核磁共振（NMR）發(fā)展歷程、應(yīng)用及物理基礎(chǔ)概述

摘 要：核磁共振（NMR）測(cè)井是測(cè)井技術(shù)的重大進(jìn)展，在復(fù)雜儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。文章簡(jiǎn)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(chǎng)的相互作用通過Larmor方程闡述，并詮釋橫向弛豫時(shí)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(xué)的伯塞爾（E.M.Purcell ）和斯坦福大學(xué)的布洛赫（F.Bloch）教授分別用吸收法和感應(yīng)法同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)電磁波作用于原子核系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)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(jí)之間的能量差時(shí)（？駐E=hv），原子核就會(huì)吸收電磁波，引起核能態(tài)在兩個(gè)相鄰能級(jí)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(xué)科，核磁共振波譜學(xué)。

上世紀(jì)50 年代，Varian公司證實(shí)了地磁場(chǎng)中的核自由進(jìn)動(dòng)，并于1952年發(fā)明了測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的NMR磁力計(jì)。50年代中期，Varian 提出采用同樣的技術(shù)進(jìn)行油井測(cè)量，并且進(jìn)行了試驗(yàn)，但結(jié)果相當(dāng)不明確。1956年，Brown和Fatt研究發(fā)現(xiàn)弛豫時(shí)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(shí)受限擴(kuò)散對(duì)弛豫時(shí)間的影響這一基本現(xiàn)象后來(lái)成為測(cè)井工業(yè)的測(cè)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(chǎng)的核磁測(cè)井儀器樣機(jī)，并在油田進(jìn)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(chǎng)和自旋回波方法為基礎(chǔ)的全新的核磁共振成象測(cè)井問世，使核磁測(cè)井達(dá)到了實(shí)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(shí)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(chǎng)的貼井壁極板型核磁測(cè)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(cè)信號(hào)。90年代核磁測(cè)井也成為了發(fā)展最快的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)。研究表明，具有偶數(shù)核子的許多原子核在自旋磁場(chǎng)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(dòng)量（也稱自旋），這樣的核自身會(huì)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(chǎng)。目前鉆井條件下巖石骨架中多數(shù)核的自旋磁場(chǎng)都相互抵消了，還有幾種核具有自旋磁場(chǎng)，比如13C、23Na、35Cl等，但是由于這些核產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，在測(cè)井中難以測(cè)到，還不能滿足測(cè)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(hào)，因此它就成為了核磁共振測(cè)井的對(duì)象[1]。

在沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，大量的氫核隨機(jī)取向，因此在宏觀上不顯示磁性。當(dāng)這些氫核處于外加靜磁場(chǎng)B0中時(shí)，它將受到一個(gè)力矩的作用，從而迫使它們都圍繞B0的方向進(jìn)動(dòng)并最終沿B0方向排列。磁性核繞外加磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)稱為L(zhǎng)armor （拉莫爾）進(jìn)動(dòng)，如圖1-1所示。進(jìn)動(dòng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)中，將有不同的進(jìn)動(dòng)頻率。另一方面，同一種原子核，在不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，其進(jìn)動(dòng)角速度不同。

根據(jù)量子力學(xué)原理，在外加磁場(chǎng)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(chǎng)使核自旋的能級(jí)發(fā)生分裂。相鄰能級(jí)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(gè)重要性質(zhì)。

當(dāng)大量的質(zhì)子在B0中進(jìn)動(dòng)時(shí)，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(qiáng)度M0。

宏觀磁化強(qiáng)度M0指單位體積內(nèi)的磁場(chǎng)力。對(duì)于單位體積內(nèi)的N個(gè)核子，由居里定律可給出此磁場(chǎng)強(qiáng)度為

（1-3）

式中：k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度B0成正比，與絕對(duì)溫度T成反比。

當(dāng)質(zhì)子在靜磁場(chǎng)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(shí)間T1有關(guān)[2]

（1-4）

式中：t為質(zhì)子在B0中受作用的時(shí)間，Mt（t）為t時(shí)刻的磁場(chǎng)強(qiáng)度，M0為質(zhì)子被外加靜磁場(chǎng)完全極化后達(dá)到的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)t=T1時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度約達(dá)到M0的63%。當(dāng)t=3T1時(shí)極化完成了95%，通常被認(rèn)為已經(jīng)完全極化。此時(shí)施加一個(gè)B0與垂直的射頻磁場(chǎng)B1，并且其頻率等于B0場(chǎng)中相關(guān)質(zhì)子的拉莫爾頻率。此時(shí)，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(gè)相位進(jìn)動(dòng)，由B1造成的能量躍遷與同相進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象被稱為核磁共振。

從宏觀角度上，磁場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致了共振。磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度，？子為射頻作用時(shí)間。當(dāng)施加的是一個(gè)■脈沖（或90°脈沖）時(shí)，質(zhì)子就會(huì)同相進(jìn)動(dòng)到橫向平面內(nèi)。宏觀上，磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)了90°進(jìn)動(dòng)至橫向平面內(nèi)。

當(dāng)射頻磁場(chǎng)作用結(jié)束后，磁化矢量將通過自由進(jìn)動(dòng)，向B0方向恢復(fù)，使核自旋從高能級(jí)的非平衡狀態(tài)恢復(fù)到低能級(jí)的平衡狀態(tài)。這個(gè)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(shí)間用T2表示；與此同時(shí)，方向的縱向分量向著宏觀初始磁化強(qiáng)度恢復(fù)，稱為縱向弛豫（又叫自旋-晶格弛豫），縱向弛豫時(shí)間用T1表示。

參考文獻(xiàn)

[1]黃隆基著，核測(cè)井原理[M]，石油大學(xué)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.