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核磁共振测井的物理原理及其应用 摘 要:经过半个世纪的探索和期盼，核磁测井以其独特的性能和众多的功能已成为商业测井大家族中的一只独秀。MRIL核磁共振测井仪是一居中测量仪器，通过测量沿仪器轴线方向井壁周围薄壁柱状空间内的氢原子核的磁共振信号，来实现测量。它能够同时提供孔隙度、渗透率、束缚水饱和度等地层参数以及油气藏的地球物理参数。核磁仪器探头中的永久磁铁在地层中产生梯度磁场对地层中的氢原子进行极化，同时探头中的天线即用于发射脉冲也用做接收回波信号。 以Numar公司于1998年推出的最新一代产品MRIL- P型核磁共振测井仪为代表的新一代核磁测井技术，利用梯度磁场核自旋回波，对离井眼一定距离的地层孔隙流体直接进行观测，不须对井下泥浆进行任何处理，甚至勿须井眼、泥饼及侵入校正。并且利用核磁测井进行地层评价，不要求岩心分析资料以及地层参数的任何先验信息，因此，是对裸眼井测井解释核油气评价技术的重大突破。该仪器吸收了MRIL-C型仪器的优点并改进了其不足。采用9个工作频率(760～ 580kHz)及加长预极化磁体的方法，既提高了测井速度，又获得了更多的测井信息，数据精度也大大提高。本文以MRIL-P型核磁测井仪为例，详细讨论一下核磁共振测井的物理原理并简单介绍一下仪器电子线路模块的基本结构以及脉冲信号发射、接收路径和MRIL-P型核磁共振测井仪器优点、核磁共振测井技术发展的一点见解。 关键词：核磁共振 核磁测井 扳转 纵向驰豫 横向弛豫 一.核磁共振的基本原理 1.NMR测量的物理基础 MRIL核磁共振测井原理是基于原子核的磁共振物理现象实现测量的.由于原子核带有电荷,它们的自旋将产生磁场,就像一根磁棒,该磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示.同时带有磁矩的磁核有一个共振频率,即著名的拉莫尔频率，此共振频率取决于元素的旋磁比和外加磁场强度. 利用原子核的磁性和它们与外加磁场的相互作用来完成核磁共振技术。比如对一组核子施加一个固定的静磁场和大功率的射频RF脉冲,核子便以可预见的方式响应,产生回波信号,提供石油物理信息.当没有外加磁场时,核磁矩的取向就是随机的了. 核磁共振是指某种原子核吸收强磁场中存在的一定频率的电磁辐射时而呈现自由的一种自然现象。其实核磁共振测井测量的主要有两项：一是纵向驰豫时间（T1），二是横向驰豫时间（T2）。 从物理机理上分析，T2测量所获得的信息比T1测量所获得的信息要丰富和有用的多。T2既包涵了T1所包涵的石油物理信息，又包涵了如扩散效应等不能通过T1来获得的一些信息。在实际测井中T2是我们所感兴趣的主要参数。但是T1在实际的测井中也是非常重要的，因为他给出了两个衰减的回波串之间所需要的等待时间（Tw）。在实际的测量中，两个回波串之间的等待时间必须是大于完成纵向95%的计划所需要的时间。即Tw=3T1。下面我简要介绍一下纵向驰豫时间（T1）和横向驰豫时间（T2）以及影响因素。 2.纵向驰豫（Spin-lattice Relaxation） 驰豫时间的测量是通过特定的脉冲序列来实现的，在一长串的回波脉冲后，自旋信号不可能在发生“重聚”的现象。这时，宏观磁化矢量需要在外加磁场B0的作用下开始重新建立，我们将会得到宏观磁化矢量的纵向分量。从量子物理学原理讲，90°脉冲的作用将使自旋质子的数目重新趋向于平衡，再转到图六，这意味着P1=P2，通过给材料的晶格提供能量，纵向驰豫恢复到原来的两种状态色质子数目，但是平行数目大于反平行数目。这当然也就“反转”一定数目的自旋质子使它们回到低能态。如图十四所示的是纵向磁化矢量在其相关时间内沿横向平面衰减的建立过程。 图中：Tw=等待时间，也成为恢复时间TR Te=内部回波间隔 Ne=全部回波数目 Tc=周期=Tw+Ne*Te 在这里，T1为极化时间，定义为纵向磁化矢量恢复达到其最终值的63%时所需要的建立时间。它既不受岩石内部磁场梯度的影响也不受流体扩散率差异的影响，仪器在测量过程中的人为因素对它结果的影响远小于对横向驰豫时间T2结果的影响。 测量T1的常用方法是反转-恢复法。在反转恢复法中，第一个180°脉冲使磁化矢量反转，延迟适当的时间T1，使纵向磁化矢量的一部分驰豫掉，再加一个90°脉冲，使剩下的纵向磁化矢量回到水平面上，进行测量。当改变延迟时间，利用多个反转-恢复过程，就可以得到驰豫程度不同的一组纵向磁化矢量值。 3.横向驰豫（自旋-自旋相互作用） 对于被磁化后的核自旋系统，在垂直于静磁场B0的方向再加一个 频率等于拉莫尔频率的交变电磁场B1，根据量子力学原理，以B1频率进动的核