Глава VI ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ КАРОТАЖ

§ 20. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на изучении ядерно-магнитных свойств водорода флюидов, заполняющих поры породы. Ядра атомов водорода, как и других элементов (фтора, алюминия, углерода-13 и др.), обладают собственным механическим моментом Р (спином) и магнитным моментом μ, оси которых совпадают.

Спин (верчение) характеризует собственный механический момент количества движений, которым обладают элементарные частицы. Он может принимать только целые или полуцелые значения (0; 0,5; 1; 1,5), выраженные в единицах h/2π, где h — постоянная Планка (6,6261·10-34 Дж·Гц-1). Спины электрона, позитрона, протона и нейтрона равны 0,5. Это означает, что они принимают значение 0,5 h/2π. При помещении таких ядер в постоянное внешнее магнитное поле Н их магнитные моменты μ стремятся ориентироваться в направлении вектора данного поля, что ведет к возникновению ядерной намагниченности. При снятии внешнего магнитного поля происходит разрушение приобретенной ядерной намагниченности из-за беспорядочного теплового движения атомов и молекул вещества. Так как это происходит в магнитном поле Земли, ядра ориентируются вдоль этого поля, прецессируя (совершая затухающие вращения) вокруг него подобно волчку в поле силы тяжести с так называемой ларморовой частотой

Картинка

где Hз— напряженность магнитного поля Земли (Hз≈40 А/м); γгир= μ/Р — гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента μ прецессирующих ядер к их механическому моменту Р). Наибольшее значение γгир свойственно водороду. Этим вызвано наиболее сильное выражение эффекта ядерного магнетизма у водорода. Во всех других породообразующих элементах этот эффект слишком мал, чтобы его можно было измерить в скважине. Главной задачей ЯМК является регистрация эффектов свободной прецессии протонов ядер водорода в земном магнитном поле. С этой целью в скважину опускают скважинный прибор, включающий в себя катушку удлиненной прямоугольной формы, коммутатор, попеременно подключающий выводы катушки то к источнику постоянного тока силой в 2—3 А, то к выходу усилителя. При подключении катушки к источнику тока в окружающей среде создается поляризующее постоянное магнитное поле. При подключении катушки к усилителю наведенная в ней под действием прецессии ядер водорода ЭДС усиливается и передается по кабелю на поверхность в наземную аппаратуру, где регистрируется (рис. 79).

Картинка

Схематическое изображение процессов, происходящих при исследованиях методом ЯМК и возникающих при этом векторов ядерной намагниченности, дано на рис. 80. При отсутствии внешнего искусственного магнитного поля магнитные моменты ядер водорода μ ориентированы в направлении магнитного поля Земли Hз, прецессируя вокруг него (рис. 80, I, а).

При пропускании тока поляризации Iп через поляризующую катушку в течение времени tп (рис. 80, II, а) в исследуемой среде образуется постоянное магнитное поле напряженности Нп. Вектор этого поля составляет некоторый угол с вектором напряженности поля Земли Hз и значительно (примерно на два порядка) превышает его по величине. Возникающий при этом в течение времени tп вектор ядерной намагниченности М ориентируется по результирующему вектору Hср, представляющему собой сумму двух векторов напряженности Нп и Hз (рис.80,I,б).

Картинка

Вектор ядерной намагниченности М устанавливается не сразу после включения тока Iп, а в течение времени Т1 продольной релаксации (установления равновесия), характеризующей скорость нарастания ядерной намагниченности по направлению приложенного поля поляризации (рис. 80, II, б):

Картинка

где М0— вектор ядерной намагниченности при tп→∞; практически tп принимается равным (3—5)T1

После выключения поляризующего тока (ступенчато снижением до величины остаточного тока Iост и полным выключением через время tост) в среде действует только магнитное поле Земли, и вектор ядерной намагниченности процессирует вокруг вектора Hз с круговой частотой ω (VI.1), постепенно возвращаясь к своей первоначальной величине (рис. 80, I, в). Вектор ядерной намагниченности М по отношению к Hз может быть разложен на две составляющие: продольную Мll, совпадающую с направлением вектора Hз, и поперечную М⊥, перпендикулярную к Hз.

Под действием вектора М⊥ в катушке наводится электрический синусоидальный сигнал (переменная ЭДС)—сигнал свободной прецессии (ССП), соответствующий Et амплитуде ССП (в В) в момент времени t (в с), прошедшего с начала прецессии, затухающей по экспоненциальному закону с постоянной времени поперечной релаксации Т2 (рис. 80, II, в):

Картинка

Время поперечной релаксации Т2 характеризует скорость затухания сигнала (за Т2 обычно принимается время, в течение которого начальная амплитуда Е0 уменьшается приблизительно в 2,7 раза, E0 — начальная амплитуда ССП, пропорциональная вектору ядерной намагниченности М).

Для предотвращения влияния переходных процессов, вызванных выключением остаточного тока, момент подключения катушки к усилителю сдвинут на величину мертвого времени τ (см. рис. 80, II, г). ЭДС, индуцируемая в катушке зонда, усиливается и передается по кабелю на дневную поверхность, где регистрирующее устройство фиксирует амплитуду ЭДС Ut в момент времени t. Амплитуда Ut представляет собой огибающую сигнала свободной прецессии: Ut = U0exp(—t/T2), где U0 — начальная амплитуда сигнала свободной прецессии. Так как сигнал свободной прецессии убывает по экспоненциальному закону, достаточно иметь два значения его амплитуды U1 и U2 или U1 и U3, разделенных некоторыми временными интервалами t1, t2 и t3 (35, 50 и 70 мс) после начала прецессии, чтобы по ним путем экстраполяции восстановить амплитуду сигнала U0, по которой определяется индекс свободного флюида:

Картинка

Аппаратура ЯМК позволяет одновременно автоматически регистрировать две или три каротажные кривые изменения с глубиной амплитуд сигнала свободной прецессии U1, U2 и U3 при фиксированных временах t1, t2 и t3 и постоянных значениях tп и tост. По этим данным оценивается (или непосредственно регистрируется при использовании счетно-решающего устройства) величина U0, приведенная к моменту выключения остаточного поляризующего тока. Кривые U1, U2, U3, U0, регистрируемые в функции глубины, называются кривыми ЯМК (рис. 81).

Картинка

Комментариев к статье: 1..
[ Добавить ] комментарий
Поля с пометкой * обязательны для заполнения

*Ваше имя
  Ваш сайт  
  Ваш город
*Ваше сообщение

Код подтверждения
*Код с картинки   @
код на картинке содержит только цифры (0..9) и буквы англ. алфавита (A..Z)