三种典型流体性质的核磁共振响应分析

张嘉伟 赛 芳 宋公仆

（中海油田服务股份有限公司油技研究院，中国 北京101149）

0 引言

核磁共振测井技术作为一项新兴技术，目前已经广泛应用于现场测井作业中。本文主要针对水、油、气这三种流体的典型核磁共振响应进行简要介绍，通过分析其各自不同的核磁谱特性，进而利用核磁共振方法实现这三种流体识别功能。实际地层流体中主要也是由水、油、

气这三种流体构成，通过核磁共振方法能够有效得出这三种流体的核磁共振响应谱信息，为地质勘探及探井解释提供了一种十分重要的探测方法[1]。

1 三种典型流体核磁共振特性分析

1.1 核磁共振基本概念

核磁共振测井主要测量地层孔隙流体中氢核响应。仪器用静磁场和脉冲射频磁场（RF）来进行井下自旋回波核磁响应的测量。测量的重要信息均包括在回波串中。回波串的初始幅度和地层中的流体信息有关，反映的是地层孔隙度。回波幅度的衰减率反映孔径尺寸的信息和流体中流体类型。核磁共振测井仪主要测试地层流体信息，首先利用探头永磁体的静磁场使地层流体激化完全，然后发射90度脉冲使其核磁矩偏转90度，之后发射一系列的180度重聚脉冲序列使核磁矩重聚生成回波信号，仪器通过接收地层中的回波信号来进行T2谱反演分析与计算。因地层中油气水的核磁相应T2谱分布时间不同，利用该特性可以进行相应地层流体中油、气、水的识别[2]。

1.2 水的核磁共振特性

水的成分单一，粘度稳定。它的纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2和扩散系数D对同一温度都有确定的值。水的T1随温度升高而增大，温度从20℃增大到150℃时，水的T1可从3秒增大到20几秒，扩散系数D同样能增高一个数量级[3]。与T1不同，视T2不仅决定于体积弛豫时间T2B，而且将受到扩散弛豫的影响，即与水的自扩散系数、旋磁比、磁场梯度和回波间隔有关。

1.3 原油的核磁共振特性

原油的弛豫特性比水要复杂得多，Brown （1961）、Zega（1989）、Tutunjian （1992）、Beznik （1994）、VInegar（1996）、Morriss（1997）、Sho-Wei lo（1998）等都提供了与此有关的研究报告。下图1为原油的弛豫时间与粘度的关系曲线，研究结果表明纯链烃和多种链烃的混合物以及罐储原油，其核磁共振体积弛豫时间与绝对温度对粘度的比值成正比，而视T2谱同样要受到扩散弛豫的影响。高粘度原油T1=T2〈300ms；而低粘度原油T1>T2，且两者之差随TE增大而增大。在大孔隙水湿岩石中，原油与岩石颗粒表面被水隔开，因而油中的氢核弛豫时间不受地层岩性的影响，而仅决定于油的组分和地层的温度。由于原油是多种烃类的混合物,弛豫时间有一个较大的分布范围。在同时含有油和水的孔隙地层中，测到的T2是油和水两个分布的叠加，且两者并无确定的界限。高粘度的原油T2〈100ms，且有T1=T2；而轻质油T2可变化在100～2000ms之间，甚至更长，并有T1>T2，回波间隔TE减小可使T2增高并更接近T1。图1中假定仪器造成的磁场梯度为20×10-4T/cm,如果低于此值T2向T1趋近，T2=T1的区间加大[4]。

在地层条件下气液保持平衡状态的原油,与脱气后的原油性质有别。实验指出，C5～C16烷的混合物，T1与h/T的关系在双对数坐标图中是线性的。但甲烷（C1）并不遵循同样的关系，当液态甲烷达到它的临界点后，数据趋势线的斜率与低温下的液态甲烷相反。当粘度温度比大于9×10-4cp/K，甲烷在甲烷-正癸烷混合物中的分子份额占0.56时，混合物的T1与粘度温度比呈线性关系；而当粘度温度比小于这一数值时，甲烷在甲烷-正癸烷混合物中的分子份额将增大，T1～比值数据点即偏离直线。液态甲烷-正癸烷混合物的扩散系数分布为双峰结构。当原油的组分很复杂时，T1、T2和D均为一个宽谱。重组分含量增高，使T1、T2和D向减小的方向展宽，而液态甲烷的相应参数是它们的上限。

图1 原油的弛豫时间与粘度的关系曲线

1.4 天然气的核磁共振特性

天然气有干气和湿气之分，弛豫参数是组分、温度和压力的函数。对甲烷的研究已经相当全面，有足够的数据可供参考。气体的T2完全由扩散弛豫控制，甲烷的T1是温度和压力的函数，属体积弛豫[5]。气体的T2完全受控于扩散弛豫，所以T1和T2彼此无关。甲烷的扩散系数很高，其扩散系数与温度及压力的关系如下图2所示。

图2 甲烷的扩散系数

下图3为未限制扩散的甲烷 T2谱时间与扩散系数的关系，根据不同的回波间隔TE与气体的扩散系数，能够有效找到其对应不同的核磁共振T2谱时间。

图3 未限制扩散的甲烷 T2（仪器梯度＝20×10－4T/cm）

2 结束语

核磁共振测井作为一项最高端的测井技术，能够给地质勘探人员提供直接的流体核磁共振信息，通过核磁共振响应信息能够有效实现对流体的识别，从而获取直接的地层孔隙度及渗透率信息。目前核磁共振测井技术已经被广泛应用于现场实际测井中，通过水、油、气等不同的核磁共振响应特性，实现对这三种典型流体的识别分析。相信随着科技的不断发展，核磁共振技术必将越来越广泛地应用于流体的识别与探测中，实现其独特的测量优势。

［1］George Coates,肖立志，Manfred Prammer，孟繁莹，译.核磁共振测井原理与应用[M].北京：石油工业出版社，2007.

［2］黄隆基.核磁共振测井讲义[Z].2003（8）.

［3］肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京：科学出版社,1998.

［4］肖立志.核磁成像测井[J].测井技术,1995,19(4)：284～293.

［5］肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京：科学出版社,1998.