D-T2二維核磁共振測井技術發展現狀綜述

崔海標，陸　凡，李　鑫，于蘇浩，陸　川，王利花，夏　陽，李兵剛，肖　晶（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，內蒙古烏審旗　017300）

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D-T2二維核磁共振測井技術發展現狀綜述

崔海標，陸凡，李鑫，于蘇浩，陸川，王利花，夏陽，李兵剛，肖晶
（中國石油長慶油田分公司第五采氣廠，內蒙古烏審旗017300）

摘要：面對日益復雜的勘探對象，一維T2譜核磁共振測井技術在流體識別中面臨越來越多的困難，測井學家將二維核磁共振波譜技術引入核磁共振測井領域，創造出D-T2二維核磁共振測井技術。本文對D-T2二維核磁共振測井技術的發展現狀做一綜述，簡述了二維核磁共振波譜學原理，介紹了D-T2二維核磁共振基本原理，列舉了三種常用的D-T2二維核磁共振測井采集序列，展示了兩個D-T2測井實例。D-T2二維核磁共振測井的出現，實現了從D-T2二維譜中快速、精確區分油氣水，為儲層精細測井評價提供了新工具。

關鍵詞：流體識別；二維核磁共振；采集序列；測井評價

自20世紀90年代初，脈沖核磁共振測井儀器開始在石油行業投入商業服務，其主要原理是：利用CPMG脈沖序列觀測地層孔隙流體中氫核的核磁共振信號，經過數學反演得到地層的T（2橫向弛豫時間）分布。因其在獲得地層孔隙度、孔隙結構、滲透率、流體類型、飽和度等儲層重要信息中的出色發揮，一維核磁共振在測井技術與巖石物理實驗分析中已經得到廣泛應用。然而，當地層孔隙中存在油氣水混合流體時，它們的T2譜往往是重疊的，即便使用移譜法、差譜法和增強擴散法有時也很難有效地將它們區分開，這就催生了二維核磁共振測井方法的發展。D-T2二維核磁共振測井是在一維核磁共振的基礎上拓展觀測的信息量，從單一的T2譜拓展到D（流體擴散系數）-T2分布。2002年，Sun和Dunn以及Hurlimann等分別提出了改進的CPMG序列，實現了D-T2二維核磁共振測井，彌補了一維核磁共振測井在流體識別和定量評價中的不足。Baker Atlas公司的MREx和Schlumberger公司的MR Scanner等新一代核磁共振測井儀器的出現，為二維核磁共振測井的發展和應用創造了必要條件。二維核磁共振測井與目前的核磁共振測井相比，數據測量方法和處理方法都有了重大革新[1，2]。

1　二維核磁共振波譜學

1971年，Jeener首先提出了二維傅里葉變換的思想，隨后Ernst領導的研究小組將其應用到二維核磁共振的研究工作中，在1974年測出了第一張二維核磁共振譜，在此基礎上發明了一系列二維測譜技術，二維核磁共振波譜學從此成為現代化學分析不可或缺的手段，Ernst也因此榮獲了1991年的諾貝爾化學獎。二維核磁共振譜的信號是兩個獨立頻率變量的函數，記為S（ω2，ω1），共振峰分布在由兩個頻率軸組成的平面上。二維空間中信號強度的等值曲線圖，描述了各個原子在不同位置上彼此的相互作用。一般二維核磁共振譜是專指時間域的二維實驗，以兩個獨立的時間變量進行一系列實驗，得到信號S（t2，t1），經過兩次傅里葉變換得到二維譜S（ω2，ω1）。為了得到兩個彼此獨立的時間變量，采用“分割時間軸”的思想把時間軸分段，讓分割開的兩段時間獨立變化實現二維時間域實驗。

一般二維核磁共振波譜實驗的時間軸按其物理意義分成四個時期：預備期、發展期、混合期和檢測期（見圖1）。（1）預備期，這部分通常由較長的延遲時間Td和激發脈沖組成，延遲時間的作用是等待核自旋體系達到熱平衡，類似一維實驗的等待時間。樣品至少由一個射頻脈沖激發，扳轉總磁化矢量到適當的初始位置；（2）發展期t1，控制磁化矢量的演化，演化時間以固定增量Δt1增加，構成第二個時間變量；（3）混合期，由一組固定長度的脈沖和延遲組成，在此期間通過相干或極化的傳遞，建立檢測的條件，有時也可以不設這個混合期；（4）檢測期，檢測信號，信號作為檢測期時間t2的函數被記錄下來[3]。

2　D-T2二維核磁共振測井基本原理

2.1油氣水在（T1，T2，D）三維空間中的分布

核磁共振測井的目的是通過對地層孔隙流體中氫核核磁共振信號的觀測，反演后獲得地層孔隙度、束縛水和可動流體體積等重要巖石物理參數，為儲層評價和產能預測提供重要信息。根據地層條件下油氣水的T1，T2和D（擴散系數）的分布范圍繪制的（T1，T2，D）三維空間分布示意圖[3]（見圖2），受表面弛豫、擴散弛豫、體弛豫的綜合影響，一維T2譜中油氣水的信號發生重疊；但是在D軸上，天然氣的擴散系數最大，地層水的擴散系數次之，由于原油的黏度變化范圍較大，其擴散系數是個較寬的分布，除了輕質油的擴散系數與地層水相當，中等黏度、稠油的擴散系數小于地層水。因此，發展擁有D、T2兩個維度的D-T2核磁共振測井方法可解決一維核磁共振測井中遇到的油水識別難題。

圖1　二維核磁共振波譜實驗脈沖序列示意圖

圖2?。═1，T2，D）三維空間中油氣水分布區域示意圖

D-T2二維核磁共振測井技術利用了二維核磁共振波譜學的概念[4]，但研究的對象和使用的表征參數不同：D-T2二維核磁共振測井研究的對象是飽和流體的地層巖石，不是波譜學中的微觀分子；表征的參數是橫向弛豫時間T2和流體擴散系數D，不是化學位移。改進或發展新的數據采集方法，開發相應的二維核磁共振數據反演方法，就能夠獲得飽和流體巖石的D-T2二維核磁共振分布圖，D-T2二維核磁共振測井技術的典型解釋圖版（見圖3）。

二維D-T2譜一個數軸代表弛豫時間T2，反映孔隙大小分布，另一個數軸代表孔隙流體的擴散系數D，垂直軸代表與氫核數量成正比的信號幅度，該技術主要利用不同流體擴散系數D的差異在二維D-T2譜上有效識別流體類型。

2.2 D-T2數據采集序列

Hürlimann和Venkataramanan等[6，8]設計的D-T2脈沖序列稱為擴散編輯脈沖序列（見圖4）。該脈沖序列中第一個窗口的長度是變化的，但180°脈沖的個數固定為兩個，因此只產生兩個回波。第二個窗口用最小的回波間隔采集信息，可以不考慮擴散弛豫的影響。第一個窗口的第二個回波就是第二個窗口的起始回波，通過在第一個窗口改變回波間隔TE的大小，將由于擴散而引起的衰減記錄到第二個窗口的起始回波中。

圖3　D-T2二維核磁共振技術典型解釋圖版

因此第二個窗口采集的回波串幅度可寫成：

式中：f（D，T2）-二維（D，T2）分布函數，D-孔隙流體的擴散系數，γ-旋磁比（常數），G-儀器磁場梯度。將不同TE的脈沖序列采集數據聯立反演，即可得到儲層巖石的（D，T2）二維分布。

Sun和Dunn設計出兩個窗口的改良式CPMG序列[5，7，9，12]（見圖5）。該序列同樣采用了二維核磁共振波譜學中“分割時間軸”的方法，將每個CPMG序列在時間軸上分為兩個窗口：第一個窗口長度固定為t0，改變第一個窗口中的回波個數使回波間隔從大變小，實現儲層流體擴散信息的加載；第二個窗口用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波信號，將擴散弛豫衰減降到最小，實現儲層巖石橫向弛豫信息的加載，同時將第一個窗口中的擴散衰減記錄到第二個窗口采集的回波幅度中。

圖4　擴散編程（diffusion editing）序列示意圖

圖5　改良式CPMG序列示意圖

由多孔介質核磁共振弛豫理論，結合改良式CPMG序列的特點，可推得第二個窗口采集的回波串幅度為：

式中：bik-第一個窗口的回波個數為NElk時，第二個窗口中第i個回波的幅度，對應的采樣時間為ti+t0；f（D，T2）-二維（D，T2）分布函數；γ-氫核的旋磁比；D-孔隙流體的擴散系數；t0-第一個窗口的時間長度。解譜時將第二個窗口采集的多條回波串聯立反演，即可得到儲層的（D，T2）二維分布。

后來研究發現，用兩個窗口的脈沖序列來消除兩個核函數的耦合并非必要。謝然紅等利用多組不同回波間隔的CPMG回波串實現了（D，T2）二維分布測量和反演（見圖6）。采用CPMG脈沖序列的二維核磁共振數據測量方法，給定足夠長的等待時間，保證孔隙流體中的氫核完全極化，改變回波間隔TE，測量一組對應不同回波間隔的CPMG自旋回波串，則回波幅度b（t，TE）可表示為：

3　D-T2二維核磁共振技術應用實例

3.1 P型核磁儀器D-T2測量實例

南堡凹陷發育河流、三角洲和水下扇等多種沉積相，各沉積相帶互相疊置，儲集層巖性、物性變化快，利用常規測井資料進行流體性質識別難度很大[11]，利用MRIL-Prime儀器對該凹陷A井進行多回波間隔的二維核磁共振測井試驗（見圖7）[13]。

圖6　常規CPMG序列D-T2測量示意圖

3.2 MR-Scanner核磁儀器D-T2測量實例

X，155英尺處的D-T1圖顯示1號殼圖中的束縛流體信號和稠油信號。100 ms以后的自由水信號隨DOI的增加而逐漸降低。流體分析表明自由水從1號殼到8號殼逐漸減少。對這一現象的解釋是，水信號源來自泥漿濾液，濾液驅替的是儲層中可流動的稠油；如果濾液驅替的是地層水，那么水信號應該保持穩定。X，020 到X，050英尺層段的解釋難度更大。該層段處電阻率較低，每個DOI都存在水信號。從X，040英尺的D-T1圖提供了流體信息。由于濾液侵入所產生的水信號出現在1號殼和4號殼中，而在8號殼中消失。因此，認為濾液驅替了NMR儀器無法測量到的稠油。出現在三個殼中的強水信號都源自束縛水，因此，該產層應該生產純油，不產水。

圖7　MRIL-Prime儀器在A井采集的不同回波間隔核磁共振T2分布及（D，T2）分布

4　總結

D-T2二維核磁共振測井技術彌補了一維T2譜技術油氣水重疊的短板，為準確識別流體類型、計算含油飽和度，進而為估算油氣儲量提供重要參數，D-T2二維核磁共振測井技術已經在現場得到了成功應用，在今后的復雜儲層勘探中將發揮越來越重要的作用。

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Review on the development of D-T2two-dimensional nuclear magnetic resonance logging

CUI Haibiao，LU Fan，LI Xin，YU Suhao，LU Chuan，WANG Lihua，XIA Yang，LI Binggang，XIAO Jing
（Gas Production Plant 5 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Wushenqi Neimenggu 017300，China）

Abstract:Faced with an increasingly complex exploration target,one-dimensional T2spectrum NMR logging technology is facing more and more difficulties in fluid identification.Therefore two -dimensional NMR spectroscopy technology is introduced into the field of NMR logging by well logging scientists, which creates D-T2two-dimensional NMR logging technology.In this paper,the development status of D-T2two-dimensional NMR logging technology is reviewed,the principle of two-dimensional NMR spectroscopy is outlined,the basic principle of D-T2two-dimensional NMR is introduced, three common acquisition sequences of D-T2two-dimensional NMR logging are cited,two examples of D-T2two-dimensional NMR logging are showed.The application of D-T2two-dimensional NMR logging achieves a rapid and precise distinction between water and gas from D-T2two-dimensional spectra,book=2,ebook=7which provides a new tool for the reservoir logging evaluation.

Key words：fluid identification；two-dimensional nuclear magnetic resonance；acquisition sequence；logging evaluation

*收稿日期：2016－02-16

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.03.001

中圖分類號：TE355.9

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）03-0001-05