Все дело в спине — измерения ямр

Измерения ЯМР включают в себя ряд после­довательных воздействий на протоны водо­рода, содержащихся в молекулах порового флюида.¹ Протоны обладают магнитным мо­ментом и ведут себя как небольшие стержне­вые магниты, отчего их ориентацию можно контролировать с помощью магнитных по­лей. Кроме того, вращение протонов предо­пределяет их поведение, сходное с гироскопом.

Процедура измерения начинается с ориен­тирования протонов, после чего следуют от­клонение спинов, прецессия, расфазировка и рефокусировка. Поперечная и продольная релаксации определяют продолжительность процедуры измерения. Только после завер­шения этих последовательных операций, — на что уходит несколько секунд, — измере­ния можно повторять.²

Ориентация протонов. — Ориентация протонов водорода происходит под дейст­вием сильного постоянного магнитного по­ля Во. Процедура ориентации занимает несколько секунд, после чего протоны при­нимают единое направление до тех пор, по­ка не будут выведены из этого состояния. В последних моделях каротажных зондов ис­пользуются вытянутые постоянные магниты, создающие в области измерений напряжен­ность порядка 550 гауссов, что почти в 1000 раз превосходит напряженность магнитного поля Земли. Магнитное поле воздействует на породу в течение всего цикла измерений (рис. 9).³

Р ис. 9. Ориентация протонов. При измерениях ЯМР первым шагом является ориентация вращаю­щихся протонов с помощью мощных постоянных магнитов. Протоны прецессируют вокруг оси, па­раллельной направлению вектора В_о, причем ре­зультирующая намагниченность является суммой всех прецессирующих протонов. При каротаже вектор Во перпендикулярен оси ствола скважины.

Отклонение спинов. — Следующей опера­цией является отклонение сориентирован­ных протонов с помощью осциллирующего магнитного поля B1, направление которого перпендикулярно вектору поля В_о (рис. 10). Эффективное отклонение спинов достига­ется при:

где — частота поля В₀ называемая Ларморовой частотой, — постоянная, называе­мая гиромагнитным отношением ядра.

Рис. 10. Отклонение спинов. Сориентированные протоны отклоняются на 90° под воздействием магнитного импульса, осциллирующего на резонансной или Ларморовой частоте.

Например, Ларморова частота для ядер водорода, находящихся в магнитном поле на­пряженностью 550 гауссов, равна приблизительно 2,3 МГц.

Величина угла, на который отклоняются спины, зависит от напряженности поля B1 длительности его воздействия. Например, чтобы отклонить спины на 90° — что пре­имущественно и делается при каротажных исследованиях — поле B1 напряженностью 4 гаусса включается на 16 микросекунд.

Прецессия и расфазировка. — Когда протоны отклоняются на 90° по отношению к полю В_о, они начинают прецессировать в перпендикулярной к В_о плоскости. В этом смысле они ведут себя как гироскопы в гравитационном поле (рис. 1 на стр. 31).

Сначала все протоны прецессируют в унисон. Прецессируя, они генерируют на Ларморовой частоте слабое магнитное поле, которое улавливается антенной и которое служит основой измерений при ЯМК. Однако, магнитное поле В_о не является совершено однородным, в силу чего протоны прецессируют на несколько различных частотах. Постепенно они перестают быть синхронными, т. е. расфазировываются, что приводит к затуханию сигнала в антенне (рис. 11). Затухающий сигнал называется затуханием свободной индукции (FID), а время затухания — Т₂*, где звездочка означает,

Р ис.11.Поперечное затухание. По мере прецессии протонов в статическом поле, они постепенно выходят из синхронизации. Это приводит к затуханию магнитного поля в поперечной плоскости. Расфазировка вызывается присутствием неоднородностей в статическом магнитном поле и молекулярными взаимодействиями.

что данное затухание не является свойством по­роды. У каротажных приборов величина Т₂* сравнима с длительностью отклоняющего импульса, т. е. составляет несколько десятков микросекунд.

Рефокусировка: спиновые эхо. Расфазировка, вызываемая неоднородностью поля В_о, носит обратимый характер. Представим себе, что забег начинается по сигналу стар­тового пистолета, который аналогичен им­пульсу, отклоняющему спины на 90°. Бегуны начинают бег одновременно, однако после нескольких кругов они рассеиваются по бе­говой дорожке, так как их скорости несколь­ко различаются. Теперь судья подает еще один сигнал, аналогичный импульсу, отклоняющему на 180°. Бегуны разворачиваются и продолжают бег в противоположном на­правлении. Самые быстрые из них должны будут пробежать наибольшее расстояние до линии старта. Однако, если сохранятся те же самые условия, — чего, кстати, никогда не бывает — все бегуны возвратятся назад в од­но и то же время (рис. 12). Аналогично протоны водорода, прецессирующие на несколько отличающихся от Ларморовых частот, можно рефокусировать приложением 180-градусного импульса. Мощность 180-градусного импульса такая же, как и у 90-градусного, но длительность его воздействия в два раза большая. По мере того, как протоны выходят из синхрониза­ции, они генерируют в антенне сигнал — спиновое эхо. Очевидно, что спиновое эхо быстро зату­хает. Однако 180-градусные импульсы мож­но посылать повторно, обычно несколько сотен раз в течение одного цикла измере­ний ЯМР. Обычно 180-градусные импульсы посылаются в виде определенной последовательности с наименьшими временными ин­тервалами между ними. Полная импульсная последовательность, состоящая из начально­го 90-градусного импульса и длительной се­рии 180-градусных, называется последовательностью CPMG по начальным буквам фамилий ее изобретателей Carr, Purcell, Meiboom и Gill.⁴ Интервалы между эхо-сигналами у зонда ЯМК (CMR) компании Шлюмберже составляет 32 микросекунды, а у зонда ЯМК (MRIL) корпорации NUMAR -120 микросекунд.

Рис. 12. Последовательность импульсов и рефоку­сировка. Каждое измерение ЯМР состоит из после­довательности излучаемых антенной поперечных магнитных импульсов, называемой последователь­ностью CPMG. Каждая последовательность CPMG начинается с импульса, отклоняющего протоны водорода на 90°, за которым следуют несколько сотен импульсов, рефокусирующих протоны на 180° (верхний график). После каждого импульса антенна становится приемником и регистрирует амплитуду сигнала (средний график). Быстрое за­тухание каждого эха, называемое затуханием сво­бодной индукции, вызывается изменениями в ста­тическом магнитном поле В_о. Затухание амплитуды каждого эха вызывается взаимодейст­вием молекул и имеет характеристическую вре­менную константу Т₂ — время поперечной релак­сации. Номера в кружочках соответствуют этапам забега, изображенным в нижней части рисунка. Вообразим, что бегуны выстроились на линии старта (нижний график). Под воздействием 90-градусного импульса они начинают бег (Г). После нескольких кругов бегуны распределяются вдоль беговой дорожки (2,3). Затем судья подает второй 180-градусный импульс (4,5) и бегуны поворачи­вают назад к линии старта. Самые быстрые долж­ны будут преодолеть наибольшее расстояние, но все они прибегут одновременно при сохранении тех же самых скоростей (6а). При любых измене­ниях в скоростях бегуны вернутся назад в несколь­ко различное время (6Ь). Как и в примере с бегу­нами процесс обращения спинов повторяется сотни раз в течение одного цикла измерений ЯМР. Каждый раз амплитуда эха становится меньше, а скорость затухания позволяет определять время релаксации Т₂.

Поперечная релаксация, Т₂ - Последова­тельность импульсов CPMG компенсирует расфазировку, вызванную неоднородностью поля В_о. Однако молекулярные процессы так же приводят к расфазировке, и они являются необратимыми. Эти процессы связаны с та­кими петрофизическими свойствами, как открытая пористость, распределение пор по размерам и проницаемость.

Необратимая расфазировка отслеживает­ся путем измерения затухающих амплитуд спиновых эхо в последовательности эхо-сигналов CPMG (рис. 13). Характеристичес­кое время затухания эхо-амплитуды называется временем поперечной релакса­ции Т2, так как расфазировка происходит в плоскости, нормальной к статическому полю В_о.⁵

Продольная релаксация, T1 — Через не­которое время, равное нескольким време­нам Т2, протоны полностью теряют взаимосвязь и дальнейшая рефокусировка становится невозможной. После заверше­ния цикла CPMG протоны возвращаются в свое первоначальное положение, парал­лельное полю В0 (рис. 14). Этот процесс контролируется другой временной кон­стантой — временем продольной релакса­ции Т1. Следующий цикл измерений с отклонением спинов начинается только после полного возвращения протонов в свое равновесное состояние в постоянном поле В_о.

Времена релаксации T1 и Т2 определяют­ся молекулярными процессами. При прове­дении лабораторных исследований на большом количестве водонасыщенных об­разцов горных пород было обнаружено, что зачастую T1 равно 1,5 Т2.⁶ Однако, когда в образцах пород присутствует нефть или газ, это соотношение меняется.