(За с. М. Аксельродом) до поляризації (а), підчас поляризації (б), на початок вільної прецесії (в)

За відсутності зовнішнього штучного магнітного поля магнітні моменти ядер водню µ орієнтовані у напрямку магнітного поля Землі Н_з, прецесуючи кругом нього (див. рис. 3.13, а). При пропусканні струму поляризації через котушку на протязі часу t_пол в досліджуваному середовищі утворюється постійне магнітне поле напруженістю Н_пол (рис. 3.14, а). Вектор цього поля складає деякий кут з вектором напруженості магнітного поля Землі Н_з, і значно (приблизно на два порядки перевищує його). Виникаючий при цьому вектор ядерної намагніченості М орієнтується по результуючому вектору Н_ср (рис. 3.13, б). Вектор ядерної намагніченості М після включення поляризуючого струму встановлюється не відразу, а протягом часу Т₁ – подовжньої релаксації (встановлення рівноваги) (рис. 3.14,б), що характеризує швидкість наростання ядерної намагніченості по напряму поля поляризації:

(3.39)

де М₀ – вектор ядерної намагніченості при часі поляризації t_пол, практично t_пол приймають рівним (3-5)Т₁.

Рисунок 3.14 – Схема процесів, які виникають при дослідженні гірських порід методом ЯМК

(За с.М. Аксельродом)

Після виключення поляризуючого струму (поступово, через час t_зуп) в середовищі діє тільки магнітне поле Землі і вектор ядерної намагніченості прецесує навкруги вектора Н_з з круговою частотою ω, поступово повертаючись до своєї первинної величини (рис. 3.13, в). Вектор ядерної намагніченості М по відношенню до Н_з може бути розкладений на дві складові: поздовжню М_|| і поперечну М_, яка перпендикулярна до Н_з. Під дією вектора М в котушці наводиться електричний синусоїдальний сигнал Е_свп (рис. 3.14, в) (сигнал вільної прецесії, який затухає за експоненціальним законом із сталою часу поперечної релаксації Т₂:

(3.40)

де t – час з початку прецесії; Т₂ – час поперечної релаксації, що характеризує швидкість загасання сигналу (за величину Т₂ приймають звичайно час, протягом якого початкова амплітуда Е₀ зменшується в 2,7 рази); Е₀ – величина, пропорційна вектору ядерної намагніченості.

Вимір сигналів вільної прецесії у вигляді напруги U починають через “мертвий час” t_м (рис. 3.14, г).

Для вивчення розрізу свердловин найбільший інтерес представляє величина U₀, яка пропорційна числу ядер водню, що входять до складу рухомого (вільного) флюїду: нафти або води.

Апаратура ЯМК одночасно реєструє три криві зміни з глибиною амплітуди сигналу вільної прецесії при фіксованих часах t₁, t₂, і t₃ (див. рис. 3.14, г). За цими даними оцінюють величину U₀, приведена до моменту виключення поляризуючого струму. Початкову амплітуду сигналу вільної прецесії U₀ та часу поперечної релаксації Т₂ розраховують за наступними формулами:

, (3.41)

або

(3.42)

(3. 43)

де U₁, U₂ – амплітуди сигналу при часах затримки t₁ і t₂ (рис. 3.14, г).

На значення сигналу вільної прецесії (СВП) впливають тільки ті ядра водню, які входять до складу молекул, здатних переміщатися в порах гірської породи. Зв’язана вода і тверді вуглеводи на діаграмах СВП не відмічаються.

Величина U₀ калібрується в одиницях, які називаються індексом вільного флюїду (ІВФ) і характеризують об’єм пор у відсотках зайнятих рідиною. Індекс вільного флюїду умовно вважають коефіцієнтом ефективної пористості К_п.еф, яка є частиною відкритого порового простору, що не зайнятий залишковою водою та розраховується за формулою:

(3.44)

де К_п – коефіцієнт відкритої пористості, К_в.з – коефіцієнт залишкової водонасиченості.

Апаратура ядерно-магнітного каротажу складається із свердловинного приладу та наземної панелі. Свердловинний прилад складається із двох частин. У нижній частині циліндричного кожуха з поліхлорвінілової труби, яка заповнена маслом, розміщені два датчики – основний та допоміжний, у верхній частині в дюралевому кожусі змонтована електрична схема.

Основний датчик використовують для створення магнітного поля поляризації в пласті та спостереження сигналу вільної прецесії. Він представляє собою соленоїд із сердечником прямокутного січення, довша сторона якого паралельна головній осі приладу. Сила струму поляризації – 3А.

Допоміжний датчик має тороїдальну форму та служить для контролю роботи апаратури.

Апаратура ЯМК еталонують в одиницях ІВФ (%/см). Індекс вільного флюїду визначається як відношення початкової амплітуди СВП, зареєстрованої на зразку породи, до початкової амплітуди СВП, заміряної у ємкості з дистильованою водою, що займає такий же об’єм, як і зразок породи.

Інтерпретація діаграм ЯМК полягає у визначенні величини сигналу вільної прецесії і часу подовжньої релаксації Т₁ (час поперечної релаксації Т₂ в процесі виділення порід-колекторів не використовують).

На діаграмах ЯМК однорідні пласти великої потужності, що вміщують водень відмічаються симетричними максимумами. Визначення тонких пластів ускладнено. За часом повздовжньої релаксації Т₁ визначають характер насичення порід, які були охарактеризовані по кривій ІВФ як колектори з достатньою ефективною пористістю.

Час подовжньої релаксації Т₁ зазвичай для води менше ніж для нафти: Т_1води=300 мс; Т_1нафти=600 мс. Однак в процесі інтерпретації результатів ЯМК слід враховувати вплив на величину сигналу вільної прецесії та повздовжній час релаксації таких чинників, як: гідрофільність, питома поверхня, тип пористості, глинистість, в’язкість флюїду та ін..

Криві ЯМК симетричні відносно середини однорідних пластів. Максимум співпадає із серединою пласта. Границі потужних пластів відбивають у точках, які відповідають половині максимального значення амплітуди кривої ЯМК.

При інтерпретації кривих ЯМК у значення U₀ вводять поправки за вплив свердловини, глинистої кірки, залишкового струму, а також просторової орієнтації свердловини. При цьому використовують спеціальні палетки та номограми.

ЯМК призначений для виділення пластів, що містять рухомий флюїд, визначення пористості і характеру насичення пластів, розділення нафтоносних і бітумінізованних порід.

Недоліки ЯМК: погані результати отримують в глинистому буровому розчині та в породах з підвищеною магнітною сприйнятливістю, а також у літотипах з малою ефективною пористістю (1,5-2 %); велика тривалість вимірювань; мала глибинність (0,3 м); значний вплив зони проникнення фільтрату промивної рідини.