Раздел: Естественные науки

Ядерный магнитный резонанс в лабораторных исследованиях

, ,

(сотрудник ФГБОУ ВО УГТУ, студенты), Ухта

(сотрудник ФГБОУ ВО УГТУ)

Введение

В современной физике термином «ядерно-магнитный резонанс» называют совокупность явлений, возникающих при взаимодействии магнитных моментов ядер и электронов со статическими, переменными или флуктуирующими магнитными полями, которые либо прилагаются извне, либо могут возникать внутри вещества. К магнитно-резонансным методам относят в первую очередь: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР). Данная работа посвящена методу ядерно-магнитного резонанса.

Метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) является относительно молодым физическим методом.

ЯМР быстро нашёл применение в нефтегазопромысловой геологии – при каротаже нефтяных скважин, лабораторным анализом продуктивности нефтеносных коллекторов. Были разработаны стандартные образцы и методики выполнения измерений пористости керна, шлама и отношения объемных долей полифазных флюидов.

Бурное развитие фундаментальных теоретических и экспериментальных работ в области ЯМР в последние десятилетия XX века имело важные прикладные применения. C 2000-х годов по настоящее время представлен широкий спектр как скважинных приборов, так и лабораторных ЯМР спектрометров и релаксометров.

Основы ЯМР

ЯМР возможен благодаря свойствам некоторых атомов, ядра которых (являющиеся частью каждого атома) имеют магнитный момент. Исследуют элементы с нечётным числом протонов и нейтронов, чаще всего водород (1H). Водород содержится во многих веществах нефтегазовой отрасли. Магнитные моменты исследуемого вещества прецессируют по направлению внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в магнитном блоке. Cуммарный вектор всех моментов создаёт макроскопическую намагниченность.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Радиочастотные импульсы определённой частоты могут вызывать намагниченность в образце. В ЯМР такая резонансная частота, называемая ларморовской частотой, зависит от напряжённости внешнего магнитного поля и исследуемых ядер.

Образец, содержащий ЯМР-активные ядра, помещают в сильное внешнее магнитное поле, где РЧ-импульс возбуждают систему ядер. Процесс перехода из возбуждённого состояния в равновесное называют спин-решёточной (или продольной) релаксацией (Т1). Время Т1-релаксации характеризует скорость, с которой система ядерных спинов приходит в тепловое равновесие с другими степенями свободы данного образца (решетки). В ходе релаксации устанавливается разность заселенности уровней, результатом чего является появление результирующего макроскопического магнитного момента образца. Можно сказать, что Т1 представляет собой время, необходимое для намагничивания образца по оси z от нуля до 63% величины своего максимального значения. 

Методом ЯМР также регистрируется Т2 – время спин-спиновой, или поперечной релаксации; постоянная величина, характеризующая потерю фазовой когерентности (т. е. расфазировку) спинов, отклонённых под определённым углом от направления постоянного магнитного поля. Возникает из-за взаимодействия между спинами и приводит к потере поперечной намагниченности. Ко времени Т2 х-у-намагниченность уменьшается на 69% величины своего начального (максимального) значения. 

Описание прибора

Для измерения продольной и поперечной времён релаксации предназначен стационарный прибор Minispec mq 10. Исследуемый образец помещается в сильное поле постоянного магнитного поля B0, на которое накладывается более слабое радиочастотное поле B. Измеряемой величиной является интенсивность и скорость спада сигнала ЯМР протонов образца. Времена продольной Т1 и поперечной Т2 релаксации определяются по скорости спада сигнала ЯМР. Управление ЯМР-релаксометра осуществляется от внутреннего контролера и PC совместимого компьютера с помощью специального программного комплекса.

В программном комплексе Minispec mq 10 содержится три программы: “mq_nf_t1_ir_mb” - последовательность «инверсия — восстановление», “mq_nf_t2_cp_mb” последовательность Карла-Парселла-Мейбума-Гилла, “contin_ilt” - преобразование Лапласса.

Решаемые задачи в нефтегазоносной индустрии

Лабораторному ЯМР-релаксометру отводится важная роль в изучении и интерпретации результатов в нефтяной индустрии. Методом ЯМР определяются петрофизические параметры (в частности характеристики керна и пластового флюида).

Получаемые при исследовании кернов характеристики: пористость (открытая, закрытая, общая, эффективная), проницаемость (общая, фазовая), водонасыщенность, распределение пор по размеру, восприимчивость к водородосодержащим элементам, определение относительного содержания нефти/воды в кернах.

Методика исследований

Несмотря на то что работа на лабораторном ЯМР-релаксометре позволит сократить время петрофизических исследований, обогатить и оптимизировать комплекс исследований – на данное время не существует однозначной методики определения порового пространства лабораторным ЯМР-релаксометром.

В данной работе нашими задачами является изучение: 1) зависимости времени релаксации от концентрации солевых растворов; 2) структуры порового пространства пород методами ядерно-магнитного резонанса и капилляриметрии.

Методика изучения зависимости времени релаксации от концентрации солевых растворов:

- подготовка в пробирке десяти растворов NaCL разных концентраций;

- измерение времени релаксации полученных растворов на приборе Minispec mq 10;

- сделать выводы по результатам измерений.

По полученным измерениям были построены таблица измерений и график зависимости плотности раствора от отношения T1/Т2.

Таблица 1. – Результаты определения времён релаксации

№

Содержание NaCl, г/л

Плотность, г/мл

Время продольной релаксации T1, мс

Время поперечной релаксации T2, мс

1

20,25

1,011

2920

2052

2

41,07

1,025

2840

1941

3

62,48

1,041

2800

2120

4

84,47

1,053

2700

2047

5

107,1

1,0701

2600

1841

6

130,3

1,0851

2500

2063

7

154,1

1,0972

2400

2155

8

178,6

1,1153

2300

2200

9

203,7

1,134

2200

2342

10

229,6

1,1452

2300

2352

По результатам проделанного опыта можно сделать следующие выводы: зависимость времён релаксации от плотности раствора линейная – при увеличении плотности время продольной релаксации уменьшается, а время поперечной релаксации увеличивается.

При увеличении концентрации NaCl, которая не имеет магнитного момента (не реагирующая на внешнее магнитное поле),  доля воды, имеющую хорошую магнитную восприимчивость, в солевом растворе  становится меньше – меньшее количество протонов возбуждается и соответственно быстрее проходит время продольной релаксации Т1.

В основе поперечной релаксации лежит взаимодействие системы спинов водородосодержащих элементов, NaCl препятствует “контактному” взаимодействию между спинами – время поперечной релаксации будет дольше.

На основе данного эксперимента можно судить, что при заданном объёме образца по известной концентрации можно моделировать 100 % пористость для соотнесения с известной пористостью.

Ниже описанная задача находится в стадии выполнения.

Методика изучения структуры порового пространства пород методами ядерно-магнитного резонанса и капилляриметрии:

- подготовка 30 образцов керна;

- проведение стандартны исследований (экстракция, сушка, замер линейных размеров, измерение образцов на поромере и дарсиметре)

- насыщение образцов на сатураторе;

- измерение времени релаксации образцов на приборе Minispec mq 10;

- проведение исследований на капилляриметре;

- обработка результатов и получение выводов.

С помощью этого проекта мы хотим получить методику исследования структуры порового пространства методом ЯМР - в данный момент методика находится в стадии разработки.

Лабораторное изучение методом ЯМР с помощью прибора Minispec mq 10 имеет огромные перспективы в нефтегазоносной индустрии, поэтому в заключении можно сделать такие выводы:

- ЯМР-релаксометр универсален – может измерять широкий спектр петрофизических параметров;

- С помощью комплекса приборов, включая релаксометр можно усовершенствовать и оптимизировать исследования;

- Необходимо разработать методику определения порового пространства методом ЯМР.