一块岩心核磁共振二维谱，左侧为油峰，右侧为水峰一块岩心核磁共振二维谱，左侧为油峰，右侧为水峰      核磁共振技术在石油地质领域的应用经历过几个重要的阶段：第一个阶段，利用核磁共振弛豫时间（T1、T2弛豫时间）来定性地研究储层的物理特征；第二个阶段，通过数学反演计算得到一维谱（如T2弛豫时间谱）来定量地表征储层物性，特别是常规储层的测量方法已经不断完善。现阶段，人们不断地研发出多维谱技术，来克服一维谱的缺点，其中二维谱技术最具有代表性（如扩散系数D-T2弛豫时间二维谱、T1-T2弛豫时间二维谱等）。结合核磁共振一维谱和二维谱以及核磁共振成像等检测技术，能够较全面地反映岩心物性等重要信息。研究中分析技术主要是核磁共振T2弛豫谱、扩散系数D-T2弛豫时间二维谱以及岩心核磁共振成像。油田的开采由常规油气藏转向非常规油气藏（致密砂岩等），开采储层由浅层到深层转变的同时，核磁共振岩心分析技术也在不断的发展：根据深层油气藏储层岩心的特点，核磁共振技术在解释模型和反演算法等方面做了相应的改进；同时检测设备也在不断的完善提高，来适应深层油气藏岩心低信噪比、高灵敏度的要求。


1. T1弛豫时间及其测量

T1弛豫为纵向弛豫，也称为自旋-晶格弛豫。射频脉冲结束后，在主磁场的作用下，系统经过弛豫后恢复到平衡状态。自旋氢核会由高能级跃迁到低能级，同时释放出能量。 纵向分量按照指数形式上升到最大值，T1为特征常数，称为T1弛豫时间。测量纵向弛豫时间T1最经常用的方法是反转-恢复法，其射频脉冲的序列如右图所示。




2. T2弛豫时间及其测量

T2弛豫为横向弛豫，也称为自旋-自旋弛豫，弛豫过程中宏观磁化矢量的横向分量逐渐衰减到0。微观来讲横向弛豫主要是自旋系统相位由聚焦到发散的过程，系统的总能量不发生变化，而是系统内部自旋氢核之间的能量交换。射频脉冲结束后，宏观磁化矢量的横向分量以指数的形式衰减，特征常数T2 ，称为T2弛豫时间，通常采用CPMG序列来测量T2，其射频脉冲的序列如右图所示。

3. 核磁共振 T2 弛豫谱
    使用核磁共振技术来测量岩心中的流体，得到的回波信号是多种流体弛豫信号的叠加，如下图所示：  

                                 图1 核磁共振回波信号

首先建立衰减信号的解释模型：岩心中每个孔隙中所有的流体符合单一指数衰减，孔隙半径大小不同的孔隙对应的特征时间常数不同记为，测量得到的总信号可以表示为不同特征常数弛豫的加权叠加，满足公式：，其中T2i为特征弛豫常数，Ai是权重。

图2为4种不同特征常数的流体弛豫，A、B、C、D对应的流体弛豫速率由大到小，所以对应的特征时间由小到大。根据公式，就可以用图所示的曲线来拟合回波信号，得到不同特征弛豫常数流体的权重。在实际反演过程中不同特征常数一般多于4个，多会选择64或128个来达到最佳的拟合效果。
   
                                  图2 不同特征常数的流体弛豫
    根据建立的模型进行数学反演就可以得到T2弛豫时间谱，横坐标为核磁共振T2弛豫谱，纵坐标为不同特征常数对应的权重，如下图：
                                          图3  核磁共振T2弛豫谱

4. 核磁共振D-T2谱

     核磁共振D-T2谱（PFG, Pulse Field Gradient）的理论知识，包括核磁共振测量方法及测量参数的研究，反演方法和算法研究。

虽然弛豫谱、扩散谱等一维谱已经在岩心性质分析方面取得了很大的成功，但单一的参数或一维谱，往往不能全面的反映岩心的性质以及岩心中油水的分布状况，并且一维谱无法非常明确地区分油水。近年来又出现了多种多样的二维谱技术，可以全面的反映岩心中油水的分布状况以及润湿性等信息，这些技术主要包含扩散-弛豫二维谱、T1-T2二维谱、T1-化学位移二维谱。这些二维谱大大提高了核磁共振谱的油水区分能力，提供了有关岩心中流体性质的更丰富的信息，特别是扩散-弛豫二维谱，既可以在脉冲梯度场中取得良好效果又可在恒定梯度场中进行测量，在石油测井等与实际生产相关的领域已经取得了显著的成效。扩散-弛豫二维谱在油水饱和度、油水分布状况、润湿性等方面的研究取得了以往一维谱技术无法达到的成果。
    由于岩心内部的磁导率不均匀性很大，磁场越强岩心内部的磁场不均匀性（即内建梯度）越强，对核磁共振信号额外的干扰也就越严重。故而大部分岩心只能在低场条件下进行弛豫时间和扩散系数的测量，以避免强烈的磁场不均匀性对测量结果的影响。而低场条件下核磁共振信号强度普遍较低，对核磁共振仪器的精度、稳定性、信噪比都提出了更高的要求。本研究采用北京大学信息科学技术学院的磁共振研究小组自主研发的核磁共振系统，在磁场均匀性、探头死时间、梯度强度等方面均达到了国际先进水平，在孔隙度、油水饱和度、渗透率测量方面均取得了良好的效果，并可以获得稳定而精确的一维弛豫谱以及扩散-弛豫二维谱。

扩散-弛豫二维谱技术是一种同时获得被测样品在扩散系数与弛豫时间上的分布状况的技术，它要求测量过程中所使用的脉冲序列能同时完成扩散系数和弛豫时间两种参数的测量，而仪器测量到的观测信号则由具有不同扩散系数和弛豫时间的组分所产生的信号叠加而来，需要建立准确而快速的反演算法，从观测信号中获取所需的二维谱。在得到扩散-弛豫二维谱之后，需要通过合适的数据处理和理论分析，从中提取能够反映油水在岩心中分布状况的关键信息，为进一步研究油水运移过程、提高采收率奠定良好的基础。 

5. 核磁共振在线测试装置简介

    核磁共振（NMR）近年来广泛应用到储层孔隙结构、流体饱和度分布和油气渗流实验研究中，该技术根据岩石内流体自旋核磁矩的弛豫和扩散原理，通过建立核磁变量与岩石-流体信息的标定关系，能够在线进行岩心内孔径和流体分布的定量检测，具有快速、可重复和精度高等优势。

高温高压及渗流机理核磁共振在线测试装置主要包括核磁共振测量系统、驱替系统、围压系统、用于核磁共振的岩心夹持器、计算机控制和数据处理系统。

    如上所述的测试装置，能用于在高温高压条件下油气水多相流体渗流机理的在线实验研究。

           图4 核磁共振在线测试装置的结构示意图                    图5 核磁共振C型磁体、岩心夹持器、移动支架的外观图
 

6. 利用核磁共振D-T2谱来测量含油饱和度

    本项目采用模拟原油与模拟地层水来模拟原油在地下的油水运移过程，而在常温下，模拟原油的扩散系数远小于水的扩散系数2×10-9m2/s，在二维谱上可以利用二者在扩散系数上的巨大差异进行区分。选取油水扩散系数的中间值作为油水在二维谱上的分界线，扩散系数大于该值的信号全部为水信号，扩散系数小于该值的信号全部视为油信号。在不添加任何弛豫试剂的情况下，得到了油和水的良好分辨，见图。

              图6 一块岩心核磁共振二维谱                             图7 核磁共振二维谱含油饱和度与常规含油饱和度对比结果