Метод ядерно-магнитного резонанса

1.

Метод ядерно-магнитного
резонанса

2.

Физический принцип ядерномагнитного резонанса
Магнитное
поле Во
Намагничивание
по направлению
поля Во
Прецессия
магнитных
моментов ядер
Взаимодействие
протонов с магнитным
полем:
В земном магнитном поле B0
ядро атома имеет частоту
прецессии (f0)
Эта частота соответствует
значению:
Гиромагнитное отношение (1H)
Статическое магнитное поле
f 0 B0
2
Bo
2 .4258 s-1G-1
~500 Гаусс
Наилучшим образом взаимодействуют с магнитным полем протонсодержащие
жидкости – углеводороды, пластовые воды

3.

Физический принцип ядерно-магнитного
резонанса
Магнитное
поле Во
Магнитное
поле Во
Поле В1
При включении поля В1 происходит
переориентация магнитных моментов
ядер из плоскости поля Во в
направлении В1
Для переориентации протонсодержащих ядер необходимо воздействие внешним
магнитным полем В1, 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) Т1

4. Поляризация (перемагничивание )ядра водорода

В магнитном
ЗемлиSlowly
поляризация ядра
Nucleiполе
Polarize
водорода очень
слабая Field
in a Magnetic
Nuclear Polarization
ядра водорода
Поляризация
1
0.8
0.6
0.4
T1 = 0.2 sec
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
ВремяBполяризации
(сек)(sec)
o exposure time
4
1
94 1110 -03

5. Эффект поляризации

T1 Effect Т1
Влияние
S = [1-exp(-WT/T1)]
Uncorrected
ядер водорода
ПоляризацияSignal/Porosity
1.2
А- углеводороды
Флюид A
1
В – пластовая вода
T1 = 0.2 sec
0.8
0.6
Fluid BВ
Флюид
0.4
T1 = 2 sec
0.2
0
0
5
0.5
1
1.5
2
ВремяWait
ожидания
Time (sec)
2.5
3
951024-01

6.

Физический принцип ядерно-магнитного
резонанса
Геомагнитное
поле Во
Время, в течение которого
прекращается процесс прецесии ядер в
горизонтальной плоскости – время
поперечного замедления (релаксации)
Т2
Дефазировка процесса прецесии в
горизонтальной плоскости
6

7.

Амплитуда сигнала
Распределение
амплитуд
сигнала
7
Время, мксек
Амплитуда
зарегистрированного
сигнала и его спектр
по времени
поперечной
релаксации Т2
Т2, мксек

8. Цикл ЯМР

Нулевая намагниченность
Возбуждение спинов сильным статическим полем в течение
времени T1 в Земном магнитном поле (В0)
Вектор ядерной намагниченности устанавливается под 90° к
оси скважины
Происходит затухание (T2)
Измерения
Во время измерений, влияние возбужденного магнитного поля
затухает
Запись измерений
Нулевая намагниченность
8

9. Конструкция зонда ЯМР

Permanent magnets
Постоянные
магниты
Borehole
wall
Стенка
скважины
S
N
Антенна
Antenna
5.3 in.
[13.5 cm]
Мертвая
Blind zone
зона
S
N
Кожухplate
Wear
Постоянные
магниты
Permanent
magnets
4.625 in. [12 cm]
9
Зона
Sensed
region
чувствитель
ности
прибора
Эффективный
объем
исследования

10. Затухание амплитуд

Амплитуда сигнала
CMR
=
Пористость
100%
Вода в контрольной емкости
T2 = 3700 msec
C M R poros
ity
Пористость
Вода
в поровом
пространстве
Water
inporespaceof
rock
T2 =10to500msec
Время
T im
10
Сигнал порождается ядрами
водорода, которые находятся в
порах породы:
e (T 2 )
Первичная амплитуда
сигнала позволяет получить
CMR пористость
Время затухания сигнала (T2)
позволяет судить о размере
пор.

11.

Скелет
Скелет
Скелет
Малые поры
11
Большие поры
Связь амплитуды
сигнала и
размеров пор в
горных породах

12. Амплитуда сигнала и пористость

Экспоненциальное затухание
1.0
0.8
Амплитуда сигнала - это
сумма экспоненциальных
затуханий
Амплитуда
0.6
33размера
sizes of пор
pores
0.4
80
20
0.2
0.0
T = 20 ms
2
-0.2
30% поровый объем
T = 5 ms
2
0
20
40
60
t (ms)
T = 5 ms
2
20% поровый объем 0.5
T
2
80
100
950505-01c
Распределение
0.4
T = 80 ms
2
40% поровый объем
960909-01
0.3
0.2
0.1
0.0
1
10
100
T
12
2
(ms)
1000
950505-02a

13.

Амплитуда
Распределение амплитуд сигналов ЯМР и структура порового
пространства
13
0.3
T2
3000

14. Отношение пористости ЯМР к пористости керна, определенной методом центрифугирования

20
скв
скв
A
B
15
f (33)
10
5
0
0
5
10
F центрифуга
14
15
20

15. Определение связанной воды методом ЯМР

Оценка объема связанной воды с
помощью ЯМР
Clay Bound Water is Part of the Foot
Влияние связанной воды – для
Frequently изображено
Seen in T Distributions
песчаников
2 ниже на
распределении
T2
of Sandstones
12
10
(T < 3 ms)
2
Population
Распределение
Berea
100 Sandstone
Песчаник
Связанная
вода
Clay-Bound
Water
8
6
4
2
0
Стралев и др (1994)
-2
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
950517-01b
T2 (s)
15
1
-2
0
2 4 6 8 10 12
(вода, связанная в глинах)

16. Объемы связанной и свободной воды

Диаметр пор (микрон)
0.01
0.1
1
10
T2 original
T2 spun sample
Распределение
сигнала
Граничное условие свободного
флюида
1
10
100 1000
Time (T2 msec)
Вода,
Капилляр
связанная но
глиной
связанная
вода
УВ
Общая пористость
Эффективная пористость
CMR 3ms пористость
16
• Для песчаников было
определено 33 msec
ограничительное
условие( ff)
• Проницаемость
песчаника
k = C( CMR)4(T2,log)2

17. Определение проницаемости по ЯМР

• Метод 1: Формула Козени - Кеньона
(SDR Perm.)
a = эмпир. конст., ~ 4 для песчаников
K SDR a T2LM
b
c
b = показатель пористости, ~ 4
c = показатель T2 ~ 2
T2LM = логарифмическое среднее T2
• Method 2: Формула Тимура - Коатса
a' = эмпир. конст., ~ 4 для
(Timur Perm.)
c
песчаников
4
b FFV
K Timur a 10
b' = показатель пористости, ~ 4
BFV c' = показатель отношений, ~ 2
FFV = объем свободной
жидкости
FFV BFV
17
BFV = объем связанной
жидкости

18. Проницаемость по ЯМР – проницаемость по керну

10 0
скв
скв
A , C = 2 .8
B , C = 3 .4
Ккерн
kямр
0.01
0 .01
ямр
) 4 (T2 ,lo g ) 2
10 0
k ямр
18
= C (

19.

Сопоставление пористости и проницаемости
полученных по ЯМР с керном
BMNO-D
125
LDT Caliper
(mm)
375
0
125
Bit Size
(mm)
375
BMNO
0
50
(ohm-m)
Gamma Ray
(GAPI)
150
0
BMIN
50
(ohm-m)
1:120
(m)
XX40
XX50
19
Core Permeability
0.01
0.01
1
Core Porosity
()
100
0.2
(m3/m3)
0
CMR Permeability
(md)
100
0.2
CMR Porosity
(m3/m3)
0
Logarithmic Mean T 2
(ms)
10000
0.2
CMR Free Fluid Porosity
(m3/m3)
0

20. Изображение форм волн ЯМР

20

21. Индикация песчаников по ЯМР

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

22. Индикация песчаников по ЯМР

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

23. Выделение тонких песчаных пластов

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

24. Выделение тонких песчаных пластов

Тонкие
слои
песчаников
24

25. Применение ЯМР:

Наблюдение Т2 является способом изучения
явления ЯМР.
Пористость определенная методом ЯМР в
лабораторных условиях хорошо совпадает с
пористостью, определенной по керну
гидростатическим методом
Разделение продуктивной части пласта от
непродуктивной основано на выделении
порогового времени, которое зависит от
минералогии
ЯМР может использоваться для оценки
проницаемости флюидов в песчанике. Результаты
для карбонатных пород не настолько хороши, из-за
влияния пустот в породе.
25