Достижения в области регистрации ядерного магнитного резонанса (nmr) для влажности и типирования жидкости

Основы ядерной магнитно-резонансной регистрации

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) лесозаготовки зарекомендовал себя как один из самых мощных методов измерения скважин, доступных для нефтяной промышленности. В отличие от обычных инструментов пористости, которые полагаются на свойства объемных пород, такие как плотность, поперечное сечение захвата нейтронов или акустическое импеданс, ЯМР лесозаготовки непосредственно обнаруживает протоны водорода, присутствующие в поровых жидкостях. Эта прямая чувствительность к жидкостям, а не к матрице породы дает ЯМР уникальную способность количественно определять пористость, независимую от литологии, и характеризовать насыщение жидкости и среду в масштабе пор таким образом, что другие методы лесозаготовки не могут соответствовать.

Физический принцип, лежащий в основе регистрации ЯМР, прост. Постоянный магнит в инструменте поляризует ядра водорода в формирующих жидкостях, выравнивая их магнитные моменты с приложенным полем. Затем радиочастотные импульсы передаются, чтобы склонить эти моменты в поперечную плоскость, и по мере того, как ядра расслабляются обратно в равновесие, они излучают измеримый сигнал. Скорость, с которой этот сигнал распадается, регулируется двумя различными процессами релаксации: продольной релаксацией (T1) и поперечной релаксацией (T2). Анализируя кривые распада, геофизики могут извлечь информацию о распределении размеров пор, вязкости жидкости и присутствии различных жидких фаз, таких как вода, нефть и газ.

За последнее десятилетие технология регистрации ЯМР претерпела существенные улучшения в аппаратном проектировании, секвенировании импульсов и алгоритмах инверсии данных. Эти достижения раздвинули границы того, что может быть достигнуто с точки зрения вертикального разрешения, глубины исследования и точности набора жидкости в сложных резервуарах. В этой статье рассматриваются самые значительные последние инновации в области регистрации ЯМР и их непосредственное влияние на определение пористости и характеристику жидкости.

Эволюция технологии NMR Logging

Ранние средства регистрации ЯМР были ограничены низкими соотношениями сигнал/шум, неглубокой глубиной исследования и относительно грубым вертикальным разрешением.Первое поколение коммерческих средств ЯМР, введенных в 1990-х годах, работало на единичных частотах и могло обеспечить качественные показатели пористости и объемов свободной жидкости, но они изо всех сил пытались обеспечить количественные результаты в гетерогенных образованиях или в присутствии тяжелой нефти или газа.

Переход от конструкций катушек с внутренней стороны к расположению постоянных магнитов представлял собой важный шаг вперед. Современные инструменты ЯМР используют цилиндрические или седловидные магниты, которые генерируют равномерное статическое магнитное поле в образовании, что позволяет более последовательно поляризовать и снизить чувствительность к эксцентриситету инструмента. Введение многочастотной работы позволило проводить одновременные измерения на нескольких глубинах исследования, улучшая прочность набора жидкости и уменьшая экологические поправки.

Сегодня промышленность имеет доступ к передовым платформам ЯМР, которые могут работать на частотах от нескольких сотен килогерц до более двух мегагерц, причем глубина исследования простирается от нескольких сантиметров до более пятнадцати сантиметров в формацию. Эти инструменты могут получать данные как в режимах T2, так и T1, и они поддерживают сложные импульсные последовательности, такие как диффузионное редактирование и улучшенный режим точности для повышения точности в формациях с низкой пористостью и низкой проницаемостью.

Ключевые технологические достижения в области лесозаготовок ЯМР

Многочастотные и многоглубинные возможности измерения

Одним из наиболее эффективных нововведений в области регистрации ЯМР является развертывание многочастотных инструментов, которые могут одновременно получать данные на нескольких радиальных глубинах. Традиционные одночастотные инструменты были ограничены фиксированной глубиной исследования, что делало их уязвимыми для буровой руготности, эффектов грязи и артефактов вторжения. Многочастотные инструменты преодолевают это ограничение, генерируя различные чувствительные объемы в разных радиальных положениях, каждый из которых соответствует различной рабочей частоте.

Эта способность дает несколько важных преимуществ. Во-первых, самые мелкие измерения могут быть использованы для коррекции вкладов скважин и грязевых кексов, повышения точности оценок пористости в сложных условиях. Во-вторых, более глубокие измерения меньше подвержены инвазии, давая более репрезентативный взгляд на девственное образование. В-третьих, сравнивая реакцию на разных глубинах, аналитики могут сделать вывод о степени инвазии и дифференцировать подвижные и неподвижные жидкости. Это особенно ценно в тонкоспальных резервуарах, где профили инвазии сложны и трудно охарактеризовать обычными инструментами.

Многочастотные инструменты также позволяют улучшить дискриминацию по размеру пор. Поскольку время релаксации T2 пропорционально размеру пор, а время эхо-разрыва и поляризации может быть оптимизировано независимо для каждой частоты, инструмент может быть сконфигурирован для подчеркивания различных диапазонов размеров пор. Это позволяет более подробно охарактеризовать систему пор, от микропор в сланцах до макропор в высокопроницаемых песчаниках.

Расширенные алгоритмы обработки сигналов и инверсии

Необработанные данные, полученные инструментами ЯМР, состоят из последовательности спиновых эхо-сигналов, которые распадаются с течением времени. Преобразование этого эхо-поезда в распределение T2, распределение T1 или двумерную карту требует сложных алгоритмов инверсии. Последние достижения в этой области были сосредоточены на улучшении разрешения, стабильности и скорости этих инверсий, что позволяет в режиме реального времени и в режиме близком к реальному времени интерпретировать на месте скважины.

Регуляризованные методы инверсии, такие как регуляризация Тихонова и методы Монте-Карло, были усовершенствованы для более эффективного решения проблемы инверсии ЯМР с неблагоприятными условиями. Эти алгоритмы теперь включают в себя предварительную информацию о формировании, такую как ожидаемые отсечки T2 для объемов связанной жидкости и свободной жидкости, чтобы ограничить решение и уменьшить неопределенность. Результатом является более стабильное и физически правдоподобное распределение T2, даже когда отношение сигнал-шум низкое.

Неотрицательная инверсия наименьших квадратов с сглаживанием кривизны стала отраслевым стандартом для одномерного анализа T2. Однако для более сложных задач ввода жидкости все чаще используются двумерные инверсии, которые одновременно разрешают T2 и коэффициент диффузии (D) или T2 и T1. Эти 2D-карты ЯМР обеспечивают мощный инструмент визуализации для различения фаз нефти, воды и газа на основе их различного релаксации и диффузионного поведения. Недавние алгоритмические улучшения сократили время вычислений для 2D-инверсий с часов до минут, что делает их практичными для рутинных полевых применений.

Подходы машинного обучения и глубокого обучения также начинают проникать в обработку данных ЯМР. Нейронные сети, обученные на больших базах данных синтетических и полевых ЯМР-данных, могут прогнозировать распределения T2, компоненты пористости и насыщение жидкости непосредственно из сырых эхопоездов, минуя традиционный этап инверсии. Пока эти методы все еще проверяются для использования в производстве, они обещают ускорить интерпретацию и уменьшить потребность в экспертном ручном анализе.

Интеграция с другими измерениями лесозаготовок

ЯМР-регистрация наиболее мощна, когда она интегрирована с другими измерениями оценки образования.Современные рабочие процессы интерпретации сочетают пористость и объемы жидкости, полученные из ЯМР, с удельным сопротивлением, звуковыми, плотными и нейтронными данными для получения всеобъемлющей картины резервуара.

Например, объединение общей пористости ЯМР с плотностью-нейтронным пористостью скрещенных сплетений позволяет аналитикам идентифицировать глинистую воду и вычислить более точную эффективную пористость. Распределение ЯМР Т2 обеспечивает прямое измерение несводимого насыщения воды, которое можно сравнить с данными капиллярного давления от анализа ядра до калибровки функций насыщения-высоты. В карбонатных резервуарах, где поровые системы часто являются сложными и неоднородными, данные ЯМР, интегрированные с измерениями звуковой скорости, помогают различать пористость первичных интерчастиц и вторичную вагузную или трещинную пористость.

Особенно мощная интеграция заключается в том, что яМР и диэлектрическая дисперсия регистрируются. Диэлектрические измерения чувствительны к солености воды и текстурным свойствам, в то время как яМР обеспечивает объемы жидкости и информацию о размере пор. Вместе они позволяют более надежно определять насыщение воды в пресноводных средах и в сложных литологиях, где традиционная интерпретация сопротивления неоднозначна.

В области геомеханики распределение пористости и размеров пор на основе ЯМР может быть соотнесено с прочностью породы и свойствами напряжения.Эта информация используется для оптимизации конструкции гидравлического разрыва, выбора интервалов завершения и прогнозирования потенциала производства песка.

Влияние достижений ЯМР на определение пористости

Пористость является одним из наиболее фундаментальных свойств резервуара, и ядрышкообразование имеет несколько явных преимуществ перед обычными измерениями пористости. Наиболее важным из них является то, что ядрышкообразование является литологически независимым. При обычном логировании плотность, нейтроны и звуковые измерения требуют знания матричной минералогии для преобразования измеряемого свойства в пористость. Если литология неизвестна или переменна, полученная пористость может быть значительно погрешной. ЯМР, напротив, непосредственно измеряет индекс водорода поровых жидкостей, который прямо пропорционален пористости, при условии, что жидкости полностью поляризованы и известен индекс водорода.

Полная пористость и клей-связанная вода

Одним из ключевых нововведений в недавней вырубке ЯМР стала способность измерять и отделять глинисто-связанную водную пористость от капиллярно-связанной и свободной жидкой пористости. Глинистая вода существует в микропористости, связанной с глинистыми минералами, такими как неиллит, смектит и каолинит. Эта вода не является произведённой и не способствует эффективной пористости, но влияет на общую пористость образования.

С современными инструментами ЯМР, работающими на коротких эхо-разрывах (порядка 0,2 миллисекунд или менее), можно захватывать быстрорасслабляющиеся компоненты T2, которые соответствуют глиняной воде. Эти короткие компоненты T2 имеют время релаксации менее 3 миллисекунд и часто пропускаются более старыми инструментами с более длинными эхо-разрывами. Точно измеряя объем глинистой воды, аналитики могут вычислить более надежную эффективную пористость и несводимое насыщение воды, что напрямую влияет на оценку запасов и решения о завершении.

Способность измерять глинисто-связанную воду также улучшает интерпретацию золовидных песчаных водоемов.В этих образованиях наличие глинистых минералов заставляет обычные инструменты пористости переоценивать пористость из-за высокого индекса водорода и низкой плотности глинистых минералов. ЯМР-рубка обеспечивает прямое измерение заполненной жидкостью пористости, а в сочетании с глинисто-связанным объемом воды позволяет более точно определить объем добываемой углеводородной поры.

Распределение размеров пор и оценка проницаемости

Распределение T2, измеренное методом регистрации ЯМР, является отражением распределения размеров пор внутри формации. Поскольку в режиме быстрой диффузии преобладает поверхностное расслабление, время T2 пропорционально соотношению поверхности поры к объему. Малые поры имеют короткое T2-кратное, а большие поры имеют длинное T2-кратное. Это соотношение позволяет ЯМР обеспечивать непрерывное измерение распределения размеров пор in situ, что имеет решающее значение для понимания качества резервуара и прогнозирования проницаемости.

Разработаны многочисленные модели проницаемости, использующие в качестве входных данные ЯМР. Наиболее широко используется модель Кеньона или Тимура-Коатса, которая связывает проницаемость с отношением пористости свободной жидкости к пористости связанной жидкости. Более продвинутые модели включают среднее T2 или полное распределение T2 для повышения точности прогнозов проницаемости в гетерогенных образованиях.

Последние достижения в области регистрации ЯМР повысили надежность оценок проницаемости несколькими способами. Во-первых, способность измерять полное распределение T2, включая короткие компоненты T2, гарантирует точную количественную оценку объема связанной жидкости. Во-вторых, многочастотные инструменты могут предоставлять информацию о радиальном изменении размера пор, что полезно для характеристики инвазивных зон и для понимания влияния повреждения, вызванного бурением, на проницаемость вблизи скважины. В-третьих, интеграция данных ЯМР с преобразованиями проницаемости, калиброванными ядром, позволяет разрабатывать локализованные и литологические модели проницаемости, которые превосходят общие отраслевые корреляции.

Достижения в области жидкостного типирования с помощью ЯМР

Типирование жидкости является одним из наиболее сложных применений лесозаготовок ЯМР, и именно в этой области последние технологические достижения оказали наибольшее влияние. Возможность различать фазы воды, нефти и газа в поровом пространстве имеет важное значение для определения зон оплаты, оценки насыщения углеводородами и оптимизации стратегий завершения.

T2 и T1 Расслабляющий анализ

Традиционный подход к типированию жидкости ЯМР опирается на различия во времени релаксации Т2. В влаго-мокром образованиях вода занимает небольшие поры и поверхностный слой более крупных пор, давая ему относительно короткое время Т2. Нефть, будучи невлажной, занимает центр более крупных пор и имеет более длительное время Т2. Газ имеет очень долгое время Т2 из-за его низкой плотности водорода и быстрой молекулярной диффузии. Эти различия составляют основу классических моделей отсечения Т2, используемых для разделения распределения Т2 на связанные с жидкостью, подвижные жидкости и объемы углеводородов.

Однако типирование текучей среды на основе T2 может быть неоднозначным во многих реальных ситуациях. Тяжелые масла имеют короткие T2 раза, которые перекрываются с сигналами связанной воды, в то время как легкие масла в небольших порах могут иметь T2 раза, которые неотличимы от воды. Для устранения этих ограничений современные инструменты ЯМР и методы интерпретации все чаще полагаются на анализ релаксации T1 в дополнение к T2. Соотношение T1/T2 является чувствительным показателем типа жидкости и взаимодействия поровой жидкости. Масло обычно имеет отношение T1/T2 от 1,5 до 3, вода имеет отношение близкое к 1, а газ имеет очень высокое отношение, часто превышающее 5.

Последние инструменты могут получать данные T1 непосредственно через последовательности импульсов насыщения-восстановления или инверсии-восстановления, или они могут получать информацию T1 из данных T2, полученных в разное время поляризации. Полученные карты T1-T2 обеспечивают гораздо более четкое разделение жидких фаз, чем только распределения T2, особенно в образованиях со сложной смачиваемостью или смешанными жидкостными системами.

Характеристика жидкостей на основе диффузии

Диффузионные измерения представляют собой еще одно мощное продвижение в типизации жидкости ЯМР. Различные жидкости имеют характерные коэффициенты диффузии. В условиях резервуара вода имеет коэффициент диффузии примерно от 2 до 10 × 10-9 м2/с, световое масло имеет коэффициент диффузии от 0,1 до 2 × 10-9 м2/с, а газ имеет коэффициент диффузии, который на порядок выше, на порядок от 10-7 до 10-6 м2/с. Применяя градиенты магнитного поля во время измерения ЯМР, инструмент может кодировать информацию диффузии в распад сигнала, позволяя разделение фаз жидкости на основе их диффузионного поведения.

Последовательности импульсов для диффузионного редактирования теперь стандартны на продвинутых платформах для регистрации ЯМР. Эти последовательности используют переменный интервал импульсов для генерации серии эхопоездов с различными диффузионными весами. Инвертируя полученный набор данных, аналитики могут создать двумерную карту D-T2, которая отображает коэффициент диффузии против времени релаксации T2. На такой карте, график воды, нефти и газа в разных регионах, обеспечивая надежную и количественную типизацию жидкости даже в сложных смесях.

Диффузионный подход особенно эффективен для идентификации и количественной оценки газа в низкопористых образованиях, где газовые сигналы слабы и легко маскируются водными или масляными сигналами, а также ценен для характеристики резервуаров с тяжелыми маслами, где высокая вязкость масла снижает его коэффициент диффузии и приводит его в диапазон, который можно отличить от воды.

Двухмерные карты ЯМР и расширенная визуализация

Разработка двумерных и трехмерных карт ЯМР была одним из наиболее трансформирующих достижений в интерпретации ЯМР-регистрации. Эти карты визуализируют совместное распределение двух или более свойств ЯМР, таких как T2-T1, D-T2 или T1-T2-D. Они обеспечивают уровень детализации и разрешения, которого невозможно достичь только с одномерными распределениями Т2.

На практике карты T2-T1 используются для разделения воды и нефти на основе их различных соотношений T1/T2, а карты D-T2 используют диффузионные различия для разделения воды, нефти и газа.Трехмерные карты, которые включают все три параметра, по-прежнему являются главным образом исследовательским инструментом, но они, как было показано, разрешают даже самые сложные жидкие смеси, в том числе обнаруженные в зонах с низкой устойчивостью и в образованиях с несколькими углеводородными фазами.

Интерпретация 2D-карт ЯМР облегчена разработкой алгоритмов автоматизированного кластеризации и машинного обучения. Эти алгоритмы могут идентифицировать различные области жидкости на карте и назначать дробные объемы каждому типу жидкости без необходимости ручного отбора отсечек. Эта автоматизация сокращает время интерпретации и улучшает согласованность между различными аналитиками и скважинами.

Полевые применения и практические соображения

Практическое воздействие достижений в области лесозаготовок ЯМР можно увидеть в широком спектре полевых применений. В плотных газовых песках, где обычные инструменты пористости часто не различают газ и связанную воду, ЯМР-заготовки с использованием типизации жидкости на основе диффузии использовались для идентификации интервалов газоносности и расчета насыщения газа со значительно сниженной неопределенностью по сравнению с обычными методами.

В резервуарах с тяжелыми нефтяными породами, заготовка ЯМР оказалась бесценной для характеристики сложных поровых систем и для различения подвижных и неподвижных нефтяных фракций. Возможность измерения времени релаксации T1 и генерации карт D-T2 позволяет аналитикам количественно оценить профиль вязкости нефтяной колонки и определить интервалы, где методы термического восстановления, такие как впрыск пара, будут наиболее эффективными.

В карбонатных резервуарах, где поровые системы являются неоднородными и часто преобладают вторичной пористостью, ведение журналов ЯМР обеспечивает непрерывное измерение распределения размеров пор, которое может быть соотнесено с анализом ядра и петрографическими данными. Эта информация используется для построения более точных моделей резервуаров и оптимизации размещения скважин и проектирования завершения.

Практические соображения для полевых применений включают необходимость тщательной калибровки инструмента, коррекции окружающей среды для воздействия температуры и давления и контроля качества полученных данных. Достижения в области проектирования инструмента повысили надежность измерений ЯМР в суровых условиях, включая высокотемпературные, высокого давления и солености среды. Автоматизированные флаги качества данных и системы мониторинга в реальном времени помогают идентифицировать и исправлять движение инструмента, руготность скважины и другие артефакты, которые могут ухудшить качество данных.

Будущие направления и новые тенденции

Темпы инноваций в области регистрации ЯМР не показывают признаков замедления. Несколько новых тенденций, вероятно, будут формировать следующее поколение инструментов и методов интерпретации ЯМР.

Текущие инструменты ЯМР требуют значительного времени обработки для инверсии и интерпретации данных, что означает, что результаты часто недоступны до тех пор, пока не будет завершена работа по обработке данных в скважине. Достижения в мощности обработки скважин и эффективности алгоритма инверсии позволяют производить распределения T2 и объемы жидкости в режиме реального времени, позволяя принимать решения по геоуправлению и корректировки размещения скважин на основе информации о качестве резервуара, полученной из ЯМР.

Машинное обучение и искусственный интеллект применяются практически ко всем аспектам регистрации ЯМР, от сбора данных до интерпретации и интеграции с другими измерениями. Нейронные сети могут быть обучены прогнозировать распределения Т2 из частичных эхопоездов, корректировать воздействие на окружающую среду и идентифицировать типы жидкости из 2D-карт. Эти методы могут сократить время и опыт, необходимые для интерпретации ЯМР, и повысить точность прогнозов в сложных резервуарах.

Интеграция лесозаготовок ЯМР с инструментами для испытаний и отбора проб является еще одной перспективной тенденцией. Анализаторы жидкостей скважины могут обеспечить прямые измерения состава жидкости, вязкости и соотношения газойльных и газойльных, которые могут быть использованы для калибровки и проверки моделей типизации жидкости ЯМР. Сочетание лесозаготовок ЯМР с тестированием проводного формирования позволяет проводить более полную и самосогласованную оценку свойств резервуарных жидкостей и потоков.

Наконец, расширяется применение лесозаготовок ЯМР к нетрадиционным ресурсам, таким как сланец, метан угольного пласта и геотермальные образования.В сланцах, где размеры пор находятся в диапазоне нанометров и обычные методы рубки имеют ограниченную ценность, лесозаготовки ЯМР могут предоставлять информацию об общей пористости, распределении размеров пор и насыщении жидкости, что необходимо для оценки потенциала резервуара и оптимизации конструкции гидравлического разрыва.

Заключение

За последние два десятилетия значительно продвинулись вперед технологии регистрации ядерных магнитных резонансов, превратившись из специализированной нишевой технологии в основной инструмент оценки формирования, который предоставляет важную информацию для характеристики резервуаров и извлечения углеводородов.Внедрение многочастотных инструментов, передовых алгоритмов инверсии и методов типизации жидкости на основе диффузии значительно улучшило точность и надежность измерений пористости и насыщения жидкости от регистрации ЯМР.

Возможность измерения общей пористости, эффективной пористости и объемов воды, связанных с глиной, с высокой точностью улучшила оценку запасов и конструкцию завершения в широком диапазоне литологий. Разработка карт 2D ЯМР и автоматизированных рабочих процессов интерпретации сделала типизацию жидкости более количественной и менее зависимой от субъективных отсечек. Интеграция данных ЯМР с другими измерениями лесозаготовок и с основным анализом обеспечивает всеобъемлющую и самосогласованную картину недр, которая поддерживает лучшее принятие решений на протяжении всего жизненного цикла разведки и добычи.

Заглядывая в будущее, продолжающийся прогресс в технологии датчиков скважин, обработке в режиме реального времени и машинном обучении еще больше расширит возможности лесозаготовок ЯМР и повысит их ценность для отрасли.По мере развертывания этих инноваций в этой области, лесозаготовки ЯМР будут оставаться на переднем крае технологии оценки формирования, обеспечивая более точную и более эффективную характеристику мировых углеводородных ресурсов.