CN102998322B - 恒定梯度场核磁共振岩样分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒定梯度场核磁共振岩样分析方法及仪器；在由磁体产生的恒定梯度场下进行核磁共振测量获得测量数据；将测量的核磁共振数据转化成核磁共振二维谱D-T₂；对恒定梯度场的标准样进行测量、反演得到标准样核磁共振二维谱D-T₂；测量岩样，获得岩样中流体核磁共振二维谱D-T₂，根据实际测量岩样的核磁共振二维谱D-T₂进行流体类型识别；根据岩样中流体的核磁共振二维谱D-T₂计算岩样的流体性质和岩石物性参数；对岩样进行单切片扫描，获得岩样的局部油、水饱和度；对岩样进行连续的切片扫描，得岩样轴向油、水饱和度分布，可动流体饱和度分布；本方法可更好的评价储层和识别流体。

Description

恒定梯度场核磁共振岩样分析方法及仪器

技术领域

本发明涉及一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪器和利用核磁共振二维谱技术识别流体类型和测量岩石物性参数的方法。

背景技术

近些年，核磁共振技术在石油勘探开发领域得到高度重视和发展，已广泛应用于核磁共振录井、核磁共振测井和低渗透储层评价等方面，从而推动了核磁共振仪器及其测量方法在石油勘探开发中快速发展。

中国专利200410083878.2中描述了用岩石核磁共振弛豫信号测量地层岩石物性的设备及测量方法。该设备包括磁体、探头、前置放大器、功率放大器、核磁共振控制器和控制计算机等部分。该设备通过测量获得一维的弛豫时间T₂谱，可以快速给出孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和含油饱和度等岩石物性参数。

核磁共振仪器除了提供弛豫时间T₂以外，还可以提供流体的扩散系数D。目前所有的可以测量流体扩散系数的实验室核磁共振仪器采用的是电梯度，利用电流的方式来获得梯度磁场，利用电流来控制梯度的大小和方向，在医学的核磁共振仪器方面也广泛采用该种方式。但是，由于在石油勘探开发中原油的扩散系数较小，所以需要很大的梯度场，才能测量到原油的扩散系数，对油和水进行识别。梯度场的大小是由瞬间电流的大小决定的，但是，瞬间电流是不可能无限放大的，它的大小将受到仪器的限制。特别是产生瞬间电流越大，将会导致***越复杂。

目前，核磁共振仪器动态驱替实验都是驱替后，将岩心取出，然后进行核磁共振测量。而核磁共振高温高压核磁共振实验就根本无法进行。主要是由于核磁共振仪器的电磁场无法穿越金属壳，在探头内部不能形成梯度磁场，从而无法进行扩散编码，测量流体的扩散系数。这些都抑制了核磁共振实验室技术的发展。

因此，急需可以测量扩散系数，能够进行高温高压实验的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪以及核磁共振二维谱识别流体类型和评价岩石物性参数的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪及测量方法，以测量扩散系数、弛豫时间、原油粘度、孔隙度、渗透率、含油、水饱和度及分布、可动流体饱和度等岩石物性参数和流体性质参数，解决石油勘探开发中的流体识别和储层评价中的难点问题，提高室内核磁共振装备与技术水平，满足油气田勘探开发需求，促进核磁共振岩样技术在石油勘探开发领域快速发展。

本发明采用的技术方案是：恒定梯度场核磁共振岩样分析仪由测量装置1和控制***4构成；测量装置1由梯度磁体2、探头3和温控***构成；梯度磁体2是一个封闭的腔体，探头2位于梯度磁体腔体的中心位置，探头2与控制***4通过电缆与控制***4的T/R匹配电路10连接；控制***4通过USB口与计算机连接。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的梯度磁体2由轭板14、磁钢15、极板16、侧轭板17构成；轭板14和侧轭板17组成梯度磁体腔体，磁钢15与轭板14连接，极板16截面为梯形结构，与磁钢15连接；轭板、极板、侧轭板采用电工纯铁DT4C材料加工制成，磁钢采用2：17SmCo磁性材料制成。磁钢15与轭板14，极板16与磁钢采用BJ-39胶粘接。梯度磁体2会产生纵向均匀而横向存在梯度的磁场B₀形成样品探测区，磁场方向沿着z轴，梯度方向沿x轴。两极板的角度在10～30°之间，其两极板间形成的气隙在150～364mm之间。(详见专利200910092839.1公布的一种用于恒定梯度场岩样分析仪的梯度永磁体)。梯度磁体2外表面是一组温控***6，会对梯度磁体进行10～60度恒温控制，减少温度对仪器测量结果的影响。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头3由一个不导电的圆形样品管18，回路线圈19构成；回路线圈19缠绕在样品管18上；回路线圈19为螺旋管线圈、鞍形线圈或其它适用的线圈。探头可作为发射机将激励信号以射频的方式发射到待测样品中和作为接收机接收核磁共振信息。探头3内部是样品探测区20。特别是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可以放置核磁共振高温高压探头。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪控制***4由主控制器7，频率发生器8，功率放大器9，T/R匹配电路10，前置放大器11、接收器12和带有缓存A/D转换器13构成。主控制器7主要有3个功能，产生并发射用以激发核磁共振信号的脉冲序列，接收核磁共振回波信号以及将该信号计算处理上传至计算机，主控制器7通过USB接口与计算机5进行互联及数据传输。频率发生器8与主控制器7进行采用电缆互联，该频率发生器将主控制器产生的核磁共振激励信号进行电流驱动，所产生的信号送至功率放大器9进行功率放大。功率放大器9与频率发生器8采用电缆互联，该功率放大器可将信号放大到几百瓦，用来激发待测样品的核磁共振信息。探头3以及发射器/接收器(T/R)匹配电路10通常包括一个谐振电容器、一个T/R转换开关和阻抗匹配电路，与功率放大器9和前置放大器11采用电缆连接；为获得更准确的回波信号数据，要求在射频激励信号发射完之后尽量短的时间内接收回波信号，通过T/R发射接收转换开关可以快速有效的完成这一转换过程；阻抗匹配电路用来对射频电路进行阻抗匹配。经过前置放大器将核磁共振回波信号放大约70DB，其幅值经放大后可以接收器12采集接收，然后由一个带有缓存器的A/D转换器13输出到主控制器7上，以提供用于进一步使用和分析的所需输出数据。前置放大器11与接收器12，接收器12与A/D转换器13之间采用电缆连接。

同时，该***还包括辅助设备计算机5，对控制***进行控制，从而来控制整套仪器。计算机5与控制***4中的主控制器7之间连接，采用USB口的方式。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的测量方法分为：A步骤：恒定梯度场脉冲序列及参数设计；B步骤：获得核磁共振二维谱；C步骤：恒定梯度场核磁共振定标；D步骤：识别流体类型；E步骤：计算岩石物性参数；F步骤：获得岩样轴向饱和度分布。

A步骤：恒定梯度场脉冲序列及参数设计

脉冲序列是核磁共振技术的灵魂，决定了核磁共振的应用领域。本发明涉及一个CGMF-CPMG脉冲序列。90度脉冲和180度脉冲之间的时间间隔为脉冲间隔tau，单位：us，N_k为tau的个数，单位：个。当k＝1时，脉冲间隔tau的值为，一个90度脉冲后面跟着P₁个180度脉冲，此时CGMF-CPMG脉冲序列就简化成CPMG脉冲序列；当k＝2时，一个90度脉冲后面跟着P₂个180度脉冲……一直到等于k时，一个90度脉冲后面跟着P_k个180度脉冲。该技术的原理是由于分子的布朗运动造成核磁共振信号强度的衰减，而这种衰减与流体分子的扩散系数关联。90度脉冲的作用是使宏观磁化矢量旋转到横向平面上，连续的180度脉冲的作用是重新聚焦除了扩散衰减导致的相散以外的信号，获得自旋回波衰减T₂的其它机制的信息。通过在恒定梯度场下改变CGMF-CPMG脉冲序列中tau的值，来产生扩散效应。恒定梯度场是由磁体产生的，一直作用于样品探测区。

根据被测样品中饱和流体设计CGMF-CPMG脉冲序列中回波串k，脉冲间隔tau，180度脉冲个数Ne，等待时间RD参数，进行核磁共振测量获得测量数据；k值为2～8，tau的值分布在150us～20000us之间，Ne的值分布在128～30720之间，等待时间分布在2000ms～12000ms之间；

B步骤：获得核磁共振二维谱；

核磁共振技术在石油工业中的应用，主要是利用核磁共振仪来测量岩石孔隙中饱和流体氢核的信号。这些应用不仅与流体本身有关，同时还受到岩石的孔隙结构的影响。流体中氢核的弛豫时间的影响因素包括体弛豫，表面弛豫和扩散弛豫。体弛豫T_2B是自旋核与晶格之间能量转移的过程，弛豫时间受自旋-自旋偶合作用和共振频率的影响。表面弛豫T_2S是多孔介质中孔隙流体分子间的相互作用，弛豫时间和表面弛豫率以及孔隙的比表面有关。扩散弛豫和分子的扩散系数D，磁场梯度G，脉冲间隔tau有关。因此，在岩石孔隙中T₂弛豫时间的表达式为：

$\frac{1}{T_{2\mathrm{App}}}=\frac{1}{T_{2B}}+\frac{1}{T_{2S}}+\frac{1}{T_{2D}}---\left(1\right)$

式中：T_2app为表观弛豫时间，T_2B是体弛豫时间，T_2S是表面弛豫时间，T_2D是扩散弛豫时间。

对T_2S有： $\frac{1}{T_{2S}}=\mathrm{\ρ}\frac{S}{V}---\left(2\right)$

其中：是孔隙的比表面，ρ是表面弛豫率。

对T_2D有： $\frac{1}{T_{2D}}=\frac{1}{3}D{\left(\mathrm{\γGtau}\right)}^2---\left(3\right)$

其中：D是流体的扩散系数，γ是旋磁比常数，G是磁场梯度，tau是脉冲时间间隔。

根据步骤A中的恒定梯度场的脉冲序列测量的信号b(t，tau)的一般表达式为：

b(t，tau)＝∫∫f(D，T₂)k₂(t，T_E，D，T₂)dDdT₂+ε (4)

离散形式为：

$b_{\mathrm{ik}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{lj}}\exp (-\frac{1}{12}{\mathrm{\γ}}^2{G}^2{\mathrm{tau}}_k^2{D}_l{t}_i)\exp (t_i/T_{2j})+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ik}}---\left(5\right)$

弛豫时间和扩散系数在对数坐标系轴上均匀分布，方程(5)就简化成：

b_ik＝f_ljE_ik，lj+ε_ik (6)

其中：i＝1，……n_k，k＝1，……q，l＝1，……p，j＝1，……m

i表示第k个回波串的第i个回波，无量纲；

k表示第k个回波串，无量纲；

l表示提前选择的第l个扩散系数，无量纲；

j表示提前选择的第j个弛豫时间，无量纲；

n_k是第k个回波串的回波的个数，无量纲；

q是不同tau_k的回波串的个数，无量纲；

p表示提前选择的扩散系数的个数，单位：个；

m表示提前选择的弛豫时间的个数，单位：个；

b_ik表示脉冲间隔为tau_k的第k个回波串的第i个回波的振幅，无量纲；

f_lj表示在扩散系数为D_l和弛豫时间为T_2j时的振幅，无量纲；

$E_{\mathrm{ik},\mathrm{lj}}=\exp (-\frac{1}{12}{\mathrm{\γ}}^2{g}^2{T}_{E_k}^2{D}_l{t}_i)\exp (-t_i/T_{2j});$

γ是旋磁比，单位：MHz/T；

G是磁场梯度，单位：Gauss/cm；

tau_k是第k个回波串的脉冲间隔，单位：us。

方程(6)的矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}{b}_{11}\\ M\\ b_{n_{1}1}\\ b_{12}\\ M\\ b_{n_{2}2}\\ M\\ M\\ M\\ M\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccccc}{E}_{\mathrm{11,11}}& \mathrm{\Λ}& E_{\mathrm{11,1}m}& E_{\mathrm{11,2}m}& \mathrm{\Λ}& E_{11,\mathrm{pl}}& \mathrm{\Λ}& E_{11,\mathrm{pm}}\\ M& & & & & & & \\ E_{n_1\mathrm{1,11}}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ E_{\mathrm{12,11}}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ M& & & & & & & \\ E_{n_2,11}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_{11}\\ M\\ f_{1m}\\ f_{21}\\ M\\ f_{2m}\\ M\\ f_{\mathrm{pl}}\\ M\\ f_{\mathrm{pm}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

在求解出的核磁共振二维谱的幅度中很可能存在小于零的分量，这在物理意义上来说是不合逻辑的。在解方程7的时候，还必须加上非负约束，即f_lj≥0。方程7中的矩阵E高度奇异，条件数高，并且实际测的信号伴随着噪声干扰，给反演带来非常大的难题。

本发明中是利用改进的奇异值分解法进行反演，获得核磁共振二维谱。奇异值分解法给出的解是||Ef-b||₂最小意义下的一个最优解，但不一定满足非负约束条件。传统的SVD算法通过缩减E迭代求解，等于降低了解的维数，丢掉了振荡最厉害的坐标分量。正是由于缺失了这部分坐标分量，才导致谱图的不连续。为了获得连续的谱图，改进的奇异值分解法将求解Δf的最小二乘解。假设已知一个初始解f₀，令b₀＝Ef₀，这样原来的方程可以变为：E(f-f₀)＝b-b₀，即EΔf＝Δb。若求得||EΔf-Δb||₂最小意义下的最优解Δf，则f₀+Δf是||Ef-b||₂最小意义下的最优解f。由于求解的是Δf，所以在实现非负约束时，就不再缩小矩阵E，而只须将f小于零的分量改为零，再重新迭代计算Δf即可，直到f所有坐标分量满足非负约束。由于E在迭代求解的过程中不发生变化，所以求||EΔf-Δb||₂最小意义下的最优解无须再进行奇异值分解。与原算法相比较，新算法以计算Δf和Δb代替了矩阵E的奇异值分解过程，不必每次循环都要对矩阵E进行奇异值分解，这样就大大减少了计算量和计算时间。

C步骤：恒定梯度场核磁共振定标

定标是核磁共振技术测量岩样孔隙度不可缺少的步骤。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪定标，是根据步骤A和B利用恒定梯度场核磁共振岩样分析仪对恒定梯度场的标准样进行测量、反演得到标准样的核磁共振二维谱D-T₂，获得单位体积信号与孔隙度之间的关系线。恒定梯度场核磁共振标准样一共有12个，孔隙度分别为0.5％，1％，2％，3％，6％，9％，12％，15％，18％，21％，24％，27％。每次定标至少选择其中的5个进行测量，主要步骤如下：

(1)把标准样放入恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头中利用提前设计的脉冲序列参数进行测量，得到一套多指数衰减数据；

(2)输入标准样体积、孔隙度，对样品核磁共振信号进行归一化处理，得到样品的单位体积信号量；

(3)重复步骤(1)和(2)测量不同孔隙度的标准样；

(4)软件***将自动进行线性拟合得到核磁共振二维谱定标曲线。单位体积核磁共振信号与孔隙度之间的关系式：

y＝ax+b (8)

其中，y代表单位体积核磁共振信号量，x代表核磁共振孔隙度(％)，a代表斜率，b代表截距。

D步骤：识别流体类型；

根据步骤A和B，获得实际岩样的核磁共振二维谱D-T₂进行流体类型识别。核磁共振二维谱一维是扩散系数D，另一维是弛豫时间T₂，所以通过核磁共振二维谱可同时获得被测样品的扩散系数和弛豫时间。由于体相流体，例如原油、天然气和水，不仅弛豫时间T₂不同，而且扩散系数D也不同，所以可以利用核磁共振二维谱快速识别流体类型。体相流体水的扩散系数是一常数，与温度有关。气的扩散系数与温度和压力有关。原油的的扩散系数和弛豫时间之间存在线性关系。

D_w(T₂)＝D_w(T) (9)

D_g(T₂)＝D_g(T，P) (10)

D_o＝αT₂ (11)

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪根据油气水扩散系数和弛豫时间的这种特性，建立核磁共振二维谱解释模板，可以快速识别流体类型。

孔隙中的流体受孔隙表面的影响，弛豫时间和扩散系数都会受到不同程度的影响，导致在一维的弛豫时间T₂谱和一维的扩散系数D谱上，部分油和水的信号会互相重叠，无法直接区分。核磁共振二维谱D-T₂在一维弛豫时间T₂谱的基础上增加了一维扩散系数，从立体空间上可以更好的识别孔隙中流体类型。

E步骤：计算岩石物性参数

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可用于测量流体弛豫和扩散的性质，特别是岩石孔隙中的流体性质。由于这些性质对于油气水是不同的，所以恒定梯度场核磁共振岩样分析仪能够提供油、气和水的比例，以及岩石孔隙度、渗透率、含油饱和度，可动流体饱和度、原油系数等参数，尤其是可以获得岩样的轴向含油饱和度分布和含水饱和度分布。

(1)孔隙度

核磁共振技术直接对被测样品中的氢核(¹H)进行探测，可以准确测量岩样孔隙内流体的量，当岩样孔隙内充满流体时，流体量与孔隙体积相等。因此，采用核磁共振技术可以准确测量岩样孔隙度。

由公式(8)得：

$x=\frac{1}{a}(y-b)---\left(12\right)$

利用核磁共振二维谱技术测量岩样孔隙度时，首先，必须保证岩样充分饱和；其次，利用恒定梯度场核磁共振标准样进行定标，获得核磁共振二维谱定标线，即单位体积核磁共振信号与孔隙度之间的关系；最后，将测量饱和的岩样中流体的核磁共振信号带入公式(12)，即可获得岩样的核磁共振孔隙度。

(2)含油饱和度

含油饱和度是评价油田储层好坏的重要参数之一，测量含油饱和度的关键就是区分油和水。核磁共振二维谱技术可以测量油和水的弛豫时间和扩散系数，根据核磁共振二维谱解释模板快速识别流体类型，区分油和水。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪软件可以利用点击选择式计算含油饱和度。利用鼠标选择核磁共振二维谱中油的区域，电脑将自动计算选择区域体积分与总体积分的比值，获得含油饱和度。以此类推，可以分别得到含油、气、水的饱和度。

(3)可动流体饱和度

弛豫时间谱T₂反映了岩石孔径分布情况，而当孔径小到某一程度后，孔隙中的流体将被毛管力所束缚，而无法流动。因此，在T₂弛豫时间谱上存在一个界限，当孔隙流体的弛豫时间大于某一弛豫时间时，流体为可动流体，反之为束缚流体。这个弛豫时间界限，称为可动流体截止值。可动流体T₂截止值通常需要通过核磁共振和离心法相结合来确定。一维弛豫时间T₂谱上的截止值，在核磁共振二维谱上就是一条截止线。核磁共振二维谱可以根据截止线，扩散系数线，油相关系线等，综合判断、选择可动流体区域，***将自动计算选择区域体积分与总体积分的比值，获得可动流体饱和度。同理，可获得可动水饱和度，束缚水饱和度。可动流体饱和度已经是评价储层的一个重要指标，研究可动流体饱和度对低渗透油田勘探和开发具有重要的意义。

(4)渗透率

核磁共振二维谱反映了地层孔径分布，而地层岩石渗透率又与孔径(孔喉)有一定的关系，因此，可以根据核磁共振二维谱计算出岩样渗透率，实验表明可以利用经验公式11来计算岩样渗透率。

$K_{\mathrm{nmr}}={\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nmr}}}{C}\right)}^4{\left(\frac{100\%-S_{\mathrm{wi}}}{S_{\mathrm{wi}}}\right)}^2---\left(13\right)$

其中，K_nmr是核磁共振渗透率，φ_nmr是核磁共振孔隙度，S_wi是束缚水饱和度，C是待定系数，具有地区经验性，需要通过室内核磁共振岩心分析来精确确定。根据经验公式(13)计算的核磁共振渗透率，很好的解决了根据Coates模型计算时，含油饱和度高、含油密度大的岩样的核磁共振渗透率偏小的问题。

(5)原油系数

不同性质的原油，单位体积核磁共振信号量不同，这是由于原油的成分复杂，各种成分含量不同引起的。由于密度高的原油含有大量的重组份，特别是稠油，含有较高的胶质沥青质，其碳氢比较大，单位体积核磁共振信号量较小。因此，当岩样中含有粘度较高的原油时，测量岩样的单位体积核磁共振信号偏小，导致岩样孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和含油饱和度等参数有不同程度的偏差，必须进行校正。从而引入了原油系数η，即单位体积恒定梯度场核磁共振标准样的信号量与单位体积原油的核磁共振信号量的比值：

式中：η为原油系数，A_标准样为标准样单位体积核磁共振信号量，φ_标准样为标准样孔隙度，A_原油为被测原油单位体积核磁共振信号量。

引入原油系数后，由于原油的信号和总信号都发生变化，所以可动流体饱和度、束缚水饱和度、可动水饱和度等参数需要根据解释模板，重新选择区域，进行计算。孔隙度、渗透率、含油饱和度等参数需要对公式进行修正。

原油系数对含油饱和度的修正公式：

原油系数对孔隙度的修正公式：

原油系数对渗透率的修正公式：

其中，φ_修正后是修正后的核磁共振孔隙度，K_修正后是修正后的核磁共振渗透率，η是原油系数，S_油修正后是修正后的含油饱和度，A_油是含油信号量，A_水是含水信号量，S_wi修正后是修正后的束缚水饱和度。

F步骤：获得岩样轴向饱和度分布

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪切片厚度是0.3cm，根据步骤A～F，可以对岩样进行切片扫描，获得岩样的局部油、水饱和度；同时重复步骤A～F，可以对岩样进行连续的切片扫描，获得岩样轴向油、水饱和度分布，可动流体饱和度分布等，可以更好的实时的评价储层和识别流体，特别是低孔、低渗以及复杂储集空间的油气藏评价。

本发明的有益效果：本发明提供了一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪。该仪器采用了梯度场的设计和二维的反演，不仅可以获得一维弛豫时间T₂谱，提供孔隙结构、孔隙度、渗透率、含油饱和度、可动流体饱和度等岩石物性参数，而且恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可以进行切片扫描，提供油、气、水扩散系数、原油粘度、孔隙度分布，油、水饱和度分布等，可以更好的实时的评价储层和识别流体，特别是低孔、低渗以及复杂储集空间的油气藏评价。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可以放置高温高压探头，模拟核磁共振测井仪井下作业，为实验室内研究地层状态下流体的渗流机理研究提供了新的技术手段，为认识和解决核磁共振测井仪研制过程中的技术瓶颈提供了新方法。

附图说明

图1是一方块图，表示一种恒定梯度场核磁共振岩样分析仪

图2恒定梯度场核磁共振岩样分析仪测量装置的结构示意图，主要包括梯度磁体和探头。

图3是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪测量岩样物性参数、识别流体类型和获得油、水饱和度分布等方法的流程图。

图4是CGMF-CPMG脉冲序列，用来进行恒定梯度场下的核磁共振测量。

图5是核磁共振二维谱定标线，单位体积核磁共振信号与孔隙度之间关系图

图6利用CGMF-CPMG脉冲序列测量的一组正十六烷和蒸馏水的多指数衰减曲线。

图7是利用核磁共振二维反演得到的正十六烷和水的核磁共振二维谱三维立体图

图8是利用核磁共振二维反演得到的正十六烷和水的核磁共振二维谱等高线图

图9a是岩心中饱和油和水的核磁共振二维谱D-T₂，

图9b是核磁共振二维谱投影图-弛豫时间T₂谱，

图9c是核磁共振二维谱投影图-扩散系数D谱

图10是对岩样进行多次切片扫描，获得的岩心内部轴向含油饱和度分布

图11是对岩样进行多次切片扫描，岩心内部轴向含水饱和度分布

具体实施方式

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪由梯度磁体2、探头3、控制***4以及辅助设备计算机5构成。梯度磁体2是一个独立的封闭的腔体。探头2在梯度磁体腔体的中心位置，与梯度磁体构成测量装置1。探头2与控制***3采用电缆连接。控制***3与计算机采用USB口连接。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的梯度磁体2由轭板14、磁钢15、极板16、侧轭板17构成。其特征是磁钢15与轭板14连接，极板16与磁钢15连接，磁体极板16采用截面为梯形的软铁，其中轭板、极板、侧轭板采用电工纯铁DT4C材料加工制成，磁钢采用2：17SmCo磁性材料制成。磁钢15与轭板14，极板16与磁钢采用BJ-39胶粘接。梯度磁体2会产生纵向均匀而横向存在梯度的磁场B₀形成样品探测区，磁场方向沿着z轴，梯度方向沿x轴。两极板的角度在10～30°之间，其两极板间形成的气隙在150～364mm之间。(详见专利200910092839.1公布的一种用于恒定梯度场岩样分析仪的梯度永磁体)。梯度磁体2外表面是一组温控***6，会对梯度磁体进行10～60度恒温控制，减少温度对仪器测量结果的影响。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头3由一个不导电的圆形样品管18，回路线圈19构成。回路线圈19缠绕在样品管18上。回路线圈19包括螺旋管线圈、鞍形线圈等任何其它适用的线圈。探头可作为发射机将激励信号以射频的方式发射到待测样本中和作为接收机接收核磁共振信息。探头3内部是样品探测区20。特别是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可以放置核磁共振高温高压探头。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪控制***4由主控制器7，频率发生器8，功率放大器9，T/R匹配电路10，前置放大器11和接收器12构成。主控制器7主要有3个功能，产生并发射用以激发核磁共振信号的脉冲序列，接收核磁共振回波信号以及将该信号计算处理上传至计算机，主控制器7通过USB接口与计算机5进行互联及数据传输。频率发生器8与主控制器7进行采用电缆互联，该频率发生器将主控制器产生的核磁共振激励信号进行电流驱动，所产生的信号送至功率放大器9进行功率放大。功率放大器9与频率发生器8采用电缆互联，该功率放大器可将信号放大到几百瓦，用来激发待测样品的核磁共振信息。探头3以及发射器/接收器(T/R)匹配电路10通常包括一个谐振电容器、一个T/R转换开关和阻抗匹配电路，与功率放大器9和前置放大器11采用电缆连接；为获得更准确的回波信号数据，要求在射频激励信号发射完之后尽量短的时间内接收回波信号，通过T/R发射接收转换开关可以快速有效的完成这一转换过程；阻抗匹配电路用来对射频电路进行阻抗匹配。经过前置放大器将核磁共振回波信号放大约70DB，其幅值经放大后可以接收器12采集接收，然后由一个带有缓存器的A/D转换器13输出到主控制器7上，以提供用于进一步使用和分析的所需输出数据。前置放大器11与接收器12，接收器12与A/D转换器13之间采用电缆连接。

同时，该***还包括辅助设备计算机5，对控制***进行控制，从而来控制整套仪器。计算机5与控制***4中的主控制器7之间连接，采用USB口的方式。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的测量方法分为：A步骤：恒定梯度场脉冲序列及参数设计；B步骤：获得核磁共振二维谱；C步骤：恒定梯度场核磁共振定标；D步骤：识别流体类型；E步骤：计算岩石物性参数；F步骤：获得岩样轴向饱和度分布。如图3所示，是恒定梯度场核磁共振岩样分析仪测量岩样物性参数、识别流体类型和获得油、水饱和度分布等方法的流程图。

A步骤：恒定梯度场脉冲序列及参数设计

脉冲序列是核磁共振技术的灵魂，决定了核磁共振的应用领域。本发明涉及一个CGMF-CPMG脉冲序列。90度脉冲和180度脉冲之间的时间间隔为脉冲间隔tau，单位：us，N_k为tau的个数，单位：个。当k＝1时，脉冲间隔tau的值为，一个90度脉冲后面跟着P₁个180度脉冲，此时CGMF-CPMG脉冲序列就简化成CPMG脉冲序列；当k＝2时，一个90度脉冲后面跟着P₂个180度脉冲……一直到等于k时，一个90度脉冲后面跟着P_k个180度脉冲。表1是正十六烷和水的一套CGMF-CPMG的脉冲参数，其中，k＝4。分别有4个不同的tau值和4个Ne的值，磁场梯度是恒定值，约为20gauss/cm，RD都是12s。由于所采用的等待时间RD足够长，氢原子核全被充分极化，就不存在对T₁的依赖关系。所以，在这种条件下获得的是扩散系数D和弛豫时间T₂的信息。该技术的原理是由于分子的布朗运动造成核磁共振信号强度的衰减，而这种衰减与流体分子的扩散系数关联，通过在恒定梯度场下改变CGMF-CPMG脉冲序列中tau的值，来产生扩散效应。90度脉冲的作用是使宏观磁化矢量选择到横向平面上，连续的180度脉冲的作用是重新聚焦除了扩散衰减导致的相散以外的信号，获得自旋回波衰减T₂的其它机制的信息。

表1正十六烷和水的一套CGMF-CPMG的脉冲参数

k	tau(us)	Ne(个)	G(gauss/cm)	RD(s)
					1	150	30720	20	12
2	900	1536	20	12
					3	1800	512	20	12
4	3000	256	20	12

B步骤：获得核磁共振二维谱；

核磁共振技术在石油工业中的应用，主要是利用核磁共振仪来测量岩石孔隙中饱和流体氢核的信号。这些应用不仅与流体本身有关，同时还受到岩石的孔隙结构的影响。流体中氢核的弛豫时间的影响因素包括体弛豫，表面弛豫和扩散弛豫。体弛豫T_2B是自旋核与晶格之间能量转移的过程，弛豫时间受自旋-自旋偶合作用和共振频率的影响。表面弛豫T_2S是多孔介质中孔隙流体分子间的相互作用，弛豫时间和表面弛豫率以及孔隙的比表面有关。扩散弛豫和分子的扩散系数D，磁场梯度G，脉冲间隔tau有关。因此，在岩石孔隙中T₂弛豫时间的表达式为：

$\frac{1}{T_{2\mathrm{App}}}=\frac{1}{T_{2B}}+\frac{1}{T_{2S}}+\frac{1}{T_{2D}}---\left(1\right)$

式中：T_2app为表观弛豫时间，T_2B是体弛豫时间，T_2S是表面弛豫时间，T_2D是扩散弛豫时间。

对T_2S有： $\frac{1}{T_{2S}}=\mathrm{\ρ}\frac{S}{V}---\left(2\right)$

其中：是孔隙的比表面，ρ是表面弛豫率。

对T_2D有： $\frac{1}{T_{2D}}=\frac{1}{3}D{\left(\mathrm{\γGtau}\right)}^2---\left(3\right)$

其中：D是流体的扩散系数，γ是旋磁比常数，G是磁场梯度，tau是脉冲时间间隔。

根据步骤A中的恒定梯度场的脉冲序列测量的信号b(t，tau)的一般表达式为：

b(t，tau)＝∫∫f(D，T₂)k₂(t，T_E，D，T₂)dDdT₂+ε (4)

离散形式为：

$b_{\mathrm{ik}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{lj}}\exp (-\frac{1}{12}{\mathrm{\γ}}^2{g}^2{\mathrm{tau}}_k^2{D}_l{t}_i)\exp (t_i/T_{2j})+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ik}}---\left(5\right)$

如图6所示，为测量正十六烷和水利用表1中的脉冲序列参数测量得到的一套多指数衰减曲线，该曲线遵循公式5的规律。

弛豫时间和扩散系数在对数坐标系轴上均匀分布，方程(5)就简化成：

b_ik＝f_ljE_ik，lj+ε_ik (6)

其中：i＝1，……n_k，k＝1，……q，l＝1，……p，j＝1，……m

i表示第k个回波串的第i个回波，无量纲；

k表示第k个回波串，无量纲；

l表示提前选择的第l个扩散系数，无量纲；

j表示提前选择的第j个弛豫时间，无量纲；

n_k是第k个回波串的回波的个数，无量纲；

q是不同tau_k的回波串的个数，无量纲；

p表示提前选择的扩散系数的个数，单位：个；

m表示提前选择的弛豫时间的个数，单位：个；

b_k表示脉冲间隔为tau_k的第k个回波串的第i个回波的振幅，无量纲；

f_lj表示在扩散系数为D_l和弛豫时间为T_2j时的振幅，无量纲；

$E_{\mathrm{ik},\mathrm{lj}}=\exp (-\frac{1}{12}{\mathrm{\γ}}^2{g}^2{T}_{E_k}^2{D}_l{t}_i)\exp (-t_i/T_{2j});$

γ是旋磁比，单位：MHz/T；

G是磁场梯度，单位：Gauss/cm；

tau_k是第k个回波串的脉冲间隔，单位：us。

方程(6)的矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}{b}_{11}\\ M\\ b_{n_{1}1}\\ b_{12}\\ M\\ b_{n_{2}2}\\ M\\ M\\ M\\ M\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccccc}{E}_{\mathrm{11,11}}& \mathrm{\Λ}& E_{\mathrm{11,1}m}& E_{\mathrm{11,2}m}& \mathrm{\Λ}& E_{11,\mathrm{pl}}& \mathrm{\Λ}& E_{11,\mathrm{pm}}\\ M& & & & & & & \\ E_{n_1\mathrm{1,11}}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ E_{\mathrm{12,11}}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ M& & & & & & & \\ E_{n_2,11}& \mathrm{\Λ}& & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \\ M& & & & & & & \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_{11}\\ M\\ f_{1m}\\ f_{21}\\ M\\ f_{2m}\\ M\\ f_{\mathrm{pl}}\\ M\\ f_{\mathrm{pm}}\end{array}\right]---\left(7\right)$

在求解出的核磁共振二维谱的幅度中很可能存在小于零的分量，这在物理意义上来说是不合逻辑的。在解方程7的时候，还必须加上非负约束，即f_lj≥0。方程7中的矩阵E高度奇异，条件数高，并且实际测的信号伴随着噪声干扰，给反演带来非常大的难题。

本发明中是利用改进的奇异值分解法进行反演，获得核磁共振二维谱。奇异值分解法给(SVD)出的解是||Ef-b||₂最小意义下的一个最优解，但不一定满足非负约束条件。传统的SVD算法通过缩减E迭代求解，等于降低了解的维数，丢掉了振荡最厉害的坐标分量。正是由于缺失了这部分坐标分量，才导致谱图的不连续。为了获得连续的谱图，改进的奇异值分解法将求解Δf的最小二乘解。假设已知一个初始解f₀，令b₀＝Ef₀，这样原来的方程可以变为：E(f-f₀)＝b-b₀，即EΔf＝Δb。若求得||EΔf-Δb||₂最小意义下的最优解Δf，则f₀+Δf是||Ef-b||₂最小意义下的最优解f。由于求解的是Δf，所以在实现非负约束时，就不再缩小矩阵E，而只须将f小于零的分量改为零，再重新迭代计算Δf即可，直到f所有坐标分量满足非负约束。由于E在迭代求解的过程中不发生变化，所以求||EΔf-Δb||₂最小意义下的最优解无须再进行奇异值分解。与原算法相比较，新算法以计算Δf和Δb代替了矩阵E的奇异值分解过程，不必每次循环都要对矩阵E进行奇异值分解，这样就大大减少了计算量和计算时间。

图7是对图6的测量数据进行核磁共振二维反演得到了正十六烷和水的核磁共振二维谱D-T₂三维立体图，图8是与图7对应的核磁共振二维谱等高线图。由于常温下，水的扩散系数约为2.5*10^-5cm²/s，所以，从图7和图8中的核磁共振二维谱上可以判断，上边的谱峰是水的信号，下边的谱峰是正十六烷的信号。水的扩散系数

C步骤：恒定梯度场核磁共振定标

定标是核磁共振技术测量岩样孔隙度不可缺少的步骤。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪定标，是根据步骤A和B利用恒定梯度场核磁共振岩样分析仪对恒定梯度场的标准样进行测量、反演得到标准样的核磁共振二维谱D-T₂，获得单位体积信号与孔隙度之间的关系线。恒定梯度场核磁共振标准样一共有12个，孔隙度分别为0.5％，1％，2％，3％，6％，9％，12％，18％，18％，21％，24％，27％，每次定标至少选择其中的5个进行测量。图5是选择了其中的9个进行定标，获得的核磁共振二维谱定标线。主要步骤如下：

(1)把孔隙度为27％的标准样放入恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头中利用提前设计的脉冲序列参数进行测量，得到一套多指数衰减数据；

(2)输入标准样为27％的标准样的体积和孔隙度，恒定梯度场核磁共振二维谱反演软件将对样品的测量数据进行反演以及归一化处理，得到样品的单位体积信号量；

(3)重复步骤(1)和(2)，分别测量孔隙度为24％，21％，15％，12％，9％，6％，3％，2％的标准样；

(4)软件***将自动对测量的9个标准样进行线性拟合，获得核磁共振二维谱定标曲线，线性度为0.9985。

y＝0.3703x-0.0703

D步骤：识别流体类型；

根据步骤A和B，获得实际岩样的核磁共振二维谱D-T₂进行流体类型识别。核磁共振二维谱一维是扩散系数D，另一维是弛豫时间T₂，所以通过核磁共振二维谱可同时获得被测样品的扩散系数和弛豫时间。由于体相流体，例如原油、天然气和水，不仅扩散系数不同，而且弛豫时间也不同，所以可以利用核磁共振二维谱快速识别流体类型。水的扩散系数与温度有关，常温条件下，水的扩散系数约为2.5*10^-5cm²/s。由于原油成分复杂，扩散系数分布广，约为10^-7～10^-5cm²/s。原油存在体弛豫和扩散弛豫，体弛豫时间T_2B与原油粘度成反比，即T_2B∝η^-1；扩散系数和原油粘度也成反比，即D∝T/300η。因此，原油体弛豫时间T_2B和扩散系数D之间存在线性关系，即D_o＝αT₂，其中α≈1.045*10^-5cm²/s²。气体的扩散比油或者水的扩散快的多，且与温度、压力以及气体的密度有关，分布范围约为10^-4～10^-3cm²/s。如图7和图8所示，在核磁共振二维谱上水峰和油峰互相独立，根据油和水扩散系数的特性可以清晰的分辨油和水。

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪软件通过油气水扩散系数和弛豫时间的性质，建立了核磁共振二维谱识别流体类型的模板。图9a是岩心中饱和油和水的核磁共振二维谱D-T₂，图9b是图9a核磁共振二维谱投影图-弛豫时间T₂谱，图9c是图9a核磁共振二维谱投影图-扩散系数D谱。图9a中两条水平线，上边的是气体的扩散系数线，下边是水的扩散系数线，右边的斜线是油的D-T₂关系线。图9a中处在D-T₂关系线上的谱峰是油的信号，其它的是水的信号。因为岩样中完全饱和了油和水，而且岩样是强亲水的，所以油相是以体弛豫和扩散弛豫为主，而表面弛豫为辅。因此，油相受孔隙表面作用较小，弛豫时间和扩散系数与体相状态接近。由于岩样是强亲水的，所以水相受到体弛豫、扩散弛豫和表面弛豫三种弛豫共同作用。因此，水相受孔隙表面作用力较大，弛豫时间和扩散系数都受到不同程度的影响。从而导致在一维的弛豫时间T₂谱和一维的扩散系数谱D上，部分油和水的信号会互相重叠，而无法直接区分，如图9b和图9c所示。核磁共振二维谱D-T₂在一维弛豫时间T₂谱的基础上增加了一维扩散系数，从立体空间上可以更好的识别孔隙中流体类型。

E步骤：计算岩石物性参数

根据步骤D获得的实际岩样的核磁共振二维谱D-T₂计算岩石物性参数。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪可用于测量流体弛豫和扩散的性质，特别是岩石孔隙中的流体性质。由于这些性质对于油气水是不同的，所以恒定梯度场核磁共振岩样分析仪能够提供油、气和水的比例，以及岩石孔隙度、渗透率、含油饱和度，可动流体饱和度、原油系数等参数，下面以图9a中所示岩样为例，分别计算上述参数，该岩样常规孔隙度为14.28％，渗透率为50.8mD，含油饱和度为33.98％。

(1)孔隙度

核磁共振技术直接对被测样品中的氢核(¹H)进行探测，可以准确测量岩样孔隙内流体的量，当岩样孔隙内充满流体时，流体量与孔隙体积相等。因此，采用核磁共振技术可以准确测量岩样孔隙度。利用核磁共振二维谱技术测量岩样孔隙度时，首先，必须保证岩样充分饱和；其次，利用恒定梯度场核磁共振标准样进行定标，获得核磁共振二维谱定标线，即单位体积核磁共振信号与孔隙度之间的关系线；最后，将测量饱和的岩样中流体的核磁共振信号利用定标线进行刻度，即可获得岩样的核磁共振孔隙度。根据公式17得，图9a中所测岩样孔隙度x＝2.7*(y+0.0703)＝2.7*(5.2186+0.0703)＝14.28。

(2)可动流体饱和度

弛豫时间谱T₂反映了岩石孔径分布情况，而当孔径小到某一程度后，孔隙中的流体将被毛管力所束缚，而无法流动。因此，在T₂弛豫时间谱上存在一个界限，当孔隙流体的弛豫时间大于某一弛豫时间时，流体为可动流体，反之为束缚流体。这个弛豫时间界限，称为可动流体截止值。可动流体T₂截止值通常需要通过核磁共振和离心法相结合来确定。一维弛豫时间T₂谱上的截止值，在核磁共振二维谱上就是一条截止线。图9a中的竖线就是该岩样的核磁共振二维谱可动流体截止线。根据核磁共振二维谱解释模板，即可动流体截止线，扩散系数线，油相关系线等，综合判断、选择可动流体截止线右侧部分为可动流体区域，***将自动计算选择区域体积分与总体积分的比值，可动流体饱和度为80.86％。束缚流体饱和度为100％-80.86％＝19.14％。可动流体饱和度已经是评价储层的一个重要指标，研究可动流体饱和度对低渗透油田勘探和开发具有重要的意义。

(3)含油饱和度

含油饱和度是评价油田储层好坏的重要参数之一，测量含油饱和度的关键就是区分油和水。核磁共振二维谱技术可以测量油和水的弛豫时间和扩散系数，根据核磁共振二维谱解释模板快速识别流体类型，区分油和水。恒定梯度场核磁共振岩样分析仪软件利用点击选择式计算含油饱和度。例如，在图9a中利用鼠标选择处在核磁共振二维谱中D-T₂关系线上的谱峰为油的区域，电脑将自动计算选择区域体积分与总体积分的比值，含油饱和度为，31.19％。由于岩样中只饱和了油和水，所以，含水饱和度为68.81％。

(4)渗透率

核磁共振二维谱反映了地层孔径分布，而地层岩石渗透率又与孔径(孔喉)有一定的关系，因此，可以根据核磁共振二维谱计算出岩样渗透率，实验表明可以利用经验公式11来计算岩样渗透率。

$K_{\mathrm{nmr}}={\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nmr}}}{C}\right)}^4{\left(\frac{100\%-S_{\mathrm{wi}}}{S_{\mathrm{wi}}}\right)}^2={\left(\frac{13.47}{9}\right)}^4{\left(\frac{100\%-19.14\%}{19.14\%}\right)}^2=89.55---\left(11\right)$

其中，K_nmr是核磁共振渗透率，φ_nmr是核磁共振孔隙度，S_wi是束缚水饱和度，C是待定系数，具有地区经验性，需要通过室内核磁共振岩心分析来精确确定，国内主要分布在3～12。根据经验公式11计算的核磁共振渗透率，很好的解决了根据Coates模型计算时，含油饱和度高、含油密度大的岩样的核磁共振渗透率偏小的问题。

(5)原油系数

不同性质的原油，单位体积核磁共振信号量不同，这是由于原油的成分复杂，各种成分含量不同引起的。由于密度高的原油含有大量的重组份，特别是稠油，含有较高的胶质沥青质，其碳氢比较大，单位体积核磁共振信号量较小。因此，当岩样中含有粘度较高的原油时，测量岩样的单位体积核磁共振信号偏小，导致岩样孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和含油饱和度等参数有不同程度的偏差，必须进行校正。例如：孔隙度等于24％的标准样，单位体积核磁共振信号量为1258，某原油单位体积核磁共振信号量为4680，则公式12得，原油系数无量纲。输入原油系数后，恒定梯度场核磁共振岩样分析仪将根据公式15～17自动修正岩样的孔隙度、渗透率、含油饱和度、可动流体饱和度等参数。

F步骤：获得岩样轴向饱和度分布

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪切片厚度是0.3cm，根据步骤A～F，可以对岩样进行切片扫描，获得岩样的局部油、水饱和度；同时重复步骤A～F，可以对岩样进行连续的切片扫描，获得岩样轴向油、水饱和度分布，可动流体饱和度分布等，可以更好的实时的评价储层和识别流体，特别是低孔、低渗以及复杂储集空间的油气藏评价。

实验选取的岩心孔隙度为23.82％，渗透率为12.44mD。利用驱替实验使岩心达到束缚水饱和油状态，最终出水量为2.89ml，经计算含油饱和度为77.62％。如图10、图11所示，分别是在饱和油束缚水状态下利用核磁共振二维谱技术测量岩心轴向含油、水饱和度分布。入口端含油饱和度高达88.42％，高出常规含油饱和度10.8％，入口端向出口端含油饱和度逐渐减小，其中从入口端到2.4cm处，含油饱和度逐渐较小，在2.4cm到出口端，含油饱和度降低幅度大幅增加，特别是出口端3.0cm处，含油饱和度降低至48.63％，低于常规含油饱和度28.99％，这是由于出口端的末端效应，导致含油饱和度较低，无法达到束缚水状态。总体而言核磁共振二维谱技术可以测量岩心内部的轴向含油饱和度分布，整块岩心的含油饱和度平均值为75.41％，与常规含油饱和度绝对误差是2.21％。岩心的轴向含水饱和度正好与含油饱和度相反，如图11所示。从入口端到出口端，岩心驱替后的含油饱和度总的趋势是降低的，含水饱和度是升高的，但局部含油、水饱和度高低不同，主要是由于驱替过程中的的毛管力作用、贾敏效应、指进作用等引起的，导致岩心中油和水分布不均匀。

尽管已经结合优选实例介绍了本发明，但是其目的并不是将本发明限制于所提出的具体形式，而是应当使本发明覆盖在本发明的构思和范围内能够合理做出的各种改进、替换以及等价物，正如在所附的权利要求书所述的那样。

Claims (5)

1.一种恒定梯度场核磁共振岩样分析方法，其特征在于

1）在由磁体产生的恒定梯度场下，根据被测样品中饱和流体设计的CGMF-CPMG脉冲序列中回波串k，脉冲间隔tau，180度脉冲个数Ne，等待时间RD参数，进行核磁共振测量获得测量数据；k值为2～8，tau的值分布在150us～20000us之间，Ne的值分布在128～30720之间，等待时间分布在2000ms～12000ms之间；

2）将步骤1）测量的核磁共振数据转化成核磁共振二维谱D-T₂；采用CGMF-CPMG脉冲序列测量的数据遵循多指数衰减规律：

$b_{\mathrm{ik}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{lj}}\exp (-\frac{1}{12}{\mathrm{\γ}}^2{g}^2{\mathrm{tau}}_k^2{D}_l{t}_i)\exp (t_i/T_{2j})+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ik}}---\left(5\right)$

其中：i＝1，……n_k，k＝1，……q，l＝1,……p,j=1,……m

i表示第k个回波串的第i个回波,无量纲；

k表示第k个回波串，无量纲；

l表示提前选择的第l个扩散系数，无量纲；

j表示提前选择的第j个弛豫时间，无量纲；

n_k是第k个回波串的回波的个数，无量纲；

q是不同tau_k的回波串的个数，无量纲；

p表示提前选择的扩散系数的个数，单位：个；

m表示提前选择的弛豫时间的个数，单位：个；

b_ik表示脉冲间隔为tau_k的第k个回波串的第i个回波的振幅，无量纲；

f_lj表示在扩散系数为D_l和弛豫时间为T_2j时的振幅，无量纲；

γ是旋磁比，单位：MHz/T；

G是磁场梯度,单位：Gauss/cm；

tau_k是第k个回波串的脉冲间隔,单位：us；

利用改进的奇异值分解法对公式（5）进行反演，获得核磁共振二维谱D-T₂；

3）用步骤1）和步骤2）对恒定梯度场的标准样进行测量、反演得到标准样核磁共振二维谱D-T₂；取恒定梯度场核磁共振标准样12个，孔隙度分别为0.5%,1%,2%,3%,6%,9%,12%,15%,18%,21%,24%,27%，每次定标至少选择其中的5个进行测量、反演得到的不同孔隙度的标准样的核磁共振二维谱，然后对核磁共振二维谱进行体积分，得到该标准样的核磁共振信号；核磁共振信号与标准样体积的比值就是单位体积核磁共振信号，对单位体积核磁共振信号和孔隙度进行线性拟合，得到它们的关系线：

y=ax+b （8）

其中，y代表单位体积核磁共振信号量，x代表核磁共振孔隙度（%），a代表斜率，b代表截距；

当测量岩样时，测量出单位体积岩样的核磁共振信号，就可以计算出岩样的孔隙度；

4）用步骤1）和步骤2）测量岩样，获得岩样中流体核磁共振二维谱D-T₂，根据实际测量岩样的核磁共振二维谱D-T₂进行流体类型识别；水的扩散系数是一常数，与温度有关；气的扩散系数与温度和压力有关；原油的扩散系数和弛豫时间之间存在线性关系；

D_w(T₂)=D_w(T) （9）

D_g(T₂)=D_g(T,P) （10）

D_o=αT₂ （11）

恒定梯度场核磁共振岩样分析仪根据油气水扩散系数和弛豫时间的这种核磁共振特性，建立核磁共振二维谱解释模板，根据实际测量岩样的核磁共振二维谱D-T₂在解释模板中的位置来划分油气水，快速识别流体类型；

5）根据步骤4）获得的岩样中流体的核磁共振二维谱D-T₂计算岩样的孔隙度、渗透率、含油饱和度、可动流体饱和度、原油系数；

a)通过对岩样核磁共振二维谱进行体积分，根据步骤3）带入恒定梯度场核磁共振定标线，计算岩样核磁共振孔隙度；

b）根据核磁共振孔隙度和束缚水饱和度计算岩样渗透率：

$K_{\mathrm{nmr}}={\left(\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nmr}}}{C}\right)}^4{\left(\frac{100\%-S_{\mathrm{wi}}}{S_{\mathrm{wi}}}\right)}^2---\left(12\right)$

其中，K_nmr是核磁共振渗透率，φ_nmr是核磁共振孔隙度，S_wi是束缚水饱和度，C是待定系数；

c）根据步骤4）建立的核磁共振二维谱解释模板快速识别流体类型，区分油和水；利用鼠标选择核磁共振二维谱中油的区域，***将自动计算选择区域体积分与核磁共振二维谱总体积分的比值，获得含油饱和度；以此类推，可以分别得到含油、气、水的饱和度；

d）根据步骤4）建立的核磁共振二维谱解释模板中的可动流体T₂截止线，扩散系数线，油相关系线等，综合判断、选择可动流体区域，***将自动计算选择区域体积分与总体积分的比值，获得可动流体饱和度；

e）当岩样中含有粘度较高的原油时，测量岩样的单位体积核磁共振信号偏小，导致岩样孔隙度、渗透率、可动流体饱和度和含油饱和度等参数有不同程度的偏差，必须进行校正；原油系数为单位体积恒定梯度场核磁共振标准样的信号与单位体积原油的核磁共振信号的比值：

式中：η为原油系数，A_标准样为标准样单位体积核磁共振信号，φ_标准样为标准样孔隙度，A_原油为被测原油单位体积核磁共振信号；

6）恒定梯度场核磁共振岩样分析仪切片厚度是0.3cm，根据步骤1）～5）岩样进行单切片扫描，获得岩样的局部油、水饱和度；同时，重复步骤1）～5），对岩样进行连续的切片扫描，可以获得岩样轴向油、水饱和度分布，可动流体饱和度分布，能更好的实时的评价储层和识别流体。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于：引入原油系数后，由于原油的信号和总信号都发生变化，可动流体饱和度、束缚水饱和度、可动水饱和度需要根据解释模板，重新选择区域，进行计算；孔隙度、渗透率、含油饱和度通过公式进行修正：

原油系数对含油饱和度的修正公式：

原油系数对孔隙度的修正公式：

原油系数对渗透率的修正公式

其中，φ_修正后是修正后的核磁共振孔隙度，K_修正后是修正后的核磁共振渗透率，η是原油系数，S_油修正后是修正后的含油饱和度，A_油是含油信号量，A_水是含水信号量，S_wi修正后是修正后的束缚水饱和度。

3.一种权利要求1所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于：分析仪由测量装置（1）和控制***（4）构成；测量装置由梯度磁体（2）、探头（3）和温控***构成；梯度磁体是一个封闭的腔体，探头位于梯度磁体腔体的中心位置，探头与控制***通过电缆与控制***的T/R匹配电路（10）连接；控制***通过USB口与计算机（5）连接；

所述恒定梯度场核磁共振岩样分析仪控制***（4）由主控制器（7），频率发生器（8），功率放大器（9），T/R匹配电路（10），前置放大器（11）、接收器（12）和带有缓存A/D转换器（13）构成；主控制器产生并发射用以激发核磁共振信号的脉冲序列，接收核磁共振回波信号和将该信号计算处理上传至计算机，主控制器通过USB接口与计算机（5）进行互联及数据传输；频率发生器与主控制器采用电缆互联，频率发生器将主控制器产生的核磁共振激励信号进行电流驱动，所产生的信号送至功率放大器进行功率放大；功率放大器与频率发生器采用电缆互联，功率放大器将信号放大到几百瓦，用来激发待测样品的核磁共振信息；探头和发射器/接收器T/R匹配电路包括一个谐振电容器、一个T/R转换开关和阻抗匹配电路，与功率放大器和前置放大器采用电缆连接；通过T/R发射接收转换开关完成发射接收转换过程；阻抗匹配电路用来对射频电路进行阻抗匹配；经过前置放大器将核磁共振回波信号放大70DB，其幅值经放大后接收器采集接收，然后由带有缓存器的A/D转换器输出到主控制器上，提供用于下一步使用和分析的所需输出数据；前置放大器与接收器，接收器与A/D转换器之间采用电缆连接。

4.根据权利要求3所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于：恒定梯度场核磁共振岩样分析仪的梯度磁体（2）由轭板（14）、磁钢（15）、极板（16）、侧轭板（17）构成；轭板和侧轭板组成梯度磁体腔体，磁钢与轭板连接，极板截面为梯形结构，与磁钢连接；轭板、极板、侧轭板采用电工纯铁DT4C材料加工制成，磁钢采用2：17SmCo磁性材料制成；磁钢与轭板，极板与磁钢采用BJ-39胶粘接；梯度磁体会产生纵向均匀而横向存在梯度的磁场B₀形成样品探测区，磁场方向沿着z轴，梯度方向沿x轴；两极板的角度在10～30°之间，其两极板间形成的气隙在150～364mm之间；梯度磁体外表面是一组温控***，会对梯度磁体进行10～60度恒温控制，减少温度对仪器测量结果的影响。

5.根据权利要求3所述的恒定梯度场核磁共振岩样分析仪，其特征在于：恒定梯度场核磁共振岩样分析仪探头（3）由一个不导电的圆形样品管（18），回路线圈（19）构成；回路线圈缠绕在样品管上；回路线圈为螺旋管线圈、鞍形线圈或其它适用的线圈；探头能作为发射机将激励信号以射频的方式发射到待测样品中和作为接收机接收核磁共振信息；探头内部是样品探测区（20）。