波谱学杂志, 2022, 39(2): 174-183 doi: 10.11938/cjmr20212964

研究论文

一种基于组分补偿的二维核磁共振测井数据高精度处理方法

王振林1,2, 张融1, 张妮3, 蔺敬旗4, 覃莹瑶5, 陈刚1,2, 张宫,5

1. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000

2. 中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249

3. 中国石油集团测井有限公司地质研究院，陕西 西安 710000

4. 中油测井新疆分公司，新疆 克拉玛依 834000

5. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100

A High-precision Processing Method of Two-dimensional NMR Logging Data Based on Component Compensation

WANG Zhen-lin1,2, ZHANG Rong1, ZHANG Ni3, LIN Jing-qi4, QIN Ying-yao5, CHEN Gang1,2, ZHANG Gong,5

1. Exploration and Development Research Institute of PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, China

2. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

3. Geological Research Institute, China Petroleum Logging Co. Ltd., Xi'an 710000, China

4. Xinjiang Branch, China Petroleum Logging Co. Ltd., Karamay 834000, China

5. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources of Education Ministry, Yangtze University, Wuhan 430100, China

通讯作者: 张宫, Tel: 15652663116, E-mail:zhanggong@yangtzeu.edu.cn

收稿日期: 2021-12-13  

基金资助: 中石油重大科技专项.  2019E-26

Received: 2021-12-13  

摘要

二维核磁共振技术能够对储层中各类含氢流体进行无损、快速、定量的测量和表征，但受限于采集方式和参数，核磁共振设备在对页岩油等致密储层中的有机质、沥青等超快弛豫组分进行检测时，经常出现由于信号采集不完整所导致的二维谱中流体组分缺失或不准的问题.本文提出了基于超快弛豫组分补偿技术的T2-T1二维谱高精度反演方法，该方法将一维核磁共振前端信号补偿技术进行推广，通过在二维核磁数据反演前对回波数据进行组分补偿，能够有效解决二维核磁共振测井前端信号漏失的问题.实验及测井数据的应用表明，该方法在页岩油等富含快弛豫组分信号的储层中，可以得到更加精准和完整的储层信息.

关键词： 二维核磁共振 ; 组分补偿 ; T2-T1 ; 页岩油

Abstract

Two-dimensional nuclear magnetic resonance (NMR) technology can perform non-destructive, rapid and quantitative measurement and characterization of various hydrogen-containing fluids in the reservoir, but is limited by the acquisition methods and parameters of NMR equipment. In the detection of samples with ultra-fast relaxation components such as organic matter and asphalt, the problem of missing or inaccurate fluid components in two-dimensional spectrum due to incomplete signal acquisition often occurs. In this paper, a high-precision inversion method of T2-T1 two-dimensional spectrum based on ultrafast relaxation component compensation technology is proposed. This method extends the one-dimensional NMR front-end signal compensation technology. By compensating the components of the echo data before the inversion of two-dimensional NMR data, the problem of signal leakage at the front end of two-dimensional NMR logging can be effectively solved. The application of experiments and logging data shows that this method can obtain more accurate and complete reservoir information in shale oil and other reservoirs rich in signals of fast relaxation components.

Keywords： 2D NMR ; component compensation ; T2-T1 ; shale oil

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本文引用格式

王振林, 张融, 张妮, 蔺敬旗, 覃莹瑶, 陈刚, 张宫. 一种基于组分补偿的二维核磁共振测井数据高精度处理方法. 波谱学杂志[J], 2022, 39(2): 174-183 doi:10.11938/cjmr20212964

WANG Zhen-lin. A High-precision Processing Method of Two-dimensional NMR Logging Data Based on Component Compensation. Chinese Journal of Magnetic Resonance[J], 2022, 39(2): 174-183 doi:10.11938/cjmr20212964

引言

二维核磁共振技术在测量横向弛豫（T2）信息的基础上，对纵向弛豫时间（T1）、扩散系数（D）、内部磁场梯度（G）等参数进行观测，提高了核磁共振对流体的识别能力及饱和度计算精度，在岩心分析和测井评价中得到了广泛应用[1-3].实现T2-T1二维核磁共振测井，一般方法是利用核磁共振测井仪在井下采集多组不同等待时间（Tw）的CPMG回波信号，然后进行多回波串联合反演处理，得到二维T2-T1分布图谱，结合不同流体T1和T2的差异进行流体识别和饱和度计算[4-6].T2-T1二维核磁共振方法识别流体的精度一方面取决于观测模式（数据采集参数），不同的观测模式对流体的分辨能力不同；另一方面取决于二维谱反演算法，不同的反演算法得到的二维谱精度不同[7, 8].对于不同的储层类型，需要通过其核磁共振响应特征，结合岩心分析实验对数据采集进行观测模式优化，进而提高二维核磁共振测井的适用性[4].近年来，针对备受关注的非常规储层，尤其是页岩油气储层，斯伦贝谢公司研制了高精度核磁共振仪器CMR-MagniPHI（也称为CMR-NG），并逐渐为我国重点页岩油气区进行二维核磁共振测井服务[9].尽管通过实验室核磁共振分析实验可以很容易在T2-T1二维谱中区分储层中的类固体有机质、轻质烃、各种状态的水等含氢化合物[10-12]，但实际测井过程受限于核磁共振测井仪器数据采集方式和时效要求，很难达到与实验室同等的测量效果.与实验室核磁共振岩心分析相比，二维核磁共振测井最大的不同之处一方面在于采集所用的回波间隔（TE）相对较大（0.2 ms），导致前端有机质等快弛豫组分信号容易缺失；另一方面在于测井电缆的上提速度下限导致不能保证所有回波信号都能够充分叠加，从而导致回波信号信噪比极差（一般小于10）.如何在信噪比较低且前端信号缺失的情况下尽可能保证二维图谱的完整性和准确性，是一个非常具有挑战性的问题.

本文提出了基于超快弛豫组分补偿技术的二维核磁共振反演算法，在一定程度上弥补了有机质等信号缺失的问题，在页岩油储层测井评价中可以得到更加丰富的信息.

1 方法原理

本文以斯伦贝谢CMR-MagniPHI二维核磁共振测井仪器的数据采集方式为例进行分析，与实验室观测序列不同，T2-T1二维核磁共振测井采用多Tw的CPMG回波组合测量观测目标的T1.

1.1 数据处理

CMR-MagniPHI核磁共振测井仪提供DLIS格式的数据，原始测量数据中主要包括6组正交回波道数据，所有数据信息均存在名称为ECHO_AMP_X和ECHO_AMP_R的曲线中，需要根据回波个数（NECH）信息来进行回波拆分，CMR-MagniPHI各组回波按Tw从长到短依次进行存放，因此根据NECH提供的回波个数依次提取出不同Tw的数据即可.对于拆分出的各组正交回波信号（例如ECHOX(1)、ECHOR(1)，ECHOX和ECHOR分别表示X相和R相回波），首先要计算相位角，计算方法如(1)式所示：

$\phi = \arctan \frac{{\sum\limits_{i = 2}^n {{\rm{ECHOR}}(i)} }}{{\sum\limits_{i = 2}^n {{\rm{ECHOX}}(i)} }}$

(1) 式中：ϕ是相位角；相位角的计算一般从第2个回波开始，n是计算相位角的终止回波序号，其取值需根据实际情况，选择标准是在一个有限的深度范围内，保证相位角是稳定的，没有太大的突变.

各组相位角计算完成后，通过正交相位角的旋转处理就可以得到回波信号道和噪音信号道数据，其旋转公式为：

$\begin{array}{l}{\rm{ECHOS}}(i) = {\rm{ECHOR}}(i)\cos (\phi ) + {\rm{ECHOX}}(i)\sin (\phi )\\{\rm{ECHON}}(i) = - {\rm{ECHOR}}(i)\sin (\phi ) + {\rm{ECHOX}}(i)\cos (\phi )\end{array}$

(2) 式中，ECHOS是含有噪音的信号道回波，ECHON是纯噪音回波.噪音回波信号可以用来估算噪音的均方差和标准差，可以用来反映测井质量[13].

核磁共振二维谱反演是数据处理的关键步骤，也是国内外学者研究的重点.对于多Tw的CPMG回波数据的处理，一般采用多回波串联合反演的方法[4-7].对于CMR-MagniPHI二维核磁共振测井，测量的回波信号衰减规律服从如下公式：

${b_{is}} = \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{r = 1}^p {{f_{jr}}} [1 - \exp ( - {T_{{\rm{w}}s}}/{T_{1r}})]\exp ( - {t_i}/{T_{2j}}) + {\varepsilon _{is}}} $

其中，${b_{is}}$是第i个回波在等待时间为${T_{{\rm{w}}s}}$时的回波幅度；m是横向弛豫时间${T_{2j}}$的个数；p是纵向弛豫时间${T_{1r}}$的个数；${f_{jr}}$是横向弛豫时间为${T_{2j}}$、纵向弛豫时间为${T_{1r}}$时的信号量；${\varepsilon _{is}}$为噪音.将上式进行二维谱反演，求取${f_{jr}}$，即可得到二维T2-T1分布，本文采用截断奇异值分解算法（TSVD）进行二维谱反演.

1.2 T2-T1二维核磁共振流体识别图版

T2-T1二维核磁共振测井饱和度计算依赖于解释图版，不同流体在T2-T1二维谱中的响应位置有所不同，这也是T2-T1二维谱能够用来识别流体性质并计算各类流体饱和度的基础.图 1是2016年Kausik等[10, 14]通过实验得到的二维解释图版，采用的仪器是Oxford GeoSpec2岩心分析仪，该仪器的共振频率为2 MHz，采集参数TE采用的是0.1 ms，数据信噪比为50，反演算法布点是从0.2~1 000 ms.需要注意的是，井下核磁共振测井仪很难达到室内实验设备的性能，测量参数和信噪比都与室内实验设备有较大差距，例如关键参数TE，测井所能达到的下限为0.2 ms（CMR-MagniPHI），根据超快弛豫组分损失机制[15]，干酪根、沥青等快弛豫组分信号必定无法被全部探测.

图1

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图1   T2-T1二维核磁共振流体解释理论图版（据文献[10]、[14]修改）

Fig.1   T2-T1 two-dimensional nuclear magnetic resonance fluid interpretation theoretical chart (Reproduced from Ref. [10] and [14])


2 超快弛豫组分补偿技术

2.1 弛豫组分漏失现象

在进行核磁共振实验或测井过程中，当观测对象含有较短弛豫时间（相对于TE）组分时，部分快弛豫信号会在第一个采集点之前衰减完毕，从而造成前端信号漏失（信号漏失即核磁共振孔隙度偏低），给后续分析结果带来误差，这种现象称为弛豫组分漏失（RCL）现象.图 2是弛豫信号漏失量与TE之间的关系（由实验得到），不同的颜色则代表归一化核磁共振孔隙度，RCL现象会造成核磁共振总孔隙度计算偏低，尤其是对页岩油气这类存在超短弛豫组分储层的影响程度更大.

图2

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图2   弛豫信号漏失与回波间隔关系图版（据文献[15]）

Fig.2   The relationship between the loss of relaxation signal and echo interval (Reprinted from Ref. [15])


为了避免RCL现象，最直接的方法就是采用较小的TE进行测量.对于2 MHz的核磁共振测量设备，无损测量时，TE应当满足以下条件[15]：

${T_{\rm{E}}} \le 0.277*T_2^{0.83}$

实际上，因为目前室内实验设备能达到的TE下限为0.05 ms（对应T2≥0.13 ms的组分），测井设备的TE下限为0.2 ms（对应T2≥0.68 ms的组分），所以对于富含有机质、沥青等较快弛豫组分的页岩油气储层，不可避免的会存在RCL现象.图 3是实验室测量页岩油储层岩心（岩心为新疆油田玛湖凹陷风城组钻井取心样品）的T2-T1实验结果（图中标记出的实验室测量和测井下限为一维T2测量对应下限，二维测量中会有略微变化），采用的TE=0.05 ms，可以测量到较为完整的信号，而且在T2≤0.68 ms区域有很强的信号显示，而这部分信号在核磁共振测井中会有较为严重的RCL现象，导致测量结果存在偏差.

图3

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图3   页岩油储层岩心原样高精度T2-T1核磁共振实验

Fig.3   High-precision T2-T1 nuclear magnetic resonance test of the original core sample from shale oil reservoirs


2.2 漏失组分补偿方法

为了减小RCL现象对测量结果的影响，可以采用弛豫组分校正的方法对前端信号进行组分补偿，该方法在页岩一维核磁测量中得到了较好的应用效果[15].由于TE的变化对不同弛豫组分的影响是不同的，最直接的方法就是在同等测量条件下，通过对具有不同弛豫时间的样品进行多TE实验，找到每种弛豫组分随TE值的变化规律，再通过这一规律将实际样品测量结果进行校正.例如，图 4是横向弛豫时间为0.5 ms的组分的孔隙度损失率与TE的关系.

图4

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图4   横向弛豫时间为0.5 ms的组分在不同TE测量时的孔隙度损失率[15]

Fig.4   Porosity loss rate of the component with a transverse relaxation time of 0.5 ms in different TE measurements[15]


超快弛豫组分补偿技术的目的是降低漏失弛豫组分对TE的敏感性，从数据处理的角度是指使得弛豫组分的检测下限更低.弛豫速率较大、回波信号衰减较快的流体组分更容易发生RCL现象，因此漏失组分补偿方法对于页岩油气储层这类含有大量快弛豫组分信息的储层，可以发挥较大作用.

2.3 基于组分补偿的二维谱反演

一维核磁共振快弛豫组分补偿的本质，是恢复由于TE过大导致的没有采集到的快弛豫回波信号，二维核磁共振采用的是多回波联合反演算法直接得到二维图谱，因此若想恢复丢失的快弛豫信号，必须在进行二维谱反演前对回波进行补偿校正.实现基于组分补偿技术的二维谱反演具体流程如下：

第一步：对二维核磁共振测量得到的每组回波数据进行一维反演，得到各组T2谱；

第二步：根据图 4对各组T2谱中每个弛豫组分（各弛豫时间对应的信号幅度）进行补偿恢复，得到各组恢复后的T2谱；

第三步：将各组恢复后的T2谱进行正演，得到各组补偿校正后的回波；

第四步：对校正后的回波进行联合反演得到T2-T1二维谱.

本文将一维核磁共振快弛豫组分补偿校正技术和多回波联合二维反演技术相结合，提出了二维核磁共振数据高精度处理方法，其特点是在进行联合反演前对各组回波数据进行补偿校正，算法简单且容易实现.

2.4 方法验证

利用二维高斯分布方程构造包含有机质、束缚水和可动水三种组分的T2-T1二维谱[16]，模型如图 5所示，其中有机质T2中心值设置为0.08 ms、T1中心值设置为5.0 ms；束缚水T2中心值设置为1.0 ms、T1中心值设置为4.0 ms；可动水T2中心值设置为50.0 ms、T1中心值设置为75.0 ms.

图5

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图5   数值模拟对比. (a)构造模型；(b)组分补偿前T2-T1二维谱；(c)组分补偿后T2-T1二维谱

Fig.5   Numerical simulation comparison. (a) Construction model; (b) T2-T1 2D spectrum before component compensation; (c) T2-T1 2D spectrum after component compensation


模拟多Tw的采集序列进行多Tw的回波数据采集，每组回波按照(3)式进行模拟，同时增加高斯白噪声，控制信噪比为20.采用TE= 0.2 ms进行变Tw的回波采集，Tw分别设置为3 600、300、50、10、3、1.2 ms，采集得到多Tw的回波串.对采集得到的多Tw的回波数据进行联合反演，得到T2-T1二维谱[图 5(b)]，进一步，将采集得到的多组回波按照2.3节所述的方法进行基于组分补偿的二维谱反演，得到新的T2-T1二维谱[图 5(c)].与构造谱对比可以看出，直接对回波进行二维谱反演时，有机质信号与束缚水信号合并，无法识别.其原因是构造的有机质组分T2中心值为0.08 ms，使用TE = 0.2 ms进行数据采集，在记录第一个点数据时候，该组分的信号几乎已经衰减完毕，产生严重的RCL效应，导致该组信号分无法被完整探测.而采用快弛豫组分补偿校正技术对每组回波进行补偿后，再利用同样的联合反演的方法对数据进行处理，得到的T2-T1二维图谱中有机质组分的信号有很大的改善，减小了RLC现象的影响.

3 页岩油储层应用效果

3.1 岩心实验应用效果

选取三块吉木萨尔芦草沟组典型页岩油储层岩心样品（如图 6所示）进行实验，首先将样品进行线切割加工成直径为2.54 cm、长度为4 cm的柱塞样，然后抽真空24 h，设置24 MPa压力加压饱和油96 h，制成具有一定含油饱和度的岩心样品.

图6

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图6   测试使用的岩心样品

Fig.6   Core samples used for testing


在苏州纽迈公司生产的MesoMR23-060H核磁共振岩心分析仪上进行T2-T1二维核磁共振实验测量得到不同Tw的多组回波数据，为了跟井下核磁共振测井数据保持一致，TE采用0.2 ms，Tw分别设置为：3 600、300、50、10、3、1.2 ms.分别采用一般的多回波联合反演算法和上文所述的基于组分补偿的高精度处理算法进行处理，结果如图 7所示.图 7(a)、(c)、(e)为岩心实验测量数据直接反演、未经过组分补偿的结果，图 7(b)、(d)、(f)为岩心测量数据经过组分补偿后的二维谱结果.明显看出，岩心实验数据经过组分补偿高精度处理后，前端快弛豫组分信号有很大的改善，得到了更完整的岩心T2-T1二维核磁共振谱，可以根据图版进行更精确的流体组分识别.

图7

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图7   组分补偿前后岩心的T2-T1二维谱. (a)吉176-2岩心组分，补偿前；(b)吉176-2岩心组分，补偿后；(c)吉305-44岩心组分，补偿前；(d)吉305-44岩心组分，补偿后；(e) J10024-64岩心组分，补偿前；(f) J10024-64岩心组分，补偿后

Fig.7   T2-T1 2D spectra of core samples before and after component compensation. (a) Ji176-2 core, before component compensation; (b) Ji176-2 core, after component compensation; (c) Ji305-44 core, before component compensation; (d) Ji305-44 core, after component compensation; (e) J10024-64 core, before component compensation; (f) J10024-64 core, after component compensation


3.2 核磁共振测井应用效果

对于CMR-MagniPHI核磁共振测井，受TE限制，直接进行联合回波反演算法进行二维谱的处理，会导致测量结果有较大的RCL现象，经过弛豫组分补偿技术可以缓解这一问题，得到更加精准和完整的T2-T1二维核磁共振谱图.

图 8是X井页岩油储层3 420~3 440井段CMR-MagniPHI核磁共振测井数据处理成果图，图中，第一道为深度道，第二道为自然伽马曲线，第三道至第八道是原始测量数据拆分后的六道回波串数据，第九道是未进行组分补偿校正处理的二维谱在T2方向的投影谱，第十道为进行组分补偿处理的二维谱在T2方向的投影，第十一、十二道分别是没有进行补偿校正和补偿校正高精度处理后的二维核磁图谱，绘制的二维图谱是其顶边界对应深度的二维核磁共振结果.对比补偿前后的二维核磁共振谱图可以明显看到，经过高精度处理后，前端信号得到了增强和恢复，从而得到了更加完整的二维图谱.

图8

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图8   核磁共振测井应用效果

Fig.8   Application effect of nuclear magnetic resonance logging


为了进一步评估该方法的效果，将该井3 420~3 440井段所有二维谱进行叠加处理，得到全井段平均后的二维谱图，如图 9所示.可以清晰的看出，通过本文提出的基于组分补偿的高精度二维谱反演算法可以恢复得到更加精准的T2-T1二维谱.

图9

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图9   某X井页3 420~3 440层段所有二维谱叠加图的应用效果. (a)组分补偿前；(b)组分补偿后

Fig.9   Actual application effect of component compensation on cumulative spectrum in the 3 420~3 440 section of Well X. (a) Before component compensation; (b) After component compensation


通过数据统计可以发现，通过本文提出的新方法进行数据处理，核磁共振总信号幅度提高12.2%，0.5 ms前的信号幅度提高92.31%，0.5~1 ms之间的信号幅度提高13.49%，说明了该方法在页岩油储层前端信号恢复中的有效性（表 1），且对于越快弛豫的组分，高精度组分补偿方法就会恢复更多的信号量.

表1   某X井页岩油储层3 420~3 440井段不同处理方法信号幅度变化

Table 1  Changes in signal amplitude of different processing methods in the 3 420~3 440 section of a shale oil reservoir in Well X

方法总信号量/%0.5 ms前信号累计/%0.5~1 ms间信号累计/%1 ms后信号量累计/%
改进前4.8520.6500.4673.735
改进后5.4431.2500.5303.663
相对变化率12.292.3113.49-2.0

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4 结论

1）本文提出了一种高精度二维核磁共振数据处理方法，该方法将一维核磁共振反演中超快弛豫组分补偿技术推广至二维核磁共振数据处理过程，可以对前端信号进行补偿，在页岩油等具有超快弛豫组分的样品检测中可以得到更加完整的二维谱信号.

2）岩心实验及测井应用表明，在页岩油储层中，基于组分补偿的二维核磁共振数据处理方法可以对1 ms之前未被完全探测的信号进行恢复，可以在不改变原有仪器采集参数的情况下得到精细的前端信号，提高了测量资料的探测范围.

利益冲突

无

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