【正文】 旋磁比 。面臨電子這種更強(qiáng)的順磁物質(zhì)，原子核磁性之所以能夠被探討研究，是由于原子核能在一個(gè)特定頻率下發(fā)生高度共振的緣故。處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱(chēng)為 鐵磁的（ ferromagic） 。如果他們不成對(duì)出現(xiàn)，凈磁矩會(huì)取向外加磁場(chǎng)方向。如果給這個(gè)系統(tǒng)施加外磁場(chǎng)，這些電子會(huì)繞著原子核旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)與外加磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)（楞次定律）。其它原子如 11B， 13C， 15N， 19F，23Na等都有自旋角動(dòng)量和磁矩。 121原子核的磁性 處于基態(tài)的很多原子核的自旋角動(dòng)量都不為 0，而且在角動(dòng)量方向上還有磁矩。 幸好，油、氣、水的分子擴(kuò)散系數(shù) D差別很大。天然氣主要由甲烷組成， T2分布比較簡(jiǎn)單。 當(dāng)前從 NMR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù) 中可求取：巖石有效孔隙度、可動(dòng)流體孔隙度、泥質(zhì) 毛管束縛流體孔隙度和總孔隙度，孔隙大小分布和孔隙結(jié)構(gòu)，流體的性質(zhì)和油、氣、水飽和度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式還可以估計(jì)滲透率。 20世紀(jì) 50年代，先在實(shí)驗(yàn)室用 NMR方法 研究原油和儲(chǔ)油孔隙巖石的性質(zhì)，后又用于 測(cè)井技術(shù) 。 核磁測(cè)井講座 1924年， Pauli由原子光譜的細(xì)微結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，有些原子核應(yīng)該具有 自旋角動(dòng)量及磁距 。 20世紀(jì) 60年代，美國(guó)和蘇聯(lián)研制出 利用地磁場(chǎng)的核磁共振測(cè)井儀器 ，用于石油勘探。 二維和多維 NMR的發(fā)展，使得油水區(qū)分以及含油飽和度的估計(jì)更加準(zhǔn)確，更加有效。地層孔隙水的 T2分布，大體上能反映孔隙尺度的分布，通?？蓪⑹`水和可動(dòng)水區(qū)分開(kāi)。 甲烷和乙烷的分子擴(kuò)散系數(shù) D比水分子擴(kuò)散系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)，而中等到高粘度原油的分子擴(kuò)散系數(shù)比水分子擴(kuò)散系數(shù)小。通常情況下，這些磁矩的大小在 10–3到 10–4 Bohr magons 之間（ 1 Bohr magon = = 10–20 ergs/Gauss，是一個(gè)電子自旋的磁矩）。 在 NMR測(cè)井中， 目前 對(duì)測(cè)井有實(shí)用價(jià)值的僅有氫核（ 1H）的核磁共振性質(zhì) 。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)磁化強(qiáng)度，即： M = cH，其中M是磁 化 強(qiáng)度， H是外加磁場(chǎng)， c 是磁化率并且為負(fù)值，大約為–10–6 emu，這樣的原子稱(chēng)為 抗磁的（ diamagic）。如果磁矩的凈增量超過(guò)抗磁性，那么這個(gè)原子就有一個(gè)正的磁化率，大約為 10–6 emu或者更大，這樣的原子稱(chēng)為 順磁的（ paramagic） 。如果把它放在一個(gè)磁場(chǎng)中，其自旋與外加磁場(chǎng)同方向的磁疇會(huì)增大，其它磁疇則會(huì)減小，最終它會(huì) 永久磁化 ，即使撤掉外加磁場(chǎng)，也會(huì)帶有磁性。錳、釓和鐵都是很強(qiáng)的順磁物質(zhì)，如果在孔隙流體中或者在巖石顆粒表面含有少量（ ppm）這樣的物質(zhì)，就會(huì)大大減小巖石的 T1, T2值。理論上， m 和 J都可以計(jì)算， g 也自然可求得。 但 因氫原子核有自旋角動(dòng)量，它就會(huì)像陀螺儀一樣繞著外加磁場(chǎng) H方向進(jìn)動(dòng)。在時(shí)間 dt內(nèi)，向量 m 頂端轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 (g H)dt，故m 繞 H進(jìn)動(dòng)的頻率為 g H/2p。 拉莫爾頻率是磁性原子核的共振頻率 ，磁性原子核僅在拉莫爾頻率下才能吸收或者釋放能量。 ?在熱平衡下， 整個(gè)系統(tǒng)可以用玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)量（ Boltzmann statistics）來(lái)描述 。039。在熱平衡狀態(tài)下，其 高能態(tài)的質(zhì)子數(shù) N–與低能態(tài)的質(zhì)子數(shù) N+之比為 ： kTHkTH eeNN ?gm ???? ??() 當(dāng)外加磁場(chǎng) H = 0時(shí)，式（ ）中的比為 1，即 N– = N+，凈磁化 強(qiáng)度 為 0。 如果 H = 0，所有的過(guò)程都反過(guò)來(lái)，低能態(tài)的原子核要從周?chē)肿游漳芰寇S遷到高能態(tài)，最終 Mz為 0。因此， 也就是說(shuō)，在此情況下 N– 只比 N+ 稍稍小千萬(wàn)分之二 。 圖 圖 當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，質(zhì)子自旋是隨機(jī)取向的，總的磁化 強(qiáng)度 為 0。 )1( 10 ?? eM10?eM 通常我們把原子核所在環(huán)境的周?chē)?分子 ，不管是固體，液體，或氣體，都概括地用 “晶格” 這個(gè)詞來(lái)代表。 時(shí)間常數(shù)T1是自旋系統(tǒng)和周?chē)h(huán)境共同的屬性。當(dāng)脈沖停止后，磁化 強(qiáng)度 M0沿z軸進(jìn)動(dòng)，慢慢回到 z軸。它可以由下面兩個(gè)偏圓極化場(chǎng)的和來(lái)代表線性極化振蕩場(chǎng)： ? ?? ???????ttHttHtHyyxx wwwwws i nc oss i nc osc os2111 eeeeex兩個(gè)偏圓極化場(chǎng)是繞著 z軸沿相反的方向旋轉(zhuǎn)，一個(gè)順時(shí)針，另一個(gè)逆時(shí)針。因此在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中 H1是固定的，且其方向?yàn)?x軸。這時(shí)只有 z軸方向的外加磁場(chǎng) H。 引起橫向磁化 強(qiáng)度（ x,y平面 )減少的任何原因，對(duì) T2都有貢獻(xiàn)。 譬如， 1 Tesla的磁場(chǎng)強(qiáng)度，就會(huì)使兩個(gè)相鄰而其靜磁場(chǎng)僅相差千萬(wàn)分之一的區(qū)域的原子核，在 10ms內(nèi)發(fā)生 180176。相反的，流體里的原子核移動(dòng)非常快，能夠很快平衡掉局部磁場(chǎng)的變化，此時(shí)引起橫向弛豫的唯一原因就是磁化強(qiáng)度向 z軸的恢復(fù)。感應(yīng)線圈纏繞在樣品容器上，這樣產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與靜磁場(chǎng)成 90176。線圈中的信號(hào)是靜磁場(chǎng)在橫向平 T1的測(cè)量 在實(shí)驗(yàn)室裝置中，樣品放在線圈內(nèi)，線圈在磁體的兩極之間。 圖 FID受到 T1, T2，磁場(chǎng)的均勻性，以及是否含有順磁物質(zhì)的影響。 圖 長(zhǎng)的 FID，經(jīng)傅立葉變換到 頻率域 是一個(gè)在拉莫爾頻率附近的尖峰；而短的 FID變換后是一個(gè)寬峰，表明了樣品體積內(nèi)磁場(chǎng)的非均勻性。 脈沖組成。 ? ?121)( 0 TteMtM ??? （ ） ⑵ 180176。 脈沖，把在 z軸正方向恢復(fù)起來(lái)的磁化 強(qiáng)度 M1扳轉(zhuǎn)到接收線圈平面成為 Mxy1，這樣才能測(cè)量到信號(hào)。 脈沖以后，到 t1時(shí)刻磁化 強(qiáng)度 沿正 z軸方向的增加量，即 M1。此外，還有一個(gè)可以快速估計(jì) T1的方法，由式（ ）可知，當(dāng) M (t) 為 0時(shí)，其 t值必須滿足 T1 = t/(ln2)的關(guān)系，由此也可很快的算出 T1。 的讀數(shù)脈沖。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，每個(gè)脈沖后的信號(hào)可以根據(jù)下式計(jì)算： ? ?11)( 0 TeMM ?? ??? T2的測(cè)量 （ 1）在 (x,y)平面沿 x軸方向?qū)r石樣品外加一個(gè) 90176。 Hahn’s自旋回波 （ 2）各個(gè)原子核所處的靜態(tài)磁場(chǎng)存在著差異，開(kāi)始以不同的拉莫爾頻率進(jìn)動(dòng)。 脈沖，所有氫核的自旋方向都被翻轉(zhuǎn)到 xy平面的另一邊，繼續(xù)繞著 z軸方向進(jìn)動(dòng)。這個(gè)回波是 Hahn（ 1950）最先發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)就稱(chēng)它為 Hahn’s回波?；夭ǖ男螤钣勺杂筛袘?yīng)衰減曲線的形狀所決定。 （ 2）磁場(chǎng)的非均勻性有兩個(gè)分量：一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)，另一個(gè)與時(shí)間有關(guān)。 （ 3）然而那些與時(shí)間有關(guān)的磁場(chǎng)波動(dòng)，就無(wú)法用180176。 圖 Carr和Purcell（ 1954） , Meiboom和Gill（ 1958）四位作者提出 來(lái)的 CPMG脈沖序列，包括一個(gè) 90 176。 脈沖，自旋回波就在脈沖之間形成。 脈沖后的一系列回波，即回波串。 T2可以根據(jù)連續(xù)回波幅度的衰減計(jì)算出來(lái)，表達(dá)式如下： 22Tne?? 理論上說(shuō)，如果系統(tǒng)不存在自旋擴(kuò)散，在 2?， 4?，6?， … ，時(shí)間 Hahn’s回波的連續(xù)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該與 CPMG回波串一樣。信號(hào)經(jīng)累加和平均后可以提高信噪比。 流體中的原子核自旋由于擴(kuò)散會(huì)偏離原來(lái)位置，磁場(chǎng)梯度存在時(shí)，自旋回波信號(hào)的增強(qiáng)衰減，如下式所示： 非均勻磁場(chǎng)中的擴(kuò)散 擴(kuò)散引起的增強(qiáng) T2弛豫速率 ? ? ???????? ??? 322 322e xp ?g? DHT式中， 1/T2是均勻流體的橫向弛豫衰減速率， ? 是回波實(shí)驗(yàn)中散相和聚相的時(shí)間間隔。對(duì)于回波串中的第 n個(gè)回波，方程（ ）可以寫(xiě)成： ? ? ???????? ??? 322 322e xp ?g? DnHTn （ ） 其中， 2n? 是衰減時(shí)間 t。擴(kuò)散只影響 xy平面的自旋進(jìn)動(dòng)散相，直接影響 T2。 應(yīng)該記住的是： 式（ ）僅僅對(duì)無(wú)限體積的流體且在均勻梯度下才嚴(yán)格有效，對(duì)孔隙介質(zhì)中的流體在一定條件下近似有效。 H?（ ） 磁化 強(qiáng)度 M一旦被扳轉(zhuǎn)到 xy平面后，就開(kāi)始繞著z軸方向進(jìn)動(dòng)。這些氫核拉莫爾頻率的差異為： ? ? HHHH ?????? rrr ggg 0)()( （ ） 也就等于在（ ）中有了個(gè)有效磁場(chǎng) g?H，因此在（ ）中產(chǎn)生附加項(xiàng) ? ? ?? ?????? MHiHM rgg （ ） 使氫核在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中有領(lǐng)先或滯后的凈進(jìn)動(dòng)。 （ ） （ ） 如果磁場(chǎng)是完全均勻的， （ ）式中 將不存在散相因子： tHie )( ??rg2/ Tte?自旋將會(huì)重新回聚。但經(jīng)過(guò)時(shí)間 ? 后，施加 180176。 過(guò)了 t時(shí)間 ，在 處的磁化 強(qiáng)度 的相位角度比 r處的領(lǐng)先 ，同樣在 處的