Ядерно-магнитные методы

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  т. е., 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 .

Рис. 46. Схема получения свободной прецессии ядер в маг­нитном поле Земли .

А - поляризация дополнительным полем ; б - свободная пре­цессия вектора намагниченности  после выключения поля; К - поляризующе-приемная катушка

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 (рис. 46). Величина  должна быть во много раз больше поля Земли Н₀, 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  (см. рис. 46), постепенно возвращается в первоначальное поло­жение ; его поперечная составляющая уменьшается по за­кону

                                                                  (II.13)

где M_1,0 - начальное значение  к моменту выключения поля; T — время поперечной релаксации, показывающее скорость затухания свободной прецессии ядер.

При прецессии  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 , что и . (здесь U₀ - амплитуда ЭДС в момент выключения поляризую­щего поля).

Значение U₀ — основная величина, определяемая при ЯММ. При методике, основанной на принципе свободной прецессии, регистрируется сигнал от ядер водорода. Ядра других элемен­тов (фтор, алюминий, углерод-13 и др.), 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. Преимущество-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 (свободной) воды или нефти в породе. Это количество соответствует величине эффек­тивной пористости пород, представляющей важнейший пара­метр коллекторов. Другими методами, кроме метода ядерного, резонанса, этот параметр прямо не определяется.

Величину U₀, измеряемую таким образом при ЯММ, 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. п.) соот­ветствуют эффективной пористости k_{п эф} коллекторов. Точку записи ЯММ относят к середине катушки зонда.