Физические основы

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 [1].

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 г, представляющим собой отношение магнитного момента ядра к его спину (г = 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 w0, пропорциональной напряженности поля Н0 и называемой ларморовой частотой:

wо = гН0.

Если на ядра элементов подействовать сильным магнитным полем (полем поляризации) напряженностью Нцол с магнитным моментом Мпол, перпендикулярным к полю Земли Н3, то ядра в силу наличия спина S и ядерного магнитного момента µ будут ориентироваться в направлении суммарного поля поляризации Нсум, создавая вектор ядерной намагниченности (магнитный момент Мсум (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 поля, 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). М3 -- 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

E = Eosinwoфexp(--T1/T2),

где ф--время, прошедшее после выключения поля поляризации.

По полученному сигналу свободной прецессии можно определить Ео -- начальную амплитуду э. д. с., T1 -- 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. Ео уменьшается в 2,7 раза.

Величины Е0, T1 и Т2 связаны с физическими свойствами горных пород, но для изучения время поперечной релаксации T2 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 я д е р н о - м а г н и т н о г о 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-магннтным методом являются ядра водорода, входящие в тот или иной свободный флюид (воду, нефть или газ). Радиус исследования практически равен 1,58dc, где dc -- диаметр скважины.