電纜核磁共振測井探頭發(fā)展現(xiàn)狀分析

范偉等

【摘 要】本文是關(guān)于核磁共振測井探頭發(fā)展現(xiàn)狀問題的綜述，側(cè)重于對現(xiàn)有探頭結(jié)構(gòu)及參數(shù)等方面的具體分析。本文共由四部分組成。首先簡單介紹了核磁共振測井發(fā)展歷史；然后分析了已有核磁共振測井探頭的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)；隨后按技術(shù)特征對探頭進(jìn)行了分類匯總；最后得出結(jié)論，組合式磁體、陣列式天線，可能成為核磁電纜測井探頭的下一個(gè)發(fā)展方向。本文關(guān)于電纜核磁測井探頭發(fā)展趨勢問題的討論，還遠(yuǎn)談不上完整全面。對此問題的深入研究，還應(yīng)考慮油氣勘探市場需求及核磁共振相關(guān)的無線電、磁性材料等技術(shù)的發(fā)展情況。

【關(guān)鍵詞】核磁；測井；探頭；共振區(qū)

0 引言

核磁共振測井作為油氣藏分析的有效技術(shù)手段，越來越多地受到國內(nèi)外學(xué)界和工業(yè)界的重視。國內(nèi)已有很多關(guān)于核磁測井技術(shù)發(fā)展趨勢的分析[1-2]，但多是關(guān)于技術(shù)總體或儀器總體的論述，鮮有針對探頭的細(xì)致分析。探頭是核磁共振測井產(chǎn)品的核心部件，用于建立核磁共振環(huán)境并接收信號。探頭的技術(shù)特征很大程度決定了儀器的總體性能。本文結(jié)合產(chǎn)品手冊、公開專利，對國外幾大公司的核磁共振測井產(chǎn)品的探頭結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了討論，希望能對該技術(shù)的下一步發(fā)展有所啟示。由于篇幅所限，本文僅討論電纜核磁，隨鉆核磁不在本文討論范圍內(nèi)。

1 核磁共振電纜測井技術(shù)發(fā)展歷史

Chevron公司在1950年代開始利用地磁場建立核磁共振環(huán)境，進(jìn)行井下勘探。1980年代，Schlumberger推出了基于地磁場的核磁勘探裝備。但由于地磁場所需功率很大，系統(tǒng)死時(shí)間長，無法觀測束縛流體信息。隨后，Jackson利用永磁體的磁共振模型打破了之前的應(yīng)用限制，此后的所有產(chǎn)品均基于永磁體的結(jié)構(gòu)。1990年代末，Halliburton公司和Schlumberger公司相繼推出了新一代電纜核磁測井儀，前者為MRIL-Prime，把觀測頻率增加到9個(gè)，并設(shè)計(jì)了預(yù)極化磁體；后者為CMR-Plus，也增加了預(yù)極化磁體。2002年Baker推出了MREx核磁共振測井儀，聲稱綜合考慮了以往儀器的優(yōu)缺點(diǎn)。Schlumberger公司于2003年推出MR Scanner，可以方便地進(jìn)行多參數(shù)測量，并且具備高、低兩種垂直分辨率。下面針對已有電纜核磁共振測井產(chǎn)品的探頭進(jìn)行分析和討論。

2 國外探頭結(jié)構(gòu)及性能

2.1 Los Alamos原型機(jī)

為了克服Chevron公司地磁核磁共振設(shè)備死時(shí)間長的缺陷。Los Alamos實(shí)驗(yàn)室的Jackson開發(fā)了第一款使用永磁體的核磁測井儀[3]。在該方案中，靜磁場由一對磁極相對，軸向排列的磁體組成（圖 1a），可以在切向建立一個(gè)環(huán)形的勻場區(qū)。勻場區(qū)的場強(qiáng)由兩磁體間距決定，圖 1b顯示兩磁體中心平面處場強(qiáng)的變化規(guī)律[4]，勻場區(qū)位置處于場強(qiáng)達(dá)最大值，隨著磁體間距（h/a）增大，勻場區(qū)逐漸遠(yuǎn)移，場強(qiáng)隨之減弱。該原型機(jī)建立了足夠的場強(qiáng)，工作頻率約500kHz，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下觀測到理想的核磁共振信號。

（a）磁體結(jié)構(gòu)及共振區(qū)示意圖 （b）場強(qiáng)隨磁體間距及徑向距離的變化

該方案沒有立即投入實(shí)際應(yīng)用，主要原因是軸向維度限制了共振區(qū)域的大小，導(dǎo)致信噪比不夠大，不能滿足電纜對測速的要求。此外，除了環(huán)形勻場區(qū)外，在井眼附件也會形成磁共振環(huán)境，來自泥漿的信號會使解釋工作復(fù)雜難解。而且，工作頻率會隨著井溫的升高而發(fā)生變化。

2.2 MRIL-Prime

MRIL是第一款被商業(yè)化的永磁體核磁測井裝備，由NUMAR公司在1980年代中期推出。NUMAR公司稍后被Halliburton公司收購。1992年推出的MRIL-B使用單頻工作，利用梯度磁場。1994年推出了使用多頻工作的MRIL-C。利用梯度磁場測量多個(gè)頻率增加了數(shù)據(jù)采集效率，進(jìn)而增強(qiáng)了采集信息質(zhì)量。1998年推出的MRIL-Prime有9個(gè)探測深度[5]，至今仍是市場上的主流產(chǎn)品之一。

在MRIL-Prime中使用了圓柱形磁體，沿徑向極化；線圈沿長度方向繞制，進(jìn)而獲得一個(gè)近似圓柱殼的敏感區(qū)（圖 2）。圓柱形磁體建立的靜磁場強(qiáng)度隨徑向距離增加而減弱，利用磁場梯度實(shí)現(xiàn)多頻測量不僅可以通過多探測深度的累加提高信號質(zhì)量，還可以識別泥漿侵入影響。在P型核磁儀器中[6]，磁場梯度約為14-21Gs/cm，敏感區(qū)厚度約為1mm。因此，為了獲取足夠的信號，敏感區(qū)域需在縱向延伸以增加樣品量。為了獲得更高的測速，MRIL-Prime增加了大段預(yù)極化磁體。實(shí)際測速高達(dá)24ft/min。

（a）儀器總體及探頭結(jié)構(gòu) （b）共振區(qū)域示意圖

但是，作為居中型周向探測設(shè)備，MRIL有固有缺陷。第一，由于儀器和井壁之間總存在間隙，在大井眼環(huán)境下，敏感區(qū)可能落入井眼。第二，當(dāng)探頭周圍泥漿電阻率很高時(shí)，線圈負(fù)載會隨之增加，導(dǎo)致射頻功耗大幅升高。為了解決這個(gè)問題，NUMAR又推出了MRIL-XL測井儀。

2.3 MRIL-XL

MRIL-XL是為了解決居中型儀器的問題而誕生的產(chǎn)品，該儀器在偏心狀態(tài)下，最大適用井徑可達(dá)16英寸，而P型只能達(dá)到12.25英寸。MRIL-XL的公開資料較少，基于Prammer的專利[7]，猜測磁體與P型一樣，但線圈被分成了四部分，可以進(jìn)行不同發(fā)射組合。對于小井眼或負(fù)載不大的情況，四部分線圈同時(shí)打開，居中測量；而當(dāng)泥漿電阻率很大、井眼太大或井眼不規(guī)則時(shí)，僅打開臨近的兩個(gè)線圈，進(jìn)行偏心測量[8]（圖 3）。因此，MRIL-XL可適用于7-7/8至16英寸的井，通用性更強(qiáng)。此外，MRIL-XL和MRIL-P都提供二維（T1/T2）測量功能，用于油氣識別和定量分析。

2.4 CMR-Plus

CMR（可組合磁共振）由Schlumberger公司發(fā)布于1995年，稍晚于MRIL-B。CMR-Plus是基于CMR-200（1999）改良的，增加了預(yù)極化磁體和改進(jìn)的序列，因此測速可提高3至5倍。相比其他核磁測井產(chǎn)品，CMR-Plus體積小、重量輕，有著獨(dú)特的優(yōu)勢。在CMR中[9]，兩個(gè)平板磁體平行放置，極化方向相同。在兩磁體中間向外延伸的區(qū)域建立勻場區(qū)。在兩個(gè)磁體中間放置了第三塊小磁鐵，使勻場區(qū)向探測方向延展。線圈位于兩個(gè)主磁體之間，距儀器外壁很近，形成半圓結(jié)構(gòu)，開放的一側(cè)面向敏感區(qū)（圖 4）。這樣構(gòu)成的敏感區(qū)是單邊的，主要信號來自長15cm，厚2.5cm的柱形區(qū)域。如此可以達(dá)到很高的空間分辨率和信噪比。

由于CMR采用單邊測量，可適用于大井眼。但是由于測深僅有2.5cm，即便少量泥漿進(jìn)入地層也會對測量結(jié)果帶來很大的影響。而且，由于選用均勻場，只能單頻工作，需解決溫度變化引起的頻漂問題。盡管CMR使用均勻場，它仍可以利用甜點(diǎn)附近的梯度磁場測量擴(kuò)散系數(shù)。但是甜點(diǎn)附近的梯度變化較大，需對擴(kuò)散測量結(jié)果進(jìn)行梯度校正。

2.5 MR Scanner

Schlumberger公司最新的核磁共振測井儀MR Scanner于2003年投入市場[10]，最初命名為MRX，因與Baker公司的MREX太接近而更名。MR Scanner利用梯度磁場，通過切換頻率可以測量不同深度的殼層。MR Scanner探頭公開的技術(shù)資料很少，根據(jù)專利[11]（圖 5）猜測線圈被繞在圓弧形的磁芯上，磁體沿徑向極化。Schlumberger公司的產(chǎn)品手冊上顯示MR Scanner具有一個(gè)主天線和兩個(gè)高分辨率天線，最高垂直分辨率可達(dá)6英寸。此外，MR Scanner可以根據(jù)實(shí)際需求改變探頭工作狀態(tài)，靈活調(diào)整測速和測量精度，具有很好的市場適應(yīng)性。

2.6 MR Explorer（MREX）

MREX由Baker公司于2002年推出。利用梯度磁場，采用單邊測量方式。探測深度為6.1～11.2cm，比MR Scanner略深。MREX探頭由主磁體和輔助小磁體組合而成（圖 6a）。輔助磁體有兩個(gè)作用，一是增強(qiáng)探頭外部的磁場強(qiáng)度進(jìn)而增大信號強(qiáng)度；二是減少探頭內(nèi)部的場強(qiáng)，避免磁芯飽和。而磁芯是為了增加天線收發(fā)效率的。圖 6b顯示了輔助磁體對信號探測區(qū)域場強(qiáng)的影響。場強(qiáng)的繪制沿著圖 6a虛線的方向?？梢娸o助磁體使敏感區(qū)磁場更強(qiáng)，而磁芯中的磁場減弱。

3 技術(shù)特征分類

3.1 按磁場類型分類

根據(jù)表 1，按磁場類型可分為勻場和梯度磁場。圖 7顯示了各種磁場類型的場強(qiáng)變化趨勢，虛線示意共振區(qū)域。圖 7a 為典型的梯度磁場變化曲線，可見共振區(qū)域較窄；圖 7b是Los Alamos勻場區(qū)域示意，其勻場出現(xiàn)在磁場最強(qiáng)處；圖 7c是CMR使用了輔助小磁體后的勻場區(qū)，因?yàn)槭褂昧苏{(diào)整磁體，勻場區(qū)域明顯增大。在前面的討論中，只有LosAlamos原型機(jī)和CMR使用了均勻磁場。勻場的優(yōu)勢在于共振區(qū)域大，信噪比好，所測T2受擴(kuò)散影響?。坏莿驁龆济媾R溫度變化引起的頻率漂移問題。相比之下，利用梯度磁場可以測量多個(gè)探測深度，進(jìn)而獲得較高的測速和豐富的采集信息，而且當(dāng)溫度引起磁場變化時(shí)，無需在意探測深度的小幅變化。

（a）典型梯度磁場 （b）Los Alamos勻場

（c）CMR勻場

3.2 按共振區(qū)域分類

按照共振區(qū)域的形狀，可大致分為環(huán)形（360°）和單邊。除了MRIL-Prime之外，其它探頭均支持單邊測量。環(huán)形共振區(qū)的優(yōu)勢在于共振區(qū)域大，信噪比好，而且受地層不一致性影響小。但是對照單邊共振區(qū)，環(huán)形區(qū)需要更大的射頻功率，受井眼環(huán)境影響大。相比之下，單邊類型具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。MRIL-XL就是在這種需求下產(chǎn)生的，它可以適用于16英寸的井眼。

此外，按共振區(qū)長度可分為高分辨率和普通分辨率。Schlumberger公司的兩款電纜核磁產(chǎn)品的靜態(tài)垂直分辨率均可達(dá)到20cm以下，對于區(qū)分薄層擁有獨(dú)到的優(yōu)勢；其MR Scanner產(chǎn)品更是同時(shí)具備兩種分辨率的天線，可以提供更為豐富的地層信息。

3.3 按工作頻率分類

工作頻率是與磁場強(qiáng)度唯一對應(yīng)的。在此以1MHz為限，只有Schlumberger公司的CMR大于此限，工作頻率達(dá)到2.2MHz。其他產(chǎn)品均介于500～1000kHz。原則上，工作頻率越高，信噪比越好。但高頻意味著更高的場強(qiáng)，可能以犧牲探測深度為代價(jià)。（下轉(zhuǎn)第174頁）

（上接第53頁）4 結(jié)論

自Chevron公司利用地磁場開始，將核磁共振技術(shù)用于測井已有六十余年的歷史。1980年代對永磁體的利用使該技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化，此后二十年各公司先后推出了豐富的核磁共振測井產(chǎn)品。但近十年鮮見新產(chǎn)品問世，大多工作是基于原有產(chǎn)品的改良和升級。可見該技術(shù)的發(fā)展已趨于成熟。基于之前的產(chǎn)品分析和分類比較，考慮了電纜核磁共振探頭可能的兩個(gè)發(fā)展方向。

1）組合式磁體。Schlumberger公司的CMR和Baker公司的MREx都使用了較為復(fù)雜的磁體組合，其好處在于可以靈活地控制磁場強(qiáng)度和磁場梯度。合理的磁場梯度更適合擴(kuò)散系數(shù)的采集，簡化多參數(shù)測量時(shí)的數(shù)據(jù)處理與解釋工作。此外，參考CMR產(chǎn)品的磁場趨勢，可以同時(shí)利用勻場區(qū)和梯度磁場，實(shí)現(xiàn)更為豐富的信息采集。

2）陣列式天線。Halliburton公司的MRIL-XL和Schlumberger公司的MR Scanner都使用了多組線圈。多線圈的組合對于提高空間分辨率以及提高測速極有幫助，而這兩點(diǎn)恰恰是目前勘探市場關(guān)注的重點(diǎn)。

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