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.
Отметим практически важные следствия, вытекающие из особенностей конфигурации системы полей зонда .
1. Величина сигнала спин-эхо, наведенного в приемной радиочастотной катушке, не зависит от выбранного радиуса зоны исследования и, соответственно, выбранной частоты прецессии, а определяется только напряженностью радиочастотного поля в зоне исследования. Поэтому прибор с дипольным градиентным магнитом позволяет работать на относительно малых частотах (300 -800 кГц) без потери чувствительности и точности регистрации релаксационной кривой. В приборе ЯМТК частота составляет 730 кГц , а зона исследования шириной 0,5 мм располагается на расстоянии 18 см от оси зонда. В аксиальном направлении зона практически не меняется.
2. Если изменить частоту воздействующего радиоимпульса хотя бы на 15 - 20 кГц, то зона исследования сместится на 1 - 2 мм. При этом процессы, происходящие в первой зоне, не будут отражаться на процессах во второй зоне исследования , т.к. толщина каждой из них менее миллиметра. Это обстоятельство позволяет применять многочастотный метод исследования окружающего скважину пространства подобно методу магнитной резонансной томографии (МРТ) в медицине. Возможность работы на нескольких частотах позволяет также увеличить или скорость каротажа, или точность измерения релаксационной кривой при той же скорости, или независимо реализовать несколько различных методик измерений за один спуск- подъем.
3. При номинальном диаметре скважины 19 – 22 см (например, в коллекторах) зона исследования ЯМТК удалена от стенки скважины на 7 – 8,5 см. Поэтому состав бурового раствора (добавки нефти и др.) не влияет на результаты исследования, поскольку скважина находится вне зоны исследования ЯМТК. В этом принципиальное отличие от ЯМК в поле Земли, где при добавках нефти влияние скважины делает практически невозможным получение информации о разрезе.
Диапазон измерений времен поперечной релаксации. Для излучения и приема сигнала в ЯМК используется одна и та же РЧ -катушка, поэтому первая амплитуда сигнала (в момент времени tнач) регистрируется через некоторое время Dt после начала процесса затухания t0:Dt=tнач – t0. За это время Dt уже завершается релаксация части протонов водорода (в основном в составе минералов и небольших порах) и их содержание уже не удается восстановить при обработке. Поэтому для водонасыщенной породы
W ³ Кп ³ КпЯМК ( 3),
где W – водородосодержание, Кп – общая пористость, КпЯМК - пористость, зарегистрированная ЯМК. Чем позже начинается регистрация (чем больше Dt), тем существеннее отличие Кп и КпЯМК .
Из этого следует, что КпЯМК зависит от технических характеристик измерительного тракта, т.е. при прочих равных условиях разными типами аппаратуры (с различными Dt) будут получены неодинаковые значения КпЯМК .
Для ЯМК в поле Земли интервал времени между началом процесса релаксации и первой зарегистрированной точкой составляет Dt = 50 – 80 мс и принципиально не может быть существенно уменьшен в рамках используемой последовательности Паккарда - Вариана. За это время происходит полное затухание сигнала в порах небольших размеров. Регистрируемая пористость, получившая название ИСФ – индекс свободного флюида (FFI – free fluid index), отражает емкость наиболее крупных пор.
Заметим, что широко распространенное мнение о соответствии ИСФ эффективной пористости (ИСФ = Кпэф), в общем случае может не выполняться даже в водоносных пластах по нескольким причинам.
1. ИСФ зависит от технического параметра конкретной аппаратуры Dt, а Кпэф, как петрофизический параметр, - нет. Поэтому соотношение ИСФ – Кпэф надо обосновывать.
2. Затухание релаксационной кривой (и, соответственно, амплитуда в момент tнач и ИСФ) зависит не только от порометрической характеристики породы, но и от других факторов (см. п.2). Например, в водоносных песчаниках при одинаковой порометрической характеристике, но различной релаксационной активности поверхности будут получены различные релаксационные кривые и ИСФ: чем выше релаксационная активность, тем короче релаксационная кривая и меньше ИСФ. При очень высокой релаксационной активности (очень коротких релаксационных кривых) ИСФ может вообще не фиксироваться (произошло полное затухание сигнала в интервале времени Dt) , несмотря на наличие эффективных пор по порометрической характеристике.
Поэтому, вероятно, ЯМК в поле Земли наиболее эффективен в породах с низкой релаксационной активностью, например, в карбонатных породах и зрелых кварцевых песчаниках. Последние распространены в нижних (преимущественно палеозойских) частях разреза платформ, например, песчаники и карбонаты девона и карбона Волго – Уральской НГП. Наоборот, высокая релаксационная активность отмечается для незрелых песчаников – граувакк и аркозов - с увеличенным содержанием обломков материнских пород, полевых шпатов и специфическим набором акцессориев. Такие породы характерны для разрезов молодых плит (в частности, Западно–Сибирской), геосинклинальных областей и обрамления складчатых сооружений. Даже при благоприятной порометрической характеристике здесь фиксируются короткие релаксационные кривые и за счет большого Dt оценка коллекторов по ИСФ бывает малоэффективна или невозможна.
