§30. Ядерно-магнітний метод

Ядерно-магнітний метод (ЯММ) заснований на вивченні величин штучного електромагнітного поля, що утворюється в результаті взаємодії магнітного і механічного моментів ядер хімічних елементів гірських порід із зовнішнім магнітним полем.

Усі елементарні частинки та ядра хімічних елементів, окрім маси і порядкового номеру (заряду), характеризуються величинами власного механічного моменту (спіну) і магнітного моменту , а також гіромагнітним відношенням , що являє собою відношення магнітного моменту ядра до його спіну:

(90)

Серед породоутворюючих елементів ефект ядерного магнетизму найбільш сильно виявляється для водню, оскільки ядрам атомів водню притаманне найбільше значення гіромагнітного відношення. Завдяки цьому їхню присутність вдається встановити в умовах свердловини. Ядерний магнетизм усіх інших елементів є занадто малим, аби його можна було застосовувати для вивчення розрізів свердловин. Тому при дослідженні гірських порід достатньо враховувати лише ядерну намагніченість протонів.

В постійному зовнішньому магнітному полі на ядро, яке має власний магнітний момент, діє сила, що намагається розташувати момент ядра паралельно цьому полю. В той же час внаслідок дії механічного моменту ядра, що намагається зберегти положення власної вісі обертання, ядро буде прецесувати навколо напрямку зовнішнього поля (рис. 50) з частотою , пропорційною напруженості поля , яка називається ларморовою частотою і складає біля 2 кГц:

(91)

Ядра водню з магнітними моментами в зовнішніх магнітних полях намагаються орієнтуватися в напрямку вектора напруженості цього поля. Внаслідок цього виникає результуючий магнітний момент (вектор ядерної намагніченості), що являє собою векторну суму елементарних магнітних моментів : , де – кількість ядер в об’ємі речовини.

Рис. 50. Схема прецесії вектора магнітного моменту μ ядра водню (протона) навколо вектора зовнішнього магнітного поля Н_з

В природному магнітному полі Землі (МПЗ) сумарний вектор ядерної намагніченості буде спрямованим в напрямку вектору , але незначним за амплітудою, оскільки напруженість МПЗ є відносно малою величиною (  А/м). Але, якщо на ядра елементів подіяти сильним магнітним полем (полем поляризації) напруженістю , перпендикулярним до поля Землі , то ядра будуть орієнтуватися в напрямку сумарного поля , і сумарний вектор ядерної намагніченості буде мати значну амплітуду, внаслідок узгодженої орієнтації переважної більшості елементарних магнітних моментів (рис. 51, а).

Рис. 51. Поведінка вектору сумарної ядерної намагніченості М речовини в умовах накладення на магнітне поле Землі Н₀ поля поляризації Н_пол (а), та в перші секунди після його зняття (б).

При знятті поля поляризації ядра водню переорієнтовуються в напрямку вектора МПЗ (рис. 51, б), синхронно прецесуючи навколо нього протягом деякого часу (біля 2-х секунд) з ларморовою частотою . За кілька секунд відбувається втрата синфазності прецесій окремих елементарних магнітних моментів внаслідок взаємодії їх один з одним, і синхронна прецесія зникає. Проте цього часу цілком достатньо, аби зареєструвати сигнал і визначити частоту прецесії, що пов’язана з напруженістю МПЗ співвідношенням (91). Згодом, внаслідок хаотичного теплового руху атомів речовини, відбувається повне руйнування набутої ядерної намагніченості, і сумарний вектор ядерної намагніченості прямує до свого початкового значення : .

Принцип вимірів

Як зазначалося вище, ядерно-магнітний метод заснований на реєстрації ефектів вільної прецесії ядер водню. З цією метою в свердловину спускають свердловинний прилад, в якому розміщується котушка видовженої прямокутної форми, підсилювач і перемикач, що поперемінно комутує виходи котушки то до джерела постійного струму (силою 3 А), то до входу підсилювача. При підключенні котушки до джерела постійного струму в оточуючому середовищі створюється постійне магнітне поле поляризації. При підключенні котушки до підсилювача наведена в ній під дією узгодженої прецесії ядер водню е.р.с. підсилюється і передається по кабелю на поверхню в наземну апаратуру, де і реєструється.

При пропусканні струму поляризації через котушку протягом часу у досліджуваному середовищі виникає постійне магнітне поле напруженістю . Вектор цього поля складає деякий кут (зазвичай 90º) з вектором напруженості МПЗ і значно (приблизно на два порядки) перевищує його за величиною. Вектор ядерної намагніченості , що виникає при цьому, орієнтується в напрямку результуючого вектору (рис. 51).

Вектор встановлюється не одразу після увімкнення струму , а протягом часу повздовжньої релаксації (часу встановлення рівноваги), що характеризує швидкість зростання ядерної намагніченості за напрямком прикладеного поля поляризації (рис. 52):

, (92)

де – амплітуда вектору ядерної намагніченості при ; практично приймається рівним .

Рис. 52. Графік становлення ядерної намагніченості. Час повздовжньої релаксації Т₁ = 0.5 сек.

Після вимкнення струму поляризації у середовищі діє лише магнітне поле Землі, і вектор ядерної намагніченості прецесує навколо вектора з коловою частотою , поступово повертаючись до свого початкового значення . Вектор ядерної намагніченості по відношенню до вектора може бути розкладений на дві складові: повздовжню , що співпадає з напрямком вектору , і поперечну , перпендикулярну до (рис. 53).

Рис. 53. Вектор сумарної намагніченості М, розкладений на дві взаємоортогональні складові.

Під дією вектора в котушці наводиться електричний синусоїдальний сигнал (змінна е.р.с.) – сигнал вільної прецесії, що відповідає амплітуді е.р.с. в момент часу , який пройшов з початку прецесії, і згасає за експоненційним законом із постійною часу поперечної релаксації (рис. 54):

(93)

Час поперечної релаксації характеризує швидкість загасання сигналу (за зазвичай приймається час, протягом якого начальна амплітуда зменшується приблизно в 2.7 рази). – значення сигналу вільної прецесії в початковий момент часу .

Рис. 54. Загасання сигналу вільної прецесії із часом. Час поперечної релаксації Т₂ = 2 сек.

Сигнал вільної прецесії підсилюється і передається по каротажному кабелю на поверхню, де реєструючий пристрій фіксує амплітуду сигналу і його затухання в часі. Для вивчення розрізів свердловин найбільшу цікавість представляє величина , пропорційна кількості ядер водню, що входять до складу рухомого (вільного) флюїду – нафти або води. Оскільки СВП спадає за експоненційним законом, то достатньо мати два значення його амплітуди і (або і ), виміри яких виконані відповідно у час , і (35, 50 і 70 мс), аби за ними шляхом екстраполювання встановити амплітуду сигналу , за якою визначається так званий індекс вільного флюїду:

(94)

Апаратура ЯММ дозволяє виконувати одночасну автоматичну реєстрацію двох або трьох каротажних кривих, що характеризують зміну амплітуд сигналу вільної прецесії з глибиною при фіксованих значеннях часу , і . За цими даними оцінюється (або безпосередньо реєструється) величина – амплітуда СВП на момент вимкнення струму поляризації . Величина калібрується в одиницях індексу вільного флюїду (ІВФ), що характеризує об’єм (у %) пор гірської породи, заповнений вільною рідиною, яка бере участь в утворенні СВП. Індекс вільного флюїду визначається, як відношення початкової амплітуди СВП, зареєстрованої на зразку гірської породи, до початкової амплітуди СВП, виміряної на дистильованій воді, що займає такий самий об’єм, як і зразок породи.

Криві ЯММ прийнято записувати в масштабі ІВФ (у %/см).

Область застосування та вирішувані задачі

Основна область застосування ядерно-магнітного методу – промислова геофізика. Цим методом досліджуються нафтогазові свердловини з метою виділення пластів-колекторів і визначення характеру їх насичення (нафта, газ або вода), а також ефективної пористості. Метод дозволяє з великою точністю виявляти пласти, що вміщують рухливий флюїд.

Діаграми сигналу вільної прецесії відображують наявність в породі вільної рідини, тому усі пласти, що виділяються аномальними значеннями на фоні завад, відносять до пластів-колекторів (рис. 55).

Рис. 55. Криві ядерно-магнітного методу в теригенному розрізі. Криві U₁, U₂, U₃ відповідають сигналу вільної прецесії на часах τ₁, τ₂, τ₃ після початку прецесії.

За часом повздовжньої релаксації визначають тип флюїду, що насичує поровий простір пластів-колекторів, і ступінь змочування гірських порід. Для водонасичених порід  мс. За умови насичення цих порід нафтою або газом, час релаксації збільшується (  мс).

Як зазначалося вище, оскільки індекс вільного флюїду характеризує об’єм (у %) пор гірської породи, зайнятих вільною рідиною, то ІВФ можна умовно рахувати таким, що відповідає коефіцієнту ефективної пористості породи.

Ядерно-магнітний метод не може бути застосований при наявності в породі навіть незначних домішок магнітних мінералів, оскільки в цьому випадку наведена е.р.с. зникає. Остання обставина використовується для виключення впливу на показання ЯММ води, що міститься в промивальній рідині. Для нейтралізації цього явища в промивальну рідину рекомендується додавати магнетит (біля 25 кг на 100 м³ розчину).

Ядерно-магнітним методом можливо досліджувати лише відкритий стовбур нафтової або газової свердловини, оскільки сталева обсадна колона є феромагнітним матеріалом.