Грег Губелин, Крис Моррис

Шугар Лэнд, Техас, США

Билл Кенйон, Роберт Клайнберг, Кристиан Стрейли

Риджфилд, Коннектикут, США

За помощь в подготовке данной статьи благодарим Остина Бойда и Билли-Дин Джибсон из компании Шлюмберже Уерлайн энд Тестинг, Шугар Лэнд, Техас, США. Эта статья была впервые опубликована в номере журнала «Ойлфилд Ревью», осень 1995 г. CMR (совместимый зонд ядерно-магнитного каротажа), ELAN (элементный анализ кривых каротажа), Litho-Density — литоплотностной каротаж (фотоэлектрический плотностной ка­ротаж) и NML (зонд ядерно-магнитного каротажа) являются марками Шлюмберже. Прибор MRIL (прибор ядерно-магнитного каротажа) является маркой корпорации NUMAR.

В течение почти 75 лет нефтедобывающая про­мышленность полагается на методы геофизи­ческих исследований в скважинах при изучении свойств геологического разреза. Арсенал мето­дов каротажа на кабеле вырос до масштабов, которые позволяют изучать строение залежей углеводородов с беспрецедентной точностью. Однако, все же еще остаются нерешенными и многие проблемы. Так, например, по-прежне­му труднодостижимо получение непрерывных по разрезу данных о проницаемости, нередки случаи пропусков продуктивных интервалов, а коэффициент нефтеизвлечения остается не­высоким. Надежные измерения ядерно-маг­нитного резонанса (ЯМР) могут изменить картину в лучшую сторону. В статье изложе­ны физические основы метода ядерно-маг­нитного каротажа (ЯМК), интерпретация получаемых данных и рассмотрены практиче­ские примеры их успешного применения.

Некоторые основные сведения.

Ядерно-магнитный резонанс связан с физиче­ским принципом, заключающимся в реакции ядер на магнитное поле. Многие из ядер обла­дают магнитным моментом, т. е. они ведут се­бя как вращающиеся стержневые магниты (рис. 1). Эти вращающиеся магнитные ядра могут взаимодействовать с внешними по от­ношению к ним магнитными полями и генери­ровать поддающиеся измерению сигналы.

Для большинства элементов обнаружива­емые сигналы слабы, однако, водород обла­дает сравнительно большим магнитным моментом и присутствует в изобилии и в во­де, и углеводородах порового пространства горных пород. Настроив используемый при ЯМК каротажный зонд на частоту магнитного резонанса водорода, можно максимально усилить и измерить данный сигнал.

Измерение направлено на определение ве­личины амплитуды сигнала и его затухания (см. раздел «Все дело в спине — измерения ЯМР», стр. 36). Величина амплитуды сигнала при ЯМР пропорциональна числу ядер водоро­да и калибруется таким образом, чтобы опре­делить значения пористости независимо от литологии и без использования радиоактивных источников. Однако наибольший интерес, петрофизиков вызывает величина затухания сигнала ЯМР в течение каждого цикла изме­рений, называемая временем релаксации.

Время релаксации зависит от размера пор (рис. 2). Небольшие поры снижают время ре­лаксации, причем самые малые величины времени релаксации соответствуют связан­ной воде в глинах и капиллярах. Крупные по­ры отождествляются с большими временами релаксации и содержат в себе наиболее лег­ко извлекаемые флюиды. Таким образом, рас­пределение времен релаксации является мерой распределения размеров пор — нового петро-физического параметра. В результате интерпре­тации времен релаксации и их распределений можно получить такие петрофизические пара­метры как проницаемость, динамическая (эффективная) пористость и остаточная водонасыщенность. Другие возможные приложения включают в себя построение кривых капилляр­ного давления, определение типа углеводоро­дов и дополнительную информацию при проведении фациального анализа.¹

В процессе проведения опытных исследо­ваний ядерного магнитного резонанса можно измерить два времени релаксации и их рас­пределения. С помощью лабораторного инст­румента обычно измеряется продольное время релаксации T1 и распределение Т2, в то время как с помощью каротажных зондов производятся замеры поперечного времени релаксации Т2 и распределения Т2 при боль­шей скорости.² Далее в данной статье под Т2 будет подразумеваться поперечное время ре­лаксации.

Рис. 1. Прецессирующие протоны. Ядра водорода — протоны — ведут себя подобно вращающимся стержневым магнитам. Будучи выведенными из равновесия, они прецессируют в статическом магнитном поле (слева! точно так же, как и макушка детского волчка в гравитационном поле Земли (справа).

Рис. 2. Кривые релаксации. Вода, помещенная в испытательную емкость, имеет продолжительное время релаксации Т₂, равное 3700 мс при 40°С (верхняя кривая). Времена релаксации в каверноз­ных карбонатах могут приближаться к этим вели­чинам. Однако вода в поровом пространстве поро­ды обычно обладает меньшими значениями времени релаксации. Так например, в песчаниках время релаксации обычно изменяются от 10 мс в небольших порах до 500 мс — в крупных. Величи­на начальной амплитуды кривой релаксации дает значение пористости CMR (т. е. пористости по дан­ным совместимого прибора ЯМК).