关于核磁共振测井原理教学内容的思考

程超　刘红岐　刘诗琼　张亮　高妍

[摘 要]核磁共振测井不仅在常规储层物性参数计算、流体性质判别等方面有独到的应用，而且在非常规储层的微观孔隙结构表征方面也取得了突破性的进展。深入理解核磁共振测井的基本原理是应用好核磁共振测井资料的基本前提。然而核磁共振测井原理相关知识涉及多个交叉学科，包括电学、磁学、量子力学、高等数学和测井学等。更有一些抽象的概念较难掌握，如自旋、极化、进动、扳倒、驰豫等，历来是教师难教、学生难学的一节内容。文章通过创设情境，以实际生活中常见的现象，采用类比的方法通俗地阐述了核磁共振的过程和基本原理，以“核”“磁”“共振”和“测井”四个关键词的顺序为主线，为核磁共振测井实践教学和初学者提供了一条独特易懂的思路。

[关键词]核磁共振;测井基本原理;抽象类比教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）11-0070-05

核磁共振一直处于科学研究前沿，曾多次在物理学、化学、医学等不同领域获得诺贝尔奖。由于核磁共振能提供物质的微观结构信息，分析分子间的相互作用，被广泛应用于医学、高分子化学、石油化工，进而扩展到生命科学、农业食品、地球科学等领域。随着研究的深入，核磁共振的发展亦如阪上走丸，历经低频到高频，一维向多维，静态特征分析到动态学研究发展。如今，核磁共振已经成为一种常规的测试技术和重要的分析手段。然而核磁共振测井原理非常复杂，很多学生听了很多遍仍然不得其精髓，也是专业教师一致认为的教学难点。主要表现在：1.核磁共振原理涉及内容广，学生基础不牢;2.难理解的抽象概念多，枯燥无味;3.教学内容信息量大，重难点多，学生接受困难。面对深奥的原理知识，难道必须得像学科专业人员把电学、磁学、量子力学、高等数学等基础学科都学好，甚至精通，才能学懂核磁共振测井？本文就核磁共振测井理论教学内容进行了系统的探索与实践。

一、“核”及其“自旋”属性

按照测井方法理论体系分类，核磁共振测井属于核测井范畴。“核”是指原子核，是核磁共振信号的来源，核磁共振测井探测的主要对象就是氢核。原子核由质子和中子构成，外面围绕着电子。例如氢（H）原子的原子核就是一个质子，外边有一个绕核做旋转运动的电子。在讲核磁共振测井原理之前，首先需要介绍氢原子核的自旋属性。

实际上氢原子除了大小、质量、电荷的属性之外，还有一种称为“自旋”的内在旋转属性。这个抽象概念是核磁共振测井教学上的第一个难点，学生往往很难理解什么叫作自旋。因为意识里常见的旋转就只有自转和公转两种，比如地球的自转和定点绕日公转两种，如图1所示，而氢核的自旋则不属于这其中的任何一种。

以电子为例来说明自旋这个概念的由来。电子的绕核旋转会提供一个角动量，把这部分角动量叫做轨道角动量。但实际上，电子的总角动量要大于它的轨道角动量，多余的角动量从哪里来的呢？是否来自于电子类似于地球一样的自转呢？如果此假设成立，那电子的旋转速度则必须要远大于光速才能满足条件，这明显与相对论不符合。因此提出了自旋这个概念，将这个多余的角动量称为自旋角动量。虽然原子核的自旋与自转明显不同，但可以简单地将自旋简单理解为一种类似于自转的旋转，只需要知道它是氢核固有的一种内禀属性即可。

二、氢核的电磁特性

氢核的电磁特性是核磁共振测井原理教学的第二个难点。氢核除了存在自旋角动量外，还具有电荷属性，比如质子带正电，电子带负电。这里通过连续设问的方式以电子的绕核旋转产生磁场引出氢核的自旋产生磁场的原理。

问题1：一个带负电的电子在绕核旋转会产生怎样的现象呢？众所周知，大量电子的定向移动就形成了电流，而电流会产生磁场，因此电子的绕核运动会产生一个小磁场。它就像小磁针一样，在大磁场下会产生一个磁矩。所谓磁矩就是小磁针在大磁场作用下的力矩，有了磁矩，小磁针就会按照磁场线的方向排列。

问题2：既然电子的绕核旋转可以产生磁场，那么电子的自旋是否也可以产生磁场呢？实验表明，自旋同样会产生磁场。也就是说即使电子不绕核旋转了，也依旧会产生一个小磁场。同理，地层中的氢核既带电，又具有自旋的内禀属性，一个氢核就相当于一个 “小磁针”，能产生一个小磁场。

问题3：既然氢核类似于小磁针，在地球这个大磁场作用下，地层中的氢核是否会按照地磁场方向去排列的呢？答案是否定的，因为地壳表面的地磁场太弱。以一个小实验进行说明：假设有一小磁针正沿着地磁场的方向指向，此时如果在小磁针旁边放一块磁铁，那么这个小磁针就会受到磁铁的影响而发生指向偏转，说明此时磁铁的磁场强度要强于地磁场的强度。通常情况下，地层中的每一个氢核都相当于一个小磁针，当无数的氢核堆在一起，会产生各个方向的小磁场，从宏观角度讲这些小磁场就相互抵消了，因此并无宏观磁化矢量。理解这一点很重要，这关系着后期学习中是否能理解氢核在地层中原始状态是杂乱无章分布的。

三、氢核核磁共振产生过程

氢核产生核磁共振信号的过程是核磁共振测井原理的第三个教学难点。首先抛出氢核产生核磁共振信号的基本条件：需要两种磁场的作用，一种是外在静磁场，另一种是脉冲射频场。

1.外在静磁场对氢核的“极化”。外在静磁场对氢核的极化是核磁共振测井过程的第一个关键步骤。如果学生认为“极化”这个专业术语太过于抽象，可以将之理解为“磁化”。前面已经讲到氢核的自旋属性类似于小磁针会形成磁场，如果给处于地层中的一堆氢核加上一个恒定的强静磁场，氢核会发生什么现象呢？笔者认为应该给学生讲清楚以下四个问题。

（1）如果给处于地层中的一堆氢核加上一个恒定的强静磁场，地层中这些原本杂乱无序的“小磁针”（氢核）就会立刻顺着外磁场的磁场线方向排好隊。这就好比体育课上老师一旦发出“立正”指令，学生们就会立刻排好队。但是，是否所有的“小磁针”都会沿同一个方向排列呢？答案是否定的。这些小磁针确实排好队了，但有的是顺着磁场方向的，有的是逆着磁场方向的。根据统计分布显示，顺着磁场方向的小磁针较多，所以这一堆粒子整体的磁场方向在宏观上是顺着磁场方向的，这个宏观磁矩被叫作净磁矩。针对这个问题可以从两个方面进行讲解。一是经典量子力学观点，氢核自旋量子数为2，因此在外磁场中的取向也只有两个，即顺磁场方向与逆磁场方向。二是以生活中的一个实例来将问题简化。比如体育课上，老师发出“向右转”的指令后，大多数同学都向右转，但个别同学向左转了一样。

（2）顺着磁场排列的氢核与逆着磁场排列的氢核能态一样吗？答案是否定的。以“小磁针”和“弓箭”为例进行讲解。正常状态下小磁针是指向北极的，如果要让它逆转方向指向南极，那就必须得给它一个外力，比如用手掰它。但一旦松手，或者撤掉外力，它必会重新指向北极。这说明什么问题呢？习惯说世间万物都是趋于低能态的，什么是低能态的呢？可以理解为最自然、最舒服、最不累的状态就是低能态。很显然小磁针自然指北的状态就是低能态，用手一掰就变成高能态了。“弓箭”在发射前处于低能态，当把弓箭的弦拉满后，就变成了高能态，箭射出后又会回到低能态。同样的，可以将氢核顺着磁场方向排列的状态理解为低能态，而将氢核逆着磁场方向排列的状态理解为高能态。高能态与低能态之间存在能级差，有能级差就有跃迁，从低能态到高能态需要吸收能量，而从高能态回到低能态则需要释放能量。

（3）位于外加静磁场当中的氢核核磁矩会受力矩作用，会绕着外加磁场的方向“进动”。对于这个抽象的概念，该如何理解呢？以陀螺游戏进行辅助讲解。陀螺以一定的角度绕着重力场倾斜旋转，其特点是旋转轴绕着中心整体旋转。氢核的进动与之类似，“进动”频率也称为拉莫尔频率，即一秒进动多少圈。它与两个因素有关，一个是外磁场的强度，外磁场的强度越强，进动的越快;第二个是原子核本身的旋磁比，也就是说，不同的原子核，不同的外磁场，其进动的拉莫尔频率不同。

（4）在上述被磁化的系统中，每个氢核产生的磁场都存在两个方向分量，一个是竖直方向（Z轴）的分量，这个分量始终保持不变。另外一个是在水平面方向划圈的分量。对于地层中的所有氢核而言，由于质子旋转的相位不同，所以水平面方向的磁场分量整体上也被抵消掉了。因此剩余的还是顺着静磁场方向的分量，称之为宏观磁化矢量M。

总之，氢核在外加磁场作用下，其自旋系统会被磁化（极化），进而产生宏观磁化矢量，如图2所示。

2.射频场对极化系统产生的核磁共振信号和弛豫。假设总磁场方向向上，在与之垂直的水平方向上加一个频率刚好等于氢核的进动频率的交变电磁场（射频信号），会发生什么现象呢？此时的氢核主要发生两个变化，一是处于顺磁场方向低能态的氢核在吸收射频能量后受到激发，跃迁成逆磁场方向的高能态。需要强调的是在这个过程中，氢核始终是存在进动的，所以质子是旋转着过去的。二是由于射频场的存在，这些质子的进动变得有序了，相位变得相同了。这其实就是一个从相散到相聚的过程，即这些氢核的旋转轴开始向一起靠拢了。可以将其想象为地层中分散的氢核合成一个整体进动，这就是所谓的核磁共振。

那么在产生共振之后又发生了什么变化呢？其实，在产生共振之后，除了竖直方向上出现了磁化分量以外，水平面方向的磁化分量也出现了。此时如果继续加大射频场的功率会怎么样？打个比方，喝了酒后走路会变得摇晃，如果喝的微醉，进动的夹角就不是很大，如果酩酊大醉，进动的夹角就会变大。注意，这一过程中进动的角频率是保持不变的，一秒钟该转多少圈还是多少圈，只不过画的圈越来越大了。当氢核整体“躺”在地上进动的时候，相当于施加了所谓的90°射频脉冲“扳转”。此时Z方向的分量不存在，虽然这个过程已经可以产生电磁信号了，但是这个信号却不是想要探测的有用信号。

那要探测的核磁共振信号究竟是什么呢？假设所有的氢核磁场已经被扳转到水平方向上，现在突然关闭射频场，处于高能态的所有氢核通过辐射出电磁波信号而恢复到初始低能状态，此过程就称之为弛豫，这其实就是一个从相聚到相散的过程，如图3所示。现在需要思考氢核宏观磁化矢量M的变化。在Z方向从0变到最大，而在水平方向则是从最大变到最小的一个衰减过程，类似于一个圣诞树的螺旋曲线。把总宏观磁化矢量M在Z轴上的投影的弛豫称为纵向弛豫，在X-Y平面上的投影的弛豫称为横向弛豫。如果只探测XY方向的结果，它就是一个衰减信号，该信号叫作FID自由感应衰减信号。

四、核磁共振测井

1.核磁共振测井原理。核磁共振测井是将测井仪器放入井中，通过探测地层孔隙流体中氢核的核磁共振信号来研究储层的孔隙结构和流体性质的一种测井新方法，现已成为评价复杂储层的有效手段。那么接下来要讲的问题是如何在井中产生并测量核磁共振信号。

首先得从核磁共振测井的仪器上讲起。要想产生核磁共振信号，需要两个磁场，分别对应极化和弛豫两个过程。因此核磁共振测井仪器探头的两大核心便是高强度永久磁体和能发射电磁波脉冲的天线系统。永磁体的作用就相当于前面所讲的静磁场B0，其目的是让地层中杂乱排列的氢核极化，此时在B0方向会形成核磁矩，并且以一定的角频率ω0围绕B0进动，从而产生可观测的宏观磁化量。在氢核完成极化后，天线系统在特定的时间间隔里，施加特定频率且正交于B0方向的交变电磁波脉冲，地层中被极化的氢核受到激发跃迁到高能态，然后以弛豫的形式释放出多余的能量，质子回到平衡态。氢核在弛豫过程中放出的能量，就是核磁共振的测量信号。

2.核磁共振测井的测量方法。在核磁共振测井初期，采用预极化方式测量随时间衰减的自由感应衰减信号FID，该方法虽然操作简单，但测井速度慢，而且受磁场非均匀性的影响，测井质量较差。随着核磁共振测井技术的发展，使用自旋回波方式来改善测井资料的质量。该方法在垂直于B0方向施加90°射频脉冲，使M产生90°扳转，脉冲过后，发生弛豫作用，各分量相位分散，横向分量减小。经过恢复时间τ再施加90°射频脉冲，散开的磁矩绕M翻转180°，再过时间τ，分散的核磁矩又集中回到90°的位置，形成一个强的自旋回波。改变时间间隔，可测量到一组幅度各不相同的自旋回波，其衰減时间常数为T2。如果脉冲间隔足够小，就能够有效地消除扩散和磁场非均匀性对测量的影响。这一方法缺点在于不能进行重复测量，且极化脉冲不精确会带来测量误差。因此现在核磁共振测井仪器在自旋回波法的基础上应用了CPMG脉冲序列法来提高测量精度，该方法由Carr，Purcell，Meiboon和Gill四人改进，故以人名首字母组合命名，即采用90°脉冲和180°脉冲，交替地加在x和y轴上，不断重复这一过程，以一系列自旋回波串的形式显示在测井记录上，见图4。该技术可降低对磁场极高均匀性的需求，并对可逆转散相效应引起的快衰减进行补偿，以获得较高的信噪比，对井下连续测量非常重要。

自旋回波串是核磁共振测井的原始数据，如图5所示，它反映了自旋回波的幅度随时间的衰减过程。由于回波串测量的时间很短（数十至数百毫秒），因此在记录回波串时仪器在井中移动的距离很短。记录下来的回波串可以随深度变化显示在测井图上。通过对回波串的多指数拟合和反演就获得横向弛豫时间T2分布谱，如图5所示。

3.核磁共振测井的观测模式及关键参数。核磁共振测井的观测模式是一种以获取特定应用信息为目标的极化和采集方式，它包括对等待时间（Tw）、回波间隔时间（Te）、回波个数（Ne）等关键参数的设置、频率的使用及其时序。等待时间（Tw）是指氢核自旋恢复到平衡状态所用的时间，回波间隔时间Te是指自旋回波过程的时间间隔。要想让学生更好地掌握核磁共振测井资料的数据处理和解释，必须讲清楚这些关键参数与纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）之间的关系。教材和很多文献总是会把T1 和T2 放在一起进行讲解，探究如何测量它们，其实这样导致很多学生即使看过了几遍教材后，也仍然不能彻底理解它们之间的关系以及和Tw、Te的具体内在联系。实际上，T1和Tw是相对于“极化”过程来讲的，而 T2和TE则是相对于“弛豫”过程来讲的。现在我们先来探究T1 和Tw。

（1）纵向弛豫时间（T1）与Tw（等待时间）。首先以一个常识引入问题。如果把不同的铁性物质和磁铁放在一起，发现有的物体放一起几个小时后便具有了磁性，而有的物体却要放上几天才能被磁化。这说明，不同物体被磁化的时间是不一样，被彻底磁化的时间是每个物体本身所固有的。这个被彻底磁化的物质本身所固有的时间就是纵向弛豫时间（T1）。只不过教材中并非把这个时间定义为仪器将氢核100%极化的时间，而是定义T1为极化63%所需要的时间。要想100%极化，则需要3 倍T1的时间。而实际上100% 弛豫需要的时间十分漫长，几乎是不可能实现的，3倍 T1时间弛豫率也只达到 95%。

因此 T1 并不是仪器探测出来的，而是物质所固有的，当然在实验室这个值是可以测量的。在地层中稠油、轻质油、天然气和水这几种流体固有的T1是不相同的，因此核磁共振测井利用它们之间的差异，人为控制磁化所用的时间，有选择性的磁化某种流体，将这种差异放大。这里讲的“人为控制磁化所用的时间”实际上就是等待时间 （Tw），这也就是教材里常讲到的一般取Tw≥3T1使流体完全极化的原因。在这个极化过程中，地层中的氢核具有了平行于仪器方向的最大磁化矢量，也可以形象地说，被磁化的氢核都竖起来了。在实际测井过程中Tw也表示终止一个回波串的测量到开始下一个回波串测量之间的时间间隔，单位为秒（s），实质上指示流体极化速率的快慢。

在测井时如果设置了两个不同的Tw，相当于进行两次不同极化时间的核磁测井，称为双Tw观测模式。根据水和烃在纵向弛豫时间T1上的差异（见表1），使用这类核磁共振资料可以进行流体性质识别。因为水的纵向弛豫时间T1远小于油气的纵向弛豫时间，也就是说水的恢复速率远快于油和气的恢复速率。在长等待时间条件下，水和油气得到了恢复;在短等待时间条件下，水得到完全恢复，而油和气只有少量得到恢复。用长等待时间记录下的T2分布谱减去短等待时间的T2分布谱，得到的这个差谱基本消除了非烃信号，同时保留了烃的弛豫信号。这就是差谱法（DSM）识别流体性质的原理。

（2）横向弛豫时间（T2）与回波间隔时间（TE）。氢核被极化一段时间后，仪器天线发射90°脉冲，将竖起来的氢核扳转到水平XY 方向，此时XY平面上的磁化矢量Mxy 达到最大。当脉冲停止发射，扳倒之后的质子群开始散相，净磁化矢量减小。这时核磁仪器上接收横向磁化矢量的線圈将检测到一个呈指数衰减信号（自由感应衰减FID）。由于由磁场非均匀性引起的散相是可以扳转恢复的，所以当施加一个180°脉冲时，XY方向上的质子磁化矢量可以再次同相。此时线圈探测到的信号叫做自旋回波信号。如此往复，接收线圈就能收到一个自旋回波信号的回波串，称为CPMG序列，如图6所示。

该图完整的显示了极化和一次CPMG序列作用的整个过程。在实际测量中，这个过程要重复几次。其中，对应的等待时间（Tw）以及CPMG 序列中涉及的回波间隔Te和回波个数Ne都是人为可控的。改变Te可以测量到不同回波序列，回波间隔Te越小，代表扳转脉冲频率越高的情况下，流体T2 衰减就会越慢，将获得更多的与黏土相关的快弛豫信号成分的信息。反之回波间隔Te越长，流体T2 衰减越快，会增大流体梯度扩散效应，反映细微孔隙中含氢流体数量的能力变差。

在测井时如果设置了两个不同的Te，则称之为双Te模式。可以根据油、气和水的扩散系数的差异（见表1）这一特性来进行流体性质识别。通常，天然气的扩散系数比较大，水次之，稠油的扩散系数最小。当Te越大时，扩散作用快的气信号就会先衰减，水相对滞后，最后是稠油。这就使得T2信号同时向左移动的时候，气的信号移动的快，水次之，稠油的信号最慢，使得不同流体在T2分布上的位置发生变化，以此来判别流体性质，这就是移谱法（SSM）识别流体性质的原理。

五、结束语

本文通过创设情境连续设问的方式，以实际生活常见中的现象做类比，将难以理解的抽象概念简化，将深奥的核磁共振测井原理通俗地表达，让和初学者更好地理解和掌握核磁共振测井新技术。

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[责任编辑：张 雷]