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非放射测井精确测定孔隙度和孔内流体方法
发布时间:2021-10-26 浏览次数:7430 来源:欧美大地

核磁共振(MRI)检查已经成为一种常见的影像检查方式,同时核磁共振也不仅仅是一种医学检查方式。

20世纪30年代发现的核磁共振现象是指原子核在强磁场中吸收特定频率的射频能量的能力。经过多年的开发研究,核磁共振技术被开发用于许多应用领域,这项技术不仅在医学领域得到广泛应用,还被开发为一种用于石油和天然气行业的井下有缆探头。随着成本的降低,钻孔核磁共振得以应用在岩土工程和水文地质的地下水调查中。



什么是钻孔核磁共振技术?


钻孔核磁共振技术是一种测量流体体积和流体分布作为孔隙几何函数的技术,能够详细描述地下流体在地层的存储和流动能力。


01 钻孔核磁共振的工作原理


核磁共振指的是原子核对磁场的响应,即若在稳定磁场垂直方向上加一射频磁场,当交变磁场的频率与氢核的核磁共振频率相同时,处于低能位的氢核将吸收能量,转变为高能态的核,这一现象叫核磁共振。当射频脉冲作用停止后,磁化矢量通过自由进动向B0方向恢复,使原子核从高能态的非平衡状态向低能态的平衡状态恢复,这一过程叫弛豫。从方向上来划分可以分为纵向和横向弛豫。

纵向弛豫T1是指磁化矢量在Z方向的纵向分量往初始宏观磁化强度M0的数值恢复过程。它与孔隙的体积、孔隙中介质的性质以及地层的物性等因素有关。

横向弛豫T2是指磁化矢量在X-Y平面的横向分量往数值为0的初始状态恢复的过程,它同样与孔隙的体积、孔隙中介质的性质、地层的物性以及采集各项参数等因素有关。

简单来讲就是我们使用只影响氢核的射频频率,通过一个永强磁体和一个复杂的射频发射器和接收器来对准、处理和测量来自原子核的感应射频信号。即原子核被“激发”,并测量其衰变速率。

水中的氢原子核是自然地随机排列的。通过施加一段时间的纵向强磁场,原子核可以纵向排列。然后,射频发射器将原子核倾斜90°改为横向,并以特定的频率振荡它们,使它们摆动或同相进动。这种进动产生一个振荡射频(RF)信号,当原子核失相时,该信号衰减,这个过程可以被接收器检测到。在实践中,使用了精确的电磁脉冲序列(CPMG)为90°,然后是一系列180°脉冲,以反转和重新排列进动的原子核,产生新的峰值或自旋回波。几个进动衰减过程会影响所产生的信号,最显著的是地层内的表面相互作用,其中信号在较小的孔隙空间中衰减得更快。




02 数据输出


T1是由永磁体极化后的衰减率导出的纵向弛豫时间,描述了极化速率。T2是描述衰减速率的横向弛豫时间,受孔径大小的影响。极化后的RF信号的峰值幅度用于确定总孔隙度。利用T2衰减信息,总孔隙度可以进一步分为粘土基组分、毛细孔隙度组分和活动组分,从而可以可靠地估计渗透率。


式中,ρ为润湿相和矿物成分,S为孔隙尺寸,V为岩石体积,T为温度,C为粘度,η为计算系数,D为扩散系数,G为磁场梯度,TE为回波间隔。



钻孔核磁共振技术应用



JavelinJPY238型核磁测井探头示意图


由于JavelinJPY238使用多个频率进行不同深度的调查,因此有效消除了冲刷和钻孔干扰以及射频干扰的影响。该系统使用传统的电缆装置进行测量,使其成为一种经济高效的方法,为岩土工程和水文地质调查提供宝贵数据。

VistaClara的高级Javelin系列钻孔NMR测井工具可直接、低成本、高分辨率地测量水文地质特性,包括:体积含水量;空隙分布;结合水孔隙度和自由水孔隙度;透水性和导水率。


应用案例

亚利桑那州城市地下水资源管理



为了维持现有人口的可持续供水和城市未来发展,扩大城市地下水蓄水层储存和恢复,需要更详细地了解含水层水文特性,包括子流域尺度的导水率和有效孔隙度等地下水资源关键信息。但是,在某些地区,用于地下水储存和开采的含水层其深度可能会达到数千英尺,传统的低分辨率水文测量无法达到或需要投入更多的资金才能进行。

在亚利桑那州钱德勒的奥罗河谷(顶部)进行了钻孔核磁共振测试井,该项目是使用Javelin®有缆核磁共振测井仪和4频、3.5英寸直径的核磁共振测井探头在现有PVC套管监测井中获得的。一口井位于亚利桑那州钱德勒的私人工业地产上,另一口井位于亚利桑那州奥罗河谷附近的市政生产井场。每口井的标称直径为10英寸,并使用同样PVC完井,筛分生产间隔以及适当的过滤和灌浆间隔。这使得能够在四个探头敏感弹中的三个中收集有用的数据,直径从12英寸到15英寸不等。高分辨率核磁共振测井以30m/h的速度获得。

获得的核磁共振测井结果显示,河谷这一部分的含水层沉积物具有较高的渐变性、分层性和产出性。在亚米级垂直尺度上,流动水孔隙度、束缚水孔隙度和水力传导率存在明显的差异。而在奥罗河谷(底部)附近获得的核磁共振测井结果显示,总体孔隙度较低,孔隙大小和渗透率的变化小,属于分选较差的岩石。

这说明,具有渗透性和多孔性的含水层位于400英尺以上,被排除在筛选层段之外。



测试结果对比图


此案例证明了核磁共振测井在描述和管理重要沙漠城市地区不同沉积矿床地下水资源方面的价值。研究结果还表明,从相对低成本的Javelin有缆核磁共振测井工具中得到的高分辨率信息,可改进和优化井网位置,这对单井产量有着积极影响。


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