Введение

Метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) является относительно молодым физическим методом – явление ЯМР независимо открыли американские физики Ф. Блох и Э.М.Парселл со своими сотрудниками в 1946 г. (Нобелевская премия по физике 1952 г.).

ЯМР быстро нашел применение в нефтепромысловой геологии – уже в начале 60 – х годов был разработан метод ядерно-магнитного каротажа (ЯМК) в поле Земли. Благодаря усилиям организаций Москвы (ВНИИЯГГ), Азербайджана ( Азинефтехим, ЮжВНИИгеофизика), Татарии ( Татнефтегеофизика), Западной Сибири (ЗапСибНИИгеофизика) была создана отечественная технология ЯМК в поле Земли [1,4], которая развивается и в настоящее время. Наиболее широко, в рамках обязательного комплекса ГИС, ЯМК применяется в "Татнефтегеофизике". Результаты по нескольким тысячам скважин подтвердили эффективность ЯМК при решении ряда геологических задач [9,10] на основе анализа величины индекса свободного флюида (ИСФ), который, например, в разрезах Волго–Уральской нефтегазоносной провинции прямо коррелирует с эффективной пористостью. В других регионах страны ЯМК в поле Земли применяется эпизодически. Метод имеет ограниченные возможности при исследовании пород с небольшими временами релаксации; практически сложно получить качественные результаты при наличии в буровом растворе добавок нефти.

Бурное развитие фундаментальных теоретических и экспериментальных работ в области ЯМР в последние десятилетия ХХ века имело важные прикладные применения. В частности, разработанный метод магнитно – резонансной томографии (МРТ) считается одним из самых выдающихся медицинских открытий XX века ( Р. Эрнст - Нобелевская премия по химии 1991 г. за достижения в области импульсных ЯМР и МРТ) .

Эти идеи нашли практическое воплощение и применительно к геофизическим исследованиям скважин (ГИС) – в 90 –е годы разработан метод ЯМК в сильном поле (в поле постоянных магнитов), аппаратурно реализованный компаниями Numar (ныне входит в состав компании Hulliburton, MRIL – Magnetic Resonance Imaging Logging) и Schlumberger (CMR – Combine Magnetic Resonance).

Основной особенностью метода является размещение в скважинном приборе постоянных магнитов, создающих в зоне исследования магнитное поле, значительно превышающее напряженность магнитного поля Земли (практически влиянием направления и величины магнитного поля Земли можно пренебречь).

Так, для прибора ЯМТК НПЦ «Тверьгеофизика» в зоне исследования напряженность магнитного поля составляет примерно 175 Гс, т.е. примерно в 350 раз больше магнитного поля Земли.

Перевод ЯМК в категорию методов «искусственного поля» позволил реализовать преимущества, связанные с возможностью контролируемого и направленного воздействия на изучаемый разрез. С технической точки зрения появилась возможность реализовать новые методики, обеспечивающие более широкий диапазон измерений. В конечном итоге это позволило получить принципиально новые для практики ГИС характеристики пород, отражающие структуру порового пространства и свойства флюидов в зоне исследования. Отмеченные особенности способствовали бурному развитию ЯМК в сильном поле за рубежом.

В НПЦ «Тверьгеофизика» в 1998 г. началась разработка отечественного скважинного прибора ЯМК в сильном поле, которая завершилась к концу 2000 г. 12 февраля 2001 г. на Ново- Медведковском месторождении Оренбургской области было проведено первое исследование скважины российским прибором ядерно-магнитного томографического каротажа (ЯМТК) с использованием поля постоянных магнитов . Разработанный скважинный прибор работал на одной частоте.

Параллельно с проведением работ с одночастотным прибором с июня 2001 г началась разработка трехчастотного прибора ЯМТК , который был испытан в производственном режиме 3 апреля 2002 г. К сентябрю 2002 г. каротаж ЯМТК был выполнен уже в нескольких десятках скважин.

1. Физические основы метода

В ЯМТК реализован импульсный метод формирования эффекта ЯМР. Физические основы этого метода детально описаны в литературе, поэтому ограничимся краткой сводкой основных понятий.

Ядра атомов, имея электрический заряд, могут обладать и определенным магнитным моментом. Импульсный ЯМР основан на свойствах таких ядер поглощать энергию в радиочастотном (РЧ) диапазоне и излучать ее после прекращения воздействия РЧ- импульса. Так, эффект ЯМР можно получить, если поместить образец в статическое магнитное поле и затем облучить его электромагнитным полем с частотой, соответствующей резонансной для данного типа ядер:

f = g * Н (1)

где f – частота радиочастотного поля; Н – напряженность статического магнитного поля; g – гиромагнитное отношение (постоянная), величина которого индивидуальна для различных ядер (сводку элементов, исследуемых методом ЯМР, можно найти в [11]).

Как видно из (1), ЯМР является спектроскопическим методом – изменяя частоту РЧ поля f или напряженность статического магнитного поля Н, или и то и другое вместе, можно создать условия резонанса для различных элементов , т.к. величина g индивидуальна для каждого из них. Это и используется при ЯМР- спектроскопии в химии. Для каротажа создать такие приборы пока сложно. Поэтому приборы ЯМК (как в поле Земли, так и в сильном поле) настраиваются на условия резонанса ядер водорода, точнее, изотопа 1Н. Он входит в состав воды и нефти, имеет высокую естественную распространенность и большое гиромагнитное отношение, облегчающее регистрацию эффектов ЯМР. Для прямого выявления углеводородов было бы интересно настраиваться на регистрацию содержания ядер углерода С. Однако у ядра наиболее распространенного изотопа углерода 12С магнитный момент отсутствует и эффект ЯМР не формируется, а изотоп 13С имеет низкую распространенность в естественной смеси (1,1 %) и на его основе трудно получить надежный эффект ЯМР при каротаже. В то же время ЯМТК имеет возможность выделять и оценивать характеристики УВ, но уже на основе другого физического эффекта – различия УВ и воды по величине вязкости и коэффициента диффузии (см. ниже).

Формирование статического магнитного поля. Постоянный магнит (рис.1) размещен вдоль оси скважинного прибора и представляет собой стержень длиной около 1 м, намагниченный перпендикулярно к его оси. Поле, создаваемое этим магнитом, практически плоско параллельно по всей длине магнита в плоскостях, перпендикулярных к оси зонда, и спадает в радиальном направлении обратно пропорционально квадрату расстояния от его оси. Поэтому зонд называется дипольный - градиентный. На фиксированном расстоянии от оси магнита поле в аксиальном направлении однородно по интенсивности, но в разных точках направлено в различные стороны. На расстояниях r>2R (R - радиус магнита) это поле с большой степенью точности описывается следующими уравнениями:

Hr = Kф * Br*(R / r)2*sinj (2)

Hj = - Kф * Br*(R / r)2*cosj

где Hr , Hj - соответственно радиальная и тангенциальная составляющие напряженности поля магнита в цилиндрической системе координат ( r, j) с осью, совпадающей с осью магнита; Br - остаточная индукция материала магнита; Kф - коэффициент формы магнита .

Из (2) видно, что для создания высокой напряженности Н в зоне исследования необходимо увеличивать или поперечные размеры магнита R, или остаточную индукцию материала магнита Br . В практике ЯМК сильного поля стараются максимально повысить последний параметр, поскольку увеличение поперечных размеров магнита влечет за собой увеличение диаметра скважинного прибора.

Магнит зонда прибора MRIL выполнен из FeB (железо – бор). Это один из немногих материалов для постоянных магнитов, который является практически непроводящим и «не нагружает» РЧ- катушку, добротность которой у зонда MRIL достигает 100. Недостатками этого материала является относительно небольшая остаточная индукция (Вr = 3000...4000 Гс , поэтому магнит зонда должен иметь диаметр не менее 100 - 120 мм) и ухудшенная температурная характеристика в области низких температур: со снижением температуры поле магнита падает, а при температурах -15... -18° С магнит может необратимо размагнититься [13]. Это осложняет полевые работы в зимних условиях, поскольку требует использования специальных нагревателей.

В приборе ЯМТК НПЦ «Тверьгеофизика» используется редкоземельный магнит из NdFeB (неодим – железо – бор). Неодим имеет остаточную индукцию Вr = 10000. .. 11000 Гс, благоприятную температурную характеристику (изменение напряженности поля составляет 3 - 5% на 100 °С) и сохраняет свои свойства при очень низких температурах..

Однако магнит из NdFeB является проводящим и добротность РЧ - катушки падает до 20. Нами были разработаны новая схема полей, создаваемых зондом с магнитом из NdFeB, и его конструкция, которые позволяют уменьшить влияние проводимости магнита на РЧ катушку. На данный способ и устройство получен патент России [5]. В результате при меньших габаритах и массе магнита с хорошими температурными свойствами получены характеристики зонда, аналогичные характеристикам зонда прибора MRIL.

Формирование радиочастотного поля реализуется РЧ - катушкой. Ее витки лежат в плоскостях, параллельных оси магнита и направлению его намагниченности. Радиочастотная катушка создает поле, аналогичное полю магнита, но повернутое по отношению к нему в каждой точке пространства на 90°.

Импульсная последовательность. Поле, создаваемое постоянными магнитами, неоднородно (см.(2)). Поэтому в ЯМТК для регистрации эффекта ЯМР используется метод спин – эхо, предложенный Ханом ( Erwin L. Hahn) в варианте последовательности Карра – Парселла, в дальнейшем усовершенствованной Мейбумом и Гиллом [ 1].

Импульсная последовательность Карра – Парселла – Мейбум – Гилла (CPMG ) в настоящее время применяется во всех модификациях ЯМК в сильном поле, созданных в мире. После намагничивания породы полем постоянного магнита радиочастотная катушка излучает серию импульсов определенной длительности, после каждого из которых измеряется сигнал спин- эхо. Релаксационная кривая получается как огибающая амплитуд сигналов спин-эхо (рис.2).

Реализация такой импульсной последовательности для каротажа являлась сложной технической задачей. Полная последовательность ( на каждый квант глубины) реализуется за 0,5 – 1 с, и за это время РЧ катушка должна излучить 400 – 1000 импульсов и между ними принять такое же количество откликов спин – эхо. При этом величина напряжения для импульсов составляет киловольты, а для сигналов спин – эхо – десятки нановольт, т.е. перепад напряжений двух последовательных сигналов с интервалом в доли миллисекунды составляет 11 порядков.

2. Петрофизические основы метода

Основными измеряемыми информативными характеристиками являются релаксационная кривая, отражающая затухание намагниченности порового флюида в породе по времени поперечной релаксации Т2 и амплитуда сигнала, соответствующая времени начала измерения( tнач = 0) релаксационной кривой (рис. 3).

Амплитуда сигнала, отражающая число резонирующих ядер, пропорциональна объемному водородосодержанию. При этом во всех модификациях ЯМК к моменту начала измерения релаксация протонов водорода, входящего в состав твердой фазы породы, уже завершается, и они не вносят вклад в сигнал. Поэтому ЯМК характеризует водородосодержание только флюида (фильтрата, воды, нефти, газа) в пустотном пространстве породы, которое по данным калибровки пересчитывается в коэффициент пористости по ЯМК. Отсюда вытекает важное для практики следствие - величина полной пористости по ЯМК не зависит от литологии пород.

Затухание определяется тремя параллельно проходящими процессами релаксации [12]: поверхностной релаксации ( основной механизм), диффузионной и объемной, каждая из которых контролируется комплексом петрофизических характеристик.

Поверхностная релаксация возникает за счет эффектов взаимодействия протонов с поверхностью зерен и контролируется распределением пористости по размерам пор, формой пор и релаксационной активностью поверхности.

Диффузионная релаксация проявляется в неоднородном магнитном поле, где молекулярное движение вызывает расфазировку протонов. Она возникает, в частности, при использовании средств измерений, формирующих неоднородное магнитное поле, например, как при ЯМТК. В последнем случае диффузионная релаксация может контролироваться выбором методики измерений: можно либо уменьшить ее вклад до уровня, которым можно пренебречь, либо, наоборот – максимально увеличить эффект с определением принципиально нового для практики ГИС петрофизического параметра – коэффициента диффузии порового флюида.

Объемная релаксация определяется собственно свойствами флюида, насыщающего поровое пространство и по-разному проявляется для различных типов (углеводороды и вода), состава, вязкости ( увеличение вязкости уменьшает время релаксации) флюидов. Эффект объемной релаксации слабее поверхностной и становится заметным, когда взаимодействие протонов с поверхностью ограничено, например, при лабораторных ЯМР -исследованиях пластовых флюидов, в кавернозных карбонатах, для углеводородов в гидрофильных коллекторах ( протоны УВ не контактируют с поверхностью пор).

Таким образом, эффект ЯМР чувствителен к практически важным петрофизическим характеристикам, таким как емкость (распределение пористости по размерам пор и на этой основе – различные типы пористости), фильтрация (через распределение пористости по размерам пор), насыщенность и состав флюидов (на основе коэффициента диффузии). Основным негативным фактором является влияние магнитных минералов, но их содержание в осадочных разрезах обычно невелико.

Наилучшие возможности ЯМР имеет для определения характеристик емкости, поскольку эффекты поверхностной релаксации при изучении горных пород являются основными в формировании релаксационной кривой, а амплитуда характеризует водородосодержание флюида (см. рис.3). Поэтому именно в рамках интерпретационной модели пористости и проводится основная обработка данных ЯМК. Самостоятельное значение имеет оценка флюидонасыщенности, но она более сложна, поскольку требует выделения достаточно слабых эффектов диффузионной релаксации на фоне поверхностной, и реализуется при применении специальных средств и методик измерения.

3. Основные особенности ЯМТК

Область исследования. Вертикальная характеристика ЯМТК определяется длиной магнита и РЧ – катушки. Разрешение составляет 620 мм.

Радиальная характеристика ЯМТК является уникальной для практики каротажа. При выбранной фиксированной частоте РЧ поля f эффект ЯМР протонов водорода будет формироваться только в той области среды, где напряженность поля магнита H будет удовлетворять выражению (1). С другой стороны, из (2) видно, что для прибора с дипольным градиентным магнитом величина H изменяется в радиальном направлении. Поэтому условия ЯМР наступают только на некотором вполне определенном расстоянии от оси магнита, где частота РЧ поля, создаваемого катушкой, равна частоте прецессии ядер водорода в поле магнита.

В результате сигнал ЯМР формируется только в тонком цилиндрическом слое, коаксиальном оси магнита, почти по всей его длине. На рис.1 показаны расположение зоны исследования и направление полей в этой зоне по отношению к зонду ЯМК. Ширина резонансного слоя составляет доли миллиметра и контролируется градиентом поля магнита и интенсивностью радиочастотного поля на выбранном расстоянии. Образно говоря, область исследования ЯМТК представляет собой ватманский лист, обернутый вокруг скважины, или большой «шлиф». Вне этого тонкого слоя сигнал ЯМР не формируется и, соответственно, не регистрируется прибором. Опыт зарубежных компаний и наш собственный показал, что даже такой небольшой объем области исследований статистически достаточен для объективной оценки свойств пород в массиве.

Страницы: 1, 2, 3

Новости

Мои настройки

Наверх