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非放射測井測定孔隙度和孔內(nèi)流體方法

發(fā)布時間：2021-10-26 瀏覽次數(shù)：141486 來源：歐美大地

核磁共振（MRI）檢查已經(jīng)成為一種常見的影像檢查方式，同時核磁共振也不僅僅是一種醫(yī)學檢查方式。

20世紀30年代發(fā)現(xiàn)的核磁共振現(xiàn)象是指原子核在強磁場中吸收特定頻率的射頻能量的能力。經(jīng)過多年的開發(fā)研究，核磁共振技術(shù)被開發(fā)用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，這項技術(shù)不僅在醫(yī)學領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，還被開發(fā)為一種用于石油和天然氣行業(yè)的井下有纜探頭。隨著成本的降低，鉆孔核磁共振得以應(yīng)用在巖土工程和水文地質(zhì)的地下水調(diào)查中。

什么是鉆孔核磁共振技術(shù)？

鉆孔核磁共振技術(shù)是一種測量流體體積和流體分布作為孔隙幾何函數(shù)的技術(shù)，能夠詳細描述地下流體在地層的存儲和流動能力。

01 鉆孔核磁共振的工作原理

核磁共振指的是原子核對磁場的響應(yīng)，即若在穩(wěn)定磁場垂直方向上加一射頻磁場，當交變磁場的頻率與氫核的核磁共振頻率相同時，處于低能位的氫核將吸收能量，轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)的核，這一現(xiàn)象叫核磁共振。當射頻脈沖作用停止后，磁化矢量通過自由進動向B0方向恢復，使原子核從高能態(tài)的非平衡狀態(tài)向低能態(tài)的平衡狀態(tài)恢復，這一過程叫弛豫。從方向上來劃分可以分為縱向和橫向弛豫。

縱向弛豫T1是指磁化矢量在Z方向的縱向分量往初始宏觀磁化強度M0的數(shù)值恢復過程。它與孔隙的體積、孔隙中介質(zhì)的性質(zhì)以及地層的物性等因素有關(guān)。

橫向弛豫T2是指磁化矢量在X-Y平面的橫向分量往數(shù)值為0的初始狀態(tài)恢復的過程，它同樣與孔隙的體積、孔隙中介質(zhì)的性質(zhì)、地層的物性以及采集各項參數(shù)等因素有關(guān)。

簡單來講就是我們使用只影響氫核的射頻頻率，通過一個永強磁體和一個復雜的射頻發(fā)射器和接收器來對準、處理和測量來自原子核的感應(yīng)射頻信號。即原子核被“激發(fā)”，并測量其衰變速率。

水中的氫原子核是自然地隨機排列的。通過施加一段時間的縱向強磁場，原子核可以縱向排列。然后，射頻發(fā)射器將原子核傾斜90°改為橫向，并以特定的頻率振蕩它們，使它們擺動或同相進動。這種進動產(chǎn)生一個振蕩射頻（RF）信號，當原子核失相時，該信號衰減，這個過程可以被接收器檢測到。在實踐中，使用了準確的電磁脈沖序列(CPMG)為90°，然后是一系列180°脈沖，以反轉(zhuǎn)和重新排列進動的原子核，產(chǎn)生新的峰值或自旋回波。幾個進動衰減過程會影響所產(chǎn)生的信號，顯著的是地層內(nèi)的表面相互作用，其中信號在較小的孔隙空間中衰減得更快。

02 數(shù)據(jù)輸出

T1是由永磁體極化后的衰減率導出的縱向弛豫時間，描述了極化速率。T2是描述衰減速率的橫向弛豫時間，受孔徑大小的影響。極化后的RF信號的峰值幅度用于確定總孔隙度。利用T2衰減信息，總孔隙度可以進一步分為粘土基組分、毛細孔隙度組分和活動組分，從而可以更好地估計滲透率。

式中，ρ為潤濕相和礦物成分，S為孔隙尺寸，V為巖石體積，T為溫度，C為粘度，η為計算系數(shù)，D為擴散系數(shù)，G為磁場梯度，TE為回波間隔。

鉆孔核磁共振技術(shù)應(yīng)用

JavelinJPY238型核磁測井探頭示意圖

由于JavelinJPY238使用多個頻率進行不同深度的調(diào)查，因此消除了沖刷和鉆孔干擾以及射頻干擾的影響。該系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的電纜裝置進行測量，使其成為一種經(jīng)濟高效的方法，為巖土工程和水文地質(zhì)調(diào)查提供寶貴數(shù)據(jù)。

VistaClara的高級Javelin系列鉆孔NMR測井工具可直接、低成本、高分辨率地測量水文地質(zhì)特性，包括：體積含水量；空隙分布；結(jié)合水孔隙度和自由水孔隙度；透水性和導水率。

應(yīng)用案例

亞利桑那州城市地下水資源管理

為了維持現(xiàn)有人口的可持續(xù)供水和城市未來發(fā)展，擴大城市地下水蓄水層儲存和恢復，需要更詳細地了解含水層水文特性，包括子流域尺度的導水率和有效孔隙度等地下水資源關(guān)鍵信息。但是，在某些地區(qū)，用于地下水儲存和開采的含水層其深度可能會達到數(shù)千英尺，傳統(tǒng)的低分辨率水文測量無法達到或需要投入更多的資金才能進行。

在亞利桑那州錢德勒的奧羅河谷（頂部）進行了鉆孔核磁共振測試井，該項目是使用Javelin®有纜核磁共振測井儀和4頻、3.5英寸直徑的核磁共振測井探頭在現(xiàn)有PVC套管監(jiān)測井中獲得的。一口井位于亞利桑那州錢德勒的私人工業(yè)地產(chǎn)上，另一口井位于亞利桑那州奧羅河谷附近的市政生產(chǎn)井場。每口井的標稱直徑為10英寸，并使用同樣PVC完井，篩分生產(chǎn)間隔以及適當?shù)倪^濾和灌漿間隔。這使得能夠在四個探頭敏感彈中的三個中收集有用的數(shù)據(jù)，直徑從12英寸到15英寸不等。高分辨率核磁共振測井以30m/h的速度獲得。

獲得的核磁共振測井結(jié)果顯示，河谷這一部分的含水層沉積物具有較高的漸變性、分層性和產(chǎn)出性。在亞米級垂直尺度上，流動水孔隙度、束縛水孔隙度和水力傳導率存在明顯的差異。而在奧羅河谷（底部）附近獲得的核磁共振測井結(jié)果顯示，總體孔隙度較低，孔隙大小和滲透率的變化小，屬于分選較差的巖石。

這說明，具有滲透性和多孔性的含水層位于400英尺以上，被排除在篩選層段之外。