Механизмы релаксации ямр

Известны три механизма ЯМР-релаксации, которые влияют на времена релаксации T1или Т2, а именно: релаксация, вызванная по­верхностью зерен породы (или поверхност­ная), релаксация, вызванная молекулярной диффузией в магнитных полях (или диффу­зионная) и объемная релаксация вследствие процессов, происходящих в самом наполня­ющем поры флюиде.¹

Поверхностная релаксация. — Молекулы флюидов находятся в постоянном Броунов­ском движении и диффундируют в поровом пространстве, соприкасаясь с поверхностью зерен породы несколько раз в течение одно­го цикла измерений ЯМР. При этом могут возникнуть два вида взаимодействий, во-первых, протоны водорода могут передать спиновую энергию поверхности зерен и за­тем переориентироваться в статическом магнитным полем В_о. Этот механизм соот­носится с продольной релаксацией Т_1. Во-вторых, протоны могут полностью расфазироваться, что соотносится с попе­речной релаксацией Т2. Исследования пока­зали, что для большинства пород наибольшее влияние на T1 и Т₂ оказывает поверхностная релаксация. Способность по­верхности зерен влиять на протоны называ­ется поверхностной релаксируемостью, р.²

Поверхности зерн не одинаково эффек­тивны в релаксации протонов водорода. На­пример, песчаники почти в три раза более эффективны в релаксации поровой воды, чем карбонаты. Породы с высоким содержа­нием железа или других магнитных минера­лов также характеризуются большими обычных значениями р и, как следствие, меньшими временами релаксации ЯМР.

Размер пор также играет важную роль в поверхностной релаксации. Скорость релак­сации зависит от того, как часто протоны могут соударяться с поверхностью, а это в свою очередь зависит от величины отноше­ния площади поверхности пор к объему — S/V (рис. 16). Столкновения происходят ме­нее часто в крупных порах, имеющих не­большие величины отношения S/V, и где времена релаксации сравнительно длитель­ные. Аналогично, небольшие поры имеют большие значения отношения S/V и корот­кие времена релаксации.³

Для отдельной поры намагниченность ядер­ного спина изменяется по экспоненте, и по­этому амплитуда сигнала, как функция времени, в эксперименте с Т₂ контролируется характеристической временной константой [P2(S/V)]^-1. Следовательно:

1/Т₂ = p₂S/V Аналогично, 1/T1 =р1S/V

Распределение пор по размерам характери­зуется определенным значением отношения S/V. Полная намагниченность определяется суммарным сигналом отдельных пор. Суммар­ный объемов всех пор эквивалентен объему флюида в породе, т. е. пористости. Таким об­разом, полный сигнал пропорционален пори­стости, а общее затухание, отражающее распределение пор по размерам, является суммарным результатом отдельных затуханий. Измерения пористости и распределения пор по размерам являются ключевыми составляю­щими при интерпретации данных ЯМК.

Р ис. 16. Поверхностная релаксация. Прецессирующие протоны движутся по поровому пространству, соударяясь с другими протонами и с поверхностя­ми зерен породы (диаграмма вверху). Всякий раз, когда протон сталкивается с поверхностью зерна, появляется вероятность его релаксационного вза­имодействия. Вызванная поверхностью зерен ре­лаксация является наиболее важным процессом, влияющим на времена Т1 и Т₂. Исследования пока­зали, что при высокой степени вероятности столк­новения с поверхностью зерен — в случае неболь­ших пор (диаграмма в центре) — релаксация происходит быстро, а когда вероятность столкно­вения с поверхностью зерен низка, т. е. в больших порах (диаграмма внизу), — релаксация соверша­ется медленнее.

Диффузионная релаксация в магнитном поле. — Когда в статическое магнитное поле неоднородно, молекулярное движение может вызывать расфазировку и, как следствие, ре­лаксацию Т₂. Релаксация T1 в этом случае не изменится. В однородных полях молекуляр­ная диффузия не вызывает ЯМР-релаксацию.

Возможны две причины возникновения неоднородностей в поле В_о — это конфигурация самого магнита каротажного зонда и разли­чия в магнитных восприимчивостях материа­ла зерна породы и порового флюида.

Сохраняя величины интервала между эхо-сигналами CPMG и напряженности приложен­ного магнитного поля минимальными, можно уменьшить вклад диффузии в релаксацию Т₂ до уровня, которым можно пренебречь.

Объемная релаксация. — Даже если поверх­ности зерен и неоднородности в магнитном поле отсутствуют, релаксация все равно воз­никает в общем объеме флюида. Релаксацией общего объема флюида часто можно прене­бречь, но она становится значимой, когда во­да находится в порах очень большого размера, где протоны водорода редко сопри­касаются с поверхностью, как, например, в ка­вернозных карбонатах. Объемная релаксация также значительна в случаях присутствия уг­леводородов. Углеводородная фаза не контак­тирует с поверхностью пор, и потому не может быть релаксирована механизмом по­верхностной релаксации. Кроме того, повы­шенная вязкость флюида уменьшает время объемной релаксации.⁴ Если же в фильтрате бурового раствора содержатся ионы хрома, марганца, железа, никеля или иные парамаг­нитные ионы, то в таких случаях необходимо внесение поправки. Для расчета поправки об­разец фильтрата бурового раствора можно исследовать прямо на буровой.

Резюме процессов релаксации. — Релакса­ционные процессы происходят параллельно, т. е. их скорости можно складывать:

(1/T₂)total = (1/T₂)s + (1/T₂)D + (1/T₂)B

где (1/T₂)_S — поверхностная релаксация, (1/T₂)d — диффузионная релаксация и (1/Т₂)в — объемная релаксация. Соответству­ющее уравнение для T1 имеет вид

(1/T1)_total = (1/Т1)s+(1/Т1)В.

В релаксации T1 отсутствует вклад диффу­зионной составляющей, так как этот процесс приводит к расфазировке протонов. При ЯМК механизм поверхностной релаксации является, как правило, доминирующим для водяной фазы, а объемной релаксация — для углеводородной.

1.Kleinberg RL, Kenyon WE and Mitra PP: "On the Mechanism of NMR Relaxation of Fluids in Rocks," Journal of Magnetic Resonance 108A, no. 2 (1994): 206-214.

2.Kleinberg RL and Horsfield MA: "Transverse Relaxation Processes in Porous Sedimentary Rock," Journal of Magnetic Resonance 88, no. 1 (1990): 9-19.

Sezginer A, Kleinberg RL, Fukuhara M and Latour LL: "Very Rapid Simultaneous Measurement of Nuclear Magnetic Resonance Spin-Lattice Relaxation Time and Spin-Spin Relaxation Time," Journal of Magnetic Resonance 92, no. 3 (1991): 504-527.

3.Sen PN, Straley C, Kenyon WE and Whittingham MS: "Surface-to-Volume Ratio, Charge Density, Nuclear Magnetic Relaxation and Permeability in Clay-Bearing Sandstones," Geophysics 55, no. 1 (1990): 61-69.

4.Morriss и др. в ссылке 10 основного текста статьи.

Граничные значения могут быть также оп­ределены для конкретных коллекторов, что помогает при проведении социального анали­за, как, например, в случае с коллекторами группы Тхамама на морском месторождении Мубарраз, принадлежащем Нефтяной компа­нии Абу-Даби (г. Абу Даби, ОАЭ),⁸ На этом ме­сторождении по результатам интерпретации данных традиционного каротажа были получе­ны значения водонасыщенности в диапазоне от 10 до 60%. Однако приток воды наблюдал­ся не во всех интервалах, что затрудняло при­нятие решений, связанных с освоением. Значения проницаемости так же изменялись в широких пределах, хотя пористость остава­лась практически постоянной. Лабораторные исследования на образцах керна были прове­дены для того, чтобы определить повышается ли надежность обработки каротажных данных после проведения ЯМК.

Исследования керна показали наличие ши­роко развитой микропористости с содержани­ем большого объема капиллярной воды. Значение открытой пористости было опреде­лено традиционным способом — путем цент­рифугирования водонасыщенных образцов керна. Так как было известно, что исследуе­мый коллектор характеризуется капиллярным давлением 1,75 атм. (172 кПа), то образцы керна центрифугировались при соответствую­щих условиях. Результаты исследований по­казали, что данные ЯМК могут обеспечить получение надежных оценок объема непро­дуктивной пористости при граничной величи­не Т2 = 190 мс. В дополнение к этому, фации проницаемых зернистых известняков и плот­ных известняков с пониженной проницаемос­тью можно разграничивать при граничной величине Т2 = 225 мс.