Лекционный курс«МЕТОДЫ

И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ»

ЛЕКЦИЯ 7

НАУКОЕМКИЕМЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

МЕТОДЯДЕРНОГО

МАГНИТНОГОРЕЗОНАНСА

(ЯМР)

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР

Величина магнитного момента ядра определяется значением

спинового квантового числа («спина») J

У ядер с четным массовым числом Аи с четным зарядовым числом Z

J = 0 и магнитные свойства

не проявляются

Ядра с четным массовым числом Ано с нечетным зарядовым числом Z

обладают целочисленным спиномJ = 1, 2, 3, ….

J

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР

У ядер с нечетным массовым числом АJ = 1/2

Нефтегазовые среды исследуют,используя магнитные свойства ядер

1Н и 13С

99 % ядер углерода в природесоставляют ядра 12С

со спином J = 0

УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

Энергия взаимодействия атомных ядер

с магнитным полем B0 определяется вектором

магнитного момента

В0

Вектора магнитных моментов

прецессируют вокруг линий поля

УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

Для ядер 1Н и 13С со спином 1/2

возможны два значения (уровня) энергии :

Энергия минимальна, когда вектора и В0 примерно параллельны

и максимальна, когда вектора и В0 примерно антипараллельны

В0

УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

Разность энергийдвух уровней :

E = h B0

- гиромагнитное отношение

(для водорода = 42.58 MГц / Тл )

УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

Изменения ориентации ядер (переходы между уровнями энергии)

возможны в результате поглощения квантов

высокочастотного (В.Ч.) электромагнитного поля h

Резонансное усиление поглощения В.Ч. поляпроисходит при совпадении энергии квантов

с разностью уровней магнитной энергии

hрез = h B0

Bo

B1

КатушкаВ.Ч.поля В1

Катушка(электромагнит)постоянногополя В0.

e-

e-

Устройство ЯМР - приборов

Образец

ЯМР-спектрометр BS TESLA

Общий вид

Электромагнит с образцом

ЯМР спектрометр-релаксометр

Сверхпроводящиймагнит

В0=94000 Гаусс

Блокуправления

ЭВМ

В.Ч. поледо 400 МГц

ЯМР - СПЕКТРОСКОПИЯ

У ядер, входящих в молекулу вещества (жидкости) уровни магнитной энергии

(значения резонансных частот рез ) изменяются

за счет взаимодействия с ядрами других атомов(химический сдвиг)

Частота В.Ч. поля

Поглощеннаяэнергия В.Ч.

поля

СпектрЯМР

1Нв молекуле

СН2СН3

ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ

Частота В.Ч. поля постоянна и равна резонансной частоте ядер 1Н или ядер 13С

Создают короткие импульсы В.Ч. поля,переводящие систему ядер в возбужденное

состояние

После окончания В.Ч. импульса происходит переход ядерв основное состояние

( РЕЛАКСАЦИЯ)

С течением времени число ядер в возбужденном

состоянии убывает по закону :N=N0e-t/T

T - время релаксации

ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ

Намагниченность образца Mв направлении, параллельном линиям поля В0

возрастает по закону :

M = М0 [1 - exp( -t/T1)]

Намагниченность образца Mв направлении, перпендикулярном линиям поля В0

(параллельном линиям В.Ч. поля В1)убывает по закону :

M= М0 exp( -t/T2)]

ПРИ РЕЛАКСАЦИИ :

ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ

M

M

Время

T1

T2

Т1 - времяпродольной

(спин-решеточной)релаксации

Т2 - время поперечной

(спин-спиновой)релаксации

ЯМРрелаксометрия

флюидовв порах

коллектора

Исследуются керны, насыщаемые нефтями

и пластовымиводами (рассолами)

ЯМРрелаксометрия

флюидовв порах

коллектора

ЯМРрелаксометрия

флюидовв порах

коллектора

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

1 10 100 1000 10000

Time (ms)

No

rmal

ized

am

plitu

de

Crude sat.

Brine sat.

Crude + brine

ЯМР релаксометриясмеси пластовых флюидов

НЕФТЬРАССОЛНЕФТЬ + РАССОЛ

Время релаксации Т2 ( мс )

СМАЧИВАНИЕВОДОЙ

СМАЧИВАНИЕНЕФТЬЮ

ВОДА

НЕФТЬ

ПОРОДА

ЯМР релаксометрия дает сведения о характере смачивания коллекторов

ЯМР релаксометрияпозволяет получать

томографические изображения

Т1 релаксация Т2 релаксация

ЯМР - изображениераспределения флюидов в

поровом пространстве коллекторов

Прибор ЯМР - каротажафирмы Schlumberger

Материал - с сайта http://www.slb.com/seed/ru/watch/nmr/tool.htm

Результаты ЯМР - каротажа

фирмы Schlumberger

глубина скважины -в футах

(6410 футов 2 км)

Материал - с сайта http://www.slb.com/seed/ru/watch/nmr/log.htm