13.9 Ядерно-магнітний каротаж

Ядерно-магнітний каротаж (ЯМК) базується на вивченні штучного електромагнітного поля, яке утворюється в результаті взаємодії магнітного моменту та спіну ядра хімічних елементів і зовнішнього магнітного поля.

Усі елементарні частинки та ядро хімічних елементів, крім маси і порядкового номера (заряду), характеризуються величиною власного моменту кількості руху (спіну) P і величиною магнітного моменту , а також гіромагнітним відношенням, яке представляє собою функцію від ділення магнітного моменту ядра на його момент кількості руху:

. (13.8)

В стабільному зовнішньому полі ядра орієнтуються своїми магнітними моментами вздовж поля. Внаслідок теплового руху молекул стан ядра постійно порушується. Вони, стараючись заново прийняти напрямок вздовж поля, уподібнюються зарядженим дзиґам, які обертаються навколо власної осі, що орієнтується в напрямку магнітного поля Землі, із визначеними значеннями P і  для кожного конкретного хімічного елемента (Рис.13.3, а).

Якщо в пласті, що досліджується, створити сильне магнітне поле напруженістю H_п, яка перпендикулярна полю Землі H_з, то ядра атомів при наявності спіну та магнітного моменту будуть орієнтуватись у напрямку сумарного поля поляризації H_cум і поля Землі, створюючи при цьому вектор ядерної намагніченості (магнітний момент)  (Рис. 13.3, б). При цьому проходить аномальне поглинання енергії поля тими ядрами, для яких ларморова частота при заданій напруженості постійного магнітного поля співпадають із частотою змінного поля. Дане явище називається ядерно-магнітним резонансом.

У випадку швидкого виключення поля поляризації під дією магнітного поля Землі ядра елементів повертаються в початкове положення (Рис. 13.3, в), прецесуючи навколо напрямку зовнішнього магнітного поля подібно дзизі в полі сил тяжіння з частотою біля 2 кГц (частотою Лармора), яка обумовлена напруженістю магнітного поля Землі (H_з40 А/м) і гідромагнітними властивостями ядер. При своїй прецесії ядра під дією обертаючої поперечної складової вектора ядерної намагніченості  створюють змінні (які затухають у часі) електромагнітні поля, напруженість яких змінюється за допомогою приймальної котушки свердловинного приладу. В котушці виникає електричний синусоїдальний сигнал (сигнал вільної прецесії), який затухає за експонентою із сталою ₂, яка називається поперечною релаксацією:

. (13.9)

За отриманим сигналом вільної прецесії можна визначити E₀ – початкову амплітуду е.р.с., ₁ – час поздовжньої або термічної релаксації, який характеризує швидкість зростання ядерної намагніченості за напрямком прикладеного поля поляризації і ₂ – час поперечної релаксації, який є мірою швидкості розфазовування прецесії окремих ядер. Під часом релаксації розуміють час, протягом якого початкова амплітуда е.р.с. E₀ зменшується приблизно в 2.7 рази.

Встановлено, що із усіх елементів, які складають гірські породи, тільки ядра водню, що входять у склад вільної рідини (вода, нафта), володіють великим магнітним моментом і ядерним спіном, щоб створити під дією поляризованого магнітного поля е.р.с., яка може бути виявлена в умовах свердловини.