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非放射測井精確測定孔隙度和孔內流體方法
發布時間:2021-10-26 瀏覽次數:3304 來源:歐美大地

核磁共振(MRI)檢查已經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學檢查方式。

20世紀30年代發現的核磁共振現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。經過多年的開發研究,核磁共振技術被開發用于許多應用領域,這項技術不僅在醫學領域得到廣泛應用,還被開發為一種用于石油和天然氣行業的井下有纜探頭。隨著成本的降低,鉆孔核磁共振得以應用在巖土工程和水文地質的地下水調查中。



什么是鉆孔核磁共振技術?


鉆孔核磁共振技術是一種測量流體體積和流體分布作為孔隙幾何函數的技術,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,即若在穩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,轉變為高能態的核,這一現象叫核磁共振。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,使原子核從高能態的非平衡狀態向低能態的平衡狀態恢復,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的數值恢復過程。它與孔隙的體積、孔隙中介質的性質以及地層的物性等因素有關。

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

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射器和接收器來對準、處理和測量來自原子核的感應射頻信號。即原子核被“激發”,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,使用了精確的電磁脈沖序列(CPMG)為90°,然后是一系列180°脈沖,以反轉和重新排列進動的原子核,產生新的峰值或自旋回波。幾個進動衰減過程會影響所產生的信號,最顯著的是地層內的表面相互作用,其中信號在較小的孔隙空間中衰減得更快。




02 數據輸出


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,從而可以可靠地估計滲透率。


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,D為擴散系數,G為磁場梯度,TE為回波間隔。



鉆孔核磁共振技術應用



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查,因此有效消除了沖刷和鉆孔干擾以及射頻干擾的影響。該系統使用傳統的電纜裝置進行測量,使其成為一種經濟高效的方法,為巖土工程和水文地質調查提供寶貴數據。

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特性,包括:體積含水量;空隙分布;結合水孔隙度和自由水孔隙度;透水性和導水率。


應用案例

亞利桑那州城市地下水資源管理



為了維持現有人口的可持續供水和城市未來發展,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鍵信息。但是,在某些地區,用于地下水儲存和開采的含水層其深度可能會達到數千英尺,傳統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有PVC套管監測井中獲得的。一口井位于亞利桑那州錢德勒的私人工業地產上,另一口井位于亞利桑那州奧羅河谷附近的市政生產井場。每口井的標稱直徑為10英寸,并使用同樣PVC完井,篩分生產間隔以及適當的過濾和灌漿間隔。這使得能夠在四個探頭敏感彈中的三個中收集有用的數據,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。



測試結果對比圖


此案例證明了核磁共振測井在描述和管理重要沙漠城市地區不同沉積礦床地下水資源方面的價值。研究結果還表明,從相對低成本的Javelin有纜核磁共振測井工具中得到的高分辨率信息,可改進和優化井網位置,這對單井產量有著積極影響。


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