Ядерно-магнитный томагрофический каротаж

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 f эффект 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

W ³ Кп 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 – free fluid index), 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 CPMG время 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 TE и 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_2i ; Т_2i +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: