MREx核磁共振测井数据处理解释系统研发及应用

2015-05-09张宫何宗斌樊鹤唐子涵

测井技术 2015年5期

张宫, 何宗斌, 樊鹤, 唐子涵

(1.中国石油勘探开发研究院, 北京 100083; 2.北京大学地球与空间科学学院, 北京 100871; 3.长江大学地球物理与石油资源学院, 湖北武汉 430100; 4.中海油田服务股份有限公司, 河北三河 065201; 5.新疆塔里木油田勘探开发研究院, 新疆库尔勒 841000)

0 引言

MREx核磁共振测井仪器根据测量目的不同有多种测量模式,每种测量模式都有采集多组回波串数据。以该仪器的PP OIL测量模式为例,1次下井可以采集13组回波串,通过组合和反演能够得到2种等待时间、3种回波间隔共5组T2谱数据[1]。该仪器采集得到的信息不仅可以用来计算得到地层的孔隙度信息、渗透率信息,还可以同时得到储层中流体性质信息。仪器在中国一些复杂储层的流体识别、低电阻率油层识别中发挥了重要作用[2]。MREx经过测量模式的优选和解释处理方法的改进,使该仪器能够很好地识别气层、轻质油层、低电阻率低渗透率油气层等[3]。MREx提交的测井数据格式为XTF格式,现场提供的数据中仅包含原始回波信息和现场快速处理的各组T2谱信息,通常只能作为参考而不能被最终的测井解释使用。室内数据处理解释主要依靠国外的eXpress软件进行处理,中国鲜见处理该仪器数据的测井软件。在详细分析了MREx测井原理、数据结构及处理方法后,在CIFLog一体化测井解释平台上开发了一套MREx核磁共振测井数据处理与解释系统,即CIFLog-MREx系统。该系统算法核心采用C#语言编写,交互界面及图形绘制由CIFLog底层平台提供,能够运行在主流Windows平台上。跟国外同类软件相比,具有操作方便、处理速度快等特点,提高了MREx核磁测井数据处理与解释的效率。软件测试对比和实际使用表明,其处理效果已经达到国外公司软件同样水平。

1 MREx型核磁共振测井数据处理方法

1.1 MREx测井数据解析

MREx核磁共振测井数据分为文件头块和曲线数据体块。文件头块由8个记录组成,记录井场参数、曲线深度、数据维度、数据类型和采样点数等信息。曲线数据体块由曲线头块和曲线数据块组成,格式相对固定[4]。MREx核磁共振测井数据与常规测井数据记录方式的不同之处在于数据被打包记录在结构曲线里,数据体存储格式为无符号的单字节。1条结构曲线记录的是特定频率、回波间隔和等待时间参数测量得到的回波串信息。1个XTF文件通常有13条或14条不等的结构曲线;结构曲线的个数和观测模式有关。结构曲线数据由结构数据与结构说明2部分组成,结构信息说明通常由多个表组成(见表1)。

表1 XTF结构说明信息表

除了解析XTF数据文件中的曲线外,还要通过采集参数从结构曲线中提取各组信号的正交回波信号数据。以PP OIL观测模式为例,在解析出13组结构曲线后还需要从13组结构曲线中解析出每组信号的2道正交回波信号EX、EY和对应的深度曲线Ed。

1.2 回波信号生成

回波信号的生成一般分为2种:第1种,如果原始结构数据为CRKO**XX,则需要进行相位角计算、旋转处理、各种校正和刻度转换处理;第2种,如果原始结构数据为PCKO**XX,则只需要进行叠加和刻度转换2个步骤。因此,需要根据实际数据的情况对数据进行正确的处理。

1.2.1 PAPS处理

核磁共振测井仪器中的天线磁场强度大,对地层施加交变磁场时产生震荡电流,而天线本身又是测量线圈,由于电磁感应,交变磁场的残余信号会夹杂在测量的回波信号中,称为振铃效应(Ring)。处理时要通过PAPS技术消除该影响。MREx仪器2次测量的相位分别是180°和90°(已经做了反相处理),对应的信号分别为

E1=Xsignal+Xringing+Xoffset

E2=Xsignal+Xringing-Xoffset

(1)

式中,Xsignal为真实回波信号值;Xringing为振铃噪音;Xoffset为系统偏移。实际资料处理时,需要通过信号计算

Es=(E1+E2)/2

(2)

1.2.2 相位角计算

实际计算中,不能直接从观测得到的2个道正交信号EX、EY计算得到信号的幅度,而是先要计算正交相位角。由于噪声的存在,单个回波计算的相位角是不准确的,需要将n个回波累加得到,有

(3)

其中,EX、EY是正交信号;n是计算相位角所用的回波个数。对于MREx数据,回波串累加的范围是2≤n≤16,孔隙度大的储层n值可以适当放大。

1.2.3 旋转处理和数据叠加

核磁共振测井数据记录的是2个道正交信号,想要得到最终的回波串信号,需要进行旋转处理。利用式(4)可以得到信号道和噪音道,即

Es(i)=EY(i)cosφ+EX(i)sinφ

En(i)=EY(i)sinφ+EX(i)cosφ

(4)

式中,φ为相位角;Es为回波信号,用于反演T2谱;En为噪音信号,可以用来估算噪音,反映测井质量。

为提高回波信号的信噪比,需要对回波串进行叠加,尤其是对黏土束缚水信号和毛细管束缚水信号。需要注意的是,叠加虽然可以提高信号的信噪比,同时也会带来地层分辨率的损失。叠加强度需要根据实际数据情况进行,并不是越强越好。

1.2.4 深度转换与组合

核磁共振测井信号的采集记录在时间域,要得到最终的回波串数据,必须将数据从时间域转换到深度域。MREx核磁共振测井仪器在采集回波串数据的同时保存了1条对应的深度曲线Ed用来标定该回波串数据的深度。深度转换便是根据这条曲线将各组回波沿着深度变化的方向进行转换。

虽然MREx测井的观测模式相对简单,但是每种模式下仍有10道以上的回波信号。这些回波信号中有的回波频率不同,其他参数均相同,称之为同组回波信号。通常,需要将同组回波信号进行组合,生成统一的标准回波信号,进一步提高信噪比。其中较为重要的组合包括标准回波组EA、短等待时间组EB、长回波间隔组EC、黏土束缚流体组EP。

EA标准回波组需要反映地层中的所有流体信息,因此,要求等待时间最长(5 s以上);回波间隔最小(0.6 ms);回波个数最多(大于500个)。这组信号反演之后得到的标准T2谱可以用来计算有效孔隙度、可动孔隙度等参数。

EB回波组要求回波间隔与EA标准组回波间隔一致,等待时间较短(1 s左右);这组回波信号可与标准组回波联合使用,生成差分谱信号,用于油气识别。

EC回波组要求等待时间与EA标准组基本一致,但回波间隔加大(1.5 ms或2.1 ms)。该组信号可与标准组联合使用,得出位移谱或进行扩散分析,用于油气识别。

EP黏土束缚流体组采用很短的等待时间(20～30 ms)和很短的回波间隔进行采集。黏土束缚流体信号衰减很快,只需要用较少的回波个数进行前端信号的测量。这组数据测量时间很短,可以在1个测量周期内进行多组测量,因此,信噪比较高。

1.3 回波串组合与T2谱反演

T2谱反演是核磁共振成像测井资料处理的关键步骤,反演结果的好坏直接影响后续参数计算及油气分析的准确性。理论上,回波信号都是多种弛豫组分的总体效应,其数学表达式为

(5)

式中,Yt是t时刻对应的回波信号值;Pi是特征弛豫所占的比例;T2,i是横向特征弛豫时间;m为划分的T2组分数。由式(5)求出Pi的过程就是T2谱反演,数学上是求取超定方程的最优非负解的过程。国内外很多学者在T2谱反演方面进行了大量的研究工作,其中比较重要的几种方法分别是奇异值分解法、模平滑法、SIRT法、基于联合反演法等。每种方法都有各自的特点和适用范围,不论何种方法都需要提供2个重要参数:T2布点方式及个数、T2谱平滑因子。研究表明,T2布点方式采用从0.1～10 000 ms数量级按照对数均匀分布比较合适,一般情况下布点数目取16以上就可以满足需求;平滑因子则保证了T2谱的平滑程度,一般与信噪比相关。本文借鉴前人的研究成果和思路,在软件中提供了包括奇异值分解(SVD)在内的多种反演方法供用户选择。

SVD算法可求解大多数的线性最小二乘法问题。SVD算法基于分解定理对任意矩阵Am×n可以分解为正交矩阵Um×m和非负对角矩阵Dm×n及正交矩阵Vn×n的转置的乘积,即

Am×n=Um×m×Dm×n×Vn×nT

(6)

其中,D为对角矩阵;U、V为正交矩阵。对于多指数衰减T2模型,有

Y=M×P

(7)

其中,Y为测量的自旋回波衰减信号;M=[e-t/T2,i]n×n;P为待求T2谱幅度值。对M进行奇异值分解得到U、D、V,D为对角矩阵,其对角元递减排列可以求得最小二乘意义下的解

(UT·Y)

(8)

SVD法在这里给出了矩阵条件数小于等于SNR的限制,避免了解的不稳定性。

1.4 储层参数计算

通过以上步骤得到T2谱。通过T2谱可以计算得到储层孔隙度及渗透率信息。孔隙度是对T2谱的不同部分进行积分得到的,其中总孔隙度是对T2反演时布点的最小及最大值之间的部分进行积分。可动流体孔隙度的计算需要输入一个重要的参数T2截止值(一般砂泥岩储层取33 ms,碳酸盐岩储层取90～100 ms)。核磁共振孔隙度计算公式

(9)

(10)

(11)

式中,φt是总孔隙度;φe是有效孔隙度;φf是可动流体孔隙度;S(T2)是T2分布函数(实际计算时,可以根据需要选择标准T2谱或者是拼接后的总T2谱),T2,min是T2谱布点的最小值,T2,max是T2分布布点的最大值,T2,C是束缚流体与可动流体T2截止值,T2,CC是黏土束缚水和毛细管束缚水T2截止值。

利用核磁共振测井进行渗透率的估算主要使用2个模型:SDR模型和Timur/Coates模型。其中SDR模型主要考虑了平均弛豫时间和核磁共振的有效孔隙度,计算公式

K=A(φe)C(MT2,L)B

(12)

式中,K是渗透率;MT2,L是核磁共振T2谱的几何平均值;A、B、C是该模型的系数(渗透率乘积因子、T2谱几何平均值指数因子、C是孔隙度指数因子)。

Timur/Coates模型

K=A(φe)C[φf/(φt-φf)]D

(13)

式中,D为可动束缚流体孔隙度比指数。

2 处理与应用效果

程序编写过程中首先对数据处理流程进行了分析,把整个处理步骤分为3部分:预处理、T2谱反演、解释处理。其中,预处理部分完成数据解析及回波信号生成功能;T2谱反演部分主要提供多种反演方法;解释处理部分提供储层参数计算等功能。

2.1 预处理效果

图1是数据预处理后得到的回波串结果。第2道是标准回波信号,即等待时间最长、回波间隔最短、采集个数最多的回波组合而成;第3道是部分极化回波信号,即等待时间较短、回波间隔和标准组一样的回波组合而成;第4道是长回波间隔组回波信号,由等待时间与标准组一样而回波间隔较长的回波组信号组合而成;第5道是差分组回波信号,由标准组和短极化时间组回波信号进行相减而得到。

图1 数据预处理效果

2.2 T2谱反演效果

图2是T2谱反演处理得到的结果。由图2可以看出,用本文研发的软件处理得到的T2谱曲线与eXpress软件处理得到的结果形态基本一致。

图2 T2谱反演效果与对比

2.3 参数计算结果对比

图3 参数计算效果与对比*非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

图3是储层参数计算结果。图3中第1道是深度;第2道是本文研发的系统处理得到的T2谱曲线;第3道是eXpress软件处理得到的T2谱曲线;第4道是本文处理得到的核磁孔隙度曲线;第5道是eXpress软件处理得到的孔隙度曲线;第6道是本文和eXpress处理得到的渗透率曲线(棕色的是本文得到的渗透率曲线,蓝色的是eXpress软件处理得到的渗透率曲线)对比。从处理结果可以看出,本文和eXpress软件处理的孔隙度和渗透率参数信息基本一致。在孔隙度曲线细节上本文处理得到的曲线纵向分辨率更高一些。