恒定梯度場核磁共振巖樣分析方法及儀器技術

本發明專利技術涉及一種恒定梯度場核磁共振巖樣分析方法及儀器；在由磁體產生的恒定梯度場下進行核磁共振測量獲得測量數據；將測量的核磁共振數據轉化成核磁共振二維譜D-T2；對恒定梯度場的標準樣進行測量、反演得到標準樣核磁共振二維譜D-T2；測量巖樣，獲得巖樣中流體核磁共振二維譜D-T2，根據實際測量巖樣的核磁共振二維譜D-T2進行流體類型識別；根據巖樣中流體的核磁共振二維譜D-T2計算巖樣的流體性質和巖石物性參數；對巖樣進行單切片掃描，獲得巖樣的局部油、水飽和度；對巖樣進行連續的切片掃描，得巖樣軸向油、水飽和度分布，可動流體飽和度分布；本方法可更好的評價儲層和識別流體。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀器和利用核磁共振二維譜技術識別流體類型和測量巖石物性參數的方法。
技術介紹
近些年，核磁共振技術在石油勘探開發領域得到高度重視和發展，已廣泛應用于核磁共振錄井、核磁共振測井和低滲透儲層評價等方面，從而推動了核磁共振儀器及其測量方法在石油勘探開發中快速發展。中國專利200410083878. 2中描述了用巖石核磁共振弛豫信號測量地層巖石物性的設備及測量方法。該設備包括磁體、探頭、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制計算機等部分。該設備通過測量獲得一維的弛豫時間T2譜，可以快速給出孔隙度、滲透率、可動流體飽和度和含油飽和度等巖石物性參數。核磁共振儀器除了提供弛豫時間T2以外，還可以提供流體的擴散系數D。目前所有的可以測量流體擴散系數的實驗室核磁共振儀器采用的是電梯度，利用電流的方式來獲得梯度磁場，利用電流來控制梯度的大小和方向，在醫學的核磁共振儀器方面也廣泛采用該種方式。但是，由于在石油勘探開發中原油的擴散系數較小，所以需要很大的梯度場，才能測量到原油的擴散系數，對油和水進行識別。梯度場的大小是由瞬間電流的大小決定的，但是，瞬間電流是不可能無限放大的，它的大小將受到儀器的限制。特別是產生瞬間電流越大，將會導致系統越復雜。目前，核磁共振儀器動態驅替實驗都是驅替后，將巖心取出，然后進行核磁共振測量。而核磁共振高溫高壓核磁共振實驗就根本無法進行。主要是由于核磁共振儀器的電磁場無法穿越金屬殼，在探頭內部不能形成梯度磁場，從而無法進行擴散編碼，測量流體的擴散系數。這些都抑制了核磁共振實驗室技術的發展。因此，急需可以測量擴散系數，能夠進行高溫高壓實驗的恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀以及核磁共振二維譜識別流體類型和評價巖石物性參數的方法。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀及測量方法，以測量擴散系數、弛豫時間、原油粘度、孔隙度、滲透率、含油、水飽和度及分布、可動流體飽和度等巖石物性參數和流體性質參數，解決石油勘探開發中的流體識別和儲層評價中的難點問題，提高室內核磁共振裝備與技術水平，滿足油氣田勘探開發需求，促進核磁共振巖樣技術在石油勘探開發領域快速發展。本專利技術采用的技術方案是恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀由測量裝置I和控制系統4構成；測量裝置I由梯度磁體2、探頭3和溫控系統構成；梯度磁體2是一個封閉的腔體，探頭2位于梯度磁體腔體的中心位置，探頭2與控制系統4通過電纜與控制系統4的T/R匹配電路10連接；控制系統4通過USB 口與計算機連接。恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀的梯度磁體2由軛板14、磁鋼15、極板16、側軛板17構成；軛板14和側軛板17組成梯度磁體腔體，磁鋼15與軛板14連接，極板16截面為梯形結構，與磁鋼15連接；軛板、極板、側軛板采用電工純鐵DT4C材料加工制成，磁鋼采用217SmCo磁性材料制成。磁鋼15與軛板14，極板16與磁鋼采用BJ-39膠粘接。梯度磁體2會產生縱向均勻而橫向存在梯度的磁場Btl形成樣品探測區，磁場方向沿著z軸，梯度方向沿X軸。兩極板的角度在10 30°之間,其兩極板間形成的氣隙在150 364mm之間。(詳見專利200910092839.1公布的一種用于恒定梯度場巖樣分析儀的梯度永磁體)。梯度磁體2外表面是一組溫控系統6，會對梯度磁體進行10 60度恒溫控制，減少溫度對儀器測量結果的影響。恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀探頭3由一個不導電的圓形樣品管18，回路線圈19構成；回路線圈19纏繞在樣品管18上；回路線圈19為螺旋管線圈、鞍形線圈或其它適用的線圈。探頭可作為發射機將激勵信號以射頻的方式發射到待測樣品中和作為接收機接收核磁共振信息。探頭3內部是樣品探測區20。特別是恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀可以放置核磁共振高溫高壓探頭。恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀控制系統4由主控制器7，頻率發生器8，功率放大器9，T/R匹配電路10，前置放大器11、接收器12和帶有緩存A/D轉換器13構成。主控制器7主要有3個功能，產生并發射用以激發核磁共振信號的脈沖序列，接收核磁共振回波信號以及將該信號計算處理上傳至計算機，主控制器7通過USB接口與計算機5進行互聯及數據傳輸。頻率發生器8與主控制器7進行采用電纜互聯，該頻率發生器將主控制器產生的核磁共振激勵信號進行電流驅動，所產生的信號送至功率放大器9進行功率放大。功率放大器9與頻率發生器8采用電纜互聯，該功率放大器可將信號放大到幾百瓦，用來激發待測樣品的核磁共振信息。探頭3以及發射器/接收器(T/R)匹配電路10通常包括一個諧振電容器、一個T/R轉換開關和阻抗匹配電路，與功率放大器9和前置放大器11采用電纜連接；為獲得更準確的回波信號數據，要求在射頻激勵信號發射完之后盡量短的時間內接收回波信號，通過T/R發射接收轉換開關可以快速有效的完成這一轉換過程；阻抗匹配電路用來對射頻電路進行阻抗匹配。經過前置放大器將核磁共振回波信號放大約70DB，其幅值經放大后可以接收器12采集接收，然后由一個帶有緩存器的A/D轉換器13輸出到主控制器7上，以提供用于進一步使用和分析的所需輸出數據。前置放大器11與接收器12，接收器12與A/D轉換器13之間采用電纜連接。同時，該系統還包括輔助設備計算機5，對控制系統進行控制，從而來控制整套儀器。計算機5與控制系統4中的主控制器7之間連接，采用USB 口的方式。恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀的測量方法分為A步驟恒定梯度場脈沖序列及參數設計步驟獲得核磁共振二維譜；C步驟恒定梯度場核磁共振定標；D步驟識別流體類型；E步驟計算巖石物性參數；F步驟獲得巖樣軸向飽和度分布。A步驟恒定梯度場脈沖序列及參數設計脈沖序列是核磁共振技術的靈魂，決定了核磁共振的應用領域。本專利技術涉及一個CGMF-CPMG脈沖序列。90度脈沖和180度脈沖之間的時間間隔為脈沖間隔tau，單位us，Nk為tau的個數,單位個。當k = I時,脈沖間隔tau的值為tauNl，一個90度脈沖后面跟著P1個180度脈沖，此時CGMF-CPMG脈沖序列就簡化成CPMG脈沖序列；當k = 2時，一個90度脈沖后面跟著P2個180度脈沖……一直到等于k時，一個90度脈沖后面跟著Pk個180度脈沖。該技術的原理是由于分子的布朗運動造成核磁共振信號強度的衰減，而這種衰減與流體分子的擴散系數關聯。90度脈沖的作用是使宏觀磁化矢量旋轉到橫向平面上，連續的180度脈沖的作用是重新聚焦除了擴散衰減導致的相散以外的信號，獲得自旋回波衰減T2的其它機制的信息。通過在恒定梯度場下改變CGMF-CPMG脈沖序列中tau的值，來產生擴散效應。恒定梯度場是由磁體產生的，一直作用于樣品探測區。根據被測樣品中飽和流體設計CGMF-CPMG脈沖序列中回波串k，脈沖間隔tau，180度脈沖個數Ne，等待時間RD參數，進行核磁共振測量獲得測量數據；k值為2 8，tau的值分布在150us 20000us之間，Ne的值分布在128 30720之間，等待時間分布在2000ms 12000ms 之間；B步驟獲得核磁共振二維譜；核磁共振技術在石油工業中的應用，主要是利用核磁共振儀來測量巖石孔隙中飽和流體氫核的信號。這些應用不僅與流體本身有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種恒定梯度場核磁共振巖樣分析方法，其特征在于1)在由磁體產生的恒定梯度場下，根據被測樣品中飽和流體設計的CGMF?CPMG脈沖序列中回波串k，脈沖間隔tau，180度脈沖個數Ne，等待時間RD參數，進行核磁共振測量獲得測量數據；k值為2～8，tau的值分布在150us～20000us之間，Ne的值分布在128～30720之間，等待時間分布在2000ms～12000ms之間；2)將步驟1)測量的核磁共振數據轉化成核磁共振二維譜D?T2；采用CGMF?CPMG脈沖序列測量的數據遵循多指數衰減規律：其中：其中：i＝1，……nk，k＝1，……q，l＝1，……p，j＝1，……mi表示第k個回波串的第i個回波，無量綱；k表示第k個回波串，無量綱；l表示提前選擇的第l個擴散系數，無量綱；j表示提前選擇的第j個弛豫時間，無量綱；nk是第k個回波串的回波的個數，無量綱；q是不同tauk的回波串的個數，無量綱；p表示提前選擇的擴散系數的個數，單位：個；m表示提前選擇的弛豫時間的個數，單位：個；bik表示脈沖間隔為tauk的第k個回波串的第i個回波的振幅，無量綱；flj表示在擴散系數為Dl和弛豫時間為T2j時的振幅，無量綱；γ是旋磁比，單位：MHz/T；G是磁場梯度，單位：Gauss/cm；?tauk是第k個回波串的脈沖間隔，單位：us。利用改進的奇異值分解法對公式(5)進行反演，獲得核磁共振二維譜D?T2。3)用步驟1)和步驟2)對恒定梯度場的標準樣進行測量、反演得到標準樣核磁共振二維譜D?T2；取恒定梯度場核磁共振標準樣12個，孔隙度分別為0.5％，1％，2％，3％，6％，9％，12％，15％，18％，21％，24％，27％，每次定標至少選擇其中的5個進行測量、反演得到的不同孔隙度的標準樣的核磁共振二維譜，然后對核磁共振二維譜進行體積分，得到該標準樣的核磁共振信號；核磁共振信號與標準樣體積的比值就是單位體積核磁共振信號，對單位體積核磁共振信號和孔隙度進行線性擬合，得到它們的關系線：y＝ax+b????????????????(8)其中，y代表單位體積核磁共振信號量，x代表核磁共振孔隙度(％)，a代表斜率，b代表截距；當測量巖樣時，測量出單位體積巖樣的核磁共振信號，就可以計算出巖樣的孔隙度；4)用步驟1)和步驟2)測量巖樣，獲得巖樣中流體核磁共振二維譜D?T2，根據實際測量巖樣的核磁共振二維譜D?T2進行流體類型識別；水的擴散系數是一常數，與溫度有關；氣的擴散系數與溫度和壓力有關；原油的的擴散系數和弛豫時間之間存在線性關系；Dw(T2)＝Dw(T)???????????????????(9)Dg(T2)＝Dg(T，P)????????????????(10)Do＝αT2????????????????????????(11)恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀根據油氣水擴散系數和弛豫時間的這種核磁共振特性，建立核磁共振二維譜解釋模板，根據實際測量?巖樣的核磁共振二維譜D?T2在解釋模板中的位置來劃分油氣水，快速識別流體類型；5)根據步驟4)獲得的巖樣中流體的核磁共振二維譜D?T2計算巖樣的孔隙度、滲透率、含油飽和度、可動流體飽和度、原油系數；a)通過對巖樣核磁共振二維譜進行體積分，根據步驟3)帶入恒定梯度場核磁共振定標線，計算巖樣核磁共振孔隙度；b)根據核磁共振孔隙度和束縛水飽和度計算巖樣滲透率：其中，Knmr是核磁共振滲透率，φnmr是核磁共振孔隙度，Swi是束縛水飽和度，C是待定系數；c)根據步驟4)建立的核磁共振二維譜解釋模板快速識別流體類型，區分油和水；利用鼠標選擇核磁共振二維譜中油的區域，系統將自動計算選擇區域體積分與核磁共振二維譜總體積分的比值，獲得含油飽和度；以此類推，可以分別得到含油、氣、水的飽和度；d)根據步驟4)建立的核磁共振二維譜解釋模板中的可動流體T2截止線，擴散系數線，油相關系線等，綜合判斷、選擇可動流體區域，系統將自動計算選擇區域體積分與總體積分的比值，獲得可動流體飽和度；e)當巖樣中含有粘度較高的原油時，測量巖樣的單位體積核磁共振信號偏小，導致巖樣孔隙度、滲透率、可動流體飽和度和含油飽和度等參數有不同程度的偏差，必須進行校正；原油系數為單位體積恒定梯度場核磁共振標準樣的信號與單位體積原油的核磁共振信號的比值：式中：η為原油系數，A標準樣為標準樣單位體積核磁共振信號，φ標準樣?為標準樣孔隙度，A原油為被測原油單位體積核磁共振信號；6)恒定梯度場核磁共振巖樣分析儀切片厚度是0.3cm，根據步驟1)～5)巖樣進行單切片掃描，獲得巖樣...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉衛，孫威，顧兆斌，孫佃慶，
申請(專利權)人：中國石油天然氣股份有限公司，
類型：發明
國別省市：