井場核磁共振技術及其應用的發展歷程與展望

肖立志，羅嗣慧，龍志豪

（中國石油大學（北京）地球物理學院,北京 102249）

井場核磁共振在近20 年來得到快速發展，包括電纜核磁共振測井、隨鉆核磁共振測井、核磁共振井下流體分析等儀器和應用技術，以及多相流核磁共振計量分析、井場全直徑核磁共振掃描分析和核磁共振錄井等裝置和應用場景。核磁共振對多孔巖石中的流體及其賦存狀態敏感，可以提供油氣含量及其賦存狀態等信息。由于其提供的油氣儲層信息豐富而獨特，在石油鉆探和開采中發揮了重要作用；隨著其應用規模逐步擴大，遇到的挑戰和難題也不斷增加。國內研究井場核磁共振技術的專家學者很多，并做出了重要貢獻，本文著重介紹中國石油大學（北京）油氣核磁共振實驗室在井場核磁共振技術及其應用方面取得的進展。筆者梳理了國內外井場核磁共振理論、方法、儀器及應用技術的發展歷程與技術挑戰，展望了其在復雜油氣、頁巖油氣等勘探開發中的應用前景，以期為我國井場核磁共振技術的健康發展提供參考。

1 國外井場核磁共振技術的發展歷程

核磁共振技術用于石油天然氣及淺層地表水資源的勘探與開發已經有近70 年的歷史。1946 年，F.Bloch 和E.M.Purcell 等人[1–2]通過實驗觀測到核磁共振現象。1954 年，M.Packard 等人[3]觀測到地磁場中核自旋的自由進動，提出利用地磁場找油的設想。1956 年，R.J.S.Brown 等人[4]對砂巖進行核磁共振，發現砂巖中流體的核磁共振弛豫時間明顯快于自由流體。1960 年，R.J.S.Brown 等人[5]設計了地磁場核磁共振測井儀，進行了現場試驗。1966年，D.P.Seevers 等人[6]觀測到巖石核磁共振弛豫速率與滲透率相關，R.R.Ernst 等人[7]提出了脈沖傅里葉變換核磁共振波譜學。1968 年，A.Timur[8]提出了核磁共振自由流體指數和測量滲透率、含水飽和度及束縛水飽和度的方法。1973 年，P.C.Lauterbur[9]在梯度磁場中實現了核磁共振成像。1976 年，W.P.Aue等人[10]實現了二維核磁共振技術；K.Wüthrich[11]將二維核磁共振用于生物高分子研究，并不斷拓展和完善。1978 年，Schlumberger 公司開始提供地磁場核磁測井服務。1979 年，K.R.Brownstein 等人[12]提出了孔隙介質核磁共振弛豫理論和模型，為核磁共振測井應用奠定了基礎。1980 年，J.A.Jackson 等人[13]提出了inside-out 概念，并申請了基于均勻磁場的脈沖回波核磁共振測井儀的專利。1988 年，Z.Taicher 等人[14]設計了脈沖回波磁共振成像測井儀（magnetic resonance imaging logging,MRIL）；1990 年，MRIL-B 投入商業應用。1992 年，R.L.Kleinberg 等人[15]設計了貼井壁脈沖回波核磁共振測井儀（CMR）。1994 年，國際巖石物理學家和測井分析家協會（SPWLA）舉辦了首屆核磁共振在地層評價中的應用專題研討會。1994 年，NUMAR 公司研制出具有多頻觀測能力的 MRIL-C 型測井儀和配套的實驗室核磁共振巖心分析儀，并提出識別油氣及定量評價油氣水飽和度的時域分析方法（TDA）[16]；隨后，又開發出能夠測量包括泥質束縛水在內總孔隙度的核磁共振測井儀MRIL-C/TP[17]；1998 年，已并入Halliburton 公司的NUMAR 公司將核磁共振測井儀升級為具有9 個觀測頻率的MRIL-P 型測井儀[18]。同時期，G.R.Coates 等人[19]出版了《NMR Logging Principles and Applications》。至此，以自旋回波為測量對象、以弛豫時間譜為基礎的核磁共振測井成為成熟測井技術，并得到規模應用。

進入21 世紀，核磁共振在世界范圍油氣資源勘探開發及實驗室巖心分析測試表征中的應用需求逐步旺盛，帶動其快速迭代升級。首先，二維核磁共振測井數據采集及處理方法得到發展[20–21]；其次，Halliburton、Baker Hughes、Schlumberger 等公司相繼研制了隨鉆核磁共振測井儀，以滿足大斜度井和水平井測井需求[22–24]；再次，Halliburton 公司在模塊式地層測試器中集成了核磁共振流體分析裝置，并得到推廣應用[25]。2006 年，SPWLA 在桂林召開了第二次核磁共振在地層評價中的應用專題研討會，系統研討了技術研究與應用進展。2011 年，國際磁共振顯微成像國際會議（ICMRM）在北京召開，核磁共振在巖心分析及測井地層評價中的應用成為重要討論主題。2022 年，國際孔隙介質磁共振大會（MRPM）在杭州召開，比較全面地反映并展望了核磁共振技術在油氣勘探中的應用創新。隨著信息量逐步增加，核磁共振在復雜巖性油氣藏、特殊巖性油氣藏、低電阻率油氣藏及頁巖油氣等疑難儲層的流體識別和定量評價中發揮了重要作用。油氣勘探開發領域核磁共振技術的發展，顯示出利用其評價地層和分析巖心的物理本質屬性及其與基礎科學進步的有效互動關系。同時，也可以看到產學研合作和尊重知識產權對新技術持續發展的重要性與必要性。

2 我國井場核磁共振技術的發展歷程

我國井場核磁共振技術萌芽于20 世紀80 年代初。1982 年，梅忠武翻譯了俄文專著《核磁測井》，介紹蘇聯地磁場核磁測井的方法原理及應用分析[26]。同年，肖立志等人[27]發表了《核磁共振方法確定巖樣孔隙度》一文，成為我國該領域率先公開發表的研究結果。

1991 年，中國石油天然氣總公司（CNPC）首次立項進行巖石核磁共振性質的系統研究。1993 年，CNPC 設立的中青年創新基金首次支持了“核磁共振測井新技術研究”和“利用核磁共振成像研究驅油機理”2 個項目。1995 年，肖立志利用弛豫、波譜及顯微成像等手段，系統研究了巖石多孔介質的核磁共振性質及其與巖石物理表征參數的相關性，研究成果在《核磁共振成像與巖石核磁共振及其應用》[28]中得到集中反映。1996 年，中油測井公司（CNLC）和華北測井公司引進了2 套NUMAR 公司的核磁共振測井儀MRIL-C，現場應用獲得了優質測井資料；同年，江漢石油學院在國內較早引進了NUMAR 公司的實驗室核磁共振巖心分析儀。1997—1998 年，肖立志等人[29–30]提出了利用核磁共振分析巖心的理論基礎、標準化流程及注意事項，明確了相關行業標準的制定原則，至今仍然發揮著作用。2002 年，北京環鼎科技公司引進Halliburton 公司核磁共振測井儀組件和生產線，并以外包方式為Halliburton 公司生產其最新的核磁共振測井儀。

隨著國際上油氣勘探開發領域核磁共振應用技術不斷完善和成熟，我國引進的核磁共振測井儀器越來越多，加之外國公司在我國提供核磁共振測井服務，促使我國開啟了“引進—吸收—集成創新—原始創新”的核磁共振探測技術發展之路。國內技術人員充分利用多孔介質核磁共振基礎理論和方法，研究了頁巖氣核磁共振響應特征[31]、裂縫性地層核磁共振測井響應特征[32–33]、核磁共振測井界面響應特征[34]、天然氣水合物核磁共振響應特征[35]等，發展了含油氣儲層的球管模型解釋弛豫模型[36]、陸相地層核磁共振估算孔隙度模型[37]、核磁共振潤濕性評價模型[38–41]、核磁共振估算滲透率模型[42–43]、核磁共振弛豫時間譜重構毛管壓力曲線模型[44–45]及頁巖有機質核磁共振表征模型[46]，提出了多孔介質核磁共振正演模擬方法[47–51]、多指數反演方法及影響因素定量評價方法[52–54]、二維核磁共振理論與方法[55–58]、三維核磁共振理論與數據處理方法[59–60]、核磁共振減小振鈴及深度維反演方法[61]，以及利用機器學習對低場核磁共振進行降噪和多指數弛豫反演方法[62–63]等，經過“資料應用適應性研究”“區域解釋模型研究”“處理解釋方法及軟件研究”和“儀器裝置及配套裝備研制”等專題攻關，形成了適用于我國陸相復雜油氣藏的核磁共振測量分析技術及若干新穎和前瞻的技術儲備，建立了我國井場核磁共振技術的理論框架和方法原理基礎[64]。

2005 年，中國石油天然氣集團公司啟動核磁共振測井儀研制項目，逐步形成多頻核磁共振測井儀MRT6910。2008 年，中國海洋石油總公司啟動核磁共振測井儀研制項目，研制了偏心型核磁共振測井儀MRT，其性能不斷提升，目前其耐溫超過200 ℃。

2010 年，國家科技部立項資助核磁共振井下流體分析儀的研制，俄羅斯專家Anferov 夫婦參與儀器樣機的設計開發及原理驗證[65]。核磁共振測井儀基于J.A.Jackson 等人[13]提出的inside-out 原理，探測效率低、信號強度低、信噪比低，但技術難度大。核磁共振井下流體分析儀基于常規的outside-in 原理，探測效率高、信號強度高、信噪比高。

2012 年，中國石油大學（北京）博士研究生胡海濤等人[66–71]分別完成了電纜核磁共振測井儀探頭、電子系統、軟件系統、降噪理論與方法、核磁共振井下流體分析系統、隨鉆核磁共振測井儀設計制作及原理驗證的研究。隨后，中國海油、中國科學院地質地球物理所、中國石油和國儀量子等相繼開展了隨鉆核磁共振測井儀的研制和應用。至此，我國井孔核磁共振技術研究已經形成基本范式。井孔核磁共振儀器裝置針對井筒復雜惡劣環境及運動測量的獨特要求，開展了測量、分析及應用研究，研究內容包括測量理論、井下與地面儀器裝置、脈沖序列與數據采集及處理、解釋模型與應用等多個方面。

油氣鉆探作業過程中，隨鉆井液返排出來的碎屑賦存極其重要的地質信息[72–74]。為了充分認識非常規勘探對象的復雜性，需要在重點勘探井孔或層段開展取心作業，以獲取更多的微觀地質數據，用以補充認知不足。其手段則是在勘探作業完畢、進入油氣田開發階段，對油氣等經濟流體的產量和開采速度進行全過程監控。因此，井孔核磁共振測量技術取得突破性進展后，構建安全、快速、精細的核磁共振測量技術和裝置，服務于油氣井場鉆井—勘探—開發的流程受到關注。

油氣井產出液多相計量與化驗是油田不可或缺的日常工作，是油藏評價、動態分析、生產優化的基礎。我國擁有近50 萬口油氣井、2 萬余座計量間及化驗站、20 多萬名油氣計量與化驗從業人員，構建基于先進核磁共振技術的高效精準的多相流在線計量是油田精益化管理、數字化轉型、提質增效的重大命題。

以科技部項目階段性成果為基礎，李三國等人[75]開展了井場核磁共振錄井儀方面的研究；劉化冰及其團隊[76]深入開展了井場核磁共振全直徑巖心掃描分析儀和應用技術研究，并實現規模應用；鄧峰及其團隊[77]深入開展了井場核磁共振多相流計量分析儀和應用技術研究，同樣實現了規模應用。研究過程中井孔核磁共振的共性難題是運動狀態下如何實現核磁共振的快速測量和高精度分析處理，前期井孔核磁共振技術研究積累的理論及實踐，為井場核磁共振全直徑巖心掃描分析儀的研制和應用、井場核磁共振多相流計量分析儀的研制和應用奠定了良好基礎（見圖1）。

圖1 移動式核磁共振巖心掃描儀和多相流核磁共振在線計量分析儀Fig. 1 Mobile NMR rock core scanner and online NMR metering analyzer for multi-phase flow

劉化冰團隊經過研究，解決了大口徑、高靈敏度核磁共振探頭技術難題[78–79]，開發了適用于復雜工作環境的核磁共振譜儀，形成了適用于非常規儲層物性表征的核磁共振現場測量方法[80–83]，構架了井場巖心核磁共振數據工業化標準化解釋流程，并于2020 年研制出了高性能井場核磁共振全直徑巖心掃描分析儀（field scanner using magnetic resonance,FSMAR）并給出了處理解釋方法（見圖2）。該項技術解決了室內巖心取柱塞樣難、實驗周期長和數據不連續等問題，為非常規油氣儲層的精細解釋評價提供了另一種有效的解決手段。該設備除了在非常規油氣勘探方面可以對現場采集巖心實現實時掃描測量外，對于地質調查過程中的實物地質資料數字化服務同樣具有重要作用。

圖2 井場核磁共振全直徑巖心掃描處理與解釋成果Fig. 2 Scanning and interpretation results of full-diameter cores by wellsite NMR technologies

與國外儀器相比，FSMAR 具有精度、分辨率和信噪比高的特征，有利于致密性、強非均質性儲層的精細評價。該儀器回波間隔短，利于提供致密儲層微孔信號；最小縱向分辨率2 cm，利于刻畫儲層垂向變化；信噪比高，利于T2譜信號更好地反映孔隙結構變化。目前，FSMAR 已實現量產，在中國石化、中國石油和中國海油等開展了規模應用，針對致密砂巖、碳質泥巖、泥灰巖和油頁巖等復雜油氣儲層，完成了16 個區塊數千米全直徑巖心的現場掃描分析。實踐表明，FSMAR 可快速部署、高效運行，具備全天候測試分析能力，為井場巖心精細測試分析和實時地質決策提供了快速、連續、無損和微觀技術手段，見到明顯成效。

鄧峰團隊經過不懈努力和不斷突破，于2020 年研制了完整的高性能井場核磁共振多相流在線計量分析儀（magnetic resonance multiphase flowmeter,MRMF），并給出了系統的處理解釋方法[84–91]，其與國外儀器的對比情況如表1 所示。MRMF 在中國石油吉林、華北、長慶、大慶等油田進行了規模應用，應用場景為計量間、常規單井、間抽井、試油試氣等；在濕氣、高含水率、高黏度、高礦化度、大量程變化和高溫高壓等不同工況井場累計應用超過2000 井次。應用結果表明，計量間場景中，計量結果與計量車及化驗間對比，日產液量吻合度達96%，日產氣量吻合度92%，且數據豐度及瞬時精度提升顯著，計量時間從1 d 縮短至2 s；在高壓試氣場景（井口壓力大于30 MPa），日產液量吻合度達95%，日產氣量吻合度達91%，驗證了儀器的抗腐蝕、抗沖蝕、高承壓和抗大溫差能力；頁巖油計量場景中，率先開展乳化油氣計量作業，核磁共振技術對乳化油含油率實時檢測展現出獨特的優勢，且計量與化驗的實時性提升顯著，日產液量吻合度達95%，日產氣量吻合度達91%。實踐表明，MRMF 的測量精度和分析能力為井場多相流在線實時計量及采油工程決策提供了新的技術支持。

表1 MRMF 與國際井場流量計量儀技術對標情況Table 1 Comparison of MRMF and international wellsite flow meters

3 井場核磁共振技術應用前景展望

核磁共振測井技術已經發展了數十年，井場核磁共振技術研究也超過10 年并逐步走向成熟，目前仍然處于快速發展階段，一些應用潛力將進一步顯現，也不斷出現一些新挑戰。

1）井場核磁共振技術在油氣勘探開發中具有廣闊的應用前景。一方面，利用核磁共振技術可以更好地獲取儲層基本物性特征參數，如孔隙度、飽和度、孔徑分布、滲透率和潤濕性等，對儲層評價和產量預測具有重要作用；然而，仍需要進一步研究儲層流體的物理和化學特征以及流體分子與儲層巖石的相互作用方式及機理等。另一方面，核磁共振技術在油氣開采策略和開發效率評價中，特別是驅替機理機制研究中受到歡迎。核磁共振可以實現兩相流動的可視化，有助于動態定量分析和認識自吸過程。非常規資源及儲層評價時，核磁共振對有機質中氫自旋動態響應敏感，利用核磁共振弛豫機制可以表征氫在油、水和氣中的自旋動態特征。核磁共振技術有助于了解非常規油氣的賦存狀態、富集機理及吸附—解吸附的過程。同樣的信息和方法原理，可以用于儲氣庫建設和動態監測。

2）井場核磁共振技術有望在“碳中和”實踐中得到應用。碳捕獲、利用與封存（carbon capture,utilization and sequestration,CCUS）被認為是實現“碳中和”的重要手段，地下碳封存，不僅要求儲層具有高孔隙度、高滲透性及連通孔等特性，還要有良好的蓋層，使二氧化碳不會泄漏，因此，選址對碳賦存非常重要，可以借鑒現有的油氣勘探及開發技術進行儲層評價與幫助選址決策。實驗研究表明，核磁共振為CO2–EOR 的工程決策提供了重要信息。

3）核磁共振技術可用于中低溫度的地熱資源勘探。井孔溫度、流體滲流及其與地層應力之間的耦合機理是地熱資源勘探開發中的基礎性科學問題。儲層孔隙度、滲透率和非均質性對地熱資源的地層模擬具有重要作用。此外，在地熱資源開發過程中，可能會改變地層和注入水的化學性質，從而導致地層孔隙堵塞和礦物沉積，并在生產過程中腐蝕井筒。核磁共振將有助于解決地熱儲層巖石物性參數精確獲取的問題。此外，裂縫可以顯著影響地層中的流體流動路徑，有效提高地層的有效滲透率，將熱量從儲層傳遞到工作流體。核磁共振可以間接地分析裂縫的影響?？紤]裂縫參數（孔徑、數量、角度等），可得到裂縫性儲層核磁共振測井響應方程，并用于描述裂縫行為。

4）核磁共振可用于原位條件固井水泥水化機制的研究和固井質量監測。水泥水化過程對于油氣井固井及二氧化碳埋存都非常重要，是確保油氣生產安全、油氣井生命周期、碳封存持久密封的基礎，需要深入研究的問題還很多。為了了解和改善水泥性能，采用核磁共振弛豫和成像技術研究水泥石，包括孔隙結構和類型、水化過程、凝膠組成、養護過程、滲透性、穩定性、損傷過程及水泥配方等，均取得了進展。然而，研究大多在室溫條件下進行，并且實驗過程也大多過于簡化，在井孔惡劣環境條件下，水化機制、鉆井液污染及流體侵蝕等可能導致核磁共振響應不同。井場核磁共振技術在固井水泥相關基礎研究方面具有其獨特的價值。

4 結束語

在回顧我國井場核磁共振技術起源和發展脈絡的基礎上，分別總結了井場核磁共振全直徑掃描分析儀及其資料處理和解釋應用技術、井場核磁共振多相流在線計量分析儀及其資料處理和解釋應用技術的進展。上世紀，核磁共振技術在常規油氣資源勘探開發中發揮了重要作用；本世紀，頁巖油等非常規油氣資源評價為核磁共振技術提供了更加廣闊的應用場景，從各地頁巖油氣評價實踐中，已經看到核磁共振技術的顯著優勢；未來，在超深層油氣資源勘探開發、儲氣庫建設及運行監測、二氧化碳地質封存、固井水泥時空演化的基礎研究等豐富應用場景中，核磁共振具有巨大發展前景?？梢钥闯?，井場核磁共振技術正迎來發展和推廣應用的新階段。我國20 世紀80 年代開始的巖石多孔介質核磁共振理論及應用基礎持續研究，支撐了上世紀常規油氣資源的核磁共振評價技術、本世紀頁巖油氣等非常規油氣資源的核磁共振解釋應用，也為新階段更加豐富、更具挑戰性的應用奠定了良好基礎。

致謝：北京青檬艾柯科技有限公司劉化冰提供了井場核磁共振全直徑巖心掃描儀及資料處理和解釋應用方面的資料，中國石油勘探開發研究院鄧峰提供了井場核磁共振多相流在線計量分析儀及資料處理和應用成效方面的資料，在此一并致謝。