摘要：核磁共振测井仪器可以实现自旋核的极化、把体磁化强度M0扳倒在与B0垂直的平面上、自旋回波探测；回波串的衰减率反映了地层的孔径尺寸信息和流体类型信息，核磁共振技术在油田测井中得到了广泛应用，在油田储层评价中具有重要价值。

　　关键词：磁旋比；进动频率；纵向弛豫；横向弛豫

　　0引言

　　核磁共振仪器通过施加强磁场让原子核自旋产生的核磁矩极化，通过测量极化时间获得纵向弛豫时间，然后通过施加射频电磁场使原子核产生共振，并把体磁化强度扳倒在横向平面上，测量自旋回波信号获取横向弛豫时间，通过对这些数据的反演，获取地层信息。

　　国内外多家公司研制出不同型号的核磁共振测井仪，比如，斯伦贝谢的MRScanner，贝克休斯的MREX，哈利伯顿的MRIL及中海油服研制的EMRT。核磁共振测井仪器主要测量地层流体中的氢核，因此原理说明中的核子以氢核为例。

　　1核磁测井仪理论基础

　　核磁共振技术主要理论基础是所有含有奇数核子(质子和中子)的原子核都具有内秉角动量，也就是自旋，这样的原子核可以看作一个旋转的陀螺，由于带有电荷，他们的自旋将产生磁场，自旋核类似磁棒，这些磁棒在没有外部磁场的情况下是随意排列的。

　　如图1所示，当磁场B0施加到磁核时，磁核将绕B0进动，进动频率为：

　　式中：γ为磁旋比。基本粒子的磁矩与其角动量(机械矩)的比率，对具有非零机械动量或自旋的每种基本粒子，磁旋比具有确定的值；f为进动频率(Lamor频率)，进动是指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，其频率为进动频率。

　　对于氢核

，其他核子有他们自己的γ值，所以从式(1)可知，某种核子的进动频率是与其所处的磁场强度成正比的。

　　在MRIL这种居中型的核磁测井仪器中，磁场B0会在井周形成环形的梯度磁场，环带越靠近仪器中心，磁感应强度越大，根据式(1)，可知氢核的共振频率也就越高，测井时通过改变射频电磁场B 1的频率使相应环带上的氢核获得共振，就可以探测不同深度的地层环带了[1]，如图2所示。

　　2核磁共振测井仪工作原理

　　2.1极化

　　极化是核磁共振应用中的第一步。大量自旋核在被施加如图1所示的磁场B0后，自旋的核子将绕B0方向产生进动，有一部分核磁矩与外部磁场B0一致，即向上(能量状态为低能态)；有一部分与B0的方向相反，即向下(能量状态为高能态)，但一致的更多一些，这个过程即为极化，从宏观上表现为体磁化强度M0与外部磁场B0的方向一致，核磁共振测井仪器利用的就是这个宏观量。

　　外部磁场B0施加后，磁化强度Mz(t)是逐渐由0增加到最大值M0的，最大值M0可以通过测量得到，关系式如下[1]：

　　式中：t为氢核暴露在外磁场B0的时间；Mz(t)是时间为t时的体磁化量；M0是最后的最大体磁化强度。

　　T1称作纵向弛豫时间，是体磁化量强度达到最大值的63%时所用的时间，3倍的T1是体磁化强度达到最大磁化强度的95%所需时间，油和气的T1值与水的T1值差别较大，可以用来判断地层流体性质，图3所示的就是纵向弛豫曲线图[1]。

　　2.2扳倒与自旋回波探测

　　如图4所示，在核磁共振设备中，弱的射频电磁场B 1叠加在强的恒定磁场B0上，并且其矢量在垂直于恒定磁场B0方向的平面中以角速度ω旋转。如果弱叠加场B 1的旋转速率ω与进动氢核的拉莫尔频率(ωL=f×2π)不同，则这两个旋转场将是不同步的，在完整的旋转过程中，氢核的自旋轴将被叠加的旋磁场B1时而吸引、时而排斥，并且只会轻微摆动。但是，当它们同步时，即ω与进动氢核的拉莫尔频率ωL相同时，稳定的力将作用在进动氢核的自转轴上，使得进动中的氢核从射频电磁场B 1获得能量，根据量子力学的观点，氢核将实现从低能级到高能级的跃迁，并且使氢核在进动的相位上实现同步，在这种情况下，被称为共振，使用射频电磁场产生共振有时被称为“驱动共振”。实现共振的条件有两个：一是震荡交变磁场B 1必须在垂直于B0的方向上有分量；二是B1的频率必须为氢核在静磁场B0下的进动频率。这个交变电磁场B 1既可以连续地施加，也可以以短脉冲的方式施加，核磁共振测井仪器中大多采用短脉冲方式，如图5所示，产生磁场B 1的线圈在通电期间产生磁场B1，在不通电时可以作为测量线圈[2]。

　　射频电磁场B 1施加后，体磁化强度M0会相对B 1磁场进动，扳倒角θ与射频电磁场B 1的大小及施加的时间长短有关，关系式为：

　　式中：τ为施加振荡交变电磁场的时间。

　　当θ为90°时，体磁化强度M0被扳倒在与B0垂直的平面上，如图6所示，B1沿x轴方向，M0被从z轴扳倒在y轴方向。

　　通过线圈，可以测得该平面上的体磁化量，此时，关闭射频电磁场B1，共振了的自旋氢核将很快散相并恢复到较低能态，使得该垂直平面上的体磁化量变为0。造成很快散相的原因主要有3种：

　　(1)恒定磁场B0在地层中产生的磁场强度具有非均匀性，根据式(1)可知，会造成一些自旋核进动的快一些，一些慢一些；

　　(2)核子之间的相互影响，旋转的质子会受到每个相邻质子产生的微小附加磁场的影响；

　　(3)自旋核的扩散。

　　由(2)和(3)原因造成的散相是不可恢复的，所以不能实现无限次重新聚相。由(1)造成的散相，可以通过施加扳倒角θ=180°的磁场B1让散相的自旋氢核多次重新聚相，如图7所示。I状态为90°扳倒脉冲施加完以后，核磁矩开始进动并逐步散相，D进动快在前，F进动慢在后；II状态为180°脉冲施加过程中，核磁矩绕x轴方向的磁场B1进动，旋转180°,如从D的位置旋转到D 9位置；III状态为扳倒角为180°的磁场B 1施加完毕后，进动快的D反而落在进动慢的F后方，核磁矩继续进动，在某个时刻D将追上F，实现重新聚相，从而产生自旋回波串，由此消除因磁场不均匀对测量横向弛豫时间常数的影响。如果不能翻转并重新聚相，就只能测量到自由感应衰减(FID)常数T2*，多次重新聚相进行测量，则可以得到横向弛豫时间常数T2，图8清晰说明了T2*与T2的关系[3]。

　　90°B 1脉冲施加完并关闭后，横向体磁化强度会逐步衰减到0。横向体磁化强度衰减常数称为T2，又称横向弛豫时间，横向体磁化量的时间函数为：

　　式中：M0x是t=0时的横向体磁化强度值(也就是90°脉冲停止的时刻)。

　　为获取回波串，对B1磁场需要施加CPMG序列脉冲，即在一个90°脉冲后，施加一串180°脉冲，核磁共振仪器工作的整体时间序列如图9所示[1]。在CPMG序列脉冲的结束段，旋转的氢核产生的核磁矩矢量彻底随意排列了，在纵向和横向上都检测不到体磁化量了。为了开始下一个CPMG脉冲序列，氢核需要重新被极化，所以需要一个等待时间TW，利用这段时间对氢核进行极化，然后才能再次施加CPMG脉冲。图9中上半部分是B 1磁场的两个CPMG脉冲序列，下半部分代表了极化(纵向弛豫曲线)、自旋回波信号串(横向弛豫曲线)，TW为极化时间，TE为回波间隔。

　　自旋回波数据包含重要信息，回波串的初始幅度反映了地层孔隙度信息，回波串的衰减率反映了孔径尺寸信息和流体类型信息[4]。

　　3现场应用

　　中海油服研制的EMRT核磁测井仪，自研发成功以来在海上油田得到了广泛应用，年作业量达数十口井，成像及解释效果良好，得到了用户的肯定。如图10所示为南海东部某井两个层位的核磁测井曲线图及解释成果图，黑框所标这两个层位，左侧的常规测井曲线中电阻率和伽马值基本都相同，无法对这两层进行区分，但通过右侧的核磁测井资料可对地层的有效孔隙度进行分析，上层T2谱主要分布于前端，储层偏干，为无效储层；下部储层T2谱靠后，储层较有效。

　　4结语

　　本文详细阐述了核磁共振测井仪器中极化、扳倒与自旋回波串探测等关键技术，有助于测井工程师更好地理解核磁共振技术及核磁测井仪器。在作业过程中调节好各种复杂参数，结合中海油自研EMRT核磁测井仪的应用情况，阐述了核磁测井仪器在油田储层评价中的重要价值，为后期核磁共振测井技术的发展应用起到借鉴作用。

　　参考文献：

　　[1]COATES G R,XIAO L,PRAMMER M G.NMR Logging Principles and Applications[M].United States of America:Halliburton Energy Services Publication H02308,1999:37-100.

　　[2]肖立志.核磁共振成像测井[J].测井技术，1995，19(4)：284-293.

　　[3]KELLER P J.Basic Principles of Magnetic Resonance Imaging[M].St.Joseph’s Hospital and Medical Center Phoenix USA:General Electric Company,1990:22-24.

　　[4]李仙枝，宋公仆，张向林，等.EMRT核磁共振测井仪及其应用[J].石油仪器，2014(3)：42-44.