰， 張 衛(wèi)， 姚金志， 李三國

（1. 中國石化石油工程技術(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 257064）

準(zhǔn)確了解油藏流體性質(zhì)是油田開發(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)——“井下流體分析實驗室”，直接對儲層流體進(jìn)行原地實時分析，對于油氣勘探開發(fā)至關(guān)重要[2]。隨鉆井下流體實驗室在鉆井過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態(tài)信息，持續(xù)鉆進(jìn)的同時保證最佳的井眼軌跡，避免鉆井井下風(fēng)險，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)分析法能夠評價儲層污染，但遇到油基鉆井液或者儲層流體為油水混合相時評價效果欠佳。核磁共振技術(shù)不受鉆井液或儲層影響，能夠在儲層溫度和壓力條件下獲得地層流體的主要信息[4-5]，還可以評價鉆井液對地層的污染程度[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，射頻線圈工作頻率大約2 MHz[7]，測量液態(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，后來采用光學(xué)與核磁共振測井結(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]，在儲層溫度和壓力條件下測量流體的弛豫時間，獲得氣油比、流體黏度等信息。另外，吳保松等人[9-10]開發(fā)了多功能電纜式井下核磁共振流體分析試驗樣機，研究了在線獲取樣品信息的探測方法；陳偉梁等人[11]實現(xiàn)了一維和二維時域核磁共振測量。目前，國內(nèi)外尚無井下隨鉆核磁共振流體分析儀器開發(fā)和應(yīng)用的報道。

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

1 隨鉆核磁共振流體分析裝置研制

1.1 試驗樣機總體方案

井下隨鉆核磁共振流體分析的關(guān)鍵是探測器功能與結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計，要求井下核磁共振流體探測器不但能夠進(jìn)行井下隨鉆核磁共振信號測量，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)滿足井下機械強度和壓力密封要求。

為對鉆鋌尺寸約束下的物理空間設(shè)計進(jìn)行仿真，并滿足實驗室內(nèi)核磁共振流體探測器的仿真測試需要，設(shè)計了原型樣機，主要由本體、外蓋、蓋板和核磁共振流體探測器等組成（見圖1）。

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

將核磁共振流體探測器嵌入短節(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器。短節(jié)長度為 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，為了適應(yīng)核磁共振流體探測器的掛接，采用了偏水眼設(shè)計，兼顧了整體強度和過流面積。為了方便室內(nèi)測試，核磁共振流體探測器兩端設(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器的過程。

1.2 井下核磁共振流體探測器

1.2.1 磁體設(shè)計

井下核磁共振流體探測器呈圓柱形，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段獨立的磁塊粘結(jié)而成，磁體總長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。永磁體組合方案從傳統(tǒng)Halbach結(jié)構(gòu)發(fā)展而來[12]，由8個各為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雙極強磁場。

圖 2 井下核磁共振流體探測器結(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，為了減小采用離散Halbach帶來的外部漏磁場，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，實現(xiàn)真正零漏磁的同時，進(jìn)一步增強聚磁效果，并對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。

核磁共振探流體測器橫截面上的磁路設(shè)計如圖 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，對探測器的磁路進(jìn)行仿真分析。磁場中心磁感應(yīng)強度 B0=0.535 6 T，對應(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）為靜磁場的二維實際測繪結(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)強度分布，零點位于永磁組合內(nèi)腔中心。z軸和y軸上10.0 mm范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強度與中心完全相同，磁場均勻度非常高。高導(dǎo)磁外殼表面的磁感應(yīng)強度約為10-5T，與地磁場強度的量級相同，實現(xiàn)了等效無漏磁，通過套管段時更加安全。

圖 3 核磁共振流體探測器的磁體結(jié)構(gòu)和磁場分布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，測量時沒有核磁共振信號干擾。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中，施加高電壓射頻場時受到磁場的洛倫茲力作用會發(fā)生機械振動，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)生的射頻場垂直于紙面（沿y軸），而靜磁場方向平行于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。

研制的小型核磁共振流體探測器磁體總成、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，無法顯示）盡量緊靠射頻線圈接線一側(cè)。射頻發(fā)射時，對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器組裝完畢后，考慮金屬部件對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（型號為42941A）對射頻天線整體進(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 核磁共振試驗與數(shù)據(jù)分析

2.1 核磁共振信號質(zhì)量觀測

核磁共振回波是瞬態(tài)信號，激發(fā)核磁共振現(xiàn)象需要探測器滿足比較嚴(yán)密的物理條件（靜磁場均勻且與射頻場垂直，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），還要考慮探測器與電子采集系統(tǒng)之間射頻信號線的衰減影響。

在電子采集系統(tǒng)上編寫了CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）脈沖序列時序，利用探測器采集樣品自旋回波。經(jīng)過調(diào)試確定CPMG脈沖序列主要試驗參數(shù)：頻率 22.81 MHz，等待時間 15 s、回波間隔 1 ms，單回波包羅采集64個點，信號疊加16次，接收器增益100。測試時，在純凈水中加入脫水硫酸銅形成硫酸銅溶液，在保持信號量不變的情況下，可以縮短樣品的縱向弛豫時間T1，提高測試效率。試驗結(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。對采集的原始數(shù)據(jù)信號進(jìn)行回波峰值提取，得到CPMG回波信號衰減曲線（見圖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，驗證了在試驗樣機制作工藝上采取的壓制渦流和“振鈴”的做法。

試驗樣機的回波間隔最小可設(shè)定為60 μs，理論上能夠探測的橫向弛豫時間T2達(dá)到90 μs，覆蓋了非常寬泛的井下流體弛豫時間范圍，提高了對T2較短的稠油的分辨能力。這一方面受益于探測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譜測量結(jié)果Fig.6 Fluid samples and their T2 spectrum measurement results

2.2 流體樣品弛豫時間譜試驗分析

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，考察該試驗樣機的區(qū)分能力。首先測量其CPMG回波串，再利用逆Laplace正則化反演算法求取橫向弛豫時間T2分布（見圖6，其中橫坐標(biāo)T2采用在10-1～104ms范圍內(nèi)對數(shù)平均布點的方式，縱坐標(biāo)為不同組分對應(yīng)的信號幅度）。

孔隙流體的T2可表示為：

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

從圖6可以看出，鹽水、煤油和白油的組分相態(tài)相對連續(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時間主要來自自由弛豫貢獻(xiàn)。

計算得到鹽水、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，含有黏土和添加劑。黏土具有非常大的比表面積，對水具有吸附作用，使水呈束縛狀態(tài)，大大縮短了水的弛豫時間T2。測量結(jié)果表明，水基鉆井液的T2譜呈雙峰分布，包括8 ms處的主信號峰和100 ms處的小信號峰，表明有2種T2差異較明顯的組分。主信號峰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間T2，符合分析結(jié)果；小信號峰來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)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行井下流體的精細(xì)分析和評價。

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)計方案，設(shè)計和研制了小型核磁共振流體分析試驗樣機，為構(gòu)建井下隨鉆地層流體核磁共振實驗室奠定了基礎(chǔ)。

2）研制的核磁共振流體分析裝置具有體積小、易便攜、磁場強、均勻性高和信噪比高的特點。利用樣機進(jìn)行流體信號質(zhì)量測試和樣品分析，能夠準(zhǔn)確區(qū)分試驗樣品流體類型，測量結(jié)果正確可靠，說明設(shè)計方案可行。

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