CN103487837B - 拟饱含水核磁共振自旋回波信号的分解与合成方法 - Google Patents

Abstract

“拟饱含水核磁共振自旋回波信号的分解与合成方法”。根据已知的饱和度数据和对应的弛豫信号，优化拟合确定不同油样饱和度对弛豫过程的影响系数。对于不同含油饱和度的弛豫信号，用同体积的盐水取代其中的油样，通过引入所述的影响系数，表征不同含油饱和度油样对弛豫信号的影响，据此写出不同含油饱和度下拟饱含水核磁共振弛豫信号。反演拟饱含水岩心的自旋回波弛豫信号，可以在一定程度上消除不同流体类型和不同饱和度的影响，提高核磁共振信号对岩石孔隙结构和流体的识别能力。本发明实现拟饱含水岩心核磁共振自旋回波信号的合成与分解，达到提高核磁共振数据评价岩石孔隙结构与流体识别的精度与可靠性。

Description

拟饱含水核磁共振自旋回波信号的分解与合成方法

技术领域

本发明属于石油勘探技术领域，应用于地层岩石孔隙流体的识别和孔隙结构分析。

技术背景

核磁共振自旋回波信号是核磁共振弛豫谱反演的基础数据，核磁共振弛豫谱可以用于地层岩石孔隙流体的识别和孔隙结构分析。在实际应用中，地层孔隙流体与孔隙结构对自旋回波信号的影响相互叠加，所以，目前直接反演自旋回波信号得到的弛豫谱分布，实际上包含了岩石孔隙流体和孔隙结构相互叠加的信息，导致弛豫谱数据在孔隙流体识别和孔隙结构分析上都出现困难。

现有的自旋回波信号反演方法，都是不加区别的反演包含孔隙流体信息和孔隙结构信息的总回波信号。然后，根据反演弛豫谱的分布形式和数值特征分析孔隙流体类型和孔隙结构特征。尽管通过改进反演算法，可以提高弛豫谱分布的精度和稳定性，但是，由于没有实现孔隙流体信息和孔隙结构信息的分离反演，所以，无法从根本上提高识别孔隙流体和分析孔隙结构的精度。

发明内容

本发明目的在于公开一种核磁共振弛豫信号的分解与合成方法，这种方法可以提高核磁共振数据对岩石孔隙结构和流体类型的识别能力。

概括的说，首先在实验流程中分别测量研究流体样品(油样和盐水)的横向自由弛豫时间，配置不同饱和度的油样，并测量在不同油样饱和度下岩样的横向弛豫时间；实验获得数据后，在数据处理中采用“挖补法”，将不同含油饱和度下岩样的弛豫信号与完全饱含水岩样的弛豫信号进行优化拟合，得到不同饱和度油样对岩石总弛豫信号的影响系数(即流体分离系数)，如此，通过分解合成得到不同饱和度下岩石拟完全含水弛豫信号。本发明获得的岩石拟完全含水弛豫信号，在一定程度上消除了不同流体类型和饱和度对总弛豫信号的影响，提高岩石弛豫信号对岩石孔隙结构和流体的识别能力。

本发明通过以下技术方案实现：

一种拟饱含水核磁共振自旋回波信号的分解与合成方法，其特征在于，该方法包括实验流程和数据分析两个部分，其中，

(一)所述实验流程，即进行的核磁实验包括步骤有：

1.1、准备好若干实验岩芯、一定矿化度的盐水和实验油样，并对岩芯进行必要的预处理，完成实验前的准备。(该部分属本领域普通技术人员具备的公知常识以及掌握的实验常规操作，属于现有技术)

1.2、测量或者查询出实验配置盐水和实验油样(比如变压器油，或煤油)的自由横向弛豫时间。

1.3、分不同饱和度阶段，向岩心中注入油样，驱替原先占据孔隙的部分盐水。在各个不同的饱和度阶段，记录下它们饱和度数据，同时测量对应的不同盐水饱和度岩芯的弛豫回波信号。

继而，(二)所述数据分析包括步骤有：

2.1、“挖补法”用以消除油相驰豫信号

使用挖补法，去掉含油的体积，用相同的体积的水替代，将饱含油样和盐水的弛豫信号恢复成拟完全饱含盐水的弛豫信号，即方程(2)，

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-S_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+S_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2w}})---\left(2\right)$

式中，M(t)，挖补法恢复的饱含水总信号，也即拟完全含水弛豫信号，无单位；T_2w，水的体积弛豫时间，ms；M_o用第一个回波信号代替；在水相和油相信号的前面加上修正系数V_c，方程2变成，

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2w}})---\left(3\right)$

2.2、确定不同流体弛豫信号的分离系数V_c

方程3中的M(t)相当于挖补法确定的岩心饱含水的弛豫信号，设M(t)与实测饱含水岩心弛豫信号Mw(t)之间的均方差为Q_a(V_c)，

$Q_a\left(V_c\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}{(M\left(t_i\right)-\mathrm{Mw}\left(t_i\right))}^2}{2048-1}}---\left(4\right)$

方程中分子部分是V_c的函数。在分子中对V_c求导，并令导数等于零，得到确定V_c的方程(方程5)，

$V_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}[M_t\left(t_i\right)-M_w\left(t_i\right)]}{S_o{M}_o\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}[\exp \left(\frac{{-t}_i}{T_{2o}}\right)-\exp \left(\frac{{-t}_i}{T_{2w}}\right)}---\left(5\right)$

2.3、根据不同饱和度S_o的核磁共振实验数据，计算V_c值，得到含油饱和度(S_o)与V_c的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c={3.943S}_o^2-{4.689S}_o+3.179\\ R^2=0.8478\end{array}\right.---\left(6\right)$

2.4、计算岩心拟完全含水的弛豫信号。

2.5、反演岩样拟饱含水弛豫信号，计算岩样的拟饱含水T2谱分布，根据这个T2谱分布计算岩样的孔隙结构参数。

上述技术方案实现了拟饱含水岩心核磁共振自旋回波信号的合成与分解，达到提高核磁共振数据评价岩石孔隙结构与流体识别的精度与可靠性。其中公开的实用化的算法，分离核磁共振自旋回波信号中的包含的孔隙流体信息与孔隙结构信息，分别得到孔隙流体的自旋回波信号与孔隙结构的自旋回波信号，并分别反演孔隙流体自旋回波信号和孔隙结构自旋回波信号，得到孔隙流体的弛豫谱分布和孔隙结构的弛豫谱。在此基础上，分别使用孔隙流体的弛豫谱和孔隙结构的弛豫谱，研究岩石的孔隙流体和孔隙结构，提高对岩石孔隙识别和孔隙结构分析的精度。

附图说明

图1本发明整个方法实施流程示意图

图2为“挖补法”示意图

图3为研究流体的自由横向弛豫时间测量图

图4为Zhen53-240样品饱含盐水的弛豫回波及T2谱反演结果(A：弛豫回波，B：反弹T2谱分布)

图5为Zhen53240盐岩不同含水饱和度的T2谱分布

图6为不同饱和度弛豫回波信号分离后的反演结果对比(Zhen-53-241)

图7为信号分离算法的软件化编程框图

具体实施方式

实施例1(理论依据)

氢核在岩石孔隙中发生的弛豫过程，就是在外加磁场的作用下，氢核与孔隙壁之间相互作用而发生的能量传递和转化的过程。氢核在孔隙中的弛豫过程，与氢核弛豫的边界条件有关，而这个边界条件由孔隙内壁构成，所以，氢核的弛豫过程与岩石的孔隙结构有关，这是核磁共振弛豫信号评价岩石孔隙结构的基础。另一方面，岩石弛豫信号显著受到岩石中所有流体的影响，包括盐水和油气。而能够反映岩石孔隙结构的弛豫信号，主要来源于孔隙壁附近的流体。实际的计算结果表明，当岩石孔隙中存在多种流体时，各种流体的影响叠加在岩石样品的总弛豫信号上，会引起岩石弛豫信号的严重畸变，甚至完全掩盖孔隙结构对弛豫信号的影响。如果不剔除多种流体叠加在弛豫信号上的影响，将会严重降低弛豫信号及相应的反演结果对岩石孔隙结构的评价精度。本次发明对不同含油饱和度下的弛豫信号进行对比分析，得到不同含油饱和度下油样对总弛豫信号的影响程度，确定油样弛豫信号的分离系数，采用“挖补法”，恢复岩样拟完全含水弛豫信号，在一定程度上消除不同流体类型和不同含油饱和度对总弛豫信号的影响，提高弛豫信号对岩样孔隙结构和流体的识别精度。

图1为本发明的实施流程图。

步骤1，分别测量和查询研究流体的自由横向弛豫时间(图2)。对于不同矿化度的盐水，在必要时，需要采用杯状容器，测量盐水在各种矿化度下的自由横向弛豫时间。核磁共振实验仪器采用低场核磁共振分析仪器，例如，牛津公司的MARAN2S核磁分析仪器，采用CPMG(Carr-Purcel1-Meiboom-Gil1)脉冲序列，测量流体的自旋回波信号，并用SVD(Singular value Decomposition，奇异值分解)方法反演回波信号，获得研究自由流体样品的T2谱分布。除非明确说明，以下的核磁共振测量方法和数据反演方法与此类似。

本次研究作了煤油和盐水的体积弛豫测量(图2)，用几何平均值计算煤油和盐水的横向弛豫时间分别为T_2o=875ms，T_2w=773ms。

步骤2，对所有的岩芯，完全饱和盐水，测量饱含盐水岩样的弛豫信号，并将弛豫信号反演成T2谱分布。

步骤3，对所有的岩芯，依次分不同饱和度阶段注入油样，记录饱和度数据。在每个饱和度下，测量饱含盐水及油样岩芯的弛豫信号，并将弛豫信号反演成T2谱分布。

步骤4。现有的理论研究已经证明，在饱含油气和盐水的岩石孔隙中，岩石样品的总自旋回波信号由油样信号与盐水信号叠加而成。据此，测量的总自旋回波信号可以表示成(方程(1))，

$M_t\left(t\right)\text{=}{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+M_w\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，M_t(t)是含油岩心的测量弛豫总信号相对幅度，无单位；s_o，含油饱和度，小数；M_o，岩心的初始弛豫强度，无单位；T_2o，油的体积横向弛豫时间，ms；M_w(t)，水相的弛豫信号，无单位；t，测量时间，ms。

本发明对于饱含油样和盐水岩心的弛豫信号，采用“挖补法”恢复成拟完全含水岩心的弛豫信号(图3)。就是说，挖去油样占据的流体体积，同时，补入同等体积的盐水，同体积油样和盐水对总弛豫信号的影响差异，用分离系数表示。“挖补法”的数学表达式写成方程2。

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2w}})---\left(2\right)$

其中，M(t)，“挖补法”恢复的饱含水总信号，也即拟完全含水弛豫信号，无单位；M_t(t)是饱含油样和盐水岩芯实测总弛豫信号，标准化以后无单位；S_o，含油饱和度，小数；M_o，岩心的初始弛豫强度，无单位；T_2o，油的体积横向弛豫时间，ms；T_2w，盐水的自由弛豫时间，ms；t，测量时间，ms。V_c，油样弛豫信号分离系数，无单位。

由于M_o在实验中无法测量的，实用中可以用第一个回波信号代替。同时，考虑到原油和盐水在含氢指数上的差异，水相和油相信号的前面加上修正系数V_c。方程2变成，

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2w}})---\left(3\right)$

本次研究作了煤油和盐水的体积弛豫测量，用几何平均值计算煤油和盐水的横向弛豫时间分别为T_2o=875ms，T_2w=773ms。

步骤5优化对比确定不同饱和度油样的弛豫信号分离系数。同一块岩样完全饱含盐水的弛豫信号，是恢复该块岩样在不同含油饱和度下，拟完全含水弛豫信号的转换依据和标准。换句话说，就是设法最大限度把饱含盐水和油样的芯弛豫信号，使用一种实用化的方法，尽可能恢复成完全含水的弛豫信号。本发明使用分离系数的方法，使方程2恢复的拟完全含水弛豫信号，最大程度接近该块岩芯的实测完全含水弛豫信号，目标函数为方程4。

$Q_a\left(V_c\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}{(M\left(t_i\right)-\mathrm{Mw}\left(t_i\right))}^2}{2048-1}}---\left(4\right)$

其中，Q_a(V_c)是弛豫信号的优化拟合方差，无单位；方程4中的M(t)就是“挖补法”确定的岩芯拟饱含盐水的弛豫信号；M_w(t)，实测饱含盐水岩芯的弛豫信号，无单位；V_c，油样弛豫信号分离系数，无单位。

方程4的分子是V_c的函数，在方程4中，对V_c求导，并令导数等于零，可以得到确定V_c的方程(方程5)。

$V_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}[M_t\left(t_i\right)-M_w\left(t_i\right)]}{S_o{M}_o\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}[\exp \left(\frac{{-t}_i}{T_{2o}}\right)-\exp \left(\frac{{-t}_i}{T_{2w}}\right)}---\left(5\right)$

步骤6，确定分离系数(V_c)实用化计算方法。方程4，方程5解决了在确定饱和度下，计算V_c的方法，但是，并不能实现V_c的实用化计算。既然Vc反映油样对弛豫信号的影响程度，可以推测，V_c应该与含油饱和度S_o有关。据此，建立饱和度S_o与V_c之间的拟合公式。

步骤7，在确定Vc以后，根据方程2得到岩样的拟完全含水弛豫信号，并反演这个信号，得到岩样拟完全含水的T2谱分布。拟完全含水岩芯的弛豫信号在一定程度上消除了流体类型和不同油样饱和度对弛豫信号的影响，所以，提高了弛豫信号及相应的T2谱分布对对岩石孔隙结构和流体的刻画能力。

实施例2(具体操作)

首先，式样获得实验数据：

第1步，取3块实验岩芯，分别进行预处理，诸如包括洗油，洗盐，烘干，抽真空等，皆属于本领域常规技术。

第2步，配置具有一定矿化度的盐水，本次使用盐水的矿化度为80000ppm。

第3步，针对配置的盐水和实验油样，分别测量盐水和油样的自由横向弛豫时间。本次实验实施盐水和油样(变压器油)的自由横向弛豫时间分别为773ms(T_2w)和875ms(T₂₀)

第4步，用盐水饱和经过预处理的岩心。经过抽真空处理后的岩芯，排除了气泡的影响，岩芯完全被盐水饱和。

第5步，对饱含盐水的岩心测量横向弛豫回波数据，测量参数：Te=0.2ms，0.4ms，Tw=1,3,6,8ms。计算结果表明，Te=0.2ms，Tw=3ms的采集参数组合，可以测量到比较真实有效的弛豫回波数据(图4)。此时，岩芯的含水饱和度为100％。

第6步，分不同饱和度阶段向岩心中注入油样，驱替原先占据孔隙的部分盐水。在每个饱和度阶段，记录饱和度数据(参见表1)，同时测量具有不同盐水饱和度岩芯的弛豫回波信号。反演回波信号，得到不同饱和度岩芯的T2谱分布(图5)。

接着，对实验数据处理：

第7步，根据方程2，写出不同饱和度下，实测岩芯弛豫信号恢复到拟饱含水弛豫信号的表达式，即“挖补法”恢复岩芯饱含水弛豫信号表达式。

第8步，将岩心拟饱含水弛豫信号与实测饱含水弛豫信号进行优化拟合，确定不同饱和度油样的信号分离系数(V_c)。

第9步，根据不同油样饱和度弛豫信号确定的分离系数V_c，建立分离系数V_c与油样饱和度S₀之间的拟合关系，见方程式6；

第10步，反演岩样拟饱含水弛豫信号，计算岩样的拟饱含水T2谱分布，根据这个T2谱分布计算岩样的孔隙结构参数。

本实施例采用核磁共振实验测量技术，实验仪器采用牛津仪器公司的MARANUltra核磁实验仪，数据采集及数据反演均采用该仪器的配套软件。本次发明实施案例，取得了拟完全含水岩心的弛豫信号，对拟完全含水岩芯弛豫信号的反演，并得到T2谱分布。将这个T2谱分布与压汞数据进行方差计算的结果证明，拟完全含水岩芯的弛豫信号改善了对岩石孔隙结构与孔隙流体的识别能力。

表1岩心编号及饱和度数据

本发明的实施案例选用某油田的3块真实岩心(表1)。本发明的技术实施计算结果表明，其中2块岩芯的拟饱含盐水弛豫信号数据改善了对岩石孔隙结构的评价和流体的识别效果(表2，图4)。

表2油水信号分离前后的反演精度分析

拟饱含水弛豫信号的反演分析为：

在Zhen53-240，Zhen53-241岩芯核磁数据中，以压汞数据为标准，对比研究弛豫回波信号在油水信号分离前后的反演精度(表2)。表2的计算结果表明，油水信号分离前后，反演结果对岩石结构评价精度改善幅度在5％-27％之间，平均改善幅度为10.7％(图6)。图6中，纵轴是汞饱和度和T2谱分布的相对值，横轴是毛管力和T2弛豫时间转换的伪毛管力，单位MPa。T2弛豫时间在不同饱和度下转换成伪毛管力时，转换系数不同，这里，都是采用在反演结果与毛管力最大吻合下的转换系数(核磁弛豫时间与伪毛管力之间的转换系数)。

本发明实现了孔隙流体信号与孔隙结构信号的分离。可望在核磁共振岩心分析和核磁共振测井中提高核磁共振数据在识别孔隙流体和评价孔隙结构方面的应用效果。在算法软件化以后，可以提高算法的运用效率。

本发明实施的有效和高效方法是信号分离算法的软件化，图7为信号分离算法的软件化编程框图。

Claims (1)

1.一种拟完全饱含盐水核磁共振自旋回波信号的分解与合成方法，其特征在于，该方法包括实验流程和数据分析两个部分，其中，

(一)所述实验流程，即进行的核磁共振实验包括步骤有：

1.1、准备好3块实验岩心，分别进行预处理，包括洗油，洗盐，烘干，抽真空；

1.2、配置矿化度为80000ppm的实验盐水；

1.3、针对配置的实验盐水和实验油样，分别测量实验盐水和实验油样的自由横向弛豫时间，测得实验盐水和实验油样的自由横向弛豫时间分别为T_2w＝773ms和T₂₀＝875ms；

1.4、用饱和实验盐水饱和经过预处理的岩心，经过抽真空处理后的岩心，排除了气泡的影响，岩心完全被实验盐水饱和；

1.5、对饱和实验盐水的岩心测量自由横向弛豫回波信号，测量参数：自由横向弛豫回波时间间隔分别为Te＝0.2ms，0.4ms，核磁共振等待时间分别为Tw＝1，3，6，8ms，计算结果表明，Te＝0.2ms，Tw＝3ms的测量参数组合，可以测量到比较真实有效的弛豫回波信号，此时，岩心的饱含实验盐水的饱和度为100％；

1.6、分不同实验盐水饱和度阶段，向岩心中注入实验油样，驱替原先占据孔隙的部分实验盐水，在各个不同的实验盐水饱和度阶段，记录下它们饱和度数据，同时测量对应的不同实验盐水饱和度岩心的自由横向弛豫回波信号；

(二)所述数据分析包括步骤有：

2.1、“挖补法”用以消除实验油样相自由横向驰豫回波信号

使用挖补法，去掉含实验油样的体积，用相同的体积的实验盐水替代，将饱含实验油样和实验盐水的自由横向弛豫回波信号恢复成拟完全饱含实验盐水的自由横向弛豫回波信号，即方程(1)，

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-S_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+S_o{M}_o\exp \left(-\frac{t}{T_{2w}}\right)---\left(1\right)$

式中，M(t)，挖补法恢复的饱含实验盐水总信号，即拟完全饱含实验盐水的自由横向弛豫回波信号，无单位；M_t(t)饱含实验油样和实验盐水的自由横向弛豫回波总测量信号，无单位；S₀为含实验油样饱和度；t为测量时间，ms；T_2w，实验盐水的自由横向弛豫时间，ms；T₂₀,实验油样的自由横向弛豫时间，ms；M_o为岩心的初始自由横向弛豫回波强度，无单位，用第一个回波信号代替；在实验盐水相和实验油样相信号的前面加上分离系数V_c，方程(1)变成，

$M\left(t\right)=M_t\left(t\right)-V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2o}})+V_c{S}_o{M}_o\exp (-\frac{t}{T_{2w}})---\left(2\right)$

2.2、确定不同流体自由横向弛豫回波信号的分离系数V_c

方程(2)中的M(t)相当于挖补法确定的岩心饱含实验盐水的自由横向弛豫回波信号，设M(t)与实测饱含实验盐水岩心的自由横向弛豫回波信号M_w(t)之间的均方差为Q_a(V_c)，

$Q_a\left(V_c\right)=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\mathrm{\Σ}}}{\left(M\left(t_i\right)-M_w\left(t_i\right)\right)}^2}{2048-1}}---\left(3\right)$

t_i表示采样的时间；

方程中分子部分是V_c的函数，在分子中对V_c求导，并令导数等于零，得到确定V_c的方程(4)

$V_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{2048}{\Σ}}\[M_t\left(t_i\right)-M_w\left(t_i\right)\]}{S_o{M}_o\underset{i=1}{\overset{2048}{\Σ}}\[\exp \left(\frac{-t_i}{T_{2o}}\right)-\exp \left(\frac{-t_i}{T_{2w}}\right)\]}---\left(4\right)$

2.3、根据不同实验油样饱和度S_o的核磁共振实验数据，计算V_c值，得到实验油样饱和度S_o与分离系数V_c的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_c=3.943S_o^2-4.689S_o+3.179\\ R^2=0.8478\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，R为数据拟合的相关系数；

2.4、计算岩心拟完全饱含实验盐水的自由横向弛豫回波信号；

2.5、反演岩心拟饱含实验盐水的自由横向弛豫回波信号，计算岩心的拟饱含实验盐水T2谱分布，根据这个T2谱分布计算岩心的孔隙结构参数。