4.2 Ядерно-магнитный каротаж (ямк)

М ногие атомные ядра обладают собственным моментом количества движения или моментом механического движения (спином) и связанным с ним магнитным моментом.

Момент количества движения - мера вращательного движения тела или системы тел относительно центра или оси. Он измеряется произведением момента инерции на угловую скорость движения (момент инерции - сумма произведений масс всех тел системы на квадраты их расстояний от оси вращения).

В ектор магнитного  и механического J моментов параллельны и связаны между собой соотношением:

 =  * j, где

 - коэффициент, называемый гиромагнитным отношением ядра ( =/J).

Вследствие теплового движения магнитные момента ядер вещества ориентированы хаотически.

В постоянном магнитном поле Н ядерные моменты в результате взаимодействия друг с другом и с окружавшей средой ориентируются преимущественно в направлении вектора напряженности внешнего поля. Этот процесс называют спин-решетчатой (или термической, или продольной) релаксацией. Он ведет к возникновению макроскопической ядерной намагниченности вещества, которая характеризуется вектором М.

Релаксация - процесс перехода система из неравновесного состояния, вызванного внешними причинами, в равновесное.

Для обнаружения эффектов, связанных с ядерным магнетизмом, необходимы весьма чувствительные методы. Во всех этих методах (и в частности в ЯМК) используется резонансный контур, настроенный на частоту движения ядерных моментов в постоянном магнитном поле. Благодаря такому движению в контуре наводится электрический сигнал, величина которого пропорциональна ядерной намагниченности исследуемого вещества.

Принцип работы резонансного контура следующий. Через катушку индуктивности от генератора протекает переменный ток, частота которого равна частоте прецессия вращения ядер водорода. При наводке в колебательном контуре сигнала от синхронно прецессирующих ядер атомов среды в контуре возникает резонанс, т.е. резко повышается амплитуда сигнала прецессии.

В постоянном магнитном поле вектор N прецессирует вокруг направления этого поля с угловой скоростью

 =  * Н,

называемой лармаровской частотой прецессии.

Так как угол  между векторами Н и М остается неизменным, то проекция вектора М на направление поля Н, М также не изменяется во времени. Поэтому вклад в величину сигнала должна давать только ортогональная вектору Н составляющая вектора М - М_, которая вращается вокруг направления поля Н с угловой скорость :

М_ = М * sin .

В постоянном и однородном магнитном поле М_ снижается по экспоненциальному закону с течением времени (в 2,73 раза за время спин-спиновой (поперечной релаксации). Это время определяется взаимодействием ядерных спинов между собой и окружающей средой.

Если магнитные моменты находятся в неоднородном магнитном поле

Н' = Н + Н.

то они прецессируют с различными частотами

 =  *(H+H)= + и

поперечная составлявшая ядерной намагниченности М_ исчезает со скоростью, пропорциональной величине неоднородности ДН. Поэтому наблюдение сигнала ядерной индукции в сильно неоднородном магнитном поле становится невозможным.

В скважинных условиях создать однородное поле Н в пластах горных пород практически не удается. Поэтому в качестве такого поля (поле прецессии) используют небольшое по величине, но очень однородное магнитное поле Земли Т. Частота прецессии ядерных магнитных моментов дня различных ядер в поле Т определяется величиной  и колеблется в широких пределах. Самая большая величина гиромагнитного отношения - у ядер водорода. Частота прецессии

 =  /2

ядер водорода в поле Т равна приблизительно 2000 Гц. Величина сигнала Е, наводимого в приемной катушке

Е  N * ³ * (J+1), где

N - число ядерных моментов в единице объема вещества;

j - безразмерный вектор механического момента ядра (проекция вектора J на выбранное направление называют спином ядра).

Из формулы следует, что наиболее подходящими объектами при исследовании горных пород являются ядра водорода (т.к., во-первых, для них величина  максимальна, а во-вторых, они имеют повышенную концентрацию в горных породах).

Имеется и другая, более важная причина, по которой ЯМК применяют по ядрам водорода. Поперечная составляющая ядерной намагниченности созданной магнитными моментами ядер, входящими в состав твердого тела (или очень вязкого) вещества, исчезает за столь короткий отрезок времени, что не удается зарегистрировать сигнал свободной прецессии (т.е. это время поперечной релаксации примерно равно м 10^-4с). "Мертвое" время аппаратуры ЯМК примерно 20-30 мс (2-3)*10^-2 с). В жидкостях механизм разрушения mj имеет другой характер. Релаксация увеличивается до 1 с (и более).

Так, например, время поперечной релаксации воды без примесей парамагнитных ионов при комнатной температуре составляет примерно 3 с и увеличивается с увеличением температуры, достигая при 100°С 11 с.

Время поперечной релаксации нефти зависят от ее состава, вязкости и температуры. Оно всегда меньше, чем время релаксации воды и в зависимости от перечисленных факторов изменяется от 25 мс до 3 с.

Взаимодействие жидкости со стенками пор, распространяемое в результате диффузии на все молекулы жидкости, обуславливает значительное уменьшение времени релаксации. Поэтому время поперечной релаксации жидкости в мелких порах, которые обычно заполнены водой, меньше "мертвого" времени аппаратуры ЯМК, и эта жидкость не дает вклада в величину регистрируемого сигнала.

Глинистый раствор также не дает вклада в величину регистрируемого сигнала, т.к. он представляет собой дисперсный раствор с весьма большой суммарной поверхностью глинистых частиц, и взаимодействие молекул воды с ними приводит к уменьшению времени релаксации до значений меньше "мертвого" времени аппаратуры.

С П - скважинный прибор

И - катушка индуктивности

К - коммутатор

СУ - усилитель скважинного прибора

У - усилитель мощности

П - источник питания

РТ - реле остаточного тока

БУ - блок управления

Д - детектор

ИУ - измерительное устройство

ВУ - вычислительное устройство

Рис **. Структурная схема аппаратуры ЯМК.

Регистратор - осциллограф серийной каротажной станции, магнитный накопитель и т.д.

Измерения выполняются циклами. В начале цикла катушка И с помощью коммутатора К подключается к источнику тока поляризации П. При протекании in по катушке (рис. ***, а) в среде, окружающей скважину, создается поляризующее магнитное поле Н_п, действующее в течение времени поляризации t_п. Практически время t_п выбирается равным (3-5)*Т₁. По истечении этого времени в наземной части аппаратуры при помощи реле остаточного тока РТ ток поляризации уменьшается до величины I_oc. Этот ток протекает через катушку в течение времени t_oc, достаточного для затухания переходных процессов в катушке И, после чего катушка И отключается от источника тока блоком управления БУ. Параллельно с этим в окружающей среде идет процесс приобретения ядерной намагниченности при протекании токов через катушку И и ее разрушения при их отсутствии (рис. ***. б).

После выключения остаточного тока I_oc в среда начинается прецессия ядер водорода, (рис. ***. в), которая индуцирует е.д.с. в катушке индуктивности И, затухающую во времени (рис. ***, г). Наведенная в катушке е.д.с. ССП усиливается усилителем скважинного прибора СУ и по каротажному кабелю подается на поверхность.

В наземной части аппаратуры е.д.с. ССП усиливается по мощности высокочастотным усилителем У и выпрямляется детектором Д.

Хотя величина I_oc намного ниже I_п тем не менее после его выключения в катушке протекают переходные процессы, что вызывает необходимость измерения е.д.с. ССП только после прошествия катушку индуктивности при создании поляризующего (in) и остаточного (ioc) магнитных полей.

Д иаграмма ядерной намагниченности окружающий, среда.

Диаграмма свободной прецессии ядер водорода окружающей среда.

Диаграмма измерения ССП.

Рис. ***. Временные диаграммы аппаратуры ЯМК

По значениям U₁ и U₂, или U₂ и U₃ вычислительное устройство ВУ определяет начальную амплитуду U₀:

;

Величины U₁, U₂, U₃ и U₀ регистрируются, как функции глубины погружения скважинного прибора. Масштаб записи диаграмм устанавливается в значениях так называемого индекса свободного флюида - ИСФ.

Свободным называется флюид способный к гидродинамическому перемещению под действием перепада давления.

Под ИСФ понимают объем свободного флюида в пласте, определенный по концентрации протонов, отнесенный к общему объему воды в пласте и измеряемый в процентах:

ИСФ = (V_св.ф/Т_ф) * 100%

Значениям ИСФ, равным нулю и 100%, соответствует начальная амплитуда ССП, получаемая при измерениях в отсутствии свободного флюида и при погружении зонда ЯМК в чистую воду.

Кроме U₀, которое пропорционально содержанию водорода в породе, при ЯМК может определяться также время продольной релаксации T₁.

Измерения T₁ ведутся при остановках зонда против исследуемого пласта и может быть выполнено как в слабом поле, так и в сильных полях поляризации.

Слабым называется поле, энергия взаимодействия которого с магнитным моментом электронной оболочки (внешней) много меньше энергии взаимодействия этой оболочки с магнитным моментом ядра.

Для определения времени продольной релаксации T_1<cп> в сильном поле (в поле поляризации Нп) выполняется несколько циклов измерений при различиях времени поляризации t_п. В каждом цикле за время t_п вектор ядерной намагниченности и соответствующий ему сигнал свободной прецессии успевает достичь величин M_i, U_0i и U_i, зависящих от t_пi и времени продольной релаксации T₁ в данной среде. Используя совокупность измерений в нескольких циклах получают переопределенную систему уравнений:

, где

- значение максимальной амплитуды сигнала ССП при t_П стремящемся к бесконечности. Решив такую систему можно найти Т1<сп> и для данной среды. При определении времени продольной, релаксации Т₁<сл. п> в слабом поле Нос (в поде остаточного тока) измерения выполняются при фиксированном времени действия остаточного поля tос.

Величину Т₁<сл. л> определяют из переопределенной системы уравнений:

Глубинность метода практически равна 1,58*dс (dс - диаметр скважины.

Область применения ЯМК и решаемые геологические задачи.

ЯМK является эффективным методом исследования глубоких скважин, бурящихся на нефть и газ и позволяет решать следующие задачи:

1) Определять индекс свободного флюида - ИСФ. В свою очередь это позволяет дифференцировать разрез скважины по ИСФ, выделять коллекторы нефти, газа и воды, определять такой важный их параметр, как эффективная пористость в сложных геологических условиях.

Эффективная пористость - пористость, содержащая свободный флюид.

2) Определять время продольной релаксации Т₁. Это позволяет оценивать характер флюидов в пластах (см. таблицу) т.е. различать водоносные и нефтеносные пласты.

Недостатки ЯМК:

1) Невозможность исследования обсаженных скважин (так как магнитное поле становится крайне неоднородным и не возникает ОСП).

2) Ограничения на применение метода накладывают горные порода и промывочная жидкость с большой магнитной восприимчивостью (это понижает сигнал прецессии).

Ядерно-магнитные свойства флюидов и насыщенных ими горных пород

Порода, флюид	ИСФ,%	Т2, мс	Т1 (по сильному полю), мс
Вода дистиллированная	100	500 – 1500	2000
Вода, содержащая в г/л
200 г МаС1	92	500 – 1500	1700
0,4 Г CuSO4	100	50 – 100	180
Нефть	5-100	250 – 1200	200 – 1200
Конденсат	100	500 – 1500	ДО 3500
Песчаник
Водонасыщеный	0-40	30 – 100	100 – 1500
Нефтенасыщенный	0-40	30 – 200	250 – 1200
Известняк
Водонасыщенный	0-40	30 – 200	ДО 2000
Нефтенасыщенный	0-40	30 - 200	250 – 1200
Глина	0	<20