摘 要：核磁共振（NMR）測井是測井技術(shù)的重大進展，在復(fù)雜儲層評價中表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。文章簡單介紹核磁共振（NMR）發(fā)展歷程、應(yīng)用以及其物理基礎(chǔ)，將原子核的磁性及其與外加磁場的相互作用通過Larmor方程闡述，并詮釋橫向弛豫時間與縱向馳騁等相關(guān)概念。

關(guān)鍵詞：核磁共振；發(fā)展歷程；應(yīng)用 核磁共振（NMR）作為一種物理現(xiàn)象是在1946年由哈佛大學的伯塞爾（E.M.Purcell ）和斯坦福大學的布洛赫（F.Bloch）教授分別用吸收法和感應(yīng)法同時獨立發(fā)現(xiàn)的。后來人們發(fā)現(xiàn)電磁波作用于原子核系統(tǒng)時，當電磁波頻率所決定的量子的能量正好等于原子核相鄰能量級之間的能量差時（？駐E=hv），原子核就會吸收電磁波，引起核能態(tài)在兩個相鄰能級之間的躍遷，這就是核磁共振現(xiàn)象。從此形成了一門新的邊緣學科，核磁共振波譜學。

上世紀50 年代，Varian公司證實了地磁場中的核自由進動，并于1952年發(fā)明了測量地磁場強度的NMR磁力計。50年代中期，Varian 提出采用同樣的技術(shù)進行油井測量，并且進行了試驗，但結(jié)果相當不明確。1956年，Brown和Fatt研究發(fā)現(xiàn)弛豫時間與孔隙大小有關(guān)，比較小的孔隙具有比較短的弛豫間。時受限擴散對弛豫時間的影響這一基本現(xiàn)象后來成為測井工業(yè)的測井解釋和應(yīng)用的基礎(chǔ)。1960年Chevron公司的Brown 和Gamson研制出了利用地磁場的核磁測井儀器樣機，并在油田進行了初步嘗試。1988年，一種綜合了“In side-out”概念和MRI技術(shù)，以人工梯度磁場和自旋回波方法為基礎(chǔ)的全新的核磁共振成象測井問世，使核磁測井達到了實用化的要求。1990 年正式投入商業(yè)服務(wù)，很快在全球范圍內(nèi)得到成功應(yīng)用。1994年，NUMAR 推出了C型雙頻MRIL，并與Atlas 的Eclips-5700系統(tǒng)組合成功；1995年，提出了DHT油氣識別技術(shù)；1996年又推出了C/TP 型MRIL。Schlumberger公司于1991年推出了以“Inside-out”概念為基礎(chǔ)、利用永久磁鐵在地層中產(chǎn)生局部均勻磁場的貼井壁極板型核磁測井新儀器CMR，它能夠得到縱向分辨率非常高的地層核磁共振觀測信號。90年代核磁測井也成為了發(fā)展最快的測井方法。

核磁共振技術(shù)的基礎(chǔ)是原子核的磁性及其與外加磁場的相互作用。自然界中任何原子核的內(nèi)部均含有質(zhì)子和中子，質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電，質(zhì)子與中子統(tǒng)稱為核子。核子具有自旋性，由此產(chǎn)生自旋磁場。研究表明，具有偶數(shù)核子的許多原子核在自旋磁場中相互抵消，不能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象。具有奇數(shù)核子的原子核都具有內(nèi)秉角動量（也稱自旋），這樣的核自身會不停的旋轉(zhuǎn)，由于原子核帶正電，它們的自旋將產(chǎn)生磁場。目前鉆井條件下巖石骨架中多數(shù)核的自旋磁場都相互抵消了，還有幾種核具有自旋磁場，比如13C、23Na、35Cl等，但是由于這些核產(chǎn)生的信號很微弱，在測井中難以測到，還不能滿足測井的條件。而氫核（1H）在水和烴中都大量存大，具有豐度高、磁矩大可產(chǎn)生最大的核磁共振信號，因此它就成為了核磁共振測井的對象[1]。

在沒有外加磁場時，大量的氫核隨機取向，因此在宏觀上不顯示磁性。當這些氫核處于外加靜磁場B0中時，它將受到一個力矩的作用，從而迫使它們都圍繞B0的方向進動并最終沿B0方向排列。磁性核繞外加磁場方向進動稱為Larmor （拉莫爾）進動，如圖1-1所示。進動角速度？棕0由Larmor方程確定

？棕0=？酌B0 （1-1）

式中，B0為外加磁場強度。

由上式可以看出，不同的原子核，由于其旋磁比不同，在相同的外加磁場中，將有不同的進動頻率。另一方面，同一種原子核，在不同強度的磁場中，其進動角速度不同。

根據(jù)量子力學原理，在外加磁場中，核磁矩的空間取向是量子化的。氫核的自旋量子數(shù)I=1/2，磁矩只有與B0平行和反平行兩種取向。平行于B0的磁矩處于低能態(tài)，與B0反平行的磁矩則處于高能態(tài)。外加磁場使核自旋的能級發(fā)生分裂。相鄰能級之間的能量差為：

（1-2）

式中：h為普朗克常數(shù)，？酌旋磁比，是磁性核的一個重要性質(zhì)。

當大量的質(zhì)子在B0中進動時，平行于B0的自旋要比非平行于B0的多。這種數(shù)量上的差值形成了為核磁共振提供信息的磁化強度M0。

宏觀磁化強度M0指單位體積內(nèi)的磁場力。對于單位體積內(nèi)的N個核子，由居里定律可給出此磁場強度為

（1-3）

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度（0K），I為原子核的自旋量子數(shù)。由式1-3可見，M0與質(zhì)子數(shù)I和磁場強度B0成正比，與絕對溫度T成反比。

當質(zhì)子在靜磁場中重新排列后，它們就被極化了。極化不是立刻發(fā)生的，而是與縱向弛豫時間T1有關(guān)[2]

（1-4）

式中：t為質(zhì)子在B0中受作用的時間，Mt（t）為t時刻的磁場強度，M0為質(zhì)子被外加靜磁場完全極化后達到的最大磁場強度。

當t=T1時，磁場強度約達到M0的63%。當t=3T1時極化完成了95%，通常被認為已經(jīng)完全極化。此時施加一個B0與垂直的射頻磁場B1，并且其頻率等于B0場中相關(guān)質(zhì)子的拉莫爾頻率。此時，如果質(zhì)子在低能態(tài)，它將吸收B1提供的能量從而躍遷到高能態(tài)。B1也使得質(zhì)子產(chǎn)生一個相位進動，由B1造成的能量躍遷與同相進動現(xiàn)象被稱為核磁共振。

從宏觀角度上，磁場的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致了共振。磁場翻轉(zhuǎn)的角度由下式確定： （1-5）

其中，？茲為翻轉(zhuǎn)角度，B1為射頻磁場強度，？子為射頻作用時間。當施加的是一個■脈沖（或90°脈沖）時，質(zhì)子就會同相進動到橫向平面內(nèi)。宏觀上，磁場翻轉(zhuǎn)了90°進動至橫向平面內(nèi)。

當射頻磁場作用結(jié)束后，磁化矢量將通過自由進動，向B0方向恢復(fù)，使核自旋從高能級的非平衡狀態(tài)恢復(fù)到低能級的平衡狀態(tài)。這個恢復(fù)的過程叫做弛豫，它包括兩種不同的弛豫過程：M被分解成X-Y平面的分量（橫向分量）Mxy和Z方向的分量（縱向分量）MZ。橫向分量Mxy向著數(shù)值為零的初始狀態(tài)恢復(fù)，稱為橫向弛豫（又叫自旋-自旋弛豫），橫向弛豫時間用T2表示；與此同時，方向的縱向分量向著宏觀初始磁化強度恢復(fù)，稱為縱向弛豫（又叫自旋-晶格弛豫），縱向弛豫時間用T1表示。

參考文獻

[1]黃隆基著，核測井原理[M]，石油大學出版社，2000

[2]Morriss C.E.Deutch P，F(xiàn)reedman R，McKen D and Kleinberg R.L.Operating guide for the combinablemag neticre sonan cetool.The Log Analyst，1996，37 （6）：53 -60.