Глава VI ядерно-магнитный каротаж

§ 20. Физические основы

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на изучении ядерно-магнитных свойств водорода флюидов, заполняющих поры породы. Ядра атомов водорода, как и других элементов (фтора, алюминия, углерода-13 и др.), обладают собственным механическим моментом Р (спином) и магнитным моментом μ, оси которых совпадают.

Спин (верчение) характеризует собственный механический момент количества движений, которым обладают элементарные частицы. Он может принимать только целые или полуцелые значения (0; 0,5; 1; 1,5), выраженные в единицах h/2π, где h — постоянная Планка (6,6261·10^-34 Дж·Гц^-1). Спины электрона, позитрона, протона и нейтрона равны 0,5. Это означает, что они принимают значение 0,5 h/2π. При помещении таких ядер в постоянное внешнее магнитное поле Н их магнитные моменты μ стремятся ориентироваться в направлении вектора данного поля, что ведет к возникновению ядерной намагниченности. При снятии внешнего магнитного поля происходит разрушение приобретенной ядерной намагниченности из-за беспорядочного теплового движения атомов и молекул вещества. Так как это происходит в магнитном поле Земли, ядра ориентируются вдоль этого поля, прецессируя (совершая затухающие вращения) вокруг него подобно волчку в поле силы тяжести с так называемой ларморовой частотой

где H_з— напряженность магнитного поля Земли (H_з≈40 А/м); γ_гир= μ/Р — гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента μ прецессирующих ядер к их механическому моменту Р). Наибольшее значение γ_гир свойственно водороду. Этим вызвано наиболее сильное выражение эффекта ядерного магнетизма у водорода. Во всех других породообразующих элементах этот эффект слишком мал, чтобы его можно было измерить в скважине. Главной задачей ЯМК является регистрация эффектов свободной прецессии протонов ядер водорода в земном магнитном поле. С этой целью в скважину опускают скважинный прибор, включающий в себя катушку удлиненной прямоугольной формы, коммутатор, попеременно подключающий выводы катушки то к источнику постоянного тока силой в 2—3 А, то к выходу усилителя. При подключении катушки к источнику тока в окружающей среде создается поляризующее постоянное магнитное поле. При подключении катушки к усилителю наведенная в ней под действием прецессии ядер водорода ЭДС усиливается и передается по кабелю на поверхность в наземную аппаратуру, где регистрируется (рис. 79).

Схематическое изображение процессов, происходящих при исследованиях методом ЯМК и возникающих при этом векторов ядерной намагниченности, дано на рис. 80. При отсутствии внешнего искусственного магнитного поля магнитные моменты ядер водорода μ ориентированы в направлении магнитного поля Земли H_з, прецессируя вокруг него (рис. 80, I, а).

При пропускании тока поляризации I_п через поляризующую катушку в течение времени t_п (рис. 80, II, а) в исследуемой среде образуется постоянное магнитное поле напряженности Н_п. Вектор этого поля составляет некоторый угол с вектором напряженности поля Земли H_з и значительно (примерно на два порядка) превышает его по величине. Возникающий при этом в течение времени t_п вектор ядерной намагниченности М ориентируется по результирующему вектору H_ср, представляющему собой сумму двух векторов напряженности Н_п и H_з (рис.80,I,б).

Вектор ядерной намагниченности М устанавливается не сразу после включения тока I_п, а в течение времени Т₁ продольной релаксации (установления равновесия), характеризующей скорость нарастания ядерной намагниченности по направлению приложенного поля поляризации (рис. 80, II, б):

где М₀— вектор ядерной намагниченности при t_п→∞; практически t_п принимается равным (3—5)T₁

После выключения поляризующего тока (ступенчато снижением до величины остаточного тока I_ост и полным выключением через время t_ост) в среде действует только магнитное поле Земли, и вектор ядерной намагниченности процессирует вокруг вектора H_з с круговой частотой ω (VI.1), постепенно возвращаясь к своей первоначальной величине (рис. 80, I, в). Вектор ядерной намагниченности М по отношению к H_з может быть разложен на две составляющие: продольную М_ll, совпадающую с направлением вектора H_з, и поперечную М⊥, перпендикулярную к H_з.

Под действием вектора М⊥ в катушке наводится электрический синусоидальный сигнал (переменная ЭДС)—сигнал свободной прецессии (ССП), соответствующий E_t амплитуде ССП (в В) в момент времени t (в с), прошедшего с начала прецессии, затухающей по экспоненциальному закону с постоянной времени поперечной релаксации Т₂ (рис. 80, II, в):

Время поперечной релаксации Т₂ характеризует скорость затухания сигнала (за Т₂ обычно принимается время, в течение которого начальная амплитуда Е₀ уменьшается приблизительно в 2,7 раза, E₀ — начальная амплитуда ССП, пропорциональная вектору ядерной намагниченности М).

Для предотвращения влияния переходных процессов, вызванных выключением остаточного тока, момент подключения катушки к усилителю сдвинут на величину мертвого времени τ (см. рис. 80, II, г). ЭДС, индуцируемая в катушке зонда, усиливается и передается по кабелю на дневную поверхность, где регистрирующее устройство фиксирует амплитуду ЭДС U_t в момент времени t. Амплитуда U_t представляет собой огибающую сигнала свободной прецессии: U_t = U₀exp(—t/T₂), где U₀ — начальная амплитуда сигнала свободной прецессии. Так как сигнал свободной прецессии убывает по экспоненциальному закону, достаточно иметь два значения его амплитуды U₁ и U₂ или U₁ и U₃, разделенных некоторыми временными интервалами t₁, t₂ и t₃ (35, 50 и 70 мс) после начала прецессии, чтобы по ним путем экстраполяции восстановить амплитуду сигнала U₀, по которой определяется индекс свободного флюида:

Аппаратура ЯМК позволяет одновременно автоматически регистрировать две или три каротажные кривые изменения с глубиной амплитуд сигнала свободной прецессии U₁, U₂ и U₃ при фиксированных временах t₁, t₂ и t₃ и постоянных значениях t_п и t_ост. По этим данным оценивается (или непосредственно регистрируется при использовании счетно-решающего устройства) величина U₀, приведенная к моменту выключения остаточного поляризующего тока. Кривые U₁, U₂, U₃, U₀, регистрируемые в функции глубины, называются кривыми ЯМК (рис. 81).