电缆核磁共振测井探头发展现状分析

范伟等

【摘 要】本文是关于核磁共振测井探头发展现状问题的综述，侧重于对现有探头结构及参数等方面的具体分析。本文共由四部分组成。首先简单介绍了核磁共振测井发展历史；然后分析了已有核磁共振测井探头的结构和性能指标；随后按技术特征对探头进行了分类汇总；最后得出结论，组合式磁体、阵列式天线，可能成为核磁电缆测井探头的下一个发展方向。本文关于电缆核磁测井探头发展趋势问题的讨论，还远谈不上完整全面。对此问题的深入研究，还应考虑油气勘探市场需求及核磁共振相关的无线电、磁性材料等技术的发展情况。

【关键词】核磁；测井；探头；共振区

0 引言

核磁共振测井作为油气藏分析的有效技术手段，越来越多地受到国内外学界和工业界的重视。国内已有很多关于核磁测井技术发展趋势的分析[1-2]，但多是关于技术总体或仪器总体的论述，鲜有针对探头的细致分析。探头是核磁共振测井产品的核心部件，用于建立核磁共振环境并接收信号。探头的技术特征很大程度决定了仪器的总体性能。本文结合产品手册、公开专利，对国外几大公司的核磁共振测井产品的探头结构和参数进行了讨论，希望能对该技术的下一步发展有所启示。由于篇幅所限，本文仅讨论电缆核磁，随钻核磁不在本文讨论范围内。

1 核磁共振电缆测井技术发展历史

Chevron公司在1950年代开始利用地磁场建立核磁共振环境，进行井下勘探。1980年代，Schlumberger推出了基于地磁场的核磁勘探装备。但由于地磁场所需功率很大，系统死时间长，无法观测束缚流体信息。随后，Jackson利用永磁体的磁共振模型打破了之前的应用限制，此后的所有产品均基于永磁体的结构。1990年代末，Halliburton公司和Schlumberger公司相继推出了新一代电缆核磁测井仪，前者为MRIL-Prime，把观测频率增加到9个，并设计了预极化磁体；后者为CMR-Plus，也增加了预极化磁体。2002年Baker推出了MREx核磁共振测井仪，声称综合考虑了以往仪器的优缺点。Schlumberger公司于2003年推出MR Scanner，可以方便地进行多参数测量，并且具备高、低两种垂直分辨率。下面针对已有电缆核磁共振测井产品的探头进行分析和讨论。

2 国外探头结构及性能

2.1 Los Alamos原型机

为了克服Chevron公司地磁核磁共振设备死时间长的缺陷。Los Alamos实验室的Jackson开发了第一款使用永磁体的核磁测井仪[3]。在该方案中，静磁场由一对磁极相对，轴向排列的磁体组成（图 1a），可以在切向建立一个环形的匀场区。匀场区的场强由两磁体间距决定，图 1b显示两磁体中心平面处场强的变化规律[4]，匀场区位置处于场强达最大值，随着磁体间距（h/a）增大，匀场区逐渐远移，场强随之减弱。该原型机建立了足够的场强，工作频率约500kHz，可以在实验室环境下观测到理想的核磁共振信号。

（a）磁体结构及共振区示意图 （b）场强随磁体间距及径向距离的变化

该方案没有立即投入实际应用，主要原因是轴向维度限制了共振区域的大小，导致信噪比不够大，不能满足电缆对测速的要求。此外，除了环形匀场区外，在井眼附件也会形成磁共振环境，来自泥浆的信号会使解释工作复杂难解。而且，工作频率会随着井温的升高而发生变化。

2.2 MRIL-Prime

MRIL是第一款被商业化的永磁体核磁测井装备，由NUMAR公司在1980年代中期推出。NUMAR公司稍后被Halliburton公司收购。1992年推出的MRIL-B使用单频工作，利用梯度磁场。1994年推出了使用多频工作的MRIL-C。利用梯度磁场测量多个频率增加了数据采集效率，进而增强了采集信息质量。1998年推出的MRIL-Prime有9个探测深度[5]，至今仍是市场上的主流产品之一。

在MRIL-Prime中使用了圆柱形磁体，沿径向极化；线圈沿长度方向绕制，进而获得一个近似圆柱壳的敏感区（图 2）。圆柱形磁体建立的静磁场强度随径向距离增加而减弱，利用磁场梯度实现多频测量不仅可以通过多探测深度的累加提高信号质量，还可以识别泥浆侵入影响。在P型核磁仪器中[6]，磁场梯度约为14-21Gs/cm，敏感区厚度约为1mm。因此，为了获取足够的信号，敏感区域需在纵向延伸以增加样品量。为了获得更高的测速，MRIL-Prime增加了大段预极化磁体。实际测速高达24ft/min。

（a）仪器总体及探头结构 （b）共振区域示意图

但是，作为居中型周向探测设备，MRIL有固有缺陷。第一，由于仪器和井壁之间总存在间隙，在大井眼环境下，敏感区可能落入井眼。第二，当探头周围泥浆电阻率很高时，线圈负载会随之增加，导致射频功耗大幅升高。为了解决这个问题，NUMAR又推出了MRIL-XL测井仪。

2.3 MRIL-XL

MRIL-XL是为了解决居中型仪器的问题而诞生的产品，该仪器在偏心状态下，最大适用井径可达16英寸，而P型只能达到12.25英寸。MRIL-XL的公开资料较少，基于Prammer的专利[7]，猜测磁体与P型一样，但线圈被分成了四部分，可以进行不同发射组合。对于小井眼或负载不大的情况，四部分线圈同时打开，居中测量；而当泥浆电阻率很大、井眼太大或井眼不规则时，仅打开临近的两个线圈，进行偏心测量[8]（图 3）。因此，MRIL-XL可适用于7-7/8至16英寸的井，通用性更强。此外，MRIL-XL和MRIL-P都提供二维（T1/T2）测量功能，用于油气识别和定量分析。

2.4 CMR-Plus

CMR（可组合磁共振）由Schlumberger公司发布于1995年，稍晚于MRIL-B。CMR-Plus是基于CMR-200（1999）改良的，增加了预极化磁体和改进的序列，因此测速可提高3至5倍。相比其他核磁测井产品，CMR-Plus体积小、重量轻，有着独特的优势。在CMR中[9]，两个平板磁体平行放置，极化方向相同。在两磁体中间向外延伸的区域建立匀场区。在两个磁体中间放置了第三块小磁铁，使匀场区向探测方向延展。线圈位于两个主磁体之间，距仪器外壁很近，形成半圆结构，开放的一侧面向敏感区（图 4）。这样构成的敏感区是单边的，主要信号来自长15cm，厚2.5cm的柱形区域。如此可以达到很高的空间分辨率和信噪比。

由于CMR采用单边测量，可适用于大井眼。但是由于测深仅有2.5cm，即便少量泥浆进入地层也会对测量结果带来很大的影响。而且，由于选用均匀场，只能单频工作，需解决温度变化引起的频漂问题。尽管CMR使用均匀场，它仍可以利用甜点附近的梯度磁场测量扩散系数。但是甜点附近的梯度变化较大，需对扩散测量结果进行梯度校正。

2.5 MR Scanner

Schlumberger公司最新的核磁共振测井仪MR Scanner于2003年投入市场[10]，最初命名为MRX，因与Baker公司的MREX太接近而更名。MR Scanner利用梯度磁场，通过切换频率可以测量不同深度的壳层。MR Scanner探头公开的技术资料很少，根据专利[11]（图 5）猜测线圈被绕在圆弧形的磁芯上，磁体沿径向极化。Schlumberger公司的产品手册上显示MR Scanner具有一个主天线和两个高分辨率天线，最高垂直分辨率可达6英寸。此外，MR Scanner可以根据实际需求改变探头工作状态，灵活调整测速和测量精度，具有很好的市场适应性。

2.6 MR Explorer（MREX）

MREX由Baker公司于2002年推出。利用梯度磁场，采用单边测量方式。探测深度为6.1～11.2cm，比MR Scanner略深。MREX探头由主磁体和辅助小磁体组合而成（图 6a）。辅助磁体有两个作用，一是增强探头外部的磁场强度进而增大信号强度；二是减少探头内部的场强，避免磁芯饱和。而磁芯是为了增加天线收发效率的。图 6b显示了辅助磁体对信号探测区域场强的影响。场强的绘制沿着图 6a虚线的方向。可见辅助磁体使敏感区磁场更强，而磁芯中的磁场减弱。

3 技术特征分类

3.1 按磁场类型分类

根据表 1，按磁场类型可分为匀场和梯度磁场。图 7显示了各种磁场类型的场强变化趋势，虚线示意共振区域。图 7a 为典型的梯度磁场变化曲线，可见共振区域较窄；图 7b是Los Alamos匀场区域示意，其匀场出现在磁场最强处；图 7c是CMR使用了辅助小磁体后的匀场区，因为使用了调整磁体，匀场区域明显增大。在前面的讨论中，只有LosAlamos原型机和CMR使用了均匀磁场。匀场的优势在于共振区域大，信噪比好，所测T2受扩散影响小；但是匀场都面临温度变化引起的频率漂移问题。相比之下，利用梯度磁场可以测量多个探测深度，进而获得较高的测速和丰富的采集信息，而且当温度引起磁场变化时，无需在意探测深度的小幅变化。

（a）典型梯度磁场 （b）Los Alamos匀场

（c）CMR匀场

3.2 按共振区域分类

按照共振区域的形状，可大致分为环形（360°）和单边。除了MRIL-Prime之外，其它探头均支持单边测量。环形共振区的优势在于共振区域大，信噪比好，而且受地层不一致性影响小。但是对照单边共振区，环形区需要更大的射频功率，受井眼环境影响大。相比之下，单边类型具备更强的环境适应性。MRIL-XL就是在这种需求下产生的，它可以适用于16英寸的井眼。

此外，按共振区长度可分为高分辨率和普通分辨率。Schlumberger公司的两款电缆核磁产品的静态垂直分辨率均可达到20cm以下，对于区分薄层拥有独到的优势；其MR Scanner产品更是同时具备两种分辨率的天线，可以提供更为丰富的地层信息。

3.3 按工作频率分类

工作频率是与磁场强度唯一对应的。在此以1MHz为限，只有Schlumberger公司的CMR大于此限，工作频率达到2.2MHz。其他产品均介于500～1000kHz。原则上，工作频率越高，信噪比越好。但高频意味着更高的场强，可能以牺牲探测深度为代价。（下转第174页）

（上接第53页）4 结论

自Chevron公司利用地磁场开始，将核磁共振技术用于测井已有六十余年的历史。1980年代对永磁体的利用使该技术大规模商业化，此后二十年各公司先后推出了丰富的核磁共振测井产品。但近十年鲜见新产品问世，大多工作是基于原有产品的改良和升级。可见该技术的发展已趋于成熟。基于之前的产品分析和分类比较，考虑了电缆核磁共振探头可能的两个发展方向。

1）组合式磁体。Schlumberger公司的CMR和Baker公司的MREx都使用了较为复杂的磁体组合，其好处在于可以灵活地控制磁场强度和磁场梯度。合理的磁场梯度更适合扩散系数的采集，简化多参数测量时的数据处理与解释工作。此外，参考CMR产品的磁场趋势，可以同时利用匀场区和梯度磁场，实现更为丰富的信息采集。

2）阵列式天线。Halliburton公司的MRIL-XL和Schlumberger公司的MR Scanner都使用了多组线圈。多线圈的组合对于提高空间分辨率以及提高测速极有帮助，而这两点恰恰是目前勘探市场关注的重点。

【参考文献】

[1]肖立志，谢然红，等. 核磁共振测井仪器的最新进展与未来发展方向[J]. 测井技术，2003， 27（4）： 265-269.

[2]毕林锐. 核磁共振测井技术的最新若干进展[J]. 工程地球物理学报，2007， 4（4）： 369-374.

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[7]Prammer M. G.. Eccentric NMR well logging apparatus and method[P].US 6023164.

[8]Prammer M.G.， Menger S.， et al. Directional resonance： new applications for MRIL[C].2003， SPE 84479.

[9]F. Casanova， J. Perlo， et al. Single-Sided NMR[M]. Springer， 2011.

[10]Depavia L.， Heaton N. et al， A next-generation wireline NMR logging tool[C].2003， SPE 84482.

[11]Ali K. Toufaily， Richmond， et al. Method and appratus for tuning an NMR coil [P]. US6573716.

[12]Beard D.R.， Reiderman A.. Side-looking NMR probe for oil well logging[P].US6348792.

[责任编辑：曹明明]