CN111058828B - 基于表面核磁共振技术的流体t1弛豫谱的快速测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，包括U型表面磁体，多个平面射频线圈，控制谱仪以及快速T1测量序列组成；U型表面磁体在U型开口处形成一个鞍形区内的均匀水平主磁场，整个U型表面磁体由多个U型组件串接而成；U型表面磁体长度依据待测流体的最高流速来确定；U型表面磁体的轴向为磁体或待测流体运动的方向；平面射频线圈包括发射线圈和多个收发一体射频线圈，发射线圈大于收发一体射频线圈；发射线圈负责发射饱和脉冲；收发一体射频线圈负责发射90度射频后采集FID信号；发射线圈和收发一体射频线圈所产生的射频场方向为U型表面磁体的开口方向，其与水平主磁场和流速V的方向均垂直。

Description

基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统与 方法

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统和方法。

背景技术

核磁共振测井是一种全新的测井方法，是目前唯一可以直接测量任意岩性储集层自由流体(油、气、水)渗流体积特性的测井方法，有明显的优越性。核磁测井可分为两种模式：岩层分析测井和井下流体分析测井。

岩层分析测井是直接针对井眼外侧的岩层进行渗流体的核磁共振信号检测与分析，采用inside-outside(即磁体在内，检测区域在外)的模式，利用磁场强度沿径向自然衰减形成的磁场梯度可实现分层检测与分析。其应用主要有：

1)求束缚水饱和度，改进地层渗透率评价；

2)确定地层总孔隙度；

3)测量残余油饱和度；

4)识别油、气、水层。

井下流体分析测井则是直接针对储层井壁里流体进行核磁共振信号检测与分析，采用outside-inside(即传统的磁体包绕检测样品)模式，利用均匀磁场进行流体的检测与分析。相比岩层分析测井，具有灵敏度高，直接针对储层井壁里的流体，可实现实验室级的分析。其主要应用有：

1)地层流体污染评价；

2)定量测量气/油比(GOR)；

3)测量钻井液粘度。

根据测量和分析是在井下还是井上，又分为井上流体核磁和井下流体核磁两种。

井上流体核磁将井下流体从井眼里抽取到地面后灌入封闭容器并送到实验室进行流体信息分析，但传统井上地层流体分析很难完全真实反映井下流体信息。存在着以下诸多缺点：

1)取样和分析过程已经背离了井下的流体环境(如温度，压强等)；

2)极少量的取样样本也不能完全描述整个地层信息；

3)井下流体高压环境下含大量可挥发性碳氢化合物，地面取样后，随着压力减小，碳氢化合物气体已释出；

4)更严重的是，取样和传输过程导致的相位改变很难恢复；

与常规的取样后再进行实验室分析的流体测试方法相比，井下核磁流体分析时效性更强，并消除了与取样和运输有关的不确定性；而与光学测试模块相比，该模块的测量精度更高。根据该模块测量的纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2和扩散系数D等参数可得到气油比(GOR)、流体粘度等重要的流体特征。作为核磁共振技术在油气勘探领域的又一重要应用，在线核磁流体分析不仅有助于提高核磁测井解释的精度，而且为在储层条件下复杂流体的定量表征提供了可能。因此开展能进行井下底层流体核磁分析系统可实现储层温度和压力条件等真实地下环境的实时储层检测分析，对于石油测井而言意义重大。

井下流体测量有采用halbach磁体的outside-inside模式，即将地层流体抽取后流经halbach磁体的中空腔，流动时完成测量。这种测量模式需要进行流体抽取，实时性有延迟，同时对地层流体也有一定的相位改变。

发明内容

本发明主要是解决目前井下地层流体的T1测量速度慢，空间分辨率低的问题。相比于T2测量，T1测量所需要的时间长，因此随钻过程中，进行同步的T1测量难度很大。本发明的平面磁共振系统结合并行测量技术进行流体测量，可大大提高T1测量的效率和空间分辨率。本发明也可以用于井下的实验室流体T1测量。

本发明提出了一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，该系统由U型表面磁体，多个平面射频线圈，控制谱仪以及快速T1测量序列组成；其中，

所述U型表面磁体在U型开口处形成一个鞍形区内的均匀水平主磁场(B0)，整个所述U型表面磁体由多个U型组件串接而成；所述U型表面磁体长度依据待测流体的最高流速来确定；

所述U型表面磁体的轴向为磁体或待测流体运动的方向；

所述平面射频线圈包括发射线圈(C0)和多个收发一体射频线圈，所述发射线圈大于所述收发一体射频线圈；所述发射线圈负责发射饱和脉冲；所述收发一体射频线圈负责发射90度射频后采集FID信号；

所述发射线圈和所述收发一体射频线圈所产生的射频场方向为U型表面磁体的开口方向，其与水平主磁场和流速V的方向均垂直；所述发射线圈和所述收发一体射频线圈相互之间去偶合；所述平面射频线圈与所述谱仪之间通过导线连接。

所述快速T1测量序列包括单次快速测量方法和/或并行快速测量方法。

本发明中，所述U型表面磁体为三块永磁钐钴磁钢首尾相连组成U形状磁体。

本发明中，根据流速和待测流体T1值，所述收发一体射频线圈可以是3～15个。

本发明中，所述发射线圈的长度与所有收发一体射频线圈的长度之和相等。

本发明中，所述单次快速测量方法采用单次测量模式：测量完一个地层区域的全部信号以后，再启动下一次测量周期；其包括以下步骤：

首先使用发射线圈(C0)发射饱和脉冲，使与所述发射线圈尺寸相同区域内的流体被饱和，纵向磁化和横向磁化矢量均为0；

经过Δt时间后，与所述发射线圈相邻的收发一体射频线圈(C1)尺寸相同的饱和流体留到线圈(C1)的范围内时，所述收发一体射频线圈(C1)发射90度射频，然后接收FID信号，所述FID信号峰值为T1测量的第一个信号点；再每间隔2Δt时间后，分别由对应的收发一体射频线圈依次发射90度射频后接收FID信号，其信号峰值分别为T1测量的后续信号点；所述Δt＝单个收发一体射频线圈的线圈长度/流体流速；

将所有信号点与其对应的时间序列(Δt，3Δt，5Δt，……)经过拉普拉斯反变换，即得到流体的T1弛豫分布即弛豫谱；如果流体为单组分，即得到流体的T1弛豫时间。

本发明中，所述并行快速测量方法采用并行测量模式：第一次测量尚未结束，即开启下一个地层区域的测量；所述并行测量模式包括以下步骤：

所述发射线圈(C0)及与所述发射线圈相邻的所述收发一体射频线圈(C1～C3)线圈工作与单次测量模式相同；

在第三个收发一体射频线圈(C3)采集结束后，再经Δt时间后，使所述发射线圈(C0)再次发射饱和脉冲，激励下一个测量地层区域，为测量T1做准备；此后与单次测量模式相同。

基于以上系统，本发明还提出了一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的单次快速测量方法，采用单次测量模式：测量完一个地层区域的全部信号以后，再启动下一次测量周期；其包括以下步骤：

首先使用发射线圈(C0)发射饱和脉冲，使与所述发射线圈尺寸相同区域内的流体被饱和，纵向磁化和横向磁化矢量均为0；

经过Δt时间后，与所述发射线圈相邻的收发一体射频线圈(C1)尺寸相同的饱和流体留到线圈(C1)的范围内时，所述收发一体射频线圈(C1)发射90度射频，然后接收FID信号，所述FID信号峰值为T1测量的第一个信号点；再每间隔2Δt时间后，分别由对应的收发一体射频线圈依次发射90度射频后接收FID信号，其信号峰值分别为T1测量的后续信号点；所述Δt＝单个收发一体射频线圈的线圈长度/流体流速；

将所有信号点与其对应的时间序列(Δt，3Δt，5Δt，……)经过拉普拉斯反变换，即得到流体的T1弛豫分布即弛豫谱；如果流体为单组分，即得到流体的T1弛豫时间。

基于以上系统，本发明还提出了一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的并行快速测量方法，所述方法采用并行测量模式：第一次测量尚未结束，即开启下一个地层区域的测量；所述并行测量模式包括以下步骤：

所述发射线圈(C0)及与所述发射线圈相邻的所述收发一体射频线圈(C1～C3)线圈工作与单次测量模式相同；

在第三个收发一体射频线圈(C3)采集结束后，再经Δt时间后，使所述发射线圈(C0)再次发射饱和脉冲，激励下一个测量地层区域，为测量T1做准备；此后与单次测量模式相同。

地层流体分析主要是通过测量流体的三个基本物理参数：T1，T2和扩散来进一步分析其他油气参数和指标。相比而言，T2测量采用CPMG序列，其测量只需要一次采集，时间短，相对较容易实现。扩散系数D的测量，采用地层固有的较大磁场梯度来进行。而T1测量由于要进行多次不同的TI时间，使采集信号能够反应纵向磁化矢量的增长过程(即T1弛豫轨迹)，往往测量时间较长，对于流动的液体的T1测量是个难点。本发明采用平面磁共振技术，利用流体的流动性特点，在流体流动的过程中，在不同的时刻，采用不同的线圈完成饱和激励、射频翻转和信号采集，从而完成整个T1测量的数据采集。数据采集间隔由流体流速和线圈尺寸来确定，从而实现不同流速下的流体快速T1弛豫谱测量。可在不影响钻杆其他测量部件的情况下，完成核磁分析模块功能。

附图说明

图1是本发明测量控制系统的结构示意图。

图2是本发明U型表面磁体的结构示意图。

图3是本发明U型组件串接的示意图。

图4-图9是本发明单次快速测量方法的示意图。

图10是本发明单次测量模式的序列图。

图11-13是本发明并行快速测量方法的示意图。

图14是本发明并行测量模式的序列图。

图15是本发明单次测量的空间分辨率和并行测量的空间分辨率比较图。

图16是本发明地面实验室测量普通流体的T1弛豫谱的示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明提出的基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，该系统由U型表面，多个平面射频线圈，控制谱仪以及快速T1测量序列组成。U型磁体由多个钐钴材料磁钢首尾相连形成一个U型结构，在U型磁体表面形成一个薄层的水平静磁场区域，用于测量流体的磁场背景。多个射频线圈，由一个只用于发射饱和激励脉冲的线圈C0和多个(3～7个)串接的平面射频线圈C1～C5组成，C1～C5分别用于发射90度射频后接收信号，C1～C5的射频场方向为垂直U型口平面，因此也与B0垂直，满足核磁共振的基本要求，C1～C5之间没有偶合，即相互之间没有干扰，C2～C5的线圈长度均应相同。控制谱仪即为图1中的测量控制系统，平面射频线圈与谱仪之间通过导线连接。

单次测量方法(以C1～C5等5个接收线圈为例)：流体流动时，经过C0时，C0发射饱和脉冲，将流体磁化矢量饱和；此后经过一段时间Δt(＝C1线圈长度/流速)后，线圈C1发射90度后检测信号，记为第一个信号；再经2Δt后，线圈C2发射90度后检测信号，记为第二个信号；再经2Δt后，线圈C3发射90度后检测信号，记为第三个信号；依此，可以在C4和C5线圈内分别测量到第四和第五个信号。将五个信号的峰值与(Δt，3Δt，5Δt，7Δt，9Δt)的时间进行T1反演拟合，即可得到T1弛豫谱；

并行测量方法(以C1～C5等5个接收线圈为例)：为了节省测量时间，提高流体测量的空间分辨率，也可以采用并行测量方法。在单次测量的C3线圈接收信号后，经过Δt时，可以再次启动C0发射饱和脉冲，进行第二次测量流程。第二次测量流程的后续次序与第一次测量的流程一致。

以上为实验室测量流体工作模式，平面磁体固定不动，流体运动模式。

另外一种实例为井下核磁测量地层流体的T1弛豫谱的工作模式，地层内的流体是静止不动的，但是磁体随着钻杆运动，因此相对而言，流体是运动的。此时，前述的流体流速即为钻杆的下降速度。

本发明采用平面核磁共振技术，不用抽取地层流体，即可实时性完成测量。

为了叙述方便，以下以石油测井领域的碎钻核磁井下流体T1测量系统(磁体运动，流体静止)为例，阐述其系统和测量方法。井上实验室的常规流体(磁体静止，流体运动)的T1测量模式，与随钻测量模式完全相同。

本实施例中的基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统和方法，该系统由U型表面，多个平面射频线圈，控制谱仪以及快速T1测量序列组成。如图1所示；测量方法包括单次测量和并行测量模式。

U型表面磁体使用三块永磁钐钴磁钢首位相连组成U形状磁体，在U型开口处形成一个鞍形区内的均匀水平主磁场B0，如图2所示。整个U型磁体由多个U型组件串接而成，磁体长度，依据待测流体的最高流速来确定，以图9为例，长度的一半＝流速×9Δt。磁体的轴向即为磁体运动的方向(或者流体运动的方向)，如图3所示。

多个平面射频线圈中，线圈由一个较长的专用发射线圈C0和多个(本发明以5个为例。根据流速和待测流体T1值，可以是3～15个；小于3个，测量的空间分辨率就小了；如果大于15个，测量的时间分辨率就小了)较小的收发一体射频线圈；C0只具备发射作用，负责发射饱和脉冲；C1～C5为收发一体线圈，负责发射90度射频后快速采集FID信号。C0的长度，与C1～C5等5个线圈的长度之和相等。发射线圈和收发一体射频线圈不等长，饱和激励的区域和信号检测的区域就不一致了，饱和区域大于检测区域，只是适当降低了测量效率，如果饱和区域小于检测区域，则测量结果会出现误差。

多个平面射频线圈中，C0，C1～C5等六个线圈所产生的射频场方向为U型磁体的开口方向，与B0和流速V的方向均垂直。

多个平面射频线圈中，C0，C1～C5等六个线圈相互之间是去偶合的，即彼此之间工作没有干扰，是独立工作的。

本实施例中的基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量方法，可采用单次测量模式和循环测量模式；单次测量模式为测量完一个地层区域的全部信号以后，再启动下一次测量周期；并行测量模式为第一次测量尚未结束，可开启下一个地层区域的测量，这样测量的地层间隔较短，即测量的空间分辨率高。

基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量方法单次测量模式，首先使用C0发射饱和脉冲，使与C0尺寸相同区域内的流体被饱和，纵向磁化和横向磁化矢量均为0，如图4所示(为便于描述，设定C0长度为10英寸，C1～C5长度各位2英寸)。经过一段时间Δt(Δt＝C1线圈长度/流体流速)后，与C1尺寸相同的饱和流体留到线圈C1的范围内时，C1发射90度射频后接收FID信号，其信号峰值即为T1测量的第一个信号点，如图5所示。再分别经3Δt，5Δt，7Δt和9Δt时，可分别由线圈C2～C5发射90度射频后接收FID信号，其信号峰值分别为T1测量的第2到第5个信号，如图6～9所示。将这5个信号点与其对应的时间序列(Δt，3Δt，5Δt，7Δt，9Δt)经过拉普拉斯反变换，即可得到流体的T1弛豫分布即弛豫谱，如果流体为单组分，即得到流体的T1弛豫时间。整个序列图以及采集的FID信号如图10所示；

基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量方法并行测量模式，C0，C1～C3线圈工作与单次测量模式相同，在C3采集结束后，再经Δt后，此时上一次饱和激励的流体均已全部流出C0范围，故此时可使C0再次发射饱和脉冲，激励下一个测量地层区域，为测量T1做准备。如图11所示。此后与单次测量模式相同，只是此时上一个地层测量的C4～C5工作和这次测量的C1～C2工作交替进行。如图12和13所示。并行测量模式的序列图如图14所示。

单次测量的空间分辨率和并行测量的空间分辨率比较，如图15所示。单次测量模式，需要等到上一次测量全部结束后才开始一个地层的测量，因此空间分辨率为2个测量长度，即20英寸。并行测量模式，两次测量地层之间只需要间隔一个C1线圈的长度，因此空间分辨率为12英寸。当收发线圈组的个数越多，间隔越小，空间分辨率越高。但是线圈个数不能太多，太多则信号检测的区域小，信噪比低，对于T1测量结果的准确性又有影响。线圈也不能太少，C0之外至少有3个接收线圈，3个接收线圈可以获取3个信号。基于三点去拟合T1，其结果尚可。低于3个点，拟合的T1弛豫谱误差会很大。

上述为井下地层流体测量模式，表面磁体随着钻杆进入地层，地层内的流体相对磁体而言是向上流动的。该方法也可以在地面的实验室用于测量普通流体的T1弛豫谱。如图16所示。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (3)

1.一种基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，其特征在于，包括：U型表面磁体，多个平面射频线圈，控制谱仪以及快速T1测量序列；其中，

所述U型表面磁体在U型开口处形成一个鞍形区内的均匀水平主磁场（B0），整个所述U型表面磁体由多个U型组件串接而成；所述U型表面磁体长度依据待测流体的最高流速来确定；

所述U型表面磁体的轴向为磁体或待测流体运动的方向；

所述平面射频线圈包括发射线圈和多个收发一体射频线圈，所述发射线圈的长度与所有收发一体射频线圈的长度之和相等；所述发射线圈负责发射饱和脉冲；所述收发一体射频线圈负责发射90度射频后采集FID信号；

所述发射线圈和所述收发一体射频线圈所产生的射频场方向为U型表面磁体的开口方向，其与水平主磁场和流速V的方向均垂直；所述发射线圈和所述收发一体射频线圈相互之间去偶合；所述平面射频线圈与所述谱仪之间通过导线连接；

所述快速T1测量序列包括单次快速测量方法和/或并行快速测量方法；

所述单次快速测量方法采用单次测量模式：测量完一个地层区域的全部信号以后，再启动下一次测量周期；所述单次快速测量方法包括以下步骤：

首先使用发射线圈发射饱和脉冲，使与所述发射线圈尺寸相同区域内的流体被饱和，纵向磁化和横向磁化矢量均为0；

经过Δt时间后，与所述发射线圈相邻的收发一体射频线圈尺寸相同的饱和流体流到线圈的范围内时，所述收发一体射频线圈发射90度射频，然后接收FID信号，所述FID信号峰值为T1测量的第一个信号点；再每间隔2Δt时间后，分别由对应的收发一体射频线圈依次发射90度射频后接收FID信号，其信号峰值分别为T1测量的后续信号点；所述Δt=单个收发一体射频线圈的线圈长度/流体流速；

将所有信号点与其对应的时间序列（Δt ，3Δt，5Δt，……）经过拉普拉斯反变换，即得到流体的T1弛豫分布即弛豫谱；如果流体为单组分，即得到流体的T1弛豫时间；

所述并行快速测量方法采用并行测量模式：第一次测量尚未结束，即开启下一个地层区域的测量；所述并行快速测量方法采用并行测量模式：所述并行测量模式包括以下步骤：

所述发射线圈及与所述发射线圈相邻的三个收发一体射频线圈，其线圈工作与单次测量模式相同；

在第三个收发一体射频线圈采集结束后，再经Δt时间后，使所述发射线圈再次发射饱和脉冲，激励下一个测量地层区域，为测量T1做准备；此后与单次测量模式相同。

2.如权利要求1所述的基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，其特征在于，所述U型表面磁体为三块永磁钐钴磁钢首尾相连组成U形状磁体。

3.如权利要求1所述的基于表面核磁共振技术的流体T1弛豫谱的快速测量系统，其特征在于，根据流速和待测流体T1值，所述收发一体射频线圈为3~15个。

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