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).

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)

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).

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 М₀ орієнтується по результуючому вектору Н_ср. Вектор ядерної намагніченості М після включення поляризуючого струму встановлюється не відразу, а протягом часу Т₁ – подовжньої релаксації (встановлення рівноваги) (Рис. 2.26,б), що характеризує швидкість наростання ядерної намагніченості по напряму поля поляризації

, (2.38)

де М₀ – вектор ядерної намагніченості при часі поляризації t_пол, практично t_пол приймають рівним (3-5) Т₁.

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 Т₂:

(2.39)

де t – час з початку прецесії; Т₂ – час поперечної релаксації, що характеризує швидкість загасання сигналу (за величину Т₂ приймають звичайно час, протягом якого начальна амплітуда Е₀ зменшується в 2,7 рази); Е₀ – величина, пропорційна вектору ядерної намагніченості.

Рис. 2.26 – Схема процесів, які виникають при дослідженні