D-T2二维核磁共振测井技术发展现状综述

崔海标，陆　凡，李　鑫，于苏浩，陆　川，王利花，夏　阳，李兵刚，肖　晶（中国石油长庆油田分公司第五采气厂，内蒙古乌审旗　017300）



D-T2二维核磁共振测井技术发展现状综述

崔海标，陆凡，李鑫，于苏浩，陆川，王利花，夏阳，李兵刚，肖晶
（中国石油长庆油田分公司第五采气厂，内蒙古乌审旗017300）

摘要：面对日益复杂的勘探对象，一维T2谱核磁共振测井技术在流体识别中面临越来越多的困难，测井学家将二维核磁共振波谱技术引入核磁共振测井领域，创造出D-T2二维核磁共振测井技术。本文对D-T2二维核磁共振测井技术的发展现状做一综述，简述了二维核磁共振波谱学原理，介绍了D-T2二维核磁共振基本原理，列举了三种常用的D-T2二维核磁共振测井采集序列，展示了两个D-T2测井实例。D-T2二维核磁共振测井的出现，实现了从D-T2二维谱中快速、精确区分油气水，为储层精细测井评价提供了新工具。

关键词：流体识别；二维核磁共振；采集序列；测井评价

自20世纪90年代初，脉冲核磁共振测井仪器开始在石油行业投入商业服务，其主要原理是：利用CPMG脉冲序列观测地层孔隙流体中氢核的核磁共振信号，经过数学反演得到地层的T（2横向弛豫时间）分布。因其在获得地层孔隙度、孔隙结构、渗透率、流体类型、饱和度等储层重要信息中的出色发挥，一维核磁共振在测井技术与岩石物理实验分析中已经得到广泛应用。然而，当地层孔隙中存在油气水混合流体时，它们的T2谱往往是重叠的，即便使用移谱法、差谱法和增强扩散法有时也很难有效地将它们区分开，这就催生了二维核磁共振测井方法的发展。D-T2二维核磁共振测井是在一维核磁共振的基础上拓展观测的信息量，从单一的T2谱拓展到D（流体扩散系数）-T2分布。2002年，Sun和Dunn以及Hurlimann等分别提出了改进的CPMG序列，实现了D-T2二维核磁共振测井，弥补了一维核磁共振测井在流体识别和定量评价中的不足。Baker Atlas公司的MREx和Schlumberger公司的MR Scanner等新一代核磁共振测井仪器的出现，为二维核磁共振测井的发展和应用创造了必要条件。二维核磁共振测井与目前的核磁共振测井相比，数据测量方法和处理方法都有了重大革新[1，2]。

1　二维核磁共振波谱学

1971年，Jeener首先提出了二维傅里叶变换的思想，随后Ernst领导的研究小组将其应用到二维核磁共振的研究工作中，在1974年测出了第一张二维核磁共振谱，在此基础上发明了一系列二维测谱技术，二维核磁共振波谱学从此成为现代化学分析不可或缺的手段，Ernst也因此荣获了1991年的诺贝尔化学奖。二维核磁共振谱的信号是两个独立频率变量的函数，记为S（ω2，ω1），共振峰分布在由两个频率轴组成的平面上。二维空间中信号强度的等值曲线图，描述了各个原子在不同位置上彼此的相互作用。一般二维核磁共振谱是专指时间域的二维实验，以两个独立的时间变量进行一系列实验，得到信号S（t2，t1），经过两次傅里叶变换得到二维谱S（ω2，ω1）。为了得到两个彼此独立的时间变量，采用“分割时间轴”的思想把时间轴分段，让分割开的两段时间独立变化实现二维时间域实验。

一般二维核磁共振波谱实验的时间轴按其物理意义分成四个时期：预备期、发展期、混合期和检测期（见图1）。（1）预备期，这部分通常由较长的延迟时间Td和激发脉冲组成，延迟时间的作用是等待核自旋体系达到热平衡，类似一维实验的等待时间。样品至少由一个射频脉冲激发，扳转总磁化矢量到适当的初始位置；（2）发展期t1，控制磁化矢量的演化，演化时间以固定增量Δt1增加，构成第二个时间变量；（3）混合期，由一组固定长度的脉冲和延迟组成，在此期间通过相干或极化的传递，建立检测的条件，有时也可以不设这个混合期；（4）检测期，检测信号，信号作为检测期时间t2的函数被记录下来[3]。

2　D-T2二维核磁共振测井基本原理

2.1油气水在（T1，T2，D）三维空间中的分布

核磁共振测井的目的是通过对地层孔隙流体中氢核核磁共振信号的观测，反演后获得地层孔隙度、束缚水和可动流体体积等重要岩石物理参数，为储层评价和产能预测提供重要信息。根据地层条件下油气水的T1，T2和D（扩散系数）的分布范围绘制的（T1，T2，D）三维空间分布示意图[3]（见图2），受表面弛豫、扩散弛豫、体弛豫的综合影响，一维T2谱中油气水的信号发生重叠；但是在D轴上，天然气的扩散系数最大，地层水的扩散系数次之，由于原油的黏度变化范围较大，其扩散系数是个较宽的分布，除了轻质油的扩散系数与地层水相当，中等黏度、稠油的扩散系数小于地层水。因此，发展拥有D、T2两个维度的D-T2核磁共振测井方法可解决一维核磁共振测井中遇到的油水识别难题。

图1　二维核磁共振波谱实验脉冲序列示意图

图2　（T1，T2，D）三维空间中油气水分布区域示意图

D-T2二维核磁共振测井技术利用了二维核磁共振波谱学的概念[4]，但研究的对象和使用的表征参数不同：D-T2二维核磁共振测井研究的对象是饱和流体的地层岩石，不是波谱学中的微观分子；表征的参数是横向弛豫时间T2和流体扩散系数D，不是化学位移。改进或发展新的数据采集方法，开发相应的二维核磁共振数据反演方法，就能够获得饱和流体岩石的D-T2二维核磁共振分布图，D-T2二维核磁共振测井技术的典型解释图版（见图3）。

二维D-T2谱一个数轴代表弛豫时间T2，反映孔隙大小分布，另一个数轴代表孔隙流体的扩散系数D，垂直轴代表与氢核数量成正比的信号幅度，该技术主要利用不同流体扩散系数D的差异在二维D-T2谱上有效识别流体类型。

2.2 D-T2数据采集序列

Hürlimann和Venkataramanan等[6，8]设计的D-T2脉冲序列称为扩散编辑脉冲序列（见图4）。该脉冲序列中第一个窗口的长度是变化的，但180°脉冲的个数固定为两个，因此只产生两个回波。第二个窗口用最小的回波间隔采集信息，可以不考虑扩散弛豫的影响。第一个窗口的第二个回波就是第二个窗口的起始回波，通过在第一个窗口改变回波间隔TE的大小，将由于扩散而引起的衰减记录到第二个窗口的起始回波中。

图3　D-T2二维核磁共振技术典型解释图版

因此第二个窗口采集的回波串幅度可写成：

式中：f（D，T2）-二维（D，T2）分布函数，D-孔隙流体的扩散系数，γ-旋磁比（常数），G-仪器磁场梯度。将不同TE的脉冲序列采集数据联立反演，即可得到储层岩石的（D，T2）二维分布。

Sun和Dunn设计出两个窗口的改良式CPMG序列[5，7，9，12]（见图5）。该序列同样采用了二维核磁共振波谱学中“分割时间轴”的方法，将每个CPMG序列在时间轴上分为两个窗口：第一个窗口长度固定为t0，改变第一个窗口中的回波个数使回波间隔从大变小，实现储层流体扩散信息的加载；第二个窗口用仪器的最短回波间隔采集CPMG回波信号，将扩散弛豫衰减降到最小，实现储层岩石横向弛豫信息的加载，同时将第一个窗口中的扩散衰减记录到第二个窗口采集的回波幅度中。

图4　扩散编程（diffusion editing）序列示意图

图5　改良式CPMG序列示意图

由多孔介质核磁共振弛豫理论，结合改良式CPMG序列的特点，可推得第二个窗口采集的回波串幅度为：

式中：bik-第一个窗口的回波个数为NElk时，第二个窗口中第i个回波的幅度，对应的采样时间为ti+t0；f（D，T2）-二维（D，T2）分布函数；γ-氢核的旋磁比；D-孔隙流体的扩散系数；t0-第一个窗口的时间长度。解谱时将第二个窗口采集的多条回波串联立反演，即可得到储层的（D，T2）二维分布。

后来研究发现，用两个窗口的脉冲序列来消除两个核函数的耦合并非必要。谢然红等利用多组不同回波间隔的CPMG回波串实现了（D，T2）二维分布测量和反演（见图6）。采用CPMG脉冲序列的二维核磁共振数据测量方法，给定足够长的等待时间，保证孔隙流体中的氢核完全极化，改变回波间隔TE，测量一组对应不同回波间隔的CPMG自旋回波串，则回波幅度b（t，TE）可表示为：

3　D-T2二维核磁共振技术应用实例

3.1 P型核磁仪器D-T2测量实例

南堡凹陷发育河流、三角洲和水下扇等多种沉积相，各沉积相带互相叠置，储集层岩性、物性变化快，利用常规测井资料进行流体性质识别难度很大[11]，利用MRIL-Prime仪器对该凹陷A井进行多回波间隔的二维核磁共振测井试验（见图7）[13]。

图6　常规CPMG序列D-T2测量示意图

3.2 MR-Scanner核磁仪器D-T2测量实例

X，155英尺处的D-T1图显示1号壳图中的束缚流体信号和稠油信号。100 ms以后的自由水信号随DOI的增加而逐渐降低。流体分析表明自由水从1号壳到8号壳逐渐减少。对这一现象的解释是，水信号源来自泥浆滤液，滤液驱替的是储层中可流动的稠油；如果滤液驱替的是地层水，那么水信号应该保持稳定。X，020 到X，050英尺层段的解释难度更大。该层段处电阻率较低，每个DOI都存在水信号。从X，040英尺的D-T1图提供了流体信息。由于滤液侵入所产生的水信号出现在1号壳和4号壳中，而在8号壳中消失。因此，认为滤液驱替了NMR仪器无法测量到的稠油。出现在三个壳中的强水信号都源自束缚水，因此，该产层应该生产纯油，不产水。

图7　MRIL-Prime仪器在A井采集的不同回波间隔核磁共振T2分布及（D，T2）分布

4　总结

D-T2二维核磁共振测井技术弥补了一维T2谱技术油气水重叠的短板，为准确识别流体类型、计算含油饱和度，进而为估算油气储量提供重要参数，D-T2二维核磁共振测井技术已经在现场得到了成功应用，在今后的复杂储层勘探中将发挥越来越重要的作用。

参考文献：

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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

中图分类号：TE355.9

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）03-0001-05