電纜核磁共振測井探頭發展現狀分析

范偉等

【摘 要】本文是關于核磁共振測井探頭發展現狀問題的綜述，側重于對現有探頭結構及參數等方面的具體分析。本文共由四部分組成。首先簡單介紹了核磁共振測井發展歷史；然后分析了已有核磁共振測井探頭的結構和性能指標；隨后按技術特征對探頭進行了分類匯總；最后得出結論，組合式磁體、陣列式天線，可能成為核磁電纜測井探頭的下一個發展方向。本文關于電纜核磁測井探頭發展趨勢問題的討論，還遠談不上完整全面。對此問題的深入研究，還應考慮油氣勘探市場需求及核磁共振相關的無線電、磁性材料等技術的發展情況。

【關鍵詞】核磁；測井；探頭；共振區

0 引言

核磁共振測井作為油氣藏分析的有效技術手段，越來越多地受到國內外學界和工業界的重視。國內已有很多關于核磁測井技術發展趨勢的分析[1-2]，但多是關于技術總體或儀器總體的論述，鮮有針對探頭的細致分析。探頭是核磁共振測井產品的核心部件，用于建立核磁共振環境并接收信號。探頭的技術特征很大程度決定了儀器的總體性能。本文結合產品手冊、公開專利，對國外幾大公司的核磁共振測井產品的探頭結構和參數進行了討論，希望能對該技術的下一步發展有所啟示。由于篇幅所限，本文僅討論電纜核磁，隨鉆核磁不在本文討論范圍內。

1 核磁共振電纜測井技術發展歷史

Chevron公司在1950年代開始利用地磁場建立核磁共振環境，進行井下勘探。1980年代，Schlumberger推出了基于地磁場的核磁勘探裝備。但由于地磁場所需功率很大，系統死時間長，無法觀測束縛流體信息。隨后，Jackson利用永磁體的磁共振模型打破了之前的應用限制，此后的所有產品均基于永磁體的結構。1990年代末，Halliburton公司和Schlumberger公司相繼推出了新一代電纜核磁測井儀，前者為MRIL-Prime，把觀測頻率增加到9個，并設計了預極化磁體；后者為CMR-Plus，也增加了預極化磁體。2002年Baker推出了MREx核磁共振測井儀，聲稱綜合考慮了以往儀器的優缺點。Schlumberger公司于2003年推出MR Scanner，可以方便地進行多參數測量，并且具備高、低兩種垂直分辨率。下面針對已有電纜核磁共振測井產品的探頭進行分析和討論。

2 國外探頭結構及性能

2.1 Los Alamos原型機

為了克服Chevron公司地磁核磁共振設備死時間長的缺陷。Los Alamos實驗室的Jackson開發了第一款使用永磁體的核磁測井儀[3]。在該方案中，靜磁場由一對磁極相對，軸向排列的磁體組成（圖 1a），可以在切向建立一個環形的勻場區。勻場區的場強由兩磁體間距決定，圖 1b顯示兩磁體中心平面處場強的變化規律[4]，勻場區位置處于場強達最大值，隨著磁體間距（h/a）增大，勻場區逐漸遠移，場強隨之減弱。該原型機建立了足夠的場強，工作頻率約500kHz，可以在實驗室環境下觀測到理想的核磁共振信號。

（a）磁體結構及共振區示意圖 （b）場強隨磁體間距及徑向距離的變化

該方案沒有立即投入實際應用，主要原因是軸向維度限制了共振區域的大小，導致信噪比不夠大，不能滿足電纜對測速的要求。此外，除了環形勻場區外，在井眼附件也會形成磁共振環境，來自泥漿的信號會使解釋工作復雜難解。而且，工作頻率會隨著井溫的升高而發生變化。

2.2 MRIL-Prime

MRIL是第一款被商業化的永磁體核磁測井裝備，由NUMAR公司在1980年代中期推出。NUMAR公司稍后被Halliburton公司收購。1992年推出的MRIL-B使用單頻工作，利用梯度磁場。1994年推出了使用多頻工作的MRIL-C。利用梯度磁場測量多個頻率增加了數據采集效率，進而增強了采集信息質量。1998年推出的MRIL-Prime有9個探測深度[5]，至今仍是市場上的主流產品之一。

在MRIL-Prime中使用了圓柱形磁體，沿徑向極化；線圈沿長度方向繞制，進而獲得一個近似圓柱殼的敏感區（圖 2）。圓柱形磁體建立的靜磁場強度隨徑向距離增加而減弱，利用磁場梯度實現多頻測量不僅可以通過多探測深度的累加提高信號質量，還可以識別泥漿侵入影響。在P型核磁儀器中[6]，磁場梯度約為14-21Gs/cm，敏感區厚度約為1mm。因此，為了獲取足夠的信號，敏感區域需在縱向延伸以增加樣品量。為了獲得更高的測速，MRIL-Prime增加了大段預極化磁體。實際測速高達24ft/min。

（a）儀器總體及探頭結構 （b）共振區域示意圖

但是，作為居中型周向探測設備，MRIL有固有缺陷。第一，由于儀器和井壁之間總存在間隙，在大井眼環境下，敏感區可能落入井眼。第二，當探頭周圍泥漿電阻率很高時，線圈負載會隨之增加，導致射頻功耗大幅升高。為了解決這個問題，NUMAR又推出了MRIL-XL測井儀。

2.3 MRIL-XL

MRIL-XL是為了解決居中型儀器的問題而誕生的產品，該儀器在偏心狀態下，最大適用井徑可達16英寸，而P型只能達到12.25英寸。MRIL-XL的公開資料較少，基于Prammer的專利[7]，猜測磁體與P型一樣，但線圈被分成了四部分，可以進行不同發射組合。對于小井眼或負載不大的情況，四部分線圈同時打開，居中測量；而當泥漿電阻率很大、井眼太大或井眼不規則時，僅打開臨近的兩個線圈，進行偏心測量[8]（圖 3）。因此，MRIL-XL可適用于7-7/8至16英寸的井，通用性更強。此外，MRIL-XL和MRIL-P都提供二維（T1/T2）測量功能，用于油氣識別和定量分析。

2.4 CMR-Plus

CMR（可組合磁共振）由Schlumberger公司發布于1995年，稍晚于MRIL-B。CMR-Plus是基于CMR-200（1999）改良的，增加了預極化磁體和改進的序列，因此測速可提高3至5倍。相比其他核磁測井產品，CMR-Plus體積小、重量輕，有著獨特的優勢。在CMR中[9]，兩個平板磁體平行放置，極化方向相同。在兩磁體中間向外延伸的區域建立勻場區。在兩個磁體中間放置了第三塊小磁鐵，使勻場區向探測方向延展。線圈位于兩個主磁體之間，距儀器外壁很近，形成半圓結構，開放的一側面向敏感區（圖 4）。這樣構成的敏感區是單邊的，主要信號來自長15cm，厚2.5cm的柱形區域。如此可以達到很高的空間分辨率和信噪比。

由于CMR采用單邊測量，可適用于大井眼。但是由于測深僅有2.5cm，即便少量泥漿進入地層也會對測量結果帶來很大的影響。而且，由于選用均勻場，只能單頻工作，需解決溫度變化引起的頻漂問題。盡管CMR使用均勻場，它仍可以利用甜點附近的梯度磁場測量擴散系數。但是甜點附近的梯度變化較大，需對擴散測量結果進行梯度校正。

2.5 MR Scanner

Schlumberger公司最新的核磁共振測井儀MR Scanner于2003年投入市場[10]，最初命名為MRX，因與Baker公司的MREX太接近而更名。MR Scanner利用梯度磁場，通過切換頻率可以測量不同深度的殼層。MR Scanner探頭公開的技術資料很少，根據專利[11]（圖 5）猜測線圈被繞在圓弧形的磁芯上，磁體沿徑向極化。Schlumberger公司的產品手冊上顯示MR Scanner具有一個主天線和兩個高分辨率天線，最高垂直分辨率可達6英寸。此外，MR Scanner可以根據實際需求改變探頭工作狀態，靈活調整測速和測量精度，具有很好的市場適應性。

2.6 MR Explorer（MREX）

MREX由Baker公司于2002年推出。利用梯度磁場，采用單邊測量方式。探測深度為6.1～11.2cm，比MR Scanner略深。MREX探頭由主磁體和輔助小磁體組合而成（圖 6a）。輔助磁體有兩個作用，一是增強探頭外部的磁場強度進而增大信號強度；二是減少探頭內部的場強，避免磁芯飽和。而磁芯是為了增加天線收發效率的。圖 6b顯示了輔助磁體對信號探測區域場強的影響。場強的繪制沿著圖 6a虛線的方向。可見輔助磁體使敏感區磁場更強，而磁芯中的磁場減弱。

3 技術特征分類

3.1 按磁場類型分類

根據表 1，按磁場類型可分為勻場和梯度磁場。圖 7顯示了各種磁場類型的場強變化趨勢，虛線示意共振區域。圖 7a 為典型的梯度磁場變化曲線，可見共振區域較窄；圖 7b是Los Alamos勻場區域示意，其勻場出現在磁場最強處；圖 7c是CMR使用了輔助小磁體后的勻場區，因為使用了調整磁體，勻場區域明顯增大。在前面的討論中，只有LosAlamos原型機和CMR使用了均勻磁場。勻場的優勢在于共振區域大，信噪比好，所測T2受擴散影響小；但是勻場都面臨溫度變化引起的頻率漂移問題。相比之下，利用梯度磁場可以測量多個探測深度，進而獲得較高的測速和豐富的采集信息，而且當溫度引起磁場變化時，無需在意探測深度的小幅變化。

（a）典型梯度磁場 （b）Los Alamos勻場

（c）CMR勻場

3.2 按共振區域分類

按照共振區域的形狀，可大致分為環形（360°）和單邊。除了MRIL-Prime之外，其它探頭均支持單邊測量。環形共振區的優勢在于共振區域大，信噪比好，而且受地層不一致性影響小。但是對照單邊共振區，環形區需要更大的射頻功率，受井眼環境影響大。相比之下，單邊類型具備更強的環境適應性。MRIL-XL就是在這種需求下產生的，它可以適用于16英寸的井眼。

此外，按共振區長度可分為高分辨率和普通分辨率。Schlumberger公司的兩款電纜核磁產品的靜態垂直分辨率均可達到20cm以下，對于區分薄層擁有獨到的優勢；其MR Scanner產品更是同時具備兩種分辨率的天線，可以提供更為豐富的地層信息。

3.3 按工作頻率分類

工作頻率是與磁場強度唯一對應的。在此以1MHz為限，只有Schlumberger公司的CMR大于此限，工作頻率達到2.2MHz。其他產品均介于500～1000kHz。原則上，工作頻率越高，信噪比越好。但高頻意味著更高的場強，可能以犧牲探測深度為代價。（下轉第174頁）

（上接第53頁）4 結論

自Chevron公司利用地磁場開始，將核磁共振技術用于測井已有六十余年的歷史。1980年代對永磁體的利用使該技術大規模商業化，此后二十年各公司先后推出了豐富的核磁共振測井產品。但近十年鮮見新產品問世，大多工作是基于原有產品的改良和升級。可見該技術的發展已趨于成熟。基于之前的產品分析和分類比較，考慮了電纜核磁共振探頭可能的兩個發展方向。

1）組合式磁體。Schlumberger公司的CMR和Baker公司的MREx都使用了較為復雜的磁體組合，其好處在于可以靈活地控制磁場強度和磁場梯度。合理的磁場梯度更適合擴散系數的采集，簡化多參數測量時的數據處理與解釋工作。此外，參考CMR產品的磁場趨勢，可以同時利用勻場區和梯度磁場，實現更為豐富的信息采集。

2）陣列式天線。Halliburton公司的MRIL-XL和Schlumberger公司的MR Scanner都使用了多組線圈。多線圈的組合對于提高空間分辨率以及提高測速極有幫助，而這兩點恰恰是目前勘探市場關注的重點。

【參考文獻】

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[責任編輯：曹明明]