核磁共振测井基本理论研究与介绍

1、核磁共振测井根本理论研究与介绍核磁共振的根本原理有经典物理和量子力学两个版本，这两种解释方法是统一的。其中经典物理的解释方法是为了易于理解，量子力学的解释方法那么更为严谨。本文主要从这两个方面入手对核磁共振理论进展简要分析与介绍，同时针对常见PG序列原理进展分析与说明。1核磁共振磁矩理论介绍1.1磁矩概念介绍核磁共振理论中一个最重要的名词就是磁矩，它表达了流体原子在静磁场下的核磁能量。由普通物理学得知闭合载流线圈磁矩=ISn，其中I为电流强度、S为闭合面积、n为与电流方向成右手螺旋法那么的单方向矢量1。闭合载流线圈的磁矩为一矢量，其长度为IS而方向与该载流线圈的方向矢量一样。当在磁感应强度磁通

2、密度为B的均匀磁场中，作用在载流线圈上的磁矩f为磁矩与B的矢量积f=Bsin。图1为磁矩示意图。图1磁矩示意图磁矩f力图使载流线圈磁矩的方向与磁场B一致，在磁场B中载流线圈具有的势能为E=-Bs，其中是和B的夹角。由此可见和B方向一致时，系统势能最低，最为稳定；当两者反向时系统势能最高，最不稳定。1.2磁矩宏观表现介绍在实际应用中，人们关注的是大量粒子的宏观行为，即大量微观体系行为的宏观表现。例如核磁测井所关注的是地层中大量氢核的综合效应，而单个氢核的特性只是理解宏观特性的基矗含有磁矩的某种样品，当没有外磁场时，其磁矩取向是随机的。宏观表现为没有磁性。当有外磁场时，将会有更多的磁矩顺着外磁场的

3、方向排列，各个磁矩都绕着磁场方向进动，核自旋的空间取向将与塞曼能级相对应。到达热平衡时，磁矩的取向服从波尔兹曼分布，纵向分量与磁场方向一致的核磁矩数目略大于反方向的磁矩数目，其矢量和不再等于零，呈现一定大小的宏观磁矩，称为磁化矢量。图2为磁矩的宏观表现示意图。图2核矩的宏观表现示意图单位体积的磁化矢量称为磁化强度，通常用0表示，如下式：0=NI2/kTB0=B01其中=NI2/kT称为该样品的磁化率，I为样品的氢原子核磁矩，N为单位体积样品内的粒子数，k为玻耳兹曼常数，T为样品的热力学温度。2核磁共振根本理论分析2.1经典物理解释核磁共振测井主要测量地层中的氢原子信息，可用量子力学做准确描绘。

4、但在工程应用中为描绘方便，往往采用经典力学或半经典力学方法。为此先说明核磁旋进的概念。图3是一个旋转着的陀螺，当它的旋转轴偏离垂线时，通过重心的重力作用并不能使它倒下，而是使其轴线沿图中圆环所示的轨迹和方向做圆周运动，不断改变自旋轴的方向。这种运动在力学中叫作旋进或进动。假如做自旋运动的带电物体具有磁矩，假设磁矩偏离外磁场方向，将绕磁场方向进动2。按照经典理论，具有磁矩的原子核，由于自旋运动相当于一个高速旋转着的陀螺。磁矩在外磁场B0中受到一个力矩B0的作用，在此力矩的作用下核磁矩绕B0进动，称为拉莫尔进动，其角频率为即对应该点氢原子核的拉莫尔频率0=-B0，其中为氢原子的旋磁比系数，即动量矩

5、与磁矩的比值。当0的核绕B0作左旋圆运动e-i0t；0的核绕B0作右旋圆运动Ei0t。其磁矩的旋转示意图如图3右侧所示。当核磁矩以角频率0围绕B0进动时，假设对原子核系统再加上一个垂直于B0且角频率为1的旋转磁场B1，在1=0的条件下，将能使和B0之间的夹角发生变化。磁矩在静磁场B0中的能量为E=-B0s，当发生变化时，在B0中的能量也发生变化。假设增加，那么是核磁矩从外加交变磁场中吸收能量，这就是核磁共振现象。发生核磁共振的条件是1=0=B0，磁性核的进动称之为拉莫尔进动，0称之为拉莫尔频率，它与静磁场的磁感应强度B0成正比。2.2量子力学解释原子核从某一能量状态转变到另一能量状态称为原子核

6、在能级之间的跃迁。对于1H核来说，I=1/2，2I+1=2，所以只有两个能级：-1/2I和+1/2I。跃迁就只能在这两个能级之间进展，根据量子力学理论，假设将电磁波作用于原子核系统，当电磁波频率所决定的量子的能量hn正好等于原子核两个相邻能级之间的能量差时，原子核就会吸收电磁波，引起核能态在两个相邻能级之间的跃迁，这就是核磁共振现象3。在此系统中，低能态的核不断从旋转磁场中吸收能量而转变为高能态的核，原来过剩的低能态的核就逐渐减少，吸收信号的强度就会减弱，最后完全消失，到达饱和。产生核磁共振的条件是：h2式中，?=h/2，h是普朗克常数，是电磁波的频率。共振频率和g或及磁感应强度B0成正比，而

7、当指示核素选定后如1H，旋磁比为常数，共振频率只与B0有关。对质子1H：32.3核磁弛豫现象当施加垂直于B0方向的射频脉冲停顿后，磁化矢量通过自由进动向B0方向恢复，使原子核从高能态的非平衡状态，向低本文由论文联盟搜集整理能态的平衡状态恢复。这种高能态的核不经过辐射而转变为低能态的过程叫弛豫。从微观机制上说，驰豫是由部分涨落磁场引起的。偶极-偶极互相作用、分子转动、化学位移各向异性、临近存在电四极核等，都可以产生部分磁常而固体中晶格震动，液体中的布朗运动等，使得部分磁场随时间涨落。驰豫包含两个组成部分：磁化矢量在z轴上的分量z，最终要趋向初始磁化强度0，称为纵向弛豫，纵向弛豫的时间常数用T1表

8、示，称为纵向弛豫时间；在x，y平面上的分量xy最终要趋向于零，称为横向弛豫。横向弛豫的时间常数用T2表示，称为横向弛豫时间4。如图4表示为核磁弛豫现象示意图。3核磁共振PG自旋回波序列分析自旋回波法是首先发射一个90脉冲，再接着发射一个或一串180脉冲，由此构成一次测量序列，在一个测量序列中，接收核磁自旋回波。最常用的脉冲序列为由arr，Purell，Eib和Gill四人设计的PG工作序列，即90 x-180y-eh-180y-eh-，其中为回波间隔时间TE的一半。PG序列示意图如图5所示，图中TE代表回波时间间隔，T2deay代表核磁共振横向弛豫时间T2，Spinehes代表核磁自旋回波信号

9、。图5PG自旋回波串PG序列核磁矩散相与重聚图如图6所示，其工作过程分析如下：首先在x方向施加一个90脉冲，经时间后，再在y方向即相对于初始90 x脉冲相移90施加一系列间隔一样的偶数个180y脉冲，在180脉冲之间测量自旋回波eh信号，其时间间隔TE=2，称之为回波间隔。图6PG序列核磁矩的散相与重聚图6a中脉冲序列在x方向施加的/2脉冲是使磁化矢量0倒向y轴，即扳倒90。假设这时旋转坐标系的旋转速率正是磁化强度的旋转频率0，那么在旋转坐标系中，该磁化矢量应该不再偏离y轴，它只会以本征T2为时间常数沿y轴衰减至零。图6b中由于静磁场不均匀，即有B分布，使位于y方向的磁化强度开场在xy平面上散相。经过t时延，对应于B1和-B2的旋进频率差分别为1和-2的磁元就有了相对于参考坐标y轴为i和-2的相位偏移。图6中当在y方向上施加脉冲时，可使相位偏移变号。这时旋进快的磁元反而落在旋进慢的磁元之后，相差的绝对值与散相造成的一样而方向相反。此后，旋进快的分量追赶慢的分量，相位偏移逐渐变校图6d中再经时间重聚，旋进快的分量正好赶上了慢的分量，并在Y轴上重聚。此时可测到第一个回波。以2间隔重复施加脉冲，那么可观测到自旋回波串。