Registro De Resonancia Magnetica
jorge8luis719 de Febrero de 2014
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5.4 Resonancia magnética nuclear (NML)
5.4.1 Antecedentes del registro de resonancia magnética nuclear (NML)
Los principios físicos que rigen al registro magnético nuclear (RMN) o también denominado registro
de resonancia magnética nuclear NML (Nuclear Magnetic Log por sus siglas en inglés), han sido bien
conocidos desde finales de la década de los 40´s, poco después de que dicho fenómeno fuera
descubierto en 1945. Desde entonces, ésta se ha convertido en una herramienta de gran utilidad en
ramas de la ciencias como la física, la química, la biología, así como en importantes aplicaciones
dentro de la medicina para el diagnostico de análisis clínicos que involucren la visualización de los
fluidos en el interior del cuerpo. La resonancia magnética nuclear es un fenómeno cuyo principio de
medición se basa en la detección de la inducción nuclear, como se le llamó originalmente a las
propiedades atómicas de los núcleos de ciertos elementos, al ser inducido sobre ellos un campo
magnético externo B0 .
Su aplicación dentro de la industria petrolera por otro lado, se encuentra dirigida principalmente a
la determinación directa del volumen total de fluidos movibles por unidad de volumen de roca, ya
sea en agujeros descubiertos rellenos de lodo de perforación, o bien, en agujeros vacíos mediante la
detección de los núcleos de hidrógeno contenidos en los fluidos de las formaciones, así como una
medición de la porosidad independiente de la litología. La aplicación de esta tecnología permite
además adquirir datos esenciales en el desarrollo de mejores modelos de yacimientos y tomar
decisiones rápidas en la definición de intervalos a perforar, lo que beneficia además en la evaluación
del espesor productivo neto y por ende las reservas de los yacimientos. También, mediante la
aplicación de ciertas técnicas especiales, es posible realizar la determinación de la saturación de
aceite residual en las formaciones, y en combinación con otros registros, realizar la identificación de
la permeabilidad de la formación.
La principal diferencia del registro de resonancia magnética nuclear, en comparación con las
herramientas de registros nucleares mencionadas con anterioridad, es que estas últimas permiten
determinar la porosidad, y algunas bajo ciertas condiciones, la saturación de agua. Sin embargo, al
igual que con las herramientas eléctricas, ninguna de las 2 proporciona una indicación directa
aceptable de que los fluidos que contienen las formaciones sean movibles si son solo utilizadas
individualmente, mientras que utilizando un NML si se consigue. Además, el NML basa su principio
básico en no requerir de una fuente emisora radiactiva, ni de un detector de partículas ya que ésta
aprovecha ciertas propiedades magneto-mecánicas que se ha descubierto poseen los núcleos de los
átomos de algunos elementos más importantes que constituyen a la corteza terrestre y a las
formaciones sedimentarias tales como el
1
H,
13
C,
19
F,
23
Na,
29
Si y el
31
P, por mencionar algunos.
5.4.1.1 Principios básicos de medición (Spin nuclear, momento magnético, precesión)
La herramienta NML tuvo sus orígenes en 1945 cuando el físico suizo Felix Bloch junto con el físico
estadounidense Edward Mills Purcell, descubrieron el fenómeno de la resonancia magnética nuclear
del núcleo de ciertos elementos químicos. El principio físico del fenómeno se basa en la formación
de una diferencia de energías de ciertos núcleos atómicos, en presencia de un campo
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5.4 Resonancia magnética nuclear (NML)
magnético externo B0, generándose con ello, una señal que puede ser eficazmente detectada por
medio de las herramientas que miden la resonancia magnética nuclear de las formaciones.
Algunos núcleos atómicos de los elementos más abundantes y comunes que constituyen a los
fluidos y a las rocas del planeta, particularmente de aquellos elementos cuyos protones y/o
neutrones son disparejos formando el núcleo atómico del Hidrógeno (
1
H), tienen la particularidad
de estar girando continuamente sobre sí mismos en presencia de un campo magnético externo y en
la dirección de éste, movimiento que se encuentra directamente relacionado con una propiedad
nuclear denominada “momento de la cantidad de movimiento” (o spin nuclear). Además, las
propiedades magneto-mecánicas de los núcleos que cuenten con un spin nuclear, son comparables
con las características mecánicas de los objetos que giran sobre su propio eje en el campo terrestre,
de la misma manera en que gira un giroscopio alrededor del campo gravitacional del planeta. A esta
propiedad se le denomina precesión (Figura 5.40).
Figura 5.40.- Representación del fenómeno de precesión que ocurre en los núcleos de los átomos que
cuentan con spin nuclear. En A se ilustra el movimiento de precesión de un núcleo atómico de
hidrógeno en el campo magnético terrestre después de haberse producido en él un desequilibrio
magnético. En B se ilustra el movimiento de precesión en un trompo en el campo de gravedad
(Modificado de Gómez, 1975).
La gran mayoría de los núcleos atómicos de los elementos que constituyen a las rocas y a las
formaciones del planeta producen señales de resonancia magnética muy pequeñas que son
difícilmente detectables por medio de las herramienta NML (particularmente las rocas ígneas y
metamórficas), sin embargo, elementos tales como el Hidrógeno (
1
H), el Carbono (
13
C), el Flúor
(
19
F), el Sodio (
23
Na), el Sílice (
29
Si) y el Fosforo (
31
P) que tienen un número atómico impar de
protones y/o neutrones en su núcleo, permiten que sea posible detectar las resonancia magnética
nuclear en ellos mediante la formación del núcleo del Hidrógeno (
1
H).
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5.4 Resonancia magnética nuclear (NML)
Debido a que el núcleo atómico del Hidrógeno se encuentra eléctricamente cargado con una ligera
carga positiva al tener éste un momento magnético característico (spin), al girar su protón éste se
comporta como un pequeño imán giratorio eléctricamente cargado, cuyo eje magnético se
encuentra alineado con el eje de giro del núcleo atómico, entonces asociado al spin nuclear habrá
un “momento magnético nuclear o spin magnético” (Figura 5.41), de tal modo que su orientación
puede ser controlada por los campos magnéticos externos. Estos momentos magnéticos pueden ser
detectados eficazmente por medio de la NML, de donde se logra obtener la localización y la
cantidad de hidrógeno contenido en una muestra de roca.
Figura 5.41.- Representación del spin magnético del núcleo del átomo de hidrogeno.
El hidrógeno es un elemento que se encuentra constituido de solo un protón en su núcleo atómico,
tiene un momento magnético relativamente grande, produce una señal fuerte cuando se le induce
un campo magnético externo, y es además abundante en el agua y en el hidrocarburo que se
encuentra en el espacio poroso de las rocas. Esto permite que la herramienta NML responda
directamente al comportamiento de los núcleos de hidrógenos (protones) de los fluidos contenidos
en los poros de la roca, en presencia de un campo magnético estático y de una señal de radio
frecuencia (RF). Debido a esta característica es que se propuso darle una aplicación a la resonancia
magnética nuclear dentro de la industria petrolera para la evaluación de fluidos movibles en las
formaciones.
No fue sino hasta poco después de los años 50´s que se comenzaron a desarrollar las primeras
herramientas que utilizaban la resonancia magnética nuclear como principio de medición, para
aplicaciones en la industria petrolera así como en geotermia, en empresas como Schlumberger,
Socony Mobil Oil Company y el California Research Corporation. Fue la compañía Chevron en 1950 la
primera en desarrollar y patentar una herramienta que utilizara exitosamente la resonancia
magnética nuclear. Esta alineaba los protones de la tierra utilizando el campo magnético de la tierra,
y 10 años más tarde para 1960, se corrió el primer registro NML.
Una de las principales aplicaciones que se le dio a la primera herramienta de registros era la
cuantificación del alquitrán contenido en los reservorios californianos, que en comparación con los
aceites más ligeros y el agua, en los aceites más pesados los átomos de hidrógeno tardan más en
responder a un campo magnético inducido y en consecuencia, a perder más rápidamente la
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5.4 Resonancia magnética nuclear (NML)
precesión adquirida en el momento en que se deja de inducir dicho campo magnético (o en otras
palabras, se “relaja” con mayor rapidez). Esto representa hoy en día una de las aplicaciones únicas y
más interesantes de los registros NML.
5.4.1.2 Herramientas que utilizan la resonancia
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