基于脉冲梯度硬件结构的一维空间选层T2谱测试方法

摘要

本发明公开了基于脉冲梯度硬件结构的一维空间选层T2谱测试方法，在梯度线圈硬件上增加循环水冷模块，利用成像类的脉冲梯度硬件结构，实现长延时恒定梯度场输出，满足选层测试期间CPMG序列的采样需要，兼容核磁共振分析仪器的磁体平台。针对恒定梯度场选层测试的工作原理，设计适合脉冲梯度硬件结构的恒定梯度模式一维空间选层T2谱测试专用序列。本发明在现有核磁共振分析仪器平台基础上，充分融合了脉冲梯度编码方法、恒定梯度场编码方法各自的优势，针对性的增加和提高部分硬件模块功能实现了一维空间选层T2谱测试功能，既保持了恒定梯度场方法TE不受限制的优点，又保持了脉冲梯度场方法磁体平台结构简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及多孔介质材料实验测量领域，具体涉及一种基于脉冲梯度硬件结构的一维空间选层T

背景技术

近几年随着国内大部分油气田开发进入中后期，提高采收率(EOR)成为油气开发的重要工作。油气开发实验中的剩余油空间分布测量一直是EOR实验的重点和难点，填砂管、玻璃刻蚀等传统实验技术难以真实模拟储层渗流状态，给精细化研究提高采收率方案造成困难。进入二十一世纪以来，随着CT、NMR等成像技术在油气勘探开发领域中的应用和普及，为剩余油空间分布测量创造了有利条件。NMR技术因其快速、无损、无毒、只对含氢孔隙流体敏感等特点，已在石油勘探领域已经得到成熟应用，钻井现场的裸眼井测井、随钻测井、地层测试器、岩屑录井等有相应的NMR仪器；近几年，NMR技术在石油开发领域中的应用也越来越广泛。

和勘探领域测量样品整体NMR信号不同的是，EOR实验更需要NMR技术提供岩心的流体空间分布，核磁共振成像技术原理上能够满足该需求。对物体进行核磁共振成像，需要三维梯度定位系统，最常用的是三维正交梯度线圈，实现样品区域内的三维空间梯度编码。梯度场施加后，相对于坐标原点，空间位置

式中

附图1是3种常用核磁共振成像序列示意图：MSE序列在自旋回波(Spin Echo)序列基础上增加了三维梯度空间编码，实现了三维空间的定位成像。FSE序列用了类似CPMG序列的原理，一次激发采集多个后续回波信号，对每次的回波信号都做三维梯度空间编码，把多个回波信号累加提高信噪比，进而降低扫描次数实现快速扫描。GRE序列采用小角度激发，降低重复采样等待时间，缩短累加采样的总时长。因此，FSE、GRE序列一般比MSE序列成像速度快。

岩心等多孔介质，特别是致密类岩心，核磁属性典型特征是弛豫时间短、信号量低，给常用核磁共振成像序列的应用带来严重挑战。核磁共振成像技术起源于医学，测量对象是人体、小动物等中长弛豫时间、高含水体系，因此公式1中没有考虑梯度编码期间的弛豫衰减。针对中短弛豫时间的岩心样品，考虑梯度编码期间弛豫衰减的成像信号表达式如下：

附图1所示的常用成像序列的射频激发脉冲都是软脉冲，软脉冲的特点是频率域带宽小、选层特性好，缺点就是脉宽大，在ms量级。软脉冲成像序列，射频脉冲宽度，加上梯度编码时间(也是ms量级)，导致产生回波信号时的TE至少在5～10ms，导致岩心中小孔隙信号丢失严重。为减少短弛豫信号损失，必须缩短成像序列的回波间隔TE，因此出现了硬脉冲三维成像序列，如附图2所示。HMSE序列利用三维梯度空间编码实现成像的同时，发挥硬脉冲持续时间短(us量级)的巨大优势，将成像的TE缩短至2～3ms，保证了短弛豫信号的采集。

岩心成像除了对TE有更高要求外，SNR受限的影响更大。岩心成像参数：选层数量10层，每层像素点是100*100，假设孔隙流体在岩心内部均匀分布，则图像上每个像素点的信号是整体信号的十万分之一。岩心核磁共振信号本身就是微弱信号，再做三维成像分割，将导致成像像素点的SNR急剧下降。

综上所述，成像序列梯度编码时间占用回波时间，加上岩心样品中短弛豫时间、弱信号典型特征，导致常用的二维或三维核磁共振成像方法很难在致密岩心测试中达到理想效果。

为了弥补三维核磁共振成像方法在SNR方面的缺点，结合EOR实验更关注驱替方向上的剩余油变化，逐渐发展出只做一维选层，层内不再做二维扫描的一维空间选层测试方法：相对于三维核磁共振成像序列十万分之一的信号离散，几层～数十层的一维选层对信号的离散仍能够保证采样数据的SNR。按照一维空间选层方法的不同，可以分为三大类：频率编码方法，相位编码方法，恒定梯度编码方法。

频率编码一维空间选层T2测试序列如附图3所示：在90°和第一个180°脉冲之间进行频率编码，在后续回波信号采集时施加读频率编码梯度，因此每个回波包含所有频率(对应样品不同空间位置)的信号。因此，频率编码一维空间选层T

式中S(N·TE,t)是采样信号；TE是回波间隔，N是回波序号；z是选层方向，G是选层方向上的梯度值，t是梯度编码时间。

对每个回波信号S(N·TE,t)先做傅里叶逆变换，得到不同位置处的回波信号，所有回波信号组合得到不同位置处的回波衰减信号M(N·TE,z)，M(N·TE,z)用BRD等T

相位编码一维空间选层T

式中式中S(N·TE,m)是采样信号；TE是回波间隔，N是回波序号；z是选层方向，G

和频率编码方法的数据处理方法类似，也是先对采样信号S(N·TE,m)做傅里叶逆变换，得到不同位置处的回波衰减信号M(N·TE,z)，M(N·TE,z)用BRD等T

恒定梯度编码一维空间选层T

和频率编码、相位编码方法最大的区别：梯度编码在整个采样期间完成，因此回波采集一直使用最短TE采样；只有选中的频率位置会被激发采样，其他位置的样品处于待激发采样状态，因此变化位置采样不需要等待时间。因此，恒定梯度编码一维空间选层T

式中式中S(N·TE,z)是采样信号；TE是回波间隔，N是回波序号；z是选层方向。恒定梯度编码方式是选择性激发采样，直接对不用位置处的回波信号S(N·TE,z)反演即可得到一维空间选层T

从上述三种方法的基本工作原理可知，频率编码、相位编码本质上仍是核磁共振医学成像类的技术，虽然一维梯度编码相比于三维梯度编码的时间短，但是梯度编码依旧占用回波时间，对短弛豫信号采集不利。恒定梯度编码方法类似核磁共振测井仪的多频测量技术，利用主磁场是梯度型磁场的特点，实现选层(变化激发频率)激发采样，因此梯度编码不占用回波时间，最小TE采样充分保证短弛豫信号的采集。成像类的一维选层T

表1三种一维空间选层T

综上所述，成熟的一维选层T

发明内容

本发明目的是：提供一种基于脉冲梯度硬件结构的一维空间选层T

本发明的技术方案是：

基于脉冲梯度硬件结构的一维空间选层T

(1)使用分析仪器常用的均匀磁场作为主磁场B0，选用成像梯度线圈硬件结构施加梯度场，在CPMG序列回波采样期间施加幅度不变的梯度实现选层功能；

(2)测量不同位置信号通过切换射频激发频率，和该位置恒定梯度场下的共振频率相同，实现层位选择；

(3)在梯度线圈硬件上增加循环水冷模块，通过模块中的制冷设备将梯度线圈产生的热量带走，使其在CPMG回波采样期间保持恒定的梯度输出，且持续时间至少保持在1～2s，达到保护梯度硬件不被烧坏的目的；

(4)选用高功率功放电源，同时通过累加采样时的等待时间TW来控制梯度功放电源输出占空比，保证给梯度线圈供电的功放电源能够持续输出1～2s，达到保护功放电源不过载的目的。

优选的，步骤(3)中在梯度线圈硬件上增加循环水冷模块，利用成像类的脉冲梯度硬件结构，增加循环水冷模块，实现长延时恒定梯度场输出，满足选层测试期间CPMG序列的采样需要，兼容核磁共振分析仪器的磁体平台。

优选的，针对恒定梯度场选层测试的工作原理，设计适合脉冲梯度硬件结构的恒定梯度模式一维空间选层T

优选的，还设计了基于均匀水膜样品测试提前获取核磁共振信号校正常数的方法，解决实际样品测试时，恒定梯度场模式下射频线圈发射、接收中心频率和射频线圈S11曲线谐振点不严格相等造成的核磁信号不一致问题，保证一维空间选层T

优选的，所述的一维空间选层T

式中式中S(N·TE,z)是采样信号；TE是回波间隔，N是回波序号；z是选层方向；恒定梯度编码方式是选择性激发采样，直接对不用位置处的回波信号S(N·TE,z)反演即可得到一维空间选层T

优选的，所述的一维空间选层T

本发明的优点是：

本发明在现有核磁共振分析仪器平台基础上，充分融合了脉冲梯度编码方法、恒定梯度场编码方法各自的优势，针对性的增加和提高部分硬件模块功能实现了一维空间选层T

表2本发明提供方法和传统方法的技术对比

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1三种常用核磁共振成像序列；

图2硬脉冲多层自旋回波(HMSE)成像序列；

图3频率编码一维选层T2测试序列；

图4相位编码一维选层T2测试序列；

图5恒定梯度编码一维选层T2测试序列；

图6基于脉冲梯度硬件结构的恒定梯度一维空间选层T2谱测试技术；

图7不同样品的fid及其对应的频谱曲线；

图8多孔介质中局部内部梯度方向示意图；

图9硬脉冲及其对应的频谱曲线；

图10射频线圈S11曲线；

图11射频激发频率、带宽与样品拉莫尔频率、带宽对应关系对测量的影响；

图12恒定梯度场下选层测试信号校正方法示意图；

图13三种一维空间选层T2测试方法正反演数值模拟研究流程图；

图14f(T2,z)构造模型及内部梯度场模型；

图15三种方法对应的f(T2,z)反演谱；

图16三种方法对应的T2谱相对误差及T2下限值；

图17不同弛豫时间均匀水膜三种方法的实测结果。

具体实施方式

本发明具体的实施方式如下。

实现核磁共振的选层功能需要了解“共振”的定义和对测量的影响等基础概念。核磁共振中的“共振”指的是在频率域内，当射频线圈的激发频率等于样品中的质子拉莫尔频率时，样品中的质子会发生共振并吸收射频能量，在射频场撤销后，吸收了射频能量后的高能态质子会弛豫衰减释放能量回到低能态，质子这种弛豫衰减释能过程的快慢受到质子所处环境的影响，因此把质子弛豫衰减释能过程通过射频线圈接收并记录下来，得到弛豫衰减曲线，弛豫衰减曲线经过数学反演得到反映质子所处环境特征的T

因此，射频激发频率和拉莫尔频率的匹配性会直接影响射频能量的吸收效率，进而影响核磁数据SNR。质子的拉莫尔频率：

f＝γB

B0是仪器的磁场强度，虽然主磁场的表述经常是均匀场，但是绝对均匀的磁场(即△B0＝0)是做不到的，只是磁场的不均匀性可以做到很小，因此磁体指标里都有磁场均匀性指标(在磁体中心一定空间范围内，最大磁场强度和最小磁场强度的差与平均磁场强度的比值，这个空间范围就是磁场均匀区)。比如低场核磁共振磁体的磁场均匀性一般在30～100ppm范围内，ppm指百万分之一。由于主磁场的不均匀，样品里的质子拉莫尔频率是有带宽的；同时由于多孔介质样品内部梯度G0的影响，也会叠加到样品的拉莫尔频率上去，进一步增大样品拉莫尔频率带宽。因此，主磁场中，多孔介质的拉莫尔频率如下式：

f＝γ(B

多孔介质的内部梯度G0和固体骨架中的铁磁性物质的含量有关，因此顺磁性物质含量越高的样品，G0越大，样品的拉莫尔频率带宽也越大。核磁共振的自由衰减曲线fid可以反映样品的频率带宽，如附图7所示：从附图7可知，不同样品中的质子虽然都在主磁场B0下，但是共振频率带宽是有差异的。纯水里没有固体骨架，所以没有内部梯度G0，因此纯水的频谱曲线能够反映主磁场B0的均匀性。频率带宽一般用半高宽(震幅峰值的一半对应的频率差)表示，如图中水平红色虚线双箭头所示。附图7的仪器主磁场强度B0＝12MHz，纯水的频率带宽是0.6kHz左右，因此该磁体的均匀度＝1000*0.6/12＝50ppm。多孔介质的频率带宽都是大于主磁场的频率带宽的，而且多孔介质的频率带宽与其铁磁性物质含量(准确的讲应该是样品的综合磁化率)成正比。

从附图7可知，铁磁性物质很少的纯净岩心，频率带宽只比主磁场的频率带宽稍大。虽然铁磁性物质的含量越高，对应的频率带宽越大，但是多孔介质的频率带宽是有上限的。这是因为常见的多孔介质材料(特别是天然的多孔介质材料)，非固态质子所处的孔隙在多孔介质中的空间分布是杂乱的，顺磁性物质在骨架中的分布也是不均匀的，所以多孔介质的内部磁场梯度G0(固体骨架与孔隙流体的磁化率不同)很难在孔隙空间内定向累加到很大数值，除非强铁磁性矿物在局部孔隙周围富集，如附图8所示。只有人工合成的稀土材料永磁体能够在间隙区形成强磁场，虽然稀土材料也是从地球矿产中的岩石中提取出来的，但是自然状态下铁磁性矿物的纯度和结构所能产生的磁场强度和人造永磁体的磁场强度相比，要小好几个数量级。

除了多孔介质样品的共振频率带宽，还有射频的激发、接收带宽也会影响核磁共振测量。决定射频激发带宽的两个主要因素是：1、射频脉冲的类型及时间参数；2、射频线圈收发能量的频率特征(S11回波损耗曲线)。

多孔介质核磁共振测试最常用的射频脉冲是硬脉冲，时间域是一个矩形方波，在频率域也是有频率带宽的，如附图9所示。频率域和时间域是倒数关系，所以脉宽越小的脉冲，频率带宽越大。一般低场核磁共振仪器的硬脉冲脉宽在几us～几十us，因此其带宽在几十kHz～几百kHz之间。射频脉冲对应的频率就是频率发生器的发射主频+脉宽对应的频率带宽(附图9中没有标注发射主频，只显示了脉宽对应的频带)。与样品共振频率的带宽类似，硬脉冲对应的频率带宽常用脉宽倒数近似计算。

从附图7、图9可知，硬脉冲的激发频率带宽一般比多孔介质样品共振频率带宽大1到2个数量级，这个条件只是保证射频源提供的能量的频率范围能够充分覆盖多孔介质样品共振吸收能量的频率范围。射频能量能否高效的传递给样品，样品弛豫衰减过程中释放的能量如何采集并记录，这两个过程涉及到核磁共振的关键部件，射频线圈。

螺线管线圈是低场核磁共振仪器最常采用的射频线圈，其最大特征就是自发自收，在射频脉冲激发期间负责发射传递射频能量，回波采样期间则负责感应接收样品的弛豫衰减信号。自发自收射频线圈能量发射和接收性能的评价参数是S11回波损耗曲线，如附图10所示。

S11的定义如下：

因此，S11代表了射频发射射频能量的效率，S11越小，射频脉冲能量进入样品的能量越多，对应的核磁信号量也就越大。因为是自发自收线圈，核磁信号接收过程中，S11代表了射频线圈感应样品能量的效率，S11越小，线圈接收到样品弛豫衰减的能量越多，核磁信号越大。

S11极小值点对应的频率通常称为线圈的谐振频率或谐振点。从S11的定义可知，射频发射和接收能量的效率在S11极小值点对应的频率上最高，其他频率处的效率都比S11极小值点处低。一般的发射和接收电路中，通常定义-3dB为系统的有效工作频率范围，其定义是反射功率是输入功率一半时对应的频率带宽，如下式。因此附图9所示的射频线圈的-3dB带宽在35kHz左右。

从能量高效激发和接收的角度看，频率域中，核磁共振理想的测试条件是：1、样品拉莫尔频率的中心频率f

上述三个条件中，最关键的是条件2，因为只要射频的激发带宽能够覆盖样品的拉莫尔频率带宽，f

通过调频能够把f

为了保证核磁共振信号的一致性，同时避免引入射频线圈调谐电路(结构复杂，响应速度慢，会影响测试速度)带来的问题，本发明设计了一种核磁信号校正方法，该方法的示意图如附图12所示：使用一个均匀水膜(长度方向上每个位置处的含氢物质的质量相同)进行一维空间选层T

为了应对不同物性条件岩心的驱替实验测试，更关注的是不同方法对短弛豫信号的识别能力，特别是油田现场开发面临储层致密化的趋势。为直接对比不同方法对短弛豫信号的测量能力，使用数值模拟技术量化不同一维空间选层T

为遍历不同孔隙大小对应的T

储层岩石骨架中含有顺磁性物质或铁磁性物质时，岩石骨架与孔隙流体的磁化率有明显差异，在外部磁场条件下这种磁化率差异将在孔隙空间中形成附加磁场梯度，称为内部梯度场。内部梯度场会通过扩散弛豫加速孔隙流体的T

式中，μ

式中，σ为内部梯度强度因子，在仪器主磁场强度B

考虑内部梯度场的影响，分别推导出频率编码、相位编码、本发明提供方法对应的一维空间选层T

式中，TE

公式15的响应信号处理过程和前述过程一样，频率编码、相位编码方法的正演响应信号先做傅里叶逆变换再做T

利用附图14的构造模型和公式15的正演响应数学模型进行数值模拟，重要参数赋值：TE

为了验证该方法的实际应用效果，制作了三种T

综上，通过理论及实践测试，均证实了本发明提供的基于脉冲梯度硬件结构的恒定梯度一维空间选层T

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的技术方法及实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明的保护范围。