描述
开 本: 16开包 装: 圆脊精装国际标准书号ISBN: 9787030471482丛书名: 中国石油大学（北京）学术专著系列
编辑推荐
《井下**环境核磁共振科学仪器》是作者科研团队多年从事井下核磁共振理论探索和仪器研制工作的总结，可供从事核磁共振，特别是**环境核磁共振领域中理论、方法、仪器和应用方面的化学工作者、物理工作者、地球科学工作者、石油工程师、井下地球物理探测工程技术人员及其他相关学科的科研人员参考。
内容简介
《井下**环境核磁共振科学仪器》首先系统介绍了各种各样的核磁共振仪器，引出井下**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，然后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。
目 录
目录
丛书序
序
前言
绪论1
0.1各种各样的NMR仪器1
0.2井下**环境NMR科学仪器的基本问题4
0.3研究历史与技术现状9
0.3.1探头9
0.3.2谱仪10
0.3.3低信噪比NMR信号提取11
0.3.4脉冲序列12
0.3.5反演理论13
0.4总体设计思想与关键问题解决方案14
0.4.1探头14
0.4.2谱仪15
0.4.3低信噪比NMR信号提取16
0.4.4脉冲序列17
0.4.5反演理论18
0.5本书的结构18
参考文献18
**部分探头
第1章探头概述21
1.1地磁场井下NMR仪器22
1.2“Inside-out”井下NMR仪器25
1.3MRIL-P26
1.4CMR27
1.5MREx28
1.6MR Scanner28
第2章探头设计的数值方法31
2.1设计原理与数学方法31
2.1.1设计原理31
2.1.2电磁场反问题求解33
2.1.3电磁场正问题求解35
2.2探测特性评价37
2.3磁性材料40
2.4探头特性的数值模拟42
2.4.1居中型梯度磁场NMR探头42
2.4.2贴井壁型均匀磁场NMR探头47
2.4.3贴井壁型梯度磁场NMR51
2.4.4仪器探测特性58
第3章探头设计60
3.1结构设计61
3.1.1总体方案设计61
3.1.2磁体结构、材料选取与磁场特性分析61
3.1.3数值模拟过程中的误差分析72
3.1.4天线结构与磁场特性分析76
3.2探头敏感区域数值模拟、信号强度和信噪比86
3.2.1敏感区域形状和范围数值模拟86
3.2.2信号强度87
3.2.3信噪比88
3.3测井速度对仪器结构的影响89
3.3.1测井速度与预极化磁体89
3.3.2测井速度与天线长度93
3.4测井速度对测井响应的影响95
第4章探头制作与测试97
4.1探头实物97
4.2磁场测试结果与数值模拟对比98
4.2.1静磁场98
4.2.2天线谐振电路结构选取与实测结果分析100
4.3联合测试与分析103
4.3.1刻度桶测试条件103
4.3.2多频测试104
4.3.3变TW测试105
4.3.4变TE测试106
4.4改进方向107
第5章简化探头方案设计、架构与测试109
5.1总体方案设计109
5.1.1磁体结构109
5.1.2静磁场数值模拟110
5.1.3天线结构与射频磁场数值模拟113
5.2敏感区域、信号强度和信噪比119
5.3制作与装配121
5.4磁场测试与分析122
5.5天线参数测试与分析124
5.6联合测试与分析127
第6章振铃噪声的消除方法131
6.1振铃噪声的观测131
6.1.1测试系统131
6.1.290°脉冲振铃噪声观测132
6.1.3180°脉冲振铃噪声观测133
6.2NMR测井振铃噪声的消除135
6.2.1PAPS对180°脉冲振铃噪声的消除135
6.2.2新脉冲序列设计136
第7章井下NMR响应的校正143
7.1地层模型的建立与NMR影响因素分析143
7.1.1钻井液电阻率与地层电阻率对NMR测井仪射频场的影响144
7.1.2钻井液和地层流体中钠离子对NMR孔隙度的影响145
7.2数值模拟结果与井下NMR响应校正方法146
7.2.1居中型NMR测井仪146
7.2.2贴井壁型NMR测井仪148
7.2.3钻井液与地层电阻率影响校正方法150
7.2.4钠离子影响机理分析与校正方法151
第8章结论154
参考文献155
第二部分谱仪电子线路
第9章谱仪概述165
9.1研发意义165
9.2**环境NMR仪器电子成路165
9.2.1探测器165
9.2.2电子线路167
第10章现有谱仪电子线路分析170
10.1MRIL-P电子线路171
10.2MREx电子线路175
10.3CMR电子线路179
10.4MRScanner电子线路183
第11章总体设计190
11.1发射电路192
11.2Q-转换电路192
11.3隔离电路193
11.4接收电路194
11.5主控电路194
第12章详细设计195
12.1发射电路195
12.1.1功率放大电路195
12.1.2功率放大驱动电路201
12.1.3储能电路206
12.2Q-转换电路207
12.3隔离电路213
12.4接收电路222
12.4.1仪用放大电路225
12.4.2程控衰减电路228
12.4.3带通滤波电路229
12.5主控电路232
12.5.1主控电路硬件232
12.5.2主控电路软件236
12.6天线调谐电路246
2.7继电器驱动电路246
12.8电源电路247
12.9小结248
第13章制作与测试249
13.1发射电路249
13.1.1功率放大驱动电路249
13.1.2功率放大电路249
13.1.3储能电路254
13.2Q-转换电路255
13.3隔离电路258
13.4接收电路261
13.5主控电路264
13.6天线调谐电路273
13.7继电器驱动电路274
13.8电源电路277
13.9样机测试278
13.10天线测试283
参考文献285
第三部分软件
第14章软件概述291
14.1概述291
14.2方法研究进展292
14.3研究内容295
14.4技术路线296
第15章数据处理软件297
15.1NMR数据处理软件基本功能297
15.1.1数据输入297
15.1.2NMR数据处理297
15.1.3处理成果输出298
15.1.4NMR测井数据处理流程和基本功能298
15.2数据输入299
15.2.1NMR测井数据特殊性299
15.2.2CLS格式300
15.2.3XTF格式301
15.2.4DLIS格式303
15.3数据处理流程304
15.3.1MRIL-Prime数据处理流程305
15.3.2MREx数据处理流程306
15.3.3MRScanner数据处理流程308
15.4成果输出309
15.4.1数据格式转换309
15.4.2成果图绘制309
15.5二次开发接口310
第16章数据处理方法312
16.1采集模式312
16.1.1MRIL-Prime脉冲序列312
16.1.2MREx脉冲序列313
16.1.3MRScanner脉冲序列314
16.2预处理315
16.2.1回波串识别315
16.2.2原始回波串数据校正317
16.2.3回波串信号和噪声计算318
16.2.4时深转换320
16.3流体识别320
16.3.1油气水在T1－T2int－D三维空间中的分布320
16.3.2理论基础320
16.3.3基于1种属性差异的流体识别325
16.3.4基于1.5种属性差异的流体识别326
16.3.5基于多种属性差异的流体识别327
16.4岩石物理参数计算329
16.4.1孔隙度329
16.4.2渗透率330
16.4.3伪毛管压力曲线转换330
第17章软件设计与数值模拟332
17.1软件总体框架332
17.2数据输入332
17.2.1CLS格式读取333
17.2.2XTF格式读取333
17.2.3DLIS格式读取335
17.2.4MAT格式335
17.3井下NMR数据处理336
17.3.1井下NMR数据处理框架336
17.3.2预处理337
17.3.3数据仪器无关化处理339
17.3.4反演处理框架339
17.3.5反演处理速度优化340
17.3.6流体定性识别和饱和度计算348
17.3.7岩石物理参数计算349
17.4成果输出350
17.4.1成果数据输出350
17.4.2成果图输出350
17.5二次开发接口351
第18章处理软件实现与测试353
18.1软件开发工具353
18.2软件界面及主要功能354
18.3数据管理356
18.4数据处理356
18.4.1预处理358
18.4.2反演处理359
18.4.3流体饱和度计算362
18.4.4岩石物理参数计算367
18.5图形绘制368
18.6二次开发工具/接口368
第19章软件应用实例370
19.1MRIL-Prime数据处理370
19.1.1数据采集模式370
19.1.2数据处理374
19.1.3应用实例374
19.2MREx数据处理377
19.3MRScanner数据处理378
第20章结论379
参考文献380
第四部分降噪
第21章降噪概述391
21.1NMR信噪比391
21.2相关降噪方法398
21.3研究内容及技术路线402
第22章自适应谱线增强降噪(回波检测前)406
22.1NMR测井的信号强度406
22.2自适应谱线增强原理412
22.2.1自适应滤波412
22.2.2自适应谱线增强413
22.2.3自适应算法414
22.2.4自适应滤波器结构416
22.3PC-ALE原理417
22.3.1ALE算法选取417
22.3.2相位补偿419
22.4PC-ALE数值模拟421
22.5PC-ALE回波降噪实验424
22.5.1流体测量降噪424
22.5.2岩心测量降噪426
22.6小结433
第23章基于DPSD的降噪(回波检测中)435
1.21微弱信号检测方法435
23.2DPSD原理436
23.2.1DPSD的数学原理437
23.2.2数字低通滤波器在DPSD方法中的作用438
23.3数字低通滤波器设计439
23.3.1数字滤波器简介439
23.3.2窗函数设计法440
23.4数字滤波器窗函数441
23.5DPSD方法数值模拟444
23.6实验结果分析447
23.6.1实验设备447
23.6.2实验设计与结果448
23.7小结449
第24章小波变换降噪(回波检测后)450
24.1小波变换原理450
24.1.1连续小波变换和离散小波变换450
24.1.2小波分解与重构451
24.1.3小波变换降噪454
24.2SURE降噪方法454
24.2.1SURE算法原理454
24.2
丛书序
序
前言
绪论1
0.1各种各样的NMR仪器1
0.2井下**环境NMR科学仪器的基本问题4
0.3研究历史与技术现状9
0.3.1探头9
0.3.2谱仪10
0.3.3低信噪比NMR信号提取11
0.3.4脉冲序列12
0.3.5反演理论13
0.4总体设计思想与关键问题解决方案14
0.4.1探头14
0.4.2谱仪15
0.4.3低信噪比NMR信号提取16
0.4.4脉冲序列17
0.4.5反演理论18
0.5本书的结构18
参考文献18
**部分探头
第1章探头概述21
1.1地磁场井下NMR仪器22
1.2“Inside-out”井下NMR仪器25
1.3MRIL-P26
1.4CMR27
1.5MREx28
1.6MR Scanner28
第2章探头设计的数值方法31
2.1设计原理与数学方法31
2.1.1设计原理31
2.1.2电磁场反问题求解33
2.1.3电磁场正问题求解35
2.2探测特性评价37
2.3磁性材料40
2.4探头特性的数值模拟42
2.4.1居中型梯度磁场NMR探头42
2.4.2贴井壁型均匀磁场NMR探头47
2.4.3贴井壁型梯度磁场NMR51
2.4.4仪器探测特性58
第3章探头设计60
3.1结构设计61
3.1.1总体方案设计61
3.1.2磁体结构、材料选取与磁场特性分析61
3.1.3数值模拟过程中的误差分析72
3.1.4天线结构与磁场特性分析76
3.2探头敏感区域数值模拟、信号强度和信噪比86
3.2.1敏感区域形状和范围数值模拟86
3.2.2信号强度87
3.2.3信噪比88
3.3测井速度对仪器结构的影响89
3.3.1测井速度与预极化磁体89
3.3.2测井速度与天线长度93
3.4测井速度对测井响应的影响95
第4章探头制作与测试97
4.1探头实物97
4.2磁场测试结果与数值模拟对比98
4.2.1静磁场98
4.2.2天线谐振电路结构选取与实测结果分析100
4.3联合测试与分析103
4.3.1刻度桶测试条件103
4.3.2多频测试104
4.3.3变TW测试105
4.3.4变TE测试106
4.4改进方向107
第5章简化探头方案设计、架构与测试109
5.1总体方案设计109
5.1.1磁体结构109
5.1.2静磁场数值模拟110
5.1.3天线结构与射频磁场数值模拟113
5.2敏感区域、信号强度和信噪比119
5.3制作与装配121
5.4磁场测试与分析122
5.5天线参数测试与分析124
5.6联合测试与分析127
第6章振铃噪声的消除方法131
6.1振铃噪声的观测131
6.1.1测试系统131
6.1.290°脉冲振铃噪声观测132
6.1.3180°脉冲振铃噪声观测133
6.2NMR测井振铃噪声的消除135
6.2.1PAPS对180°脉冲振铃噪声的消除135
6.2.2新脉冲序列设计136
第7章井下NMR响应的校正143
7.1地层模型的建立与NMR影响因素分析143
7.1.1钻井液电阻率与地层电阻率对NMR测井仪射频场的影响144
7.1.2钻井液和地层流体中钠离子对NMR孔隙度的影响145
7.2数值模拟结果与井下NMR响应校正方法146
7.2.1居中型NMR测井仪146
7.2.2贴井壁型NMR测井仪148
7.2.3钻井液与地层电阻率影响校正方法150
7.2.4钠离子影响机理分析与校正方法151
第8章结论154
参考文献155
第二部分谱仪电子线路
第9章谱仪概述165
9.1研发意义165
9.2**环境NMR仪器电子成路165
9.2.1探测器165
9.2.2电子线路167
第10章现有谱仪电子线路分析170
10.1MRIL-P电子线路171
10.2MREx电子线路175
10.3CMR电子线路179
10.4MRScanner电子线路183
第11章总体设计190
11.1发射电路192
11.2Q-转换电路192
11.3隔离电路193
11.4接收电路194
11.5主控电路194
第12章详细设计195
12.1发射电路195
12.1.1功率放大电路195
12.1.2功率放大驱动电路201
12.1.3储能电路206
12.2Q-转换电路207
12.3隔离电路213
12.4接收电路222
12.4.1仪用放大电路225
12.4.2程控衰减电路228
12.4.3带通滤波电路229
12.5主控电路232
12.5.1主控电路硬件232
12.5.2主控电路软件236
12.6天线调谐电路246
2.7继电器驱动电路246
12.8电源电路247
12.9小结248
第13章制作与测试249
13.1发射电路249
13.1.1功率放大驱动电路249
13.1.2功率放大电路249
13.1.3储能电路254
13.2Q-转换电路255
13.3隔离电路258
13.4接收电路261
13.5主控电路264
13.6天线调谐电路273
13.7继电器驱动电路274
13.8电源电路277
13.9样机测试278
13.10天线测试283
参考文献285
第三部分软件
第14章软件概述291
14.1概述291
14.2方法研究进展292
14.3研究内容295
14.4技术路线296
第15章数据处理软件297
15.1NMR数据处理软件基本功能297
15.1.1数据输入297
15.1.2NMR数据处理297
15.1.3处理成果输出298
15.1.4NMR测井数据处理流程和基本功能298
15.2数据输入299
15.2.1NMR测井数据特殊性299
15.2.2CLS格式300
15.2.3XTF格式301
15.2.4DLIS格式303
15.3数据处理流程304
15.3.1MRIL-Prime数据处理流程305
15.3.2MREx数据处理流程306
15.3.3MRScanner数据处理流程308
15.4成果输出309
15.4.1数据格式转换309
15.4.2成果图绘制309
15.5二次开发接口310
第16章数据处理方法312
16.1采集模式312
16.1.1MRIL-Prime脉冲序列312
16.1.2MREx脉冲序列313
16.1.3MRScanner脉冲序列314
16.2预处理315
16.2.1回波串识别315
16.2.2原始回波串数据校正317
16.2.3回波串信号和噪声计算318
16.2.4时深转换320
16.3流体识别320
16.3.1油气水在T1－T2int－D三维空间中的分布320
16.3.2理论基础320
16.3.3基于1种属性差异的流体识别325
16.3.4基于1.5种属性差异的流体识别326
16.3.5基于多种属性差异的流体识别327
16.4岩石物理参数计算329
16.4.1孔隙度329
16.4.2渗透率330
16.4.3伪毛管压力曲线转换330
第17章软件设计与数值模拟332
17.1软件总体框架332
17.2数据输入332
17.2.1CLS格式读取333
17.2.2XTF格式读取333
17.2.3DLIS格式读取335
17.2.4MAT格式335
17.3井下NMR数据处理336
17.3.1井下NMR数据处理框架336
17.3.2预处理337
17.3.3数据仪器无关化处理339
17.3.4反演处理框架339
17.3.5反演处理速度优化340
17.3.6流体定性识别和饱和度计算348
17.3.7岩石物理参数计算349
17.4成果输出350
17.4.1成果数据输出350
17.4.2成果图输出350
17.5二次开发接口351
第18章处理软件实现与测试353
18.1软件开发工具353
18.2软件界面及主要功能354
18.3数据管理356
18.4数据处理356
18.4.1预处理358
18.4.2反演处理359
18.4.3流体饱和度计算362
18.4.4岩石物理参数计算367
18.5图形绘制368
18.6二次开发工具/接口368
第19章软件应用实例370
19.1MRIL-Prime数据处理370
19.1.1数据采集模式370
19.1.2数据处理374
19.1.3应用实例374
19.2MREx数据处理377
19.3MRScanner数据处理378
第20章结论379
参考文献380
第四部分降噪
第21章降噪概述391
21.1NMR信噪比391
21.2相关降噪方法398
21.3研究内容及技术路线402
第22章自适应谱线增强降噪(回波检测前)406
22.1NMR测井的信号强度406
22.2自适应谱线增强原理412
22.2.1自适应滤波412
22.2.2自适应谱线增强413
22.2.3自适应算法414
22.2.4自适应滤波器结构416
22.3PC-ALE原理417
22.3.1ALE算法选取417
22.3.2相位补偿419
22.4PC-ALE数值模拟421
22.5PC-ALE回波降噪实验424
22.5.1流体测量降噪424
22.5.2岩心测量降噪426
22.6小结433
第23章基于DPSD的降噪(回波检测中)435
1.21微弱信号检测方法435
23.2DPSD原理436
23.2.1DPSD的数学原理437
23.2.2数字低通滤波器在DPSD方法中的作用438
23.3数字低通滤波器设计439
23.3.1数字滤波器简介439
23.3.2窗函数设计法440
23.4数字滤波器窗函数441
23.5DPSD方法数值模拟444
23.6实验结果分析447
23.6.1实验设备447
23.6.2实验设计与结果448
23.7小结449
第24章小波变换降噪(回波检测后)450
24.1小波变换原理450
24.1.1连续小波变换和离散小波变换450
24.1.2小波分解与重构451
24.1.3小波变换降噪454
24.2SURE降噪方法454
24.2.1SURE算法原理454
24.2
前 言
序言
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绪论
0.1各种各样的NMR仪器
核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)自1946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，如图0.1所示。
图0.1NMR领域六位诺贝尔奖得主
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(图0.2~图0.5)。
图0.2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
图0.3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
图0.4Jasper 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1986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
图0.5Jackson方案在医学中也具有良好的应用前景
0.2井下**环境NMR科学仪器的基本问题
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**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**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**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**环境*典型的代表，几乎面对NMR科学仪器的全部难题。这种**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。
本书所说的**环境是指: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。
这些环境特征，在井下原位NMR探测时必然会全部遇到，而在其他情况下可能会部分遇到，因而**环境是NMR科学仪器的共性问题，具有普遍意义。**环境NMR科学仪器的设计与制作涉及的关键科学问题的解决，有助于NMR科学仪器整体水平的提升；仪器的实现又将使应用领域的科学难题得到有效解决，从而促使仪器的规模化应用。
目前世界上只有少数几家著名石油服务公司具有井下**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**商业机密，很少有文字资料可以参考。本书在国际上公开的专利资料和作者团队长期“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。对这类仪器所面临的科学、技术及工程问题进行梳理，将不同领域应用的NMR仪器关键共性技术进行比对，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。
**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。
概括起来，**环境NMR科学仪器基本组成如图0.6所示，面临的关键问题有①NMR探头；②NMR谱仪；③低信噪比NMR信号提取；④运动状态快速探测的NMR脉冲序列；⑤NMR数据反演的新理论与新方法。后续讨论以此为基础展开。
1.探头
NMR探头设计是一个电磁场问题，同时也包含结构优化与材料优选。**环境NMR探测极富挑战性，它以地下数千米深处地层复杂孔隙流体中的氢核为探测和研究对象，探测环境多变，对仪器的可靠性、重复性、时效性等提出了苛刻要求。探头结构复杂，工艺要求高，是**环境NMR科学仪器的核心部件和发展标志(图0.7)。
图0.6**环境NMR科学仪器组成示意图
0.1各种各样的NMR仪器
核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)自1946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，如图0.1所示。
图0.1NMR领域六位诺贝尔奖得主
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(图0.2~图0.5)。
图0.2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
图0.3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
图0.4Jasper 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1986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
图0.5Jackson方案在医学中也具有良好的应用前景
0.2井下**环境NMR科学仪器的基本问题
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**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**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**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**环境*典型的代表，几乎面对NMR科学仪器的全部难题。这种**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。
本书所说的**环境是指: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。
这些环境特征，在井下原位NMR探测时必然会全部遇到，而在其他情况下可能会部分遇到，因而**环境是NMR科学仪器的共性问题，具有普遍意义。**环境NMR科学仪器的设计与制作涉及的关键科学问题的解决，有助于NMR科学仪器整体水平的提升；仪器的实现又将使应用领域的科学难题得到有效解决，从而促使仪器的规模化应用。
目前世界上只有少数几家著名石油服务公司具有井下**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**商业机密，很少有文字资料可以参考。本书在国际上公开的专利资料和作者团队长期“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。对这类仪器所面临的科学、技术及工程问题进行梳理，将不同领域应用的NMR仪器关键共性技术进行比对，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。
**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。
概括起来，**环境NMR科学仪器基本组成如图0.6所示，面临的关键问题有①NMR探头；②NMR谱仪；③低信噪比NMR信号提取；④运动状态快速探测的NMR脉冲序列；⑤NMR数据反演的新理论与新方法。后续讨论以此为基础展开。
1.探头
NMR探头设计是一个电磁场问题，同时也包含结构优化与材料优选。**环境NMR探测极富挑战性，它以地下数千米深处地层复杂孔隙流体中的氢核为探测和研究对象，探测环境多变，对仪器的可靠性、重复性、时效性等提出了苛刻要求。探头结构复杂，工艺要求高，是**环境NMR科学仪器的核心部件和发展标志(图0.7)。
图0.6**环境NMR科学仪器组成示意图
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