朱萬里,靳敏剛,姜曼,張娟,陳玉杰,李圣均,宋宇

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司,陜西西安710077;2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井試驗(yàn)基地,陜西西安710077)

0 引 言

核磁共振測井結(jié)果不受巖石骨架影響,能獲得用于地層評價所需的孔隙度、滲透率、孔徑分布、流體性質(zhì)及含量等信息[1]。但是,由于磁場強(qiáng)度低、樣品體積小等原因,測量結(jié)果直接影響測井?dāng)?shù)據(jù)反演的準(zhǔn)確性,對于存在于不可動孔隙、弛豫快的泥質(zhì)束縛水更是難以準(zhǔn)確測量。

MRT多頻核磁共振測井儀器在推廣應(yīng)用初期,曾遇到泥質(zhì)束縛水測量精度低、T2譜丟失的問題。通過對測井?dāng)?shù)據(jù)質(zhì)量控制曲線分析,測量的泥質(zhì)束縛水信噪比偏低,導(dǎo)致在數(shù)據(jù)反演時受到嚴(yán)重干擾,影響到儲層物性參數(shù)(如孔隙度、滲透率、孔徑分布等)和T2截止值的準(zhǔn)確計(jì)算,如何提高泥質(zhì)束縛水測量信噪比成為解決上述問題的關(guān)鍵[2]。研究表明,從核磁共振信號產(chǎn)生機(jī)理出發(fā),研究梯度磁場中不同射頻脈沖發(fā)射下的回波信號幅度能夠提高核磁共振測量信噪比[3]。

1 泥質(zhì)束縛水測量方法

核磁共振測井的重要應(yīng)用之一是確定儲層的束縛水體積,在儲層壓力條件下,地層中的束縛水是不可流動的。在含有泥質(zhì)黏土的情況下,泥質(zhì)束縛水的衰減時間可能與毛細(xì)管束縛水部分重疊,在T2譜上,兩者之間可能不存在明顯的界限。核磁共振地層體積模型見圖1。

圖1 核磁共振地層體積模型

模型包括骨架和干黏土、泥質(zhì)束縛水、毛細(xì)管束縛水、可動水、油和氣。圖1下部是MRT核磁共振測井儀器對各孔隙度分量的響應(yīng)。核磁共振有效孔隙度不含泥質(zhì)束縛水孔隙度的貢獻(xiàn),也不包括由泥質(zhì)尺寸孔隙的其他物質(zhì)的貢獻(xiàn),例如極其細(xì)小的晶粒粉砂巖中的水、很稠的油或者瀝青、顆粒表面的順磁化合物、石膏或者黏土礦物中的結(jié)合水[4]。

由于泥質(zhì)束縛水的氫核吸附在黏土顆粒的表面,具有非常短的橫向弛豫時間和縱向弛豫時間,因此需要足夠短的回波間隔和較短的恢復(fù)時間。MRT儀器采用回波間隔為0.6 ms、恢復(fù)時間為20 ms、回波數(shù)量為10個。測量泥質(zhì)束縛水,為了提高測量的信噪比,采用連續(xù)重復(fù)24次之后累加平均完成1次測量[5]。由于短回波間隔的影響,在去除回波信號接收采集時間、天線殘余能量泄放時間、儀器死時間之后,射頻脈沖發(fā)射時間受到嚴(yán)格限制,為了滿足磁化矢量的有效扳轉(zhuǎn),射頻脈沖采用硬脈沖發(fā)射。

2 射頻脈沖方式對信號測量的影響

在核磁共振測井中,采用CPMG脈沖序列實(shí)現(xiàn)自旋回波信號測量,射頻脈沖方式分為2種,即硬脈沖與軟脈沖[6]。在多頻率工作模式的測井儀器中,常使用軟脈沖,目的是在頻率域可有一個確定好的激勵區(qū)域,以避免干擾附近相鄰頻率,而泥質(zhì)束縛水測量需要采用硬脈沖發(fā)射來實(shí)現(xiàn)短回波間隔。

提高核磁共振測井信噪比主要在于:①提高回波信號強(qiáng)度;②根據(jù)核磁共振信號特點(diǎn),通過降噪來抑制噪聲[7]。

2.1 射頻脈沖方式的影響因素

射頻脈沖實(shí)現(xiàn)磁化矢量的扳轉(zhuǎn),需要考慮磁化扳轉(zhuǎn)角與射頻脈沖的幅度、持續(xù)時間,以及脈沖形狀(見圖2),磁化扳轉(zhuǎn)角可表示為

(1)

式中,θ為扳轉(zhuǎn)角;γ為旋磁比,對于氫核,γ/2π=42.58 MHz/T;B1為射頻脈沖的幅度;τ為脈沖持續(xù)時間;S(t)為脈沖形狀函數(shù)。

圖2 射頻脈沖形狀示意圖

如果采用復(fù)合射頻脈沖,設(shè)硬脈沖持續(xù)時間所占復(fù)合脈沖的比例為β。對于特定的核磁共振測井儀器,射頻脈沖幅度固定不變,為了實(shí)現(xiàn)磁化矢量在觀測平面的分量最大,90°脈沖對應(yīng)的復(fù)合脈沖持續(xù)時間為

(2)

因此,復(fù)合射頻脈沖持續(xù)時間與形狀參數(shù)β相關(guān)。當(dāng)硬脈沖所占比例越小時,復(fù)合脈沖持續(xù)時間越長,相反,當(dāng)硬脈沖所占比例越大時,復(fù)合脈沖持續(xù)時間越短。

2.2 射頻脈沖方式與信號強(qiáng)度的關(guān)系

核磁共振區(qū)域的大小決定核磁共振的信號強(qiáng)度,若核磁共振區(qū)域越大,則信號強(qiáng)度就越高。在梯度磁場核磁共振測井中,通常核磁共振區(qū)域?yàn)檩^薄的圓柱殼或部分圓柱殼,核磁共振殼的厚度由射頻脈沖帶寬和靜磁場梯度決定

(3)

式中,Δf為射頻脈沖帶寬;G為靜磁場梯度。

脈沖形狀決定了信號帶寬的大小。在時間域是方波的硬脈沖經(jīng)過傅里葉變換后,在頻率域是一個sinc函數(shù);在時間域是一個sinc函數(shù)的軟脈沖,經(jīng)過傅里葉變換后,在頻率域是一個方形?？紤]硬脈沖在頻率域主波瓣零點(diǎn)位置附近的能量較小,采用在主波瓣幅值-3 dB時對應(yīng)的頻率范圍作為硬脈沖的有效帶寬,此時帶寬內(nèi)信號分量占信號總能量的1/2。對于復(fù)合脈沖,仍需要考慮此因素,信號強(qiáng)度可表達(dá)為

(4)

式中,Δfeff為射頻脈沖形狀函數(shù)S(t)經(jīng)過傅里葉變換后的有效帶寬。

利用上述公式,對不同形狀的射頻脈沖開展傅里葉變換,計(jì)算給定射頻脈沖幅度B1和扳轉(zhuǎn)角θ條件下的有效帶寬,進(jìn)而研究脈沖方式與回波信號強(qiáng)度的關(guān)系。

2.3 射頻脈沖方式與信號帶寬的關(guān)系

分別數(shù)值模擬硬脈沖、軟脈沖和復(fù)合脈沖與信號帶寬的關(guān)系。根據(jù)核磁共振射頻信號特點(diǎn),設(shè)定拉莫爾頻率為500 kHz,磁化扳轉(zhuǎn)角為90°,脈沖幅度為5 Gauss,射頻脈沖持續(xù)時間為100 μs,約為50個射頻信號周期,經(jīng)過傅里葉變換,得到信號強(qiáng)度在頻率域的分布(見圖3、圖4、圖5)。

圖3 硬脈沖在時域與頻率域響應(yīng)

在頻率域的響應(yīng)可以得出,硬脈沖具有多次諧波分量,且頻譜呈sinc函數(shù)分布,在主波瓣幅值-3 dB時對應(yīng)的頻率范圍作為有效帶寬。接近真實(shí)情況的不帶耳瓣的軟脈沖,其頻譜在零點(diǎn)位置變化緩慢,但與硬脈沖相比,能量集中,有效帶寬明顯大于硬脈沖。復(fù)合脈沖與硬脈沖相似,頻譜呈sinc函數(shù)分布,但是諧波分量少,能量相對集中,有效帶寬介于軟脈沖和硬脈沖之間。

圖4 軟脈沖在時域與頻率域響應(yīng)

圖5 復(fù)合脈沖在時域與頻率域響應(yīng)

由于有效帶寬與脈沖持續(xù)時間相關(guān),逐步改變脈沖形狀參數(shù)β,數(shù)值模擬復(fù)合脈沖與信號幅度之間的關(guān)系,經(jīng)歸一化處理后的結(jié)果見圖6。當(dāng)復(fù)合脈沖形狀參數(shù)β為0.33時獲得最大信號幅度,較傳統(tǒng)的硬脈沖和軟脈沖分別提高約22%。

圖6 歸一化的自旋回波信號幅度與復(fù)合脈沖形狀參數(shù)β的關(guān)系

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用效果

在MRT多頻核磁共振測井儀上開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。首先通過時序控制設(shè)計(jì),在MRT上實(shí)現(xiàn)復(fù)合射頻脈沖,在核磁探頭天線兩端測量射頻脈沖信號。

實(shí)驗(yàn)時設(shè)定工作頻率780 kHz,回波間隔為0.6 ms,恢復(fù)時間為3 s,回波串個數(shù)為300,累加次數(shù)為16。在常溫條件下對模擬孔隙度為100 p.u.地層的硫酸銅溶液進(jìn)行測試,測量回波串幅度與孔隙度穩(wěn)定性。采用傳統(tǒng)硬脈沖與復(fù)合脈沖的刻度水箱孔隙度波動對比(見圖7),可見復(fù)合脈沖比傳統(tǒng)硬脈沖增加了原始回波信號幅度,而提高了信噪比。

在長慶油田的應(yīng)用中(見圖8),對于典型的低孔隙度、低滲透率儲層,產(chǎn)出狀況與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān),通過MRT核磁共振測井,精確計(jì)算出儲層有效孔隙度、泥質(zhì)束縛水孔隙度、滲透率、飽和度等參數(shù),準(zhǔn)確識別出氣層、水層和干層。在3 636.0～3 640.5 m井段經(jīng)過試氣,日產(chǎn)氣62 685 m3,日產(chǎn)水1.2 t,應(yīng)用效果明顯。

圖7 傳統(tǒng)硬脈沖和復(fù)合脈沖測量的孔隙度曲線

圖8 應(yīng)用復(fù)合射頻脈沖技術(shù)的MRT核磁共振測井應(yīng)用效果

3 結(jié) 論

(1)地層泥質(zhì)束縛水具有非常短的橫向弛豫時間和縱向弛豫時間,需要足夠短的回波間隔和較短的恢復(fù)時間進(jìn)行測量,同時采用連續(xù)重復(fù)多次累加平均來提高信噪比。

(2)射頻脈沖方式分為軟脈沖、硬脈沖和復(fù)合脈沖,目的都是為了實(shí)現(xiàn)磁化矢量的扳轉(zhuǎn)。復(fù)合脈沖中的硬脈沖所占比例越小時,復(fù)合脈沖持續(xù)時間越長,反之亦然。

(3)射頻脈沖方式?jīng)Q定了信號帶寬大小,通過采用復(fù)合射頻脈沖技術(shù),相比傳統(tǒng)的硬脈沖,提高信號帶寬,從而提高了儀器信噪比,進(jìn)而提高了泥質(zhì)束縛水測量的精度,在應(yīng)用中取得了良好效果。