Метод ядерно-магнитного резонанса: физические основы метода, аппаратура, решаемые задачи

Применение ядерно-магнитных методов (ЯММ) основано на наличии магнитных и механических моментов у ядер атомов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных ядер хаотически направлены во все стороны и их суммарный магнитный момент равен нулю. Если ядро поместить во внешнее постоянное магнитное поле , то магнитные силы будут стремиться ориентировать магнитный момент ядра по направлению внешнего поля. Однако, подобно вращающемуся волчку в поле тяготения Земли, полного совпадения магнитного момента μ отдельного ядра с направлением не произойдет. Вектор магнитного момента, подобно оси волчка, будет прецессировать вокруг направления поля - непрерывно двигаясь, описывать коническую поверхность с осью, совпадающей с направлением . Круговая частота прецессионного вращения зависит от магнитного момента ядра и напряженности магнитного поля. Для протона (ядра водорода) в магнитном поле Земли частота прецессии близка к 2000 Гц.

Наблюдение относительно слабой ядерной намагниченности среды на фоне более сильного атомного диамагнетизма облегчается механизмом свободной прецессии ядер. Чтобы наблюдать свободную прецессию, создают неравновесное состояние ядер. В применяемом варианте метода этого добиваются приложением сильного поляризующего поля, направленного под углом к направлению поля Земли . Этим достигается значительное увеличение ядерной намагниченности и поворот ее направления по отношению к магнитному полю Земли. После выключения поляризующего поля среда остается в неравновесном состоянии — вектор намагниченности имеет гораздо большую величину, чем в состоянии равновесия с полем Земли , и повернут относительно направления последнего. В результате начинается свободная прецессия вектора намагниченности вокруг направления .

Таким образом, при ЯММ принят следующий способ наблюдения свободной прецессии ядер. Пропуская ток через катушку, ось которой направлена под углом к магнитному полю Земли, создают поперечное магнитное поле , поляризующее горную породу, т. е. изменяющее направление и величину ее ядерной намагниченности (рисунок слева – Схема получения свободной прецессии ядер в МП Земли: а – поляризация дополнительным полем, б – свободная прецессия вектора намагниченности M после выключения поля). Величина должна быть во много раз больше поля Земли , поэтому результирующая намагниченность практически совпадает с направлением поля .

Через некоторое время поляризации t_П поляризующее поле выключается настолько быстро, чтобы за время выключения вектор не успел заметно изменить свое направление. После этого вектор намагниченности , прецессируя вокруг , постепенно возвращается в первоначальное положение ; его поперечная составляющая уменьшается по закону: , где М_1,0 — начальное значение к моменту выключения поля; Т — время поперечной релаксации, показывающее скорость затухания свободной прецессии ядер.

При прецессии М ее поперечная составляющая , вращаясь вокруг оси , пересекает витки катушки в разных направлениях и наводит в последней переменную ЭДС с частотой 2000 Гц. Амплитуда колебаний этой ЭДС уменьшается во времени по тому же экспоненциальному закону U₀e^-t/T, что и (здесь U₀ — амплитуда ЭДС в момент выключения поляризующего поля). Значение U₀ — основная величина, определяемая при ЯММ (рисунок справа – Схематическое изображение сигнала свободной прецессии после узкополосного фильтра).

При методике, основанной на принципе свободной прецессии, регистрируется сигнал от ядер водорода. Ядра других элементов (фтор, алюминий, углерод-13), обладающие ядерным магнитным моментом, создают более слабый и быстро затухающий сигнал, который практически не регистрируется прибором. Таким образом, величина U₀ пропорциональна концентрации ядер водорода в горной породе. Причем несущественно, входит ли водород в состав воды или нефти. В связи с этим метод ядерного магнитного резонанса используют для определения количества водорода в горных породах. Преимущества метода заключается в том, что водород в составе воды, химически связанной или прочно адсорбированной на поверхности зерен породы, не дает вклада в измеряемую ЭДС, ибо создает очень быстро затухающий сигнал. Таким образом, определяемое ядерным магнитным методом количество водорода позволяет установить количество несвязанной воды или нефти в породе. Это количество соответствует величине эффективной пористости пород, представляющей важнейший параметр коллекторов. Другими методами этот параметр прямо не определяется.

Величину U_o принято выражать в условных единицах, называемых индексом свободного флюида (ИСФ). Сто таких единиц соответствуют сигналу в воде. Величина ЭДС, соответствующая этой единице, определяется в результате эталонного замера в воде. Показания метода в единицах ИСФ после внесения поправок (за влияние диаметра скважины, глинистой корки и т.д.) соответствуют эффективной пористости K_П.ЭФФ коллекторов. Точку записи ЯММ относят к середине катушки зонда. Возбуждение и регистрация сигналов осуществляется циклами, включающими время поляризации, время наблюдения сигнала и паузу. В режиме поляризации по одной из катушек пропускается ток порядка 2А. После отключения тока начинается прецессия, вследствие чего в катушке зонда, отключенной к этому времени от источника питания, наводится ЭДС сигнала ЯММ. Вследствие переходных процессов, связанных с выключением поляризующего поля, регистрация сигнала свободной прецессии начинается не сразу после начала прецессии, а лишь спустя некоторое время, называемое мертвым (t_M), порядка 25-З0 мс. Аппаратура ЯММ, работающая в магнитном поле Земли позволяет измерить сигнал свободной прецессии ядер с временами релаксации от 20-30 до 2000 мс.

Для визуализации сигналов ЯММ используется обычный низкочастотный осциллограф. В приборе не должны использоваться детали включающие магнитный материал. Кожух прибора выполняют из сплава алюминия, или нержавеющей стали, либо титана и делают его таких размеров, чтобы кабель был удален от зонда на расстояние порядка 1,5 м.

ЯММ проводится только в открытом стволе, так как присутствие металлической колонны резко искажает земное магнитное поле, экранирует пласт от поляризующего поля и исключает возможность принять сигнал. Кроме того, направленность поля Земли затрудняет применение ЯММ в наклонных и горизонтальных скважинах.