2019, Vol. 36 
核磁共振（NMR）测井通过对地层流体中氢核的观测，获得用于评价地层流体的信息.从20世纪50年代NMR测井被引入石油勘探领域以来，一维NMR技术已在孔隙度、渗透率、饱和度计算[1]，孔隙结构评价[2]，流体识别[3]等方面得到成功应用.2002年，Sun等[4]、Hurlimann等[5]、Song等[6]将二维NMR应用到石油测井领域，进一步拓宽了NMR测井的应用范围[7-15]，提高了储层流体识别的分辨率.
由于我国二维NMR测井技术起步较晚、硬件条件有限，目前关注的领域主要集中于二维NMR测井技术的理论基础研究以及现场应用，而对于NMR数据的采集以及质量控制等方面关注度不够.近年来，随着非常规油气藏勘探开发热度的增加，我们发现利用国外成熟的二维NMR测井观测模式进行资料采集时存在原始数据信噪比低、流体弛豫信息加载不完全等问题，其主要原因是现有的二维NMR测井观测模式与非常规油气储层流体性质不相匹配[16].为了解决上述问题对后续储层流体识别造成的影响，观测模式设计人员需要根据实际的地质条件来调整或者重新设计相应的观测模式.但由于观测模式的组成元素多，且各元素间约束条件复杂，设计人员在观测模式的设计过程中存在较大的困难.
脉冲序列是二维NMR测井技术的核心，它由多个采集参数不同的回波序列组成.而观测模式是脉冲序列的组合，它是以获取特定地层信息为目标的数据采集方式.目前国内外针对图形化脉冲序列设计软件的研发技术较为成熟[17-19]，但对于NMR测井观测模式软件设计这一方面尚没有相关的研究.为了满足观测模式设计人员的设计需求，本文基于Baker Atlas公司的二维NMR测井仪——MREx的观测模式的设计机理，采用C#语言编写了一套图形化观测模式设计软件.软件结合设计人员需求，从观测模式的构成和工作机理出发，配置了完整的观测模式管理模块以及多种采集参数编辑功能.此外，软件内置的观测模式优化机制以及图形化显示功能也可以大大缩减观测模式设计人员的开发周期，进而为提高二维NMR测井观测模式在非常规油气勘探开发过程中的适用性提供有力的工具.
1 二维NMR测井常见脉冲序列近年来，二维NMR测井的出现大大提高了NMR测井在流体识别方面的分辨率.脉冲序列是二维NMR测井技术的核心，通过设计合理的脉冲序列组合，即观测模式，可尽可能的测量到能够区分不同流体NMR特性的数据.目前在二维NMR测井中应用比较广泛的有针对T1-T2二维NMR测井的多等待时间脉冲序列，以及针对D-T2二维NMR测井的多回波间隔CPMG序列和扩散编辑（DE）序列.
1.1 多等待时间脉冲序列在目前的T1-T2二维NMR测井观测模式中，二维NMR数据的获取主要是通过测量多等待时间下的回波串衰减曲线来实现的.假设测量了S组不同等待时间的回波串，测量到的流体的回波串幅度随时间的变化服从多指数衰减规律.具体如下：
| $ {b_{is}} = \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{r = 1}^p {{f_{jr}}} [1 - \exp ( - {T_{{\rm{W, }}\, {\rm{s}}}}/{T_{1r}})]\exp ( - {t_i}/{T_{2j}}) + {\varepsilon _i}{\rm{ ~~~~ }}i = 1, 2, 3, \cdots } $ | (1) |
上式中既包含了极化因子项
这种方法无需重新设计新的脉冲序列，只需在恒定梯度场（G）中测量多条回波间隔（TE）不同的CPMG回波串即可完成二维D-T2数据的采集.相对于其他的脉冲序列，CPMG序列设计简便、仪器设计成本较低，利用现有的一维NMR测井仪器都可以完成该类数据的采集.目前Baker Atlas的MREx测井仪的观测模式，如PP+Oil、PP+Heavy Oil，均采用多回波间隔CPMG脉冲序列（图 1）.
|
图 1 CPMG脉冲序列 Fig. 1 CPMG pulse sequence |
扩散编辑脉冲序列的时序采集分为两个窗口，第一个窗口内仅采集两个回波，通过改变这两个回波的回波间隔来采集孔隙流体的扩散弛豫信息，而第二个窗口则采用最小的回波间隔来采集孔隙流体的横向弛豫信息（图 2）.在回波采集过程中，回波的幅度衰减为：
|
图 2 扩散编辑脉冲序列 Fig. 2 Diffusion editor pulse sequence |
| $ {b_{ik}} =\\ \left\{ \begin{array}{l} \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{p = 1}^n {f({D_p}, {T_{2j}})} \exp \left[ { - \frac{{i \cdot {D_p}{{(\gamma G{T_{{\rm{E}}1k}})}^2}}}{{12}}} \right]\exp ( - \frac{{i \cdot {T_{{\rm{E}}1k}}}}{{{T_{2j}}}}){\rm{ ~~~~~ }}i = 1, 2} \\ \sum\limits_{j = 1}^m {\sum\limits_{p = 1}^n {f({D_p}, {T_{2j}})} \exp \left[ { - \frac{{{D_p}{{(\gamma G{T_{{\rm{E}}1k}})}^2}}}{6}} \right]\exp \left[ { - \frac{{2{T_{{\rm{E}}1k}} + (i - 2)*{T_{\rm{E}}}}}{{{T_{2j}}}}} \right]{\rm{ ~~~ }}i = 3, 4, 5, \cdots } \end{array} \right. $ | (2) |
(2) 式中，Dp表示第p个分量的扩散系数，γ为质子的旋磁比，G为磁场梯度，
NMR测井观测模式是脉冲序列的组合.目前的二维NMR测井仪器大都采用多频率同时工作的方式，且每种工作频率可采用不同的工作参数.这种工作方式所对应的观测模式通过组合多种脉冲序列来提高NMR测井仪的作业效率.在多频NMR测井仪的观测模式设计时，各组脉冲序列中的回波序列单元以“时间片”的形式分布在各个工作频带上，且各回波序列的采集过程相互独立、互不重叠.然后再结合目的储层类型以及孔隙流体的特性按照一定的规则配置相应的辅助脉冲序列从而构建出合理的观测模式.如MREx测井仪的PP+Heavy Oil观测模式（图 3），其详细的采集参数（表 1）、该模式配置了多等待时间（TW）、多TE，以及多G*TE的CPMG脉冲序列，结合重质油的特性，将采集到的数据组合成相应的数据体，进而实现二维NMR数据的合理采集和应用.
|
图 3 MREx测井仪的PP+Heavy Oil观测模式 Fig. 3 PP+Heavy Oil activation sets of MREx |
|
表 1 PP+Heavy Oil观测模式采集参数 Table 1 Parameters of PP + Heavy Oil activation sets |
针对NMR测井技术人员在实际工作中的需求，软件需要具备的功能包括：（1）支持二维NMR测井与岩心实验分析仪中的观测模式设计，具备完整的观测模式管理模块；（2）根据用户输入的采集参数，软件能够自动生成合理的NMR测井观测模式；（3）拥有图形化显示功能以及丰富的采集参数编辑功能；（4）具备回波序列采集过程防重叠机制来避免不同工作频率上回波采集过程发生重叠；（5）为满足用户对观测模式相关信息的需求，软件还需要增添观测模式采集信息的输出等功能.
3.2 软件的设计路线基于目前成熟的NMR测井脉冲序列，软件提供新建观测模式以及应用标准观测模式两种途径来帮助用户实现对观测模式的编辑.首先，设计人员需要根据区块的地质条件和流体性质选择相应的脉冲序列组合，然后选择新建观测模式或者在已有标准模式的基础上进行调整，其中软件内置的回波序列自适应采集防重叠机制和图形化交互功能可以根据用户添加的采集信息实现观测模式的优化，而且观测模式的预览功能允许用户对观测模式的合理性进行快速、准确的判断；最后，将最优化的观测模式信息进行保存以便采集信息的持久化，进而完成观测模式的设计.此外用户可以选择输出观测模式的采集时序信息以及采集示意图等.具体如图 4所示，下文将从各个方面介绍软件的具体实现.
|
图 4 本文的观测模式设计路线 Fig. 4 The activation set design in this research |
二维NMR测井观测模式本质上是各工作频带上的回波序列在一个采集周期内的发生时序.对于一个合理的观测模式，工作频带上回波序列的采集过程在采集周期内均按照发生时序依次进行，且相互独立、互不重叠.观测模式的主要内容包括工作频带、观测模式基本元素、各回波序列的发生时序以及控制元素等.
3.3.1 工作频带现有的二维NMR测井仪支持多个工作频率.目前软件支持的观测模式的频带数最高为六个.频带的属性主要有：工作频率（FREQ）、探测深度（DOI）以及磁场梯度（G）.每个频带的相关属性均不相同.用户可以合理利用各频带磁场梯度的差异以及探测深度的差异来实现孔隙流体扩散弛豫信息以及不同探测深度储层性质的加载.此外用户可以自由地添加、删除频带，同时也可以实现对频带属性的编辑等.
3.3.2 观测模式的基本元素NMR测井观测模式包含多个基本元素对象，主要有：采集周期（T）、采集次数（N）、回波延迟（Delay）以及回波序列（Echo）等.其中采集周期是观测模式中各个频带完整采集一次所需要的最大时间；在实际工作中，Delay是为了考虑切换工作频带时电路产生延迟而设定的等待时间；回波序列是观测模式最主要的组成部分，回波序列的采集参数主要包括等待时间（TW）、回波间隔（TE）、回波个数（NECHO）、重复测量次数（NREPT）以及等待时间延迟（TWDelay）等.在观测模式中，每组回波序列都具有特定的采集任务，例如：A组回波采集与孔隙相关的弛豫信息，C组回波加载束缚水弛豫信息，B、D、E、F作为辅助组，主要是为了结合A组回波实现流体识别的任务，其次也可以通过信号叠加来提高原始数据的信噪比.将具有相应功能的回波序列组合在一起即可完成二维NMR数据的采集任务.
3.3.3 观测模式的元素约束结合观测模式的工作机理，在软件设计过程中主要包含以下三个约束条件.首先，特定的回波序列只能放在相应的频带上，例如：1A组回波只能放置在第一个工作频带上，而不能放在其他频带.其次，观测模式的采集周期应当实现灵活调整，而且当采集周期发生改变时，各频带的首波等待时间随着变化，而其他回波序列的采集参数应当固定不变，所以软件需要设定一个自动计算各频带首波等待时间的时间计算机制.最后，多频NMR测井仪工作时，需要保证各回波信号采集时与它时序上相邻的前一回波信号已经衰减完毕，所以除了设置合理的采集参数以外，也需要在时序上添加防重叠机制来保证前一个回波信号衰减为零.
3.3.4 观测模式的采集参数管理观测模式设计的目的是为了尽可能测量到能够区分不同流体NMR特性的数据.因此需要根据实际的储层条件以及流体类型来进行参数调整.每一种观测模式都有本身固定的采集参数，我们将观测模式的基本采集参数与回波序列的采集参数整合到同一文本文件中，这样保证了观测模式采集参数模块的完整性.
除了文本编辑方式之外，我们还提供了采集参数面板编辑和图形化交互界面编辑这两种采集参数编辑方式（图 5），采集参数面板分为回波序列采集参数与观测模式基本采集参数两部分，用户可在参数面板上实现对回波序列的删除、增添以及参数编辑等操作；图形化交互式编辑面板将回波序列以图形的形式展现在编辑面板上，这种编辑方式允许用户通过框选、拖拽的方式来实现对回波序列分布位置的调整.
|
图 5 三种采集参数编辑方式. (a)文本编辑；(b)采集参数面板编辑；(c)图形化交互界面编辑 Fig. 5 Three methods for acquisition parameters editting. (a) Text editting; (b) Parameter editting; (c) Graphics user interface editting |
观测模式本质上是多组脉冲序列所包含的回波序列在一个采集周期内所发生的时间序列.而图形化的将他们展示出来，则是按照发生时序并根据每个回波序列发生所需要的时长分配给一定比例的像素宽度.
为了实现这一过程，本软件主要创建了三个类，分别是CaculateTimeData、DrawCure2D与DrawAcquisitionDetail.其中，CaculateTimeData类主要负责计算回波序列的发生时长；DrawCure2D负责将时间信息转换成交互面板的像素信息; DrawAcquisitionDetail类主要负责观测模式采集示意图像素信息的计算.具体的算法如下：
（1）CaculateTimeData类通过实例化对象与参数面板的交互来获得观测模式的采集参数，并将整个采集周期划分为回波序列和回波延迟（Delay）两个时间单元.其中回波序列单元分为等待时间（TW）和回波串采集时间（TE/2+TE* NECHO）两个部分.最后结合回波序列自适应采集防重叠机制，将观测模式的时序信息保存在全局变量中.
（2）DrawCure2D类的实例化对象获得由CaculateTimeData类所计算的时序信息, 并将屏幕像素宽度按照比例分配给每个回波序列与回波延迟单元.
（3）DrawAcquisitionDetail类结合(1)式、(2)式中回波序列的极化、衰减特性将回波序列的详细采集信息转化为像素信息并保存在回波序列单元中.
4 软件实现结果软件主要包含四个界面：预览界面、采集参数面板、观测模式图形化交互界面以及观测模式采集示意图界面，此外软件还提供了观测模式优化机制以及观测模式信息输出等功能（观测模式设计软件的基本操作的视频附件可在该文网络版页面上观看）.具体如下：
4.1 预览界面预览界面中包含了标准的观测模式以及用户自定义保存的观测模式，它的设置主要是为了方便用户快速的对现有的观测模式进行浏览.预览界面中为用户展示的主要是观测模式的基本相关信息，如观测模式名称、最小采集周期、工作频带数目、回波延迟以及测量流体类型等.具体如图 6所示.
|
图 6 预览界面 Fig. 6 The interface of preview |
观测模式的采集参数模块是模式设计的主要任务，直观、简洁的参数编辑界面以及操作简便的编辑功能是软件设计的重点.该界面主要分为回波序列采集参数表跟观测模式采集参数两部分.用户通过简单的鼠标操作即可完成对观测模式中回波序列的编辑以及采集参数的调整（图 7）.
|
图 7 采集参数编辑界面 Fig. 7 The interface of parameter editting |
为了方便观测模式设计人员，软件内置的自适应优化机制自动实现了二维NMR测井观测模式各频带回波序列之间的相互约束.首先，根据采集参数分别记录各回波序列在整个周期内的采集位置以及在相应频带上的采集位置.之后结合采集参数对采集时序相邻回波序列之间的采集间隔进行判断，如果判定相邻回波序列的采集过程重叠，系统则会结合回波延迟（Delay）对当前回波序列的等待时间（TW）进行调整，并记录当前回波序列等待时间的变化值（TWDelay）；反之，则按照采集时序对下一个回波序列进行判断.最后，根据变化后的采集参数对观测模式重新进行计算，进而实现观测模式采集过程的自动优化.
4.4 图形化交互界面简洁的图形化交互界面方便用户快速、直观地对观测模式的采集时序进行预览.此外，该界面还允许用户通过框选、拖拽的方式来调整回波序列单元在采集时序上的分布位置，并且可以实现采集参数面板相应参数的同步更新[图 5(c)].
4.5 观测模式采集示意图用户通过上述界面确认采集参数合理之后，软件为用户提供了观测模式采集示意图预览界面.观测模式采集示意图（图 8）展示了回波序列在采集周期内的详细采集过程，其中包括回波的极化以及回波串的采集等相关时序信息.此外，为了方便用户的使用，在观测模式示意图界面中，用户可以通过“Ctrl+鼠标滑轮”组合键来调节示意图的比例.
|
图 8 观测模式采集示意图 Fig. 8 Schematic diagram of activation sets |
观测模式设计完成以后，软件可以根据用户的需求输出观测模式相关信息，其中包括观测模式的采集参数、采集示意图以及相关的采集时序等信息.此外，本文设计的软件支持二维NMR测井以及NMR岩心分析仪的观测模式设计.目前该观测模式设计软件已经应用到了中海油服多频NMR测井仪EMRT观测模式的设计以及长江大学核磁共振岩心分析实验室中.
5 结论针对当前主流二维NMR测井观测模式存在的问题，本文结合用户需求，通过分析二维NMR测井观测模式的组成元素以及工作机理，基于C#完成了图形化观测模式设计软件的实现.软件配置了设计-调整-保存-管理这一系列完整的管理模块，其中包括了文本、参数面板、图形化交互面板三种采集参数编辑方式、观测模式优化机制、图形化显示功能以及观测模式采集信息输出功能等.同时软件还提供了新建观测模式和应用标准观测模式这两种途径来帮助用户实现对观测模式的灵活调整.
| [1] |
FAN Y R, NI Z G, DENG S G, et al. Experimental study on NMR measurement parameters and reservoir properties[J].
Petroleum Geology & Experiment, 2005, 27(6): 624-626.
范宜仁, 倪自高, 邓少贵, 等. 储层性质与核磁共振测量参数的实验研究[J]. 石油实验地质, 2005, 27(6): 624-626. DOI: 10.3969/j.issn.1001-6112.2005.06.014. |
| [2] |
HE Y D, MAO Z Q, XIAO L Z, et al. An improved method of using NMR T2 distribution to evaluate pore size distribution[J].
Chinese J Geophys, 2005, 48(2): 373-378.
何雨丹, 毛志强, 肖立志, 等. 核磁共振T2分布评价岩石孔径分布的改进方法[J]. 地球物理学报, 2005, 48(2): 373-378. DOI: 10.3321/j.issn:0001-5733.2005.02.020. |
| [3] |
NING C Q. Direct hydrocarbon identification using calculated T1 from dual wait-time nuclear magnetic resonance logging[J].
Well Logging Technology, 2001, 25(2): 123-126.
宁从前. 用双Tw核磁共振测井计算T1直接识别油气层的方法[J]. 测井技术, 2001, 25(2): 123-126. DOI: 10.3969/j.issn.1004-1338.2001.02.009. |
| [4] | SUN B Q, DUNN K J. Probing the internal field gradients of porous media[J]. Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys, 2002, 65(1): 051309. |
| [5] | HÜRLIMANN M D, VENKATARAMANAN L. Quantitative measurement of two-dimensional distribution functions of diffusion and relaxation in grossly inhomogeneous fields[J]. J Magn Reson, 2002, 157(1): 31-42. DOI: 10.1006/jmre.2002.2567. |
| [6] | SONG Y Q, VENKATARAMANAN L, HÜRLIMANN M D, et al. T1-T2 correlation spectra obtained using a fast two-dimensional Laplace inversion[J]. J Magn Reson, 2002, 154(2): 261-268. DOI: 10.1006/jmre.2001.2474. |
| [7] | 邓克俊. 核磁共振测井理论及应用[M]. 青岛: 中国石油大学出版社, 2010. |
| [8] |
XIE R H, X L Z. The (T2, D) NMR logging method for fluids characterization[J].
Chinese J Geophys, 2009, 52(9): 2410-2418.
谢然红, 肖立志. (T2, D)二维核磁共振测井识别储层流体的方法[J]. 地球物理学报, 2009, 52(9): 2410-2418. DOI: 10.3969/j.issn.0001-5733.2009.09.028. |
| [9] |
XIE R H, XIAO L Z, LU D W. (T2, T1) two-dimensional NMR method for fluid typing[J].
Well Logging Technology, 2009, 33(1): 26-31.
谢然红, 肖立志, 陆大卫. 识别储层流体的(T2, T1)二维核磁共振方法[J]. 测井技术, 2009, 33(1): 26-31. DOI: 10.3969/j.issn.1004-1338.2009.01.005. |
| [10] | 谢然红, 肖立志. (T2, T1/T2)二维核磁共振识别天然气储层的方法研究[C].西安: 中国石油学会测井年会, 2009. |
| [11] |
HU F L, ZHOU C C, LI C L, et al. Fluid identification method based on 2D diffusion-relaxation nuclear magnetic resonance (NMR)[J].
Petrol Explor Dev, 2012, 39(5): 552-558.
胡法龙, 周灿灿, 李潮流, 等. 基于弛豫-扩散的二维核磁共振流体识别方法[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(5): 552-558. |
| [12] | HURLIMANN M D, FLAUM M, VENKATARAMANAN L, et al. Diffusion-relaxation distribution functions of sedimentary rocks in different saturation states[J]. Magn Reson Imaging, 2003, 21(3): 305-310. |
| [13] | FLAUM M, CHEN J, HIRASAKI G J. NMR diffusion editing for D-T2 maps:Application to recognition of wettability change[J]. Petrophysics, 2004, 46(2): 113-123. |
| [14] | SUN B, DUNN K, BILODEAU B J, et al. Two-Dimensional NMR Logging And Field Test Results[C]//SPWLA 45th Annual Logging Symposium, Noordwijk, Holland, 2004. |
| [15] | SUN B Q, DUNN K J. Two-dimensional nuclear magnetic resonance petrophysics[J]. Magn Reson Imaging, 2005, 23(2): 259-262. |
| [16] |
ZHANG S M, ZHANG S N, GE X, et al. Optimal design and application of two-dimensional NMR logging in Chuanxi tight gas reservoir[J].
Chinese J Magn Reson, 2018, 35(02): 234-242.
张世懋, 张哨楠, 葛祥, 等. 川西致密气藏二维核磁共振测井优化设计与应用[J]. 波谱学杂志, 2018, 35(02): 234-242. |
| [17] | 李元.核磁共振谱仪软件实验参数管理的设计与实现[D].武汉: 武汉理工大学, 2011. |
| [18] |
ZHANG Z, MAO W P, LIU C Y. Progress in the development of pulse programmer for nuclear magnetic resonance[J].
Chinese J Magn Reson, 2012, 29(3): 339-345.
张志, 毛文平, 刘朝阳. 核磁共振脉冲序列发生器研究进展[J]. 波谱学杂志, 2012, 29(3): 339-345. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4556.2012.03.002. |
| [19] |
YAN Z Y, CHEN Z W. Implementation of graphical pulse sequence design using eclipse graphical modeling framework[J].
Chinese J Magn Reson, 2017, 34(2): 175-182.
颜志煜, 陈志伟. 基于Eclipse图形建模框架的图形化脉冲序列设计软件的实现[J]. 波谱学杂志, 2017, 34(2): 175-182. |
| [20] |
WANG Z D, XIAO L Z, LIU T Y. A new method for multi index inversion of NMR relaxation signals and its application[J].
Scientia Sinica (Physica, Mechanica & Astronomica), 2003, 33(4): 323-332.
王忠东, 肖立志, 刘堂宴. 核磁共振弛豫信号多指数反演新方法及其应用[J]. 中国科学:物理学、力学和天文学, 2003, 33(4): 323-332. |
| [21] |
TAN M J, ZOU Y L. A hybrid inversion method of (T2, D) 2D NMR logging and obversation parameters effects[J].
Chinese J Geophy, 2012, 55(2): 683-629.
谭茂金, 邹友龙. (T2, D)二维核磁共振测井混合反演方法与参数影响分析[J]. 地球物理学报, 2012, 55(2): 683-629. DOI: 10.3969/j.issn.0001-5733.2012.02.032. |