专利名称：恒定梯度场核磁共振岩样分析方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪器和利用核磁共振二维谱技术识别流体类型和测量岩石物性参数的方法。
背景技术：
近些年，核磁共振技术在石油勘探开发领域得到高度重视和发展，已广泛应用于核磁共振录井、核磁共振测井和低渗透储层评价等方面，从而推动了核磁共振仪器及其测量方法在石油勘探开发中快速发展。中国专利200410083878. 2中描述了用岩石核磁共振弛豫信号测量地层岩石物性的设备及测量方法。该设备包括磁体、探头、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制计算机等部分。该设备通过测量获得一维的弛豫时间T2谱，可以快速给出孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和含油饱和度等岩石物性参数。核磁共振仪器除了提供弛豫时间T2以外，还可以提供流体的扩散系数D。目前所有的可以测量流体扩散系数的实验室核磁共振仪器采用的是电梯度，利用电流的方式来获得梯度磁场，利用电流来控制梯度的大小和方向，在医学的核磁共振仪器方面也广泛采用该种方式。但是，由于在石油勘探开发中原油的扩散系数较小，所以需要很大的梯度场，才能测量到原油的扩散系数，对油和水进行识别。梯度场的大小是由瞬间电流的大小决定的，但是，瞬间电流是不可能无限放大的，它的大小将受到仪器的限制。特别是产生瞬间电流越大，将会导致系统越复杂。目前，核磁共振仪器动态驱替实验都是驱替后，将岩心取出，然后进行核磁共振测量。而核磁共振高温高压核磁共振实验就根本无法进行。主要是由于核磁共振仪器的电磁场无法穿越金属壳，在探头内部不能形成梯度磁场，从而无法进行扩散编码，测量流体的扩散系数。这些都抑制了核磁共振实验室技术的发展。因此，急需可以测量扩散系数，能够进行高温高压实验的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪以及核磁共振二维谱识别流体类型和评价岩石物性参数的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪及测量方法，以测量扩散系数、弛豫时间、原油粘度、孔隙度、渗透率、含油、水饱和度及分布、可动流体饱和度等岩石物性参数和流体性质参数，解决石油勘探开发中的流体识别和储层评价中的难点问题，提高室内核磁共振装备与技术水平，满足油气田勘探开发需求，促进核磁共振岩样技术在石油勘探开发领域快速发展。本发明采用的技术方案是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪由测量装置I和控制系统4构成；测量装置I由梯度磁体2、探头3和温控系统构成；梯度磁体2是一个封闭的腔体，探头2位于梯度磁体腔体的中心位置，探头2与控制系统4通过电缆与控制系统4的T/R匹配电路10连接；控制系统4通过USB 口与计算机连接。
恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的梯度磁体2由轭板14、磁钢15、极板16、侧轭板17构成；轭板14和侧轭板17组成梯度磁体腔体，磁钢15与轭板14连接，极板16截面为梯形结构，与磁钢15连接；轭板、极板、侧轭板采用电工纯铁DT4C材料加工制成，磁钢采用
217SmCo磁性材料制成。磁钢15与轭板14，极板16与磁钢采用BJ-39胶粘接。梯度磁体2会产生纵向均匀而横向存在梯度的磁场Btl形成样品探测区，磁场方向沿着z轴，梯度方向沿X轴。两极板的角度在10 30°之间,其两极板间形成的气隙在150 364mm之间。(详见专利200910092839.1公布的一种用于恒定梯度场岩样分析仪的梯度永磁体)。梯度磁体2外表面是一组温控系统6，会对梯度磁体进行10 60度恒温控制，减少温度对仪器测量结果的影响。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头3由一个不导电的圆形样品管18，回路线圈19构成；回路线圈19缠绕在样品管18上；回路线圈19为螺旋管线圈、鞍形线圈或其它适用的线圈。探头可作为发射机将激励信号以射频的方式发射到待测样品中和作为接收机接收核磁共振信息。探头3内部是样品探测区20。特别是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可以放置核磁共振高温高压探头。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪控制系统4由主控制器7，频率发生器8，功率放大器9，T/R匹配电路10，前置放大器11、接收器12和带有缓存A/D转换器13构成。主控制器7主要有3个功能，产生并发射用以激发核磁共振信号的脉冲序列，接收核磁共振回波信号以及将该信号计算处理上传至计算机，主控制器7通过USB接口与计算机5进行互联及数据传输。频率发生器8与主控制器7进行采用电缆互联，该频率发生器将主控制器产生的核磁共振激励信号进行电流驱动，所产生的信号送至功率放大器9进行功率放大。功率放大器9与频率发生器8采用电缆互联，该功率放大器可将信号放大到几百瓦，用来激发待测样品的核磁共振信息。探头3以及发射器/接收器(T/R)匹配电路10通常包括一个谐振电容器、一个T/R转换开关和阻抗匹配电路，与功率放大器9和前置放大器11采用电缆连接；为获得更准确的回波信号数据，要求在射频激励信号发射完之后尽量短的时间内接收回波信号，通过T/R发射接收转换开关可以快速有效的完成这一转换过程；阻抗匹配电路用来对射频电路进行阻抗匹配。经过前置放大器将核磁共振回波信号放大约70DB，其幅值经放大后可以接收器12采集接收，然后由一个带有缓存器的A/D转换器13输出到主控制器7上，以提供用于进一步使用和分析的所需输出数据。前置放大器11与接收器12，接收器12与A/D转换器13之间采用电缆连接。同时，该系统还包括辅助设备计算机5，对控制系统进行控制，从而来控制整套仪器。计算机5与控制系统4中的主控制器7之间连接，采用USB 口的方式。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的测量方法分为A步骤恒定梯度场脉冲序列及参数设计步骤获得核磁共振二维谱；C步骤恒定梯度场核磁共振定标；D步骤识别流体类型；E步骤计算岩石物性参数；F步骤获得岩样轴向饱和度分布。A步骤恒定梯度场脉冲序列及参数设计脉冲序列是核磁共振技术的灵魂，决定了核磁共振的应用领域。本发明涉及一个CGMF-CPMG脉冲序列。90度脉冲和180度脉冲之间的时间间隔为脉冲间隔tau，单位us，Nk为tau的个数,单位个。当k = I时,脉冲间隔tau的值为tauNl，一个90度脉冲后面跟着P1个180度脉冲，此时CGMF-CPMG脉冲序列就简化成CPMG脉冲序列；当k = 2时，一个90度脉冲后面跟着P2个180度脉冲……一直到等于k时，一个90度脉冲后面跟着Pk个180度脉冲。该技术的原理是由于分子的布朗运动造成核磁共振信号强度的衰减，而这种衰减与流体分子的扩散系数关联。90度脉冲的作用是使宏观磁化矢量旋转到横向平面上，连续的180度脉冲的作用是重新聚焦除了扩散衰减导致的相散以外的信号，获得自旋回波衰减T2的其它机制的信息。通过在恒定梯度场下改变CGMF-CPMG脉冲序列中tau的值，来产生扩散效应。恒定梯度场是由磁体产生的，一直作用于样品探测区。根据被测样品中饱和流体设计CGMF-CPMG脉冲序列中回波串k，脉冲间隔tau，180度脉冲个数Ne，等待时间RD参数，进行核磁共振测量获得测量数据；k值为2 8，tau的值分布在150us 20000us之间，Ne的值分布在128 30720之间，等待时间分布在2000ms 12000ms 之间；B步骤获得核磁共振二维谱；核磁共振技术在石油工业中的应用，主要是利用核磁共振仪来测量岩石孔隙中饱和流体氢核的信号。这些应用不仅与流体本身有关，同时还受到岩石的孔隙结构的影响。流体中氢核的弛豫时间的影响因素包括体弛豫，表面弛豫和扩散弛豫。体弛豫T2b是自旋核与晶格之间能量转移的过程，弛豫时间受自旋-自旋偶合作用和共振频率的影响。表面弛豫T2s是多孔介质中孔隙流体分子间的相互作用，弛豫时间和表面弛豫率以及孔隙的比表面有关。扩散弛豫和分子的扩散系数D，磁场梯度G，脉冲间隔tau有关。因此，在岩石孔隙中T2弛豫时间的表达式为
权利要求
1.一种恒定梯度场核磁共振岩样分析方法，其特征在于 1)在由磁体产生的恒定梯度场下，根据被测样品中饱和流体设计的CGMF-CPMG脉冲序列中回波串k，脉冲间隔tau，180度脉冲个数Ne，等待时间RD参数，进行核磁共振测量获得测量数据；k值为2 8，tau的值分布在150us 20000us之间，Ne的值分布在128 30720之间，等待时间分布在2000ms 12000ms之间； .2)将步骤I)测量的核磁共振数据转化成核磁共振二维谱D-T2;采用CGMF-CPMG脉冲序列测量的数据遵循多指数衰减规律
2.根据权利I所述的方法，其特征在于引入原油系数后，由于原油的信号和总信号都发生变化，可动流体饱和度、束缚水饱和度、可动水饱和度时需要根据解释模板，重新选择区域，进行计算；孔隙度、渗透率、含油饱和度通过公式进行修正 原油系数对含油饱和度的修正公式
3.—种权利要求1所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于分析仪由测量装置⑴和控制系统⑷构成；测量装置由梯度磁体⑵、探头⑶和温控系统构成；梯度磁体是一个封闭的腔体，探头位于梯度磁体腔体的中心位置，探头与控制系统通过电缆与控制系统的T/R匹配电路(10)连接；控制系统通过USB 口与计算机(5)连接。
4.根据权利要求3所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的梯度磁体⑵由轭板(14)、磁钢(15)、极板(16)、侧轭板(17)构成；轭板和侧轭板组成梯度磁体腔体，磁钢与轭板连接，极板截面为梯形结构，与磁钢连接；轭板、极板、侧轭板采用电工纯铁DT4C材料加工制成，磁钢采用2 :17SmCo磁性材料制成；磁钢与轭板，极板与磁钢采用BJ-39胶粘接；梯度磁体会产生纵向均匀而横向存在梯度的磁场B。形成样品探测区，磁场方向沿着z轴，梯度方向沿X轴；两极板的角度在10 30°之间，其两极板间形成的气隙在150 364mm之间；梯度磁体外表面是一组温控系统，会对梯度磁体进行10 60度恒温控制，减少温度对仪器测量结果的影响。
5.根据权利要求3所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头(3)由一个不导电的圆形样品管(18)，回路线圈(19)构成；回路线圈缠绕在样品管上；回路线圈为螺旋管线圈、鞍形线圈或其它适用的线圈；探头能作为发射机将激励信号以射频的方式发射到待测样品中和作为接收机接收核磁共振信息；探头内部是样品探测区(20)。
6.根据权利要求3所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于恒定梯度场核磁共振岩样分析仪控制系统(4)由主控制器(7)，频率发生器(8)，功率放大器(9)，T/R匹配电路(10)，前置放大器(11)、接收器(12)和带有缓存A/D转换器(13)构成；主控制器产生并发射用以激发核磁共振信号的脉冲序列，接收核磁共振回波信号和将该信号计算处理上传至计算机，主控制器通过USB接口与计算机(5)进行互联及数据传输；频率发生器与主控制器采用电缆互联，频率发生器将主控制器产生的核磁共振激励信号进行电流驱动，所产生的信号送至功率放大器进行功率放大；功率放大器与频率发生器采用电缆互联，功率放大器将信号放大到几百瓦，用来激发待测样品的核磁共振信息；探头和发射器/接收器T/R匹配电路包括一个谐振电容器、一个T/R转换开关和阻抗匹配电路，与功率放大器和前置放大器采用电缆连接；通过T/R发射接收转换开关完成发射接收转换过程；阻抗匹配电路用来对射频电路进行阻抗匹配；经过前置放大器将核磁共振回波信号放大70DB，其幅值经放大后接收器采集接收，然后由带有缓存器的A/D转换器输出到主控制器上，提供用于下一步使用和分析的所需输出数据；前置放大器与接收器，接收器与A/D转换器之间采用电缆连接。
全文摘要
本发明涉及一种恒定梯度场核磁共振岩样分析方法及仪器；在由磁体产生的恒定梯度场下进行核磁共振测量获得测量数据；将测量的核磁共振数据转化成核磁共振二维谱D-T2；对恒定梯度场的标准样进行测量、反演得到标准样核磁共振二维谱D-T2；测量岩样，获得岩样中流体核磁共振二维谱D-T2，根据实际测量岩样的核磁共振二维谱D-T2进行流体类型识别；根据岩样中流体的核磁共振二维谱D-T2计算岩样的流体性质和岩石物性参数；对岩样进行单切片扫描，获得岩样的局部油、水饱和度；对岩样进行连续的切片扫描，得岩样轴向油、水饱和度分布，可动流体饱和度分布；本方法可更好的评价储层和识别流体。
文档编号G01N15/08GK102998322SQ20111027247
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者刘卫, 孙威, 顾兆斌, 孙佃庆 申请人:中国石油天然气股份有限公司