核磁共振T2谱提取研究

核磁共振测井T2谱提取方法研究

摘要：核磁共振测井技术是上个世纪九十年代世界测井行业的重大技术进步之一，为复杂油气藏勘探开发提供了全新的解决方案。MREx核磁共振测井仪是我国引进的先进核磁共振测井仪器。由于该仪器推出较快，硬件和软件都不完善，且由于处理解释软件所适用的地质条件跟我国实际也有较大差异等原因，在数据处理和解释中遇到了一些难题。如果这些问题不解决，必将大大影响该技术在我国的应用。

数据提取和原始回波串生成方面，对MREx仪器探测特性、观测模式、数据记录格式等方面进行了剖析，弄清了数据采集及存储细节，实现了对原始记录信息的提取。对MREx核磁数据回波生成一系列关键技术，包括相位校正、标准组组合、回波叠加、时深转换等进行了研究，掌握了从时间域原始信号到深度域的回波串信号的处理技术。

关键词：核磁测井；T2谱；MREx；回波

Study on The Extraction Method of NMR T2 Spectrum

Abstract: Nuclear Magnetic Resonance logging technology is a major progress of well logging industry in the 1990s. It provides new answers to hydrocarbon exploration and development in complex reservoirs. MREx nuclear magnetic resonance logging is an advanced one，which is imported from foreign Companies. Because this tool is launched in a short time，both hardware and software of this instrument are imperfect，and geological conditions are different in and out of China，some problems，maily on the data processing and interpretation，are encountered，If these problems are not solved，will greatly influence the application of this technology in China.

In data extraction and echo generation aspects，the feature，activation，data recording format of MREx tool are analyzed. Making clear data acqusition and storage details，original record data are extracted. A series of key technologies of echo generation from MREx original data are formed，including phase-correction，echo stack，standard echo combinations，time-to-depth conversion，etc. The original orhogonal signals in time domain are processed to echo signals in depth domain.

Key words: Well Logging Tool ;T2Spectrum ; MREx ; Echo

目录

1 前言 (1)

1.1 核磁共振发展史 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 核磁共振研究目的及意义 (3)

2 核磁共振的原理 (5)

2.1 核磁矩与自旋角动量 (5)

2.2 经典力学观点与量子力学观点 (5)

2.3 核磁共振测井的计算方法 (7)

3 核磁共振测井的仪器 (10)

3.1 核磁共振测井的仪器的发展 (10)

3.2 MRIL—Prime仪器介绍 (11)

4 MREx回波信号生成处理技术研究 (13)

4.1 MREx核磁共振测井仪器简介 (13)

4.2 MREx数据采集观测模式 (14)

4.2.1 PP、PP Basic观测模式 (15)

4.2.2 PP Oil观测模式 (16)

4.2.3 PP Gas观测模式 (18)

4.3 MREx数据记录方式 (19)

4.4 各组回波生成技术 (20)

4.5 标准组回波合成技术 (24)

5 T2谱信息处理进行储层参数求取 (27)

5.1 计算孔隙度 (27)

5.2 计算毛管束缚水 (28)

5.3 估算渗透率 (29)

5.4 提高参数计算精度的方法 (31)

5.4.1 变T2截止值改进束缚水饱和度计算 (31)

5.4.2 与密度声波结合改进孔隙度计算 (33)

6 总结与认识 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

1 前言

1.1 核磁共振发展史

核磁共振这种物理现象分别是由1946年由斯坦福大学的布洛赫(Bloch)和哈佛大学的拍塞尔(Parcel)两人各自领导的小组发现的。把奇数个核子的原子核放于磁场中，再加某一频率射频场，将会发现原子核吸收射频场的现象。后来，美国的RussellVarian 证实了地磁场中的核自由进动并发明了便携式磁力计。1952年，Varian发明NMR磁力计，用于测量地磁场的强度，其基本组成是一个水瓶缠绕着线圈。当有直流电流通过该线圏时，沿线圈轴向将产一个磁场，水的氧核由于因为受到轴向磁场的作用，几秒钟后，改变它们原来沿地磁场的方向，而沿线圈轴线方向。然后断开电流，用该线圈作接收器并检测质子绕地磁场进动产生的信号。精确地测定进动频率，可以确定地磁场的总强度。由此人们第一次认识核磁共振的潜在价值，并在上个60年代早期研制出核磁测井(NML)仪。Borwn和Fatt在1956年研究发现，当流体处于岩石孔隙中时核磁共振弛豫时间与自由状态相比显著减小，并对原油在岩心中的弛豫特征进行了探讨[1-3]。Timur在1968年提出自由流体指数的概念并用核磁共振测量了砂岩孔隙度、自由流体指数和渗透率等参数的方法。核磁测井仪由于有许多局限性最终在80年代末停止了服务。尽管它有诸多局限性，但为核磁测井发展而进行诸多研究，使核磁共振测井有了今天的估算孔隙度、渗透率、自由流体体积、束缚流体体积和润湿性等多种地层评价手段。

1978年在LosAlamos实验室进行的核磁测井研究项目是现代核磁测井发展的根源。该项目的主要目标是制造在井下使用的核磁共振测井仪，必须克服NML仪的局限性。该研究项目所使用的仪器与现代实验室核磁共振仪器一样都用强度很大的钐钴合金永久磁体来产生均勻磁场，再用脉冲磁场来测量自旋回波信号。该仪器可以得到多种测量结果，用于不同地层的评价。该仪器证实了核磁共振用于测井的可行性，但由于它的采集信号的噪音大，而且无法消除掉井眼信号，严重影响了地层信号的采集。斯伦贝谢公司和Numar公司开始了对核磁共振仪器的研究，重新设计了磁铁、磁场和天线以满足商业核磁测井的需求。

1.2 国内外研究现状

国外许多学者开展了提高核磁共振仪器性能的研究工作。KleinbergR和MarschallD.分别对核磁共振测井的弛豫特性和毛管压力曲线进行了研究。S.Chen、Manfred Prammer和Stefan Menger等人对用核磁测井来计算各种地层孔隙度和流体百分比提出了新的途径。KorkowitzJ.P.、Crowe M.B.及AkkurtR等人研究了利用添加

弛豫试剂来识别不同性质流体及利用流体的扩散效应来计算储级集层的含油饱和度。

20世纪90年代初，研究有了收获，有两家公司开始对电缆式核磁共振仪器进行现场测试。仪器性能远远超过NML仪，对地层评价方面有了很好的效果。自从第一支商用仪器投入使用以来，这两家公司都先后推出了先进的电缆式核磁共振测井仪和随钻测井(LWD)核磁共振测井仪器。1997年，哈里伯顿公司收购了Numar公司，2001年哈里伯顿公司推出了NMR流体分析仪，它是电缆式流体釆样仪的一部分。在2000和2002年哈里伯顿公司和斯伦贝谢公司分别推出了LWD仪器。贝克休斯公司在2004年推出了电缆式NMR核磁共振测井仪器，2005年推出了LWD核磁共振测井仪器仪。

磁铁和天线是脉冲NMR测井仪的核心部分。它对仪器的最小回波间距、探测深度、性噪比、垂直分辨率和测井速度有重要影响。在用的所有仪器在传感器的设计上都是不同的，主要差别是电子线路、脉冲序列、固件、数据处理和解释处理算法等方面。斯伦贝谢的NMR测井仪器有一个脉冲序列发生器和三个天线，可进行多种不同方式的测量。其中两根天线是用于高分辨率测量，可计算束缚流体孔隙度、自由流体孔隙度、总孔隙度及渗透率，还能用来探测天然气和轻质油。主天线有多个频率，不同的频率对应的探测深度不同，可对不同的地层进行评价。现在的核磁测井仪器如MRIL-C、MRIL-Prime、MREx、CMR-Plus、MR-Scanner都是用强度大的永久磁铁來产生均匀磁场，采集的信号时都是用脉冲序列所激发的信号。

自从核磁共振测井得到广泛运用以来，NMR测井最有意义的新进展之一就是能计算出与岩性无关的NMR总孔隙度。由于根据常规三孔隙度(密度、中子、声波)测井求取孔隙度要知道岩石骨架性质，所以NMR测井仪是唯一能够提供与岩性无关的孔隙度的方法。在复杂岩性、特殊岩性和未知岩性的非均质地层中，为了准确测量孔隙度，用核磁共振测井有独特的优势。根据T2分布是核磁测井最重要的成果，很多有用的地层参数可由T2分布计算出来。根据核磁共振的回波串反演计算出的T2谱可计算出核磁总孔隙度、有效孔隙度、自由流体孔隙度和束缚流体孔隙度，也能估算渗透率、评价储层类别等。

我国的核磁共振测井是1996年开始的。中国石油集团测井有限公司(CPL)的华北事业部最先引进了NUMAR公司的C型磁共振成像测井仪(MRIL-C)。随后，这项技术在我国迅速推广。如今，4大测井公司的核磁共振测井仪器(MRIL-C、MRIL-Prime、MREx、CMR-Plus、MR-Scanner)均在我国广泛运用并取得了很好的效果。但核磁共振测井仪器及软件基本靠进口，核磁共振测井技术的各种理论基本是靠吸收国外的各种文献及资料，但在实际运用过程中出现的多种异常现象尚不能做出合理的解释，影响了运用效果，某种程度上影响了人们对这项技术。

在2010年中国石油集团测井有限公司的技术中心研制出了仿MRIL-P型仪器，同时中海油田服务股份有限公司也研制出了仿MREx贴井壁测量EMRT测井仪器以及其配套的解释软件。在核磁共振测井解释软件上国内也有很大的进步，基本可以不

再依靠国外的解释软件，进一步推动了我国核磁共振测井技术的发展。

在国内外核磁共振测井的运用中均存在很多还未解决的问题及缺陷。从理论上来讲NMR是测量的孔隙度是最好的方法，能够提供准确的孔隙度测量信息，而实际上在稠油层、气层、或高矿化度钻井液、以及含有导磁矿物的岩石等条件下，往往出现测量孔隙度偏大或偏小的情况，甚至与某些岩性有相关性。核磁T2谱区分可动流体和束缚流体时，最重要的参数是T2截止值，而T2截止值由实验室才能确定，不同区块、不同层位、不同岩性的T2截止值相差很大。对于砂泥岩储层，通常把33ms作为T2的截止值，用于区分束缚水和自由水。但该值在许多情况下都难以适用，如在低孔低渗储层、致密储层中T2截止值在1-40ms之间，由于T2截止值分布范围广，因此计算的误差会很大。在碳酸岩储层中，T2截止值明显大于砂岩的截止值，一般在100ms 左右。

在流体的识别方面，有很多半定性半定量的方法，但是都有非常强的使用条件。核磁共振测井得到的渗透率量子力学、束缚水、孔径分布、毛管压力曲线、原油粘度等信息，都是由回波串反演计算出T2分布，然后再导出的二级参数，也都限定了其使用范围。因此，在应用实践中容易出现的种种问题。在评价储层类型方面，核磁T2谱与毛细管压力曲线有相似的性质，都表征了储层的孔隙结构分布，因此，可在没有实验毛细管压力曲线数据情况下用T2谱构造毛管压力曲线来评价储层好坏，但T2形态又受到储层含烃的影响，导致构造出的毛细管压力曲线有偏差，在技术上还要进一步的发展才能有更广泛的发展。

稠油资源在我国各大油田分布非常广泛，现在还没有一种测井方法能精确的对稠油进行描述、检测和分析，国际上用核磁共振测井评价稠油还处于探索阶段。精准的评价稠油将有非常好的前景。稠油在核磁共振上有独特的响应特征，因此可以通过核磁数据分析识别稠油。由于调油的粘度大，流动性差，泥浆侵入较浅(侵入带浅)，冲洗带孔隙中的稠油不易被泥浆代替，NMR计算的流体饱和度可信度较高。无论地层是亲水还是亲油，稠油的T2分布都和束缚水信号重叠，计算束缚水饱和度难度极大，并且使得用来评价中等粘度原油的SSM或DIFAN方法失效。由于稠油的Ta值小极化时间短，在双等待时间测井模式下的DSM方法也失去效果。目前的核磁共振测井仪器都因回波间隔较长，部分弛豫稠油核磁信号没有被记录，当稠油粘度高于1000cp 时，含氧指数会降低，使计算的地层孔隙度误差偏大。因此需要对核磁测井有新的认识，及寻找新的方法来提高核磁测井。

1.3 核磁共振研究目的及意义

测井的主要目的是进行地层评价，其核心内容如下：

第一：产液性质评价。主要是孔隙流体（油、气、水）成分的确定，可动流体（油、气、水）饱和度、不可动流体（残余油、束缚水）饱和度的计算。

第二：产层性质的评价。主要是孔隙度、孔径分布、渗透率、粒径分布，分选性、润湿性等的分析。

第三：油藏性质的评价。主要是沉积环境、构造特征、产层的连通性、储量、产能、开采价值等的评价。

常规的测井方法经过近80年的发展，已经有不同的测井系列可以解决上述的问题。孔隙度测井系列和电阻率测井系列可以分别用来进行产层孔隙度的估算和孔隙流体成分以及饱和度的评价。在比较理想的条件下这些方法取得的效果是不错的，但是实际影响这些常规测井方法的地层因素都很复杂，包括岩石矿物、骨架成分等与地层油气资源特征无关的因素，这就给我们的测井评价带来了严重的不确定性。而另一方面，常规测井响应方程对应的地层模型过于简单使许多与油气特征有关的因素不能被处理，无法满足我们对油气资源评价的要求。例如，在孔隙度测井系列中的多矿物体积模型中，不可能包含作为产层质量重要指标的孔径分布及渗透率参数（因为无论中子、密度、还是声波时差测井，对孔径分布及渗透率都不灵敏，无法分辨）。在电阻率测井中，微孔发育或者粒间水丰富情况下由毛管束缚水引起的低阻油层也经常被漏判。所以，地层模型的不完善，提供的油气参数不充分或者提供的参数与油气特征无关都会引起我们测井解释的低精度和多解性，使得常规测井技术在油气评价中受到了一定的限制。

核磁共振测井作为一种裸眼井测井新方法，有全新的理论和响应方程，其测量的是地层中自由流动流体中氢核的数量，所以在确定孔隙度时不受固体骨架的影响，确定饱和度不受地层水电阻率的影响，因而它能够为地层的油气评价提供独特的、可靠的、在许多情况下甚至是不可或缺的重要信息，这些信息包括：①与岩性无关的孔隙度；②毛管束缚水、泥质束缚水、可动流体饱和度；③渗透率；④可动流体中的油、气含量等。这些信息的获取和应用极大地改善了对地层油气评价的准确性、对储量计算的合理性、对产能预测的合理性，以及对油气田增产措施评价的可能性。固体骨架对核磁共振测井响应没有贡献，观测信号只来自于孔隙中的流体。而且，孔隙中的不同流体，如泥质束缚水、毛管束缚水、可动水、天然气、轻质油、稠油等，具有不同的核磁共振性质通过精心设计的观测模式，可有效地识别这些流体，并进行定量解释。核磁共振测井的应用在一定程度上能够解决常规测井方法中难以解决的问题。但是，无法直接应用核磁测井原始回波数据，必须对其进行反演得到T2谱再经过计算处理才能得到上有用息。而T2谱反演结果直接影响储层参数（如孔隙度、渗透率、孔径分布等）计算和流体别的准确性。因此，研究核磁共振T2谱反演技术是进行核磁共振测井解释和应用的基础关键，对其进行深入研究意义深远。

2 核磁共振的原理

原子核由质子与中子构成，质子带电，中子不带电，质子与中子统称核子。原子核的基本特性表现在所带的电荷与其具有的质量上。原子核的电荷数目取决于原子核中质子的数目，而核的质量则取决于核质子数与中子数之和。根据原子核的电荷与质量这两个特性，可解释原子核与周围粒子的强相互作用，如裂变、聚变等，但不能解释一些弱相互作用，如核磁共振现象。要解释核磁共振现象，就要了解原子核的另一个由内秉角动量产生的特性：自旋。原子核按有无自旋可分为：有自旋的原子核与无自旋的原子核。研究表明：所有含奇数个核子以及含偶数个核子但原子序数为奇数的原子核，都具有“自旋”。如H 1、F 19、P 31、Na 23等为有自旋的原子核。这样的核，自身不停地旋转。

在外加磁场中，犹如一个旋转的陀螺。有自旋的原子核才是核磁共振研究的对象，核磁共振测井中最常用的是氢核H 1[4]。

2.1 核磁矩与自旋角动量

原子核对外的效应可将原子核看作是一个具有一定质量与体积、均匀带电的球体。原子核的自旋等效于该球体的旋转。自旋的原子核引起绕核心沿旋转方向环行的电流，从而产生磁矩，称为核磁矩m μ，又称磁偶极子。在外磁场中m μ会受到力矩T 的作用。

根据力学的定义，某矢量相对于某个点或某个轴的作用称为矩，它等于矢量作用点到某点或某轴的矢量半径r 与作用矢量的矢量积原子核具有质量m ，自旋时具有速度v ，故原子核具有自旋角动量mv r P *=，这里r 为质量m 相对于原子核旋转轴的距离。由于核磁矩m μ与自旋角动量P 均由自旋引起，其间必有联系。可以证明，这个矢量是共线的，且成正比，即0P m γμ=式中γ为比例系数，称为旋磁（Gyromagneticratio ）。不同的元素，相应有不用的旋磁比，对H 1而言，这个值为42.58MHZ/Tesla 。

2.2 经典力学观点与量子力学观点

为了使核磁矩在磁场中的势能发生变化，或者说要使图2-1中μ与B 0的夹角θ发生变化，必须吸收能量，这可通过在与静磁场B 0方向相垂直的平面（x-y 平面）上加一个射频场来实现，射频场在时间上是交变的磁场t B B ωcos 211~=，因为：

t COS B B B B i ω2111~=+=-+ （2-1）

交变磁场1~

B 可分解为两个相反方向转动的旋转磁场t i c B B ω11=+和，其中B -

1同μ在B 0中的进动方向一致，而B 1+则与这一方向相反。

B 0中的进动方向一致，而B 1+则与这一方向相反。

为便于分析，引入旋转坐标系x’-y’-z’，它以角速度ω0相对于x-y-z 沿μ的进动方向转动(图2-la)。在旋转坐标系中，不绕z’转动，B 1-（也相对静止。正像在静磁场B 0作用下，μ在x-y-z 坐标系中绕B 进动一样，在x’-y’-z’坐标系中μ绕B 1-（进动，

进动角频率为11B γω=。其结果是使μ与B 之间的夹角θ发生变化（图2-lb ），同时μ的势能也发生变化。θ增加，势能增加，这个能量增量由外加交变磁场B 1（射频场）提供，交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲形式施加。

现代核磁共振技术都采用脉冲方法。当θ减小时，势能减小，将能量交给外加交变磁场，这种能量交换只有在交变磁场的角频率满足00ωγω==B 时才发生，此时μ与B 1-（绕Z 轴同步旋转。这一现象就是核磁共振，式00ωγω==B 就是共振条件，共振频率为0B γ。

图2-1 利用旋转坐标系分析B 1-

对μ的作用 （a ）旋转坐标系：（b ）μ在旋转坐标系中绕B 1-（同x’方向）做进动

根据量子力学的理论，核磁矩在磁场中只能取某些固定的方向，而不能取其它方向。例如对氢核例如对氢核H 1自旋量子数I=1/2，核磁矩只能有两个取向，即μ只能在两个可能的进动圆锥上进动（图2-2）。当μ在上面的进动圆锥上进动时（与B 0平行），相当于磁量子数m=1/2，处于低能态；当拼在下面的进动圆锥上进动时（反平行于B 0），相当于m=-1/2，处于高能态。外加磁场使核自旋的能级发生分裂。相邻能级之间的能量差为：

hB E E E m m γ=-=?--11 （2-2） 式中，h 为普朗克常数。

在X 轴方向上加一个交变磁场，如果其频率满足条件0B γω=，那么，处在上进

动圆锥上的核磁矩将吸收交变磁场能量而跃迁到下进动圆锥上来，即从低能态跃迁至高能态，反之若核磁矩从下面的圆锥跃迁至上面的圆锥，就会释放出能量。这样，用经典力学与量子力学两种观点均可圆满地解释核磁共振现象，所得共振条件也是相同的。

图2-2 核磁矩I=1/2的两个可能的进动圆锥

2.3 核磁共振测井的计算方法

动量矩mv r p *=核磁矩p γμ=（γ为旋磁比）。宏观磁化量：单位体积内核磁矩的和，称宏观磁化量M 。

∑=i M μ （2-3）

拉莫尔频率(Larmor )00B γω=B f 0021γπ

= （2-4） 核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应，每一种元素的原子核都有特定的自旋量子数，自旋量子数大于0的原子核在自旋时会产生磁场。由于量子特性，在外磁场B 0中，原子核只能有(2I+1)种取向(I 为原子核的自旋量子数)。从理论上讲，用核磁共振可测量任何有磁矩的核素。但氢在地磁场中具有最大的旋磁比和最高的共振频率，另外由于技术水平和测量灵敏度所限，当前实际投入应用的仪器仅限于测量氢核，氢核的自旋量子数I=1/2，2I+1=2，所以其在外磁场中仅有两个取向，即:顺磁场方向和逆磁场方向。氢核与电磁场的作用强度和方向可用一组核磁矩(M)的矢量参数来表示。在没有任何外场的情况下，核磁矩(M)是无规律地自由排列的。沿着磁场方向排列。当氢核的核磁矩处于外加静磁场中，它将受到一个力矩的作用，自旋系统被极化（M 重新排列取向），从而会像倾倒的陀螺绕重力场进行一样，绕外加磁场方向进动，进动频率（拉莫尔频率），ω0与磁场强度B 0成正比。原子核在外磁场中的运动(类似于陀螺在重力场中的进动)如图2-3。

图2-3 原子核在外磁场中的运动

在极化后的磁场中，如果在垂直于B0的方向再加一个交变磁场B0即射频脉冲，其频率也为ω0，将会发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩，通过吸收交变磁场提供的能量，跃迁至高能态，此现象称为核磁共振。

图2-4 核磁共振原理图

脉冲结束后，核磁矩摆脱了外加磁场的影响，而只受主磁场的作用，进行自由进动，磁矩力图恢复到原来的热平衡状态，这一从不平衡到平衡的过程称为弛豫。这个过程可以用两个弛豫时间来描述，即自旋-晶格或称纵向弛豫时间(T1)和自旋-自旋或称横向弛豫时间(T2)。T1反映磁化矢量的纵向分量恢复到初值的过程，它决定于受激自旋与周围晶格之间能量的传递速度。T2反映非平衡态磁化矢量水平分量衰减到零的过程，这种衰减来自于邻核局部场及静磁场的不均匀性引起的散相。

核磁驰豫会产生感应电流信息，即核磁共振信号。NMR信号的驰豫时间与氢核所处的周围环境密切相关，由于储层中的水和烃(油、气)分子结构中含氢量的不同，纵向驰豫时间T1相差很大，这意味着它们的纵向恢复速率很不相同，其物理含义是:水的纵向恢复时间比烃快得多。如果选择不同的极化时间，进行一系列的测量，就可得到衰减幅度不同的信号分布，就能分辨出油、气、水的信息。但在现场测井时，T1测量速度很慢，而且受界面影响严重，测量结果重复性差，而T2在现场却可以较快的速度获得较准确的结果，所以现在实际测井一般只测T2。测得的T2信息，通过信号处理技术，可将其转换为T2分布。

3 核磁共振测井的仪器

3.1 核磁共振测井的仪器的发展

核磁共振测井仪器的构想最早由Varian提出[5]，并进行了可行性研究。20世纪60年代，Chevron和斯伦贝谢合作研制出利用地磁场的核磁共振测井仪器（Nuclear Magnetism Logging-NML），并用于油田测井。但是这种仪器在使用上受到两方面的限制：第一个限制是仪器不但测量到来自地层流体的信号，而且还测量到来自井眼泥浆信号。为了消除来自井眼信号的影响，需要在井中加入磁粉来缩短井眼信号；第二个限制是在检测信号之前切断的直流电流需要很长的时间，造成仪器“死时间”很长，小孔隙的信号无法观测到，测量不到地层的总孔隙度。由于受到仪器“死时间”和井眼中的泥浆信号的影响，地磁场核磁共振测井仪没有被广泛使用。为了克服NML仪器带来地局限性，Jackson等人提出了利用永久磁铁在井眼之外的地层中产生一个环形的均匀磁场，即“Inside-out的概念，设计了基于反向磁体的核磁共振测井仪的方案。但是这种方案产生地均匀磁场区域太小，观测信号的信噪比很低。同时在操作过程中，环形的均匀磁场的位置和磁场强度是随时间变化的，当射频线圈调到一个固定的频率时，很难满足共振条件。1987年，Shtrikman和Taicher提出一种新的磁体与天线结构，克服了Jackson设计中的共振匹配问题，使核磁共振测井信噪比问题得到解决。Shtrikman和Taicher的设计后来进一步发展为Numar/哈里伯顿公司的磁共振成仪器（Magnetic Resonance Imaging Logging-MRIL）。MRIL仪器以人工梯度磁场和自旋回波CPMG脉冲序列为基础，观测地层孔隙流体中氢核的NMR信号，得到横向弛豫时间T2，使核磁共振测井进入实用化阶段。MRIL-B型仪器于1990年开始投入油田服务，并很快得到成功应用。1994年，Numar公司推出MRIL-C型双频核磁共振测井仪。至今，已推出了MRIL-B、MRIL-CMRIL-C/TP以及MRIL-Prime型四代仪器。MRIL-Prime仪器最多可以用9种不同的频率工作，做9个圆柱壳的观测，通过改变频率可以在各个圆柱间转换。9个圆柱壳的探测深度总变化为2.5cm。多频率工作方式可以测量总孔隙度，而在每一圆柱壳上使用不同的观测模式可以进行多参数数据采集，从而对地层流体进行识别和评价。实践证明，新的仪器提了测井速度和数据的信噪比。

1992年，斯伦贝谢公司的科学家Kleinberg等人设计了一种贴井壁测量的偏心型组合式核磁共振测井仪器（Combinable Magnetic Resonance–CMR）。CMR仪器的探测深度很浅，但纵向分辨率，采用贴井壁的测量方式受井眼泥浆矿化度的影响小。到目前为止，斯伦贝谢公司先后推出了CMR-A、CMR-200、CMR-Plus以及最新一代MRScanner电缆磁共振测井仪。MRScanner是一种具有多个测量频率、多个磁场梯度

的偏心型的测井仪器，共有三个天线，一个主天线和两个分辨率天线。主天线的测量频率从0.5MHz到1MHz，对应的磁场梯度从38到12Gauss/cm，纵向分辨率为18英寸，探测深度为1.5，2.3，2.7和4.0英寸。两个分辨率天线操作频率为1.1MHz，对应的磁场梯度是44Gauss/cm，探测深度为1.25英寸，纵向分辨率达到7.5英寸，可以进行薄层评价。多个探测深度可用于研究泥浆侵入剖面的变化。贝克休斯公司最初使用Numar/哈里伯顿公司的MRIL仪器，2003年，自主研制了MRExplorer（简称MREx）仪器，该仪器采用多个测量频率，多磁场梯度，偏心贴井壁测量方式。仪器操作频率从400到800kHz，每种频率的带为12kHz，相邻的两个频率的间隔最小为25kHz。探测区呈120°的圆弧形，与居中型MRIL仪器相比，虽然探测区较小，但探测区靠近仪器的天线，使得射频信号较强。仪器的探测深度随操作频率而定，频率越低，探测越深，MREx从井壁算起，探测深度在2.5到4.5英寸之间，这种探测深度可避免井壁不规则对测量结果的影响，并减少了泥浆侵入的影响。偏心贴井壁测量方式，不仅避免了来自于井眼信号的干扰，而且可以在斜井或水平井中进行测量。斯伦贝谢公司的MRScanner和贝克休斯公司的MREx核磁共振测井仪器的共同特点是采用多频率、多个磁场梯度，一次测井可采集多个等待时间（TW）和多个回波间隔（TE）下的许多组自旋回波串数据，可以进行二维核磁共振测井，提了储层流体识别和定量评价的效果。前苏联早在60年代就开展了核磁共振测井研究，到了80年代，俄罗斯研制出利用地磁场的核磁共振测井仪器，并投入油田使用。在俄罗斯的许多油田，核磁共振测井被列为必测项目，它已成为重要的勘探测井方法和有效的开发测井手段。

中国从1996年开始引进西方的核磁共振测井仪器。在此之前，俄罗斯的早期核磁共振测井仪器在中国做过介绍并在一些油田进行了现场试验。中油测井技术服务有限公司（CNLC）和华北测井公司最早引进了Numar/哈里伯顿公司的MRIL-C型核磁共振成测井仪器。到目前为止，我国各测井公司陆续从哈里伯顿和贝克休斯引进了约46套核磁共振测井仪器，另外还有斯伦贝谢的3套CMR和1套MRScanner在中国境内服务。“十五”期间国家科技部把研制核磁共振测井仪器列入国家重大攻关项目。2006年，中国石油天然气集团公司科技发展部将多频核磁共振测井仪研制列为重大仪器专项课题。这些工作的开展对中国尽早研制出具有自主知识产权的核磁共振测井仪器必将起到推动作用。

3.2 MRIL—Prime仪器介绍

MRIL—Prime仪器主要由3部分组成：探头分MRSN—D；电子线路部分MREC—D；电容部分MR．CC—D(能量储存)。另外还有一个泥浆排斥器，多个居中及扶正器，MRIL一Prime仪器探头主要由长度为6in的强永久磁铁和天线构成。磁体由众多小磁畴(偶极子)组成，从横截面上看，NS极水平平行摆放，由此在径向方向建立起一个梯度磁场。在设计上要求磁体产生的静磁场B0与射频线圈产生的射频

场B1在任何地方都互相垂直，此时，两个磁场的等场强度线都是同心柱壳，在径向方向都服从平方反比率。B0与B1正交是获得最大信号的关键。而在存在磁场梯度的空间区域，根据Larmor频率确定的共振条件，可以通过改变射频电磁波的中心频率来选择观测区域。MRIL以自旋回波技术为基础的。回波是重聚的NMR信号，它作为90°脉冲之后180°脉冲重聚作用的结果，在原始NMR自由感应衰减信(FID)消失较长的一段时间后才出现，而且，能够通180°射频脉冲串一个接一个地多次重聚，由此得到一个自旋回波串。

图3-11 MRIL—Prime仪器示意图

4 MREx回波信号生成处理技术研究

4.1 MREx核磁共振测井仪器简介

MREx核磁共振测井仪器是贝克休斯公司推出的新一代核磁共振测井仪，它采用偏心测量的方式工作。MREx仪器由磁铁和天线两部分组成，图4-1为MREx天线和磁铁设计横截面示意图。两块磁铁的极性一致，既能迫使磁场方向转入地层，又能保证B0和B1场垂直。MREx天线是由两组平行放置的、磁场极性一致的线圈组成，一组为负责脉冲信号发射和回波信号接收的天线，另外一组为降低井眼泥浆信号影响的扰流天线。MREx仪器工作时探测灵敏区为横截面为120°的扇形壳，如图4-2。

图4-1 MREx天线和磁铁设计横截面示意图[6]

图4-2 MREx探测区域示意图

该仪器可用多达12个的频率进行工作，频率范围在450～880kHz。频率越高，探测区域离井眼越近，MREx仪器的探测范围在2.6～4.5in之间。同时，工作频率的

带宽决定了扇形壳探测区域的厚度，MREx仪器各个频率带宽为12kHz，所以，每个扇形壳的厚度为0.06in。相邻两个频带主频间距为25kHz，对探测区深度的选择更加灵活。

MREx仪器跟其他核磁共振仪器一样，采用CMPG脉冲序列，不同的是脉冲序列中的原180°脉冲的扳转角改为了135°。同时，为了补偿振荡噪声和系统振铃，MREx 仪器采用PAPS交替相位对观测，每对相位对中90°脉冲的相位相差180°，如图4-3。

MREx采用高度简化的模块化控制，设置了针对不同地层的观测模式[7]。对于粘土、束缚水、毛管束缚水信息的获取采用多次独立观测，累加综合处理，提高了信噪和计算精度。仪器的总长为25ft，对井斜的要求小。在6in井眼中，可以通过17°/100ft 的造斜段。此外，该仪器可耐高温，温度上限是204°，功率小于700watts，可以使用的条件更广。

图4-3 MREx仪器采用的 PAPS 脉冲序列对

4.2 MREx数据采集观测模式

MREx核磁共振仪器提出目标定向数据采集包（OOA，Objective，Oriented，Acquisition）的概念，一次观测可以采集到多组CPMG回波序列。这些回波串的采集参数针对储层中烃的类型和地层岩石特性而设计，测量更具有针对性。MREx设计的几种固有的测量模式的采集参数设置见表3-1，典型的测量模式是PP模式、PP OIL 模式和PP GAS模式三种（早期版本分别称为FE、FE+OIL和FE+GAS）。

表4-1 MREx 核磁典型观测模式采集参数设置

4.2.1 PP 、PP Basic 观测模式

PP Basic 和PP 同属地层评价模式，用于获得地层T 2谱分布和基本参数，如总孔隙度、有效孔隙度、粘土束缚水、毛管束缚水、可动流体及渗透率。

PP Basic 观测模式采用三个不同的频率观测，f 1的频率最高，f 2、f 3依次降低。测量结果包括7组回波串，每组回波串的回波间隔一样（标准为0.6ms ），但工作频率、等待时间，回波串长度不同（回波串长度为回波间隔和回波个数的乘积），采集模式见图4-4左。1组是完全极化的T 2谱测井，2组、7组是部分极化的粘土束缚水CBW 测井，3组、4组、5组、6组代表部分极化的毛管束缚水BVI 测井。各组回波的采集参数见表4-2。对于2组和7组的CBW 测井，在每个观测时窗内重复观测12次，得到相位角交替变换的回波串。 观测模式 频率设置 回波间隔 等待时间

测井目的

组

数

频率序列 组数 时间(ms) 组 数 时间（s ） PP 6 12，4，8，10，2，

6或11，3，7，8，

1，5 1 0.4-0.6 (0.6) 1 ≥4.434 物性参数评价

PP Gas 6 12，10，8，6，4，

2 1 0.6 4 TWS≈1 TWL≥11.097 气层评价

PP Oil 3 12，10，8或

11，9，7或12，9，

6

或12，8，5 3 0.6，1.5，2.1 2 TWS≈1 TWL≥4.209 轻质油层评价

PP Heavy

Oil 6 12，10，8，6，4，2 5 0.6，2.0，3.5， 7，8 2 TWS≈1 TWL≥3.307 稠油储层评价

PP Basic 3 12，10，8或

11，9，7或6，4，

2 1 0.6 1 ≥2.434 物性参数评价

BW 2 12，10 1 0.6或0.5或

0.4 1 ≥1.199 束缚水评价

图4-4 PP观测模式回波串组及频率分配示意图

PP观测模式与PP Basic观测模式不同的是它采用6频观测。PP观测模式共由14组回波串组成，后7组回波串是对前7组回波串的重复，只是采用的频率不同（见图4-4右）。PP模式和PP Basic模式采集参数见表4-2。

表4-2 PP Basic观测模式的采集参数

回波序列工作频率

（kHz）

等待时间

（ms）

回波间隔

（ms）

回波个数采集时间

（ms）

叠加次数

NS

T2类型

#1 795 3450 0.6 833 500 1 T2 #2 795 30 0.6 16 10 12 CBW #3 555 3450 0.6 50 30 1 BVI #4 664 3450 0.6 50 30 1 BVI #5 555 100 0.6 50 30 1 BVI #6 664 100 0.6 50 10 1 BVI #7 664 30 0.6 16 10 12 CBW 4.2.2 PP Oil观测模式

PP Oil观测模式的目的是油层评价。油层评价主要是利用油水极化的时间和扩散差异，选择不同的回波间隔、等待时间和磁场梯度，组合得到位位移谱、差谱识别储层流体性质。PP Oil观测模式采集得到三种不同等待时间和回波间隔下的CMPG回波串，对观测信息进行处理分析，就能得到地层孔隙及孔隙流体性质信息。

图4-5 PP Oil观测模式回波串组及频率分配示意图

PP Oil观测模式采用三个频率观测，观测得到13组回波串，各回波串的工作频率见示意图4-5，采集参数见表4-3。三个频率中，f1频率最高，f2、f3频率依次减小。3组回波串的等待时间为第一等待时间（最长为5s），回波间隔为第一回波间隔（最小为0.6ms），回波数目最多（833）。该组是完全极化T2谱测井，用于孔隙度计算。7组等待时间变为第二等待时间（1s），回波间隔和回波数目跟3组相同。3组和7组进行组合，就可以进行差谱分析。同样，也可以选择1组和5组，只不过这1组和5组的回波间隔大（2.1ms），回波个数也少（238）。

PP Oil模式对扩散特性的观测采用了新的手段。原有的扩散分析改变的仅仅是回波间隔TE。MREx是将G?TE的乘积进行改变，选择高频（高磁场梯度）与最长的TE结合，使扩散差异最大化。MREx三个不同回波串的频率可以在12个频率中选择，频率不同，磁场梯度不同，相应的TE也不同，组合起来便可以反映除了重油以外几乎所有油气层与水层之间足够明显的扩散差异。例如表3-3中，最高频率876kHz，磁场梯度约为33.5Gs/cm，回波间隔2.1ms，G·TE=70.4Gs?ms/cm。另外两组的G·TE 分别为35.7和17.0Gs?ms/cm，三者的比值约为4：2：1。

3组、9组、1组等待时间均为第一等待时间，回波间隔TE分别为0.6、1.5、2.1ms，也可以选择其中的任意两组的T2谱都可进行位移谱分析。7组和5组等待时间相同（1s），回波间隔TE分别为0.6ms、2.1ms，也可以可做位移谱分析。

2、4、6、8、10组是对粘土束缚水部分的观测。它们的采集参数完全相同，等待时间为30ms，回波间隔为0.6ms。在500ms的时间窗口里记录12个回波串。11、12、13组是对毛管束缚水部分的观测。它们回波间隔均为0.6ms，等待时间分别为50ms、100ms和200ms，记录回波串的个数分别为8、4、4。

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