地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验

很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时,经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法（Magnetic Resonance Sounding,MRS）作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术,在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式,分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明,在限定空间内,利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时,对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后,为了验证本研究所采用的方法,利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测,探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明,6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.

     

基于多匝环形线圈的核磁共振信号响应计算与试验研究

核磁共振接收信号的质量主要受探测天线的传递特性影响,当传递特性较差时,严重影响测量效果.结合目前国内外核磁共振找水仪天线的研制情况,给出了接收天线传递特性的计算方法,根据数值计算结果讨论了影响传递特性的天线参数.利用吉林大学研制的核磁共振找水仪进行实际测试,结果证明与讨论结果一致.本文得出的传递特性影响因素和接收信号质量评估方法,可以为不同类型核磁共振找水仪天线的设计提供依据,将促使核磁共振方法在复杂地形环境找水及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

二维核磁共振变参量迭代快速反演方法

核磁共振二维谱应用在储层流体识别与评价中具有快速直观识别流体类型、储层参数估算精度高的特点,使之能高效率的完成测井资料解释工作,然而拥有稳健、可靠及计算快速的反演方法是获取高质量核磁共振二维谱的关键所在.通过对二维核磁共振子空间类型反演方法的大量研究,在奇异值截断公式上进行了分析和改进,使得反演方程组的奇异值矩阵能保留下更多的奇异值,为反演结果的保真性奠定基础,并对其进行分组处理使反演方程组的条件数降低,从而提高求解的稳定性;在迭代计算中提出变参量迭代算法,使求解更合理、快速及高效.在数值模拟中,变参量迭代快速反演方法能够准确地还原30×30、60×80扩散弛豫二维构造谱,计算用时都在1分钟内;在油水试验中,变参量迭代快速反演方法反演出的扩散—弛豫二维谱能够正确识别所测流体类型,含油饱和度估算结果的相对误差为0.6%,绝对误差为0.79%.变参量迭代快速反演方法能够快速有效得处理二维核磁共振数据,反演出的扩散一弛豫二维谱质量高,二维谱应用于解释中所得到的结论可靠性高,表明该方法具有一定应用价值.     

基于SVD和BRD的二维核磁共振测井正则化反演算法研究

二维核磁共振能从"弛豫-扩散"两个维度上展现流体性质,在识别稠油储层方面具有理论优势,是当前核磁共振测井技术的研究热点.本文深入研究二维核磁共振测井原理,系统分析CPMG-DE脉冲序列测量扩散系数与弛豫时间的方法,结合核磁共振二维谱数理模型,提出一种基于SVD和BRD的正则化反演算法.该算法通过SVD压缩数据,采用带非负约束的Tikhonov正则化方法求解流体"弛豫-扩散"分布,并基于BRD算法迭代确定最佳正则化因子.模拟实验与数值分析表明,该算法无需先验信息、运算效率高、相对误差小,在原始数据信噪比低至50时,仍可有效获取流体(T2,D)二维分布.在二维核磁共振测井数据实时解释应用中,该方法较传统反演算法(如TSVD)具有较大优势.同时,在自主研发的核磁共振测井仪测量CuSO4溶液(T2,D)分布的实验显示,本文设计算法对弛豫时间和扩散系数的反演误差分别仅为2%和4%,较TSVD算法有较大改善.     

分离线圈地面核磁共振找水正演

分离线圈地面核磁共振找水方法是将激发线圈与接收线圈分离开来的找水探测方法.文中阐释分离线圈地面核磁共振找水方法正演表达式;利用高斯积分方法计算了分离线圈正演公式中的核函数.通过分析核函数的变化规律,得出分离线圈地面核磁共振方法具有较高的横向分辨率.通过计算全空间的核函数矩阵,将地下含水模型离散化,实现分离线圈地面核磁共振找水3D模型正演快速计算.通过对比计算1D含水模型响应,本文的计算选取网格的越小,正演精度越高.文中计算装置对模型的响应,分析正演曲线随着模型的埋深与装置的不同呈现的变化规律,研究分离线圈地面核磁共振的分辨特性及探测特点.     

核磁共振测井探测岩石内部磁场梯度的方法

岩石内部磁场梯度对核磁共振测井横向弛豫T2分布有较大的影响.本文提出了一种利用自旋回波脉冲序列探测岩石内部磁场梯度的二维核磁共振方法,发展了相应的反演方法,得到了含顺磁性物质的饱和水砂岩和泥质砂岩的内部磁场梯度分布规律.结果表明,随顺磁物质含量的增加,岩石内部磁场梯度增大.含顺磁物质的饱和水砂岩颗粒均匀,不含粘土矿物,内部磁场梯度呈单峰分布特征.含绿泥石粘土矿物的饱和水泥质砂岩,T2分布呈双峰特征,束缚水峰明显,小孔短T2对应的梯度值大于大孔长T2对应的梯度值.当绿泥石含量小于15%时,随绿泥石含量的增加,对应束缚水峰的短T2组分明显增多,T2分布展宽;当绿泥石含量大于15%以后,较大的岩石内部磁场梯度使短弛豫信息衰减迅速,表现出随绿泥石含量的增加,短T2组分减少,T2分布变窄.     

D-T2二维核磁共振测井反演方法对比与适用性研究(英文)

D-T₂二维核磁共振测井技术能够直观地区分不同类型、不同赋存状态的孔隙流体,在油气勘探中应用广泛。目前,,国内外学者提出了很多二维核磁共振反演方法,但大多止步于数值模拟,需要研究不同反演方法针对不同采集序列的测井数据的适用性,优选反演方法,为二维核磁共振测井数据处理的软件模块开发提供参考。本文者,对此问题,基于二维核磁共振测井原理,详细研究了TSVD、BRD、LM-模平滑和TIST-L1正则化反演方法,分别对油水模型、气水模型数值模拟得到的CPMG和DE序列的回波信号,进行反演结果精度和计算效率的对比研究。通过数值模拟,对比分析了TSVD、BRD、LM-模平滑和TIST-L1正则化四种反演方法的反演结果和计算耗时,并优选反演方法对MR Scanner仪器SP模式测井数据处理。结果表明,对于油水和气水两种模型的CPMG和DE序列回波信号,TIST-L1正则化方法精度最高,LM-模平滑方法略差,但耗时较少,更适合测井数据处理,该方法针对A25井的处理结果与Geolog软件相符,能够满足数据处理的需要。     

(T2,D)二维核磁共振测井识别储层流体的方法

当地层孔隙中油气和水同时存在时,在核磁共振T2分布上不同流体信号往往重叠,很难有效识别.本文采用改变回波间隔测量多组自旋回波串序列实现了（T2,D）二维核磁共振方法,为有效识别储层流体提供了基础.通过数值模拟系统研究了（T2,D）方法在不同储层、不同测量信噪比以及不同外加磁场梯度条件下识别流体的效果.结果表明：（T2,D）方法识别中、低黏度油层具有优势,随着信噪比增加和外加磁场梯度加大,分辨油和水的效果将变好.在气层,对磁场梯度有一定要求,并且,测量数据的信噪比越高,分辨气与水的效果越好,当测量数据信噪比低于70时（T2,D）方法在气层可能失效.在2MHz共振频率下,利用MARAN核磁共振岩芯分析仪器,对含顺磁性物质的饱和流体岩样进行了实验测量,验证了（T2,D）方法的有效性.     

岩石润湿性核磁共振表征技术的研究进展

随着油湿储层、混合润湿储层等复杂润湿性储层的大量发现,润湿性对岩石物理响应的影响越来越引起人们的关注,识别和表征岩石润湿性正成为储层评价必须解决的难题之一．核磁共振技术作为兼具实验室和井下探测的重要手段,逐渐发展为一项有效的岩石润湿性探测技术,它测量的弛豫时间(T₁和T₂)、扩散系数D、内部磁场梯度G等信息,为岩石润湿性表征方法的建立提供了不同的解决途径．系统梳理核磁共振方法表征岩石润湿性的理论基础和方法原理,对理解这一前沿技术的来龙去脉非常重要．本文首先从界面作用力和视接触角两方面,阐明核磁共振表征润湿性的理论基础;然后,通过广泛的文献调研,系统介绍近70年来核磁共振表征岩石润湿性的6类方法,并对这些方法的优点和局限性进行对比．最后,分析矿物成分、流体性质及储层条件这3个因素对应用核磁共振开展储层润湿性原位表征的影响．分析表明,基于一维T₂弛豫时间的核磁共振润湿性指数已经具备用于岩石物理实验和测井评价的条件,但还没有一种通用的核磁共振方法能完全解决各类储层润湿性的定量评价问题;基于(T₁-T     

(T2,D)二维核磁共振测井混合反演方法与参数影响分析

一维核磁共振(1D NMR)测井技术在流体识别中具有一定的局限性.二维核磁共振(2D NMR)测井能同时测量到多孔介质中横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D)等信息,利用这两个参数区分流体性质,较一维核磁共振测井技术具有明显的优越性.针对梯度场下的2D NMR测井弛豫机理和数学模型,提出了适用于求解大型稀疏矩阵方程的反演方法-基于非负最小二乘法(LSQR)和截断奇异值分解(TSVD)法的混合算法.为验证方法的有效性,先根据多回波观测模式合成回波串数据,然后再用混合反演算法进行反演,反演得到横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D),并构建T₂-D二维谱图.结果对比表明,该混合反演算法得到的T₂-D二维谱与流体模型一致性好,计算精度均比单一反演方法有较大改善,表明该混合反演方法可用于油气储集层2D NMR测井的反演和流体识别.此外,分别对油水同层和气水同层模型进行了正演模拟和反演实验, 系统考察了不同磁场梯度、不同回波间隔组合对反演效果的影响,为2D NMR参数设计提供依据.     

基于双频磁共振的未知拉莫尔频率地下水探测方法

在利用地面磁共振方法进行地下水探测时,要求发射频率与拉莫尔（Larmor）频率相同.由于地磁场的不均匀性和噪声干扰,实际测量时无法获得准确的Larmor频率,导致发生偏共振现象.如果假设磁共振或频率偏量未知时,反演得到的含水量和弛豫时间（T₂^*）将存在较大误差.为了解决未知Larmor频率情况下的准确探测问题,本文在频率环测量方案的基础上提出了双频磁共振探测方法,即只需知道Larmor频率的范围区间,通过区间外的两个频率进行偏共振激发,利用频率差值的一半作为频率偏量计算核函数,即可消除未知Larmor频率的影响.通过仿真实验,证明了在电阻率大于100 Ωm时,双频磁共振和偏共振的核函数偏差较小.对于双层含水层模型,双频磁共振和偏共振的信号偏差小于3 nV,因此得到双频磁共振信号可以用偏共振核函数进行反演.通过对假设磁共振、假设偏共振和双频磁共振反演结果的对比,可以得到在未知频率偏量和设定频率偏量改变时,双频磁共振均能得到准确的反演结果.但是,当环境噪声增加和电阻率降低时,反演结果的准确度降低.最后,通过长春市烧锅镇采集数据的反演结果与已知钻探资料进行对比,验证了双频磁共振探测方法的有效性和准确性.

     

基于双频磁共振的未知拉莫尔频率地下水探测方法

在利用地面磁共振方法进行地下水探测时,要求发射频率与拉莫尔（Larmor）频率相同.由于地磁场的不均匀性和噪声干扰,实际测量时无法获得准确的Larmor频率,导致发生偏共振现象.如果假设磁共振或频率偏量未知时,反演得到的含水量和弛豫时间（T₂^*）将存在较大误差.为了解决未知Larmor频率情况下的准确探测问题,本文在频率环测量方案的基础上提出了双频磁共振探测方法,即只需知道Larmor频率的范围区间,通过区间外的两个频率进行偏共振激发,利用频率差值的一半作为频率偏量计算核函数,即可消除未知Larmor频率的影响.通过仿真实验,证明了在电阻率大于100 Ωm时,双频磁共振和偏共振的核函数偏差较小.对于双层含水层模型,双频磁共振和偏共振的信号偏差小于3 nV,因此得到双频磁共振信号可以用偏共振核函数进行反演.通过对假设磁共振、假设偏共振和双频磁共振反演结果的对比,可以得到在未知频率偏量和设定频率偏量改变时,双频磁共振均能得到准确的反演结果.但是,当环境噪声增加和电阻率降低时,反演结果的准确度降低.最后,通过长春市烧锅镇采集数据的反演结果与已知钻探资料进行对比,验证了双频磁共振探测方法的有效性和准确性.     

2D magnetic resonance tomography applied to karstic conduit imaging

Karstic conduits play a crucial role for water supply in many parts of the world. However, the imaging of such targets is generally a difficult task for most geophysical methods. Magnetic Resonance Sounding (MRS) is a geophysical method designed for imaging of water bearing structures. Initially, MRS was developed for characterizing horizontally stratified aquifers. However, when applying a 1D MRS measuring setup to the imaging of 2D–3D targets, the size of which may be much smaller than the loop, the accuracy and the lateral resolution may not be sufficient. We have studied the possibility of simultaneously processing several MRS aligned along a profile to perform a Magnetic Resonance Tomography (MRT). This work emphasizes the gain of resolution for 2D–3D imagery of MRT versus the interpolation of 1D inversion results of MRS along the same profile. Numerical modelling results show that the MRT response is sensitive to the size and location of the 2D target in the subsurface. Sensitivity studies reveal that by using the coincident transmitting/receiving (TX/RX) setup and shifting the loop around the anomaly area, the depth, section and position of a single karstic conduit with a size smaller than the MRS loop size can be resolved. The accuracy of the results depends on the noise level and signal level, the latter parameter being linked to the depth and volume of the karstic conduit and the water content in the limestone matrix. It was shown that when applying MRT to the localization of 2D anomalies such as karstic conduits, the inclination of the geomagnetic field, the orientation of the MRT profile and the angle of crossover of the conduit by the MRT profile must be taken into account. Otherwise additional errors in interpretation should be expected. A 2D inversion scheme was developed and tested. Both numerical and experimental results confirm the efficiency of the developed approach.     

Contribution of magnetic resonance sounding to aquifer characterization and recharge estimate in semiarid Niger

To improve the knowledge of the regionally important Continental Terminal 3 (CT3) aquifer in south-western Niger, fifteen magnetic resonance soundings (MRS) were carried out in December 2005 in the vicinity of wells and boreholes. The output MRS geophysical parameters, i.e. water content and decay constants versus depth, were compared to hydrogeological characteristics, i.e. water table depth, total porosity, specific yield and transmissivity estimated from direct measurements, pumping tests and transient groundwater modelling. The MRS-determined parameters were then used to estimate the rates of groundwater recharge.Contained in poorly consolidated Tertiary sandstones, the CT3 aquifer's water table has continuously risen by 4 m in total over the past four decades. Additionally, a significant portion of this increase has occurred in the past decade alone, with an annual rise now ranging between 0.1 and 0.3 m depending on the monitored well. Increase in groundwater recharge due to land clearance and deforestation explains this situation. According to previous estimations, the pre-clearing recharge ranged from 1 to 5 mm per year in 1950–60 s, while more recent recharge rates (1990s–2000s) range from 20 to 50 mm per year. These recharge values are directly affected by estimated aquifer specific yield value, while the spatial variation of rates of water table rise can be attributed to large scale hydrodynamic heterogeneities in the aquifer. However, few field measurements were available to confirm these assumptions.The main results of this study are: (1) The water table depth and aquifer transmissivity are estimated from MRS output parameters with an average accuracy of ± 10% and ± 9% respectively. (2) The MRS-determined water content is linked to both the total porosity and the specific yield of the aquifer, but no quantitative formulation can be proposed as yet. (3) Using the average MRS-determined water content over the investigated area, i.e. 13%, the groundwater recharge rates can be estimated to be ~ 2 mm per year in the 1950–1960s (pre-clearing period), and ~ 23 mm per year for the last decade. (4) The variations in specific yield and transmissivity cannot explain by themselves the spatial variability of the rise of the water table. (5) The ranges in transmissivity and water content obtained from MRS are more realistic than the groundwater modelling outputs. Therefore, MRS could be used to better constrain the aquifer parameters in groundwater modelling with a dense site network.Finally, this work illustrates how MRS can successfully improve characterisation and transient multi-year groundwater balance of commonly found sedimentary aquifers, particularly when integrated with well observations and pumping tests.     

Numerical study of the variations of magnetic resonance signals caused by surface slope

When performing forward modelling and inversion of Magnetic Resonance Sounding (MRS) data, the water-content distribution is typically assumed to be horizontal (1D case). This assumption is fully justified because MRS is often used for characterizing continuous aquifers in a nearly flat environment. However, MRS can also be used in areas with sharp topographical variations. Following a review of the standard MRS equations when using a coincident transmitter/receiver loop, the mathematical terms potentially affected by tilting of the loop are discussed. We present the results of a numerical modelling exercise, studying a case where the surface is not horizontal and the loop cannot be considered to be parallel to the top of the aquifer. This shows that maximum variations in the MRS-signal amplitude are caused mainly by north- or south-dipping slopes. Slope effects depend on the loop size (a larger loop produces a larger error) especially in the presence of shallow water. With a geomagnetic-field inclination of 65° and a slope angle ≤ 10°, the topography causes a maximum variation in amplitude of less than 10%. Near magnetic poles and equator, the slope effect is lower and undetectable in most cases. It was found that within a 10% range of variation in the amplitude, errors introduced into inversions are within the typical uncertainty for MRS inversion and hence no topographic corrections are necessary. Thus, a significant effect from non-horizontal topography might be expected only when data uncertainty is lower than the slope effect (the slope effect is lower than equivalence when data quality is poor). Today, most field data sets are inverted using the modulus of the MRS signal, but some new developments consider the complex signal (both modulus and phase). However, inversion of complex MRS signals, which would provide a higher sensitivity to groundwater distribution, may be affected by slope effect. Thus, the slope orientation and dip angle should be accurately measured in the field when the phase of MRS signals is inverted too.     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

基于双通道参考技术的磁共振地下水探测电磁噪声分布规律研究

磁共振地下水探测（MRS）技术能直接测量水中氢质子的拉莫尔进动,可表征地下水含水量和介质孔隙度等信息,因而获得了广泛应用.然而,MRS信号微弱,实际探测中电磁噪声强度大,若噪声未被有效去除,会导致后续水文参数解释不准确,采用"8"字形线圈或运用带参考线圈的噪声抵消等方法可抑制噪声干扰,但这些方法消噪效果的好坏取决于电磁噪声的空间分布.另外,在强噪声或多噪声源环境下应用MRS方法,选择恰当的探测位置对提高探测效率以及增加探测结果的有效性具有重要意义.因此,本文使用双通道噪声采集装置在实验前记录环境中的电磁噪声,通过双通道参考技术推导同一时刻不同测点的噪声强度,再得到测区电磁噪声分布结果,该噪声分布情况对MRS方法探测方式的选取具有指导性的作用.同时,可根据噪声分布情况为探测线圈选择最佳测点以避开噪声强度大的区域,进而提高采集信号的信噪比.最后,通过采集室外环境下的电磁噪声,验证本文提出的基于双通道参考技术的电磁噪声分布规律研究方法的有效性,为可靠高效地开展磁共振地下水探测提供了新的技术手段.