一种新型核磁共振测井仪设计

白克宗 赵宏宇 张嘉伟

【摘 要】核磁共振测井技术是当今世界最新进的一种测井技术之一，其测井信号全部来自地层中的流体信号，可用对地层中的自由流体、束缚水、渗透率以及孔径分布等重要参数进行定量分析。在复杂岩性特殊岩性储层、低孔低渗或石油天然气和稠油等储层都具有明显的应用效果。本文主要对一种新型核磁共振测井仪进行简要介绍，并分析其主要的功能模块。目前该核磁仪器已经成功应用于实际作业中，取得了很好的现场实际应用效果。

【关键词】核磁共振;CPMG序列;回波信号;前置放大;小波分析

中图分类号： TN912 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0005-004

【Abstract】NMR logging is the one of the most advanced technology around the world， logging signals come from fluid of the formation. Parameters like moved fluid， bound water， permeability， pore-distribution and so on can be analyzed through this technology， especial for complicated reservoir， Low-porosity & permeability formation and heavy oil formation. This paper introduces a new NMR logging tool， which is analyzed through its function models. Now this tool have been used in actual wells with good logging results.

【Key words】NMR; CPMG sequence; Echoes; Pre-amplifier; Wavelet analysis

0 引言

从核磁共振测井技术一出来，该技术一直是石油测井领域最前沿最先进的技术[1]。核磁共振直接测量地层中流体的相关信息，技术复杂且信号微弱。所以當第一支核磁共振测井仪推出现场应用时，立即被誉于测井技术的神话。本文主要对一种新型核磁共振仪器进行简要介绍，分析其主要的功能。最后对该仪器实际作业应用结果进行分析，验证了该仪器的性能。

1 核磁共振测井背景介绍

1.1 国内外核磁共振测井仪现状

目前国际上主要的核磁仪器有斯伦贝谢的CMR-plus、MRX，哈里伯顿的MRIL-P、MRIL-XL和阿特拉斯的MREX。所有这些仪器的探测器工作原理如下图1所示： CMR采用偏心、均匀场方案;MRX及MRIL-XL具有偏心、梯度磁场、多工作频率设计，能进行不同深度的切片测量分析;MRIL-P型仪器为居中型、梯度磁场设计，具有9个工作频率，居中测量，功耗较大;MREx仪器采用贴井壁偏心测量，有12个工作频率，回波间隔可达0.4ms[2]，具备二维核磁采集与处理功能。本文设计的新型核磁仪器，采用8个频率的梯度场、具有高分辨率等主要亮点[2]，处于国际同类仪器具有相同水平。

1.2 核磁共振信号产生与接收模型

核磁共振采用图2所示的信号产生及接收模型。如图2所示的这种典型的核磁共振工作方式称为CPMG序列。首先等待TW激化时间使地层中的流体完全激化，确保地层流体氢原子核磁矩向静磁场方向激化排列，进行90度发射脉冲使其核磁矩搬转90度，其后每隔TE时间进行180度脉冲发射使其在同一平面的两个速度不同的矢量重合产成回波信号，这种核磁发射序列即为CPMG序列[2]。

核磁共振主要采用CPMG序列工作，采集一系列回波信号，并计算回波的幅值与相位。实际采集信号中采集到的回波幅度值一般在100nv～5uV范围内，频率在580KHz～1.2MHz。所以必须设计一种低输入噪声电压的接收链路，对信号进行预处理，便于后续数字处理。

2 核磁共振测井仪器（EMRT）设计

2.1 核磁仪器（EMRT）整体结构设计

新型核磁共振测井仪整体结构图如下图3所示。主要由4个部分组成：接收链路部分、数字电路部分、发射链路部分及天线探头部分。其中接收链路部分是该仪器的核心，其设计性能的好坏直接决定了整只仪器的信噪比与抗干扰性能[3]。

2.2 接收链路设计

接收链路设计框图如图4所示。该接收链路的主要功能是对地层回波信号进行前置放大、滤波，输出到事件控制板进行采集与处理。该部分是整个核磁共振仪器电路的核心部分，其噪声性能直接影响仪器的整体性能，因此接收链路设计对整只仪器性能指标至关重要[4]。

接收链路主要由隔离电路（decoupler电路）、前放电路（PreAmp电路）以及一系列辅助电路组成。其中隔离电路的主要作用是在仪器进行高压发射时有效阻断天线探头上高压发射信号与前放电路的连接，保护前放电路免受高压冲击。前放电路将地层回波信号进行信号滤波放大，并输出给事件控制电路进行数字采集与信号处理。事件控制板主要进行信号的采集处理以及发射信号的控制。下面主要重点对接收链路中隔离电路与前放电路板两部分进行分析。

如上图5中所示，天线连接隔离板的输入，隔离板拥有一个输入高压检测部分，其主要是由一个运放比较器构成。当发射高压时，该比较器检测到高压信号，然后强制启动收发控制逻辑模块的输出电压，使其及时变低电平从而有效驱动隔离板上两个MOSFET管有效关断。图5中的收发开关是由两个耐高压的MOSFET管构成。当高压发射完成后，由事件控制电路产生一个Softdump的软泄放控制信号，使隔离板上的泄放开关导通同时控制收发切换控制信号使RT_SW为高电平，使收发开关导通确保天线与接收电路同时接地，起到泄放天线中残存的发射能量，为回波信号接收作准备，一般此时间控制在30us以内。然后将Softdump软泄放控制信号变高以断开泄放开关，进行地层回波信号的接收。

前放电路由一系列低噪声精密放大器组成，其整体结构设计框图如下图6所示。第一级由两组相同的差分仪用放大电路并联设计，可有效降低输入电压噪声;第二部分主要是由三级级联的低噪声运放电路串联设计，对微弱信号进行放大;第三级由一个1MHz低通滤波放大电路构成，将前级信号进行低通滤波;最后一级由AD8131芯片来将前级输出信号转化成差分信号传输给事件控制电路进行信号采集处理，差分信号输出可确保在信号传输过程中空间共模信号干扰的作用。

上图6所示前放电路的结构设计框图，为了测试该电路带宽，采用信号发生器输出峰峰值5V，频率100KHz～1.2MHz变化的正弦信号为输入信号，经衰减器衰减120dB后输入至图6中前放电路左侧输入端，AD8131最后一级差分放大器输出端连接示波器CH3、CH4，记录示波器（CH3-CH4）的差分输出信号在示波器中进行平均256次的信号峰峰值如下表1所示。

上表1中输入信号频率（KHz）表示信号发生器输出峰峰值5V，频率100KHz～1.2MHz变化的正弦波，第 1～4次示波器记录（mV）表示前放电路差分输出信号经示波器平均256次的峰峰值，记录4次;4次测量的平均值（mV）表示第 1～4次示波器记录（mV）对应数据的平均值。将表1中记录数据绘制成频率响应曲线如下图7所示：

2.3 基于小波分析的微弱信号提取算法设计

小波分析是时间（空间）频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题[6]。提升小波算法相比基于经典的小波算法最主要优点是：改进了经典小波算法，使其更易于實现。新型核磁仪器在国内外首次实现并成功现场应用了基于提升小波分析的核磁共振回波提取算法和现场快速反演算法，能够在现场作业环境下及时精确的提取回波和反演分析。

3 新型核磁共振测井仪器应用分析

截至目前为止该新型核磁仪器已经在渤海、湛江、山西、新疆及伊拉克、俄罗斯等地成功作业上两百多次，取得了很好的应用效果。下图为该仪器在伊拉克某个区块碳酸盐岩地层作业的典型油层响应结果进行简要分析。

上图13所示地层段为典型油层核磁响应图，标准T2谱分布主要表现为双峰或多峰形态，谱峰在400ms左右，分布范围为高幅度，长弛豫特征，可动孔隙度较发育。在移谱图中T2谱明显前移。3065-3070m，3072-3077m，3080-3084m三个层段可动孔隙分别高达8pu， 6pu，17pu，渗透性好，泥质束缚水较弱，为典型的油层。

4 结束语

我公司从2008年开始启动对核磁共振测井仪的研究，截止目前为止已经完成整套核磁仪器的研制工作，掌握了全套核心技术及制作工艺，仪器各项指标均以达到国际先进水平，生产出24只新型核磁共振测井仪，并成功作业上百井次，取得了良好的现场应用效果，目前仪器已经全面应用与国内外测井市场中。核磁共振测井技术目前在国内是一项新型的技术，受到了各大石油公司的广泛使用与喜爱[9]。相信随着今后科技的发展与进步，核磁共振技术的应用前景定会更加光明[10]。

【参考文献】

[1]George Coates，肖立志，Manfred Prammer著，孟繁莹译.核磁共振测井原理与应用.北京：石油工业出版社，2007.

[2]邵维志，庄升，丁娱娇，一种新型核磁共振测井仪———MREx.石油仪器，2004.

[3]Pollak V L and Slater R R.Input Circuit for PulsedNMR[J].The Review of Scientif ic Instruments， 1966.

[4]华中科技大学微弱信号检测技术资料.

[5]戴逸松，微弱信号检测方法及仪器.  北京：国防工业出版社，1994.

[6]核磁共振测井接收链路设计.科学与技术研究，2012：27-28.

[7]一种基于小波变换的核磁共振微弱信号提取算法设计.科学与技术研究，2012，：5-6.

[8]刘越，戴逸松，刘君义.应用DPSD算法测量调幅信号的研究.计量学报，2000，21（3）：222-22.

[9]肖立志. 核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用. 北京： 科学出版社， 1998.

[10]肖立志，谢然红.核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向.测井技术，2003，27（4）：265-269.