Курсовая работа: Ядерно-магнитный томографический каротаж

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 – MagneticResonanceImagingLogging) и Schlumberger (CMR – CombineMagneticResonance).

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 ¹ Н. 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 ¹² С магнитный момент отсутствует и эффект ЯМР не формируется, а изотоп ¹³ С 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 >2 R ( R - радиус магнита) это поле с большой степенью точности описывается следующими уравнениями:

H_r = K _ф * B_r *(R / r)² *sin j (2)

H _j = - K _ф * B_r *(R / r)² *cos j

где H_r , H _j - соответственнорадиальная и тангенциальная составляющие напряженности поля магнита в цилиндрической системе координат ( r , j ) с осью, совпадающей с осью магнита; B_r - остаточная индукция материала магнита; K _ф - 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 магнитаB_r . 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 (В _r = 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 В _r = 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 NdFeBявляется 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 ( ErwinL. 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( t_нач = 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.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--