科学网-井下极端环境对NMR技术提出的新挑战-科学出版社的博文

井下极端环境对NMR技术提出的新挑战

2016-10-9 09:08

阅读：6028

标签：科学出版社, 核磁共振, 科学仪器, 肖立志

核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）自1945 年诞生开始，即成为十分重要的分析测试方法和科学研究工具，在化学、物理学、生物学、医学、材料科学、农林科学、环境科学、食品科学、地球科学等领域已经得到广泛应用。NMR信息的独特性和丰富性，对这些学科领域发现新现象、探索新规律起到了至关重要的作用。在化学领域，NMR是解析分子结构的有力工具；在医学领域，NMR是疾病诊断成像的重要手段；在材料、农林及食品领域，NMR是微观结构及相应机理机制无损检测的有效方法；在地学领域，NMR是地层孔隙结构描述与流体识别及定量评价的独有途径。已经至少有六位科学家因为对NMR技术的突破而获得诺贝尔奖。

▲ NMR领域六位诺贝尔奖得主

各种各样的NMR仪器

NMR是一门交叉学科的发展受到“科学逻辑” 和“应用需求” 的双轮驱动。

科学逻辑上，新概念新理论不断突破，并通过新仪器的设计实现完成验证，产生新的科学仪器，解决应用领域更多的问题；应用需求上，新问题新环境不断出现，通过新仪器的研发制作使之满足，产生新的科学仪器，推动科学领域更深的研究。

科学仪器创新是NMR技术发展的标志和载体，NMR波谱、弛豫及成像等技术，均以探头、谱仪、脉冲序列和数据分析方法的不断进步为基本特征。经过近70 年的不懈努力，形成了各种各样的NMR仪器。

▲ 核磁波谱仪器（左），向高场、高分辨率方向不断突破核磁成像仪器（右），向快速、高分辨率、组合化方向快速发展

▲ 核磁弛豫仪器，向便携、单边、在线、个性化、掌上化方向发展并创新应用于农学－林学－食品－文物－建材－地磁场－水资源－油井－血管－管道流体检测

▲ Jasper Jackson 设计的“Inside-out” 方案为井下NMR提供了可能

（a） Jackson 于1980 年左右采用极性相向的两个磁体试图在径向产生均匀磁场；

（b） Miller 和Taizer 于1985 年改进Jackson 设计，在径向产生梯度磁场；

（c）把设计精巧的磁体和天线放到数千米深的井筒中对其外围地层进行探测，采用丰富的脉冲序列，实现各种信息的采集和处理，已经得到广泛应用

▲ Jackson 方案在医学中也具有良好的应用前景

井下极端环境NMR科学仪器

油气是一种流体矿藏，深埋地下岩层孔隙中，看不见，摸不着。

井筒地球物理探测，俗称“测井”，它把设计精巧的声、电、核辐射、NMR等探测器和相应电子装置放到井下进行测量，获取地下油气信息，回答“哪儿有油气，有多少，有多少能够开采出来” 等基本和关键问题，具有经济性、便捷性、实时性、可重复性等特点，其应用贯穿于井筒的整个生命周期，从而也覆盖油气田的整个生命周期。

俗话说“上天难入地更难”。把精密的探测器及其电子系统放置在数千米深的井下，需要面对高温高压、体积受限、运动测量、低信噪比等极端环境产生的一系列特殊困难。所以，测井是技术密集、难度极高的行业。我国在这一领域，长期落后于西方发达国家，尤其受到美国垄断。

油气井NMR探测是要把医学NMR的原理和方法，通过仪器的巧妙创新，在井下极端环境实现NMR信息的观测和应用，从而更好地解决复杂油气储层评价的根本问题。地层中的油气水，具有不同的NMR特性，利用这种差异，便可以对油气水进行识别与评价。由于NMR对流体灵敏，而且能够提供孔隙结构和流体特性等重要信息，在复杂油气藏和非常规油气藏勘探开发中具有独特和无法替代的价值，受到广泛重视。

井下极端环境的NMR探测，在与实验室可控环境完全不同的状态下实现，为NMR理论和仪器研制提出了特殊的科学问题，也为NMR科学与技术发展提供了新的机遇和挑战。这些特殊科学问题的解决，将对NMR技术本身形成驱动和反馈，从而丰富和发展NMR探测理论。其中，利用NMR技术在陆上及海洋地层深处井筒环境下进行地层岩石孔隙结构与流体赋存状态的原位探测，是极端环境最典型的代表，几乎面对NMR科学仪器的全部难题。这种极端环境和对NMR仪器的独特要求，以及特殊的探测对象所提出的理论与工程问题，把NMR探测技术推向了新的高度。

本文所说的极端环境: 探头和谱仪的体积严格受限；仪器处于运动状态（纵向移动、径向振动、周向旋转，存在其中的一种或者多种运动）；低场、低信号强度、低信噪比；可能面临高温（>175℃）、高压（>140MPa）；要求单边测量，且观测对象十分复杂。

▲ 极端环境NMR科学仪器组成示意图

极端条件NMR科学仪器，首先要求探头和谱仪硬件足够紧凑，静磁场和射频场足够强大，能够深入到探测目标内部建立NMR条件；其次，要能够检测到来自敏感区域的微弱信号，能够在复杂运动条件下完成NMR快速测量，能够充分利用多维NMR技术，通过降噪和反演处理，识别或评价复杂样品的多种特性与特征。

井下极端环境NMR科学仪器是一个具有高度综合性和复杂性的仪器系统，面临NMR理论与脉冲序列、磁体与天线的材料及结构参数、谱仪电子线路、降噪理论与方法、数据反演处理与分析、资料解释与应用等多方面的挑战。

目前世界上只有少数几家著名石油服务公司具有井下极端环境NMR仪器的研发和制造能力。这些仪器的技术细节受到知识产权的高度保护，常常是公司的最高商业机密，很少有文字资料可以参考。笔者在国际上公开的专利资料和所在团队长期“理论探索积累”、“仪器设计制作”、“引进、吸收、集成、原创” 的基础上撰写而成《井下极端环境核磁共振科学仪器》一书，系统介绍了各种各样的核磁共振仪器，引出井下极端环境核磁共振科学仪器的基本问题及其研究历史和技术现状，提出总体设计思想和关键技术问题解决方案。在此基础上，围绕“探头”、“谱仪电子线路”、“软件”、“降噪” 四个核心技术内容展开详细而深入的讨论，每个部分都包括理论基础、设计思想、详细方案、研制过程、测试验证以及优化提升等各个关键环节，试图通过发展共性技术，提升NMR科学仪器水平，推动我国NMR相关领域原始创新。