岩石核磁共振分析仪采集参数设置优化

刘景东，邹海霞，刘俊田，王 奇，徐建红

（中国石油吐哈油田分公司，新疆哈密 839009）

岩石核磁共振分析仪作为核磁共振录井的主要技术设备，可完成现场岩屑、岩心和井壁取心等岩石样品随钻、快速、经济的核磁共振分析与评价。核磁共振录井在一定范围内、一定程度上能较有效地弥补、验证甚至替代核磁共振测井[1]。近年来，吐哈油田尝试应用 UNIQ-PMRⅡ型岩石核磁共振分析仪，在室内开展岩心样品的核磁共振分析，进行岩心核磁共振研究评价，为核磁共振录井和测井提供参考依据，并探索应用岩石核磁共振分析技术评价非常规储层。应用研究中发现，岩石核磁共振分析仪系统和采集两项参数的测量参数共有17项[2]。系统参数的设置在仪器操作方法中均有具体的规定，不需要进一步研究调整；而采集参数则需要根据研究区不同的储层特征进一步优化，特别是采集参数中的扫描次数、回波间隔、回波个数和等待时间4项参数，需要在实际分析过程中，根据岩石样品的差异等进行优化设置，以满足储层的评价。

1 采集参数设置优化实验方案

核磁共振分析仪采集参数的选取直接影响分析数据的质量和精度，而采集参数的设置在不同地区、不同类型储层评价中具有非常重要的意义。为研究采集参数设置对分析结果产生的影响，通过大量的实验分析，初步掌握采集参数和分析结果的内在关系，并制定采集参数设置优化方案。

1.1 扫描次数实验

岩石核磁共振分析仪的核磁信号比较弱，单次测量受噪音信号影响大，测得信号的信噪比低，需要多次测量反复累加，以减少噪音的影响，提高信噪比。因此，选择合理的扫描次数（SCAN）是保证检测结果准确可靠的关键因素之一。相关研究显示，信噪比大于80，才能保证测量结果准确可靠[3]。

选取中高孔隙度（≥10.0%）和低孔隙度（＜10.0%）的砂岩样品各3块，经洗油后用标准盐水饱和。在其他系统参数和采集参数相同的情况下，将回波间隔分别设置为64和128进行核磁共振分析，观察分析所测得核磁信号的质量。

1.2 回波间隔实验

回波间隔（TE）是指在一次扫描过程中相邻两次数据采集之间的时间间隔，它反映数据采集密度。核磁共振分析仪按事先设定的回波间隔，对射频场撤除后样品的核磁共振衰减信号进行连续采集，获得T2衰减叠加曲线。采用数学反演技术可以计算出不同T2弛豫时间的流体所占的份额，即T2谱图[4-5]，用 T2谱图就可以更直观地研究样品孔隙的组成及分布特征。回波串曲线数据和回波间隔设置紧密相关，研究认为回波间隔设置越小，数据采集密度越大，测得的信号越完整，孔隙度测量值也越准确[6]。其原因为核磁共振分析仪撤除射频场后，在等待一个回波间隔时间之后才开始第一次采集信号，该信号值即为核磁共振初始信号，其大小反映了孔隙度的大小。若回波间隔设置较大，撤除射频场与首次采集信号之间的时间间隔也会较长，则样品中一些微孔隙的短驰豫组分信号在首次信号采集时变弱或衰减为0，那么首次采集的信号也自然变小，测得的样品孔隙度也相应减小，这也是核磁孔隙度比常规项偏低的原因[7]。因此，针对具体的分析仪，在仪器允许范围内，应尽量把回波间隔设置小一些。

选取高孔隙度（＞20.0%）、中孔隙度（20.0%～10.0%）、低孔隙度（＜10.0%）各2块砂岩样品，经洗油后用标准盐水饱和。在其他系统参数和采集参数相同的情况下，将回波间隔分别设置为300，600，1200， 1800 μs，逐一对这6块样品进行4次核磁共振分析。通过对检测结果进行对比分析，确定该仪器回波间隔的最优设置值。

1.3 回波个数实验

回波个数（NECH）是指扫描一次采集的数据点数，回波个数与回波串时间长度成正比关系。如果回波串时间长度较短，样品大孔隙中流体的核磁共振信号在回波串时间长度内有可能还没有衰减到零，造成回波串不能闭合的现象，那么会对解谱产生影响，核磁共振分析结果也就不准确。

选取高孔隙度和中低孔隙度砂岩样品。根据实验二结论设定回波间隔，将回波个数分别设置为1024和2048进行核磁共振分析，观察回波串形态。

1.4 等待时间实验

等待时间（RD）是指磁矢量的极化时间，等待时间的设置必须保证样品所有孔隙中的流体充分极化，需要多次实验来确定。

选取不同孔隙度的砂岩样品，经洗油后用标准盐水饱和。在其他系统参数和采集参数相同的情况下，将等待时间分别设置为 500，1000，2000，3000，4000，6000 ms，逐一对每块样品进行核磁共振分析。通过对检测结果进行对比分析，确定该仪器等待时间的最优设置值。

2 实验结果与分析

2.1 扫描次数

通过观察不同扫描次数下所采集到的核磁信号发现，孔隙度大于等于 10.0%的中高孔岩石样品，UNIQ-PMRⅡ型岩石核磁共振分析仪检测所得核磁共振信号相对较强，扫描次数选择为64次就可获得大于80的信噪比，满足测量要求；而孔隙度小于10.0%的低孔岩石样品，所得核磁共振信号一般较弱，扫描次数设置不低于128次，信噪比效果较好。

2.2 回波间隔

初始采集到的核磁共振信号大小决定总孔隙信号的大小[8]。表 1为高孔隙度（24.1%）、中孔隙度（14.6%）、低孔隙度（6.3%）的实验样品，对应不同回波间隔设置下总孔隙信号的实验数据。从表中可以看出，回波间隔设置由小到大，总孔隙信号呈高到低的变化趋势，回波间隔设置300μs时，测得的总孔隙信号最大；设置600μs时，测得的总孔隙信号较之略微有所减小；而设置1200 μs和1800 μs时，测得的总孔隙信号降幅明显。这一实验结果符合回波间隔设置越小，孔隙度值越大的理论认识。回波间隔设置对6块实验岩石样品回波串和T2谱形态的影响呈相似的规律。图1为其中一块实验样品在不同回波间隔设置下对应的回波串曲线，整组回波串曲线形态显示在同一时间点（≥1800 μs）上，回波间隔设置 600 μs时采集到的核磁共振信号最强；回波间隔设置 300 μs时采集到的核磁共振信号最弱；其他设置采集到的核磁共振信号介于两者之间。因此，对于UNIQ-PMRⅡ型岩石核磁共振分析仪而言，为保证整体信号的采集质量，其回波间隔设置600 μs为最佳方案。

表1 回波间隔与总孔隙信号的关系

图1 回波间隔与回波串关系

图2为其中一块实验样品在不同回波间隔设置下对应的T2谱，从T2谱图可看出，回波间隔300 μs时的T2谱明显发生了左移，显然样品孔隙中小孔隙所占的份额偏高，导致T2谱失真；而回波间隔600μs时的 T2谱则较能真实地反映样品的孔隙分布特征。因此，对于UNIQ-PMRⅡ型岩石核磁共振分析仪，回波间隔设置600 μs为最佳方案。

图2 回波间隔与T2谱关系

2.3 回波个数

实验结果显示，对于中低孔隙度样品，尤其是致密岩石类样品，回波个数（NECH）设置为1024时，回波串曲线已经闭合；而对于含大孔隙的高孔隙度样品，当回波个数设置为1024时，由于大孔隙的存在，采集结束时大孔隙中的磁化矢量还没有回到平衡位置，回波串曲线不闭合（图3），将回波个数提高到 2048，回波串曲线才能闭合（图 4）。因此，回波个数的设置可根据岩石样品选择合适的值。

图3 回波串曲线(不同岩石样品类型、NECH=1024)

图4 回波串曲线（高孔隙度、NECH=2048）

2.4 等待时间

图5为含有较大孔隙的高孔隙度砂岩样品在饱和水状态下，等待时间分别设置在500，1000，2000，3000，4000，6000 ms条件下检测反演所得的T2谱。从曲线形态可以看出，等待时间对位于T2谱右侧的大孔隙影响大，对左侧的小孔隙度影响甚微。T2谱右侧的大孔隙信号随着等待时间设置的增大，信号峰值增大，则大孔隙信号增大；当等待时间设置不小于4000 ms时，孔隙信号趋于稳定，再增加等待时间，大孔隙信号保持不变。这说明大孔隙中的流体完全极化需要的时间较长，而小孔隙中的流体完全极化需要的时间则较短。实验结果（表2）表明，等待时间设置为4000 ms时，该类样品的总孔隙信号值已基本稳定，这说明该类样品等待时间设置为4000 ms较合适。

图5 高孔隙度岩石样品等待时间对T2谱的影响

表2 等待时间和总孔隙信号的关系

油的极化时间比水的时间要长一些[9-10]，针对含油样品（未除油）进行核磁共振分析，则需要将等待时间适当延长。对正常的砂岩样品，等待时间一般设置为5000 ms较合适；而对致密砂岩样品，等待时间需要设置为4000 ms。

而对于低孔低渗的致密砂岩样品，因大孔隙在样品孔隙组成中所占的份额很小，则在同样的条件下测量反演得到的T2谱图，等待时间对T2谱的影响明显没有等待时间对高孔隙度样品影响大（图6）。从表2中可以看出，在等待时间设置为3000 ms时，该类样品的总孔隙信号就已基本稳定，这说明该类样品等待时间设置3000 ms较合适。

图6 低孔隙度（致密）样品等待时间对T2谱的影响

3 结论

（1）采集参数的设置对分析结果有非常重要的影响，扫描次数的设置影响核磁共振信号的信噪比；回波间隔的设置影响样品核磁共振信号的可靠性和完整性；回波个数的设置决定采集时间长度，影响对大孔隙中的流体驰豫信号的准确采集；等待时间的设置影响样品孔隙中流体极化，影响对总孔隙信号的准确检测。

（2）采集参数设置优选方案选择与储层性质密不可分，低孔低渗岩石样品的核磁共振信号较弱，应适当提高扫描次数；在仪器的允许范围内，回波间隔设置越低对小孔隙的检测能力越好；含大孔隙的中高孔隙度岩石类样品，应提高回波个数的设置值；大孔隙中的流体完全极化需要的时间长，需要适当延长等待时间，而对于低孔低渗的致密砂岩样品，则可适当减少等待时间，若专门对含油样品进行核磁共振分析，则需要适当延长等待时间。

（3）对于 UNIQ-PMRⅡ型岩石核磁共振分析仪的采集参数优化方案，中高孔隙度岩石样品，4项采集参数可分别设置为：SCAN=64，TE=600μm，NECH=2048，RD=4000 ms（含油样品RD=5000 ms）；低孔隙度致密岩石样品，4项采集参数可分别设置为：SCAN≥128，TE= 600μm，NECH=1024，RD=3000 ms（含油样品RD=4000 ms）。