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井下極端條件核磁共振探測系統(tǒng)研制

2013-10-24 22:24肖立志
關(guān)鍵詞:探測系統(tǒng)磁體測井

肖立志

(中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100249)

核磁共振是一種有效的分析測試方法,已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。實(shí)踐證明,核磁共振在油氣和水資源探測中響應(yīng)特征獨(dú)特,于20世紀(jì)90年代快速發(fā)展成為核磁共振探測技術(shù)。與常規(guī)電學(xué)、聲學(xué)及核輻射方法相比,核磁共振信號來自地層孔隙流體,包含十分豐富的地層信息,可以用于確定孔隙度、束縛水、滲透率、孔徑分布、以及流體特性和含量。核磁共振探測在勘探階段為流體性質(zhì)、儲層有效性及可采儲量等地層評價基本問題的解決提供有效信息;在開發(fā)階段為剩余油氣、采收率以及增產(chǎn)措施效果等產(chǎn)能預(yù)測基本問題的解決提供定量數(shù)據(jù);在頁巖氣等非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)中,與元素測井、電成像測井和偶極聲波測井一起,構(gòu)成地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)評價不可或缺的探測新系列。在過去20年里,核磁共振探測方法、應(yīng)用及儀器研制一直是石油測井的前沿領(lǐng)域,受到廣泛關(guān)注。斯侖貝謝、哈里伯頓和貝殼休斯等發(fā)展了電纜核磁共振測井、隨鉆核磁共振測井和井下核磁共振流體分析等高端儀器。中國于20世紀(jì)80年代開始關(guān)注核磁共振在油氣探測中的應(yīng)用。1996年至今,引進(jìn)數(shù)十套MRIL-P居中型和MREX偏心型核磁共振探測儀,CMR及MR Scanner等也在中國主力油田開展服務(wù)。大慶、遼河、大港、冀東、華北、四川、長慶、新疆及海上等油田積累了豐富的核磁共振資料和應(yīng)用實(shí)例,在復(fù)雜巖性/特殊巖性油氣藏、低孔/低滲油氣藏、低電阻率/低飽和度油氣藏、以及天然氣和稠油等儲層見到明顯效果。但是,中國核磁共振儀器長期依靠進(jìn)口,價格昂貴,維修費(fèi)用高,應(yīng)用技術(shù)受制于人。研制擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的核磁共振測井儀器,發(fā)展核磁共振測井技術(shù),是中國油田應(yīng)用部門之亟需。從2005年開始,筆者課題組在科技部“863”和國際合作項目、國家自然科學(xué)基金項目、中國石油天然氣集團(tuán)公司、中國海洋石油總公司等支持下,對以石油天然氣勘探為目標(biāo)的極端條件核磁共振探測系統(tǒng)進(jìn)行了探索和研制,取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。本文是這些成果的簡要介紹,期望能為核磁共振找油找氣技術(shù)研究提供參考,同時也為發(fā)展核磁共振探測系統(tǒng)提供思路。

1 儀器組成及研發(fā)流程

極端條件核磁共振探測系統(tǒng)與醫(yī)學(xué)核磁共振成像系統(tǒng)的工作原理類似,但工作條件完全不同。將一個設(shè)計精密的核磁共振探測器放到數(shù)千米深的井下,在井筒周圍產(chǎn)生靜磁場和射頻場,建立核磁共振條件,進(jìn)而對來自地層孔隙流體的核磁共振信號進(jìn)行觀測。通過對觀測信號的分析處理,獲取地層的巖石物理和流體信息。設(shè)計的井下核磁共振探測系統(tǒng),即核磁共振測井儀(圖1),包括由磁體和天線組成的探頭,大功率發(fā)射和微弱信號檢測的電子線路,用于能量存儲的儲能短節(jié),用于數(shù)據(jù)傳輸和控制的遙測短節(jié)以及信號采集與處理的主控和軟件系統(tǒng)。由于儀器在井筒中工作,體積受到嚴(yán)格限制,而且始終處于井下高溫/高壓的惡劣環(huán)境之中,為了防止儀器被卡住,同時為了提高探測效率,測量時儀器必須總是處于運(yùn)動狀態(tài)。

圖2為核磁共振探測系統(tǒng)研發(fā)流程圖。

圖2 井下核磁共振探測系統(tǒng)研發(fā)流程Fig.2 Flow chart of design and implementation for downhole NMR system

研發(fā)過程分為4個階段:①總體方案設(shè)計,提出中國復(fù)雜油氣藏核磁共振探測的目標(biāo)和技術(shù)方案及指標(biāo);②對國外專利進(jìn)行了充分分析,對磁體、天線、發(fā)射電路、接收電路、采集軟件、處理軟件和刻度裝置等進(jìn)行了梳理和詳細(xì)設(shè)計;③對詳細(xì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M,并對材料和器件的選取及加工工藝等進(jìn)行系統(tǒng)研究和試驗(yàn),繪制PCB板和機(jī)械圖,完成加工制作和單板測試工作;④對儀器進(jìn)行測試和聯(lián)調(diào)及反復(fù)修改優(yōu)化,完善軟件的編寫和測試。

2 探頭設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

核磁共振探測系統(tǒng)的探頭設(shè)計是一個電磁場問題,同時包含結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在井底極端條件下,通過探頭結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)選,建立核磁共振條件,同時具備良好探測特性,是探頭設(shè)計的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)、材料與工藝面對的問題包括:高溫高壓條件下的材料特性及其影響分析;磁體材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;天線材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化;體積受限條件下靜磁場與射頻場的正交及信號強(qiáng)度與信噪比的最大化;儀器運(yùn)動狀態(tài)測量預(yù)極化磁體結(jié)構(gòu)及天線長度的優(yōu)選。

根據(jù)中國復(fù)雜油氣藏的實(shí)際情況,設(shè)計并制作了偏心型和居中型兩種探頭,如圖3所示。每種探頭包含磁體、天線和骨架三部分。無論貼井壁型還是居中型探頭,磁體和天線均分居探頭兩側(cè)。磁體結(jié)構(gòu)有圓柱形、長方體形以及其他不規(guī)則結(jié)構(gòu);而天線結(jié)構(gòu)一般為半圓柱形、弧形以及其他不規(guī)則結(jié)構(gòu);骨架在探頭中根據(jù)磁體和天線結(jié)構(gòu)而定。設(shè)計磁體和天線時既要考慮在井底條件下靜磁場與射頻場的正交匹配,增大探測區(qū)域,同時還要兼顧探頭的整體機(jī)械特性與裝配工藝要求。材料屬性確定后,磁體體積越大,磁場強(qiáng)度越高。由于井眼限制,探頭外徑不得超過16.24 cm。

數(shù)值模擬貫穿于探頭設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的整個過程,數(shù)值方法的精度與可靠性顯得尤為重要。圖4(a)~(c)為偏心型探頭的靜磁場、射頻場以及兩者的匹配關(guān)系;圖4(d)~(f)則是居中型探頭的靜磁場、射頻場以及兩者匹配關(guān)系。模擬結(jié)果表明,偏心型探頭的磁芯開角對磁體靜磁場與天線射頻場匹配關(guān)系影響很小;條帶天線之間的夾角α并非越大越好,而是要兼顧射頻場等值云圖的形態(tài),使探測區(qū)域內(nèi)的極化質(zhì)子能夠被均勻激發(fā)。居中型探頭的天線尺寸相對很小,在進(jìn)行有限元計算時,網(wǎng)格剖分難度較大,可以采用1/4圓周區(qū)域作為計算區(qū)域,減小計算量,提高計算精度。

圖3 探頭結(jié)構(gòu)及其組成示意圖Fig.3 Schematic drawing of structure of downhole NMR probe

根據(jù)靜磁場和射頻場數(shù)值模擬結(jié)果得到磁場匹配關(guān)系,確定了探頭的敏感區(qū)域、信號強(qiáng)度以及信噪比,偏心型探頭結(jié)果如圖5所示。圖5(a)、(b)顯示開角分別為90°和120°瓦形殼的敏感區(qū)域。圖5(c)顯示屏蔽層對射頻場強(qiáng)度的影響(歸一化處理)。將磁體用銅箔包裹后,射頻場磁路不能通過磁體,只能從主天線與天線回路之間的空間通過,這對天線射頻場產(chǎn)生了向X軸正向聚焦的作用,使得射頻場強(qiáng)度增大。隨著工作頻率增大,信號強(qiáng)度增強(qiáng)(圖5(d)),且增大天線長度能夠明顯增大信號強(qiáng)度。圖5(e)為不同天線開角所對應(yīng)的射頻場強(qiáng)度隨徑向深度而變化的趨勢(歸一化處理),隨著天線開角增大,在X軸正方向上射頻場強(qiáng)度逐漸減弱。圖5(f)為探頭運(yùn)動速度與天線長度之間的關(guān)系圖版,不同曲線對應(yīng)于不同的脈沖測量周期Tc。從圖中可以看出,當(dāng)Tc=0.48 s,探頭以速度v=500 m/h運(yùn)動時,為保證測量精度,天線長度不能超過67 cm,構(gòu)成探頭設(shè)計的強(qiáng)約束條件。

圖4 偏心型和居中型探頭靜磁場與射頻場分布及其匹配關(guān)系Fig.4 Distribution of static field and RF field of pad tool and centre tool

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果分析Fig.5 Analysis of numerical simulation results

3 測控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

核磁共振探測系統(tǒng)的電子線路包括:功率放大驅(qū)動電路、功率放大電路、儲能電路、Q-轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路、Q-轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、接收電路、主控電路、天線調(diào)諧電路、繼電器驅(qū)動電路和電源電路等,其框圖和信號流程圖分別如圖6和7所示。電路設(shè)計的技術(shù)難點(diǎn)概括為:①超大功率發(fā)射;②極低微弱信號檢測;③天線能量的快速泄放;④接收回路的寬帶高壓隔離保護(hù)。

功率放大驅(qū)動電路將主控電路的5V CMOS控制信號放大為大電流的15 V控制信號快速打開功率放大電路中的功率MOS管;功率放大電路將主控電路的低功率信號放大為具有很大功率的信號激勵天線;儲能電路在脈沖發(fā)射時為功率放大電路提供能量;Q-轉(zhuǎn)換電路在脈沖發(fā)射完成后一段時間內(nèi)減小天線的品質(zhì)因數(shù)以達(dá)到快速泄放天線中儲存能量的目的;隔離電路在脈沖發(fā)射及能量泄放期間對接收電路進(jìn)行隔離保護(hù);接收電路對天線接收到的微弱回波信號進(jìn)行低噪聲放大;主控電路作為儀器的控制和采集核心,主要功能是按照特定脈沖序列的時序要求產(chǎn)生所有的時序和控制信號,對放大后的回波信號進(jìn)行采集和處理,完成與地面系統(tǒng)的通信等;天線調(diào)諧電路在多頻測量時完成天線諧振頻率的切換;繼電器驅(qū)動電路用于控制天線調(diào)諧電路中射頻繼電器的打開和關(guān)斷;電源電路為各電路提供電源。

圖6 核磁共振探測系統(tǒng)電子線路框圖Fig.6 Diagram of electronic circuit of NMR system

圖7 核磁共振探測系統(tǒng)基本信號流程Fig.7 Basic signal flow of NMR system

儀器的整個工作流程為:主控電路接收到地面系統(tǒng)的命令后,將相應(yīng)信息解碼并創(chuàng)建指令產(chǎn)生全部時序和儀器所需的所有控制信號。這些信號包括:發(fā)射控制信號、Q-轉(zhuǎn)換控制信號、隔離控制信號、采樣時鐘、采樣門控信號和刻度信號等。發(fā)射控制信號是由主控電路生成的符合脈沖序列時序要求的具有特定頻率的發(fā)射脈沖,經(jīng)功率放大驅(qū)動電路后變?yōu)榇箅娏鞯尿?qū)動控制信號以快速打開功率放大電路中的射頻MOS管,將600 V直流高壓斬波處理后變?yōu)榉逯禐?400 V的大功率射頻脈沖。此大功率射頻脈沖傳輸至天線,由天線發(fā)射到地層中激勵氫核從而產(chǎn)生核磁共振。脈沖發(fā)射完成后,通過Q-轉(zhuǎn)換電路將天線的品質(zhì)因數(shù)降低,從而將儲存在天線中的能量迅速泄放掉。能量泄放完成后準(zhǔn)備接收回波信號,此時隔離電路允許回波信號進(jìn)入接收電路。放大后的回波信號由主控電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)字化處理,使用數(shù)字相敏檢波算法處理以提取幅度和相位信息,并通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給遙傳系統(tǒng),遙傳系統(tǒng)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面系統(tǒng)。

通過精心設(shè)計、元器件篩選和制作,實(shí)現(xiàn)了模擬電路和數(shù)字電路的全部功能。實(shí)物及其測試結(jié)果分別如圖8~10所示。遇到的瓶頸包括材料和元器件的加工及采購等問題。

圖8 模擬電路實(shí)物及測試結(jié)果(發(fā)射電路)Fig.8 Design and implementation of analog circuit

圖9 模擬電路實(shí)物及測試結(jié)果(接收電路)Fig.9 Design and implementation of analog circuit

圖10 數(shù)字電路實(shí)物及測試結(jié)果Fig.10 Design and implementation of digital circuit

主控電路采用DSP+FPGA嵌入式結(jié)構(gòu),完成控制和數(shù)據(jù)采集等功能。由主頻為150 MHz的TMS320F2812(DSP)、EP2C5AT144A7N(FPGA)、AD9851(DDS)、AD9244(ADC)、512 kB 的 SRAM 和CAN驅(qū)動器等組成基本系統(tǒng)。DSP用于完成與地面系統(tǒng)的通信和回波信號的采集處理等;FPGA用于產(chǎn)生所有的時序和儀器控制信號,產(chǎn)生刻度信號用于儀器掃頻和測量過程中增益測量等;DDS為各時序信號的產(chǎn)生提供基準(zhǔn)時鐘;ADC用于將放大后的模擬回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;SRAM外部存儲器作為系統(tǒng)運(yùn)行時的主要數(shù)據(jù)存儲區(qū)域和高速數(shù)據(jù)采集時的數(shù)據(jù)緩存區(qū)域。主控電路的硬件設(shè)計主要分為DSP、FPGA和SRAM的外圍及接口電路設(shè)計,數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計,DDS電路設(shè)計和刻度電路設(shè)計。仿真結(jié)果如圖11所示。

核磁共振探測系統(tǒng)的電子線路已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)。采用單電源雙全橋結(jié)構(gòu)的功率放大電路獲得兩倍的直流電壓輸出,輸出電壓大于1 kV,功率大于1 kW,滿足了天線的激勵要求。采用兩級Q-轉(zhuǎn)換設(shè)計方案有效縮短天線恢復(fù)時間,可以減小到原來的1/10;采用分段式泄放方式防止MOS管燒毀。采用有源MOS管控制的寬帶隔離電路實(shí)現(xiàn)對接收回路的高壓隔離保護(hù);采用脈沖充放電式控制MOS管導(dǎo)通時間,滿足了不同回波間隔下差異較大的MOS管導(dǎo)通時間的要求。采用低噪聲原則設(shè)計的接收電路,選用最佳源電阻阻值和天線諧振阻抗相近的低噪聲運(yùn)放作為儀用放大器的差分放大器,第一級放大器的高增益設(shè)計減少了后級電路對總噪聲的影響。

圖11 CPMG脈沖序列仿真與控制邏輯仿真Fig.11 Simulation of CPMG pulse sequence and control logic

4 降噪與儀器調(diào)試

4.1 噪聲來源與降噪方法

井下核磁共振探測過程中噪聲無處不在、無時不有,其頻率、幅度、相位隨機(jī)變化。各種噪聲在電路中感應(yīng)出不同成分,其頻譜覆蓋在整個頻率范圍。噪聲用概率密度函數(shù)、數(shù)學(xué)期望、方差、均方值、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等描述。井下核磁共振探測系統(tǒng)噪聲可分為3類:①天線檢測到的外界干擾;②振蕩電流經(jīng)過天線時產(chǎn)生的噪聲;③電子元器件產(chǎn)生的噪聲。外界環(huán)境噪聲包括電磁輻射干擾、磁場耦合等;儀器產(chǎn)生的噪聲多為電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲、爆裂噪聲等。各種噪聲疊加在微弱有效信號中,信噪比很低。對噪聲來源進(jìn)行了清理,如圖12所示。

圖12 井下核磁共振探測噪聲來源Fig.12 Sources of noise from downhole NMR system

降噪是提高信噪比的有效手段。針對井下核磁共振探測系統(tǒng)特點(diǎn),提出降噪流程如圖13所示。由探頭采集到的自旋回波信號經(jīng)過前放和次級增益后將信號幅度放大,通過RC低通濾波器將混疊在信號中的高頻噪聲濾除。采用ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入數(shù)字信號處理芯片內(nèi)。由于得到的數(shù)字信號包含了來源復(fù)雜的噪聲,基于外界干擾與回波具有不相關(guān)的特點(diǎn),采用PC-ALE方法分離回波包絡(luò)與噪聲;由于數(shù)字低通濾波器的幅頻性能決定了DPSD方法對回波幅度和相位的檢測能力,在對比分析多種窗函數(shù)的濾波性能后,結(jié)合回波串呈指數(shù)衰減的特征,采用基于Gaussian濾波器的DPSD方法檢測出每個回波包絡(luò)的幅度和相位;利用小波變換可以在不同尺度、不同分解層次中觀測回波串的時頻特性,采用小波變換方法將回波串信號進(jìn)行小波分解,對分解后的細(xì)節(jié)系數(shù)(高頻分量)分別采用SURE算法和R-Heursure算法做閾值降噪,再通過小波重構(gòu)回波串信號,從而有效抑制噪聲對NMR測井的影響,提高信號的信噪比。這三個過程分別在回波檢測前(PC-ALE)、回波檢測(DPSD)和回波檢測后(SURE/R-Heursure)實(shí)施。

圖13 井下核磁共振探測降噪方法Fig.13 Noise reduction method from downhole NMR system

以致密低孔隙度巖心為例,運(yùn)用SURE算法對測量數(shù)據(jù)做降噪處理,比較回波信號的信噪比及反演后孔隙度變化。采集到的回波信號如圖14(a)所示(信噪比為7.822),放大后圖14(b),有用信號被淹沒在噪聲中,數(shù)據(jù)信噪比較低。選取Daubechies小波作為母小波,消失矩、分解層次與原信號平均降噪效果的相關(guān)系數(shù),降噪后的回波信號如圖14(c)所示(信噪比為16.358),原信號中的噪聲得到很好的壓制。圖14(d)為帶噪信號和降噪信號反演后的T2譜,信噪比的提高有效改善了反演結(jié)果。

圖14 SURE算法降噪前后的回波信號及T2譜與總孔隙度Fig.14 Contrast of echo data,T2spectrum and total porosity curve before and after noise reduction with SURE algorithm

4.2 儀器測試與調(diào)試

探測系統(tǒng)性能通過測試與聯(lián)調(diào)進(jìn)行檢驗(yàn)。首先對制作的探頭做了全面測試。放在刻度水箱中的探頭實(shí)物如圖15(a)所示,實(shí)測徑向靜磁場強(qiáng)度與數(shù)值模擬結(jié)果的對比如圖15(b)所示,圖中給出了軸向45 cm和65 cm處的靜磁場徑向分布,兩個實(shí)測數(shù)據(jù)具有很好的一致性。數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)相比,在離探頭0~6 cm范圍內(nèi),數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測數(shù)據(jù)稍大,隨著徑向距離的增大,兩者差異減小,從變化趨勢看,模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。

圖15 系統(tǒng)性能測試結(jié)果Fig.15 Test results of system

圖15(c)給出實(shí)測磁場梯度和數(shù)值模擬結(jié)果對比,變化趨勢一致。實(shí)測磁場梯度在4~1 0cm范圍內(nèi)約為0.13~0.5 T/m。圖15(d)給出磁體軸向范圍的靜磁場分布,在磁體中間位置磁場軸向分布比較均勻。圖15(e)為采集得到的原始回波串?dāng)?shù)據(jù),設(shè)定回波間隔TE=1.0 ms,等待時間TW=5 s,采用不同頻率(704,762,766 kHz)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。結(jié)果顯示,刻度箱中水樣的弛豫時間為300~500 ms。固定TE=1.2 ms,選擇等待時間 TW=1,2,3,4,5 s分別測試,反演得到的T2譜如圖15(f)所示。隨著TW增大,T2譜的峰值逐漸增大,TW=3,4,5 s時,T2譜峰值基本不變,說明此時樣品已被完全極化,而峰值點(diǎn)對應(yīng)的時間保持在400 ms。固定TW=5 s,分別取TE=0.8,1.0 ms,采集的回波串經(jīng)反演得到的T2譜如圖15(g)所示。聯(lián)調(diào)結(jié)果顯示,探頭和電子線路均具備良好特性,驗(yàn)證了設(shè)計方案和制作實(shí)物的合理性和可靠性。

5 資料處理與解釋平臺設(shè)計

5.1 處理軟件

核磁共振探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與解釋平臺十分重要。軟件包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理以及成果輸出三個部分。各部分可以在相應(yīng)操作系統(tǒng)上選擇合適工具進(jìn)行開發(fā)。為了方便軟件的功能模塊升級,對三個部分進(jìn)行單獨(dú)實(shí)現(xiàn),減少模塊之間的耦合。對于二次開發(fā)接口,則是將數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理以及成果輸出的一些功能或者函數(shù)進(jìn)行打包封裝,供第三方用戶調(diào)用,以便實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)處理模塊開發(fā)。軟件總體框架如圖16所示。

軟件界面如圖17所示,主要功能包括六個部分:數(shù)據(jù)管理、繪圖、預(yù)處理、流體識別、巖石物理參數(shù)計算和工具箱,并提供二次開發(fā)工具和接口,幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)和測試新算法。

考慮到軟件的實(shí)用性,增加數(shù)據(jù)儀器無關(guān)化處理層解耦合不同儀器數(shù)據(jù)預(yù)處理和流體識別處理,實(shí)現(xiàn)模塊復(fù)用。針對核磁共振數(shù)據(jù)采集的特殊性,提出原始數(shù)據(jù)存儲應(yīng)包括所采集的回波串和所使用的采集模式相關(guān)信息。按此思路,從CLS、XTF以及DLIS格式核磁共振數(shù)據(jù)中成功讀取回波串?dāng)?shù)據(jù)和采集模式參數(shù),并轉(zhuǎn)存為所設(shè)計的MAT格式,滿足了核磁共振數(shù)據(jù)處理的需要。

把MAT格式數(shù)據(jù)讀寫以及核磁共振回波串?dāng)?shù)據(jù)識別功能通過精心設(shè)計的界面封裝為數(shù)據(jù)處理二次開發(fā)工具提供給用戶使用,幫助快速實(shí)現(xiàn)和測試各種新的算法。從算法和代碼兩方面來實(shí)現(xiàn)反演處理速度的優(yōu)化。數(shù)值模擬表明,回波串壓縮、矩陣壓縮、CPU并行計算和矩陣的刪列SVD分解存儲可以適用于井下核磁共振數(shù)據(jù)的T2反演處理速度優(yōu)化;回波串壓縮、基于GPU的矩陣壓縮以及基于CPU并行計算適用于二維、三維反演處理速度優(yōu)化。

圖16 井下核磁共振探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與解釋平臺總體框架Fig.16 Framework of downhole NMR system data processing software

圖17 核磁共振探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件主界面Fig.17 Main interface of data processing software for downhole NMR system

5.2 應(yīng)用實(shí)例

(1)MRIL-P數(shù)據(jù)處理 A井?dāng)?shù)據(jù)由MRIL-P型儀器D9TE312和DTWE4模式采集。T2int-D處理結(jié)果如圖18所示,只有水的信號。對該井進(jìn)行試油,1號層試油結(jié)論為油水同層,而2號層為水層,T2int-D分析結(jié)果與地層實(shí)際情況一致。

(2)MREX數(shù)據(jù)處理 B井?dāng)?shù)據(jù)由MREX儀器PorePerm+Oil模式采集,一維 T2反演,1.5維 SIMET處理,無法識別油水分界線。新軟件T2int-D模塊處理如圖19所示,中上部標(biāo)記1處T2int-D圖中有油信號,下部標(biāo)記2處T2int-D圖中有水信號,成功地識別出油水界面。

(3)MR Scanner數(shù)據(jù)處理 C井?dāng)?shù)據(jù)由 MR Scanner儀T1Profiling Sequences采集。原處理結(jié)果如圖20左邊的測井圖,處理結(jié)果顯示這一層段含氣。但僅僅依靠T1分布中大于1 s的地方有信號就認(rèn)為其含有氣是很容易出錯的,因?yàn)楫?dāng)所使用的采集參數(shù)不合適時,也會出現(xiàn)這種情況。用新軟件對這一井段用T1-T2模塊處理,從圖20右邊的T1-T2圖可以看到氣信號的存在,與后期試油結(jié)論一致,比僅僅基于T1分布的判斷要可靠得多。

軟件對各種儀器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行的二維處理,得到試油驗(yàn)證?;诙S分布圖可以比一維核磁共振流體識別方法更加清楚地區(qū)分油氣水,明顯提高疑難油氣層識別能力,具有很好的應(yīng)用前景。

圖18 MRIL-P數(shù)據(jù)T2int-D處理成果圖Fig.18 T2int-D distribution processed with data from MRIL-P

圖19 MREX數(shù)據(jù)T2int-D處理結(jié)果Fig.19 T2int-D distribution processed with data from MREX

圖20 MR Scanner數(shù)據(jù)T1-T2處理結(jié)果Fig.20 T1-T2distribution processed with data from MR Scanner

6 結(jié)論

(1)經(jīng)過數(shù)年努力,完成了井下極端條件核磁共振探測系統(tǒng)的設(shè)計、制作與測試,達(dá)到工程要求,積累了儀器研制經(jīng)驗(yàn)。

(2)設(shè)計的井下極端條件核磁共振探測系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)進(jìn)入工程化應(yīng)用階段,為解決中國復(fù)雜油氣藏儲層測井評價難題提供了有效探測手段。

(3)核磁共振作為一類重要的科學(xué)儀器,其新裝置不斷發(fā)明,在基礎(chǔ)科學(xué)和高端儀器領(lǐng)域均具有特殊吸引力。通過儀器研制,可以加深對核磁共振前沿理論的理解,加強(qiáng)對核磁共振方法的原始創(chuàng)新。綜上所述,極端條件核磁共振探測具有與常規(guī)條件核磁共振不一樣的科學(xué)問題、技術(shù)問題、工程及工藝問題。極端條件下首先會遇到磁體和天線等材料方面的挑戰(zhàn);其次是電子元器件方面的挑戰(zhàn);再次是低探測效率和低信噪比方面的挑戰(zhàn);還會遇到標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及解釋等方面的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)原理、周密的技術(shù)思想及巧妙的工程和工藝措施,通過不斷嘗試和失敗才能有效解決。這使得高端儀器研制與前沿基礎(chǔ)研究表現(xiàn)出很不一樣的創(chuàng)新特點(diǎn)。

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