基于蒙特卡罗算法的低场核磁共振测量效率提高方法

核磁共振（NMR）的纵向弛豫时间（T₁）、横向弛豫时间（T₂）、自扩散系数（D₀）,以及T₂-T₁、T₂-D₀测量目前广泛应用于石油测井行业.在测量D₀的SGSE序列中,通过逐渐增大90°和180°脉冲之间的时间间隔（T_d）,可以对液体扩散行为产生的影响进行调节.然而T_d的"起点"、"步进数"和"终点"等参数必须设置得当才能准确测量T₁和D₀.目前参数的设置依赖多次的人工调整和测量人员的经验,耗时且使用门槛较高.本文用蒙特卡罗方法进行大量随机模拟,根据前面若干点的测量结果筛选出满足要求的随机值,预测下一个测量点的位置.该算法可以实时更新参数设置,实现自动化测量,达到降低测量门槛、缩短测量时间的目的.经验证,该算法可以适用于T₁、D₀的测量.     

优化重聚脉冲提高梯度场核磁共振信号强度

缩短射频脉冲宽度, 有助于解决脉冲电力消耗大、样品吸收率高、信噪比低等极端条件核磁共振探测的关键问题. 本文首先分析射频脉冲角度对核磁共振自旋回波信号强度的影响机理, 基于Bloch方程推导了回波信号幅度与扳转角、重聚角的关系. 在特制核磁共振分析仪上采用变脉冲角度技术, 分别在均匀磁场和梯度磁场条件下实现对扳转角和重聚角与回波信号强度关系的数值模拟和实验测量. 结果表明, 梯度场中, 扳转角为90°、重聚角为140°的射频脉冲组合获得最大首波信号强度, 比180°脉冲对应的回波幅值提高13%, 能耗降低至78%. 选用该重聚角(140°) 优化设计饱和恢复脉冲序列探测流体的纵向弛豫时间T₁特性, 准确获得 T₁分布.该结果对于低电力供应、且对信噪比有较高要求的核磁共振测量, 如随钻核磁共振测井和在线核磁共振快速检测等, 具有重要意义. 关键词： 核磁共振 信号强度 重聚脉冲角度 Bloch方程     

D-T2二维核磁共振脉冲序列及反演方法改进设计

面对日益复杂的勘探对象, D-T₂二维核磁共振技术在实际应用中面临无法兼顾扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的困境. 脉冲序列作为D-T₂二维核磁共振数据采集的核心技术, 其性能优劣直接影响应用效果, 在综合对比PFG, STE-PFG, BP-PFG、改良式CPMG, 扩散编程, 多回波间隔CPMG脉冲序列性能的基础上, 有效融合脉冲梯度场、恒定梯度场D-T₂脉冲序列的优点, 本文提出一种基于脉冲梯度场的双变量、两窗口D-T₂脉冲序列改进设计. 针对两个窗口的D-T₂二维核磁共振数据反演, 为突破现有反演方法无法兼顾反演精度和解谱效率的瓶颈, 本着第二个窗口回波信号为主、第一个窗口回波信号为辅的原则, 本文提出一种同时使用两个窗口数据参与解谱的联合TSVD反演方法. 气水、油水、稠油、油气水模型不同信噪比条件下的数值模拟结果表明, 本文提供的D-T₂改进脉冲序列达到了平衡扩散系数测量范围和横向弛豫分辨率的设计要求, 本文提供的联合TSVD反演方法也有效平衡了反演精度要求和解谱效率. 文中的D-T₂改进脉冲序列及联合TSVD反演方法在复杂油气藏流体识别和产能预测中具有广泛的应用前景, 可为促进国内D-T₂二维核磁共振岩心分析技术的发展提供有利条件.     

基于二维核磁共振弛豫谱的雷四段孔隙度计算方法

基于常规测井资料的体积模型和一维核磁共振（NMR）测井资料的固定截止值法，可以计算地层孔隙度，但是扩径段孔隙度计算结果偏大.本文通过川西海相雷四段岩心样品NMR实验和实测二维NMR测井资料，开展扩径段的T₂、T₁孔隙度计算方法研究.首先总结不同孔径流体在T₂谱和T₁谱上的响应特征，分析钻井液流体峰截止值的分布范围和影响因素，建立钻井液流体弛豫时间截止值的计算模型；然后根据未扩径段和扩径段的粘土束缚水弛豫时间截止值确定原则，确立变粘土束缚水弛豫时间截止值的有效孔隙度计算方法.多口井的应用效果表明，基于T₁谱的孔隙度计算结果精度更高、定量分析误差小，能有效解决扩径段孔隙度计算结果偏大的问题，满足储层评价的要求.     

川西气田白云岩储层二维核磁共振测井气水识别方法

川西气田雷口坡组四段白云岩储层具有良好的天然气勘探开发前景，但是储层分布具有较强的非均质性，利用常规测井和一维核磁共振测井方法判断储层流体性质存在多解性．通过分析川西雷四段白云岩储层地质特征与测井响应特征，开展岩心二维核磁共振实验，明确了实验室分析与测井过程中环境、参数等影响因素，建立了岩心分析结果的校正方法，明确了钻井液、束缚流体、可动水与天然气信号在二维核磁共振测井中谱分布区间，建立了基于T₂-T₁、T₁/T₂（R）的白云岩储层二维核磁共振测井气水识别图版．利用图版对川西雷四段储层流体性质开展评价，二维核磁共振测井解释结论得到了实钻测试结果的验证，该气水识别方法填补了常规测井、一维核磁共振测井在评价储层气水关系中的缺陷，可有效解决白云岩储层流体性质判别难题．     

相干瞬态微波波谱学

微波瞬态实验是研究气体分子转动弛豫过程的新的、有效的实验方法。本文将介绍相干瞬态微波波谱学中的瞬态吸收、瞬态发射和多脉冲序列实验,以及如何利用这些实验来测量弛豫时间T₁和T₂。     

岩心核磁共振实验对低孔低渗碳酸盐岩储层的适应性研究

低孔低渗碳酸盐岩储层矿物成分复杂、岩石骨架参数难以确定、储集空间类型多样、孔隙结构及孔渗关系复杂、常规测井曲线响应特征不明显，使其测井评价极其困难．本文利用核磁共振测井定量评价低孔低渗碳酸盐岩储层岩心的孔隙结构、计算储层参数．利用T₂谱分布曲线分析孔隙结构、计算T₂截止值；在此基础上计算岩心总孔隙度、有效孔隙度、束缚水孔隙度、渗透率等储层参数，并与常规岩心实验结果进行对比分析；最后，总结出核磁共振测井在低孔低渗储层中的应用优势与局限，为核磁共振测井评价模型的建立提供基础数据．     

川西致密气藏二维核磁共振测井优化设计与应用

二维核磁共振（NMR）测井在储层参数计算与流体性质判别应用中的作用逐渐受到重视.然而在川西致密气藏开展二维NMR测井应用之初,遇到了现有观测模式下资料采集效率较低、测井结果与地质条件不匹配等难题.通过对比两种常用的二维NMR测井方法,开展致密气藏二维NMR测井观测模式设计方法研究,结合致密气藏实际应用效果分析,明确了横向弛豫时间-纵向弛豫时间（T₂-T₁）方法比横向弛豫时间-自扩散系数（T₂-D）方法更适用于致密气藏,总结了一套致密气藏二维NMR测井观测模式设计流程与参数取值方法,设计出了适用于致密气藏的观测模式TGR01（tight gas reservoir 01）.新设计的观测模式在致密气藏的应用效果优于现有的二维NMR测井观测模式,结合T₂-T₁方法可以有效识别储层中的流体信号,解决致密气藏综合评价难题.     

用于土壤水分测量的磁共振射频线圈宽频匹配方法

准确检测土壤水分对于改善农业用水管理至关重要.为了实现土壤水分的准确测量,本文设计了一种微型inside-out核磁共振（NMR）传感器（测量区域位于传感器周围）.其中磁体由三个轴向磁化的圆柱磁体组成,射频线圈由四个相同的弧面螺旋线圈串联组成.通过调整圆柱体之间的半径和高度,获得了一个圆周对称恒定梯度场.并利用宽频带匹配方法,增加射频线圈的激励区域,从而提高整体信噪比.将本文设计的传感器用于测量含水量不同的小颗粒沙土和大颗粒石英砂土壤模型样品的CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）信号,通过逆拉普拉斯变换获得了T₂分布谱,并将T₂谱峰面积与称重法获得的含水量进行了相关性分析,探讨了该传感器用于测量土壤水分的可行性.     

激光极化129Xe核自旋弛豫率的测量

由弱磁场下光泵自旋交换、强磁场中核磁共振测量方法,获得激光极化低压同位素¹²⁹Xe气体的核自旋弛豫率1/T₁及其与N₂气压力、环境温度的关系.结果表明:在291K的室温下,对于0~11 333.05Pa的N₂气压力范围,1/T₁随着N₂气压力的增加而增大;N₂气压力为1 466.63Pa时,1/T₁随着样品温度从234K到292K增高而减小     

基于FPGA的核磁共振测井仪控制逻辑设计

核磁共振（NMR）测井仪以CPMG脉冲序列为测量基础,按照CPMG脉冲序列的时序要求完成大功率射频脉冲的发射和微弱回波信号的接收, 在脉冲发射完成后快速泄放天线中储存的能量. 该文介绍一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的NMR测井仪控制逻辑和典型脉冲序列,详细说明在CPMG脉冲序列下FPGA的工作时序和流程;讨论NMR测井仪发射电路、Q-转换电路和隔离电路的控制原理和时序要求,给出各电路的控制逻辑仿真结果;最后,利用所设计的控制逻辑和自制NMR测井仪探头,在实验室条件下对水溶液进行了测量,得到满意的结果.     

核磁共振测井受激回波校正方法研究

核磁共振测井中,受激回波导致CPMG序列中前2个回波与期望值存在较大差异,严重影响仪器信噪比和储层评价效果. 为进一步改善核磁共振测井仪性能,通过探究受激回波产生机理,揭示其对CPMG回波串作用规律,提出了受激回波的校正方法. 同时针对仪器负载不同,相同发射功率产生射频场强度各异的特性,建立受激回波校正系数与射频场强的数学关系,在不同应用环境中实现对CPMG测量结果的校正. 实验表明,在信噪比较低的应用环境中,采用传统的舍去前2个回波的方法误差达24.58%,而该文设计的校正算法误差仅为4.9%.     

在辐射阻尼存在下有效横向弛豫时间T*2的快速测定

利用CPMG自旋回波技术,通过一连串180°脉冲抑制辐射阻尼效应,让磁化矢量经过横向弛豫T₂过程大幅度衰减后再检测回波信号的线宽,该方法可直接获得有效横向弛豫时间T*₂,并可在CPMG测试T₂值的同时进行. 另外,当饱和恢复法用于估计T*₂值时,信号检测必须使用小角度脉冲.所有结果已进行了实验验证.     

2D NMR技术在石油测井中的应用

近几年,2D NMR技术得到迅速发展,特别是在核磁共振测井领域. 该文将主要介绍2D NMR技术的脉冲序列、弛豫原理以及2D NMR技术在石油测井中应用. 2D NMR技术是在梯度场的作用下,利用一系列回波时间间隔不同的CPMG脉冲进行测量,利用二维的数学反演得到2D NMR. 2D NMR技术可以直接测量自扩散系数、弛豫时间、原油粘度、含油饱和度、可动水饱和度、孔隙度、渗透率等地层流体性质和岩石物性参数. 从2D NMR谱上,可以直观的区分油、气、水,判断储层润湿性,确定内部磁场梯度等. 2D NMR技术为识别流体类型提供了新方法.     

The modulation of coupled relaxation in porous media.

This work investigates the effects of modulation of the transverse and longitudinal relaxation of the surface-fluid/pore-fluid spin system in porous media. Important new NMR well logging applications identify pore fluids by varying the CPMG T(2) pulse spacing to discriminate on the basis of fluid diffusivities in applied and local static magnetic field gradients. However, anomalous laboratory CPMG T(2) results have been reported repeatedly over 25 years for various porous media filled with a single fluid. In relatively large pores, at near bulk conditions, the transverse relaxation of diffusing molecular spins should be proportional to the square of the CPMG pulse spacing tau, the susceptibility contrast at the pore wall and the applied gradient. Observed is a markedly linear tau dependence that saturates at a plateau for large tau. The effect is not quadratic in applied gradient or susceptibility. For large pores, the tau dependence and the saturation value are proportional to the surface-to-volume ratio of the pores. This is in distinct contrast to the behavior observed by Borgia, Brown and Fantazzini for systems with much smaller pores at higher magnetic fields. The large-pore anomalous behaviors can be explained as a modulation of the exchange between surface-fluid and pore-fluid spins, such as observed by Luz and Meiboom in 1963 for water enriched with quadrupolar 17O. Scalar coupling of the solid-surface spins to the fluid-surface spins was postulated by Kleinberg, Kenyon and Mitra as a dominant relaxation mechanism for the surface fluid. The CPMG tau effect can be described as the modulation of the exchange coupling by the CPMG pi pulses, which mix the magnetizations between the exchanging, strongly coupled spin systems of the pore-fluid and the surface-fluid, which is, in turn, weakly coupled by scalar or pseudo-scalar interactions to the fast-relaxing solid surface.     

低场核磁共振仪器振铃抑制新方法及其电路实现

加快天线残余能量释放以减弱天线振铃信号有利于缩短低场核磁共振仪器的回波间隔（TE）,从而提高快弛豫组分的测量分辨率和信噪比（SNR）．而天线Q值对能量的发射效率和泄放速度起着相反的作用．为此,我们首先设计了一种新型Q转换电路,在保证发射效率的同时,可以大大缩短能量泄放时间．在此基础上,应用了一种优化的脉冲序列以弥补传统相位交替对脉冲序列（PAPs）不能消除90°脉冲振铃的缺陷,通过相位循环的方法进一步提高了信噪比．最后,在2 MHz岩心分析仪上测试了新型Q转换电路,当天线Q值降为发射期间的约1/5时,天线恢复时间由280.0 μs降为18.2 μs;而且,使用新型Q转换电路和优化的脉冲序列后,TE=60 μs时,可以有效获得快弛豫组分的T₂信号．     

Rapid T1 measurement via decay-recovery decomposition: applications in fringe field and distributed relaxation experiments

Spin-lattice relaxation time (T(1)) measurements are often time-consuming due to the need to measure the full equilibrium magnetization with a long wait time. However, any magnetization recovery can be decomposed into pure recovery and pure decay components, the latter of which lends itself to a much simpler and faster extraction of T(1). We demonstrate several pulse sequences that accomplish this decomposition experimentally and illustrate its applications in a steady magnetic field gradient, and in materials possessing a broad distribution of T(1).     

A global inversion method for multi-dimensional NMR logging

We describe a general global inversion methodology of multi-dimensional NMR logging for pore fluid typing and quantification in petroleum exploration. Although higher dimensions are theoretically possible, for practical reasons, we limit our discussion of proton density distributions as a function of two (2D) or three (3D) independent variables. The 2D can be diffusion coefficient and T(2) relaxation time (D-T(2)), and the 3D can be diffusion coefficient, T(2), and T(1) relaxation times (D-T(2)-T(1)) of the saturating fluids in rocks. Using the contrast between the diffusion coefficients of fluids (oil and water), the oil and water phases within the rocks can be clearly identified. This 2D or 3D proton density distribution function can be obtained from either two-window or regular type multiple CPMG echo trains encoded with diffusion, T(1), and T(2) relaxation by varying echo spacing and wait time. From this 2D/3D proton density distribution function, not only the saturations of water and oil can be determined, the viscosity of the oil and the gas-oil ratio can also be estimated based on a previously experimentally determined D-T(2) relationship.     

Spin-lock techniques and CPMG imaging sequences: a critical appraisal of T1p contrast at 0.15 T

The addition of a spin-lock preparatory sequence to a Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) imaging sequence provides a method which allows an accurate and simple comparison of T1p and T2 contrast. Sagittal and axial brain images, produced with the application of a three pulse preparatory spin-lock sequence prior to a sixteen-echo CPMG imaging sequence, are compared with images acquired without the spin-lock sequence. The CPMG sequence uses non-selective refocusing pulses. Therefore, observed echo signals accurately reflect T2 relaxation. This allows a convenient method for assessing the degree to which T1p and T2 contrast differ. The spin-lock CPMG (SL-CPMG) images were acquired with a spin-locking field amplitude of 0.4 G and resemble heavily T2-weighted images at 0.15 T. Quantitative analyses of signal intensities from edema and normal brain tissue confirm the qualitative observations. This in vivo method should prove useful for determining when the additional RF power deposition associated with spin-locking techniques will provide an alternate form of tissue contrast than that available from additional echo collection.     

通过高斯加权的1H CPMG弛豫曲线测定橡胶交联密度

CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gill）回波法是测量橡胶交联密度[常用交联点之间的分子量（M_c）表示]的一种常用核磁共振（NMR）技术,但实验发现通过该技术获得的M_c对于CPMG序列中脉冲间隔时间具有较强的依赖性,导致交联密度NMR测量值与橡胶材料硬度的相关性低.为了克服这一缺点,本文对不同脉冲间隔时间下CPMG实验测得的质子横向驰豫曲线进行高斯加权.通过对高斯加权求和后的质子横向驰豫曲线进行处理分析,实现了对橡胶交联密度更加准确地测量,大幅提升了天然橡胶交联密度NMR测量值与材料硬度的相关性.本文方案测量能获得与¹H DQ NMR方法相当,或比之更佳的交联密度-硬度相关性.同时,本文方案比¹H DQ NMR方法更为高效,整体测量时间缩短为¹H DQ NMR实验时间的1/10.