Способ и устройство определения состава геологических структур методом ядерного магнитного резонанса

 

Изобретение относится к системам получения количественной и качественной информации относительно геологических структур. Способ определения состава геологической структуры предусматривает проведение начального измерения сигналов ядерного магнитного резонанса и проведение анализа полученной последовательности сигналов релаксации спинового эха для определения оптимального интервала дискретизации. Полученный оптимальный интервал дискретизации используют при последующем получении множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре. Реализация изобретения обеспечивает повышение эффективности и скорости каротажа. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к системам получения количественных и качественных измерений для геологических структур и, более конкретно, к способу и устройству, использующим метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для получения информации, относящейся к геологической структуре.

Известно, что использование методов ЯМР гарантирует быстрое и не сопровождающееся разрушениями определение пористости, подвижной жидкости и проницаемости горных пород (см. Timur A. Pulsed Nuclear Magnetic Resonance Studies of Porosity Movable Fluid, and Permeability of Sandstones, Journal of Petroleum Technoloqy, June 1969, р. 775.

Известно, что, если совокупность магнитных моментов, например магнитных моментов ядер водорода, подвергается воздействию статического магнитного поля, то они будут стремиться ориентироваться в направлении магнитного поля с образованием объемной намагниченности. Скорость, с которой устанавливается равновесное состояние в такой объемной намагниченности при приложении статического магнитного поля, характеризуется параметром Т1, называемым временем спин-решеточной релаксации.

Механизм, определяющий значение Т1, зависит от динамики молекул. В жидких средах динамика молекул является функцией размера молекул и межмолекулярных взаимодействий. В неоднородных средах, например в пористом твердом теле, в порах которого содержится жидкость, существенное значение имеет динамика молекул ближе к поверхности твердого тела, отличающаяся от динамики молекул в объеме жидкости. Поэтому можно ожидать, что параметр Т1 дает ценную информацию при каротаже скважин.

Известны способы нарушения равновесного состояния совокупности магнитных моментов, например магнитных моментов ядер углерода, при проведении измерений параметра Т1. Каждый из этих способов позволяет измерить параметр Т1 горной породы в пределах определенного объема ("чувствительного объема"), определяемого главным образом формой магнитного поля, окружающего магнитную структуру. Отношение сигнал/шум при измерениях ограничено отношением чувствительного объема к однородности магнитного поля в пределах упомянутого объема и увеличивается пропорционально этому отношению.

При любой конструкции измерительного прибора, основанного на принципе ЯМР, прибор будет реагировать только на ядра в пределах чувствительного объема. Границы чувствительного объема определяются с помощью диаграмм направленности передающих и приемных антенн с учетом структуры магнитного поля и полосы пропускания приемника. Радиочастота, на которую ядро реагирует или излучает при возбуждении, пропорциональна плотности потока магнитного поля, в котором находится ядро. Коэффициент пропорциональности зависит от вида ядра. Для ядер водорода этот коэффициент равен 42,5759 МГц/ Тесла. Если полоса пропускания приемника ЯМР увеличивается от 1,30 до 1,31 МГц, то измерительный прибор будет чувствительным к ядрам водорода в тех зонах магнитного поля, в которых плотность потока колеблется между 30,5 и 30,8 мТ, при условии, что диаграмма направленности антенны обеспечит прием сигнала с достаточного уровня от упомянутых зон.

Если необходимо исследовать ядра, находящиеся в определенной области, то необходимо структуру магнитного поля, диаграмму направленности антенны и полосу пропускания приемника настроить таким образом, чтобы обеспечить чувствительность только к этой области. Поскольку отношение сигнал/шум результирующего сигнала пропорционально корню квадратному ширины полосы пропускания приемника, то важно минимизировать изменение магнитного поля в пределах требуемого чувствительного объема; чем выше однородность магнитного поля, тем лучше отношение сигнал/шум. Так как отношение сигнал/шум увеличивается также и с повышением частоты, то весьма важным фактором будет номинальная интенсивность магнитного поля в пределах этого объема. Причем не имеет значения, определяется ли номинальная интенсивность как центральное значение, среднее значение или какое-либо иное значение в пределах диапазона, соответствующего чувствительному объему, поскольку существенны лишь большие различия в отношении сигнал/шум.

Известен способ исследования геологических пород и жидких материалов путем определения скорости ядерной магнитной релаксации (см. патент США N 3213357), при котором осуществляют измерение свободной процессии ядерных магнитных моментов протонов в магнитном поле земли посредством приложения относительно мощного поляризующего поля постоянного тока к окружающей горной породе для ориентирования спинов протонов примерно перпендикулярно магнитному полю земли. Поляризующее поле должно прикладываться в течение интервала времени, приблизительно равного пяти интервалам времени спин-решеточной релаксации (Т1), чтобы гарантировать достаточную поляризацию. По окончании поляризации поле быстро отключается. Поскольку спины протонов не способны отслеживать такое резкое изменение поля, они сохраняют ориентацию перпендикулярно магнитному полю Земли и прецессируют относительно этого поля на частоте ларморовской прецессии, соответствующей локальному магнитному полю земли (примерно от 1300 до 2600 Гц в зависимости от местоположения).

Спиновая прецессия наводит в измерительной приемной катушке синусоидальный сигнал, амплитуда которого пропорциональна плотности протонов в горной породе. Этот сигнал затухает с постоянной времени Т2 (время поперечной релаксации из-за наличия неоднородностей в локальном магнитном поле в пределах чувствительного объема.

Наиболее близкими к изобретению являются способ и устройство определения состава геологической структуры по патенту США N 4933638, МПК G 01 R 33/20, 1990. Данный известный способ включает операции приложения в течение заданного периода времени поляризующего магнитного поля к геологической структуре, измерения сигналов ЯМР, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в упомянутой геологической структуре, формирования последовательности сигналов релаксации спинового эха, характеризующих упомянутую совокупность частиц, и получения множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре. Известное устройство для определения состава геологической структуры содержит средство для приложения поляризующего магнитного поля к исследуемой геологической структуре в течение заданного периода времени и средство для измерения в течение заданного временного интервала сигналов ЯМР, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в геологической структуре.

Задачей изобретения является создание способа и устройства для определения состава геологической структуры, которые обеспечивают повышение эффективности и оптимизации скорости каротажа на основе использования временного окна переменной длительности для улучшения качества сигнала, получаемого при измерениях конкретных геологических структур.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения состава геологической структуры, включающем операции приложения в течение заданного периода времени поляризующего магнитного поля к геологической структуре, измерения сигналов ЯМР, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в упомянутой геологической структуре, формирования последовательности сигналов релаксации спинового эха, характеризующих упомянутую совокупность частиц, и получения множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре, в соответствии с изобретением осуществляют проведение начального измерения сигналов ЯМР, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в геологической структуре, и проведение анализа полученной последовательности сигналов релаксации спинового эха для определения оптимального интервала дискретизации и используют определенный оптимальный интервал дискретизации в операции получения множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре.

При этом операция анализа предпочтительно включает осуществление регрессионного анализа упомянутой последовательности сигналов.

Кроме того, предпочтительно, что временной интервал для начального измерения сигналов ЯМР выбирают равным примерно 300 мс.

Также предпочтительно, что оптимальный интервал дискретизации выбирают меньшим или равным временному интервалу для начального измерения сигналов ЯМР, предпочтительно равному примерно 300 мс.

Указанный технический результат также достигается тем, что устройство для определения состава геологической структуры, содержащее средство для приложения поляризующего магнитного поля к геологической структуре в течение заданного периода времени и средство для измерения в течение заданного временного интервала сигналов ЯМР, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в геологической структуре, в соответствии с изобретением содержит средство анализа сигналов релаксации спинового эха для определения оптимального интервала дискретизации, относящихся к геологической структуре.

При этом средство анализа сигналов релаксации спинового эха предпочтительно содержит средство для выполнения регрессионного анализа.

В способе и устройстве, соответствующих изобретению, для улучшения качества сигнала и скорости каротажа использованы средства регистрации эхо-сигналов с окном переменной длительности. Для оценки качества релаксации проводятся первоначальные испытания образца геологической структуры. Если в результате испытаний обнаруживается, что образец относится к породе с медленной релаксацией, то для измерения эхо-сигналов используется полное время. Однако, если в результате испытаний устанавливается, что образец относится к породе с быстрым затуханием волн, то продолжительность окна регистрации эхо-сигналов уменьшается. Это обеспечивает повышение эффективности за счет максимизации количества проводимых измерений на основе оптимизации интервалов дискретизации для конкретных исследуемых геологических структур.

Изобретение поясняется на примере осуществления, иллюстрируемом чертежами, на которых показано следующее: на фиг. 1 - схематичное представление устройства каротажа скважины для измерения ЯМР геологической структуры; на фиг. 2 - графическое представление сигналов спин-эховой релаксации в виде зависимости амплитуды от времени для геологической структуры, исследуемой с использованием устройства на фиг. 1; на фиг. За - графическое представление временных окон интервалов дискретизации для использования при определении характеристик затухания амплитуды выборки сигналов в соответствии с изобретением; на фиг. 3б - графическое представление относительной крутизны характеристик для выборок с быстрой и медленной релаксацией; на фиг. 4 - блок-схема устройства, обеспечивающего регулирование интервалов сбора данных в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 представлена буровая скважина 10, окруженная горными породами 12 и 14. Внутри скважины 10 установлен каротажный зонд 16, подвешенный на кабеле 18, проходящем по шкивам 20 и 22. Положение кабеля 18 определяется электромотором 24.

Верхняя часть каротажного зонда 16 содержит телеметрический электронный блок 26, электронный блок регистрации гамма-лучей 28 и электронный блок отображения магнитного резонанса 30. Зонд 32 блока отображения магнитного резонанса 30 непосредственно соединен с данной частью последнего и обеспечивает возбуждение окружающей геологической породы. Поле возбуждения 34 имеет в общем цилиндрическую форму.

Электронный блок отображения магнитного резонанса 30 включает в себя электронное устройство управления сигналами, излучаемыми зондом 32, и электронное устройство обнаружения и приема сигналов спин-спиновых импульсных эхо-сигналов от исследуемой структуры.

Импульсное измерение релаксации спиновых эхо-сигналов выборки в однородной изотропной среде отражает характеристики пор, выраженные через отношение поверхности к объему. В типичных горных породах, которые наиболее часто встречаются при каротаже скважин, горные породы представлены сложными смесями минералов, которые характеризуются широким разнообразием размеров пор. Следовательно, измеренная релаксация спинового эхо-сигнала в такой окружающей среде является довольно сложным явлением, отражающим отклонения в отношениях поверхности к объему пор и в характере взаимодействий поверхность - жидкость.

Изобретение основывается на обнаружении того факта, что для временного окна релаксации эхо-сигналов существует связанный с ним диапазон отклика, характеризующего отношение поверхность - объем. Следовательно, за счет правильного выбора временных окон для регистрации спиновых эхо-сигналов появляется возможность определения относительной доли компонентов, селектируемых по отношению поверхность - объем. Изменения во времени релаксации можно также использовать в качестве меры наиболее характерного для условий измерения размера пор в породе.

На фиг. 2 представлены сигналы релаксации спинового эха в виде зависимости амплитуды от времени для геологической структуры, исследуемой с помощью системы на фиг. 1. Временные интервалы между импульсами находятся в пределах от 1,5 до 3 мс. Временные интервалы A-H получены для различных размеров частиц. Так, например, интервал A получен для частиц размером более 500 мкм, а интервал H - для частиц размером более 8 мкм.

Калибровка процедуры осуществляется на основе многомерного регрессионного анализа с использованием оптимально выбранных и приготовленных лабораторных образцов. Такие методы регрессионного анализа известны специалистам в данной области техники (см., например, K.Fukunaqa, Introduction to statistical Pattern Recoqnition, Academic Press, 1972; Bhattacharyya, Johnson, Statistical Concepts and Methods, Wiley & Sons, 1977; Devijver, Kittler, Pattern Recoqnition. A Statistical Approach, Prentice Hall, 1982).

В соответствии с изобретением работа передатчика и устройств регистрации эхо-сигналов синхронизирована для получения полного спектра релаксации Т2 (обычно 300 мс). Процедуру обычно калибруют относительно состояния самой медленной релаксации.

Однако для большинства буровых скважин основная часть пород состоит из структур с очень мелкими порами, типичными для сланцевых и сланцево-песчаных пород. Поскольку интервал записи обычно равен полным 300 мс, то частота повторения измерений и, следовательно, скорость каротажа существенно уменьшаются для таких сланцевых пород. Настоящее изобретение использует временное окно переменной длительности для регистрации эхо-сигналов, что обеспечивает улучшение качества сигнала и повышение скорости каротажа. На фиг.3а представлены сигналы релаксации спинового эха в виде зависимости амплитуды от времени для конкретной геологической структуры. Крутизна характеристики амплитуды импульсов является характерной для конкретной исследуемой геологической формации. Фиг. 3б иллюстрирует крутизну характеристик амплитуды импульсов, соответствующих быстрому затуханию (порода с очень мелкими порами), среднему затуханию (порода со средним размером пор) и медленному затуханию (порода типа продуктивного пласта). Интервалы W₁, W₂, W₃ соответствуют временным интервалам дискретизации, обеспечивающим оптимизацию приема импульсов спинового эха и соответственно сбора информации, относящейся к конкретному геологическому составу породы. Например, окно W₁ представляет собой временной интервал, оптимизирующий сбор данных для структур с очень мелкими порами. Окна W₂ и W₃ оптимизируют сбор данных для структур со средним и большим размером пор соответственно.

В соответствии с изобретением, для определения специфических характеристик релаксации исследуемой геологической структуры проводят начальное измерение сигналов ЯМР. Полученную при этом информацию используют для выбора интервала дискретизации, оптимизирующего сбор данных для конкретной структуры пор исследуемой породы.

На фиг. 4 представлена блок-схема устройства, обеспечивающего регулирование интервалов сбора данных, в соответствии с изобретением. Как упоминалось выше, сначала осуществляется начальное измерение для определения характеристик релаксации выборки сигналов. Начальное измерение проводится в течение полного цикла 300 мс. Выходной сигнал от электронного устройства обнаружения и приема в составе электронного блока 32 обрабатывают в процессоре амплитуды 44 для осуществления исходного регрессионного анализа характеристик релаксации. Выходной сигнал процессора амплитуды 44 поступает во временной селектор эхо-сигналов 46, в котором осуществляется выбор оптимального временного интервала дискретизации. Этот временной интервал реализуется с помощью контроллера цикла измерения 48, который посылает соответствующий управляющий сигнал на вышеупомянутое электронное устройство управления сигналами, излучаемыми зондом 32. После выбора оптимального временного интервала дискретизации получают повторные выборки данных, которые обрабатываются в процессоре амплитуды 44. Обработанные данные хранятся в запоминающем устройстве 50.

Если данные начальных измерений указывают на то, что выборка имеет характеристику медленной релаксации, то для последующих выборок сохраняется полный интервал (например, 300 мс). Однако, если данные начальных измерений указывают на то, что исследуемая порода имеет характеристики быстрой релаксации, то для последующего сбора данных используют укороченный интервал дискретизации (например, 50-100 мс). Уменьшение окна регистрации выборок дает возможность системе осуществить дополнительные измерения за тот же период времени, который в противном случае был бы необходим для проведения только одного измерения. Эти дополнительные измерения особенно полезны для изучения пород, имеющих характеристики очень быстрой релаксации, для которых типичны очень низкие уровни сигналов. Таким образом, изобретение обеспечивает возможность проведения более эффективных измерений для пород с быстрым затуханием волн при одновременном сохранении качества текущего отношения сигнал/шум в породах с медленной релаксацией.

Формула изобретения

1. Способ определения состава геологической структуры, включающий операции приложения в течение заданного периода времени поляризующего магнитного поля к геологической структуре, измерения сигналов ядерного магнитного резонанса, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в упомянутой геологической структуре, формирования последовательности сигналов релаксации спинового эха, характеризующих упомянутую совокупность частиц, и получения множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре, отличающийся тем, что осуществляют проведение начального измерения сигналов ядерного магнитного резонанса, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в геологической структуре, и проведение анализа полученной последовательности сигналов релаксации спинового эха для определения оптимального интервала дискретизации и используют определенный оптимальный интервал дискретизации в операции получения множества последовательных измерений данных, относящихся к геологической структуре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операция анализа включает осуществление регрессионного анализа упомянутой последовательности сигналов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что временной интервал для начального измерения сигналов ядерного магнитного резонанса выбирают равным примерно 300 мс.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимальный интервал дискретизации выбирают меньшим или равным упомянутому временному интервалу для начального измерения сигналов ядерного магнитного резонанса.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что упомянутый временной интервал для начального измерения сигналов ядерного магнитного резонанса выбирают равным приблизительно 300 мс.

6. Устройство для определения состава геологической структуры, содержащее средство для приложения поляризующего магнитного поля к геологической структуре в течение заданного периода времени и средство для измерения в течение заданного временного интервала сигналов ядерного магнитного резонанса, характеризующих релаксацию спинового эха совокупности частиц в геологической структуре, отличающееся тем, что содержит средство анализа сигналов релаксации спинового эха для определения оптимального интервала дискретизации для получения данных, относящихся к геологической структуре.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство для анализа сигналов релаксации спинового эха содержит средство для выполнения регрессионного анализа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4