Физические основы ядерно-магнитного каротажа и принципы измерения.

Ядерно-магнитный каротаж (ЯМК) основан на измерении ядерной намагниченночти горных пород в разрезе скважины.

Благодаря наличию механического и магнитного моментов, ядра атомов многих элементов подобно намагниченному волчку ориентированы и вращаются (прессерируют) вокруг направления магнитного поля Земли. Частота w прецессии определяется напряженностью Н_з магнитного поля и коэффициентом y, характеризующим ядерно-магнитные свойства элемента,

w =y×Н_з­.

Коэффициент y называют гиромагнитным отношением, наблюдаемое явление – ядерно-магнитным резонансом (ЯМР).

Величина ЯМР у ядер атомов разных элементов, образующих горные породы, различна. Она определяется гиромагнитным отношением ядра и содержанием элемента в горных породах. Наибольшее значение гиромагнитного отношения y и, соответственно, наибольшая величина ЯМР свойственны водороды. Значение y водорода в несколько раз превышает значение y других элементов, слагающих горные породы. Поэтому, изучая явление магнитного резонанса, в разрезе скважин можно выявить скопления ядер водорода, входящих в состав воды, нефти и газа.

При оказании действия постоянным магнитным полем Н, направление которого отличается от направления магнитного поля Земли, ядра атомов изменяют свою ориентацию и в новом равновесном состоянии прецессируют вокруг направления суммарного магнитного поля Н+Н_з. При устранении поляризующего магнитного поля Н ядра атомов под действием постоянного магнитного поля Земли возвращаются в исходное положение равновесия, свободно прецессируют вокруг направления поля Н_з. Возвращение ядер атомов в положение равновесия происходит в течение промежутка времени, который называется временем релаксации.

Если в исследуемую среду или вблизи нее поместить катушку, в ней индуцируется ЭДС синусоидальной формы, затухающая во времени. Эта ЭДС называется сигналом свободной прецессии.

Амплитуда сигнала свободной прецессии зависит от количества ядер водорода, участвующих в свободной прецессии. Для характеристики амплитуды сигнала прецессии при ЯМК используют индекс свободного флюида ИСФ, который представляет собой отношение наблюдаемой при ЯМК начальной амплитуды сигнала в дистиллированной воде.

Общая пористость коллектора складывается из объема, занятого связанной водой, и объема, занятого жидкостью, способной перемещаться в коллекторе под действием перепада давления. Этот последний объем составляет эффективную пористость коллектора k_эф и численно равен величине ИСФ, определяемой при ЯМК,

ИСФ = k_эф.

В случае если коллектор содержит замкнутые поры и каверны, ИСФ превышает k_эф. Это часто имеет место при исследовании карбонатных пород со сложным строением порового пространства. Равенство ИСФ и k_эф не выполняется также для пород, насыщенных сильно минерализованной водой, вязкой нефтью или газом, т.к. ИСФ этих флюидов и дистиллированной воды различны.

С помощью ЯМК возможно произвести выделения в разрезе глинистых коллекторов.

ЯМК заключается в регистрации амплитуды сигнала свободной прецессии.

Измерительные характеристики зонда ЯМК – глубинность и расчленяющая способность – определяются размерами катушки зонда. Радиус исследования зонда ЯМК примерно равен диаметру катушки и составляет около 10 см. Наличие зоны проникновения фильтра ПЖ не оказывает влияния на показания ЯМК, так как проникновение не вызывает изменения пористости среды в радиальном направлении.

При интерпретации данных ЯМК необходимо оценивать влияние вмещающих пород на показания зонда и определять положение границ пластов. На рис.1 показаны расчетные кривые ЯМК против пласта ограниченной мощности, ИСФ которого превышает ИСФ вмещающих пород.

Шифр кривых – h/L; ИСФ_п=5ИСФ_вм

Видно, что кривые U_к симметричны относительно середины пласта. Если мощность пласта больше длины зонда (L=0,85), границы пласта отмечаются в точках на участках крутого подъема и спада кривой, расположенных примерно на половине высоты аномалии. Для пластов меньшей мощности границы смещаются к максимуму кривой.

При мощности пласта, превышающей длину зонда, вмещающие породы не оказывают влияние на показания зонда ЯМК, и амплитуда кривой равна показаниям зонда против пласта неограниченной мощности. Таким образом, вмещающие породы при ЯМК влияют незначительно и только в случае пластов, мощность которых меньше 0,85 м. Для учета влияния вмещающих пород имеется палетка.

Скважина, заполненная чистой ПЖ (водой или глинистым раствором), не оказывает влияния на измеряемый сигнал свободной прецессии. Если в ПЖ добавляется нефть, амплитуда сигнала может быть искажена. Особенно не благоприятное влияние на результаты ЯМК оказывает наличие в ПЖ примесей магнитных минералов. В результате однородность магнитного поля Земли в скважине и вокруг не нарушается и сигнал свободной прецессии сильно искажается. Так как учесть влияние магнитных примесей не представляется возможным, в этих условиях ЯМК не проводят.

Газовый каротаж.

Для изучения геологического разреза скважины, выделения в нем перспективных на нефть и газ интервалов и прогнозной оценки характера насыщения пластов – коллекторов, вскрытых скважиной, (нефтеносный, газоносный, водоносный) в процессе бурения скважины проводят комплекс исследований, получивший название газового каротажа.