核磁共振技术在油气田勘探开发应用的进展.docx
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1、中国石油大学(北京)现代远程教育毕业设计(论文)中国石油大学(北京)远程教育学院毕业设计(论文)核磁共振技术在油气田勘探开发应用的进展姓 名:朱钰学 号:133189性 别:女专 业: 石油工程批 次:2017秋学习中心:西安学习中心 指导教师:柴磊2019年9月25日核磁共振技术在油气田勘探开发应用的进展摘要核磁共振技术作为一项最近兴起的科学技术,除某些特定的领域外,在油田勘探开发中可以发挥快速判断储层的物性及含油性并进行快速评价等作用,本文首先介绍核磁共振技术的起源及其主要原理并且在此基础上,对该技术在油气田勘探开发领域的应用情况以及相关原理做了综述,重点分析了核磁共振技术在岩心分析和测井
2、方向应用的现状及发展情况,并对核磁共振在油气田勘探开发领域的应用前景进行了展望。关键词:核磁共振;岩心分析;测井;开发目录第一章 前 言11.1研究意义及目的11.2核磁共振技术的原理1第二章 核磁共振技术在油气田开发的应用32.1核磁共振技术在岩心/岩屑中的分析中的应用32.2 核磁共振技术在测井中的应用4第三章 核磁共振技术在油气田开发应用的进展103.1核磁共振技术在岩心分析领域的进展103.2核磁共振技术在测井领域的进展12第四章 核磁共振技术在油气田开发应用的前景154.1设备精密度提升154.2软件算法创新154.3设备设计思路创新15第五章 结论16参考文献17致谢18iii第一
3、章 前 言1.1研究意义及目的核磁共振现象成像的技术学科是一种世界尖端技术,其被物理学家发现于1945年bloch和purcel分别领导的两个实验研究小组对于核磁共振的现象图像进行了观察,并因此获得了1952年的美国诺贝尔物理学奖。1973年领导的美国纽约州立大学lauterbur实验小组根据x-cx-ct的思路,设计出了一个线性梯度的磁场并对其进行了空间观察和编码得到了nmr图像,标志着我国核磁共振成像技术学科正式形成1。核磁共振的成像物质分析技术首先广泛应用于工业和医学,随着其在核磁共振成像技术领域的应用和发展,其也得到了广泛的研究和应用。1960年,brown和美国gamson公司研制开
4、发出了利用油田地磁场的核磁共振测井物质分析仪器和样机并正式开始提供油田测井服务,这也标志着我国核磁共振成像技术在测井物质分析领域的发展得到了广泛的应用2。1990年美国numar公司的mrilb型核磁共振成像测井物质分析仪器和样机问世3。同时中国石油勘探开发研究院河北廊坊油田分院也与1997年研制开发出了国内首台的核磁共振岩心/岩屑分析仪4。随着含油流体核磁共振分析与成像这项现代科学技术的进一步发展及应用推广,其被广泛的应用于我国石油勘探的开发,其技术可广泛应用于含油流体孔隙度、渗透率、含油流体饱和度、可动流体含油饱和度、流体在不同孔隙流动过程中的渗透率和动态压力分布等多种物性力学参数的测量。
5、其分析方法相对于其他的核磁共振分析方法有着明显的技术优势,其核磁共振分析的速度快、数据已转化成基于计算机的数据和可以准确识别的信号并且其可广泛应用于测井分析、其检测方法可对高温高压的含油流体试样进行稳定性分析、测量的结果可靠、测量的精度高5、设备的成本低、体积小、质量轻等诸多优点6。1.2核磁共振技术的原理核磁共振的技术主要是以原子核物理为主要技术基础,利用先进的无线电技术和先进的计算机通信技术为其依托的一项先进的技术。物理上核磁共振的现象被认为是一个原子核物理特性的主要表现,通常用原子质量数、质子数、动量矩、磁矩和原子能级等物理学概念的形式来描述一个原子核的物理特性7。图1-1 核磁共振波谱
6、仪示意图核磁共振射频成像技术是充分地利用了核磁共振的原理,以外加电磁场中可能存在着一个具有磁矩的半导体原子核为成像的基础,根据半导体原子核的自旋和运动的特点,在与外加磁场的相互作用下,经过一定的射频脉冲和电磁冲击后产生一个相应的核磁共振信号,利用射频传感器将该信号传入射频计算机,利用相应的程序将该射频信号转换成射频图像。其主要由射频磁体、探头、前置放大器、射频信号发射器、射频信号接收器、场频信号连锁控制系统等部分组成(参见图1-1)。自mrilb型核磁共振成像测井分析仪器的成功问世就彻底开启了现代核磁共振在我国油气田的勘探研究和开发的领域得到广泛应用,核磁共振测井技术随着现代无线电网络通信技术
7、、计算机通信技术等技术的飞速发展,核磁共振在我国油气田的勘探研究和开发过程中的重要性和应用也愈加广泛,主要的应用包括岩心/岩屑的分析和测井。第二章 核磁共振技术在油气田开发的应用核磁共振(nmr)观测是一种有效的对岩心孔隙实验分析的手段,利用通过nmr直接核磁共振观测得到的岩石孔隙流体信号,可以通过分析得到岩石的孔隙度、孔径分布、渗透率、润湿性以及岩石孔隙流体的饱和度等是岩石孔隙物性的重要参数8。2.1核磁共振技术在岩心/岩屑中的分析中的应用核磁共振原理分析应用于岩心的核磁共振原理为将岩心内的样品流体置于均匀的静磁场之中,岩心内样品流体中的两个氢原子核(氕)会与均匀的静磁场之间发生相互的作用,
8、出现相互磁化的矢量9。与此同时,沿均匀静磁场的垂直运动方向发射拉摩尔频率的氕射频核磁共振脉冲,从而在流体中产生了核磁共振表征弛豫信号,该核磁共振信号中分别包含有核磁共振频率、相位、振幅的相关信息,利用快速傅里叶变换、图像重建等科学技术,获取各种核磁共振的图像。其中的表征弛豫信号分别有纵向弛豫时间t1和横向弛豫时间t1和t2。由于纵向弛豫时间系列t1的质子密度测量弛豫时间比较长,因此我们利用核磁共振的方法进行分析岩心时通常至测量岩心的横向弛豫时间系列t2,利用其弛豫图像脉冲序列图像来可以获得不同方向的回波弛豫时间系列的质子密度t2图像并通过程序计算得到其质子弛豫密度脉冲序列图像,并可以根据其横向
9、的弛豫时间系列的t2图像、不同方向的回波弛豫时间系列的t2图像、质子密度脉冲序列图像进行计算来可以获得自由流体岩石的孔隙度、渗透率、孔径分布、可产生自由流体的类型、毛管束缚水的饱和度、泥质毛管束缚水的饱和度、含烃的类型、自由流体矿化度指数以及与地层毛管含水自由流体矿化度指数无关的泥质毛管含水流体饱和度等相关的参数10。使用此种岩心分析方法在我国进行的岩心分析已经过多年的推广,并在国际上得到了广泛应用,并在国内取得了较好的试验效果,如进行了鄂尔多斯盆地二叠系岩样的核磁共振岩心分析试验并于目前传统的方法基础上进行了比对结果显示如下图(参见图2-1,图2-2)。图2-1 岩心测试核磁孔隙度与常规孔隙
10、度对比图 图2-2不同回波间隔下测得的核磁孔隙度与常规孔隙度的比较(张泽宇等整理) 由以上两图可以明显表现了核磁共振测量出的数据误差较小。2.2 核磁共振技术在测井中的应用利用油井的核磁共振测井已发展成为国内外油井地球电磁场物理研究领域广泛关注的重要研究焦点,有着几十年的研究发展和应用历程,1956年,经过brown和fatton的研究人员发现,当流体处于油井储层岩石自由孔隙中时,其自由孔隙核磁共振弛豫时间比自由孔隙状态弛豫时间相比显著的减小,到了1960年,brown和gamson进一步研制并推出了利用地球电磁场的利用核磁共振测井设备的仪器和样机并成功的开始应用于该油田的测井服务,样机的研究
11、开始和使用标志着该油井的核磁共振技术在测井地球物理领域已经得到了广泛应用。该油井到了上世纪二十年代才进一步发展并研制出了真正符合现代意义上的利用核磁共振测井的设备,以其具有的不受油井岩石储层骨架水矿化度影响的卓越测井性能已经得到了广泛的应用和关注,其有效的克服了我国油井传统的体积共振测井模型受储层井眼、岩性及地层骨架水矿化度因素影响的优点和弊端,并较好的有效解决了油井储层流体参数的计算、储层流体物性的评价、流体性质的识别、试油层位确定以及完井安全保护措施的制定等关键技术问题11。核磁共振测井一般可分为线缆式的核磁共振测井和随钻式的核磁共振测井。目前世界主要的从事线缆式核磁共振测井的研发设计制造
12、的国家和企业主要在美国的有三家,即:查尔斯伦贝谢(schlumberger)、贝克休斯(bakerhughes)和哈利伯顿(halliburton)。(1)线缆式核磁共振测井目前,拥有线缆式核磁共振测井设备的公司主要有斯伦贝谢公司的CMR和MR Scanner核磁共振测井设备、哈利伯顿公司的MRIL-Prime核磁共振测井设备以及贝克休斯公司的MREx核磁共振测井设备。cmr是德国斯伦贝谢上世纪90年代推出的一种贴井壁用于测量的新型核磁共振测井仪系列产品,并先后在90年代推出了升级版本cmra、cmr一200、cmrplus。其贴井壁的设计可有效地排除了钻井液对于测量的影响,使得测量的精度大大
13、提高。该系列产品可以在使用时直接将天线挂载于该电子公司自主生产的maxis一500电缆天线遥测系统,以两级指向的天线为一个水平线的两个磁极和天线为一个探头,其天线探测区域范围集中在一个指向距离极板约2.5cm、直径近3cm、高度约15cm的圆柱体,该设备的探测区域深度相对较浅,但是该设备具有很强的纵向分层的能力,可以清晰的准确地分辨出很薄的电磁存储层,但由于均匀磁场的探测区域太小,测量过程中信号的分辨率和信噪比将可能会很低。mrscanner与探头cmr同为德国斯伦贝谢公司的系列产品,其探头是对cmr的更新换代产品,传承了采用cmr探头紧贴井壁进行测量的传统探头设计,但在探头的结构和功能上有了
14、重大了的升级,可以直接进行对大井眼以及斜井的磁共振测量,其核磁共振探测区域为部分的圆柱壳,最大探测范围的深度设计可达6cm,其中产品具有三个高灵敏度天线,即一个主分辨率天线和两个具有高分辨率核磁共振天线,主分辨率天线主要广泛地应用于对储层流体的探测和描述,而两个具有高灵敏度的天线则分别可以广泛地应用于对储层岩石地质特性的评价、储层资源利用产能的分析和预测以及对储层的总体资源利用情况和产能进行的评价。该系列产品可以准确测量地层的总孔隙度、有效孔隙度、束缚水含量、含油水的饱和度、t2谱线的分布以及储层渗透率等相关物性动力学参数,且产品具有较高的核磁共振探测效率和速度,抗干扰性强,不受被破坏地层、污
15、染层、不规则的大井眼、泥饼过厚等其他干扰环境因素的直接影响。mril-prime该产品是美国哈利伯顿公司2002年上市的一款核磁共振测井探头设备(参见图2-3),该核磁共振产品的探头测量有6(1in=25.4mm)和47/8in两种测量标准,使用5频带7频率的模式进行探头测量,具有其他常规测井所不可能具备的诸多优点,与其他常规测井设备结合能较好地准确识别出气层、轻质油层、低阻力的油气层等,且该产品具有探测深度大;探头测井速度快12;测井数据采集质量高;耐温腐蚀性能高等特点13。mrex是美国贝克休斯公司旗下的bakeradlas贝克休斯公司的井下测量产品,其挂载于该公司bakeradlas公司
16、eclips一5700地面井下测量系统,可与该公司eclips一5700配套的其他探头和井下测量系统设备进行配合安装使用,该探头和产品的其理论设计基础和其测量系统工作原理与其它型号的核磁共振测井仪基本一致,探头由线圈磁极和脉冲接收天线组成,但该探头和仪器的线圈和磁极由隐蔽脉冲接收磁铁和小隐蔽磁铁接收天线构成(参见图2-4),且具由两组互相连接或平行的线圈和磁极组成,一个为扰流接收天线,另一个为脉冲发射、接收的天线,从而该探头和仪器在磁铁、天线及脉冲序列的结构设计、测井数据采集、信噪比的分析和控制等诸多关键技术方面都具有着极其显著的优势和特点,其波动传感器系统可同时分别使用12种频率类型的不同频
17、率波动传感器用来进行各种频率波动测量。其含水传感器装置可同时精确测量室内地层含水粘土流体含水吸湿孔隙度、毛细气管水和束缚水地层粘土吸湿孔隙度、自由吸水流体地层粘土含水孔隙度和室内地层流体粘土含水总孔隙度,以及同时测量室内地层含水粘土整体含水量及饱和度等多种粘土测量技术参数。图2-3 MRIL-Prime核磁共振测井仪器结构图图2-4 MRex核磁共振测井仪器结构图(2)随钻核磁共振测井随着各种先进钻井技术的引进和飞速发展,尤其特别是水平井、多分支井以及丛式井等技术的应用和普及,以及钻井精度和可靠性信息量的增多以及对安全性、稳定性的要求都得到了显著的提高,随钻测井技术也随之获得迅猛发展,其凭借在
18、每一次钻井的过程中即可实时地测量井眼孔隙度、渗透率、束缚水及孔径分布等重要的地层物理参数,以及其具有优化井眼轨迹的强大技术优势,使其的应用逐步广泛。现常用的随钻测井设备主要包括有哈里伯顿公司的mmmgmril-wdtm核磁共振随钻测井设备、斯伦贝谢公司的mmgmnmr-lwdtm核磁共振随钻测井设备以及贝克休斯公司的mgmrmagtraktm核磁共振随钻测井设备。mril-wdtm是哈里伯顿公司的产品该测量设备主要可对地层振动不敏感的t1和对仪器进行滑动阶段测量的t2进行滑动阶段测量,以此用来达到对仪器和地层进行核磁共振完整滑动阶段测量的主要目的,其滑动阶段测量的方式一般可分为居中式单频滑动阶
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