三種典型流體性質的核磁共振響應分析

張嘉偉 賽 芳 宋公仆

（中海油田服務股份有限公司油技研究院，中國 北京101149）

0 引言

核磁共振測井技術作為一項新興技術，目前已經廣泛應用于現場測井作業中。本文主要針對水、油、氣這三種流體的典型核磁共振響應進行簡要介紹，通過分析其各自不同的核磁譜特性，進而利用核磁共振方法實現這三種流體識別功能。實際地層流體中主要也是由水、油、

氣這三種流體構成，通過核磁共振方法能夠有效得出這三種流體的核磁共振響應譜信息，為地質勘探及探井解釋提供了一種十分重要的探測方法[1]。

1 三種典型流體核磁共振特性分析

1.1 核磁共振基本概念

核磁共振測井主要測量地層孔隙流體中氫核響應。儀器用靜磁場和脈沖射頻磁場（RF）來進行井下自旋回波核磁響應的測量。測量的重要信息均包括在回波串中?；夭ù某跏挤群偷貙又械牧黧w信息有關，反映的是地層孔隙度。回波幅度的衰減率反映孔徑尺寸的信息和流體中流體類型。核磁共振測井儀主要測試地層流體信息，首先利用探頭永磁體的靜磁場使地層流體激化完全，然后發射90度脈沖使其核磁矩偏轉90度，之后發射一系列的180度重聚脈沖序列使核磁矩重聚生成回波信號，儀器通過接收地層中的回波信號來進行T2譜反演分析與計算。因地層中油氣水的核磁相應T2譜分布時間不同，利用該特性可以進行相應地層流體中油、氣、水的識別[2]。

1.2 水的核磁共振特性

水的成分單一，粘度穩定。它的縱向弛豫時間T1、橫向弛豫時間T2和擴散系數D對同一溫度都有確定的值。水的T1隨溫度升高而增大，溫度從20℃增大到150℃時，水的T1可從3秒增大到20幾秒，擴散系數D同樣能增高一個數量級[3]。與T1不同，視T2不僅決定于體積弛豫時間T2B，而且將受到擴散弛豫的影響，即與水的自擴散系數、旋磁比、磁場梯度和回波間隔有關。

1.3 原油的核磁共振特性

原油的弛豫特性比水要復雜得多，Brown （1961）、Zega（1989）、Tutunjian （1992）、Beznik （1994）、VInegar（1996）、Morriss（1997）、Sho-Wei lo（1998）等都提供了與此有關的研究報告。下圖1為原油的弛豫時間與粘度的關系曲線，研究結果表明純鏈烴和多種鏈烴的混合物以及罐儲原油，其核磁共振體積弛豫時間與絕對溫度對粘度的比值成正比，而視T2譜同樣要受到擴散弛豫的影響。高粘度原油T1=T2〈300ms；而低粘度原油T1>T2，且兩者之差隨TE增大而增大。在大孔隙水濕巖石中，原油與巖石顆粒表面被水隔開，因而油中的氫核弛豫時間不受地層巖性的影響，而僅決定于油的組分和地層的溫度。由于原油是多種烴類的混合物,弛豫時間有一個較大的分布范圍。在同時含有油和水的孔隙地層中，測到的T2是油和水兩個分布的疊加，且兩者并無確定的界限。高粘度的原油T2〈100ms，且有T1=T2；而輕質油T2可變化在100～2000ms之間，甚至更長，并有T1>T2，回波間隔TE減小可使T2增高并更接近T1。圖1中假定儀器造成的磁場梯度為20×10-4T/cm,如果低于此值T2向T1趨近，T2=T1的區間加大[4]。

在地層條件下氣液保持平衡狀態的原油,與脫氣后的原油性質有別。實驗指出，C5～C16烷的混合物，T1與h/T的關系在雙對數坐標圖中是線性的。但甲烷（C1）并不遵循同樣的關系，當液態甲烷達到它的臨界點后，數據趨勢線的斜率與低溫下的液態甲烷相反。當粘度溫度比大于9×10-4cp/K，甲烷在甲烷-正癸烷混合物中的分子份額占0.56時，混合物的T1與粘度溫度比呈線性關系；而當粘度溫度比小于這一數值時，甲烷在甲烷-正癸烷混合物中的分子份額將增大，T1～比值數據點即偏離直線。液態甲烷-正癸烷混合物的擴散系數分布為雙峰結構。當原油的組分很復雜時，T1、T2和D均為一個寬譜。重組分含量增高，使T1、T2和D向減小的方向展寬，而液態甲烷的相應參數是它們的上限。

圖1 原油的弛豫時間與粘度的關系曲線

1.4 天然氣的核磁共振特性

天然氣有干氣和濕氣之分，弛豫參數是組分、溫度和壓力的函數。對甲烷的研究已經相當全面，有足夠的數據可供參考。氣體的T2完全由擴散弛豫控制，甲烷的T1是溫度和壓力的函數，屬體積弛豫[5]。氣體的T2完全受控于擴散弛豫，所以T1和T2彼此無關。甲烷的擴散系數很高，其擴散系數與溫度及壓力的關系如下圖2所示。

圖2 甲烷的擴散系數

下圖3為未限制擴散的甲烷 T2譜時間與擴散系數的關系，根據不同的回波間隔TE與氣體的擴散系數，能夠有效找到其對應不同的核磁共振T2譜時間。

圖3 未限制擴散的甲烷 T2（儀器梯度＝20×10－4T/cm）

2 結束語

核磁共振測井作為一項最高端的測井技術，能夠給地質勘探人員提供直接的流體核磁共振信息，通過核磁共振響應信息能夠有效實現對流體的識別，從而獲取直接的地層孔隙度及滲透率信息。目前核磁共振測井技術已經被廣泛應用于現場實際測井中，通過水、油、氣等不同的核磁共振響應特性，實現對這三種典型流體的識別分析。相信隨著科技的不斷發展，核磁共振技術必將越來越廣泛地應用于流體的識別與探測中，實現其獨特的測量優勢。

［1］George Coates,肖立志，Manfred Prammer，孟繁瑩，譯.核磁共振測井原理與應用[M].北京：石油工業出版社，2007.

［2］黃隆基.核磁共振測井講義[Z].2003（8）.

［3］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京：科學出版社,1998.

［4］肖立志.核磁成像測井[J].測井技術,1995,19(4)：284～293.

［5］肖立志.核磁共振成像測井與巖石核磁共振及其應用[M].北京：科學出版社,1998.