Метод ядерно-магнітного каротажу

Ядерно-магнітний каротаж (ЯМК) базується на вивченні штучного електромагнітного поля, яке утворюється в результаті взаємодії магнітного моменту та спіну ядер хімічних елементів і зовнішнього магнітного поля.

Ядра елементів (водню, фтору, алюмінію, вуглецю-13 та ін.) володіють власним механічним моментом (спіном) і магнітним моментом, осі яких співпадають. При розташуванні таких ядер в постійному зовнішньому магнітному полі Н їх магнітні моменти μ прагнуть орієнтуватися у напрямі вектора даного поля, що веде до виникнення ядерної намагніченості (Рис. 2.25,а). При знятті зовнішнього магнітного поля, через безладний тепловий рух атомів і молекул речовини, відбувається руйнування придбаної намагніченості. Якщо це відбувається у присутності залишкового магнітного поля, наприклад, поля Землі, ядра прагнуть переміщатися уздовж цього поля, прецесуючи навкруги нього подібно дзизи в полі сили тяжкості, з частотою близько 2 кГц (частотою Лармора) обумовленою напруженістю магнітного поля Землі (Н _з=40 А/м) і гіромагнітними властивостями ядер (Рис. 2.25 б, в).

 

m _з – магнітний момент Землі

Рисунок 2.25 – Поведінка вектора намагніченості ядер m (за С.М.Аксельродом) до поляризації (а), підчас поляризації (б), на початок вільної прецесії (в)

Частота прецесії (ларморова частота) пропорційна гіромагнітному відношенню магнітного моменту прецесуючих ядер m, до їх моменту кількості руху (механічному моменту, спіну) P і напруженості магнітного поля.

Серед породоутворюючих елементів ефект ядерного магнетизму найбільш сильно виражений у водню, оскільки ядрам атомів водню властиве найбільше значення гіромагнітного відношення. Ядерний магнетизм всіх інших елементів дуже малий, щоб його можна було використовувати для вивчення розрізів свердловин.

Метод ЯМК заснований на реєстрації ефектів вільної прецесії ядер водню. З цією метою у свердловину опускають свердловинний прилад, що складається з котушки, підсилювача і перемикача, який поперемінно підключає виведення котушки то до джерела постійного струму силою 3 А, то до входу підсилювача.

Схематично процеси, що протікають при ЯМК, і виникаючі при цьому вектори ядерної намагніченості показані на рис.28. За відсутності зовнішнього штучного магнітного поля магнітні моменти ядер водню µ орієнтовані, в основному у напрямку магнітного поля Землі Н _з, прецесуючи кругом нього (Рис.2.25,а). При пропусканні струму поляризації через котушку в перебігу певного часу t _пол. в досліджуваному середовищі утворюється постійне магнітне поле напруженістю Н _пол (Рис. 2.26,а). Вектор цього поля складає деякий кут з вектором напруженості магнітного поля Землі Н _з, і значно (приблизно на два порядки перевищує його). Виникаючий при цьому вектор ядерної намагніченості М ₀ орієнтується по результуючому вектору Н _ср. Вектор ядерної намагніченості М після включення поляризуючого струму встановлюється не відразу, а протягом часу Т ₁ – подовжньої релаксації (встановлення рівноваги) (Рис. 2.26,б), що характеризує швидкість наростання ядерної намагніченості по напряму поля поляризації

 

, (2.38)

 

де М ₀ – вектор ядерної намагніченості при часі поляризації t _пол, практично t _пол приймають рівним (3-5) Т ₁.

 

Рис. 2.26 – Схема процесів, які виникають при дослідженні

Гірських порід методом ЯМК

(за С.М. Аксельродом)

 

Після виключення поляризуючого струму (поступово, через час t _ост) в середовищі діє тільки магнітне поле Землі і вектор ядерної намагніченості прецесує навкруги вектора Н _з з круговою частотою ω, поступово повертаючись до своєї первинної величини. Вектор ядерної намагніченості М по відношенню до Н _з може бути розкладений на дві складові: подовжню Н і поперечну М, перпендикулярну до Н _з. Під дією вектора М в котушці наводиться електричний синусоїдальний сигнал Е _свп (Рис. 2.26,в) (сигнал вільної прецесії, затухаючий по експоненціальному закону з постійною часу поперечної релаксації Т ₂:

 

(2.39)

 

де t – час з початку прецесії; Т ₂ – час поперечної релаксації, що характеризує швидкість загасання сигналу (за величину Т ₂ приймають звичайно час, протягом якого начальна амплітуда Е ₀ зменшується в 2,7 рази); Е ₀ – величина, пропорційна вектору ядерної намагніченості.

 

Для вивчення розрізу свердловин найбільший інтерес представляє величина U ₀, яка пропорційна числу ядер водню, що входять до складу рухомого (вільного) флюїду: нафти або води.

Апаратура ЯМК одночасно реєструє три криві зміни з глибиною амплітуд сигналу вільної прецесії при фіксованих часах t ₁, t ₂, і t ₃ (Рис. 2.26,г). За цими даними оцінюється величина U ₀, приведена до моменту виключення поляризуючого струму. Початкову амплітуду розраховують за наступною формулою:

 

, (2.40)

 

або

 

. (2.41)

 

На значення сигналу вільної прецесії (СВП) впливають тільки ті ядра водню, які входять до складу молекул, здатних переміщатися в порах гірської породи. Зв’язана вода і тверді вуглеводи на діаграмах СВП не відмічаються.

Величина U ₀ калібрується в одиницях, які називаються індексом вільного флюїду (ІВФ) і характеризують об'єм пор у відсотках зайнятих рідиною. Індекс вільного флюїд умовно вважають коефіцієнтом ефективної пористості

 

(2.42)

Апаратура ядерно-магнітного каротажу

Дана апаратура складається із свердловинного приладу та наземної панелі. Свердловинний прилад складається із двох частин. У нижній частині у циліндричному кожусі з поліхлорвінілової труби, яка заповнена маслом, розміщені два датчики – основний та допоміжний, у верхній частині в дюралевому кожусі змонтована електрична схема.

Основний датчик використовується для створення магнітного поля поляризації в пласті та спостереження сигналу вільної прецесії. Він представляє собою соленоїд із сердечником прямокутного січення, довша сторона якого паралельна головній осі приладу. Сила струму поляризації – 3 А.

Допоміжний датчик має тороїдальну форму та служить для контролю роботи апаратури.

Апаратура ЯМК еталонується в одиницях ІВФ (%/см). Індекс вільного флюїду визначається як відношення початкової амплітуди СВП, зареєстрованої на зразку породи, до початкової амплітуди СВП, заміряної на дистильованій воді, що займає такий же об’єм, як і зразок породи.

Інтерпретація діаграм ЯМК полягає у визначенні величини сигналу вільної прецесії і часу подовжньої релаксації Т ₁ (час поперечної релаксації Т ₂ не використовується).

На діаграмах ЯМК однорідні великої потужності пласти, що вміщують водень відмічаються симетричними максимумами. Визначення тонких пластів ускладнено. За часом повздовжньої релаксації Т ₁ визначають характер насичення порід, які були охарактеризовані по кривій ІВФ як колектори з достатньою ефективною пористістю.

Час подовжньої релаксації Т ₁ за звичай для води менше ніж для нафти: Т _1води=300мс; Т _1нафти=600 мс. Проте, чіткого розділення немає, оскільки впливають на ці свідчення багато чинників: гідрофільність, питома поверхня, тип пористості, глинистість, в’язкість флюїду та ін..

Криві ЯМК

Дані криві симетричні відносно середини однорідних пластів. Максимум співпадає із серединою пласта. Границі потужних пластів відбивають у точках, які відповідають половині максимального значення амплітуди кривої ЯМК.

При інтерпретації кривих ЯМК у значення U ₀ вводять поправки за вплив свердловини, глинистої кірки, залишкового струму, а також просторової орієнтації свердловини. При цьому використовують спеціальні палетки та номограми.

ЯМК призначений для виділення пластів, що містять рухомий флюїд, визначення пористості і характеру насичення пластів, розділення нафтоносних і бітумінізованних порід.

Обмеження використання ЯМК – погані результати получаються в глинистому буровому розчині, в породах з підвищеною магнітною сприйнятливістю, в породах з малою ефективною пористістю (1,5-2 %), в тріщинуватих колекторах. ЯМК не застосовується в колекторах із в’язкою нафтою.

Недоліки ЯМК – велика тривалість вимірювань, мала глибинність (0,3 м), впливає сильно зона проникнення фільтрату промивальної рідини, метод застосовуються тільки в не обсаджених свердловинах.