張宮, 何宗斌, 樊鶴, 唐子涵

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 2.北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871; 3.長江大學地球物理與石油資源學院, 湖北 武漢 430100; 4.中海油田服務股份有限公司, 河北 三河 065201; 5.新疆塔里木油田勘探開發(fā)研究院, 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

MREx核磁共振測井儀器根據(jù)測量目的不同有多種測量模式,每種測量模式都有采集多組回波串數(shù)據(jù)。以該儀器的PP OIL測量模式為例,1次下井可以采集13組回波串,通過組合和反演能夠得到2種等待時間、3種回波間隔共5組T2譜數(shù)據(jù)[1]。該儀器采集得到的信息不僅可以用來計算得到地層的孔隙度信息、滲透率信息,還可以同時得到儲層中流體性質(zhì)信息。儀器在中國一些復雜儲層的流體識別、低電阻率油層識別中發(fā)揮了重要作用[2]。MREx經(jīng)過測量模式的優(yōu)選和解釋處理方法的改進,使該儀器能夠很好地識別氣層、輕質(zhì)油層、低電阻率低滲透率油氣層等[3]。MREx提交的測井數(shù)據(jù)格式為XTF格式,現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)中僅包含原始回波信息和現(xiàn)場快速處理的各組T2譜信息,通常只能作為參考而不能被最終的測井解釋使用。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理解釋主要依靠國外的eXpress軟件進行處理,中國鮮見處理該儀器數(shù)據(jù)的測井軟件。在詳細分析了MREx測井原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及處理方法后,在CIFLog一體化測井解釋平臺上開發(fā)了一套MREx核磁共振測井數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng),即CIFLog-MREx系統(tǒng)。該系統(tǒng)算法核心采用C#語言編寫,交互界面及圖形繪制由CIFLog底層平臺提供,能夠運行在主流Windows平臺上。跟國外同類軟件相比,具有操作方便、處理速度快等特點,提高了MREx核磁測井數(shù)據(jù)處理與解釋的效率。軟件測試對比和實際使用表明,其處理效果已經(jīng)達到國外公司軟件同樣水平。

1 MREx型核磁共振測井數(shù)據(jù)處理方法

1.1 MREx測井數(shù)據(jù)解析

MREx核磁共振測井數(shù)據(jù)分為文件頭塊和曲線數(shù)據(jù)體塊。文件頭塊由8個記錄組成,記錄井場參數(shù)、曲線深度、數(shù)據(jù)維度、數(shù)據(jù)類型和采樣點數(shù)等信息。曲線數(shù)據(jù)體塊由曲線頭塊和曲線數(shù)據(jù)塊組成,格式相對固定[4]。MREx核磁共振測井數(shù)據(jù)與常規(guī)測井數(shù)據(jù)記錄方式的不同之處在于數(shù)據(jù)被打包記錄在結(jié)構(gòu)曲線里,數(shù)據(jù)體存儲格式為無符號的單字節(jié)。1條結(jié)構(gòu)曲線記錄的是特定頻率、回波間隔和等待時間參數(shù)測量得到的回波串信息。1個XTF文件通常有13條或14條不等的結(jié)構(gòu)曲線;結(jié)構(gòu)曲線的個數(shù)和觀測模式有關。結(jié)構(gòu)曲線數(shù)據(jù)由結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)說明2部分組成,結(jié)構(gòu)信息說明通常由多個表組成(見表1)。

表1 XTF結(jié)構(gòu)說明信息表

除了解析XTF數(shù)據(jù)文件中的曲線外,還要通過采集參數(shù)從結(jié)構(gòu)曲線中提取各組信號的正交回波信號數(shù)據(jù)。以PP OIL觀測模式為例,在解析出13組結(jié)構(gòu)曲線后還需要從13組結(jié)構(gòu)曲線中解析出每組信號的2道正交回波信號EX、EY和對應的深度曲線Ed。

1.2 回波信號生成

回波信號的生成一般分為2種:第1種,如果原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為CRKO**XX,則需要進行相位角計算、旋轉(zhuǎn)處理、各種校正和刻度轉(zhuǎn)換處理;第2種,如果原始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為PCKO**XX,則只需要進行疊加和刻度轉(zhuǎn)換2個步驟。因此,需要根據(jù)實際數(shù)據(jù)的情況對數(shù)據(jù)進行正確的處理。

1.2.1 PAPS處理

核磁共振測井儀器中的天線磁場強度大,對地層施加交變磁場時產(chǎn)生震蕩電流,而天線本身又是測量線圈,由于電磁感應,交變磁場的殘余信號會夾雜在測量的回波信號中,稱為振鈴效應(Ring)。處理時要通過PAPS技術消除該影響。MREx儀器2次測量的相位分別是180°和90°(已經(jīng)做了反相處理),對應的信號分別為

E1=Xsignal+Xringing+Xoffset

E2=Xsignal+Xringing-Xoffset

(1)

式中,Xsignal為真實回波信號值;Xringing為振鈴噪音;Xoffset為系統(tǒng)偏移。實際資料處理時,需要通過信號計算

Es=(E1+E2)/2

(2)

1.2.2 相位角計算

實際計算中,不能直接從觀測得到的2個道正交信號EX、EY計算得到信號的幅度,而是先要計算正交相位角。由于噪聲的存在,單個回波計算的相位角是不準確的,需要將n個回波累加得到,有

(3)

其中,EX、EY是正交信號;n是計算相位角所用的回波個數(shù)。對于MREx數(shù)據(jù),回波串累加的范圍是2≤n≤16,孔隙度大的儲層n值可以適當放大。

1.2.3 旋轉(zhuǎn)處理和數(shù)據(jù)疊加

核磁共振測井數(shù)據(jù)記錄的是2個道正交信號,想要得到最終的回波串信號,需要進行旋轉(zhuǎn)處理。利用式(4)可以得到信號道和噪音道,即

Es(i)=EY(i)cosφ+EX(i)sinφ

En(i)=EY(i)sinφ+EX(i)cosφ

(4)

式中,φ為相位角;Es為回波信號,用于反演T2譜;En為噪音信號,可以用來估算噪音,反映測井質(zhì)量。

為提高回波信號的信噪比,需要對回波串進行疊加,尤其是對黏土束縛水信號和毛細管束縛水信號。需要注意的是,疊加雖然可以提高信號的信噪比,同時也會帶來地層分辨率的損失。疊加強度需要根據(jù)實際數(shù)據(jù)情況進行,并不是越強越好。

1.2.4 深度轉(zhuǎn)換與組合

核磁共振測井信號的采集記錄在時間域,要得到最終的回波串數(shù)據(jù),必須將數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)換到深度域。MREx核磁共振測井儀器在采集回波串數(shù)據(jù)的同時保存了1條對應的深度曲線Ed用來標定該回波串數(shù)據(jù)的深度。深度轉(zhuǎn)換便是根據(jù)這條曲線將各組回波沿著深度變化的方向進行轉(zhuǎn)換。

雖然MREx測井的觀測模式相對簡單,但是每種模式下仍有10道以上的回波信號。這些回波信號中有的回波頻率不同,其他參數(shù)均相同,稱之為同組回波信號。通常,需要將同組回波信號進行組合,生成統(tǒng)一的標準回波信號,進一步提高信噪比。其中較為重要的組合包括標準回波組EA、短等待時間組EB、長回波間隔組EC、黏土束縛流體組EP。

EA標準回波組需要反映地層中的所有流體信息,因此,要求等待時間最長(5 s以上);回波間隔最小(0.6 ms);回波個數(shù)最多(大于500個)。這組信號反演之后得到的標準T2譜可以用來計算有效孔隙度、可動孔隙度等參數(shù)。

EB回波組要求回波間隔與EA標準組回波間隔一致,等待時間較短(1 s左右);這組回波信號可與標準組回波聯(lián)合使用,生成差分譜信號,用于油氣識別。

EC回波組要求等待時間與EA標準組基本一致,但回波間隔加大(1.5 ms或2.1 ms)。該組信號可與標準組聯(lián)合使用,得出位移譜或進行擴散分析,用于油氣識別。

EP黏土束縛流體組采用很短的等待時間(20～30 ms)和很短的回波間隔進行采集。黏土束縛流體信號衰減很快,只需要用較少的回波個數(shù)進行前端信號的測量。這組數(shù)據(jù)測量時間很短,可以在1個測量周期內(nèi)進行多組測量,因此,信噪比較高。

1.3 回波串組合與T2譜反演

T2譜反演是核磁共振成像測井資料處理的關鍵步驟,反演結(jié)果的好壞直接影響后續(xù)參數(shù)計算及油氣分析的準確性。理論上,回波信號都是多種弛豫組分的總體效應,其數(shù)學表達式為

(5)

式中,Yt是t時刻對應的回波信號值;Pi是特征弛豫所占的比例;T2,i是橫向特征弛豫時間;m為劃分的T2組分數(shù)。由式(5)求出Pi的過程就是T2譜反演,數(shù)學上是求取超定方程的最優(yōu)非負解的過程。國內(nèi)外很多學者在T2譜反演方面進行了大量的研究工作,其中比較重要的幾種方法分別是奇異值分解法、模平滑法、SIRT法、基于聯(lián)合反演法等。每種方法都有各自的特點和適用范圍,不論何種方法都需要提供2個重要參數(shù):T2布點方式及個數(shù)、T2譜平滑因子。研究表明,T2布點方式采用從0.1～10 000 ms數(shù)量級按照對數(shù)均勻分布比較合適,一般情況下布點數(shù)目取16以上就可以滿足需求;平滑因子則保證了T2譜的平滑程度,一般與信噪比相關。本文借鑒前人的研究成果和思路,在軟件中提供了包括奇異值分解(SVD)在內(nèi)的多種反演方法供用戶選擇。

SVD算法可求解大多數(shù)的線性最小二乘法問題。SVD算法基于分解定理對任意矩陣Am×n可以分解為正交矩陣Um×m和非負對角矩陣Dm×n及正交矩陣Vn×n的轉(zhuǎn)置的乘積,即

Am×n=Um×m×Dm×n×Vn×nT

(6)

其中,D為對角矩陣;U、V為正交矩陣。對于多指數(shù)衰減T2模型,有

Y=M×P

(7)

其中,Y為測量的自旋回波衰減信號;M=[e-t/T2,i]n×n;P為待求T2譜幅度值。對M進行奇異值分解得到U、D、V,D為對角矩陣,其對角元遞減排列可以求得最小二乘意義下的解

(UT·Y)

(8)

SVD法在這里給出了矩陣條件數(shù)小于等于SNR的限制,避免了解的不穩(wěn)定性。

1.4 儲層參數(shù)計算

通過以上步驟得到T2譜。通過T2譜可以計算得到儲層孔隙度及滲透率信息?？紫抖仁菍2譜的不同部分進行積分得到的,其中總孔隙度是對T2反演時布點的最小及最大值之間的部分進行積分?？蓜恿黧w孔隙度的計算需要輸入一個重要的參數(shù)T2截止值(一般砂泥巖儲層取33 ms,碳酸鹽巖儲層取90～100 ms)。核磁共振孔隙度計算公式

(9)

(10)

(11)

式中,φt是總孔隙度;φe是有效孔隙度;φf是可動流體孔隙度;S(T2)是T2分布函數(shù)(實際計算時,可以根據(jù)需要選擇標準T2譜或者是拼接后的總T2譜),T2,min是T2譜布點的最小值,T2,max是T2分布布點的最大值,T2,C是束縛流體與可動流體T2截止值,T2,CC是黏土束縛水和毛細管束縛水T2截止值。

利用核磁共振測井進行滲透率的估算主要使用2個模型:SDR模型和Timur/Coates模型。其中SDR模型主要考慮了平均弛豫時間和核磁共振的有效孔隙度,計算公式

K=A(φe)C(MT2,L)B

(12)

式中,K是滲透率;MT2,L是核磁共振T2譜的幾何平均值;A、B、C是該模型的系數(shù)(滲透率乘積因子、T2譜幾何平均值指數(shù)因子、C是孔隙度指數(shù)因子)。

Timur/Coates模型

K=A(φe)C[φf/(φt-φf)]D

(13)

式中,D為可動束縛流體孔隙度比指數(shù)。

2 處理與應用效果

程序編寫過程中首先對數(shù)據(jù)處理流程進行了分析,把整個處理步驟分為3部分:預處理、T2譜反演、解釋處理。其中,預處理部分完成數(shù)據(jù)解析及回波信號生成功能;T2譜反演部分主要提供多種反演方法;解釋處理部分提供儲層參數(shù)計算等功能。

2.1 預處理效果

圖1是數(shù)據(jù)預處理后得到的回波串結(jié)果。第2道是標準回波信號,即等待時間最長、回波間隔最短、采集個數(shù)最多的回波組合而成;第3道是部分極化回波信號,即等待時間較短、回波間隔和標準組一樣的回波組合而成;第4道是長回波間隔組回波信號,由等待時間與標準組一樣而回波間隔較長的回波組信號組合而成;第5道是差分組回波信號,由標準組和短極化時間組回波信號進行相減而得到。

圖1 數(shù)據(jù)預處理效果

2.2 T2譜反演效果

圖2是T2譜反演處理得到的結(jié)果。由圖2可以看出,用本文研發(fā)的軟件處理得到的T2譜曲線與eXpress軟件處理得到的結(jié)果形態(tài)基本一致。

圖2 T2譜反演效果與對比

2.3 參數(shù)計算結(jié)果對比

圖3 參數(shù)計算效果與對比*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

圖3是儲層參數(shù)計算結(jié)果。圖3中第1道是深度;第2道是本文研發(fā)的系統(tǒng)處理得到的T2譜曲線;第3道是eXpress軟件處理得到的T2譜曲線;第4道是本文處理得到的核磁孔隙度曲線;第5道是eXpress軟件處理得到的孔隙度曲線;第6道是本文和eXpress處理得到的滲透率曲線(棕色的是本文得到的滲透率曲線,藍色的是eXpress軟件處理得到的滲透率曲線)對比。從處理結(jié)果可以看出,本文和eXpress軟件處理的孔隙度和滲透率參數(shù)信息基本一致。在孔隙度曲線細節(jié)上本文處理得到的曲線縱向分辨率更高一些。

3 結(jié) 論

(1) 研發(fā)的MREx核磁共振測井數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括XTF數(shù)據(jù)解析與包曲線解壓縮、回波預處理、T2譜反演、儲層參數(shù)計算等模塊,功能齊全,可以滿足油田現(xiàn)場的應用需求。

(2) 該系統(tǒng)集成于CIFLog一體化測井平臺,流程簡單,操作方便,便于用戶掌握;處理效果達到了與國外處理軟件一致的水平,某些方面甚至優(yōu)于國外軟件。

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