CN105301028A - 核磁共振有机页岩的组分区分方法和装置 - Google Patents

核磁共振有机页岩的组分区分方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种核磁共振有机页岩的组分区分方法和装置，其中，方法包括：向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，核磁脉冲序列在时序上依次包括第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，获取页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号；根据反馈信号反演页岩中氢核的弛豫谱。本发明的核磁共振有机页岩组分区分方法和装置，由于第一编辑脉冲中包括两个相位相差180度的90度脉冲，使得页岩骨架中的有机质组分中氢核的反馈信号被抑制，反馈信号中只包括流体氢核的反馈信号，进而根据反馈信号反演得到页岩中流体中氢核的弛豫谱，避免了有机质与孔隙流体的氢核的反馈信号混合在一起无法区分的问题。

Description

核磁共振有机页岩的组分区分方法和装置
技术领域
本发明涉及岩石分析技术，尤其涉及一种核磁共振有机页岩组分区分方法和装置。
背景技术
1946年，斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell发现核磁共振现象以来，其在物理学、化学、生物学以及医学等领域已成为一种广泛应用的分析测试工具，并形成了NMR波谱学和磁共振成像学。
核磁共振应用在岩石物理方面，主要是通过研究多孔介质岩石的核磁共振响应，得到岩石物理性质的弛豫时间等相关信息。长期以来，常规储层作为核磁共振岩石物理研究的主要对象，其骨架主要由造岩矿物构成，是不含氢的，现有技术利用核磁共振就是测量与骨架成分无关的孔隙度、渗透率等。但是针对非常规页岩，其固体骨架含有固体有机质，而有机质含氢，所以测量得到的核磁共振信号包含了这部分有机质的信号。
但是，由于有机质与孔隙流体的响应信号混合在一起呈现出极其复杂的核磁共振响应，无法实现对于有机页岩的流体组分和骨架中的有机质组分的信号区分。
发明内容
本发明提供一种低场核磁共振有机页岩组分区分方法和装置，用于解决现有技术中有机质与孔隙流体的信号混合在一起呈现出极其复杂的核磁共振响应，无法实现对于有机页岩的流体组分的区分。
本发明的第一个方面是提供一种核磁共振有机页岩的组分区分方法，包括:
向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，所述核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，所述核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，所述第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，所述第一90度脉冲和所述第二90度脉冲相位相反，所述采集脉冲与所述第一90度脉冲的相位相同；
获取所述页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号；
根据所述反馈信号反演所述页岩中氢核的弛豫谱。
本发明的第二个方面还提供一种核磁共振有机页岩的组分区分装置，包括：
发送模块，用于向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，所述核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，所述核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，所述第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，所述第一90度脉冲和所述第二90度脉冲相位相反，所述采集脉冲与所述第一90度脉冲的相位相同；
获取模块，用于获取所述页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号；
反演模块，用于根据所述反馈信号反演所述页岩中氢核的弛豫谱。
由以上技术方案可知，本发明的核磁共振有机页岩组分区分方法和装置中，由于第一编辑脉冲中包括两个相位相差180度的90度脉冲，从而使得页岩骨架中的有机质组分中氢核的反馈信号被抑制，使得反馈信号中只包括流体氢核的反馈信号，进而根据反馈信号反演得到页岩中流体中氢核的弛豫谱，避免了有机质与孔隙流体的氢核的反馈信号混合在一起无法区分的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的编辑脉冲的示意图；
图3为本发明又一实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法的流程图；
图4为本发明另一实施例提供的编辑脉冲的示意图；
图5为本发明再一实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法的流程图，本实施例的执行主体为核磁共振仪器。在介绍本实施例提供的区分方法之前，简单介绍本方法的应用背景，本实施例中的页岩既包括对于常规取心方法所获得的常温常压下未密闭保存的岩心，也包括矿化度溶液或者水、油或者烃类饱和的页岩岩心，在执行本实施例的方法之前，还需要进行一些预处理的过程，即在向页岩发送核磁脉冲序列之前，需要向页岩施加磁场，将页岩放入核磁共振仪器的探头内，探头磁体产生磁场，其中，在该磁场下氢核的拉莫尔频率一般小于或等于100兆赫兹，即属于低场核磁共振技术范畴。此时探头内的页岩样品中的氢核的自旋取向由放入磁场之前的杂乱状态向有序状态过渡，产生能级跃迁，当氢核完全极化时，则形成与磁场方向相同的宏观磁化矢量。进一步的再执行本实施例中的区分方法。
如图1所示，该核磁共振有机页岩的组分区分方法包括：
步骤101，向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，第一90度脉冲和第二90度脉冲相位相反，采集脉冲与第一90度脉冲的相位相同。
具体的，核磁脉冲序列的施加方向与探头磁体产生的磁场方向相垂直，这与现有技术中相一致，在此不再赘述。需要说明的是，本实施例中的相位均在0度-360度之间进行表述。
其中，相位相反指的是两个脉冲的相位差为180度。两个相位相反的90度脉冲可以使得形成的宏观磁化矢量被扳转至与磁场方向垂直的平面内，具体的，第一90度脉冲将页岩骨架中的有机质以及页岩中的流体中氢核形成的宏观磁化矢量扳转到与静磁场方向垂直的平面内，为了更为详细的进行说明，可以建立一笛卡尔坐标系，假设静磁场方向为Z轴正方向，与Z垂直的平面为XOY平面，O为坐标系的原点，那么第一90度脉冲将宏观磁化矢量扳转至XOY平面，假设宏观磁化矢量被扳转至XOY平面的X轴的正方向，由于第二90度脉冲与第一90度脉冲的相位相反，此时，第二90度脉冲使得在X轴正方向的宏观磁化矢量被扳转回Z轴正方向。由于在第一90度脉冲和第二90度脉冲的时间间隔会使得宏观磁化矢量经历一个自由演化过程而发生散相，即宏观磁化矢量丧失了相位的一致性。由于页岩骨架的有机质中氢核的横向弛豫时间很短，而流体的氢核的横向弛豫时间相对长，因此，导致了骨架的有机质的氢核的散相速度快，即骨架有机质的氢核对应的宏观磁化矢量衰减迅速，但流体中氢核的散相速度慢，因而流体中氢核对应的宏观磁化矢量得以保留。
这里需要说明的是，若第一90度脉冲的相位是+X即0度，则宏观磁化矢量被扳转至XOY平面的Y轴的正方向。
实际上，宏观磁化矢量的扳转方向是与编辑脉冲的相位有关的，一般来说，宏观磁化矢量的扳转方向是与静磁场方向垂直，假设宏观磁化矢量的方向为Z轴正方向，若第一90度脉冲可以使宏观磁化矢量被扳转至XOY平面的Y轴的正方向，而第二90度脉冲则将Y轴正方向的宏观磁化矢量扳转回至Z轴正方向。图2为本发明实施例提供的编辑脉冲的示意图，如图2所示，第一90度脉冲与第二90度脉冲二者之间的发送时间间隔为τ，第一90度脉冲的相位为+X，第二90度脉冲的相位为-X，其中，时间间隔τ可以根据实际需要进行更改，在此不加以限定，+X,+Y,-X,-Y代表相位。
其中，为了采集反馈信号，即要使得发出的核磁脉冲序列能够采集到反馈信号，则要在两个相位相反的90度脉冲之后增加采集脉冲，其中，采集脉冲可以为自由感应衰减FID(FreeInductionDecay,简称FID)或者翰回波(HahnEcho)或者CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill,简称CPMG)中的任意一个。(C是Carr字首，P是Purcell字首，M是Meiboom字首，G是Gill字首，是核磁共振历史中研究自旋回波的几位贡献者姓氏)。以CPMG为例进行说明，CPMG是由一个90度脉冲和若各干180度脉冲组成，其中90度脉冲与后续的180度脉冲相位差为90度。
步骤102，获取页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号。
由于两个相位相反的第一90度脉冲和第二90度脉冲的作用下，页岩中的短弛豫组分在磁化矢量被扳转的过程中被抑制掉，即页岩的骨架中的有机质组分氢核的反馈信号被抑制，从而使得页岩中流体部分氢核的反馈信号得以保留，即反馈信号反映的是页岩中流体部分的特性。
步骤103，根据反馈信号反演页岩中氢核的弛豫谱。
由于页岩的骨架中的有机质组分氢核的反馈信号被抑制，因此根据反馈信号可以反演得到氢核的弛豫谱为页岩中流体部分的弛豫谱，根据弛豫谱的横坐标可以获取页岩中流体氢核的弛豫时间，其中，本实施例中的弛豫时间指的是横向弛豫时间T2或者视横向弛豫时间T2 ※。具体的将反馈信号反演弛豫谱的方法为现有技术的反演方法，在此不再赘述。
在这里需要特别说明的是，如果采集脉冲为自由感应衰减脉冲FID，反演所得到的是页岩中流体的氢核的视弛豫谱，该视弛豫谱可以反映受磁场不均匀性影响的视T2分布。
其中，需要说明的是，为了更好的提高测量结果的信噪比，抑制有机质组分的反馈信号，可以多次向页岩发送核磁脉冲序列，从而可以使得页岩中流体部分氢核的反馈信号多次叠加，起到信号增强的作用。
本实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法既可以应用于室内岩心核磁共振分析，又可以以用于井场进行的核磁共振测井。
本实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法中，由于第一编辑脉冲中包括两个相位相差180度的90度脉冲，从而使得页岩骨架中的有机质组分中氢核的反馈信号被抑制，使得反馈信号中只包括流体氢核的反馈信号，进而根据反馈信号反演得到页岩中流体中氢核的弛豫谱，避免了有机质与孔隙流体的氢核的反馈信号混合在一起无法区分的问题。
实施例二
本实施例是对上述实施例进一步的解释说明。图3是本发明又一实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法的流程图，如图3所示，该核磁共振有机页岩的组分区分方法包括：
步骤201，向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲、第二编辑脉冲和采集脉冲，其中，第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，第一90度脉冲和第二90度脉冲相位相反，第二编辑脉冲包括：第三90度脉冲和第四90度脉冲，第三90度脉冲和第四90度脉冲相位相反，第三90度脉冲与第二90度脉冲的相位差为90度，采集脉冲与第一90度脉冲的相位相同，第一90度脉冲与第三90脉冲的相位差为90度。
其中，图4为本发明另一实施例提供的编辑脉冲的示意图，依然以上述实施例中的笛卡尔坐标系为例，假设宏观磁化矢量的方向为Z轴正方向，其中，第一90度脉冲的相位是+X，那么宏观磁化矢量被扳转至XOY平面的Y轴，间隔时间τ后，由于第二90度脉冲与第一90度脉冲相位相反，此时宏观磁化矢量被扳转回至Z轴正方向，间隔时间τDQ后，由于第三90度脉冲与第一90度脉冲相位相差90度，此时宏观磁化矢量被扳转至X轴的负方向，最后，间隔时间τ后，第四90度脉冲的相位是-Y，则宏观磁化矢量被扳转回至Z轴的正方向。在宏观磁化矢量不断被扳转的过程中，页岩中的有机质的氢核和页岩中流体的氢核存在双量子相干，此时页岩中流体的氢核的反馈信号将被抑制。
相位步骤202，获取页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号。
与上述实施例相比，由于本实施例中的核磁脉冲序列中还包括第二编辑脉冲，由于页岩中的有机质的氢核和页岩中流体的氢核存在双量子相干，此时页岩中流体的氢核的反馈信号被抑制，页岩骨架中有机质中氢核的宏观矢量得以保留，此时反馈信号反映的是页岩中骨架中有机质的特性。
步骤203，根据反馈信号反演页岩中氢核的弛豫谱。
由于页岩中流体的氢核的反馈信号被抑制，根据反馈信号反演得到弛豫谱为页岩中骨架有机质中氢核的弛豫谱，根据弛豫谱的横坐标可以获取页岩骨架有机质中氢核的弛豫时间，其中，本实施例中的弛豫时间指的是横向弛豫时间T2或者视横向弛豫时间T2 ※。具体的将反馈信号反演弛豫谱的方法为现有技术的反演方法，在此不再赘述。
此外，与上述实施例不同的是，如果采集序列为FID，则在步骤102或步骤202之后还包括：根据反馈信号中第一时刻的信号幅度获取页岩中氢核的相对含量。
在这里需要说明的是，对于使用CPMG采集的脉冲序列，反馈信号的实质是由多个回波(即回波串)组成。
根据反馈信号中第一时刻的所接收到的信号的信号幅度可以获取页岩中氢核的相对含量。
此外，多个高频的正弦信号的发射频率与氢核的拉莫尔频率相等。
本实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分方法中，核磁脉冲序列中包括：第一编辑序列、第二编辑序列和采集序列，由于两个编辑序列会使得页岩骨架中有机质的氢核和页岩中流体的氢核存在双量子相干，使得页岩骨架中有机质中氢核的宏观矢量得以保留，从而使得页岩骨架中的有机质组分的信号被抑制，可以得到流体中氢核的弛豫谱，避免了有机质与孔隙流体中的氢核的响应信号混合在一起而无法区分的问题。
实施例三
本实施例提供一种核磁共振有机页岩的组分区分装置，用于执行上述实施例中的核磁共振有机页岩的组分区分方法，图5为本发明再一实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分装置的结构示意图，如图5所示，该核磁共振有机页岩的组分区分装置包括：发送模块501、获取模块502和反演模块503。
其中，发送模块501用于向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，第一90度脉冲和第二90度脉冲相位相反，采集脉冲与第一90度脉冲的相位相同。
在本实施例中，采集序列为自由感应衰减FID或翰回波HahnEcho自旋回波CPMG
获取模块502用于获取页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号。
反演模块503与获取模块502连接，用于根据获取模块502获取的反馈信号反演页岩中氢核的弛豫谱。
进一步的，可选的，发送模块501发送包括第二编辑脉冲的核磁脉冲序列，其中，第二编辑脉冲在时序上位于第一编辑脉冲之后且位于采集脉冲之前，其中第二编辑脉冲包括：第三90度脉冲和第四90度脉冲，第三90度脉冲和第四90度脉冲相位相反，第三90度脉冲与第二90度脉冲的相位差为90度，第一90度脉冲与第三90脉冲的相位差为90度。
可选的，采集序列可以为自由感应衰减FID或自旋回波CPMG的一种。其中，若采集序列为FID，则获取模块502还用于根据反馈信号中第一时刻的信号幅度获取页岩中氢核的相对含量。
本实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分装置用于执行上述实施例中的核磁共振有机页岩的组分区分方法，具体的执行过程请参照方法实施例，在此不再赘述。
本实施例提供的核磁共振有机页岩的组分区分装置中，由于发送模块501发送的第一编辑脉冲中包括两个相相位差180度的90度脉冲，从而使得页岩骨架中的有机质组分中氢核的反馈信号被抑制，使得获取模块502接收的反馈信号中只包括流体氢核的反馈信号，进而反演模块503根据反馈信号反演得到页岩中流体中氢核的弛豫谱，从而避免了有机质与孔隙流体的氢核的反馈信号混合在一起无法区分的问题。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种核磁共振有机页岩的组分区分方法，其特征在于，包括:
向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，所述核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，所述核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，所述第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，所述第一90度脉冲和所述第二90度脉冲相位相反，所述采集脉冲与所述第一90度脉冲的相位相同；
获取所述页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号；
根据所述反馈信号反演所述页岩中氢核的弛豫谱。
2.根据权利要求1所述的核磁共振有机页岩的组分区分方法，其特征在于，所述核磁脉冲序列还包括：
第二编辑脉冲，所述第二编辑脉冲在时序上位于所述第一编辑脉冲之后且位于所述采集脉冲之前，其中所述第二编辑脉冲包括：第三90度脉冲和第四90度脉冲，所述第三90度脉冲和第四90度脉冲相位相反，所述第三90度脉冲与所述第二90度脉冲的相位差为90度，所述第一90度脉冲与所述第三90脉冲的相位差为90度。
3.根据权利要求1或2所述的核磁共振有机页岩的组分区分方法，其特征在于，所述采集序列为自由感应衰减FID或自旋回波CPMG。
4.根据权利要求3所述的核磁共振有机页岩的组分区分方法，其特征在于，若所述采集序列为FID，在获取所述页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号之后还包括：
根据所述反馈信号中第一时刻的信号幅度获取页岩中氢核的相对含量。
5.一种核磁共振有机页岩的组分区分装置，其特征在于，包括：
发送模块，用于向页岩发送至少一个核磁脉冲序列，所述核磁脉冲序列用于与页岩中的氢核作用，其中，所述核磁脉冲序列在时序上依次包括：第一编辑脉冲和用于采集反馈信号的采集脉冲，其中，所述第一编辑脉冲包括第一90度脉冲和第二90度脉冲，所述第一90度脉冲和所述第二90度脉冲相位相反，所述采集脉冲与所述第一90度脉冲的相位相同；
获取模块，用于获取所述页岩中的氢核发射的核磁脉冲序列的反馈信号；
反演模块，用于根据所述反馈信号反演所述页岩中氢核的弛豫谱。
6.根据权利要求5所述的核磁共振有机页岩的组分区分装置，其特征在于，所述发送模块还用于发送包括第二编辑脉冲的核磁脉冲序列，其中，所述第二编辑脉冲在时序上位于所述第一编辑脉冲之后且位于所述采集脉冲之前，其中所述第二编辑脉冲包括：第三90度脉冲和第四90度脉冲，所述第三90度脉冲和第四90度脉冲相位相反，所述第三90度脉冲与所述第二90度脉冲的相位差为90度，所述第一90度脉冲与所述第三90脉冲的相位差为90度。
7.根据权利要求6所述的核磁共振有机页岩的组分区分装置，其特征在于，所述采集序列为自由感应衰减脉冲FID或CPMG脉冲，若所述采集序列为FID，则获取模块还用于根据所述反馈信号中第一时刻的信号幅度获取页岩中氢核的相对含量。
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