Ядерно-магнитный томографический каротаж

Введение

Метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) является относительно молодым физическим методом – явление ЯМР независимо открыли американские физики Ф. Блох и Э.М.Парселл со своими сотрудниками в 1946 г. (Нобелевская премия по физике 1952 г.).

ЯМР быстро нашел применение в нефтепромысловой геологии – уже в начале 60 – х годов был разработан метод ядерно-магнитного каротажа (ЯМК) в поле Земли. Благодаря усилиям организаций Москвы (ВНИИЯГГ), Азербайджана ( Азинефтехим, ЮжВНИИгеофизика), Татарии ( Татнефтегеофизика), Западной Сибири (ЗапСибНИИгеофизика) была создана отечественная технология ЯМК в поле Земли [1,4], которая развивается и в настоящее время. Наиболее широко, в рамках обязательного комплекса ГИС, ЯМК применяется в "Татнефтегеофизике". Результаты по нескольким тысячам скважин подтвердили эффективность ЯМК при решении ряда геологических задач [9,10] на основе анализа величины индекса свободного флюида (ИСФ), который, например, в разрезах Волго–Уральской нефтегазоносной провинции прямо коррелирует с эффективной пористостью. В других регионах страны ЯМК в поле Земли применяется эпизодически. Метод имеет ограниченные возможности при исследовании пород с небольшими временами релаксации; практически сложно получить качественные результаты при наличии в буровом растворе добавок нефти.

Бурное развитие фундаментальных теоретических и экспериментальных работ в области ЯМР в последние десятилетия ХХ века имело важные прикладные применения. В частности, разработанный метод магнитно – резонансной томографии (МРТ) считается одним из самых выдающихся медицинских открытий XX века ( Р. Эрнст - Нобелевская премия по химии 1991 г. за достижения в области импульсных ЯМР и МРТ) .

Эти идеи нашли практическое воплощение и применительно к геофизическим исследованиям скважин (ГИС) – в 90 –е годы разработан метод ЯМК в сильном поле (в поле постоянных магнитов), аппаратурно реализованный компаниями Numar (ныне входит в состав компании Hulliburton, MRIL – MagneticResonanceImagingLogging) и Schlumberger (CMR – CombineMagneticResonance).

Основной особенностью метода является размещение в скважинном приборе постоянных магнитов, создающих в зоне исследования магнитное поле, значительно превышающее напряженность магнитного поля Земли (практически влиянием направления и величины магнитного поля Земли можно пренебречь).

Так, для прибора ЯМТК НПЦ «Тверьгеофизика» в зоне исследования напряженность магнитного поля составляет примерно 175 Гс, т.е. примерно в 350 раз больше магнитного поля Земли.

Перевод ЯМК в категорию методов «искусственного поля» позволил реализовать преимущества, связанные с возможностью контролируемого и направленного воздействия на изучаемый разрез. С технической точки зрения появилась возможность реализовать новые методики, обеспечивающие более широкий диапазон измерений. В конечном итоге это позволило получить принципиально новые для практики ГИС характеристики пород, отражающие структуру порового пространства и свойства флюидов в зоне исследования. Отмеченные особенности способствовали бурному развитию ЯМК в сильном поле за рубежом.

В НПЦ «Тверьгеофизика» в 1998 г. началась разработка отечественного скважинного прибора ЯМК в сильном поле, которая завершилась к концу 2000 г. 12 февраля 2001 г. на Ново- Медведковском месторождении Оренбургской области было проведено первое исследование скважины российским прибором ядерно-магнитного томографического каротажа (ЯМТК) с использованием поля постоянных магнитов . Разработанный скважинный прибор работал на одной частоте.

Параллельно с проведением работ с одночастотным прибором с июня 2001 г началась разработка трехчастотного прибора ЯМТК , который был испытан в производственном режиме 3 апреля 2002 г. К сентябрю 2002 г. каротаж ЯМТК был выполнен уже в нескольких десятках скважин.

1. Физические основы метода

В ЯМТК реализован импульсный метод формирования эффекта ЯМР. Физические основы этого метода детально описаны в литературе, поэтому ограничимся краткой сводкой основных понятий.

Ядра атомов, имея электрический заряд, могут обладать и определенным магнитным моментом. Импульсный ЯМР основан на свойствах таких ядер поглощать энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ- импульса. Так, эффект ЯМР можно получить, если поместить образец в статическое магнитное поле и затем облучить его электромагнитным полем с частотой, соответствующей резонансной для данного типа ядер:

f = g * Н (1)

где f – частота радиочастотного поля; Н – напряженность статического магнитного поля; g – гиромагнитное отношение (постоянная), величина которого индивидуальна для различных ядер (сводку элементов, исследуемых методом ЯМР, можно найти в [11]).

Как видно из (1), ЯМР является спектроскопическим методом – изменяя частоту РЧ поля f или напряженность статического магнитного поля Н, или и то и другое вместе, можно создать условия резонанса для различных элементов , т.к. величина g индивидуальна для каждого из них. Это и используется при ЯМР- спектроскопии в химии. Для каротажа создать такие приборы пока сложно. Поэтому приборы ЯМК (как в поле Земли, так и в сильном поле) настраиваются на условия резонанса ядер водорода, точнее, изотопа ¹ Н. Он входит в состав воды и нефти, имеет высокую естественную распространенность и большое гиромагнитное отношение, облегчающее регистрацию эффектов ЯМР. Для прямого выявления углеводородов было бы интересно настраиваться на регистрацию содержания ядер углерода С. Однако у ядра наиболее распространенного изотопа углерода ¹² С магнитный момент отсутствует и эффект ЯМР не формируется, а изотоп ¹³ С имеет низкую распространенность в естественной смеси (1,1 %) и на его основе трудно получить надежный эффект ЯМР при каротаже. В то же время ЯМТК имеет возможность выделять и оценивать характеристики УВ, но уже на основе другого физического эффекта – различия УВ и воды по величине вязкости и коэффициента диффузии (см. ниже).

Формирование статического магнитного поля. Постоянный магнит (рис.1) размещен вдоль оси скважинного прибора и представляет собой стержень длиной около 1 м, намагниченный перпендикулярно к его оси. Поле, создаваемое этим магнитом, практически плоско параллельно по всей длине магнита в плоскостях, перпендикулярных к оси зонда, и спадает в радиальном направлении обратно пропорционально квадрату расстояния от его оси. Поэтому зонд называется дипольный - градиентный. На фиксированном расстоянии от оси магнита поле в аксиальном направлении однородно по интенсивности, но в разных точках направлено в различные стороны. На расстояниях r >2 R ( R - радиус магнита) это поле с большой степенью точности описывается следующими уравнениями:

H_r = K _ф * B_r *(R / r)² *sin j (2)

H _j = - K _ф * B_r *(R / r)² *cos j

где H_r , H _j - соответственнорадиальная и тангенциальная составляющие напряженности поля магнита в цилиндрической системе координат ( r , j ) с осью, совпадающей с осью магнита; B_r - остаточная индукция материала магнита; K _ф - коэффициент формы магнита .

Из (2) видно, что для создания высокой напряженности Н в зоне исследования необходимо увеличивать или поперечные размеры магнита R , или остаточную индукцию материала магнитаB_r . В практике ЯМК сильного поля стараются максимально повысить последний параметр, поскольку увеличение поперечных размеров магнита влечет за собой увеличение диаметра скважинного прибора.

Магнит зонда прибора MRIL выполнен из FeB (железо – бор). Это один из немногих материалов для постоянных магнитов, который является практически непроводящим и «не нагружает» РЧ- катушку, добротность которой у зонда MRIL достигает 100. Недостатками этого материала является относительно небольшая остаточная индукция (В _r = 3000...4000 Гс , поэтому магнит зонда должен иметь диаметр не менее 100 - 120 мм) и ухудшенная температурная характеристика в области низких температур: со снижением температуры поле магнита падает, а при температурах -15... -18° С магнит может необратимо размагнититься [13]. Это осложняет полевые работы в зимних условиях, поскольку требует использования специальных нагревателей.

В приборе ЯМТК НПЦ «Тверьгеофизика» используется редкоземельный магнит из NdFeB (неодим – железо – бор). Неодим имеет остаточную индукцию В _r = 10000. .. 11000 Гс, благоприятную температурную характеристику (изменение напряженности поля составляет 3 - 5% на 100 °С) и сохраняет свои свойства при очень низких температурах..

Однако магнит из NdFeBявляется проводящим и добротность РЧ - катушки падает до 20. Нами были разработаны новая схема полей, создаваемых зондом с магнитом из NdFeB, и его конструкция, которые позволяют уменьшить влияние проводимости магнита на РЧ катушку. На данный способ и устройство получен патент России [5]. В результате при меньших габаритах и массе магнита с хорошими температурными свойствами получены характеристики зонда, аналогичные характеристикам зонда прибора MRIL.

Формирование радиочастотного поля реализуется РЧ - катушкой. Ее витки лежат в плоскостях, параллельных оси магнита и направлению его намагниченности. Радиочастотная катушка создает поле, аналогичное полю магнита, но повернутое по отношению к нему в каждой точке пространства на 90°.

Импульсная последовательность. Поле, создаваемое постоянными магнитами, неоднородно (см.(2)). Поэтому в ЯМТК для регистрации эффекта ЯМР используется метод спин – эхо, предложенный Ханом ( ErwinL. Hahn) в варианте последовательности Карра – Парселла, в дальнейшем усовершенствованной Мейбумом и Гиллом [ 1].

Импульсная последовательность Карра – Парселла – Мейбум – Гилла (CPMG ) в настоящее время применяется во всех модификациях ЯМК в сильном поле, созданных в мире. После намагничивания породы полем постоянного магнита радиочастотная катушка излучает серию импульсов определенной длительности, после каждого из которых измеряется сигнал спин- эхо. Релаксационная кривая получается как огибающая амплитуд сигналов спин-эхо (рис.2).

Реализация такой импульсной последовательности для каротажа являлась сложной технической задачей. Полная последовательность ( на каждый квант глубины) реализуется за 0,5 – 1 с, и за это время РЧ катушка должна излучить 400 – 1000 импульсов и между ними принять такое же количество откликов спин – эхо. При этом величина напряжения для импульсов составляет киловольты , а для сигналов спин – эхо – десятки нановольт , т.е. перепад напряжений двух последовательных сигналов с интервалом в доли миллисекунды составляет 11 порядков .

2. Петрофизические основы метода

Основными измеряемыми информативными характеристиками являются релаксационная кривая, отражающая затухание намагниченности порового флюида в породе по времени поперечной релаксации Т₂ и амплитуда сигнала, соответствующая времени начала измерения( t_нач = 0) релаксационной кривой (рис. 3).

Амплитуда сигнала, отражающая число резонирующих ядер, пропорциональна объемному водородосодержанию. При этом во всех модификациях ЯМК к моменту начала измерения релаксация протонов водорода, входящего в состав твердой фазы породы, уже завершается, и они не вносят вклад в сигнал. Поэтому ЯМК характеризует водородосодержание только флюида (фильтрата, воды, нефти, газа) в пустотном пространстве породы, которое по данным калибровки пересчитывается в коэффициент пористости по ЯМК. Отсюда вытекает важное для практики следствие - величина полной пористости по ЯМК не зависит от литологии пород.

Затухание определяется тремя параллельно проходящими процессами релаксации [12]: поверхностной релаксации ( основной механизм), диффузионной и объемной, каждая из которых контролируется комплексом петрофизических характеристик.

Поверхностная релаксация возникает за счет эффектов взаимодействия протонов с поверхностью зерен и контролируется распределением пористости по размерам пор, формой пор и релаксационной активностью поверхности.

Диффузионная релаксация проявляется в неоднородном магнитном поле, где молекулярное движение вызывает расфазировку протонов. Она возникает, в частности, при использовании средств измерений, формирующих неоднородное магнитное поле, например, как при ЯМТК. В последнем случае диффузионная релаксация может контролироваться выбором методики измерений: можно либо уменьшить ее вклад до уровня, которым можно пренебречь, либо, наоборот – максимально увеличить эффект с определением принципиально нового для практики ГИС петрофизического параметра – коэффициента диффузии порового флюида.

Объемная релаксация определяется собственно свойствами флюида, насыщающего поровое пространство и по-разному проявляется для различных типов (углеводороды и вода), состава, вязкости ( увеличение вязкости уменьшает время релаксации) флюидов. Эффект объемной релаксации слабее поверхностной и становится заметным, когда взаимодействие протонов с поверхностью ограничено, например, при лабораторных ЯМР -исследованиях пластовых флюидов, в кавернозных карбонатах, для углеводородов в гидрофильных коллекторах ( протоны УВ не контактируют с поверхностью пор).

Таким образом, эффект ЯМР чувствителен к практически важным петрофизическим характеристикам, таким как емкость (распределение пористости по размерам пор и на этой основе – различные типы пористости), фильтрация (через распределение пористости по размерам пор), насыщенность и состав флюидов (на основе коэффициента диффузии). Основным негативным фактором является влияние магнитных минералов, но их содержание в осадочных разрезах обычно невелико.

Наилучшие возможности ЯМР имеет для определения характеристик емкости, поскольку эффекты поверхностной релаксации при изучении горных пород являются основными в формировании релаксационной кривой, а амплитуда характеризует водородосодержание флюида (см. рис.3). Поэтому именно в рамках интерпретационной модели пористости и проводится основная обработка данных ЯМК. Самостоятельное значение имеет оценка флюидонасыщенности, но она более сложна, поскольку требует выделения достаточно слабых эффектов диффузионной релаксации на фоне поверхностной, и реализуется при применении специальных средств и методик измерения.

3. Основные особенности ЯМТК

Область исследования. Вертикальная характеристика ЯМТК определяется длиной магнита и РЧ – катушки. Разрешение составляет 620 мм.

Радиальная характеристика ЯМТК является уникальной для практики каротажа. При выбранной фиксированной частоте РЧ поля fэффект ЯМР протонов водорода будет формироваться только в той области среды, где напряженность поля магнита H будет удовлетворять выражению (1). С другой стороны, из (2) видно, что для прибора с дипольным градиентным магнитом величина H изменяется в радиальном направлении. Поэтому условия ЯМР наступают только на некотором вполне определенном расстоянии от оси магнита, где частота РЧ поля, создаваемого катушкой, равна частоте прецессии ядер водорода в поле магнита.

В результате сигнал ЯМР формируется только в тонком цилиндрическом слое, коаксиальном оси магнита, почти по всей его длине. На рис.1 показаны расположение зоны исследования и направление полей в этой зоне по отношению к зонду ЯМК. Ширина резонансного слоя составляет доли миллиметра и контролируется градиентом поля магнита и интенсивностью радиочастотного поля на выбранном расстоянии. Образно говоря, область исследования ЯМТК представляет собой ватманский лист, обернутый вокруг скважины, или большой «шлиф». Вне этого тонкого слоя сигнал ЯМР не формируется и, соответственно, не регистрируется прибором. Опыт зарубежных компаний и наш собственный показал, что даже такой небольшой объем области исследований статистически достаточен для объективной оценки свойств пород в массиве.

Отметим практически важные следствия, вытекающие из особенностей конфигурации системы полей зонда .

1. Величина сигнала спин-эхо, наведенного в приемной радиочастотной катушке, не зависит от выбранного радиуса зоны исследования и, соответственно, выбранной частоты прецессии, а определяется только напряженностью радиочастотного поля в зоне исследования. Поэтому прибор с дипольным градиентным магнитом позволяет работать на относительно малых частотах (300 -800 кГц) без потери чувствительности и точности регистрации релаксационной кривой. В приборе ЯМТК частота составляет 730 кГц , а зона исследования шириной 0,5 мм располагается на расстоянии 18 см от оси зонда. В аксиальном направлении зона практически не меняется.

2. Если изменить частоту воздействующего радиоимпульса хотя бы на 15 - 20 кГц, то зона исследования сместится на 1 - 2 мм. При этом процессы, происходящие в первой зоне, не будут отражаться на процессах во второй зоне исследования , т.к. толщина каждой из них менее миллиметра. Это обстоятельство позволяет применять многочастотный метод исследования окружающего скважину пространства подобно методу магнитной резонансной томографии (МРТ) в медицине. Возможность работы на нескольких частотах позволяет также увеличить или скорость каротажа, или точность измерения релаксационной кривой при той же скорости, или независимо реализовать несколько различных методик измерений за один спуск- подъем.

3. При номинальном диаметре скважины 19 – 22 см (например, в коллекторах) зона исследования ЯМТК удалена от стенки скважины на 7 – 8,5 см. Поэтому состав бурового раствора (добавки нефти и др.) не влияет на результаты исследования, поскольку скважина находится вне зоны исследования ЯМТК. В этом принципиальное отличие от ЯМК в поле Земли, где при добавках нефти влияние скважины делает практически невозможным получение информации о разрезе.

Диапазон измерений времен поперечной релаксации. Для излучения и приема сигнала в ЯМК используется одна и та же РЧ -катушка, поэтому первая амплитуда сигнала (в момент времени t_нач ) регистрируется через некоторое время Dt после начала процесса затухания t0:Dt=t_нач – t0. За это время Dt уже завершается релаксация части протонов водорода (в основном в составе минералов и небольших порах) и их содержание уже не удается восстановить при обработке. Поэтому для водонасыщенной породы

W³Кп ³ Кп^ЯМК ( 3),

где W – водородосодержание, Кп – общая пористость, Кп^ЯМК - пористость, зарегистрированная ЯМК. Чем позже начинается регистрация (чем больше Dt), тем существеннее отличие Кп и Кп^ЯМК .

Из этого следует, что Кп^ЯМК зависит от технических характеристик измерительного тракта, т.е. при прочих равных условиях разными типами аппаратуры (с различными Dt) будут получены неодинаковые значения Кп^ЯМК .

Для ЯМК в поле Земли интервал времени между началом процесса релаксации и первой зарегистрированной точкой составляет Dt = 50 – 80 мс и принципиально не может быть существенно уменьшен в рамках используемой последовательности Паккарда - Вариана. За это время происходит полное затухание сигнала в порах небольших размеров. Регистрируемая пористость, получившая название ИСФ – индекс свободного флюида (FFI – freefluidindex), отражает емкость наиболее крупных пор.

Заметим, что широко распространенное мнение о соответствии ИСФ эффективной пористости (ИСФ = Кпэф), в общем случае может не выполняться даже в водоносных пластах по нескольким причинам.

1. ИСФ зависит от технического параметра конкретной аппаратуры Dt, а Кпэф, как петрофизический параметр, - нет. Поэтому соотношение ИСФ – Кпэф надо обосновывать.

2. Затухание релаксационной кривой (и, соответственно, амплитуда в момент t_нач и ИСФ) зависит не только от порометрической характеристики породы, но и от других факторов (см. п.2). Например, в водоносных песчаниках при одинаковой порометрической характеристике, но различной релаксационной активности поверхности будут получены различные релаксационные кривые и ИСФ: чем выше релаксационная активность, тем короче релаксационная кривая и меньше ИСФ. При очень высокой релаксационной активности (очень коротких релаксационных кривых) ИСФ может вообще не фиксироваться (произошло полное затухание сигнала в интервале времени Dt) , несмотря на наличие эффективных пор по порометрической характеристике.

Поэтому, вероятно, ЯМК в поле Земли наиболее эффективен в породах с низкой релаксационной активностью, например, в карбонатных породах и зрелых кварцевых песчаниках. Последние распространены в нижних (преимущественно палеозойских) частях разреза платформ, например, песчаники и карбонаты девона и карбона Волго – Уральской НГП. Наоборот, высокая релаксационная активность отмечается для незрелых песчаников – граувакк и аркозов - с увеличенным содержанием обломков материнских пород, полевых шпатов и специфическим набором акцессориев. Такие породы характерны для разрезов молодых плит (в частности, Западно–Сибирской), геосинклинальных областей и обрамления складчатых сооружений. Даже при благоприятной порометрической характеристике здесь фиксируются короткие релаксационные кривые и за счет большого Dt оценка коллекторов по ИСФ бывает малоэффективна или невозможна.

При ЯМТК благодаря использованию последовательности CPMGвремя Dt удается уменьшить на два порядка , до долей мс (рис.2). Это позволяет в общем случае выходить на оценку по ЯМТК коэффициента общей пористости Кп, а по характеристикам зарегистрированной релаксационной кривой (400 - 1000 точек на квант глубины) оценивать структуру порового пространства породы в целом и связанные с ней дифференциальные характеристики емкости (эффективная , капиллярно-связанная и др.) и фильтрации. При этом такие оценки возможны для различных типов разрезов нефтегазовых скважин.

Методики измерений. Эффект ЯМР при каротаже является сложным для интерпретации – поведение релаксационной кривой контролируется комплексом факторов и, соответственно, имеется область эквивалентных решений. Помимо стандартных способов (комплексирование, ввод априорной петрофизической информации) при ЯМТК область эквивалентных решений может быть сужена за счет дополнительных измерений, которые позволяют «высветить» вклад отдельных факторов.

Такая возможность обусловлена тем, что по способу формирования и измерения сигнала ЯМТК является методом искусственного поля, т.е. допускает направленное воздействие на разрез. Наиболее важными управляемыми параметрами являются время намагничивания TW и время задержки между импульсами ТЕ (см. рис.2).

Величина TW контролирует степень намагниченности порового флюида. Так, изменение поведения релаксационной кривой при различных TW может указывать на присутствие пор крупных размеров или наличие в зоне исследования углеводородов (УВ).

Изменение ТЕ регулирует активность процесса диффузии молекул порового флюида и принципиально позволяет выходить на определение коэффициента диффузии D по ЯМТК. Этот параметр является новым для практики каротажа. Практически важно, что он отличается для различных типов УВ (газ, легкие, тяжелые нефти) и воды и корреляционно связан с вязкостью поровых флюидов.

Именно на анализе эффектов изменения релаксационных кривых при различных TW и TEи основана оценка характера насыщенности по ЯМТК.

4. Аппаратура ЯМТК

Аппаратура ЯМТК состоит из скважинного прибора, соединенного каротажным кабелем с универсальным наземным управляюще- регистрирующим комплексом КАРАТ - П.

Наземный комплекс организует питание скважинного прибора, передает к скважинному прибору программу измерений, осуществляет прием данных от скважинного прибора, их регистрацию, экспресс-обработку с целью получения геофизических параметров в реальном масштабе времени, визуализацию этих параметров, а также данных, характеризующих режим работы скважинного прибора. По завершению скважинных измерений в наземном комплексе осуществляются обработка и интерпретация результатов исследований.

Скважинный прибор состоит из трех частей: зондовой части, блока электроники и энергетического блока (рис. 4).

Зондовая часть включает магнит и радиочастотную катушку с настроечными емкостями.

Блок электроники предназначен для приема команд и программ от наземного комплекса, организации процесса измерений, формирования радиоимпульсов и их усиления, предварительной обработки полученных сигналов спин-эхо и передачи измерительных данных на земную поверхность.

Энергетический блок предназначен для накопления энергии, необходимой для формирования серии радиоимпульсов в радиочастотной катушке (не менее 500 - 600 Дж), а также для формирования напряжений питания блока электроники. В этом блоке находится модем, служащий для передачи измерительной информации и приема команд от наземного комплекса. Более подробная информация об особенностях аппаратуры приведена в [ 8 ].

В 2002 г. была завершена разработка новой модификации аппаратуры ЯМТК. Ее основные отличия :

· в три раза увеличилась чувствительность прибора;

· реализована возможность выполнения нескольких измерений с различными TW и TE за один спуск – подъем;

· реализован режим измерений на трех частотах.

5. Обработка и интерпретация данных ЯМТК

Определение характеристик разреза по ЯМТК включает три стандартные процедуры: получение исходной релаксационной кривой; геофизическую обработку кривой с получением спектров; определение компонент емкости, фильтрации, флюидонасыщенности (рис. 5).

Исходной информацией является непосредственно регистрируемая прибором релаксационная кривая, представляющая собой зависимость сигнала ЯМР от времени измерения. Она отражает затухание намагниченности порового флюида в породе.

Геофизическая обработка данных. При необходимости в релаксационную кривую вводятся поправки за условия измерений, а также выполняются процедуры фильтрации. Далее с использованием специальных математических процедур из релаксационной кривой рассчитывается дифференциальный спектр. Он описывает распределение сигнала ЯМР по временам поперечной релаксации T₂ , соответствующим разным скоростям релаксации намагниченности флюида в порах разного размера. По своему физическому смыслу эта зависимость представляет собой дифференциальное распределение пористости по времени поперечной релаксации Т₂ (dК_п /dТ₂ от Т₂ ) . Так как время релаксации пропорционально размеру пор, то, следовательно, дифференциальное распределение пористости по временам релаксации качественно характеризует также и распределение пористости по размерам пор.

«Качественный» характер распределения пористости связан с тем, что, кроме размеров пор, спектры несут в себе информацию и о других составляющих релаксации (см. п.2). Поэтому для получения дифференциального спектра распределения пористости по размерам пор r (dК_п /dr от r) необходима петрофизическая калибровка в виде зависимости Т₂ – r .

Определение фильтрационно – емкостных свойств основано на их прямой зависимости от структуры порового пространства, описываемой спектром ЯМТК. Так, чтобы определить пористость, соответствующую какому – либо интервалу времен релаксации ( Т_{2 i} ; Т_{2 i} +DТ₂ ) достаточно проинтегрировать дифференциальный спектр на этом участке (найти площадь под кривой). Этот прием и используется для определения компонент пористости по данным ЯМТК.

Пористость. Полная пористость определяется интегрированием дифференциального спектра во всем интервале времен релаксации. Как отмечалось, она не зависит от литологического и минералогического состава, но в общем случае зависит от состава флюида в зоне исследования , поскольку измеряется водородосодержание флюида. Занижение полной пористости по ЯМТК в основном может быть связано со следующими причинами:

- высокая газонасыщенность в зоне исследования (уменьшение водородосодержания);

- наличие в поровом пространстве битума, в котором релаксация протонов заканчивается до начала измерения и не вносит вклад в амплитуду сигнала. Например, если в порах присутствует битум и нефть, то по ЯМК будет фиксироваться только пористость, занятая нефтью;

- наличие «мертвого» времени аппаратуры, из–за которого возможна неполная регистрация сигналов от пор глин;

- малым временем намагничивания флюида Tw, в результате чего возможна неполная регистрация сигналов от крупных пор и каверн.

Определение компонент полной пористости производится путем интегрирования дифференциальных спектров в определенных временных интервалах. Используется два варианта.

В первом случае («Разбиение на бины» – см. рис.5) шкала Т2 разбивается на интервалы так, что каждый последующий интервал в два раза больше предыдущего (1-2, 2-4, 4–8, 8-16 мс и. т. д.). Такая разбивка является стандартной для ЯМК в искусственном поле, а пористости, соответствующие этим интервалам, получили название «бинов» (bin1, bin2 и. т. д.). Эта форма представления удобна для наглядного восприятия результатов каротажа ЯМТК, поскольку качественно отражает пористость, приходящуюся на поры разных размеров (чем правее интервал по шкале Т2, тем больше размеры пор, формирующих пористость этого интервала), а изменение картины бинов по глубине отражает вариацию структуры порового пространства пород в разрезе.

Во втором случае («Метод отсечек» - см. рис.5) определяются петрофизические компоненты пористости (см. таблицу). Интегрирование производится во временных интервалах с петрофизически обоснованными границами, т.е. реализуется методика граничных значений времен Т₂ , соответствующих различным механизмам удержания воды в порах разных размеров.

Использование граничных значений обусловлено как объективными ( разные породы имеют различные распределения пор по размерам и релаксационную активность поверхности), так и субъективными причинами. Так, эффективная пористость определяется с использованием Кво, а величина последнего зависит от принятого давления вытеснения. Поэтому и положение границы «капиллярно–связанная – эффективная пористость» на оси Т₂ будет зависеть от принятого давления вытеснения при определении Кво. Для стандартизации результатов в практике ЯМР используется величина давления 0,7 МПа (100 psi ), хотя можно оценить граничное значение Т₂ при любом заданном давлении вытеснения.

Типовые граничные значения для выделения различных компонент пористости, приведены в таблице. Они достаточно стабильны, но для конкретных отложений могут уточняться по исследованиям на керне.

Таблица

Типовые интервалы Т₂ для определения компонент пористости

Подобная методика определения компонент пористости применима для водонасыщенных пород. Присутствие углеводородов может вносить существенные погрешности, снижение которых возможно за счет использования специальных более сложных методик обработки результатов ЯМТК.

Проницаемость. Для оценки абсолютной проницаемости по данным ЯМТК используется два подхода.

Первый подход связан с применением широко используемых петрофизических связей типа Кво – Кпр, Кпэф – Кпр (и их зарубежных аналогов – моделей Тимура, Тимура- Коатса и др.). Расчет Кпр проводится по данным Кпэф, Кво, непосредственно определяемым по ЯМТК.

Во втором подходе используется непосредственно дифференциальный спектр ЯМТК, качественно отражающий структуру порового пространства. Расчет Кпр производится в рамках решеточной капиллярной модели пористой среды (см. рис.5) [6].

Флюидонасыщенность. Для качественных и количественных оценок насыщенности в зоне исследования ЯМТК используется информация двух и более измерений с различными параметрами последовательности CPMG. Технически задача сводится к совместному анализу нескольких спектров для каждой точки глубины. Методики количественных оценок находятся в стадии разработки и опробования и в настоящей статье не приводятся.

6. Выполнение каротажных работ

Настройка и эталонировка прибора производится с использованием эталонировочного устройства, которое представляет собой бочку с коаксиальными секциями, имитирующими область скважины и область породы. Область породы заполняется водой с добавкой CuSO₄ для уменьшения времени продольной и поперечной релаксации. Эта область имитирует 100%-ную пористость.

Настройка прибора происходит в два этапа. На первом с помощью тестовых программ калибровки производится настройка частотной характеристики приемного тракта и частоты радиоимпульса. На втором этапе выбираются оптимальные значения радиоимпульсов, т. е. их длительность и амплитуда радиочастотного поля в зоне исследования. Настройка производится сопоставлением настроечных характеристик прибора, полученных путем математического моделирования, и экспериментальных данных.

Подготовка скважины. Учитывая большой диаметр прибора (155 – 165 мм вместе с отклонителями), исследования выполняются в скважинах с номинальным диаметром 190 мм и более. ЯМТК обычно выполняется после обязательного комплекса ГИС и перед производством работ ЯМТК проводится промывка скважины. В сложных условиях (неустойчивый ствол, наклонные скважины и др.) сначала проводится контрольный спуск шаблона, который по своим размерам и весу аналогичен скважинному прибору ЯМТК.

Проведение измерений . Для контроля движения прибора при спуско – подъемных операциях в последней модификации аппаратуры используется встроенный канал ГК. Измерения выполняются от подошвы к кровле интервала каротажа.

Выбор режима измерений определяется исходя из особенностей разреза. Как правило, основное измерение выполняется во всем интервале на одном режиме измерений, в перспективных интервалах могут выполняться дополнительные измерения с использованием других режимов.

Скорость каротажа обычно составляет 100 –150 м / час и обеспечивает шаг записи по глубине 20 см. При использовании специальных режимов измерений с увеличенными временами намагничивания или сложным набором импульсных последовательностей, а также при детализационных измерениях с шагом 10 см, скорость может уменьшаться до 50 м /час. При устойчивом стволе скважины возможно выполнение измерений на точках с остановкой на 1 – 3 минуты. В этом случае за счет накопления сигнала N измерений в раз увеличивается соотношение «сигнал / шум», что повышает достоверность обработки.

Контроль процесса измерений и обработка в реальном времени .Для последней модификации аппаратуры программное обеспечение регистрации реализовано в среде Windows.

Оперативный контроль работы прибора проводится по регистрируемым и выводимым на монитор текущим техническим параметрам : температура в различных участках скважинного прибора, напряжение радиоимпульсов, амплитудно – частотная характеристика и др.

В процессе каротажа производится экспресс-обработка релаксационной кривой с получением текущих значений полной и эффективной пористостей и распределения пористости по бинам. Помимо этих данных в процессе каротажа оператор наблюдает на экране дисплея поле зарегистрированных релаксационных кривых и текущую релаксационную кривую. При одновременном выполнении нескольких измерений (например, с различными временами раздвижки между импульсами TЕ,) реализовано совместное представление их результатов.

При наличии на буровой спутникового канала связи возможна непосредственная трансляция процесса каротажа с результатами обработки в реальном времени Заказчику. Объем информации, получаемой непосредственно в процессе каротажа, достаточен для принятия оперативных решений по технологии дальнейших работ в скважине (выбор интервалов и точек для специальных исследований ЯМТК, отбор керна сверлящим керноотборником, проб флюидов приборами гидродинамического каротажа и испытателями в открытом стволе).

7. Геолого – технологические характеристики исследованных разрезов

К настоящему времени ЯМТК выполнен в нескольких десятках опорных, разведочных и эксплуатационных скважин с различными геолого – технологическими условиями.

Характеристики скважин. Глубины подошвы интервалов каротажа находились в диапазоне 500 – 4500 м. Максимальный угол наклона скважин составил 27 град. При этом практически все исследованные за последний год эксплуатационные скважины имели угол наклона не менее 20 град.

Максимальная температурав подошве интервала каротажа составила 123 град. За счет невысокой скорости каротажа прибор работал при температуре более 100 град несколько часов. Максимальное гидростатическое давлениедостигало 60 мПа, что меньше расчетного для скважинного прибора. Воздухо-заполненный радиопрозрачный корпус в зоне размещения магнита и РЧ катушки выполнен по той же технологии, по которой были изготовлены корпуса приборов, успешно работавших в Кольской СГ-3 на глубинах более 11 км.

В одной скважине экстремальные показатели по сочетанию этих факторов составили: глубина – 4100 м, угол наклона – 26 град., температура – 123 град., давление – 46 мПа.

Характеристики бурового раствора . При исследованиях ЯМТК скважины были заполнены пресным глинистым буровым раствором ( УЭС = 0,2 – 2 Омм), за исключением одной, где использовался полимерный раствор с УЭС 0,05 Омм.

Электропроводящий буровой раствор "нагружает" радиочастотную катушку, уменьшая ее добротность, при этом уменьшается коэффициент передачи входных цепей прибора. Кроме того, уменьшается напряжение радиоимпульса на радиочастотной катушке, напряженность радиочастотного поля в области исследования и настройка прибора становится не оптимальной. Для контроля и управления этими процессами в приборе измеряется напряжение первого радиоимпульса и его значение передается на земную поверхность.

Хотя в исследованной скважине с УЭС бурового раствора 0,05 Омм его влияние было зафиксировано при каротаже по техническим параметрам, оно существенно не сказалось на результатах обработки данных .

Установлено, что практически всегда в буровом растворе присутствуют тонкодисперсные частицы металла. Они намагничиваются магнитом зонда и налипают на стенки скважинного прибора. По опыту работ максимальная толщина отдельных фрагментов налипшего слоя достигала нескольких сантиметров. Этот эффект чаще наблюдается при роторном бурении, чем при турбинном. Слой металла на стенках зонда качественно приводит к таким же явлениям, как и проводящий буровой раствор, и, в конечном счете, снижает отношение «сигнал/шум». Однако по полученным данным это снижение не носит критического характера для количественной обработки.

Практически во всех эксплуатационных скважинах в буровом растворе были добавки нефти (4 –6 об. %). Их наличие не сказалось на результатах ЯМТК, поскольку область скважины исключена из зоны исследования.

Эксплуатационные характеристики прибора. Максимальное время работы прибора в скважине составило 16 часов ( при регистрации интервала длиной 1200 м с дополнительными измерениями). Запись обычно проводится на интервале до 600 м , что соответствует непрерывной работе прибора в течении 6 - 7 часов. Подтвердилась высокая морозоустойчивость магнита из NdFeBи виброустойчивость прибора в целом: при проведении сервисных работ в январе – марте в Западной Сибири зонд постоянно находился на открытом воздухе в стандартном хранилище каротажных приборов под кузовом подъемника, в т. ч. при передвижении по зимникам более 1000 км..

Стратиграфия исследованных разрезов . К настоящему времени исследования ЯМТК в России выполнены в осадочном чехле и фундаменте Русской платформы и Западно – Сибирской плиты. На Русской платформе исследованы продуктивные комплексы карбона, девона, а также архея в пределах Волго – Уральской НГП. В Западной Сибири проведены исследования в разрезах верхнего (сеноман) и нижнего (неоком) мела, юры и палеозоя.

Литологический состав пород. Исследованные ЯМТК разрезы включали осадочные, магматические и метаморфические породы. Продуктивные комплексы были в основном представлены терригенными (кварцевые и аркозовые песчаники) и карбонатными породами.

8. Примеры данных ЯМТК в различных типах разрезов

На рис.6 - 10 приведены примеры результатов ЯМТК в различных типах разрезов. На рисунках представлены амплитудно–временные спектры, компоненты пористости и оценка проницаемости разреза.

Дифференциальные спектры (см. рис.6) могут быть представлены в двух основных формах. Обычная форма их представления приведена в третьей колонке (зависимость dК_п /dТ₂ от Т₂ ). В четвертой колонке показана цветовая диаграмма этих же спектров, облегчающая визуальный анализ. Т. к. дифференциальный спектр отражает распределение пористости по размерам пор, эта информация позволяет судить о особенностях структуры порового пространства (диапазон изменения размеров пор, преобладание определенных групп пор, сортировка пор и др.).

Интегральный спектр также может иметь обычное представление в виде зависимости Кп от Т₂ , но стандартным является его визуализация в виде объемной модели распределения пористости по «бинам» в заданных временных интервалах (первая колонка на рис.6). Биновое представление позволяет увидеть соотношение пористости, приходящейся на поры различного размера. Красные тона характеризуют поры, в которых вода капиллярно связана, синие тона - эффективные поры. Чем более насыщен синий цвет, тем крупнее поры и наоборот, чем больше насыщен красный цвет, тем мельче поры.

Данные о пористости представлены в пятой колонке. Для всех фрагментов разрезов применявшийся режим измерений обеспечил практическое исключение влияния пористости глин на регистрируемый сигнал. Использованная технология как бы снимает с породы глинистую маску, обнажая структуру порового пространства, сформированного алевритовой и псаммитовой фракциями, что подчеркивает аномалию против коллекторов.

Коэффициент проницаемости , рассчитанный из спектров ЯМТК с использованием решеточной капиллярной модели, приведен в колонке 6.

На рис.6 представлен интервал песчано – глинистого разреза мезозойских отложений Западной Сибири. Песчаники и алевролиты аркозовые, мелкозернистые, плохо отсортированные. Спектры ЯМТК достаточно широкие и располагаются во временном интервале от единиц до сотен мс. Это свидетельствует о значительном диапазоне размеров пор, которые формируются фракциями от мелкоалевритовой до псаммитовой. По аналогии с гранулометрией можно сказать, что сортировка пор ухудшенная. Из картины распределения бинов (колонка 1) видно, что мелкие поры составляют значительную часть емкости пород. Это определяет ухудшенные ФЕС разреза в целом. Коллекторы выделяются увеличенными амплитудами спектров относительно вмещающих пород. Для них характерно смещение правой границы спектров вправо, в область больших времен (сотни мс), что указывает на появление групп пор относительно крупных размеров, формируемых псаммитовой фракцией. Эти поры и контролируют величину эффективной емкости. Однако «качество» эффективных пор невысокое (относительно малые времена Т₂ ) – практически все они «приграничные» с неэффективными порами. На формирование профиля проницаемости, помимо содержания и размеров наиболее крупных пор, влияет сортировка пор. Для части коллекторов отмечается смещение вправо левой границы спектров и они становятся более «узкими» за счет уменьшения роли алевритовых пор. Улучшение сортировки пор по размерам свидетельствует об упрощении структуры порового пространства для фильтрации.

На рис.7 представлен фрагмент песчано–глинистого разреза глубокозалегающих отложений палеозоя Волго-Уральской НГП. Во вмещающих кварцевые песчаники глинах к моменту проведения ЯМТК сформировались глубокие каверны. Зона исследования прибора полностью оказалась в пределах скважины и фиксировался спектр бурового раствора. Здесь получены высокоамплитудные спектры на малых временах, а «пористость» бурового раствора составила около 70 %. Это свидетельствует о преобладающем «алевритовом» размере «пор» глинистого раствора в скважине, вероятно, вследствие коагуляции частиц. Преобладание «алевритовой» пористости буровых растворов получено практически во всех исследованных скважинах с интервалами глубоких каверн.

Для кварцевых песчаников правые части спектров смещены в область больших времен, где выделяется группа крупных эффективных пор на временах 100-1000 мс, которые и обеспечивают коллекторские свойства. Сортировка пористости хорошая за счет незначительной роли мелких пор. Поэтому, несмотря на сильное уплотнение, кварцевые песчаники обладают неплохими фильтрационными характеристиками. Следует отметить, что кварцевые песчаники обычно имеют низкую, часто менее 10 %, остаточную водонасыщенность. В этих условиях достаточно трудно оценивать фильтрационную неоднородность разреза с использованием зависимостей Кпр – Кво или Кпр – Кпэф. Расчет Кпр непосредственно по спектрам ЯМТК, чувствительным к изменению структуры порового пространства, в рамках решеточной капиллярной модели позволяет получить достаточно детальную характеристику неоднородности коллекторов по проницаемости. При этом оценки Кпр соответствуют пластовым условиям, в то время как корреляционные связи Кпр – Кво обычно отражают атмосферные условия измерений.

На рис.8 приведены обзорные данные ЯМТК для большого интервала карбонатного разреза Волго – Уральской НГП. Как отмечалось, полная пористость по ЯМТК не зависит от литологии пород. На данном фрагменте в верхней части (до глубины ХХ34 м) разрез представлен ангидритами с прослоями доломитов, ниже (до глубины ХХ50м) залегает неоднородная покрышка, далее разрез преимущественно известняковый с подчиненным участием доломитов. Введение поправки за литологию в полную пористость не требуется и такой планшет может быть получен по результатам уже первичной обработки. Тонкий (1 м) прослой на глубине ХХ50м под покрышкой с пористостью 10% является коллектором. Ниже, хотя и отмечается незначительная эффективная пористость, разрез непроницаем. Коллекторы появляются только с глубины ХХ80м.

Независимость полной пористости от литологии позволяет применять ЯМТК в слабоизученных разрезах со сложным составом пород. В качестве примера на рис.9 приведены фрагменты данных ЯМТК в верхней части разреза архейского фундамента Русской платформы. В таких разрезах основой для выделения коллекторов является величина полной пористости. Дальнейшая оценка выделенных объектов проводится по комплексу критериев: «насыщенность» интервала разреза перспективными пластами; соответствие аномалий ЯМТК аномалиям ГИС; толщина и однородность пласта (чем больше ширина аномалии и ее однородность, тем менее вероятно проявление погрешностей обработки в условиях низкого соотношения «сигнал/шум»); прогнозная величина эффективной пористости и соотношение полной и эффективной пористости (чем меньше доля эффективной пористости, тем менее вероятно проявление коллекторских свойств); структура порового пространства (максимальные размеры, сортировка пор, структура эффективной и неэффективной пористости). Объем подобных исследований пока невелик, хотя первые оптимистичные результаты уже получены при изучении палеозойского фундамента Западно – Сибирской плиты.

В НПЦ «Тверьгеофизика» реализован полный вариант технологии исследований методом ядерно – магнитного резонанса в сильных магнитных полях, включающий:

· лабораторные ЯМР - исследования пластовых флюидов, шлама и керна;

· исследования разрезов скважин методом ЯМТК.

По данным керна может проводиться контроль и настройка результатов ЯМТК. Вопросы ЯМР- исследований керна описаны в работе [7] , и здесь не рассматриваются. К настоящему времени проведены ЯМР – исследования более 5000 образцов керна пород различного литологического состава, хотя объем прямых сопоставлений «керн – ГИС» пока ограничен как по объему выборки, так и по диапазону коллекторских свойств пород.

На рис.10 приведено сопоставление результатов ЯМТК и детальных стандартных исследований керна. По керну Кп определен весовым методом, содержание остаточной воды – по капиллярометрии. Приведенные на рисунке значения Кп и Кпр были получены для керна в условиях, моделирующих пластовые. Величины Кп и Кпр, измеренные при атмосферных условиях, существенно выше. Можно отметить хорошее согласие данных ЯМТК с результатами петрофизических исследований.

Круг вопросов, касающихся оценки флюидонасыщенности по данным ЯМТК, будет обсужден в последующих публикациях.

Литература

1. Аксельрод С. М., Неретин В. Д., 1990. Ядерный магнитный резонанс в нефтегазовой геологии и геофизике. М., Недра, 192с.

2. Акселърод С. М.,1998. Ядерно-магнитный каротаж в искусственном магнитном поле (по материалам американских геофизических журналов): Каротажник, № 49, с.46 - 63.

3. Акселърод С. М.,1999. Петрофизическое обоснование ЯМК в поле постоянных магнитов. Методология и результаты лабораторных исследований ЯМР-свойств пород (по публикациям в американской геофизической печати): Каротажник, № 59, 28 - 47.

4. Методическое руководство по проведению ядерно – магнитного каротажа и интерпретации его данных. Под ред. В. Д. Неретина . М., ВНИИЯГГ, 1982, 96 с.

5. Митюшин Е. М., Барляев В. Ю., Хаматдинов Р. Т.,2002, Способ каротажа с использованием ядерно-магнитного резонанса и устройство для его осуществления: Патент России №2181901

6. Мурцовкин В. А.,2002. Модель для расчета характеристик пористых сред. Коллоидный журнал, том 64, №3, с. 387 – 392.

7. Мурцовкин В. А., Топорков В. Г., 2000, Новая ЯМР-технология петрофизических исследований керна, шлама и флюидов. Каротажник, № 69, с. 84 - 97.

8. Первый российский прибор ядерно-магнитного каротажа с использованием поля постоянных магнитов / Е. М.Митюшин, В. Ю. Барляев, В.А. Мурцовкин, Р. Т. Хаматдинов. Геофизика, 2002, №1, с. 43-50.

9. Применение ядерно – магнитного метода исследования скважин при контроле выработки пласта. / В.Д.Чухвичев, А.Г. Корженевский, В.А. Горгун, В. Д. Неретин. Каротажник,1998, №49, с. 86 - 94

10. Решение различных геологических задач по данным ЯМК и стандартного комплекса ГИС на нефтяных месторождениях Татарстана. / В.С.Дубровский, А.Г. Корженевский, Р.Н.Абдуллин и др. Каротажник, №50, с.98 - 108

11.Ядерный магнитный резонанс./П.М.Бородин, М.И.Володичева, В.В.Москалев и др.Л., ЛГУ, 1982, 344 с.

12. Kleinberg R.L., Kenyon W.F., Mitra P.P On the mechanism of NMR Relaxation of Fluids in Rocks – Journal of Magnetic Resonance, 108A №2 (1994) p.206 - 214

13. Prammer M. G., Bouton J., Chandler R. N., Brack E. , 1999, Theory and Operation of a New, Multi-Volume, NMR Logging System: Paper DD, SPWLA 40^th Annual Logging Symposium.

14.Strikman S., TaicherZ.,1987, Nuclear Magnetic Resonance Sensing Apparatus and Techniques. US Patent 4710713, G01R 33/20