用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備及測量方法

2023-12-10 00:56:41

專利名稱：用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備及測量方法
技術領域：
本發明涉及利用核磁共振進行物質探測並實行材料的測試及分析的設備和技術，具體地說，涉及一種利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備及和測量方法。
背景技術：
在石油勘探和開發過程中，為了解地層情況，需要從地層中鑽取巖石樣品進行分析測量。鑽取的巖石樣品一般為直徑從2.5釐米到12釐米不等的圓柱體，通稱巖心。獲取石油巖心樣品的孔隙大小分布、孔隙度、滲透率、含油飽和度、可動流體與不可動流體飽和度等物性參數是認識油藏情況，提高勘探開發效果的重要環節。
通常，須先鑽井取得巖心樣品，然後將其送至實驗室進行巖心分析。目前這種實驗室巖心分析方式存在以下四方面弊病①巖心分析時間冗長(比如一個月以上)，且因時效性差，致不能有效地將分析結果應用於石油勘探和開發；②需用多種分析儀器，通常，一種儀器只能測量一種參數；過多數量的儀器，使得實際上無法實現油田生產現場的快速測量；③鑽取巖心需要很高的費用；④分析過程需使用有毒化學試劑，極容易對環境造成汙染。因此，研製可在油田生產現場獲得地層巖石樣品物性參數的分析設備和方法頗具實用價值。
另一方面，在油田勘探開發的鑽井過程中，往往能夠收集大量巖屑(直徑約3mm的巖石碎片)。如果能從巖屑中同時得到上述孔隙大小分布、孔隙度、滲透率、可動流體與不可動流體飽和度等油層物理信息，則不僅可減少鑽取巖心的數量，大幅度降低勘探開發成本，還能給油田地質工程師和開發工程師及時提供大量的地層物性參數，為儲層評價、產量預測和開發方案的制定提供重要依據。
眾所周知，當含油(或水)的樣品處於均勻靜磁場中時，流體中所含氫核1H會被磁場極化，宏觀上表現出一個磁化矢量。這時，對樣品施加一定頻率(拉摩頻率)的射頻場，就可產生核磁共振。這之後再取消該射頻場，則可接收一個幅度隨時間依指數規律衰減的信號(常稱自旋迴波信號)，一般使用「橫向馳豫時間T2」描述這種信號衰減的快慢。所述橫向馳豫時間T2的長短與地層巖石孔隙大小有關，卻與巖石是否破碎無關。因此，採用核磁共振技術有可能實現地層巖心和巖屑的現場測量。
然而，現有的核磁共振儀器體積大、重量大、對環境要求高，不適合油田現場的使用。另外，現有的核磁共振分析方法主要用於物質分子結果的分析，不能用於巖石物性的分析和測量。因此，尋求重量輕、體積小、對工作環境無特別要求、適於油田現場使用的核磁共振儀器及相應的分析方法，極具實用意義。

發明內容
本發明的目的在於提供一種體積小、適於油田現場使用，並且對環境無汙染的測量地層巖石物性的設備。
本發明的另一目的在於提供一種快速且高精度分析地層巖石物性的測量方法。
為實現上述目的，本發明提供一種利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備，該設備包括磁體、探頭、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制計算機等部分。其中，所述核磁共振探頭被置於所述磁體中；巖石樣品被置於所述探頭內；所述設備根據控制計算機傳來的指令，由核磁共振控制器產生預定頻率和波形的射頻激勵脈衝信號；激勵脈衝信號經功率放大器放大後被送到核磁共振探頭，激發被安置在核磁共振探頭內的巖石樣品，並產生核磁共振信號；再由所述核磁共振探頭接收所產生的核磁共振信號；所述核磁共振信號被送到所述前置放大器中放大；放大後的核磁共振信號被送至所述核磁共振控制器進行濾波、轉換等處理；經過上述處理後的核磁共振信號被送到控制計算機中，最終由計算機給出孔隙大小分布、孔隙度、滲透率、可動流體與不可動流體飽和度、含油飽和度等巖石物性參數。
按照本發明的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備，所述核磁共振控制器是全數位化的，它還包括激勵信號源單元、信號接收與處理單元、事件觸發器單元、I/O接口單元、存儲器單元、中央處理器單元、通信接口單元；所述激勵信號源單元產生射頻激勵脈衝信號；信號接收與處理單元對核磁共振信號進行濾波、放大、解調、模/數(A/D)轉換處理；事件觸發器單元提供硬體動作和時序控制信號；存儲器單元對接收和處理後的數據進行存儲；中央處理器單元負責各單元功能的協調；通信接口單元負責控制計算機和儀器各部分的通訊及數據傳輸。
按照本發明的測量地層巖石物性的設備，其中所述核磁共振回波信號的解調為數位化解調，對回波信號進行正交解調之前，先對所述信號進行高速數位化處理，並使數字處理過程中信號的增益始終保持一致。
按照本發明，上述結構的全數位化核磁共振控制器收到控制計算機發來的指令後，所述事件觸發器單元產生硬體動作和時序控制信號；所述核磁共振控制器中的激勵信號源單元產生射頻激勵脈衝信號；激勵脈衝被所述功率放大器放大後，傳送到置於所述磁體中的核磁共振探頭，激發位於核磁共振探頭內的巖石樣品並產生核磁共振信號；所產生的核磁共振信號被所述核磁共振探頭接收，經所述前置放大器放大後送至所述核磁共振控制器內的數位訊號接收與處理單元進行核磁共振信號採集，得到核磁共振自旋迴波數據；所述核磁共振自旋迴波數據在核磁共振控制器中經過數字濾波處理後，由所述核磁共振控制器中的通信接口單元傳送到所述控制計算機；由計算機最終對上述核磁共振信號數據進行處理，得到所述的巖石物性參數。
為產生核磁共振回波信號，必須有一定強度和均勻度的磁場環境。本發明的核磁共振設備包含一個適於便攜核的核磁共振永磁體，它包括多塊軛鐵，它們組成長方體形狀的軛鐵體；一對永磁磁塊被安裝在兩塊上、下軛鐵上，所述一對永磁磁塊彼此相對的表面上分別安裝極板，所述極板的另一表面上裝有與其外緣形狀相同的勻場環。其中，所述永磁磁塊由釤鈷永磁材料製成，所述極板和勻場環的外緣均為矩形形狀，並且，除安裝所述永磁磁塊的軛鐵外的側面軛鐵的中間部分被切除，形成對稱幾何圖形形狀的通孔。作為一種優選的方式，構成軛鐵體的兩塊側面軛鐵的中心分別被切割有一個矩形形狀的通孔，並且其中的勻場環是由薄金屬條組成的矩形。這樣，既保證所述各軛鐵形成所需磁路，具有足夠的導磁能力，又能大大減輕整個磁體的重量，並增加磁體的勻場區域。
另外，核磁共振回波信號的解調也採用數位化解調，即在對所接收的回波信號實行正交解調之前，先由信號接收與處理單元對所述信號進行高速數位化處理，然後，再由數字振蕩器對已被數位化的回波信號進行數字解調。於是，在數字處理過程中信號的增益始終保持一致，並且無需像同類現有技術的模擬解調方式那樣，必須加入接收相位循環，大大減化了本振電路和接收處理過程，同時提高了測量速度。
按照本發明的另一方面，本發明提供一種用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的測量方法，它依序包括如下步驟讀取全數位化核磁共振設備獲得的核磁共振自旋迴波信號；對所述自旋迴波信號進行弛豫時間反演計算處理，得到地層巖石橫向T2馳豫時間譜；用四氯化碳和煤油組成的標準樣品對T2弛豫時間譜進行刻度和定標；計算得出巖石物性參數。
按照本發明的測量地層巖石物性的方法，其中，在所述T2弛豫時間譜中以弛豫時間最短的兩個峰中間的最低點確定可動流體T2弛豫時間截止值。
作為優選，所述反演計算T2弛豫時間譜，採用最小二乘法確定目標函數，並形成線性方程組；用矩陣變換的方法將T2的求解轉換到時域求解所述方程組。
作為優選，在確定巖石樣品的含油飽和度時，通過向巖石樣品中添加水溶性順磁離子的方法來實現油、水核磁共振信號的分離，進而實現含油飽和度的測量。
所述物性參數包括巖石的孔隙度、滲透率、孔隙大小分布、可動流體與不可動流體飽和度、可動流體含量和含油保和度。其中所述巖石的孔隙度又包括總孔隙度、可動流體孔隙度、裂縫溶洞孔隙度。
按照本發明的方法，將採集到的核磁共振自旋迴波信號處理成石油勘探和開發可以直接使用的參數。這種分析方法可從一個樣品的測量獲得對油田勘探和開發有重要意義的多種地層巖石物性參數，具有計算速度快、精度高等優點，不僅適合巖石樣品分析設備使用，也適合於油田其它核磁共振設備如核磁共振測井儀的使用。
採樣本發明利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的分析方法對工作環境適應性強，所需使用的設備簡單，重量輕。


通過以下結合附圖對實現本發明的具體實施方式
的詳細描述，將使本發明的上述和其它目的、要素、特點以及優點愈為清晰，並可進一步理解本發明，其中圖1是說明本發明用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備的總體結構方框圖；圖2是說明本發明設備中所用全數位化核磁共振控制器的電路方框圖；圖3是說明實現本發明的一種實施例設備中所用可攜式永磁體結構的分解透視圖；圖4是說明本發明所用永磁體結構整體裝配透視圖；圖5是說明本發明一種實施例利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法和數據處理的流程圖；圖6是說明採用本發明的設備和分析方法得到的一塊實施例地層巖石的T2弛豫時間譜，及其離心實驗前後T2弛豫時間譜變化的曲線圖；圖7是說明一種實施例確定帶有裂縫溶洞的巖石的T2弛豫時間譜及其可動流體T2弛豫時間截止值方法的曲線圖；圖8是說明實現本發明方法的定標曲線圖；圖9是說明一種實施例巖石樣品中的水在MnCl2水溶液中浸泡前後T2弛豫時間譜變化的曲線圖；圖10是說明本發明方法一種實施例測得的巖石核磁共振分析結果與同一深度核磁共振測井數據處理結果的對比圖。
圖11是本發明一種實施例方法對油井2030-2040米井段的核磁共振測井數據處理的結果。
具體實施例方式
首先參照圖1至4並結合一種實施例，進一步描述本發明用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備。其中圖1示出本發明用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備總體結構方框圖；圖2示出本發明設備一種實施例所用的全數位化核磁共振控制器的電路結構方框圖。圖3和4則示出本發明一種實施例設備中所用可攜式永磁體結構的分解透視圖和整體裝配透視圖。
(1)測量地層巖石物性設備的總體結構如圖1所示，一種實施例利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備，它包括控制計算機，該計算機發出的指令，經數字通信接口傳給核磁共振控制器，並且核磁共振控制器根據上述控制指令，通過其中的數字激勵信號源單元(參見圖2)產生具有特定頻率(如3.75MHz)和波形(如矩形、高斯形等)的射頻激勵脈衝，並將其傳送至功率放大器。然後，所述激勵脈衝經功率放大器放大到一定功率(如25瓦)後再被送給核磁共振探頭，激發並產生核磁共振信號；緊接著激勵脈衝被關閉，核磁共振探頭接收核磁共振信號；接收到的核磁共振信號送到前置放大器。放大後的核磁共振回波信號被送到所述核磁共振控制器的數位訊號接收與處理單元(見圖2)，經該單元的濾波、放大、解調及A/D轉換等處理後，核磁共振信號再通過所述數字通信接口，被傳送到控制計算機。
從上面明顯地看出，本實施例所用的數字激勵脈衝信號的發射和核磁共振回波信號的接收是分時進行的。也就是說，當發射所述數字激勵脈衝信號時，停止核磁共振回波信號接收；反之，在接收核磁共振回波信號時，則停止發射所述數字激勵脈衝信號。這中間，由構成本實施例核磁共振控制器的事件觸發器單元控制它們之間的切換(見圖2)。
在上述過程中，為產生理想的核磁共振回波串信號，對激勵信號源單元產生的射頻脈衝有一定的要求。首先要求射頻脈衝具有一定形狀，射頻脈衝形狀可以是矩形脈衝，也可以是高斯函數形或其它函數形狀的脈衝。一般地說，比較複雜的函數形狀可以產生電磁場比較均勻的激勵信號，可以產生比較好的核磁共振回波串信號。
另一方面，還要求精確地控制所述射頻脈衝的寬度。通常，對脈衝寬度的控制精度要求達到1微秒，以實現不同的磁化矢量偏轉角度，比如0°，90°，180°，270°等，以便獲得最佳的核磁共振信號。此外，還要求所述射頻脈衝具有一定的相位(如0°，90°，180°，270°等)以及與核磁共振條件相符合的頻率(如3.75MHz)。本實施例中，採用數位化方式產生所需的射頻脈衝信號，並且採用的是矩形形狀射頻脈衝信號。當然，也可以方便地實現其它形狀的射頻脈衝信號。對於所述射頻脈衝信號的頻率和相位，都採用數位化方式實現控制，因而具有很高的控制精度(頻率精度為0.01Hz，相位精度為0.1度)。
因此，在本實施例的核磁共振測量設備中，所產生的回波信號是核磁共振頻率和信號幅度調製而成的信號，也即回波信號的頻率與核磁共振頻率相同，回波信號的幅度隨時間通常按指數規律變化，核磁共振頻率信息和信號幅度信息調製混合在接收到的回波信號之中。因為只有隨時間變化的信號幅度信息才能夠反映地層巖石孔隙結構。具體地說，為了獲得能夠反映巖石孔隙結構的信息，必須除掉回波信號中的共振頻率信息。因此，必須對所述核磁共振回波信號進行解調、A/D轉換等處理，以除掉回波信號中的共振頻率信息。
就這一點而言，普通核磁共振系統對接收到的回波信號，必須先進行正交解調，然後再進行A/D轉換。也就是將所收到的回波信號分為兩路，分別與兩路正交本振信號模擬相乘，然後再分別實行濾波和A/D轉換。這種處理過程的實質是一種模擬解調過程。這當中，由於兩路模擬乘法器和模擬濾波器的處理增益不可能做到完全相同，因而必然帶來誤差。為此，還必須加入接收相位循環來消除這種誤差。這不僅使得本振電路和接收處理過程都複雜化，而且增加了測量所需的時間。
然而，正如上述實施例所表明的，按照本發明，系將現有技術中對信號模擬解調方式改變為採用數字解調方式。即在對回波信號進行正交解調之前，先對所述信號進行高速數位化(如20MHz的A/D轉換)處理，然後，利用數字振蕩器對已被數位化的回波信號進行數字解調。這就使得在數字處理過程中信號的增益始終保持一致，從而可以省去現有技術中的接收相位循環，這不僅大大減化了本振電路和接收處理過程，同時提高了測量速度。
此外，核磁共振測量對於硬體動作，比如相位控制、發射許可、接收許可等的時刻要求極為嚴格，通常對其精度要求到達1μs量級。如果直接通過軟體方式(如脈衝序列指令)，由中央處理器軟體執行硬體動作的控制，則由於處理器指令本身的執行時間並不完全相同，以及在程序執行過程中可能會受到其它控制過程的影響，因而很難將脈衝序列指令的時間準確度控制在核磁共振測量所要求的範圍內。於是，按照本發明的實施例，為核磁共振控制器設置事件觸發器單元，作為專用於執行所述脈衝序列指令的硬體。本實施例中，採用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)實現所述事件觸發器。事件觸發器在規定的時間段向外圍電路(如相位控制、發射許可、接收許可等電路)發出動作(事件)控制信號，比如打開發射機、關閉接收機的觸發信號，這個信號為5V電壓的直流脈衝信號，其時間控制精度達到0.5μs。
因此，結合圖1和圖2，就總體而言，作為一種實施例利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備，整體地可以實現以下功能1)由核磁共振控制器的信號接收與處理單元1對安裝在磁體中的核磁共振探頭接收的來自樣品的核磁共振回波信號依序實行濾波、放大、解調及A/D轉換處理；2)由核磁共振控制器的激勵信號源單元2對核磁共振控制器中數控振蕩器輸出的信號實行頻率合成、相位控制、脈衝寬度控制；3)由核磁共振控制器中設置的事件觸發器單元對安裝在設備中的前置放大器和射頻放大器實施開關控制；5)存儲脈衝序列指令或執行該指令；以及6)由所述核磁共振控制器中的存儲器單元對A/D採樣數據緩存；7)由所述核磁共振控制器中的通信接口單元實現核磁共振控制器與計算機之間的通信；8)由所述控制計算機實現對核磁共振回波信號進行刻度、標定和處埋。
(2)永磁體結構以下參照圖3-4描述本發明實施例測量地層巖石物性的設備中所用永磁體的結構。
圖3示出本實施例測量地層巖石物性的設備中所用永磁體結構的分解透視圖。其中，所述永磁體包括上軛鐵1和下軛鐵9以及兩塊側面軛鐵5和14，它們通過螺釘11′-13′、11-13、10′、10以及15′-16′(圖中未示出相應的螺釘15-16)連接，組成一個整體成長方體形狀的軛鐵體；作為整個磁體的主體。所述軛鐵採用電工純鐵(型號DT4C，下同)製造，所述各連接螺釘採用不鏽鋼材料。
按照面對圖3的紙面方向觀看，所述上、下軛鐵1和9的長度分別為200mm，寬度為160mm(分別對應圖4中的「AB」和「BC」)，並且它們互相相對的內表面上分別用市售強力膠(商品名325厭氧膠，下同)粘結有釤鈷合金(Sm2Co17)材料製成的永磁磁塊2和8，並使所述釤鈷永磁磁塊2和8各自在所述軛鐵1和9上排列成相反的極性。每個側面軛鐵5和14與相鄰上、下軛鐵1和9的鄰接邊的邊長均為160mm(即圖4中的「BC」)，即等於所述上、下軛鐵1和9的寬度，而與該鄰接邊垂直的另一邊的邊長為100mm(即圖4中的「BD」)。由此，形成相鄰的上、下軛鐵與側面軛鐵的長度之比為200mm∶100mm＝2∶1。每一塊軛鐵1、9和5、14的厚度均為10mm。
在所述釤鈷永磁磁塊2和8互相相對內表面上分別用上述強力膠粘結呈矩形形狀的極板3和7。使二極板3和7的相對內表面之間形成寬度58mm空氣隙，從而在該間隙內形成均勻磁場。
圖4為圖3所示永磁體結構對應的整體裝配透視圖。圖中示出，本實施例永磁體的兩個側面軛鐵5和14的中心均被切割成矩形形狀的通孔。該矩形通孔的尺寸約為長100mm，寬50mm(分別對應於與圖4中「BC」和「BD」平行的邊)，從而保證整個磁體有足夠的導磁能力，並使如此構成的磁體重量約為10公斤，僅為同樣線度之普通永磁體重量的五分之一左右。
再回到圖3，一對極環4和6分別用強力膠粘結在極板3和7上，極環4或6為矩形結構，由電工純鐵加工成的薄片組成，並且其外部周緣與所依附的極板外緣等大。極板3或7為電工純鐵加工成矩形結構，這種結構在相同的空間範圍內增大了極板和極環的面積，更有利於聚磁和消除邊緣效應，從而達到最大限度地提高磁場強度均勻性的目的。
採用上述結構的永磁體，在圖4所示磁體的中心區域形成了恆定磁場。為進一步提高磁場的均勻性，在極板3和7上粘有薄的、尺寸不等的矽鋼片(圖中未示出)。按照本實施例，以上述結構磁體的幾何中心為中心，在直徑約25mm、軸向(即圖4中BC邊所沿的方向)長約30mm的柱形範圍內，形成強度達到880高斯的恆定磁場，並且磁場均勻度優於100ppm。
以下參照圖5至11並結合實施例，進一步描述本發明用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法和數據處理的過程。
圖5示出實現本發明利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性方法的測量和數據處理體流程圖。
(1)T2弛豫譜反演計算(步驟S12)在步驟S11時，從計算機讀入核磁共振測量所得到的回波數據，即利用本發明的核磁共振設備進行巖石核磁共振測量，得到的核磁共振回波信號。這種信號可由下式描述為y(t)=ifiexp(-tT2i)+(t)---(la)]]>t＝n·τ(1b)其中，y(t)表示核磁共振回波信號的幅度，t表示採樣時間，fi表示第i類巖石孔隙在總孔隙中所佔的份額，T2i表示第i類巖石孔隙的T2弛豫時間，τ表示相鄰回波信號的間隔時間，ε(t)表示設備的隨機噪聲，n表示回波數。式(1a)和(1b)說明不同大小的孔隙有各自的T2弛豫時間，採集到的核磁共振回波信號是這些T2弛豫時間信號的疊加。
於是，在步驟S12採用數學反演的方法求解(1a)和(1b)式。具體方法是先用最小二乘法確定目標函數；然後對待求變量(fi，T2i)求極值並令其等於0，從而形成一個關於fi，T2i的線性方程組。解此方程組即可得出一組fi，T2i值，它們組成T2弛豫時間譜。在求解上述方程組過程中，採用矩陣變換的方法將求解T2的問題轉換到時域來進行，使計算結果更快、更精確。圖6是採用本發明的設備和分析方法反演得到的一塊實際油田地層巖石的T2弛豫時間譜。圖6中的橫座標表示T2弛豫時間的大小，縱座標表示不同T2弛豫時間分量所佔的比例。
(2)確定可動流體截止值及飽和度(步驟S 13)採用T2截止值方法確定油田地層巖石中可動流體含量。
如所周知，T2弛豫時間譜能夠反映巖石孔隙半徑分布情況，即T2弛豫時間越短，表明流體存在的孔隙越小；反之亦然。然而，當巖石孔隙半徑小到一定程度，則孔隙中的流體會被巖石表面與流體之間的毛細管張力所束縛，以致流體無法在其中流動。因此，在所述T2弛豫譜上存在一個界限，即當巖石孔隙流體的T2弛豫時間大於一個弛豫時間界限時，流體為可動流體，反之為束縛流體。這個弛豫時間界限，稱為可動流體T2截止值(T2截止值)。可動流體截止值是評價儲層石油、水等流體含量和流動性的一個重要指標，廣泛地應用於石油勘探的實踐中。
進一步，根據T2截止值，可以從T2弛豫時間譜中計算出可動流體所佔的百分比(即可動流體的飽和度)。具體方法是在步驟S12得到的T2弛豫譜上，將T2弛豫時間大於T2截止值的組分進行積分，並用M1表示積分面積，同時還對T2弛豫譜上所有組分進行積分，用M2表示這一積分面積，於是，可動流體飽和度BVM用下式計算BVM＝M1/M2(2)可以用高速離心實驗來確定所述可動流體截止值。具體方法是，將巖石樣品飽和水進行一次核磁共振測量，然後，將巖石樣品放到高速離心機中接受離心處理(離心機轉速度控制在10000轉/分左右，離心時間約為1小時)，離心處理完畢後，再進行一次核磁共振測量，以便確認可動流體T2截止值。
具體地說，在高速離心處理過程中，樣品中的可動流體被排除到巖石樣品之外，因此，離心前後T2弛豫時間譜發生變化(參見圖6)，通過對離心前後的T2弛豫時間譜的比較可以確定可動流體T2截止值。具體方法如下首先，對離心後T2譜的所有點的幅度求和，然後在離心前的T2譜中找出一點，使得該點左邊各點的幅度和與離心後T2譜所有點的幅度和相等，則該點對應的橫坐標即為所分析巖樣的可動流體T2截止值(如圖6中黑色實線所示)。
從上面的敘述不難看出，實現確定可動流體截止值的過程比較複雜。並且，進一步的實驗表明，巖石可動流體的T2弛豫時間截止值絕大多數處於T2弛豫時間譜中T2弛豫時間最短的兩個峰中間的最低點附近(如圖7中的黑色實線所示)。這個T2弛豫時間截止值可以是不固定的，隨著地層的不同而不同，因而它可以作為區別地層結構的重要物性參數。
根據上述方法能方便地確定地層巖石可動流體截止值，其誤差小於5％，滿足工程應用的要求。
參照圖7，該圖所示為一塊帶有裂縫溶洞的巖石的T2弛豫時間譜，可動流體T2弛豫時間截止值處於A1譜峰和A2譜峰之間的最低點。圖中譜峰A1的積分面積反映的是巖石束縛流體含量。譜峰A2的積分面積反映的是巖石可動流體含量。譜峰A3的積分面積反映的是巖石裂縫溶洞孔隙中流體含量。因此有 束縛流體飽和度＝1-可動流體飽和度(4)從(3)和(4)式可以看出，所謂可動流體飽和度表示巖石中可動流體佔所有流體的百分數，束縛流體飽和度是指巖石中束縛流體佔所有流體的百分數。這是標誌地層巖石能夠提供的石油產量特性的重要物性參數。
(3)地層巖石孔隙度確定地層巖石孔隙度是指巖石中孔隙體積與巖石外形體積的比值，這是表示地層巖石儲存石油性能的重要參數。
在所述地層巖石物性的核磁共振測量中，使用不同比例的四氯化碳(CCl4)和煤油的混合溶液，比如四氯化碳∶煤油＝97∶3、91∶9、85∶15、79∶21、73∶27等，加入一定濃度，如500ppm的弛豫試劑(比如乙醯丙酮鉻)作為標準樣品，用以刻度T2譜，即刻度巖石的孔隙度(步驟S14)。這裡所說的刻度T2譜，即通過計算T2譜下的面積並與標準樣品對比，從而得出所需的孔隙度。
按照本實施例的方法，其中，使用的四氯化碳由於不含有氫原子而不會產生核磁信號，因此所含四氯化碳的體積相當於巖石骨架的體積，一定濃度弛豫試劑的加入，用於模擬巖石中鐵、鉻等順磁物質等對弛豫時間的影響。而煤油可產生核磁信號，煤油的體積相當於巖石的孔隙體積。這樣不同比例的四氯化碳+煤油混合物就相當於不同孔隙度的巖石流體系統。作為舉例，比如可在8毫升的四氯化碳中加入2毫升煤油，將上述混合溶液密封地裝在直徑25毫米，高30毫米的玻璃器皿中，即形成了孔隙度為20％的標準樣。按照本實施實例，用上述方法形成5個標準採樣，用以對巖石孔隙度進行刻度，這5個標準樣分別相當於孔隙度φk＝3％，9％，15％，21％，27％。
具體刻度方法是利用本發明的測量地層巖石物性的設備，對上述5個標準樣進行的核磁共振測量。表1給出了一組測量結果。
表1標準採樣的核磁共振測量結果

以核磁共振測量信號值(無因次)為縱軸，以標準樣孔隙度為橫軸，則可以得出圖8所示的定標曲線圖。採用統計學中的線性回歸方法將數據點(圖中的矩形標記)擬合成一條直線。然後根據未知巖石樣品的測量信號在擬合線上的位置可以計算出未知樣品的孔隙度。例如，在圖8中，一個未知巖石樣品的核磁共振信號測量值為3,600，則對應的孔隙度值為16％。
求得核磁共振孔隙度和可動流體百分數(可動流體的飽和度)後，進而，還容易求得如下各項重要參數可動孔隙度＝核磁共振孔隙度×可動流體飽和度(5) 其中，所述可動孔隙度表示巖石中可動孔隙含量；裂縫溶洞孔隙度表示巖石裂縫中流體的含量。
巖石物性參量的計算(步驟S15)(a)地層巖石滲透率確定實驗表明，可用下面的式(7)和(8)計算地層巖石滲透率Knmrl=(nmrC1)4.2(BVMBVI)1.5---(7)]]>Knmr2=C2nmr2.2T2g1.4---(8)]]>上式中的BVM表示由T2譜計算得到的可動流體百分數；BVI表示由T2譜計算得到的不可動流體百分數；φnmr表示核磁共振測得的孔隙度；T2g表示T2弛豫時間譜中T2的幾何平均值(ms-毫秒)；而Knmr1、Knmr2表示滲透率(mD-毫達西)；C1、C2為待定係數。
當地層巖石的滲透率大於100mD時，採用(7)式計算；但當地層巖石的滲透率小於100mD時，採用(8)式計算。待定係數C1、C2需要結合常規實驗或經驗來確定(C1通常在5-15間，C2通常在100-200間)。具體方法將已知的滲透率和核磁共振測量結果帶入公式(7)和(8)中，算出C1或C2。對一定的具體地質區域而言，待定係數C1、C2是一定的，可對一定量(比如30塊左右)的巖心進行上述計算，然後用各次測量的平均值來確定C1、C2。
(b)地層巖石孔隙半徑分布確定按照本實施例，採用下式計算地層巖石孔隙半徑及其分布情況r＝c·T2(9)其中r表示孔隙半徑(μm-微米)；c為轉換係數，它的取值範圍可在0.01到0.1之間，更可以結合常規巖石壓汞測量結果來確定。轉換係數c的具體取值方法與上述「地層巖石滲透率確定「中的待定係數確定方法一樣。對一定的具體地質區域而言，轉換係數c是一定的，不需要進行大量的巖石壓汞實驗。
(c)地層巖石樣品含油飽和度的核磁共振測量當巖石樣品(包括巖心與巖屑)中存在油、水兩相時，由於油和水中都含有氫原子，因此，區分其中的油、水核磁共振信號成為確定樣品中含油飽和度的關鍵。
按照本發明的一種實施例，利用向巖石樣品中添加水溶性順磁離子(如Mn2+)的方法，可實現油、水核磁共振信號的分離。
作為弛豫試劑的水溶性順磁離子添加劑(Mn2+離子溶液)可以有效地縮短水相弛豫時間，而由於Mn2+離子不能溶於油相，因而油的弛豫時間不受影響。利用水溶性順磁離子溶液的這種性質，將含油巖石樣品浸泡在MnCl2水溶液中，溶液中的Mn2+離子通過擴散作用進入孔隙內的水相中。穩定狀態下，巖石樣品內的Mn2+濃度與巖石樣品外MnCl2水溶液中的Mn2+濃度相等，因而，將有效地縮短巖石樣品中水相的弛豫時間，而油相弛豫時間不變。根據這一特點，即可實現對巖心中油、水含量的精確測量。
具體地說，按照本發明的這種實施例，使用Mn2+離子含量為1000mg/l的MnCl2水溶液，將巖心浸泡30分鐘，或者將巖屑浸泡15分鐘，巖心(巖屑)中水相T2弛豫時間縮短至10毫秒以下。即T2譜上的弛豫時間小於10毫秒的組份為水相，而大於10毫秒的組份為油相。
圖9示出在上述MnCl2水溶液中將只含有水的巖屑浸泡15分鐘前後T2弛豫時間譜的變化。從圖中可見，經上述浸泡後，水相弛豫時間均縮短至10毫秒以下。對於既含油又含水的巖石樣品，如果MnCl2水溶液浸泡前T2弛豫時間譜的積分面積為W1，浸泡後T2弛豫時間譜的積分面積為W2，則用下式計算巖心(巖屑)含油包和度SoSo＝(W1-W2)/W1(10)實例1利用本發明方法對取自中國北方油田的30塊地層巖心取樣(直徑25毫米)進行分析處理。測量中，使用前述本發明的設備作為核磁共振測量儀器，共振頻率3.75MHz，測量回波時間300毫秒，回波串個數為1024個。為便於比較，用常規實驗方法對這30塊巖心的物性也進行了測量。表2給出對所述30塊巖心按常規實驗方法所得巖心的孔隙度和滲透率與按本發明核磁共振測量裝置及測量方法得到的結果對比。從表中可以看出，本發明的處理結果與常規實驗方法得到的結果吻合很好，具有良好的精度。
表2


實例2採用本發明方法對8塊地層巖心取樣進行核磁共振含油飽和度分析處理。核磁共振測量儀器採用本發明的設備，具體參數為共振頻率3.75MHz，測量回波時間300ms，回波串個數1024個。為便於比較，用常規實驗方法對這8塊巖心的含油飽和度也進行了測量。表3給出了本發明的測量結果與常規測量方法得到的含油飽和度的對比。從表中可以看出，本發明的處理結果與常規測量方法得到的結果吻合很好，具有良好的精度。
表3 8塊地層巖心核磁共振含油飽和度結果

附帶地，除上述對從地下取出的地層巖心樣品的物性參數進行測量外，還可將本發明的方法應用於油田核磁共振測井儀的數據處理。譬如，發明人曾將本發明的數據處理方法應用於對中國西部油田一口井的核磁共振測井數據的處理中。處理解釋過程中，發明人從回波信號中反演計算出100個指數，即T2弛豫時間譜中的數據個數(對比美國NUMAR公司只有10個指數)，T2弛豫時間分布範圍從0.1ms到10000ms(對比美國NUMAR公司的則從2ms-1024ms)，從而極大地提高了核磁測井數據反映複雜孔隙結構的能力。使裂縫結構在新的解釋結果中有了明顯地顯示，也即使用常規方法不能顯示和分辨的地層巖石裂縫結構，在應用本發明方法的測量和處理方法後可清晰地顯現出來。
圖10給出深度為4058米處取出的巖石樣品的核磁共振分析結果與同一深度核磁測井數據處理結果的對比。從圖中可以看出NUMAR公司從核磁測井數據處理得到的10個指數的T2譜與巖心分析結果相距較遠，而採用本發明反演方法得到的100個指數的T2譜與巖心樣品分析結果有較好地對應關係，特別是來自裂縫等大孔道的組份有了明顯地顯示。
圖11示出的是採用本發明的處理方法對該井2030-2040米井段核磁共振測井數據進行處理的結果。圖中第一道為採用本發明的方法計算出的T2馳豫時間分布譜，第二道為測井數據對應的深度信息，第三道顯示的是原始回波信號的信噪比，第四道為美國NUMAR公司的測井軟體計算的質量控制(CHI)曲線，第五道為核磁孔隙度(MPHI)曲線和不可動流體孔隙度(MBVI)曲線，第六道為核磁滲透率(PERM)曲線，第七道為核磁共振測量的原始回波(ECHOS)信號。圖中的質量控制曲線和原始回波曲線是直接從NUMAR公司原始測井數據磁帶的文件中讀取出來的，其它曲線為採用本發明的方法處理出來的。通過與其它地質及測井資料對比，表明本發明的處理結果與實際地層情況吻合得很好。
以上雖然通過實施例詳細描述了本發明，但只是為了說明的目的。實際上，本領域的普通技術人員可以理解，可對上述實施例做出各種改型和變化而不致脫離有如以下所附各權利要求限定的本發明精髓和範圍。
權利要求
1.一種利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備，包括磁體、探頭、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制計算機等部分，其特徵在於，所述核磁共振探頭被置於所述磁體中；巖石樣品被置於所述探頭內；上述設備根據控制計算機傳來的指令，由所述核磁共振控制器產生預定頻率和波形的射頻激勵脈衝信號；該激勵脈衝信號經功率放大器放大後被送到所述核磁共振探頭，激發安置在核磁共振探頭內的巖石樣品，並產生核磁共振信號；再由上述核磁共振探頭接收所產生的核磁共振信號；所述核磁共振信號被送到所述前置放大器中放大；放大後的核磁共振信號被送至所述核磁共振控制器進行濾波、轉換等處理；處理後的核磁共振信號被送到控制計算機中，最終由計算機給出孔隙大小分布、孔隙度、滲透率、可動流體與不可動流體飽和度、含油飽和度等巖石物性參數。
2.根據權利1要求所述的測量地層巖石物性的設備，其中，所述核磁共振控制器是全數位化的，並且包括激勵信號源單元、信號接收與處理單元、事件觸發器單元、I/O接口單元、存儲器單元、中央處理器單元、通信接口單元；所述激勵信號源單元產生射頻激勵脈衝信號；信號接收與處理單元對核磁共振信號進行濾波、放大、解調、模/數(A/D)轉換處理；事件觸發器單元提供硬體動作和時序控制信號；存儲器單元對接收和處理後的數據進行存儲；中央處理器單元負責各單元功能的協調；通信接口單元負責控制計算機和儀器各部分的通訊及數據傳輸。
3.根據權利2要求所述的測量地層巖石物性的設備，其中，所述核磁共振回波信號的解調為數位化解調，對回波信號進行正交解調之前，先對所述信號進行高速數位化處理，使數字處理過程中信號的增益始終保持一致。
4.根據權利要求1-3任一項所述的測量地層巖石物性的設備，其中，所述磁體為永磁體，由上、下軛鐵和兩塊側面軛鐵組成長方體形狀的軛鐵體；所述上、下軛鐵上分別安裝永磁磁塊，兩塊側面軛鐵的中間部分被切除，形成對稱幾何圖形形狀的通孔。
5.一種利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其特徵在於，依次包括如下步驟讀取全數位化核磁共振設備獲得核磁共振自旋迴波信號；對所述自旋迴波信號進行弛豫時間反演計算處理，得到地層巖石橫向T2馳豫時間譜；用四氯化碳和煤油組成的標準樣品對T2弛豫時間譜進行刻度和定標；計算得出巖石物性參數。
6.如權利5要求所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，所述反演計算T2弛豫時間譜，採用最小二乘法確定目標函數，並形成線性方程組；用矩陣變換方法使對T2的求解轉換到時域求解所述方程組。
7.如權利5要求所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，在所述T2弛豫時間譜中以弛豫時間最短的兩個峰中間的最低點確定可動流體T2弛豫時間截止值。
8.如權利5要求所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，確定巖石樣品的含油飽和度時，通過向巖石樣品中添加水溶性順磁離子的方法實現油、水核磁共振信號的分離，並實現含油飽和度的測量。
9.如權利要求5-8任一項所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，所述物性參數包括巖石的孔隙度、滲透率、孔隙大小分布、可動流體與不可動流體飽和度、可動流體含量和含油飽和度。
10.如權利要求9所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，所述巖石的孔隙度包括總孔隙度、可動流體孔隙度、裂縫及溶洞孔隙度。
11.如權利要求9所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，還包括利用四氯化炭和煤油混合溶液按97∶3-73∶27的比例，並加入弛豫試劑乙醯丙酮鉻作為標準樣品，以刻度巖石的孔隙度的步驟。
12.如權利要求9所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，採用r＝c·T2計算巖石孔隙的半徑r，式中T2表示橫向馳豫時間，c為轉換係數，它的取值範圍為0.01到0.1。
13.如權利要求9所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，地層巖石滲透率大於100mD時，使用下式計算所述計算地層巖石滲透率，Knmr1=(nmrC1)4.2(BVMBVI)1.5]]>式中Knmr1表示滲透率(mD)；φnmr表示核磁共振測得的孔隙度；BVM表示從T2譜計算的可動流體百分數；BVI表示從T2譜計算的不可動流體百分數；C1表示待定係數，且取5-15之間的值。
14.如權利要求9所述的利用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的方法，其中，地層巖石滲透率小於100mD時，使用下式計算所述計算地層巖石滲透率，Knmr2=C2nmr2.2T2g1.4]]>式中Knmr2表示滲透率(mD)；φnmr表示核磁共振測得的孔隙度；T2g表示T2弛豫時間譜中T2的幾何平均值(ms)；C2表示待定係數，且取100-200之間的值。
全文摘要
一種用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備包括磁體、探頭、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制計算機等部分。核磁共振控制器產生特定頻率和波形的射頻激勵脈衝，放大後送到磁體中的核磁共振探頭，激發探頭內放置的巖石樣品，並產生核磁共振回波信號。核磁共振探頭接收所述回波信號，放大後送至所述核磁共振控制器，最終送至計算機。本發明方法系將採集的核磁共振自旋迴波信號處理成石油勘探開發生產可直接使用的參數，快速且精度高地給出孔隙大小分布、孔隙度、滲透率、可動流體與不可動流體飽和度、含油飽和度等多種巖石物性參數。本發明數據分析和處理方法也適於油田核磁共振測井儀的使用。
文檔編號G01N24/08GK1763563SQ200410083878
公開日2006年4月26日 申請日期2004年10月21日 優先權日2004年10月21日
發明者王為民, 卜凡亮 申請人:北京大學