第四讲核磁共振测井

《测井新方法》第四讲：核磁共振测井MRIL-Prime张元中中国石油大学（北京）资源与信息学院测井研究中心[e-mail];[e-mail]主要内容1、核磁共振测井的发展历程2、NMR物理基础3、MRIL仪器原理4、仪器结构、指标和使用条件5、采集的信息及用途6、典型应用案例1、核磁共振测井的发展历程医学核磁共振成像MRI（MagneticResonanceImaging）核磁共振成像测井MRIL（MagneticResonanceImagingLogging）1、核磁共振测井的发展历程1946Purcell和Bloch各自独立的进行了第一次NMR试验，成功的观察到核磁共振现象；1949Varian观察到地磁场中的核自由进动；1950Hahn提出了自旋回波核磁共振试验方法；1952Purcell&Bloch因为观察到NMR现象的突出成就而获诺贝尔奖；1954Carr&Purcell提出了CPMG脉冲序列，并且进行了扩散测量；1956Brown和Fatt对砂岩样品进行了NMR测量，发现砂岩中的NMR衰减明显比自由流体快；1960Brown&Gamson设计了第一个基于地磁场的NMR测井仪样机，并进行了现场测试；1967Seevers观察到岩石核磁共振弛豫速率与岩样渗透率之间的关系；1969Timur提出了自由流体指数概念以及由NMR测量渗透率和含水饱和度（Sw）以及束缚水饱和度(Wsirr)的方法。1、核磁共振测井的发展历程1978Schlumberger把基于地磁场的第一代商用NML投放市场；1978Jackson申请了基于自旋回波的NMR测井仪器，提出了inside-out概念；1988NUMAR设计了基于脉冲回波的核磁共振测井样机（MRIL）；1990NUMAR的MRIL仪器投入商业服务；1994NUMAR的MRIL与Atlas的5700系统组合成功；1995NUMAR推出多频的MRIL-C型测井仪器，并提高了测井速度；SLB推出商用的仪器CMR；1996NUMAR与SperrySun合作，研制MRIL-LWD1997NUMAR被HES收购；1998HES推出MRIL-Prime;1999推出MRIL的LWD样机；。。。。。。NMR测井仪器的发展MRIL1996:TotalPorosity&EffectivePorosity&FreeFluid0.5100101.01,000T2msNML1970:FreeFluidOnlyMRIL1990:EffectivePorosity&FreeFluidMRIL1998:PrimeTool1999:LWDprototypeforMRILClayBoundWaterCapillaryBoundWaterFreeFluidPorosityφSaturationSwPermeabilityKφNeutronφDensityRtSw60%waterSw40%oil40%Sw60%oil+waterSwRwRt=φ2Whatwillthereservoirproduce?Formation为什么要进行NMR测井？PorosityφSolidsComplexmineralogyFormationmodelWaterporosityφwFormationmodelComplextextureClayboundCapillaryboundFreewater为什么要进行NMR测•总孔隙度•有效孔隙度•孔隙尺寸分布岩石特性流体特性精确确定储层的生产能力•粘土束缚水•毛管束缚水•自由流体指数•探测烃•探测烃类型NMR测井直接给出岩石特性和流体特性2、NMR物理基础z核磁共振的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用。z原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，统称为核子。z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，都具有内秉角动量（“自旋”）。这样的核自身不停地旋转，犹如一个旋转的陀螺。z1H,13C，19F，23Na，27Al等。NMR测井主要探测的原子核是氢核（H1）。ProtonH2、NMR物理基础z原子核带有电荷，自旋将产生磁场，像一根磁棒，该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示，即：为原子核的磁矩；为自旋角动量；为原子核的旋磁比，是磁性核的一个重要性质。pμγ=μpγHydrogenNS2、NMR物理基础当没有外加磁场时，单个核磁矩随机取向，包含大量同种核的系统在宏观没有磁性。2、NMR物理基础BoLarmorPrecessionfreq.=4258HGausszBo单个自旋在外加磁场中的行为当一个力矩作用于自旋物体时，该物体的旋转轴绕垂直于力矩的方向运动，称为进动。质子处于外加静磁场中Bo（静磁场）时，将绕B0进动。进动频率由Larmor（拉莫尔）方程确定，即：为外加磁场的强度；为旋磁比。由于不同的原子核，其值不一样，在相同的外加磁场中，不同原子核的进动频率也不一样。同一种原子核，在不同强度的磁场中，其进动的频率也不同。ooBωγ=oBγ2、NMR物理基础梯度磁场z均匀磁场：强度与空间位置无关z梯度磁场：强度与空间位置有关。zLamor频率是Bo的函数。如果B0与位置关，那么Larmor频率就是原子核位置的函数。这是MRI和MRIL的测量基础。zMRI和MRIL均提供梯度磁场。zMRIL仪器采用一个静态梯度磁场，强度与径向距离有关。因此MRIL的探测范围的空间位置由仪器提供的Lamor频率决定。BoLarmorPrecessionfreq.=4258HGausszBo2、NMR物理基础z在外加磁场B0的作用下，整个自旋系统被磁化，使核磁矩排列有序，宏观上产生一个净的磁矩矢量和M0。单位体积内核磁矩的和叫做宏观磁化矢量M。z这个过程在NMR测井中叫做“极化（Activation）”。z核磁共振的测量对象就是宏观磁化矢量及其变化过程。宏观磁化矢量oB2πγ=fSinglespinzyxμBofBoyxzHighenergyLowenergyManyspinsz对于被磁化后的核自旋系统，在垂直于静磁场的BO方向再加一频率为的交变磁场，根据量子力学的原理，核自旋系统将发生共振吸收现象，即处于低能态的核磁矩将吸收交变电磁场提供的能量，跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。z交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲的形式施加。现代核磁共振技术都用脉冲方法，工作频率大多在射频段（RF），这样的脉冲电磁波叫做射频脉冲。oωω=2、NMR物理基础弛豫，横向弛豫时间，纵向弛豫时间z在射频脉冲施加以前，核自旋系统处于平衡状态，宏观磁化矢量M与静磁场B0方向相同。z射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向。z射频脉冲作用结束后，磁化矢量将通过自由进动朝B0方向恢复，使核自旋从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态。z恢复到平衡态的过程叫做弛豫。z非平衡态磁化矢量的水平分量（横向分量）衰减至零的过程称为横向弛豫过程，弛豫速率用来表示，叫做横向弛豫时间。z磁化矢量Z方向的纵向分量恢复到初始磁化强度的过程，称为纵向弛豫过程，弛豫速率用表示，叫做纵向弛豫时间。xyM21/T2T11/T1T当质子在外加静磁场中定向排列以后，称为被极化。极化是随着时间常数逐步实现的，该时间常数为T1。T1弛豫曲线表示质子的恢复曲线，T1是磁化矢量达到昀大值63%时的时间，3T1是磁化矢量达到95%时的时间。3T1,Polarize95%0.951.00PolarizationTime/T1M(t)/M(0)0234M(t)/M(0)=1-exp(-t/T1)100.20.40.60.81012345678910t(seconds)3*T1=Tw95%Polarization%PolarizationGasLightOilWater1-e-t/T1油、气、水具有不同的T1时间2、NMR物理基础脉冲扳转z脉冲是指能将磁化矢量扳倒的射频脉冲。z射频脉冲作用时间，常称为脉冲宽度。不同脉冲宽度组成的序列，称为脉冲序列。z为脉冲扳倒角，与施加给自旋系统的能量成正比。z90。将磁化矢量从纵轴方向扳倒到与和都垂直的轴上。z180。脉冲可使磁化矢量扳倒，即能使磁化矢量反转。P90δ1P180δ2pt11oppBttθγω==B1fB1HighenergyLowenergyzyxBoff0脉冲扳转是使磁化矢量从纵向到横向平面，通过施加一个与静磁场B0相垂直的交变磁场B1来完成，其频率为Lamor频率。其实质为质子吸收能量，从低能态跃迁到高能态。脉冲扳转角取决于交变磁场B1的强度以及作用时间（脉冲宽度）。核磁共振测井的B1磁场是一个交变磁场，主要由90。脉冲和180。脉冲构成。MMMMθfMMMθ=90°fMMMθ=180°f90°pulse180°pulseB1Pulseangleθ=γB1tptp90°pulse90°pulseFIDTime2、NMR物理基础自由感应衰减z当B1磁场关闭时，质子相互之间的进动不在同相（散相），净磁化矢量减小。z测量横向磁化矢量的接收线圈将检测到一个衰减信号，通常为指数型，为自由感应衰减信号（FID）。FID的时间常数很短，只有几十毫秒。zFID由磁场的非均匀性（由磁场梯度和在测量物质中某些分子进动而引起）引起的。由于Bo磁场的非均匀性，不同位置的质子将以不同的Lamor频率进动，产生快速的FID衰减。2、NMR物理基础自旋回波测量z由B0磁场的非均匀性引起的散相可以扳转恢复，当施加180。脉冲B1时，水平面上的质子磁化矢量可以再次同相。z如果横向磁化矢量有相位角a，则是加一个180。脉冲B1将使相位角变为-a，则横向磁化矢量的相位被扳转，相位上较慢的矢量在较快的矢量前面，较快的矢量追赶较慢的矢量，结果使相位重聚，产生一个接收线圈中可以探测的信号，这个信号就叫做自旋回波信号。z如果在90。脉冲和180。度脉冲消耗的时间为TAU，那么在180。脉冲和自旋回波峰之间也需要消耗TAU时间，重聚时间等于散相时间。自旋回波出现在2TAU，定义为回波间隔TE（TE=2TAU）。90°180°Time(ms)0τ2τFIDEchoTime(ms)123451、首先施加一个90。脉冲；2、90。脉冲停止，散相开始；3、在时间TAU内，施加一个180。脉冲使相位角扳转，开始相位重聚；4、相位继续重聚；5、重聚完成，在时间2TAU内产生一个可测量信号（自旋回波信号）。2、NMR物理基础单个自旋回波衰减非常快，可以重复施加180。脉冲以重聚磁化矢量，产生一系列自旋回波，记录一组回波串。自旋回波在每对180。脉冲的中间形成。TE是相邻的两个回波峰值之间的时间。NE为回波数。一个90。脉冲后面跟一系列180。脉冲，称为CPMG脉冲序列（Carr、Pucell、Meiboom和Gill的名字命名），是NMR测井主要的脉冲序列。Time(ms)2τ4τ6τ8τ90°180°180°180°180°TE050100150M0Time(ms)200Mx(t)=M0e-t/T2CPMG脉冲序列可以用来抑制B0的非均匀性而引起的散相。分子作用和扩散引起的散相是不可恢复的。一旦发生，质子不能完全重聚，CPMG自旋回波串将会衰减。NMR测井量CPMG序列的自旋回波幅度，以检测横向磁化矢量衰减以及不可恢复的散相。T=0时Mo即为横向磁化矢量的幅度。地层的T2衰减谱包含了绝大多数地层的岩石信息。M0RFpulseB1Time(s)EchotrainTWTime(s)PolarizationTETE在一个CPMG脉冲结束以后，质子就完全随机化。要想开始下一个CPMG，必须对质子重新极化，在第CPMG结束和下一个CPMG开始，需要有一个等待时间TW。典型的NMR测井脉冲序列包含若干个CPMG脉冲序列。上图描述2个CPMG，下图表示极化事件（T1弛豫曲线），并描述与两个CPMG对应的自旋回波串（T2衰减曲线）T1，T2弛豫时间常数简单的NMR测井极化实际的NMR测井中，TW、TE、N