量子和经典力学描述核磁共振机理的比较.docVIP

 量子和经典力学描述核磁共振机理的比较 黄隆基 王瑞平 白康生 陆凤根 吴金丽 赵文杰 (石油大学石油资源科学系 ,山东东营 257062) (胜利石油管理局) 摘要 核磁共振测井是目前发展最快的测井方法 ,简要介绍了核磁共振测井方法和技术发展情况 . 核磁共振 技术是核磁共振测井的基础 ,由于它涉及较深的微观理论 ,着重从量子力学和经典电动力学两个方面介绍核磁共 振机理推导过程 ,并进行了研究和对比 ,说明两者的区别和联系 ,以明确核磁共振测井技术研究中的一些基本概念 和术语 . 主题词 核磁共振 ;测井 ;量子力学 ;经典电动力学 中国图书资料分类法分类号 P 631 . 823 Ξ 第一作者简介 黄隆基 ,男 ,1935 年出生 ,1962 年毕业于北京石油学院 ,1965～1967 年在罗马尼亚布加勒斯特 石油学院读研究生 . 现为石油大学应用地球物理教授 ,从事核测井和油藏描述技术的研究. 直到 1978 年美国 Lo s Alamo s 国家实验室 J ack2 so n 博士为解决 N ML 中存在的问题 ,提出“内部建 场 , 外 部 接 收 ”的 方 案 , 即“内2外 ”核 磁 共 振 技 术 “( Inside2Out ”N M R technique) 使过去接收极化后 在地磁场中的自然衰变信号变为接收外部地层核磁 共振信号 . 其基本原理为 : ( 1) 两个同级强磁铁体系 在轴向建立一均匀强磁场区域 ,该区域为避开井筒 范围的地层区域 ; (2) 井内通过发射线圈或天线发射 射频场 ,其交变磁力线垂直于径向强磁场方向 ,并且 发射频率等于该均匀极化区域 氢 核 的 核 磁 共 振 频 率 . 最后接收这个区域的氢核在退激过程中的衰减 信号 (一般为横向弛豫时间 T 2 ) ,即开创了核磁共振 测井新技术 , 用 N M RL 表示. 80 年 代 以 来 , N M RL 技术在西方国家发展很快 ,其主要代表为努玛 ( N U2 MA R) 公司和斯仑贝谢公司 ,主要在场强建立 、信号 接收以及成象解释方面进行了技术改进. 表 1 给出 了 N M RL 主要发展年鉴 . 90 年代以来 , 我 国 测 井 界 开 始 了 对 N M RL 技 术的引进和推广研究工作5 ,6 , 1996 年首次在胜利 油田进行了 N M RL 测量. 核磁共振理论是核磁测井 的基础 ,由于核磁共振理论涉及较多微观理论知识 , 这里只从量子力学和经典电动力学给予讨论 ,分析 两种方法的特点 ,以进一步明确核磁测井研究中的 一些概念和术语. 核磁共振测井发展概况 流体中的氢元素是核旋磁比最大 、在地壳中含 量最为丰富的元素之一 . 50 年代美国加里福尼亚公 司 (现标准石油公司) 首次发表核磁测井专利 1 . 当 时采用的方法是利用地磁场作为恒定磁场 ,使用直 流脉冲极化地层磁矩核 ( 主要为氢核) ,然后测量这 些极化核在地磁场中的自由衰减时间 . 由于它使地 下岩石中的核磁矩有序排列极化 ,所以称为核磁测 井 ,用 N ML 表示. 从原理上讲 , 这个衰减时间可以 反映测量区域内的自由流体情况 (自由流体指数 ,用 F F I 表示) ,进而得到地层渗透率 、饱和度等参数 ,得 到了大多数地质学家的关注2 . 但在实际应用中 , N ML 方法受到许多制约 ,主 要是 : (1) N ML 测井产生信号太弱 ,可以证明磁极辐 射较电极辐射能量小 2 个量级以上 ,同时原子核磁 矩本身产生的是弱信号 ; (2) 井内流体产生的极化效 应大大妨碍了地层流体介质的磁化 ,使得井内本底 信号严重干扰了测量 . 而若对井内介质进行处理 ,则 需花费资金和时间. 同时还存在其它一些问题 ,如测 速问 题 、信 号 累 加 问 题 等 , 这 些 问 题 严 重 阻 碍 了 N ML 的发展. 尽管在一些局部方面作了一些改进 , 如 70 年 代 后 期 斯 仑 贝 谢 公 司 ( Schlumberger ) 推 出 第二代 N ML 仪器3 ,但长期以来它难以在实际中 得到推广 . 1 Ξ 收稿日期 :1996 - 05 - 02 综 述 表 1 NM R 在测井中的应用状况4 年 代 发现者或发明人 事 件 1946 1949 1950 1952 1954 1956 1960 1967 1969 1978 1978 1988 1990 1991 1993 1994 Bloch 和 Purcell 在实验室中 ,各自独立发现 NMR 现象 出现各种利用地磁场进行 NMR 测量专利 首次实现回波 NMR 实验 由于发现 NMR 现象 ,得