脈沖施加方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于脈沖梯度磁場的新型D-T2脈沖施加方法，其儀器主磁場采用均勻磁場設(shè)計，通過梯度線圈給測試區(qū)域施加脈沖梯度磁場，并且脈沖梯度大小和持續(xù)時間可調(diào)；數(shù)據(jù)采集脈沖時序在時間軸上分為兩個窗口，第一個窗口持續(xù)時間固定為t0，第二個窗口使用儀器最短回波間隔采集CPMG脈沖時序；將兩個窗口內(nèi)采集的回波信號使用反演算法解譜，即可得到儲層孔隙流體的D-T2二維分布圖譜。本發(fā)明具備兩大獨特優(yōu)勢①擴散系數(shù)測量范圍大；②橫向弛豫分辨率高，而獨特的雙變量設(shè)計使D-T2二維核磁共振采集參數(shù)的設(shè)置更靈活，能更好地適應(yīng)儲層孔隙流體核磁共振性質(zhì)的變化。
【專利說明】一種基于脈沖梯度磁場的新型D-T2脈沖施加方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低場核磁共振巖心分析領(lǐng)域，具體地說是D-T2 二維核磁共振的一種新型脈沖采集時序設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0002]核磁共振技術(shù)憑借快速、無損、無侵入、無毒、只對含氫孔隙流體敏感等優(yōu)點，從20世紀(jì)50年代開始被引入到石油勘探領(lǐng)域。自20世紀(jì)90年代初首支脈沖核磁共振測井儀器投入商業(yè)服務(wù)以來，基于CPMG脈沖序列的一維核磁共振技術(shù)在孔隙度、滲透率、飽和度計算、孔隙結(jié)構(gòu)評價、流體識別等方面得到成功應(yīng)用，為儲層評價和產(chǎn)能預(yù)測提供了重要信息。由于一維T2譜油氣水信號的重疊，而差譜法(DSM)、時域法(TDA)、移譜法(SSM)、擴散分析法(DIFAN)、增強擴散法(EDM)都有局限性，嚴(yán)重影響了核磁共振測井技術(shù)的應(yīng)用效果。
[0003]2002年，Sun和Dunn、Hiirlimann等、Song等首次將核磁共振波譜學(xué)中的二維核磁共振概念應(yīng)用到石油測井領(lǐng)域，開創(chuàng)了二維核磁共振測井方法及巖心分析技術(shù)，目前主要有T1-MASJ1-MRKD-MRKD-1^T1-TyT2-G等，T1-T2主要用于識別氣層，D-T2識別油水的效果優(yōu)于T1-T2,因此D-T2應(yīng)用較廣；經(jīng)過多年發(fā)展，D-T2 二維核磁共振技術(shù)日趨完善，拓寬了核磁共振測井的應(yīng)用范圍，提高了儲層測井解釋評價精度。然而隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)的不斷深入，地球物理測井的檢測對象越來越廣泛，包括天然氣、輕質(zhì)油、中等粘度原油、稠油、頁巖油氣、天然氣水合物等，其擴散系數(shù)范圍為10_7?l(T3Cm2/S，橫向弛豫時間也從幾毫秒變化到數(shù)百毫秒。面對如此復(fù)雜的測量對象，D-T2 二維核磁共振脈沖時序應(yīng)具備兩個特點:較大的擴散系數(shù)測量范圍，較高的橫向弛豫分辨率。
[0004]脈沖時序是核磁共振數(shù)據(jù)采集的核心技術(shù)，其功能直接影響D-T2 二維核磁共振技術(shù)的應(yīng)用效果。現(xiàn)有的D-T2=維核磁共振脈沖時序可分為兩大類:基于脈沖梯度場的D-T2脈沖時序，基于恒定梯度場的D-T2脈沖時序。
[0005]基于脈沖梯度場的D-T2核磁共振測量儀器的特點:主磁場是均勻磁場，借助梯度線圈給測試區(qū)域施加短時脈沖梯度磁場，并且可調(diào)節(jié)梯度大小和持續(xù)時間。脈沖梯度場D-T2脈沖時序從自擴散系數(shù)測定方法發(fā)展演變而來，其中最傳統(tǒng)的是PFG、STE-PFG脈沖時序；針對特殊用途又在PFG、STE-PFG基礎(chǔ)上發(fā)展了 MSE-PFG(Mult1-spin echopulsed filed gradient), LED-PFG(Longitudinal eddy decay pulsed filed gradient),BP-PFG(B1-polar pulsed filed gradient), DMSE-PFG(Double mult1-spin echo pulsedfiled gradient)脈沖時序。
[0006]PFG脈沖時序:在持續(xù)時間為h的自旋回波脈沖序列中施加一對對稱的脈沖梯度，后續(xù)使用180°脈沖采集CPMG回波信號，如圖1所示。在PFG脈沖時序作用下回波信號衰減規(guī)律如式(2)，式中，bik代表脈沖梯度為Gk時，第i個回波的幅度；f (Dp，T2j)為擴散系數(shù)Dp、橫向弛豫時間L對應(yīng)的孔隙度分量；Y為氫核的旋磁比；δ為梯度脈沖持續(xù)時間；Δ為兩個梯度脈沖間的間隔；ΤΕ為后續(xù)CPMG序列的回波間隔Atl為梯度窗口長度。改變脈沖梯度輸出，采集多條CPMG回波串，將采集的回波串簇利用式(2)聯(lián)合反演，即可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2 二維分布。
[0007]K =ZZ/(^,,T；7Ocxp[-X2G^2(Zl-|)D/)]cxp[-0~1)7,7；.+/°] / = 1,23,..(2)
7=1 p=l $
[0008]STE-PFG脈沖時序:將PFG脈沖時序的第一個180°脈沖替換為2個90°脈沖，如圖2所示。在第二個和第三個90°脈沖之間的核磁信號衰減為縱向弛豫，因此STE-PFG脈沖時序作用下回波信號衰減規(guī)律如式(3)，式中，bik代表脈沖梯度為Gk時，第i個回波的幅度(Tlq，Dp, T2j)為縱向弛豫時間Tlq、擴散系數(shù)Dp、橫向弛豫時間L對應(yīng)的孔隙度分量；L為第二個90°和第三個90°脈沖之間的間隔，并且LHtlt5當(dāng)測量對象滿足T1AT2時，式⑶中的縱向弛豫因子exp (I1Zt1) ^ 1，此時STE-PFG脈沖時序的回波信號衰減可表示為式(2);改變脈沖梯度輸出，采集多條CPMG回波串，將采集的回波串簇利用式(2)聯(lián)合反演，即可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2分布。
[0009]
K知,]哪卜(,—丨^+匕]H,2,3,…(3)
7=1 P=I ^=IIg$2;
[0010]由式⑵可知，當(dāng)測量對象中含有短弛豫組分時(T2〈tQ)，在PFG脈沖時序中，梯度作用窗口內(nèi)短弛豫組分信號衰減過大，其信號可能湮沒在后續(xù)CPMG回波串的噪聲中，導(dǎo)致D-T2反演譜中短弛豫組分的低估，甚至缺失；而STE-PFG脈沖時序則克服了這一局限，通過增大h、減小h的方式，在保證擴散弛豫信息有效加載的前提下，減小了梯度作用窗口內(nèi)短弛豫組分的橫向弛豫衰減，不過STE-PFG的適用條件是T1AT2q
[0011]基于恒定梯度場的D-T2核磁共振測量儀器的特點:主磁場是非均勻磁場，并且梯度大小恒定，或者在某一測量區(qū)域內(nèi)梯度大小恒定，如Halliburton的核磁共振成像測井儀MRIL,Baker Atlas的核磁探測儀MREX, Schlumberger的核磁掃描儀MR Scanner?；诤愣ㄌ荻葓龅腄-T2脈沖時序主要包括改良式CPMG、“擴散編程”、多回波間隔CPMG脈沖時序。
[0012]改良式CPMG脈沖時序。脈沖序列在時間軸上分為兩個窗口，第一個窗口的長度固定為h，該窗口內(nèi)的回波個數(shù)從少變多，第二個窗口用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波信號，如圖3所示，該序列最先用于儲層巖石內(nèi)部磁場梯度的研究。在改良式CPMG脈沖時序作用下兩個窗口的回波信號衰減規(guī)律如式(4)，式中，bik代表第一個窗口內(nèi)的回波個數(shù)為NElk時第i個回波的回波幅度Atl為第一個窗口的長度。改變第一個窗口內(nèi)的回波個數(shù)(也即改變回波間隔)，采集多條CPMG回波串，將采集的回波串簇利用式(4)聯(lián)合反演，SP可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2分布。
m nj, V2(J2^l)j , f
YjT)cxp(- ^ν；Γ?cxp(- vr '' ) / = 1,2.....NEu-NEurTn =tit
「 ? ; M F=Ii2^lk他\k]2j(ΛΧ
[0013]b[k=\(4)

呵(,.A_20exp[----] ι = NEu+1，NElk +?,,,
>1 P=IIziVisliI2j
[0014]“擴散編程”脈沖時序:脈沖序列在時間軸上分為兩個窗口，并且第一個窗口內(nèi)只有兩個回波，該窗口內(nèi)的回波間隔從小變大，第二個窗口用儀器的最短回波間隔釆集CPMG回波信號，如圖4所示。在“擴散編程”脈沖時序作用下兩個窗口的回波信號衰減規(guī)律如式(5)，式中，bik代表第一個窗口內(nèi)的回波間隔為TElk時第i個回波的回波幅度。改變第一個窗口內(nèi)的回波間隔，采集多條CPMG回波串，將采集的回波串簇利用式(5)聯(lián)合反演，即可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2分布。
m H.j rT




/=1,2
[0015]b,t =Imp^12j(5)
lk^I , , ,ITfu +(1-2)'TF

g^ldPcxPL^/ =3A5,…
P=I6hi
[0016]多回波間隔CPMG脈沖時序:利用常規(guī)的CPMG脈沖序列，無需重新設(shè)計脈沖時序，只要改變回波間隔采集一系列自旋回波串，如圖5所示。在多回波間隔CPMG脈沖時序作用下回波信號衰減規(guī)律如式(6)，式中，bik代表回波間隔為TEk時第i個回波的回波幅度。改變回波間隔，采集多條CPMG回波串，將采集的回波串簇利用式(6)聯(lián)合反演，即可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2分布。
[0017]?乞,(D"，r2,)exP(-六了九)exP(-/= U,3”..(O
M P=I1212j
[0018]綜上所述，PFG、STE-PFG、改良式CPMG、擴散編程、多回波間隔CPMG脈沖時序借助梯度磁場下的擴散弛豫實現(xiàn)了 D-T2 二維核磁共振測量，均采用單變量方式加載擴散弛豫信息，其中PFG、STE-PFG時序的變量通常是脈沖梯度輸出值，改良式CPMG、擴散編程、多回波間隔CPMG時序的變量是回波間隔。PFG、STE-PFG得益于可變的脈沖磁場梯度，具有較大的擴散系數(shù)測試范圍；但是在脈沖梯度作用窗口內(nèi)沒有回波信號，導(dǎo)致對短弛豫組分(粘土束縛水，稠油等)的橫向弛豫分辨率較低。恒定梯度場的磁場梯度值一般小于脈沖梯度磁場，因而改良式CPMG、擴散編程、多回波間隔CPMG時序的擴散系數(shù)測量范圍較小，對擴散系數(shù)較小的稠油分辨率低；但改良式CPMG、擴散編程、多回波間隔CPMG時序在擴散弛豫信息加載窗口內(nèi)采集回波信號，橫向弛豫分辨率優(yōu)于PFG、STE-PFG時序。因此，研發(fā)擴散系數(shù)測量范圍廣、橫向弛豫分辨率高的D-T2脈沖時序?qū)ν晟艱-T2 二維核磁共振技術(shù)在復(fù)雜油氣藏儲層評價中的應(yīng)用具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]為解決目前脈沖梯度場D-T2脈沖時序橫向弛豫分辨率低，恒定梯度場D-T2脈沖時序擴散系數(shù)測量范圍小等難題，本發(fā)明提供一種基于脈沖梯度磁場的新型D-T2脈沖施加方法。
[0020]本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
[0021]一種基于脈沖梯度磁場的新型D-T2脈沖施加方法，包括以下步驟:
[0022](I)儀器主磁場采用均勻磁場設(shè)計，通過梯度線圈給測試區(qū)域施加脈沖梯度磁場，并且脈沖梯度大小和持續(xù)時間可調(diào)；數(shù)據(jù)采集脈沖時序在時間軸上分為兩個窗口，在第一個窗口內(nèi)施加脈沖梯度，持續(xù)時間并且在該窗口內(nèi)米集CPMG回波信號，第一個窗口內(nèi)采集的CPMG回波信號主要包含儲層孔隙流體短T2弛豫組分的擴散弛豫和橫向弛豫衰減信息，變化第一個窗口內(nèi)的脈沖梯度大小及回波間隔，加載儲層孔隙流體的擴散弛豫信息，第二個窗口使用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波串，采集孔隙流體的橫向弛豫信息，同時將第一個窗口中由于擴散弛豫引起的衰減記錄在第二個窗口采集的回波幅度中，實現(xiàn)D-T2二維核磁共振數(shù)據(jù)采集；
[0023](2)由多孔介質(zhì)核磁共振弛豫理論，可推得這種新型脈沖時序的回波幅度，如(I)式所示，式中，bikq代表第一個窗口內(nèi)的回波個數(shù)為NElk、脈沖梯度為Gq時第i個回波的回波幅度；f(Dp，T2j)為擴散系數(shù)Dp、橫向弛豫時間T2j對應(yīng)的孔隙度分量；Y為氫核的旋磁比；t0為梯度脈沖持續(xù)時間；TE為后續(xù)CPMG序列的回波間隔；
[0024]
fn n1.y2(}~t^D1.t
ΣΣ?ΦΡ^)^(-/J)exp(-:。) i^l,2,:,NElk;NElk-TEl 二t,
b _ I 片產(chǎn)IYlJytxkNhlk.I2J⑴
ΣΣηΒρ,Τυ)&χρ(- r) exp[- ^ +{lTe ] i = NElk+I, NElk +2，…
戶I p=i丄ZYVisuI2J
[0025]將兩個窗口內(nèi)采集的回波串簇利用式(I)聯(lián)合反演，即可得到儲層孔隙流體的D-T2 二維分布圖譜。
[0026]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0027]本發(fā)明提供的新型雙變量、兩窗口 D-T2脈沖時序有效融合了脈沖梯度磁場高梯度值、恒定梯度場回波采集不間斷的優(yōu)點，使之具備了擴散系數(shù)測量范圍廣、橫向弛豫分辨率高兩大獨特優(yōu)勢；同時脈沖梯度、回波間隔的雙變量設(shè)計能更好地適應(yīng)儲層巖石孔隙流體性質(zhì)(擴散系數(shù)、橫向弛豫時間)的變化，為完善D-T2 二維核磁共振技術(shù)在復(fù)雜油氣藏儲層評價中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為促進國內(nèi)D-T2 二維核磁共振技術(shù)的進步創(chuàng)造了有利條件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]附圖1是PFG脈沖時序不意圖；
[0029]附圖2是STE-PFG脈沖時序示意圖；
[0030]附圖3是改良式CPMG脈沖序列示意圖；
[0031]附圖4是diffus1n-editing脈沖序列不意圖；
[0032]附圖5是多回波間隔CPMG脈沖序列示意圖；
[0033]附圖6是脈沖梯度場新型D-T2脈沖時序示意圖。

【具體實施方式】
[0034]21世紀(jì)初D-T2 二維核磁共振技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，實現(xiàn)了從D-T2 二維譜中快速、精確區(qū)分油氣水，因而在測錄井和巖石物理分析中得到廣泛應(yīng)用；然而面臨日益復(fù)雜的勘探對象，現(xiàn)有D-T2 二維核磁共振技術(shù)在儲層流體識別和產(chǎn)能預(yù)測中的應(yīng)用也遇到了瓶頸。鑒于此，本發(fā)明公開一種基于脈沖梯度磁場的雙變量、兩窗口 D-T2脈沖時序原創(chuàng)設(shè)計，這種新型脈沖時序具備兩大獨特優(yōu)勢①擴散系數(shù)測量范圍大；②橫向弛豫分辨率高，而獨特的雙變量設(shè)計使D-T2 二維核磁共振采集參數(shù)的設(shè)置更靈活，能更好地適應(yīng)儲層孔隙流體核磁共振性質(zhì)的變化。
[0035]有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說明、技術(shù)細(xì)節(jié)及具體操作過程，結(jié)合附圖詳述如下。
[0036]為使新型D-T2脈沖時序具備較大的擴散系數(shù)測量范圍，鑒于脈沖梯度場的梯度值比恒定梯度場的梯度值大，新型D-T2采集時序工作平臺的主磁場使用均勻磁場，梯度場則用脈沖梯度場。為使新型D-T2脈沖時序具備較高的橫向弛豫分辨率，尤其是對短弛豫組分的有效識別，需要在信號采集的整個時間段內(nèi)采集回波信號。目前，脈沖梯度場的梯度持續(xù)時間最大在50ms左右，很難在整個測量周期內(nèi)保持梯度輸出，因此新型D-T2脈沖時序采用兩個窗口的設(shè)計，如圖6所示。
[0037]在第一個窗口內(nèi)施加脈沖梯度，持續(xù)時間V并且在該窗口內(nèi)采集CPMG回波信號，第一個窗口內(nèi)采集的CPMG回波信號主要包含儲層孔隙流體短T2弛豫組分的擴散弛豫和橫向弛豫衰減信息；變化第一個窗口內(nèi)的脈沖梯度大小及回波間隔，加載儲層孔隙流體的擴散弛豫信息，第二個窗口使用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波串，采集孔隙流體的橫向弛豫信息，同時將第一個窗口中由于擴散弛豫引起的衰減記錄在第二個窗口采集的回波幅度中，實現(xiàn)了 D-T2 二維核磁共振數(shù)據(jù)采集。
[0038]由多孔介質(zhì)核磁共振弛豫理論，可推得這種新型脈沖時序的回波幅度，如式(I)所示，式中，bikq代表第一個窗口內(nèi)的回波個數(shù)為NElk、脈沖梯度為Gq時第i個回波的回波幅度；f(Dp，T2j)為擴散系數(shù)Dp、橫向弛豫時間T2j對應(yīng)的孔隙度分量；Y為氫核的旋磁比為梯度脈沖持續(xù)時間；TE為后續(xù)CPMG序列的回波間隔。
ΣΣ/.(?ΟΡ(-^V) 1-^,...,NEa;NElk-TE1=t0
「 q 7MIiiVisuMtlk -1lj
[0039]btkq^{⑴
EE/(^^2;0exp(-r ^/)exp[-^+0~^)'r￡3 i = NElk +1’NElk + 2，...M p=\U池ikHj
[0040]改變第一個窗口內(nèi)的脈沖梯度大小和回波間隔，采集多條CPMG回波串，將兩個窗口內(nèi)采集的回波信號利用式(I)進行反演算法解譜，即可得到儲層巖石孔隙流體的D-T2分布。
[0041]由式(I)可知，圖6所示的新型D-T2脈沖時序融合了脈沖梯度磁場高梯度值、恒定梯度場回波采集不間斷的優(yōu)點，具備較大的擴散系數(shù)測量范圍和較高的橫向弛豫分辨率；同時脈沖梯度、回波間隔(第一個窗口)的雙變量設(shè)計能更好地適應(yīng)儲層巖石孔隙流體性質(zhì)(擴散系數(shù)、橫向弛豫時間)的變化。
[0042]上述方式中未述及的部分采取或借鑒已有技術(shù)即可實現(xiàn)。
[0043]需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員所作出的任何等同替代方式，或明顯變型方式，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于脈沖梯度磁場的新型D-T2脈沖施加方法，其特征在于包括以下步驟: (1)儀器主磁場采用均勻磁場設(shè)計，通過梯度線圈給測試區(qū)域施加脈沖梯度磁場，并且脈沖梯度大小和持續(xù)時間可調(diào)；數(shù)據(jù)采集脈沖時序在時間軸上分為兩個窗口，在第一個窗口內(nèi)施加脈沖梯度，持續(xù)時間、，并且在該窗口內(nèi)采集CPMG回波信號，第一個窗口內(nèi)采集的CPMG回波信號主要包含儲層孔隙流體短T2弛豫組分的擴散弛豫和橫向弛豫衰減信息，變化第一個窗口內(nèi)的脈沖梯度大小及回波間隔，加載儲層孔隙流體的擴散弛豫信息，第二個窗口使用儀器的最短回波間隔采集CPMG回波串，采集孔隙流體的橫向弛豫信息，同時將第一個窗口中由于擴散弛豫引起的衰減記錄在第二個窗口采集的回波幅度中，實現(xiàn)D-T2 二維核磁共振數(shù)據(jù)采集； (2)由多孔介質(zhì)核磁共振弛豫理論，可推得這種新型脈沖時序的回波幅度，如式(I)所示，式中，bikq代表第一個窗口內(nèi)的回波個數(shù)為NElk、脈沖梯度為Gq時第i個回波的回波幅度；f(Dp，T2j)為擴散系數(shù)Dp、橫向弛豫時間T2j對應(yīng)的孔隙度分量；Y為氫核的旋磁比山為梯度脈沖持續(xù)時間；TE為后續(xù)CPMG序列的回波間隔；EZ/(^^2/)exp(-'')exp(- l'h ) i = NE11-NElk-Tei =.y=i ρ^\、上他從池\k.1y(I)



i 二 NEik +1 NE,— +2 將兩個窗口內(nèi)采集的回波串簇利用式(I)聯(lián)合反演，即可得到儲層孔隙流體的D-T2 =維分布圖譜。
【文檔編號】G01R33/46GK104280703SQ201410505355
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】范宜仁, 吳飛, 邢東輝, 巫振觀, 范卓穎, 葛新民 申請人:中國石油大學(xué)(華東)