Ядерно-магнитные свойства

Как мы уже знаем, важным с практической точки зрения свойством горных пород является их пористость, поскольку поры могут вмещать воду, нефть или газ. В результате взаимодействия поровой воды с поверхностью твердой фазы часть порового про­странства оказывается заполнено физически связанной водой, не способной к фильтрации и замещению углеводородами. Единс­твенным геофизическим методом, раздельно определяющим в порах доли физически связанного и свободного флюида, является ядерно-магнитный метод, основанный на дифференциации гор­ных пород по ядерно-физическим свойствам (Аксельрод, Нере­тин, 1990; Неретин и др.,2001; Хаматдинов и др., 2002 и др.).

Ядерно-магнитные свойства горных пород обусловлены нали­чием у ядер атомов большинства химических элементов как меха­нических (р), так и магнитных (µ) моментов, так как ядра состоят в том числе и из заряженных протонов. Исключение составляют ядра наиболее распространенных химических элементов (₆С¹², О¹⁶, ₁₄Si²⁸, ₂₀Са⁴⁰ и др.), имеющих четное и одинаковое число протонов и нейтронов в ядре. Основной ядерно-магнитной характеристикой изотопа химического элемента является гиромагнитное отношение, определяющее в нем соотношение магнитного и механического моментов: γ= µ/р.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные момен­ты ядер направлены хаотично и их суммарный магнитный момент равен нулю. Если ядра поместить в магнитное поле (Земли или постоянного магнита), то магнитное взаимодействие выразится в ориентации векторов µ в направлении внешнего магнитного поля. Однако полной ориентации не происходит, и вектор µ, подобно оси вращающегося волчка в поле тяготения Земли, прецессирует вокруг направления вектора напряженности магнитного поля. Частота прецессии (f) и ядерная магнитная восприимчивость (χ) зависят от гиромагнитного отношения и являются индивидуаль­ными для ядер конкретного изотопа.

Для увеличения весьма слабой ядерной намагниченности ис­пользуется механизм свободной прецессии ядер. Заключается он в создании их неравновесного состояния с помощью дополнитель­ного поляризующего поля высокой интенсивности, поперечного к основному. Таким образом достигаются увеличение ядерной на­магниченности и поворот ее относительно направления основного поля. После выключения поляризующего поля начинается свобод­ная прецессия µ отдельных ядер и всего вектора намагниченности М вокруг направления вектора основного поля. Обнаруживается эта прецессия по ЭДС, наводимой прецессируемым полем в изме­рительной катушке прибора и имеющей частоту, которая опреде­ляется формулой:

где H – индукция магнитного поля.

Ядерная намагниченность характеризуется определенным временем установления или спада. При включении поляризующе­го магнитного поля она растет по закону:

M₁ = M_max·(1-e^-t/T1)

где М_max — намагниченность через большое время поляриза­ции; T1 - время продольной релаксации - параметр, характеризу­ющий скорость изменения составляющей намагниченности, ориентированной вдоль направления внешнего поля. Установлению намагниченности препятствует тепловое движение молекул ве­щества (решетки), поэтому T1 называют также временем спин-решетчатой или термической релаксации.

После выключения поляризующего поля ЭДС измерительной катушки уменьшается в соответствии с изменением поперечной составляющей М₂ вектора намагниченности. Величина M₂ убывает по закону:

M₂ = M_max·e^-t/T2

где Т2 - время поперечной релаксации - постоянная, характе­ризующая скорость уменьшения поперечной составляющей на­магниченности. Наряду с другими процессами, большой вклад в уменьшение поперечной составляющей намагниченности вносит взаимодействие между системой спинов ядер, поэтому Т2 называ­ют также временем спин-спиновой релаксации.

Изменяя f радиочастотного поля (или величину магнитного поля), можно создать условия ре­зонанса для изотопов различных химических элементов, поскольку величина гиромагнитного отношения индивидуальна для каждого из них. Это является содержанием ядерно-магнитной спектроско­пии в химии. Провести ядерно-магнитную спектроскопию горных пород при геофизических исследованиях скважин в настоящее время затруднительно, поэтому аппаратуру настраивают на усло­вия резонанса только ядер водорода.

Водород (изотоп ₁Н¹), ядро которого состоит из одного протона, отличается аномальными ядерно-магнитными свойствами. Именно этот химический элемент в больших количествах входит в состав поровых флюидов — воды, нефти и углеводородного газа. Содержащиеся во флюидах кислород и углерод не дают большого ядерно-магнитного эффек­та из-за отсутствия магнитных моментов у основных их изотопов и низкой распространенности других.

Наиболее информативными характеристиками являются ре­лаксационная кривая, отражающая затухание намагниченности порового флюида в породе по времени поперечной релаксации Т2, и амплитуда сигнала, соответствующая времени начала измерения релаксационной кривой.

Затухание намагниченности порового флюида определяет­ся тремя параллельно протекающими процессами релаксации.

1. Поверхностная релаксация (основная) возникает в результате вза­имодействия ядер водорода с поверхностью зерен и зависит от распределения пористости по размерам пор, от формы пор и ре­лаксационной активности поверхности.
2. Диффузная релаксация проявляется в неоднородном магнитном поле в связи с диффузией порового флюида.
3. Объемная релаксация определяется собственно свойствами порового флюида. Эффект объемной релаксации сла­бее поверхностной и может быть измерен в случае неактивной по­верхности твердой фазы (кавернозные карбонаты, гидрофильные коллекторы для углеводородов).

При исследовании диффузной и объемной релаксаций принципиально возможно разделение воды и нефти.

Амплитуда сигнала пропорциональна водородосодержанию. В отличие от нейтронных характеристик горных пород, на амплитуду сигнала ядерно-магнитного резонанса влияет водородосодержание только флюида, поскольку к началу измерения («мертвое время» между выключением поляризующего поля и началом измерения) релак­сация протонов водорода, входящего в состав твердой фазы породы, уже завершается. Амплитуда сигнала при начальном времени измерения соответствует коэффициенту пористости породы.

На рис. 6.24 представлены две кривые, характеризующие ядерно-магнитные свойства пористой породы — измеренная ре­лаксационная кривая и рассчитанная по ней кривая дифференци­ального спектра.

Релаксационная кривая представляет собой зависимость ам­плитуды сигнала от времени измерения и отражает затухание на­магниченности порового флюида. Рассчитанный по релаксацион­ной кривой дифференциальный спектр описывает распределение сигнала ядерно-магнитного резонанса (пористости) по временам поперечной релаксации, соответствующим разным скоростям ре­лаксации намагниченности флюида в порах разного размера.

Так как время релаксации пропорционально размерам пор, то дифференциальное распределение пористости по временам ре­лаксации качественно характеризует распределение пористости по размерам пор. Используя граничные значения времен поперечной релаксации, можно отдельно определить эффективную пористость, пористость глин, пористость, вмещающую капилляр­но-удержанную воду.

На рис. 6.24 представлены результаты исследования двух об­разцов коллекторов с близкими значениями коэффициентов по­ристости, но с сильно отличающимися проницаемостями. Из результатов ядерно-магнитного резонанса видно, что в дифферен­циальном спектре коллектора с проницаемостью 468.8 мД присут­ствуют времена релаксации более 10³ мс, в то время как во втором случае (К_пр=13.38 мД) времена релаксации не превышают 10² мс. Этот факт однозначно указывает на то, что максимальный размер пор в первом коллекторе, как минимум, на порядок превышает максимальный размер пор во втором. Это и является причиной их существенного отличия по проницаемостям.

Метод ядерного магнитного резонанса является единствен­ным методом определения в коллекторах свободного флюида и, следовательно, оценки эффективной пористости. Использование специальных методик позволяет по спектрам времен релаксации давать количественную оценку также проницаемости коллекто­ров.