第5讲核磁共振测井1

z2.NMR物理基础 T1，T2弛豫时间常数
z2.NMR物理基础
横向弛豫时间 z非平衡态磁化矢量的水平分量 M xy （横向分量） 衰减至零的过程称为横向弛豫过程，弛豫速率用 来 1 / T2 表示，T 2 叫做横向弛豫时间。 z横向弛豫过程中，自旋体系内部，即自旋与自旋 之间发生能量的耦合，使磁化矢量的进动相位从 有规律分布趋向于无规律分布。 z自旋系统的总能量没有变化，自旋与晶格和环境 之间不交换能量，从微观机制上讲，这个弛豫过 程叫做自旋-自旋弛豫（无能级跃迁）。
z同一种原子核，在不同强 度的磁场中，其进动的频 率也不同。
z2.NMR物理基础 单个原子在外加磁场中的行为
z静 磁 场 B0 可 以 以 均 匀 磁 场和梯度磁场两种方式施 加。 z均 匀 磁 场 ： 强 度 与 空 间 位置无关 z梯 度 磁 场 ： 强 度 与 空 间 位置有关。
z2.NMR物理基础 单个原子在外加磁场中的行为 zLamor 频 率 是 Bo 的 函 数 。 如果B0与位置有关，那么 Larmor频率就是原子核位 置 的 函 数 。 这 是 MRI 和 MRIL的测量基础。
z1.发展历程 z1988 NUMAR 设计了基于脉冲回波的核磁共振 测井样机（MRIL）。 z1990 NUMAR 的 MRIL 仪器投入商业服务。 z1994 NUMAR 的MRIL与Atlas的5700系统组合 成功。 z1995 NUMAR 推出多频 MRIL-C型测井仪器， 并提高了测井速度。 z1995 SLB推出商用的仪器CMR。
z2.NMR物理基础
z单位体积内核磁矩的和叫 做宏观磁化矢量M。
宏观磁化矢量 z这个过程在NMR测井中 叫做“极化”。 zActivation z源自文库 磁 共 振 的 测 量 对 象 就 是宏观磁化矢量及其变化 过程。
z2.NMR物理基础
z2.NMR物理基础
z对于被磁化后的核自旋系统，在垂直于静磁场的
z2.NMR物理基础
脉冲扳转 z使磁化矢量从纵向到横向平面，通过施加一个 与静磁场B0相垂直的交变磁场B1来完成，其频率 为Lamor频率。其实质为质子吸收能量，从低能 态跃迁到高能态。
z2.NMR物理基础
z脉冲扳转角取决于交变磁场B1的强度以及作用 时间（脉冲宽度）。 z核磁共振测井的B1磁场是一个交变磁场，主要 由90。脉冲和180。脉冲构成。
z当B1磁场关闭时，质子相互之间的进动不在同 相（散相），净磁化矢量减小。
z测 量 横 向 磁 化 矢 量的接收线圈将检 测到一个衰减信 号，通常为指数 型，为自由感应衰 减信号（FID）。
z3.自旋回波
自由感应衰减
zFID的时间常数（T2*）很短，只有几十毫秒。
1 = 1 + γ ΔB0
T2* T2
z原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、 以及磁矩与磁场的夹角相关。
z根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之 间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核的磁 量子数决定的。
z原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳 跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的 能级。
核磁共振的量子力学解释
z2.NMR物理基础
z射频（RF）是Radio Frequency的缩写，表示可以 辐 射 到 空 间 的 电 磁 频 率 ， 频 率 范 围 从 300kHz ～ 30GHz之间。 z射频简称RF，是一种高频电磁波。
弛豫
z2.NMR物理基础
z在射频脉冲施加以前，核自旋系统处于平衡状 态，宏观磁化矢量M与静磁场B0方向相同。 z 射频脉冲结束，宏观磁化矢量会尽快向B0方向 恢复。 z只要B0磁场存在，宏观磁化矢量就会朝B0方向 恢复。
2
zFID由磁场的非均匀性（由磁场梯度和在测量物 质中某些分子进动而引起）引起的。由于Bo磁场 的非均匀性，不同位置的质子将以不同的Lamor 频率进动，产生快速的FID衰减。
z2.NMR物理基础
z当没有外加磁场时，单个 核磁矩随机取向，包含大 量同种核的系统在宏观上 没有磁性 。
z布朗运动：分子无序的运动。 z布朗运动的描述：统计物理学。 z原因：大量原子核运动的差异，包括能量、运 动方向、相位角的差别。。。。。。 z有序运动：运动无差异。
z2.NMR物理基础
z进动 z当一个力矩作用于自旋物体时，该物体的旋转 轴绕垂直于力矩的方向运动，称为进动。 z进动本为物理学名词，一个自转的物体受外力 作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称 为进动。 z自转物体之自转轴又绕著另一轴旋转的现象， 又可称作旋进 。
z1.发展历程
z1969 Timur 提出了自由流体指数概念以及由 NMR测量渗透率和含水饱和度（Sw）以及束缚 水饱和度(Wsirr)的方法。 z 1978 SLB把基于地磁场的第一代商用 NML投 放市场。 z1978 Jackson 申请了基于自旋回波的NMR 测 井仪器，提出了inside-out概念。
zMRI 和 MRIL 均 提 供 梯 度磁场。
z2.NMR物理基础 单个原子在外加磁场中的行为 zMRIL 仪 器 采 用 一 个 静 态梯度磁场，强度与径向 距离有关。 zMRIL 的 探 测 范 围 的 空 间位置由仪器提供的 Lamor频率决定。
宏观磁化矢量 z在外加磁场B0的作用下， 整个自旋系统被磁化，使核 磁矩排列有序，宏观上产生 一个净的磁矩矢量和M0。
BO方向再加一频率为 ω = ωo 的交变电磁场，根据量
子力学的原理，核自旋系统将发生共振吸收现象，即 处于低能态的核磁矩将吸收交变电磁场提供的能量， 跃迁到高能态，这种现象称为核磁共振。
z2.NMR物理基础
共振（resonance）
z共 振 是 指 一 个 物 理 系 统 在 其 自 然 的 振 动 频 率 （所谓的共振频率）下趋于从周围环境吸收更多 能量的趋势（吸收能量）。
z2.NMR物理基础
z当质子在外加静磁场中定向排列以后，称为被 极化。极化是随着时间常数逐步实现的，该时间 常数为T1。T1弛豫曲线表示质子的恢复曲线，T1 是磁化矢量达到最大值63%时的时间，3T1是磁 化矢量达到95%时的时间。
z2.NMR物理基础 油、气、水具有不同的T1时间
z3.自旋回波 自由感应衰减
NMR发展简史
z1.发展历程
z 1946 Purcell 和 Bloch 各自独立的进行了第一
次NMR试验，成功的观察到核磁共振现象。
z1949 Varian 观察到地磁场中的核自由进动。
z1950 Hahn提出自旋回波核磁共振试验方法。
z1952 Purcell & Bloch 因为观察到NMR现象的
z系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励 的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能 达到非常大的值，这种现象叫共振。 z核磁共振NMR：Nuclear Magnetic Resonance
z质子在外加磁场中作用，与核物理相区别。 z核辐射：放射性原子核特有的性质。
z2.NMR物理基础 核磁共振的量子力学解释
z1.发展历程 为什么要进行NMR测井？
What will the reservoir produce?
z1.发展历程 为什么要进行NMR测井？
z1.发展历程 NMR测井直接给出岩石特性和流体特性
• 总孔隙度 • 有效孔隙度 • 孔隙尺寸分布
• 粘土束缚水 • 毛管束缚水 • 自由流体指数 • 探测烃 • 探测烃类型
z2.NMR物理基础
单个原子在外加磁场中的行为
z质 子 处 于 外 加 静 磁 场 中 Bo（静磁场）时，将绕B0 进动(洛仑兹力)。进动频 率由Larmor（拉莫尔）方 程确定，即：
ωo = γ Bo
B o为外加磁场的强度
γ 为旋磁比
z2.NMR物理基础 单个原子在外加磁场中的行为
z由于不同的原子核，其旋 磁比值不一样，在相同的 外加磁场中，不同原子核 的进动频率也不一样。
z2.NMR物理基础 弛豫 z射频脉冲作用期间，磁化矢量偏离静磁场方向。 z 射频脉冲作用结束后，磁化矢量将通过自由进 动朝B0方向恢复，使核自旋从高能级的非平衡状 态恢复到低能级的平衡状态（释放能量）。
z从一个平衡态恢复到另外一个平衡态的过程叫做 弛豫。
z原子核从激化的状态回复到平衡排列状态的过程 叫弛豫过程，它所需的时间叫弛豫时间。
z2.NMR物理基础 脉冲 z 脉冲是指能将磁化矢量扳倒的射频脉冲。 z 射频脉冲作用时间，常称为脉冲宽度 。 z不同脉冲宽度组成的序列，称为脉冲序列。 z θo = γ B1t p = ω1t p 为 脉冲扳倒角，与施 加给自旋系统的能 量成正比 。
z2.NMR物理基础
90。脉冲和180。脉冲 z 90。将磁化矢量从纵轴方向扳倒在水平面上。 z 180。脉冲可使磁化矢量扳倒，即能使磁化矢量 反转，到相反的方向。
岩石特性
流体特性
准确预测 储层的生 产能力
z2.NMR物理基础
z核 磁 共 振 的 基 础 是原子核的磁性及 其与外加磁场的相 互作用。
z原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子 不带电，统称为核子。
z2.NMR物理基础
z所有含奇数个核子以及含 偶数个核子但原子序数为 奇数的原子核，都具有内 秉角动量（“自旋，spin”）。 这样的核自身不停地旋 转，犹如一个旋转的陀螺。
z1.发展历程
z1996 NUMAR 与 Sperry Sun 合 作 ， 研 制 MRIL-LWD 。
z1996 NUMAR 被 HES收购。 z1998 HES推出MRIL-Prime。 z1999 HES推出 MRIL的LWD样机。 z2005 SLB推出MR-SCANNER。
z1.发展历程 NMR 测井仪器的发展
z1H, 13C，19F， 23Na，27Al等。 zNMR测井主要探测氢核（H1，质子）。
z2.NMR物理基础
z原 子 核 带 有 电 荷 ， 自 旋将产生磁场，像一根 磁棒（小磁针）。
z磁场的强度和方向可以用核磁矩矢量来表示：
μ =γ p
μ 为原子核的磁矩；p 为自旋角动量
γ 为原子核的旋磁比，是磁性核的重要性质之一
z某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只 吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形 成了一个核磁共振信号。
z2.NMR物理基础
z交变电磁场既可以连续地施加，也可以以短脉冲的 形式施加。 z核磁共振技术都采用脉冲方法，工作频率大多在射 频段（RF），该电磁波脉冲叫做射频脉冲。
z2.NMR物理基础
突出成就而获诺贝尔奖。
z1.发展历程
z1954 Carr & Purcell 提出了CPMG脉冲序列， 并且进行了扩散测量。 z1956 Brown 和 Fatt对砂岩样品进行了NMR测 量，发现砂岩中的衰减明显比自由流体快。 z1960 Brown & Gamson设计了第一个基于地磁 场的NMR测井仪样机，并进行了现场测试。 z1967 Seevers 观察到岩石核磁共振弛豫速率与 岩样渗透率之间的关系。
z当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输
入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与
外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获
取核磁共振信号的基础。 z 为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要
为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常
是通过外加射频场来提供的。
z2.NMR物理基础 核磁共振的量子力学解释 z根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核 自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能 够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。
z2.NMR物理基础
纵向弛豫时间 z磁化矢量Z方向的纵向分量恢复到初始磁化强度 的过程，称纵向弛豫过程，弛豫速率用 1 / T1 表 示，T 1 叫做纵向弛豫时间。
z在纵向弛豫过程中，磁能上的粒子数将发生变 化，自旋体系的能量将发生变化，自旋与晶格和 环境之间交换能量，把共振时吸收的能量释放出 来，从微观机制上讲，又把它叫做自旋-晶格弛 豫（高能级跃迁到低能级）。
z《测井新方法》
第5讲 核磁共振测井（1）
张元中 地球物理与信息工程学院测井系
z《测井新方法》
主要内容
1、核磁共振测井的发展历程 2、NMR物理基础 3、自旋回波
z1.发展历程
医学核磁共振成像MRI Magnetic Resonance Imaging
z1.发展历程
核磁共振成像测井MRIL Magnetic Resonance Imaging Logging