Ядерно-магнитный резонанс

СОДЕРЖАНИЕ

 

	Введение………………………………………………………………....	3
1.	Суть ядерно-магнитного метода……………………………………….	4
2.	Аппаратура и методика измерений ЯММ……………………………..	6
3.	Кривые ЯММ…………………………………………………………….	10
4.	Область применения ЯММ  и решаемые им геологические задачи…..	12
	Библиографический список…………………………………………….	14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В настоящее время геофизические  методы определения коллекторских  свойств и нефтенасыщения горных пород часто используются при  подсчете запасов нефти и газа.

По данным промысловой геофизики могут быть определены следующие параметры: 1) эффективная мощность; 2) положение водонефтяного (ВНК), газоводяного (ГВК), газонефтяного (ГНК) и текущих контактов на различных этапах разработки месторождения; 3) коэффициент пористости для большинства продуктивных объектов (за исключение отдельных типов сложных коллекторов); 4) коэффициент нефтегазонасыщения для всех коллекторов, кроме трещинно-кавернозных.

В последние годы промыслово-геофизическую  информацию широко используют при проектировании разработки месторождений нефти и газа, при контроле и анализе процесса разработки. Решение этих задач требует знания коэффициента проницаемости коллектора, который в межзерновых терригенных коллекторах во многих случаях определяется геофизическими методами.

Таким образом, промысловая геофизика  обеспечивает получение всех основных параметров, необходимых для подсчета запасов, составления проекта разработки месторождений.

В этой работе подробно остановимся  на методе ядерно-магнитного резонанса, основанного на изучении разреза скважин путем измерения ЯМ свойств пород.

 

 

 

 

 

 

 

1. Суть ядерно-магнитного метода

 

Ядерно-магнитный метод (ЯММ) основан на изучении величин искусственного электромагнитного поля, образующегося в результате взаимодействия магнитного и механического моментов ядер химических элементов горных пород с импульсным внешним магнитным полем.

Все элементарные частицы  и ядра химических элементов, кроме  массы и порядкового номера (заряда), характеризуются величинами собственного механического момента (спина) S и магнитного момента μ, а также гиромагнитным отношением γ, представляющим собой отношение магнитного момента ядра к его спину (γ= μ/S).

В постоянном внешнем  магнитном поле на ядро, обладающее магнитным моментом, действует пара сил, стремящаяся расположить момент параллельно этому полю. В то же время вследствие наличия механического момента ядро, подобно волчку, будет прецессировать вокруг направления этого поля с частотой ω_о, пропорциональной напряженности поля Н₀ и называемой ларморовой частотой:

Если на ядра элементов  подействовать сильным магнитным  полем (полем поляризации) напряженностью Н_под с магнитным моментом М_под, перпендикулярным к полю Земли Н₃, то ядра в силу наличия спина S и ядерного магнитного момента μ будут ориентироваться в направлении суммарного поля поляризации Н_сум, создавая вектор ядерной намагниченности (магнитный момент М_сум )(рис. 1).

В случае быстрого выключения поля поляризации под действием магнитного поля Земли ядра элементов возвращаются в исходное положение (рис. 1), прецессируя вокруг направления внешнего магнитного поля, подобно волчку, в поле силы тяжести с характеристической ларморовой частотой около 2 кГц, обусловленной напряженностью магнитного поля Земли (Нз=40 А/м) и гиромагнитным отношением ядер. При этом ядрами тех элементов, для которых ларморова частота при заданной напряженности постоянного магнитного поля совпадает с частотой переменного ноля, максимально поглощается энергия поля. Это явление называется ядерным магнитным резонансом  (ЯМР).

Рис. 1. Поведение вектора намагниченности ядер М до поляризации (а), во время поляризации (б), в начале свободной прецессии (в) (по С. М. Аскельроду).

Мз — магнитный момент Земли

 

 

При своей прецессии  ядра под действием вращающейся поперечной составляющей вектора ядерной намагниченности М 
создают переменное (затухающее во времени) электромагнитное поле, напряженность которого измеряется с помощью приемной катушки скважинного прибора. В катушке возникает 
электрический синусоидальный сигнал (сигнал свободной прецессии— ССП), затухающий по экспоненте с постоянной времени Т₂, называемой временем поперечной релаксации 

,

где τ— время, прошедшее после выключения поля поляризации.

По полученному сигналу свободной прецессии можно определить Е₀ — начальную амплитуду э. д. с, Т₁ — время продольной, или термической, релаксации, характеризующее скорость нарастания ядерного намагничивания по направлению приложенного поля поляризации, и Т₂ — время поперечной релаксации, которое является мерой скорости расфазировки прецессии ядер. Под временем релаксации обычно понимается время, в течение которого начальная амплитуда э. д. с. Е₀ уменьшается в 2,7 раза.

Величины Е_о, Т₁ и Т₂ связаны с физическими свойствами горных пород, но для изучения время поперечной релаксации Т₂ искажено неоднородностью поля Земли.

Из всей совокупности элементов, слагающих горные породы, только ядра водорода, входящие в состав свободной жидкости, обладают достаточно большим гиромагнитным отношением (4257 Гц/Гс), чтобы создать под действием поляризующего магнитного поля э. д. с, которая может быть зарегистрирована в условиях скважины. Метод изучения разрезов скважин, основанный на регистрации эффектов свободной прецессии ядер водорода, получил название ядерно-магнитного метода. Связанная вода, очень вязкая нефть, твердые и другие полярные высокомолекулярные углеводороды, адсорбируемые на поверхности частиц породы, дают столь быстро затухающие э. д. с, что на показаниях метода ЯММ их присутствие в исследуемом разрезе не сказывается. В связи с этим объектом исследований ядерно-магнитным методом являются ядра водорода, входящие в тот или иной свободный флюид (воду, нефть или газ). Радиус исследования практически равен 1,58d_с где d_c — диаметр скважины.

 

2. Аппаратура и методика измерений ЯММ

 

Аппаратура ядерно-магнитного метода представляет собой скважинный прибор и наземную панель. Скважинный прибор состоит из двух частей. В  нижней части в цилиндрическом кожухе из полихлорвиниловой трубы, заполненной маслом, размещены два датчика — основной и вспомогательный, в верхней части в дюралевом кожухе смонтирована электронная схема. Основной датчик используется для создания магнитного поля поляризации в пласте и наблюдения сигнала свободной прецессии. Он представляет собой соленоид с сердечником прямоугольного сечения, длинная сторона которого параллельна главной оси прибора. Длина зондов L₃ (чувствительной части катушки) равна 0,75 м. Сила тока поляризации составляет ЗА. Вспомогательный датчик имеет тороидальную форму и служит для контроля работы аппаратуры.

После включения поляризующего  тока вектор намагниченности М устанавливается постепенно в течение времени τ_пол и асимптотически приближается к значению своего насыщения (рис. 2,б). Практически время поляризации выбирается равным (3-5)Т₁. По истечении этого времени сила тока поляризации /пол ступенчато уменьшается до нуля с целью исключения влияния переходных процессов (рис. 2,а). После прекращения переходных процессов быстро выключается остаточный ток I_ос коммутатором скважинyого прибора. Коммутатор, в свою очередь, подключает катушку на вход усилителя для регистрации сигнала свободной прецессии, т. е. в этот интервал времени основной датчик является приемником. За время действия остаточного тока τ_ос величина вектора ядерной намагниченности лишь незначительно уменьшается (рис. 2, в) и он практически не изменяет своего направления. Частота действия коммутирующего устройства устанавливается в пределах 0,1—2,0 Гц.

Сигнал свободной прецессии  через усилитель по каналу связи поступает в наземную панель, где он дополнительно усиливается, затем выпрямляется и регистрируется. Вследствие резонансного усиления форма огибающей сигнал свободной прецессии искажается (рис. 2, г) в левой части и как бы смещается на время т вправо. В связи с этим для определения начальной амплитуды сигнала свободной прецессии U₀ необходимо получить, по крайней мере, два значения огибающей э. д. с.— U₁ и U₂ или U₁ и U₃, которые соответствуют временам измерения τ₁, τ₂, τ₃, отсчитанным от момента времени, сдвинутого на величину τ от начала прецессии.

По значениям U₁ и U₂ или U₁ и U₃ счетно-решающее устройство, установленное в наземной панели, вычисляет начальную амплитуду:

или

,

которая регистрируется в функции глубин наряду с замеряемыми значениями U₁ , U₂

и U_{3 .}

Масштабы кривых U₁ , U₂ и U₃ и Uo устанавливают в значениях кажущегося индекса свободного флюида (ИСФ)_к. Это понятие аналогично применяющемуся в промысловой геофизике понятию кажущегося удельного сопротивления. Под ИСФ понимается относительный объем свободного флюида в породе, приведенный по концентрации протонов к объему воды и измеренный в процентах. Значениям ИСФ, равным нулю и 100%, соответствуют начальные амплитуды сигнала, получаемые при замерах в отсутствие свободного флюида и при погружении зонда ЯММ в неограниченный объем воды.

При записи кривых ЯММ  должен быть обеспечен оптимальный режим измерения, т. е. необходимые времена поляризации, времена измерения и интегрирования, а также скорость перемещения прибора по стволу скважины. Времена измерения τ₁, τ₂, τ₃ устанавливаются в зависимости от характерного для исследуемого разреза кажущегося времени поперечной релаксации так, чтобы обеспечить минимум погрешности при переходе от измеренных U₁ , U₂ и U₃ к амплитуде Uo, и обычно составляют τ₁=35 мс, τ₂ = 50 мс и τ₃ = 70 мс. Время интегрирования выбирается соответственно  постоянной  времени  спада СПП.

Скорость движения прибора ЯММ ограничивается требуемым временем поляризации, которое должно быть таким, чтобы  выдерживалось условие τ_полн  > 3Т₁. Оптимальная скорость исследования ЯММ рассчитывается по формуле:

где τ_изм — время измерения ССП (в с). Обычно она не превышает 250 м/ч. Более высокая скорость допустима только при обзорных измерениях.

Если ЯММ применяется  для определения ИСФ, то записываются кривые U₁ , U₂ и U₃ и Uo. При выделении коллекторов, характеризующихся низкой эффективной пористостью, для снижения влияния помех необходимо записывать одну кривую U₂ в режиме максимального интегрирования и с пониженной скоростью передвижения прибора (120—200 м/ч).

Время Т₁ может быть определено наиболее точно при установке прибора на заданной глубине и измерении амплитуд ССП при различных поляризациях (измерение Т₁ в сильном поле) или при различных временах действия остаточного тока (измерение Т₁ в слабом поле).

 

 

 

 

3. Кривые ЯММ

 

Кривые ЯММ симметричны  относительно середины однородных пластов. С серединой пласта совпадает максимум. Границы мощных пластов отбиваются в точках, соответствующих половине максимального значения амплитуды кривой ЯММ (рис. 3,а). Для пластов ограниченной мощности с h/L₃ <1 границы смещаются к максимуму кривой и могут быть отмечены в точках, находящихся от начала и конца аномалии соответственно на расстоянии, равном половине длины рамки.

Для одиночных однородных пластов большой мощности характерным значением ИСФ является амплитуда аномалии против середины пласта. При мощности одиночного пласта, меньшей длины зонда, в типичное значение ИСФ должна быть введена поправка за ограниченную мощность.

Переход от кажущихся  значений к истинным значениям ИСФ  производится по специальным палеткам или по формуле

где — обобщенные поправочные коэффициенты за различие величины и времени действия тока поляризации при измерении в скважине и эталонировании, за скорость передвижения прибора, время действия остаточного тока, за азимут и угол ствола скважины и эталонировочного устройства, различие температур промытой части пласта и жидкости при эталонировании, диаметр скважины, толщину глинистой корки, добротность катушки зонда при исследовании скважины и эталонировании.

 

 

 

 

 

 

 

4. Области применения ЯММ и решаемые им геологические задачи

 

Ядерно-магнитным методом  исследуются разрезы глубоких скважин с целью выделения пластов-коллекторов и определения характера их насыщения (нефть, газ, вода), а также эффективной пористости.

Кривые сигнала свободной  прецессии отражают в породе наличие свободной жидкости, поэтому все пласты, выделяемые аномалией на фоне помех, относят к пластам-коллекторам (см. рис. 3,а).