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什么是鉆孔核磁共振技術(shù)？

01 鉆孔核磁共振的工作原理

核磁共振指的是原子核對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)，即若在穩(wěn)定磁場(chǎng)垂直方向上加一射頻磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率與氫核的核磁共振頻率相同時(shí)，處于低能位的氫核將吸收能量，轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)的核，這一現(xiàn)象叫核磁共振。當(dāng)射頻脈沖作用停止后，磁化矢量通過自由進(jìn)動(dòng)向B0方向恢復(fù)，使原子核從高能態(tài)的非平衡狀態(tài)向低能態(tài)的平衡狀態(tài)恢復(fù)，這一過程叫弛豫。從方向上來(lái)劃分可以分為縱向和橫向弛豫。

縱向弛豫T1是指磁化矢量在Z方向的縱向分量往初始宏觀磁化強(qiáng)度M0的數(shù)值恢復(fù)過程。它與孔隙的體積、孔隙中介質(zhì)的性質(zhì)以及地層的物性等因素有關(guān)。

橫向弛豫T2是指磁化矢量在X-Y平面的橫向分量往數(shù)值為0的初始狀態(tài)恢復(fù)的過程，它同樣與孔隙的體積、孔隙中介質(zhì)的性質(zhì)、地層的物性以及采集各項(xiàng)參數(shù)等因素有關(guān)。

簡(jiǎn)單來(lái)講就是我們使用只影響氫核的射頻頻率，通過一個(gè)永強(qiáng)磁體和一個(gè)復(fù)雜的射頻發(fā)射器和接收器來(lái)對(duì)準(zhǔn)、處理和測(cè)量來(lái)自原子核的感應(yīng)射頻信號(hào)。即原子核被“激發(fā)”，并測(cè)量其衰變速率。

水中的氫原子核是自然地隨機(jī)排列的。通過施加一段時(shí)間的縱向強(qiáng)磁場(chǎng)，原子核可以縱向排列。然后，射頻發(fā)射器將原子核傾斜90°改為橫向，并以特定的頻率振蕩它們，使它們擺動(dòng)或同相進(jìn)動(dòng)。這種進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)振蕩射頻（RF）信號(hào)，當(dāng)原子核失相時(shí)，該信號(hào)衰減，這個(gè)過程可以被接收器檢測(cè)到。在實(shí)踐中，使用了準(zhǔn)確的電磁脈沖序列(CPMG)為90°，然后是一系列180°脈沖，以反轉(zhuǎn)和重新排列進(jìn)動(dòng)的原子核，產(chǎn)生新的峰值或自旋回波。幾個(gè)進(jìn)動(dòng)衰減過程會(huì)影響所產(chǎn)生的信號(hào)，顯著的是地層內(nèi)的表面相互作用，其中信號(hào)在較小的孔隙空間中衰減得更快。

02 數(shù)據(jù)輸出

T1是由永磁體極化后的衰減率導(dǎo)出的縱向弛豫時(shí)間，描述了極化速率。T2是描述衰減速率的橫向弛豫時(shí)間，受孔徑大小的影響。極化后的RF信號(hào)的峰值幅度用于確定總孔隙度。利用T2衰減信息，總孔隙度可以進(jìn)一步分為粘土基組分、毛細(xì)孔隙度組分和活動(dòng)組分，從而可以更好地估計(jì)滲透率。

式中，ρ為潤(rùn)濕相和礦物成分，S為孔隙尺寸，V為巖石體積，T為溫度，C為粘度，η為計(jì)算系數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)，G為磁場(chǎng)梯度，TE為回波間隔。

鉆孔核磁共振技術(shù)應(yīng)用

JavelinJPY238型核磁測(cè)井探頭示意圖

由于JavelinJPY238使用多個(gè)頻率進(jìn)行不同深度的調(diào)查，因此消除了沖刷和鉆孔干擾以及射頻干擾的影響。該系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的電纜裝置進(jìn)行測(cè)量，使其成為一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，為巖土工程和水文地質(zhì)調(diào)查提供寶貴數(shù)據(jù)。

VistaClara的高級(jí)Javelin系列鉆孔NMR測(cè)井工具可直接、低成本、高分辨率地測(cè)量水文地質(zhì)特性，包括：體積含水量；空隙分布；結(jié)合水孔隙度和自由水孔隙度；透水性和導(dǎo)水率。

應(yīng)用案例

為了維持現(xiàn)有人口的可持續(xù)供水和城市未來(lái)發(fā)展，擴(kuò)大城市地下水蓄水層儲(chǔ)存和恢復(fù)，需要更詳細(xì)地了解含水層水文特性，包括子流域尺度的導(dǎo)水率和有效孔隙度等地下水資源關(guān)鍵信息。但是，在某些地區(qū)，用于地下水儲(chǔ)存和開采的含水層其深度可能會(huì)達(dá)到數(shù)千英尺，傳統(tǒng)的低分辨率水文測(cè)量無(wú)法達(dá)到或需要投入更多的資金才能進(jìn)行。

在亞利桑那州錢德勒的奧羅河谷（頂部）進(jìn)行了鉆孔核磁共振測(cè)試井，該項(xiàng)目是使用Javelin®有纜核磁共振測(cè)井儀和4頻、3.5英寸直徑的核磁共振測(cè)井探頭在現(xiàn)有PVC套管監(jiān)測(cè)井中獲得的。一口井位于亞利桑那州錢德勒的私人工業(yè)地產(chǎn)上，另一口井位于亞利桑那州奧羅河谷附近的市政生產(chǎn)井場(chǎng)。每口井的標(biāo)稱直徑為10英寸，并使用同樣PVC完井，篩分生產(chǎn)間隔以及適當(dāng)?shù)倪^濾和灌漿間隔。這使得能夠在四個(gè)探頭敏感彈中的三個(gè)中收集有用的數(shù)據(jù)，直徑從12英寸到15英寸不等。高分辨率核磁共振測(cè)井以30m/h的速度獲得。

獲得的核磁共振測(cè)井結(jié)果顯示，河谷這一部分的含水層沉積物具有較高的漸變性、分層性和產(chǎn)出性。在亞米級(jí)垂直尺度上，流動(dòng)水孔隙度、束縛水孔隙度和水力傳導(dǎo)率存在明顯的差異。而在奧羅河谷（底部）附近獲得的核磁共振測(cè)井結(jié)果顯示，總體孔隙度較低，孔隙大小和滲透率的變化小，屬于分選較差的巖石。

這說(shuō)明，具有滲透性和多孔性的含水層位于400英尺以上，被排除在篩選層段之外。

此案例證明了核磁共振測(cè)井在描述和管理重要沙漠城市地區(qū)不同沉積礦床地下水資源方面的價(jià)值。研究結(jié)果還表明，從相對(duì)低成本的Javelin有纜核磁共振測(cè)井工具中得到的高分辨率信息，可改進(jìn)和優(yōu)化井網(wǎng)位置，這對(duì)單井產(chǎn)量有著積極影響。

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