Метод ядерно-магнитного резонанса Физический принцип ядерномагнитного резонанса

Метод ядерно-магнитного резонанса

Физический принцип ядерномагнитного резонанса Магнитное поле Во Намагничивание по направлению поля Во Прецессия магнитных моментов ядер Взаимодействие протонов с магнитным полем: q В земном магнитном поле B 0 ядро атома имеет частоту прецессии (f 0) q Эта частота соответствует значению: Гиромагнитное отношение (1 H) Статическое магнитное поле g Bo 2 p. 4258 s-1 G-1 ~500 Гаусс Наилучшим образом взаимодействуют с магнитным полем протонсодержащие жидкости – углеводороды, пластовые воды

Физический принцип ядерно-магнитного резонанса Магнитное поле Во Поле В 1 При включении поля В 1 происходит переориентация магнитных моментов ядер из плоскости поля Во в направлении В 1 Для переориентации протонсодержащих ядер необходимо воздействие внешним магнитным полем В 1, направленным перпендикулярно к Во. При выключении этого поля протоны возвращаются в прежнее положение прецессии. Время, в течение которого происходит процесс установления прецессии ядер – время продольного замедления (релаксации) Т 1

Поляризация (перемагничивание )ядра водорода Поляризация ядра водорода В магнитном поле Земли поляризация ядра водорода очень слабая Время поляризации (сек) 4

Эффект поляризации Влияние Т 1 А- углеводороды Поляризация ядер водорода Флюид A 5 В – пластовая вода Fluid В Флюид. B Время ожидания

Физический принцип ядерно-магнитного резонанса Геомагнитное поле Во Время, в течение которого прекращается процесс прецесии ядер в горизонтальной плоскости – время поперечного замедления (релаксации) Т 2 Дефазировка процесса прецесии в горизонтальной плоскости

Амплитуда сигнала Распределение амплитуд сигнала Время, мксек Амплитуда зарегистрированного сигнала и его спектр по времени поперечной релаксации Т 2, мксек

Цикл ЯМР Нулевая намагниченность ß Возбуждение спинов сильным статическим полем в течение времени T 1 в Земном магнитном поле (В 0) ß Вектор ядерной намагниченности устанавливается под 90° к оси скважины ß Происходит затухание (T 2) ß Измерения ß Во время измерений, влияние возбужденного магнитного поля затухает ß Запись измерений Нулевая намагниченность 8

Конструкция зонда ЯМР Постоянные магниты Стенка скважины Антенна Мертвая зона Зона чувствитель ности прибора Кожух Постоянные магниты 9 Эффективный объем исследования

Затухание амплитуд Амплитуда сигнала CMR = Пористость Вода в контрольной емкости T 2 = 3700 msec C M R poros ity Пористость Вода в поровом пространстве Water in pore space of rock T 2 = 10 to 500 msec Время T im 10 100% Сигнал порождается ядрами водорода, которые находятся в порах породы: e (T 2 ) Ø Первичная амплитуда сигнала позволяет получить CMR пористость Ø Время затухания сигнала (T 2) позволяет судить о размере пор.

Скелет Малые поры Большие поры Связь амплитуды сигнала и размеров пор в горных породах

Амплитуда сигнала и пористость Экспоненциальное затухание 1. 0 0. 8 Амплитуда сигнала - это сумма экспоненциальных затуханий 3 размера пор Амплитуда 0. 6 30% поровый объем 0. 4 80 20 0. 2 0. 0 T = 5 ms 2 -0. 2 0 20 40 60 t (ms) T 20% поровый объем 0. 5 2 80 100 950505 -01 c Распределение 0. 4 40% поровый объем 0. 3 0. 2 0. 1 0. 0 1 10 100 T 12 2 (ms) 1000 950505 -02 a

Амплитуда Распределение амплитуд сигналов ЯМР и структура порового пространства 13 0. 3 T 2 3000

Отношение пористости ЯМР к пористости керна, определенной методом центрифугирования 20 скв 15 f f ( 3 3) A B 10 5 0 0 5 10 F центрифуга 14 15 20

Определение связанной воды методом ЯМР Оценка объема связанной воды с помощью ЯМР Влияние связанной воды – для песчаников изображено ниже на распределении T 2 12 Распределение Песчаник Связанная вода f (T < 3 ms) 2 10 8 6 4 2 0 Стралев и др (1994) -2 -2 15 0 2 4 6 8 10 12 f (вода, связанная в глинах)

Объемы связанной и свободной воды Диаметр пор (микрон) 0. 01 0. 1 1 10 T 2 original T 2 spun sample Распределение сигнала Граничное условие свободного флюида 1 10 1000 Time (T 2 msec) Вода, Капилляр связанная но глиной связанная вода УВ Общая пористость Эффективная пористость CMR 3 ms 16 пористость • Для песчаников было определено 33 msec ограничительное условие(fff) • Проницаемость песчаника k = C(f. CMR)4(T 2, log)2

Определение проницаемости по ЯМР • Метод 1: Формула Козени - Кеньона (SDR Perm. ) a = эмпир. конст. , ~ 4 для песчаников b = показатель пористости, ~ 4 c = показатель T 2 ~ 2 T 2 LM = логарифмическое среднее T 2 • Method 2: Формула Тимура - Коатса a' = эмпир. конст. , ~ 4 для (Timur Perm. ) песчаников 17 b' = показатель пористости, ~ 4 c' = показатель отношений, ~ 2 FFV = объем свободной жидкости BFV = объем связанной жидкости

Проницаемость по ЯМР – проницаемость по керну 10 0 скв A , C = 2. 8 B , C = 3. 4 Ккерн kямр 0. 01 ямр ) 4 (T 2 , lo g ) 2 10 0 k ямр 18 = C (f

Сопоставление пористости и проницаемости полученных по ЯМР с керном 19

Изображение форм волн ЯМР 20

Индикация песчаников по ЯМР СП ЯМР Плотностной каротаж Хорошее соответствие между ГК и объемом связанной жидкости (BFV), также видны аномалии СП

Индикация песчаников по ЯМР По данным ГК песчаники не выделяются, данные ЯМР согласуются с результатами СП 22

Выделение тонких песчаных пластов v Прибор ЯМР имеет диаметр 6 дюймов v В условиях скважины может быть достигнута разрешающая способность по вертикали – 8 дюймов v ( 6 дюймов прибор+ временная константа) v Стандартные приборы каротажа - плотностной, нейтронный имеют разрешающую способность по вертикали порядка 18 дюймов, в глубину – 3 диаметра прибора. v В тонких переслаивающихся песчаниках (<6 дюймов) по данным ЯМР сигналы от свободной и связанной воды не разделяются, пока пласт не достигнет мощности 18 дюймов. v Две фракции в песчанике выделяются как бимодальное распределение данных ЯМР. 23

Выделение тонких песчаных пластов çТонкие слои песчаников 24

Применение ЯМР: Ø Наблюдение Т 2 является способом изучения явления ЯМР. Ø Пористость определенная методом ЯМР в лабораторных условиях хорошо совпадает с пористостью, определенной по керну гидростатическим методом Ø Разделение продуктивной части пласта от непродуктивной основано на выделении порогового времени, которое зависит от минералогии Ø ЯМР может использоваться для оценки проницаемости флюидов в песчанике. Результаты для карбонатных пород не настолько хороши, из-за влияния пустот в породе. 25