核磁共振T2谱优化反演方法

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声,见图2。图3给出了反演结果和构造疋谱的对 比。从图3可以看出,即使信噪比R。。=25的情况 下,该方法反演的死谱和构造谱分布趋势基本一 致,仍具有双峰结构,且谱线光滑连续。从图2可看 出,拟合曲线很好地拟合了带有噪声的回波串。这表 明,该方法具有较强平滑噪声能力,而奇异值分解法 对于如此低信噪比数据的反演效果是比较差的。
6 Slijkerman W F J.Processing of multi·acquisition NMR data. SPE56768,1999
7谢然红,肖立志,邓克俊.核磁共振测井孔隙度观测模式与处理 方法研究.地球物理学报,2006;49(5):1567一1572
8何雨丹,毛志强,肖立志,等.核磁共振兄分布评价岩石孔径分布 的改进方法.地球物理学报,2005;48(2):373—378
7)经过Ⅳ次迭代仍不收敛,则将e川作为新的 初始点,重新迭代。
3理论数据反演及效果检验
3.1 无噪声理论数据反演及效果检验 为了检验该方法的效果,人为构造疋谱,按式
(1)正演模型生成了无噪声理论同波串,反演结果 和构造的疋谱对比见图l。可以看出,反演的疋谱 与构造的疋谱几乎完全吻合。这表明,该方法可以
fl".
A。1.o,=∑Eie一瓦 (i=l,…,ⅣJ=1,…,肘)(1)
式(1)中A。..。.为CPMG脉冲序列测量记录的第,个
万方数据
11期
李鹏举,等:核磁共振疋谱优化反演方法
回波幅度;E,为第i个横向弛豫分量的初始幅度; 疋i为第i个横向弛豫分量衰减的时间常数;Z为 CPMG脉冲序列测量记录的回波间隔;N为横向弛 豫分量的个数;肘为回波个数。 1.2回波串的多指数拟合——瓦谱反演
应用优化技术求解满足式(3)的ei,则e;和疋i就构 成了反演的疋谱,从而实现了反演过程中疋谱的非 负性约束。求解式(3)最优化问题采用共轭梯度
算法。 2.3共轭梯度算法原理
对于形如式(4)的二次函数:
以戈)=≯1 TAx+6T菇+c, 省=(石l,菇2,…,菇。)T (4)
式(4)中A为实对称正定矩阵。适当选取R“的一
2 048 对数 128 50 X10-6 s~10 s 8.05% 7.42%
图2由构造谱生成的信噪比R。。=25的
图3信噪比S。=25理论回波数据反演的疋谱 与构造的疋谱对比图
图4某井岩心反演结果与实验室反演结果对比图
从图4可以看出,该方法反演结果和实验室反演结 果吻合得很好,谱的形状和变化趋势一致,利用其 计算的核磁孔隙度与实验室核磁孔隙度及氦孔隙
(大庆石油学院地球科学学院,大庆163318)
摘要将核磁共振咒谱反演问题转化为求目标函数极小值的优化问题,建立新的易于实现乃谱非负约束的优化反演模
型,然后利用共轭梯度算法解决上述反演问题。将该方法应用于无噪声理论回波数据、信噪比S。。=25的理论回波数据以及
岩心NMR实验数据反演并与构造谱及实验室国外软件反演结果对比表明,无噪声理论回波数据反演的乃谱与构造谱几乎
并且常常表现为混定问题,用通常数值方法不能稳 定有效求解。按地球物理模型构制思想,构建最优 化反演模型,将方程组的求解转化成最优化问题, 即建立实测回波串和理论计算回波串残差向量L:
范数的平方组成的目标函数,通过极小化该目标函
数得到方程组的解,如式(2)。


口:
f(e。,E:,…,峨)=∑[A。。b,一∑Ee一秀]2_+min
第10卷第11期2010年4月 1671—1815(2010)11.2614-05
石油技术
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
VoL 10 No.11 Apr.2010
@2010 Sci.Tech.Engng,
核磁共振L谱优化反演方法
李鹏举施尚明 宋延杰
完全符合;信噪比S.。=25时反演的死谱和构造谱符合得很好;岩心反演的砭谱与实验室国外软件反演的疋谱符合得很
好,利用反演结果计算的孔隙度与实验室氦孔隙度绝对误差为0.65%。因此,该方法是一种有效和实用的核磁共振E谱反
演方法。具有较强的抗噪能力,能够应用于生产和科研。
关键i司核磁共振
疋谱 共轭梯度算法
万方数据
科学技术与工程
10卷
准确地反演无噪声理论回波数据的咒谱。 正演和反演的参数如下:疋范围为50×10一s~
10 s,按对数布128个疋点;2 048个回波;第一个回 波间隔为322.65×10一s,其余回波间隔为300×
10-6s。
图l反演无噪声理论回波数据的疋谱 与构造的疋谱对比图
3.2有噪声理论数据反演及效果检验 给3.1回波串加入信噪比R。。=25的高斯白噪
1疋谱反演原理
1.1孔隙流体的多指数衰减 求解弛豫过程的Bloch方程可知,氢原子核系统
磁化强度矢量的横向分量是按指数规律衰减的,由 CPMG脉冲序列测得的回波串也按指数规律衰减。 储层岩石通常存在一个孔隙尺寸分布,并且常常含有 多种流体成分,此时孔隙中存在多种弛豫组份,即横 向弛豫时间常数(疋)不是单值,而是一个分布——疋 谱。因此由CPMG脉冲序列测量记录的自旋回波串 按多指数规律衰减,即各单指数衰减的叠加。
11 姜瑞忠.核磁共振r2谱奇异值分解反演改进算.石油学报, 2005;26(6):57--59
12廖广志,肖立志.孑L隙介质核磁共振弛豫测量多指数反演影响 因素研究.地球物理学报,2007;50(3):932—938
3申本科,王贺林,宋相辉,等.低电阻率油气层的测井系列研究. 地球物理学进展,2009;24(4):1437--1445
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5 Akkurt R.Determination of residual oil saturation using enhanced dif- fusion.SPE49014.1998
反演
非负性约束
中网法分类号TEl9;0482.53;
文献标志码A
核磁共振(NMR)技术在地学中的应用包括样 品核磁共振、地面核磁共振和核磁共振测井等方 面。它能测量储层氢原子核的纵向弛豫时间(T1)、 横向弛豫时间(疋)和扩散系数(D)等磁共振特 性…。在地面地球物理中是目前唯一能直接寻找 评价地下水的方法旧J。在低阻油层"J、水淹层、复 杂岩性【4 J、复杂储集空间和复杂特性流体储层"却1 等储层评价中表现出较大的优势。然而,无论是利 用核磁共振计算孔隙度o¨、孔径分布旧]、渗透率、可 动与束缚流体饱和度,还是识别和评价流体及其性 质一J,都需要从核磁共振测井的原始回波串中反演 出弛豫时间谱。因此,核磁共振弛豫谱反演技术是 核磁共振资料应用的基础和关键。
』=l
I:l
(2) 式(2)中各符号意义同式(1)。 2.2 T:谱的非负约束方法
从物理意义上说,式(1)或式(2)中的Ei应该
是非负值,但在利用式(2)优化过程中E有可能是 负值。为了进行非负约束,可以令E;=e;,ei为任意
实数,式(2)变为:

_Ⅳ

以e,,e2,…,eⅣ)=∑[A。畸一∑e2ie一铹]2--+min (3)
生,研究方向:地球物理资料处理与解释。E—mail:leepj@qq.tom。
理复杂。核磁共振弛豫谱反演实质是一个非线性 优化问题,能够运用优化技术进行解决。但是,该 技术在实现疋谱非负性约束时不论采用罚函数法 还是乘子法都遇到困难,不仅费时且精度难以满足 实际应用要求。因此,在最优化共轭梯度反演方法 的基础上,提出新的疋谱非负性约束方法,为核磁 共振资料(核磁共振测井、岩心核磁共振等)处理解 释软件的研制提供一种可以选择的有效方法。
万方数据
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李鹏举,等:核磁共振瓦谱优化反演方法
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图5某井岩心测量的回波串及回波串的拟合曲线
度非常接近,与氦孑L隙度的绝对误差为0.65%,而 实验室核磁孔隙度与氦孔隙度的绝对误差为1. 28%,该方法计算的孔隙度比实验室核磁孔隙度更 加接近于氦孔隙度,见表1和表2。从图5可以看 出,多指数拟合曲线较好地拟合了实验测量的回波 串。上述结果说明本文方法反演的疋谱是可靠的 且精度较高。因此,该方法可以应用到实验室岩心 NMR数据的疋谱反演工作中。
牌(豫黜却㈧=群(哪 4)构造搜索方向,令P‘=一g‘+反一,P¨1,其
中,当k=0时,反一。=0,当k>0时,有凤一。=
算法,本文采用该算法); 5)确定搜索步长A。,使厂(e‘+A^∥)=
rainf(e‘+Apk),该步由一维搜索(现采用抛物插值 算法)实现;
6)令e¨1=e‘+A。∥,若不满足迭代终止条件, 令k=k+1,返回步骤3;
组基{P。,P:,…,P。},使得P。满足条件:
,'TAt'j=0(i爿)
(5)
则在这组基下,式(4)函数就成为变量分离的形式。
于是,从任何一个初始点出发,分别沿每个Pi方向 做线搜索,经过一轮后,肯定能得到极小点。满足
条件式(5)的凡维方向称为A共轭的。下eeves(FR)和Polak—Ribiere—
9 Sun B Q.NMR Inversion methods for fluid typing,SPWLA 44tIl An. nual Logging Symposium.June 22—-25.2003
10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.中国科学(G辑),2003;33(4):323—333
5结论及建议
(1)该方法能够准确有效地反演人工合成和实 验室实测核磁共振弛豫数据,谱线光滑连续,具有 较强的抗噪能力,适合实验室等低信噪比核磁共振 弛豫数据的疋谱反演1=作。
(2)该方法容易实现疋谱的非负性约束。 (3)该方法速度稍慢,应该深入研究,提出改进 算法,加快运算速度,更好地满足生产和科研的 需要。