巖石核磁共振分析儀采集參數設置優化

劉景東，鄒海霞，劉俊田，王 奇，徐建紅

（中國石油吐哈油田分公司，新疆哈密 839009）

巖石核磁共振分析儀作為核磁共振錄井的主要技術設備，可完成現場巖屑、巖心和井壁取心等巖石樣品隨鉆、快速、經濟的核磁共振分析與評價。核磁共振錄井在一定范圍內、一定程度上能較有效地彌補、驗證甚至替代核磁共振測井[1]。近年來，吐哈油田嘗試應用 UNIQ-PMRⅡ型巖石核磁共振分析儀，在室內開展巖心樣品的核磁共振分析，進行巖心核磁共振研究評價，為核磁共振錄井和測井提供參考依據，并探索應用巖石核磁共振分析技術評價非常規儲層。應用研究中發現，巖石核磁共振分析儀系統和采集兩項參數的測量參數共有17項[2]。系統參數的設置在儀器操作方法中均有具體的規定，不需要進一步研究調整；而采集參數則需要根據研究區不同的儲層特征進一步優化，特別是采集參數中的掃描次數、回波間隔、回波個數和等待時間4項參數，需要在實際分析過程中，根據巖石樣品的差異等進行優化設置，以滿足儲層的評價。

1 采集參數設置優化實驗方案

核磁共振分析儀采集參數的選取直接影響分析數據的質量和精度，而采集參數的設置在不同地區、不同類型儲層評價中具有非常重要的意義。為研究采集參數設置對分析結果產生的影響，通過大量的實驗分析，初步掌握采集參數和分析結果的內在關系，并制定采集參數設置優化方案。

1.1 掃描次數實驗

巖石核磁共振分析儀的核磁信號比較弱，單次測量受噪音信號影響大，測得信號的信噪比低，需要多次測量反復累加，以減少噪音的影響，提高信噪比。因此，選擇合理的掃描次數（SCAN）是保證檢測結果準確可靠的關鍵因素之一。相關研究顯示，信噪比大于80，才能保證測量結果準確可靠[3]。

選取中高孔隙度（≥10.0%）和低孔隙度（＜10.0%）的砂巖樣品各3塊，經洗油后用標準鹽水飽和。在其他系統參數和采集參數相同的情況下，將回波間隔分別設置為64和128進行核磁共振分析，觀察分析所測得核磁信號的質量。

1.2 回波間隔實驗

回波間隔（TE）是指在一次掃描過程中相鄰兩次數據采集之間的時間間隔，它反映數據采集密度。核磁共振分析儀按事先設定的回波間隔，對射頻場撤除后樣品的核磁共振衰減信號進行連續采集，獲得T2衰減疊加曲線。采用數學反演技術可以計算出不同T2弛豫時間的流體所占的份額，即T2譜圖[4-5]，用 T2譜圖就可以更直觀地研究樣品孔隙的組成及分布特征。回波串曲線數據和回波間隔設置緊密相關，研究認為回波間隔設置越小，數據采集密度越大，測得的信號越完整，孔隙度測量值也越準確[6]。其原因為核磁共振分析儀撤除射頻場后，在等待一個回波間隔時間之后才開始第一次采集信號，該信號值即為核磁共振初始信號，其大小反映了孔隙度的大小。若回波間隔設置較大，撤除射頻場與首次采集信號之間的時間間隔也會較長，則樣品中一些微孔隙的短馳豫組分信號在首次信號采集時變弱或衰減為0，那么首次采集的信號也自然變小，測得的樣品孔隙度也相應減小，這也是核磁孔隙度比常規項偏低的原因[7]。因此，針對具體的分析儀，在儀器允許范圍內，應盡量把回波間隔設置小一些。

選取高孔隙度（＞20.0%）、中孔隙度（20.0%～10.0%）、低孔隙度（＜10.0%）各2塊砂巖樣品，經洗油后用標準鹽水飽和。在其他系統參數和采集參數相同的情況下，將回波間隔分別設置為300，600，1200， 1800 μs，逐一對這6塊樣品進行4次核磁共振分析。通過對檢測結果進行對比分析，確定該儀器回波間隔的最優設置值。

1.3 回波個數實驗

回波個數（NECH）是指掃描一次采集的數據點數，回波個數與回波串時間長度成正比關系。如果回波串時間長度較短，樣品大孔隙中流體的核磁共振信號在回波串時間長度內有可能還沒有衰減到零，造成回波串不能閉合的現象，那么會對解譜產生影響，核磁共振分析結果也就不準確。

選取高孔隙度和中低孔隙度砂巖樣品。根據實驗二結論設定回波間隔，將回波個數分別設置為1024和2048進行核磁共振分析，觀察回波串形態。

1.4 等待時間實驗

等待時間（RD）是指磁矢量的極化時間，等待時間的設置必須保證樣品所有孔隙中的流體充分極化，需要多次實驗來確定。

選取不同孔隙度的砂巖樣品，經洗油后用標準鹽水飽和。在其他系統參數和采集參數相同的情況下，將等待時間分別設置為 500，1000，2000，3000，4000，6000 ms，逐一對每塊樣品進行核磁共振分析。通過對檢測結果進行對比分析，確定該儀器等待時間的最優設置值。

2 實驗結果與分析

2.1 掃描次數

通過觀察不同掃描次數下所采集到的核磁信號發現，孔隙度大于等于 10.0%的中高孔巖石樣品，UNIQ-PMRⅡ型巖石核磁共振分析儀檢測所得核磁共振信號相對較強，掃描次數選擇為64次就可獲得大于80的信噪比，滿足測量要求；而孔隙度小于10.0%的低孔巖石樣品，所得核磁共振信號一般較弱，掃描次數設置不低于128次，信噪比效果較好。

2.2 回波間隔

初始采集到的核磁共振信號大小決定總孔隙信號的大小[8]。表 1為高孔隙度（24.1%）、中孔隙度（14.6%）、低孔隙度（6.3%）的實驗樣品，對應不同回波間隔設置下總孔隙信號的實驗數據。從表中可以看出，回波間隔設置由小到大，總孔隙信號呈高到低的變化趨勢，回波間隔設置300μs時，測得的總孔隙信號最大；設置600μs時，測得的總孔隙信號較之略微有所減小；而設置1200 μs和1800 μs時，測得的總孔隙信號降幅明顯。這一實驗結果符合回波間隔設置越小，孔隙度值越大的理論認識。回波間隔設置對6塊實驗巖石樣品回波串和T2譜形態的影響呈相似的規律。圖1為其中一塊實驗樣品在不同回波間隔設置下對應的回波串曲線，整組回波串曲線形態顯示在同一時間點（≥1800 μs）上，回波間隔設置 600 μs時采集到的核磁共振信號最強；回波間隔設置 300 μs時采集到的核磁共振信號最弱；其他設置采集到的核磁共振信號介于兩者之間。因此，對于UNIQ-PMRⅡ型巖石核磁共振分析儀而言，為保證整體信號的采集質量，其回波間隔設置600 μs為最佳方案。

表1 回波間隔與總孔隙信號的關系

圖1 回波間隔與回波串關系

圖2為其中一塊實驗樣品在不同回波間隔設置下對應的T2譜，從T2譜圖可看出，回波間隔300 μs時的T2譜明顯發生了左移，顯然樣品孔隙中小孔隙所占的份額偏高，導致T2譜失真；而回波間隔600μs時的 T2譜則較能真實地反映樣品的孔隙分布特征。因此，對于UNIQ-PMRⅡ型巖石核磁共振分析儀，回波間隔設置600 μs為最佳方案。

圖2 回波間隔與T2譜關系

2.3 回波個數

實驗結果顯示，對于中低孔隙度樣品，尤其是致密巖石類樣品，回波個數（NECH）設置為1024時，回波串曲線已經閉合；而對于含大孔隙的高孔隙度樣品，當回波個數設置為1024時，由于大孔隙的存在，采集結束時大孔隙中的磁化矢量還沒有回到平衡位置，回波串曲線不閉合（圖3），將回波個數提高到 2048，回波串曲線才能閉合（圖 4）。因此，回波個數的設置可根據巖石樣品選擇合適的值。

圖3 回波串曲線(不同巖石樣品類型、NECH=1024)

圖4 回波串曲線（高孔隙度、NECH=2048）

2.4 等待時間

圖5為含有較大孔隙的高孔隙度砂巖樣品在飽和水狀態下，等待時間分別設置在500，1000，2000，3000，4000，6000 ms條件下檢測反演所得的T2譜。從曲線形態可以看出，等待時間對位于T2譜右側的大孔隙影響大，對左側的小孔隙度影響甚微。T2譜右側的大孔隙信號隨著等待時間設置的增大，信號峰值增大，則大孔隙信號增大；當等待時間設置不小于4000 ms時，孔隙信號趨于穩定，再增加等待時間，大孔隙信號保持不變。這說明大孔隙中的流體完全極化需要的時間較長，而小孔隙中的流體完全極化需要的時間則較短。實驗結果（表2）表明，等待時間設置為4000 ms時，該類樣品的總孔隙信號值已基本穩定，這說明該類樣品等待時間設置為4000 ms較合適。

圖5 高孔隙度巖石樣品等待時間對T2譜的影響

表2 等待時間和總孔隙信號的關系

油的極化時間比水的時間要長一些[9-10]，針對含油樣品（未除油）進行核磁共振分析，則需要將等待時間適當延長。對正常的砂巖樣品，等待時間一般設置為5000 ms較合適；而對致密砂巖樣品，等待時間需要設置為4000 ms。

而對于低孔低滲的致密砂巖樣品，因大孔隙在樣品孔隙組成中所占的份額很小，則在同樣的條件下測量反演得到的T2譜圖，等待時間對T2譜的影響明顯沒有等待時間對高孔隙度樣品影響大（圖6）。從表2中可以看出，在等待時間設置為3000 ms時，該類樣品的總孔隙信號就已基本穩定，這說明該類樣品等待時間設置3000 ms較合適。

圖6 低孔隙度（致密）樣品等待時間對T2譜的影響

3 結論

（1）采集參數的設置對分析結果有非常重要的影響，掃描次數的設置影響核磁共振信號的信噪比；回波間隔的設置影響樣品核磁共振信號的可靠性和完整性；回波個數的設置決定采集時間長度，影響對大孔隙中的流體馳豫信號的準確采集；等待時間的設置影響樣品孔隙中流體極化，影響對總孔隙信號的準確檢測。

（2）采集參數設置優選方案選擇與儲層性質密不可分，低孔低滲巖石樣品的核磁共振信號較弱，應適當提高掃描次數；在儀器的允許范圍內，回波間隔設置越低對小孔隙的檢測能力越好；含大孔隙的中高孔隙度巖石類樣品，應提高回波個數的設置值；大孔隙中的流體完全極化需要的時間長，需要適當延長等待時間，而對于低孔低滲的致密砂巖樣品，則可適當減少等待時間，若專門對含油樣品進行核磁共振分析，則需要適當延長等待時間。

（3）對于 UNIQ-PMRⅡ型巖石核磁共振分析儀的采集參數優化方案，中高孔隙度巖石樣品，4項采集參數可分別設置為：SCAN=64，TE=600μm，NECH=2048，RD=4000 ms（含油樣品RD=5000 ms）；低孔隙度致密巖石樣品，4項采集參數可分別設置為：SCAN≥128，TE= 600μm，NECH=1024，RD=3000 ms（含油樣品RD=4000 ms）。