НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ БОЛЬШЕРАЗМЕРНОГО КЕРНА МЕТОДОМ ЯМР

article102.jpg

Аннотация

Представлены результаты совместной разработки современной аппаратуры ядерно-магнитного резонанса для исследований полноразмерного керна, как в лабораторных условиях, так и непосредственно на буровой.

Авторы:
С.А. Жилин1, В.М. Мурзакаев1, В.С. Дубровский1
В.Д. Скирда2, М.С. Тагиров2, Г. Мамин2
 
1ООО «ТНГ-Групп» НТУ
2— Казанский (Приволжский) Федеральный Университет

С данным докладом я буду выступать 11 сентября 2013 года на ТРОФИМУКОВСКИХ ЧТЕНИЯ-2013 (Новосибирск, Россия)Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), как метод исследования магнитных свойств горных пород начал широко развиваться в начале 60х годов (Абрагам, 1963). Основные направления его применения в промысловой геофизике – это лабораторные исследования образцов породы, шлама и их фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) и изучение ядерно-магнитных свойств пластовых флюидов в скважине.

ЯМР-установка для исследования образцов керна.

Разработка приборов для получения информации о кернах в лабораторных условиях призвана, прежде всего, обеспечить корректность трактовки информации, получаемой методами ЯМР каротажа (Lizhi, 1998; Джафаров, 2002). Кроме того, при лабораторных исследованиях кернов можно получить такую информацию о характере и состоянии флюида в пористом пространстве породы керна, которая недоступна в принципе для скважинных приборов. Прежде всего, речь идет о принципиальной возможности в лабораторных условиях организовать полномасштабные исследования кернов путем получения данных при контролируемом варьировании множества внешних факторов. К таковым можно отнести температуру, давление, флюидонасыщенность и т.д.
Наряду с этим получение методом ЯМР менее объемной и, даже, менее качественной, информации о характеристиках керна, но непосредственно сразу после его извлечения из скважины (Caizhi, 2002), может оказаться чрезвычайно полезным для оперативного принятия решения во время буровых работ. В целом, оперативный ЯМР-анализ образцов кернов в их естественном насыщении, как в лабораторных, так и в полевых условиях, непосредственно после отбора проб, обеспечивает возможность своевременного получения и использования важной геологической информации.
Как известно, чувствительность ЯМР аппаратуры сильно зависит от частоты резонанса, следовательно от величины поляризующего магнитного поля В0. Другими словами, чем больше напряженность магнитного поля, тем более качественно может быть проведен ЯМР анализ. В принципе нет никаких оснований требовать, чтобы установки лабораторного исполнения каким-либо существенным образом отличались по функциональным возможностям от их мобильных аналогов. Единственное условие, накладываемое на мобильный аналог установки, сводится к ее массово-габаритным характеристикам, которые, в свою очередь, определяются, в основном, характеристиками магнитных систем.
Если в лабораторных условиях измерения могут быть проведены наиболее качественно с использованием мощной и габаритной техники ЯМР, то в полевых условиях требуется найти компромисс между качеством исследований и мобильностью используемой аппаратуры.
На рынке существует достаточно широкий спектр предложений и возможностей исследований методом ЯМР кернов с малыми размерами образцов. При этом аппаратура для измерений ЯМР характеристик полноразмерных кернов практически отсутствует или в качестве таковой используются медицинские приборы магнитно-резонансной томографии (МРТ). Другой важный момент состоит в том, что практически все коммерческие приборы, предназначенные для исследования кернов, ориентированы на получение в основном стандартной информации, основанной на анализе амплитуды сигнала и данных по спектрам времен релаксации. При этом, как правило, измерения коэффициентов самодиффузии молекул флюида в керне по прогрессивным методикам с импульсным градиентом магнитного поля не предусмотрены, хотя именно данные по исследованию трансляционной подвижности молекул жидкости в зависимости от временных параметров импульсной последовательности способны нести корректную информацию о размерах пор (Маклаков, 1996; Тюрин, 2007) и проницаемости.
 

Особенности конструкции магнитных систем «ЯМР-Керн».

Для обеспечения высокой чувствительности в лабораторном приборе «ЯМР-Керн» используется сверхпроводящая магнитная система замкнутого цикла. Эта система достаточно компактна, так как разрабатывалась для ортопедического ЯМР томографа. Диаметр теплого отверстия сверхпроводящего магнита составляет 28 см при размерах рабочей области пространства порядка 10 – 15 см. Величина магнитного поля составляет 1,5 Тл, что для резонанса на протонах соответствует 64 МГц. Таким образом, подобная магнитная система наиболее оптимальна для задач исследования полноразмерных кернов с диаметром до 10 см. Внешний вид такой установки представлен на рисунке 2. В указанной магнитной системе отсутствует контур азотного охлаждения, а гелий поддерживается в жидком переохлажденном состоянии с помощью криокулера (компрессора). Несомненно, эти обстоятельства следует отнести к достоинствам такой системы, однако немалая плата за них заключается в необходимости обеспечения прибора системами бесперебойного электроснабжения и водоснабжения для питания и охлаждения компрессора. В полевых условиях это становится весьма проблематичным.
При выборе типа магнитной системы для мобильного варианта прибора «ЯМР-Керн» необходимо найти компромисс между величиной и однородностью магнитного поля с одной стороны, компактностью и простотой в обслуживании – с другой. На наш взгляд, лучше всего на сегодняшний день этим требованиям удовлетворяют генераторы магнитного поля на структурах Хальбаха, по форме представляющих собой, так называемый цилиндр Хальбаха (K. Halbach, 1980).
Общий вид мобильной установки «ЯМР-Керн» показан на рисунке 1. В едином корпусе прибора размещены все необходимые блоки питания и электронные узлы. Кроме того, прибор снабжен системой позиционирования исследуемого образца в датчике ЯМР, с помощью которой сканирование ЯМР характеристик керна по его длине может осуществляться в автоматическом режиме. В транспортном состоянии направляющие для керна (длина каждого из них составляет 130 см) устанавливаются в вертикальное положение. В результате габаритные размеры прибора существенно уменьшаются.
Как лабораторный (рисунок 2), так и мобильный варианты исполнения прибора ЯМР «Керн» содержат магнитные системы с диаметрами проходных отверстий 280 — 290 мм, что обеспечивает возможность получения достаточно высокой однородности магнитного поля в исследуемой области полноразмерного керна. Кроме того, это позволяет оптимизировать геометрические размеры градиентной катушки для достижения высокоэффективных (до 200 Гс/см) градиентов магнитного поля с малыми (до 100 мкс) временами нарастания и спада.
Входящий в состав аппаратуры ЯМР «Керн» блок импульсного градиента основан на запатентованных технических решениях и обеспечивает идентичность пар импульсов градиента с ошибкой, не превышающей 10–6. При этом он способен сформировать в градиентной катушке импульсный ток мощностью до 100 кВт.
Для стабилизации резонансных условий в мобильном варианте прибора разработана оригинальная система стабилизации. В электронной части аппаратуры применена современная концепция полного цифрового синтеза частот и цифрового квадратурного детектирования сигнала ЯМР.

 
Основные характеристики установок "ЯМР-Керн"Диаметр исследуемых образцов не менее 116 мм Максимальная длина исследуемого образца 1,5 м Частота резонанса на протонах:   Лабораторный вариант 64 МГц Мобильный вариант 8,2 МГц Вес мобильного варианта не более 300 кг Мощность импульса тока в градиентной катушке до 100 кВт Градиент магнитного поля в импульсе не менее 150 Гс/см  
Прибор ЯМР «Керн», предназначенный для исследования полноразмерных кернов, отличается от существующих аналогов, прежде всего, повышенными частотами резонанса, что обеспечивает достижение превосходства по чувствительности. Кроме того, наличие в составе прибора мощного блока импульсного градиента обеспечивает достижение непревзойденных для такого класса приборов характеристик по исследованию процессов самодиффузии молекул, что важно для получения корректной информации о размерах пор и проницаемости пористого пространства в образцах керна. При этом может быть использован многолетний опыт применения и развития метода ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля для исследования сложных молекулярных систем, накопленный в Казанском федеральном университете (Маклаков, 1987; Skirda, 2002).
На рисунке 3 представлены результаты замера трехкомпонентной модели образца известной пористости и следом за ней (ниже) замер реального образца керна диаметром 100мм. Трехкомпонентная модель была подготовлена для моделирования многофазной смеси жидкостей (в данном случае три составляющие), которые отличаются по временам релаксации. Цель такого подбора заключалась в том, чтобы проверить эффективность программного обеспечения (ПО), и подтвердить корректность выбора алгоритмов обработки, а также проверить правильную работоспособность установки. Как видно из рисунка, все три компоненты, отличающиеся временами релаксации, четко выделяются на спектре распределения (справа на рисунке). В ПО имеется возможность различного представления результатов обработки спектра распределения по временам релаксации, в том числе по БИНам, по степени связанности флюида, расчет пористости, оценка проницаемости по двум моделям: Шлюмберже и Коатеса.


Рисунок 1. — Общий вид мобильной установки «ЯМР-Керн».

Рисунок 2 — Общий вид лабораторной установки «ЯМР-Керн».

Рисунок 3 — Вид рабочего окна программы регистрации.

Рисунок 4 — Общий вид мобильной установки «ЯМР-Керн».

Список использованных источников

 
  1. Абрагам А. Ядерный магнетизм. М., ИЛ, 1963. 552 с.
  2. Джафаров, И. С. Применение метода ядерного магнитного резонанса для характеристики состава и распределения пластовых флюидов [Текст] / И. С. Джафаров, П. Е. Сынгаевский, С. Ф. Хафизов. — M.: Химия, 2002.- 439 с.
  3. Lizhi, X. Low field NMR core analysis and its applications to well logging interpretation [Text] / Xiao Lizhi, Shi Hongbin // Well Logging Technology (in Chinese). –1998. V.22(1). –P.42 49.
  4. Caizhi, W. On the method of analyzing and processing T2 relaxation spectra from NMR log data and relative program design on Cif2000 platform [Text] / Wang Caizhi, Li Ning // Well Logging Technology (in Chinese). –2002. –V.26(5). –P.360-363.
  5. Маклаков А.И. Определение геометрических параметров пор и корреляционных функций сил взаимодействия молекул жидкости с их поверхностью методом ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля [Текст] / А.И. Маклаков, Е.В. Хозина, Н.К. Двояшкин // Коллоидный журнал – 1996 – т. 58 — №4 — с. 509 – 513
  6. Тюрин В.А. Экспериментальные и истинные значения коэффициентов самодиффузии жидкости в пористой среде [Текст] / В.А. Тюрин, А.И. Маклаков // Коллоидный журнал — 2007 – т. 69 — №6 — с. 839 – 844
  7. K. Halbach K. Design of permanent multipole magnets with oriented rare earth cobalt material [Text] / K. Halbach // Nuclear Instruments and Methods – 1980. – V. 169, № 1. — P. 1–10
  8. Маклаков А.И. Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров [Текст] /А.И. Маклаков, В.Д. Скирда, Н.Ф. Фаткуллин // Казань, Изд. КГУ, 1987г. 224С.
  9. Skirda V.D. The features of PFG NMR technique and some methodical aspects of its application [Text] / V.D. Skirda// In Book “Magnetic Resonance in Colloid and Interface Science”, Edited by Jacques P. Fraissard and Olga Lapina, — 2002, — p. 245-254, — (Book Series: NATO SCIENCE SERIES: II: Mathematics, Physics and Chemistry, V. 76)
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!