了得網工業技術_井下極端環境核磁共振科學儀器

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《井下**環境核磁共振科學儀器》是作者科研團隊多年從事井下核磁共振理論探索和儀器研制工作的總結，可供從事核磁共振，特別是**環境核磁共振領域中理論、方法、儀器和應用方面的化學工作者、物理工作者、地球科學工作者、石油工程師、井下地球物理探測工程技術人員及其他相關學科的科研人員參考。

內容簡介

《井下**環境核磁共振科學儀器》首先繫統介紹了各種各樣的核磁共振儀器，引出井下**環境核磁共振科學儀器的基本問題及其研究歷史和技術現狀，然後提出總體設計思想和關鍵技術問題解決方案。在此基礎上，圍繞“探頭”、“譜儀電子線路”、“軟件”、“降噪”四個核心技術內容展開詳細而深入的討論，每個部分都包括理論基礎、設計思想、詳細方案、研制過程、測試驗證以及優化提升等各個關鍵環節。

目錄
叢書序
序
前言
緒論1
0.1各種各樣的NMR儀器1
0.2井下**環境NMR科學儀器的基本問題4
0.3研究歷史與技術現狀9
0.3.1探頭9
0.3.2譜儀10
0.3.3低信噪比NMR信號提取11
0.3.4脈衝序列12
0.3.5反演理論13
0.4總體設計思想與關鍵問題解決方案14
0.4.1探頭14
0.4.2譜儀15
0.4.3低信噪比NMR信號提取16
0.4.4脈衝序列17
0.4.5反演理論18
0.5本書的結構18
參考文獻18
**部分探頭
第1章探頭概述21
1.1地磁場井下NMR儀器22
1.2“Inside-out”井下NMR儀器25
1.3MRIL-P26
1.4CMR27
1.5MREx28
1.6MR Scanner28
第2章探頭設計的數值方法31
2.1設計原理與數學方法31
2.1.1設計原理31
2.1.2電磁場反問題求解33
2.1.3電磁場正問題求解35
2.2探測特性評價37
2.3磁性材料40
2.4探頭特性的數值模擬42
2.4.1居中型梯度磁場NMR探頭42
2.4.2貼井壁型均勻磁場NMR探頭47
2.4.3貼井壁型梯度磁場NMR51
2.4.4儀器探測特性58
第3章探頭設計60
3.1結構設計61
3.1.1總體方案設計61
3.1.2磁體結構、材料選取與磁場特性分析61
3.1.3數值模擬過程中的誤差分析72
3.1.4天線結構與磁場特性分析76
3.2探頭敏感區域數值模擬、信號強度和信噪比86
3.2.1敏感區域形狀和範圍數值模擬86
3.2.2信號強度87
3.2.3信噪比88
3.3測井速度對儀器結構的影響89
3.3.1測井速度與預極化磁體89
3.3.2測井速度與天線長度93
3.4測井速度對測井響應的影響95
第4章探頭制作與測試97
4.1探頭實物97
4.2磁場測試結果與數值模擬對比98
4.2.1靜磁場98
4.2.2天線諧振電路結構選取與實測結果分析100
4.3聯合測試與分析103
4.3.1刻度桶測試條件103
4.3.2多頻測試104
4.3.3變TW測試105
4.3.4變TE測試106
4.4改進方向107
第5章簡化探頭方案設計、架構與測試109
5.1總體方案設計109
5.1.1磁體結構109
5.1.2靜磁場數值模擬110
5.1.3天線結構與射頻磁場數值模擬113
5.2敏感區域、信號強度和信噪比119
5.3制作與裝配121
5.4磁場測試與分析122
5.5天線參數測試與分析124
5.6聯合測試與分析127
第6章振鈴噪聲的消除方法131
6.1振鈴噪聲的觀測131
6.1.1測試繫統131
6.1.290°脈衝振鈴噪聲觀測132
6.1.3180°脈衝振鈴噪聲觀測133
6.2NMR測井振鈴噪聲的消除135
6.2.1PAPS對180°脈衝振鈴噪聲的消除135
6.2.2新脈衝序列設計136
第7章井下NMR響應的校正143
7.1地層模型的建立與NMR影響因素分析143
7.1.1鑽井液電阻率與地層電阻率對NMR測井儀射頻場的影響144
7.1.2鑽井液和地層流體中鈉離子對NMR孔隙度的影響145
7.2數值模擬結果與井下NMR響應校正方法146
7.2.1居中型NMR測井儀146
7.2.2貼井壁型NMR測井儀148
7.2.3鑽井液與地層電阻率影響校正方法150
7.2.4鈉離子影響機理分析與校正方法151

第8章結論154
參考文獻155
第二部分譜儀電子線路
第9章譜儀概述165
9.1研發意義165
9.2**環境NMR儀器電子成路165
9.2.1探測器165
9.2.2電子線路167
第10章現有譜儀電子線路分析170
10.1MRIL-P電子線路171
10.2MREx電子線路175
10.3CMR電子線路179
10.4MRScanner電子線路183
第11章總體設計190
11.1發射電路192
11.2Q-轉換電路192
11.3隔離電路193
11.4接收電路194
11.5主控電路194
第12章詳細設計195
12.1發射電路195
12.1.1功率放大電路195
12.1.2功率放大驅動電路201
12.1.3儲能電路206
12.2Q-轉換電路207
12.3隔離電路213
12.4接收電路222
12.4.1儀用放大電路225
12.4.2程控衰減電路228
12.4.3帶通濾波電路229
12.5主控電路232
12.5.1主控電路硬件232
12.5.2主控電路軟件236
12.6天線調諧電路246
2.7繼電器驅動電路246
12.8電源電路247
12.9小結248
第13章制作與測試249
13.1發射電路249
13.1.1功率放大驅動電路249
13.1.2功率放大電路249
13.1.3儲能電路254
13.2Q-轉換電路255
13.3隔離電路258
13.4接收電路261
13.5主控電路264
13.6天線調諧電路273
13.7繼電器驅動電路274
13.8電源電路277
13.9樣機測試278
13.10天線測試283
參考文獻285
第三部分軟件
第14章軟件概述291
14.1概述291
14.2方法研究進展292
14.3研究內容295
14.4技術路線296
第15章數據處理軟件297
15.1NMR數據處理軟件基本功能297
15.1.1數據輸入297
15.1.2NMR數據處理297
15.1.3處理成果輸出298
15.1.4NMR測井數據處理流程和基本功能298
15.2數據輸入299
15.2.1NMR測井數據特殊性299
15.2.2CLS格式300
15.2.3XTF格式301
15.2.4DLIS格式303
15.3數據處理流程304
15.3.1MRIL-Prime數據處理流程305
15.3.2MREx數據處理流程306
15.3.3MRScanner數據處理流程308
15.4成果輸出309
15.4.1數據格式轉換309
15.4.2成果圖繪制309
15.5二次開發接口310
第16章數據處理方法312
16.1采集模式312
16.1.1MRIL-Prime脈衝序列312
16.1.2MREx脈衝序列313
16.1.3MRScanner脈衝序列314
16.2預處理315
16.2.1回波串識別315
16.2.2原始回波串數據校正317
16.2.3回波串信號和噪聲計算318
16.2.4時深轉換320
16.3流體識別320
16.3.1油氣水在T1－T2int－D三維空間中的分布320
16.3.2理論基礎320
16.3.3基於1種屬性差異的流體識別325
16.3.4基於1.5種屬性差異的流體識別326
16.3.5基於多種屬性差異的流體識別327
16.4岩石物理參數計算329
16.4.1孔隙度329
16.4.2滲透率330
16.4.3偽毛管壓力曲線轉換330
第17章軟件設計與數值模擬332
17.1軟件總體框架332
17.2數據輸入332
17.2.1CLS格式讀取333
17.2.2XTF格式讀取333
17.2.3DLIS格式讀取335
17.2.4MAT格式335
17.3井下NMR數據處理336
17.3.1井下NMR數據處理框架336
17.3.2預處理337
17.3.3數據儀器無關化處理339
17.3.4反演處理框架339
17.3.5反演處理速度優化340
17.3.6流體定性識別和飽和度計算348
17.3.7岩石物理參數計算349
17.4成果輸出350
17.4.1成果數據輸出350
17.4.2成果圖輸出350
17.5二次開發接口351
第18章處理軟件實現與測試353
18.1軟件開發工具353
18.2軟件界面及主要功能354
18.3數據管理356
18.4數據處理356
18.4.1預處理358
18.4.2反演處理359
18.4.3流體飽和度計算362

18.4.4岩石物理參數計算367
18.5圖形繪制368
18.6二次開發工具/接口368
第19章軟件應用實例370
19.1MRIL-Prime數據處理370
19.1.1數據采集模式370
19.1.2數據處理374
19.1.3應用實例374
19.2MREx數據處理377
19.3MRScanner數據處理378
第20章結論379
參考文獻380
第四部分降噪
第21章降噪概述391
21.1NMR信噪比391
21.2相關降噪方法398
21.3研究內容及技術路線402
第22章自適應譜線增強降噪(回波檢測前)406
22.1NMR測井的信號強度406
22.2自適應譜線增強原理412
22.2.1自適應濾波412
22.2.2自適應譜線增強413
22.2.3自適應算法414
22.2.4自適應濾波器結構416
22.3PC-ALE原理417
22.3.1ALE算法選取417
22.3.2相位補償419
22.4PC-ALE數值模擬421
22.5PC-ALE回波降噪實驗424
22.5.1流體測量降噪424
22.5.2岩心測量降噪426
22.6小結433
第23章基於DPSD的降噪(回波檢測中)435
1.21微弱信號檢測方法435
23.2DPSD原理436
23.2.1DPSD的數學原理437
23.2.2數字低通濾波器在DPSD方法中的作用438
23.3數字低通濾波器設計439
23.3.1數字濾波器簡介439
23.3.2窗函數設計法440
23.4數字濾波器窗函數441
23.5DPSD方法數值模擬444
23.6實驗結果分析447
23.6.1實驗設備447
23.6.2實驗設計與結果448
23.7小結449
第24章小波變換降噪(回波檢測後)450
24.1小波變換原理450
24.1.1連續小波變換和離散小波變換450
24.1.2小波分解與重構451
24.1.3小波變換降噪454
24.2SURE降噪方法454
24.2.1SURE算法原理454
24.2

前言

序言

媒體評論

評論

在線試讀

緒論
0.1各種各樣的NMR儀器
核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)自1946年誕生開始，即成為十分重要的分析測試方法和科學研究工具，在化學、物理學、生物學、醫學、材料科學、農林科學、環境科學、食品科學、地球科學等領域已經得到廣泛應用。NMR信息的獨特性和豐富性，對這些學科領域發現新現像、探索新規律起到了至關重要的作用。在化學領域，NMR是解析分子結構的有力工具；在醫學領域，NMR是疾病診斷成像的重要手段；在材料、農林及食品領域，NMR是微觀結構及相應機理機制無損檢測的有效方法；在地學領域，NMR是地層孔隙結構描述與流體識別及定量評價的獨有途徑。已經至少有六位科學家因為對NMR技術的突破而獲得諾貝爾獎，如圖0.1所示。
圖0.1NMR領域六位諾貝爾獎得主
NMR是一門交叉學科的發展受到“科學邏輯”和“應用需求”的雙輪驅動。科學邏輯上，新概念新理論不斷突破，並通過新儀器的設計實現完成驗證，產生新的科學儀器，解決應用領域更多的問題；應用需求上，新問題新環境不斷出現，通過新儀器的研發制作使之滿足，產生新的科學儀器，推動科學領域更深的研究。科學儀器創新是NMR技術發展的標志和載體，NMR波譜、弛豫及成像等技術，均以探頭、譜儀、脈衝序列和數據分析方法的不斷進步為基本特征。經過近70年的不懈努力，形成了各種各樣的NMR儀器(圖0.2~圖0.5)。
圖0.2核磁波譜儀器(左)，向高場、高分辨率方向不斷突破核磁成像儀器(右)，向快速、高分辨率、組合化方向快速發展
圖0.3核磁弛豫儀器，向便攜、單邊、在線、個性化、掌上化方向發展並創新應用於農學－林學－食品－文物－建材－地磁場－水資源－油井－血管－管道流體檢測
圖0.4Jasper Jackson設計的“Inside-out”方案為井下NMR提供了可能
(a)Jackson於1980年左右采用極性相向的兩個磁體試圖在徑向產生均勻磁場；
(b)Miller和Taizer於1986年改進Jackson設計，在徑向產生梯度磁場；
(c)把設計精巧的磁體和天線放到數千米深的井筒中對其外圍地層進行探測，采用豐富的脈衝序列，實現各種信息的采集和處理，已經得到廣泛應用
圖0.5Jackson方案在醫學中也具有良好的應用前景
0.2井下**環境NMR科學儀器的基本問題
油氣是一種流體礦藏，深埋地下岩層孔隙中，看不見，摸不著。
井筒地球物理探測，俗稱“測井”，它把設計精巧的聲、電、核輻射、NMR等探測器和相應電子裝置放到井下進行測量，獲取地下油氣信息，回答“哪兒有油氣，有多少，有多少能夠開采出來”等基本和關鍵問題，具有經濟性、便捷性、實時性、可重復性等特點，其應用貫穿於井筒的整個生命周期，從而也覆蓋油氣田的整個生命周期。
俗話說“上天難入地更難”。把精密的探測器及其電子繫統放置在數千米深的井下，需要面對高溫高壓、體積受限、運動測量、低信噪比等**環境產生的一繫列特殊困難。所以，測井是技術密集、難度極高的行業。我國在這一領域，長期落後於西方發達國家，尤其受到美國壟斷。
油氣井NMR探測是要把醫學NMR的原理和方法，通過儀器的巧妙創新，在井下**環境實現NMR信息的觀測和應用，從而更好地解決復雜油氣儲層評價的根本問題。地層中的油氣水，具有不同的NMR特性，利用這種差異，便可以對油氣水進行識別與評價。由於NMR對流體靈敏，而且能夠提供孔隙結構和流體特性等重要信息，在復雜油氣藏和非常規油氣藏勘探開發中具有獨特和無法替代的價值，受到廣泛重視。
井下**環境的NMR探測，在與實驗室可控環境完全不同的狀態下實現，為NMR理論和儀器研制提出了特殊的科學問題，也為NMR科學與技術發展提供了新的機遇和挑戰。這些特殊科學問題的解決，將對NMR技術本身形成驅動和反饋，從而豐富和發展NMR探測理論。其中，利用NMR技術在陸上及海洋地層深處井筒環境下進行地層岩石孔隙結構與流體賦存狀態的原位探測，是**環境*典型的代表，幾乎面對NMR科學儀器的全部難題。這種**環境和對NMR儀器的獨特要求，以及特殊的探測對像所提出的理論與工程問題，把NMR探測技術推向了新的高度。
本書所說的**環境是指:探頭和譜儀的體積嚴格受限；儀器處於運動狀態(縱向移動、徑向振動、周向旋轉，存在其中的一種或者多種運動)；低場、低信號強度、低信噪比；可能面臨高溫(>175℃)、高壓(>140MPa)；要求單邊測量，且觀測對像十分復雜。
這些環境特征，在井下原位NMR探測時必然會全部遇到，而在其他情況下可能會部分遇到，因而**環境是NMR科學儀器的共性問題，具有普遍意義。**環境NMR科學儀器的設計與制作涉及的關鍵科學問題的解決，有助於NMR科學儀器整體水平的提升；儀器的實現又將使應用領域的科學難題得到有效解決，從而促使儀器的規模化應用。
目前世界上隻有少數幾家著名石油服務公司具有井下**環境NMR儀器的研發和制造能力。這些儀器的技術細節受到知識產權的高度保護，常常是公司的**商業機密，很少有文字資料可以參考。本書在國際上公開的專利資料和作者團隊長期“理論探索積累”、“儀器設計制作”、“引進、吸收、集成、原創”的基礎上撰寫而成。對這類儀器所面臨的科學、技術及工程問題進行梳理，將不同領域應用的NMR儀器關鍵共性技術進行比對，試圖通過發展共性技術，提升NMR科學儀器水平，推動我國NMR相關領域原始創新。
**條件NMR科學儀器，首先要求探頭和譜儀硬件足夠緊湊，靜磁場和射頻場足夠強大，能夠深入到探測目標內部建立NMR條件；其次，要能夠檢測到來自敏感區域的微弱信號，能夠在復雜運動條件下完成NMR快速測量，能夠充分利用多維NMR技術，通過降噪和反演處理，識別或評價復雜樣品的多種特性與特征。
概括起來，**環境NMR科學儀器基本組成如圖0.6所示，面臨的關鍵問題有①NMR探頭；②NMR譜儀；③低信噪比NMR信號提取；④運動狀態快速探測的NMR脈衝序列；⑤NMR數據反演的新理論與新方法。後續討論以此為基礎展開。
1.探頭
NMR探頭設計是一個電磁場問題，同時也包含結構優化與材料優選。**環境NMR探測極富挑戰性，它以地下數千米深處地層復雜孔隙流體中的氫核為探測和研究對像，探測環境多變，對儀器的可靠性、重復性、時效性等提出了苛刻要求。探頭結構復雜，工藝要求高，是**環境NMR科學儀器的核心部件和發展標志(圖0.7)。
圖0.6**環境NMR科學儀器組成示意圖

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