一种评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法与流程

本发明涉及多孔介质测量技术领域，具体涉及一种评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法。

背景技术：

多孔介质，是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙所构成的物质，多空介质内的微小孔隙可能是互相连通的，也可能是部分连通的、部分不连通的。按照成因分，多孔介质可分为天然多孔介质和人造多孔介质。岩石，是天然形成的一种多孔介质材料，其内部存在大量不规则、多尺度的微观孔隙，这些微孔孔隙与岩石的物理性质、化学性质、孔隙结构以及岩石中流体的渗流特征都有密切的联系。由于岩石中蕴含丰富的矿产资源，因此，研究和掌握典型岩石的孔隙结构和渗流特征对于制定合理的开采方案及资源的有效开发利用有着实际的指导性作用。

在多孔介质微观孔隙结构和渗流特征的应用研究方面，通过核磁共振技术可以测得岩石等多孔介质的孔隙度、孔径分布、以及渗透率、油水饱和度、润湿性等多种参数，并且已经在裂缝识别、岩石内部流体的渗流特征等方面开展了一定的试验和研究。更重要的是，核磁共振技术可以很好的将流体与多孔介质骨架分开来，取得传统测量手段得不到的岩芯内部流体分布的直观信息以及驱替过程中流体的分布状态，是一种能够提供多孔介质微观结构及其内部流体分布状态的先进检测技术，其与传统研究方法相比具有其独特优势，然而当岩芯中存在顺磁物质时会导致多孔介质产生内部磁场梯度，影响核磁共振测量结果的准确性。这是因为，内部磁场梯度会引起核磁共振扩散弛豫，增强横向弛豫速率，对核磁共振横向弛豫t2测量产生不可忽视的作用；另外，内部磁场梯度存在还会导致核磁共振信噪比下降，图像出现畸变、伪影等，甚至导致图像完全无法使用。

技术实现要素：

在没有内部磁场梯度时，一维t2谱测试多孔介质的t2响应方程如下：

存在内部梯度时，多孔介质的t2响应方程如下：

由于一维t2谱数据反演时，无法考虑内部磁场梯度的影响，因此反演采用的模型是公式(1)，即没有内部磁场梯度弛豫项的贡献，因此实际样品中内部磁场梯度引起的扩散弛豫和表面弛豫项耦合在一起，也即反演谱的t2弛豫时间不仅仅体现表面弛豫，还有扩散弛豫项的贡献。

为了研究内部磁场梯度影响的大小，本发明人进行如下计算：以t2单峰模型为研究对象，横向表面弛豫时间t2s从小变大过程中，固定回波间隔te，将不同内部磁场梯度g0对应的横向扩散弛豫时间t2d耦合得到t2时间，如图1所示；t2s从小变大过程中，固定g0，将不同te对应的t2d耦合得到t2时间，如图2所示。从图1和图2可知，内部磁场梯度g0引起的扩散弛豫项t2d有两个影响因素，g0的大小(内因)和te的大小(外因)。

当：

t2s<<t2d时，t2≈t2s＜t2d，内部磁场梯度引起的扩散弛豫可以忽略；

t2s逐渐接近t2d时，t2＜t2s＜t2d，内部磁场梯度引起的扩散弛豫贡献逐渐增大，开始起作用；

t2s＞t2d时，t2≤t2d＜t2s，内部磁场梯度引起的扩散弛豫的贡献慢慢超过表面弛豫。

从t2测试的回波曲线上看，g0越大，t2d越显著的情况下，cpmg序列测试的衰减曲线的衰减速率越大，如图3所示，因此相同te下，g0越大，核磁信号幅度越小；特别是首波幅度，对cpmg序列的信噪比snr影响很大。g0越大、te越大，首波幅度越小，snr越低，反演的t2谱精度越低，t2谱累计值偏低，对应的核磁孔隙度偏小，如图4所示。

由此可知，内部磁场梯度g0导致样品以大于1/t2s的弛豫速率进行衰减，从t2谱形态上看就是t2谱谱峰前移；从t2谱累积值上看，就是累计值减小，也即核磁孔隙度偏低。

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中由于多孔介质中存在顺磁物质时导致核磁共振测量结果不准的缺陷，从而提供一种评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测试结果的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法，包括如下步骤：

s1、采用射频脉冲序列对待测多孔介质样品进行核磁共振测量，获得所述样品的回波强度拟合曲线；

s2、对所述拟合曲线进行傅里叶变换，得到所述样品的频域信号，根据所述频域信号计算得到所述样品的拉莫尔频率带宽△fl；

s3、将所述△fl与预定阈值进行比较，判定所述顺磁物质对所述多孔介质核磁共振测量结果的准确度。

进一步地，所述步骤s3包括如下步骤：

判断所述△fl是否大于第一预定阈值；

若所述△fl大于所述第一预定阈值，则判定所述核磁共振测量结果不合格。

更进一步地，所述步骤s3还包括如下步骤：

若所述△fl小于或等于所述第一预定阈值，则判断所述△fl是否大于第二预定阈值；

若所述△fl大于所述第二预定阈值，则判定所述核磁共振测量结果合格；

若所述△fl小于或等于所述第二预定阈值，则判定所述核磁共振测量结果良好。

进一步地，所述第一预定阈值为△f，△f＝min(△fo，△fr)。

进一步地，所述第二预定阈值为0.5△f。

进一步地，所述多孔介质充满饱和含氢流体。

更进一步地，所述含氢流体不与所述多孔介质发生反应。

更进一步地，所述含氢流体为水、酒精、煤油中的至少一种。

本发明还提供了一种终端，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述所述的评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现上述所述的评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法。

本发明的技术方案，具有如下优点：

本发明提供的评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法，相对于传统的长耗时、采集参数设置复杂的t2-g0二维测试方法(一般t2-g0的采样时间都长达十几分钟至几十分钟)，本发明提供的多孔介质顺磁性物质影响快速评价技术，只需采集简单的fid数据(采集速度非常快，最快几十秒，最长几分钟)，利用傅里叶变换得到待测样品的拉莫尔频率带宽△fl，通过比较△fl和待测样品实际核磁共振实验中仪器的测量带宽△f的关系，即可快速判断待测多孔介质样品中顺磁性物质对核磁共振测量的影响程度，评估效率提高了十几倍，对大量待测样品的快速评估有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是t2单峰模型中，te固定，不同g0对应的t2d耦合后的t2时间图；

图2是t2单峰模型中，g0固定，不同te对应的耦合后的t2时间图；

图3是不同g0对应的cpmg序列测试的衰减曲线图；

图4是不同g0对应的核磁孔隙度图；

图5是射频硬脉冲时域、频域示意图；

图6是射频线圈回波损耗s11曲线；

图7是△fl＜min(△fr，△f0)时多孔介质样品中非固体h核激发和采样情况；

图8是△fl＞min(△fr，△f0)时多孔介质样品中非固体h核激发和采样情况；

图9是纯水的fid时域及频域信号图；

图10是本发明实施例1评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法流程图；

图11是本发明实施例1评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法中步骤3的流程图；

图12是本发明实施例1评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法的一种终端结构示意图。

图13是本发明应用实施例1中fid数列图；

图14是本发明应用实施例1中多孔样品1的fid时域及频域信号图；

图15是本发明应用实施例1中多孔样品2的fid时域及频域信号图。

附图标记说明：

31-处理器；32-通信总线；33-通信结构；34-存储器。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

核磁共振测量中的“共振”条件指的是样品的拉莫尔频率(fl＝γb0，b0是核磁共振仪器的主磁场强度)和射频源的激发中心频率f0，射频线圈的谐振点频率fr，三个频率满足fl＝fr＝f0(特别是fl＝f0)才能让样品中的非固态h核满足共振吸收能量，然后弛豫释放能量的条件。

由于多孔介质中顺磁性物质的影响，会在多孔介质样品孔隙空间内部产生磁场梯度g0，也即孔隙内部的实际磁场强度是核磁共振仪器的主磁场b0叠加了多孔介质骨架自身产生的次生磁场bg0，因此多孔介质样品在核磁共振仪器中的拉莫尔频率是有带宽△fl的；同样的，射频脉冲也有激发带宽△f0的，射频线圈有采样带宽△fr的。

多孔介质核磁共振测试最常用的射频脉冲就是硬脉冲，时间域是一个矩形方波，因此在频率域也是有频率带宽△f0的，如图5所示。硬脉冲对应的频率带宽△f0可以用脉宽倒数的2倍关系近似计算。

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，如图6所示。

s11的计算方法如下：

因此，s11代表了射频输入能量的效率，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。因此图6所示的射频线圈的-3db带宽在100khz左右。

综上，多孔介质核磁共振采样的最佳条件，除了满足fl＝fr＝f0外，还需要满足△fl＜min(△fr，△f0)，如图7所示。只有同时满足这两个条件，才能保证多孔介质样品中非固态h核能够被射频脉冲激发，又能够被射频线圈采集到核磁共振信号。

当△fl＞min(△fr，△f0)，如图8所示，多孔介质样品中△fr、△f0覆盖频带之外的那部分非固态h核没有被激发和采样，此时就不满足核磁共振定量测量的基础条件了。

多孔介质样品中较大的△fl就是顺磁性物质导致的，在开始核磁共振测量前，评估待测样品的拉莫尔频率带宽与核磁共振仪器激发采样带宽之间的关系至关重要，两个带宽之间的大小关系直接决定了核磁共振测量结果的精度。评估依据如下：

(1)当△fl≤0.5*min(△fr，△f0)，说明样品里的顺磁性物质含量较低，核磁共振仪器的激发采样带宽足够覆盖样品的拉莫尔频率带宽，核磁共振测量不受顺磁性物质的影响，核磁共振测量结果良好；

(2)当0.5*min(△fr，△f0)＜△fl≤min(△fr，△f0)，说明样品里的顺磁性物质含量中等，核磁共振仪器的激发采样带宽比样品的拉莫尔频率带宽稍大，核磁共振测量精度及效果会受到一定程度影响，但不严重，核磁共振测量数据还能使用，核磁共振测量结果合格；

(3)当△fl＞min(△fr，△f0)，说明样品里的顺磁性物质含量很多，核磁共振仪器的激发采样带宽无法100％覆盖样品的拉莫尔频率带宽，会严重影响核磁共振测试精度及效果，严重时甚至直接测不到核磁共振信号，核磁共振测量结果不合格。

核磁共振测量中，自由感应衰减数据，即fid序列的采样数据经过傅里叶变换，得到所述样品的频域信号，根据所述频域信号计算半幅点带宽即可得到对应的拉莫尔频率带宽△fl，如图9所示，该图显示的是标准水膜(不含顺磁性物质)的fid数据及频率域信号，自由水的拉莫尔频率也有带宽，但是非常小，只有0.35khz左右，说明核磁共振仪器主磁场不是绝对的均匀场，只是不均匀性很小，比如这套磁体的不均匀度＝0.35khz/12mhz＝29ppm。

多孔介质样品因为固体骨架中顺磁性物质的影响，拉莫尔频率带宽△fl>主磁场b0的拉莫尔频率带宽，一般在几khz至几百khz之间。因此在评估待测多孔介质样品的拉莫尔频率带宽△fl时，需要保证核磁共振仪器的激发和采样带宽△fr、△f0大于△fl。

以多孔介质常用的12m核磁共振仪器为例，为了让△fr、△f0尽可能地大，以获取较大的△fl评估范围。△f0由fid序列中的90°硬脉冲的脉宽p90决定，△f0≈2/p90，p90越小，△f0越大。在射频功放功率确定的前提下，p90由射频线圈的内径决定，内径越小，p90越小。因此为了获得较大的△f0，需要拿小直径射频线圈来做评估测试实验，可以对待测样品进行取样，取小样品进行测试，但若射频线圈也不能太小，否则取样太小没有代表性。综合考虑，我们选取了直径25mm的射频线圈，p90＝5us(△f0＝400khz)，△fr＝△f-3db＝300khz；射频线圈死时间20us左右，也符合快t2*衰减的多孔介质测量要求。因此，该条件下，可以评估△fl范围为0～300khz。对于△fl＞300khz的多孔介质样品，25mm射频线圈都测量不了，那么多孔介质正式实验中采用的更大直径的射频线圈(p90更大，△f0更小)就更无法测量了。

实施例1

本实施例1提供了一种评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法，需要说明的是，在附图的流程图图10示出的可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图图10中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例1中，如图10所示，评价顺磁物质对多孔介质核磁共振测量结果的方法的流程包括如下步骤：

s1、采用射频脉冲序列对待测多孔介质样品进行核磁共振测量，获得所述样品的回波强度拟合曲线；

s2、对所述拟合曲线进行傅里叶变换，得到所述样品的频域信号，根据所述频域信号计算得到所述样品的拉莫尔频率带宽△fl；

s3、将所述△fl与预定阈值进行比较，判定所述顺磁物质对所述多孔介质核磁共振测量结果的准确度。

其中，如图11所示，s3具体还包括如下步骤：

s31：判断所述△fl是否大于第一预定阈值△f(△f＝min(△fo，△fr))。具体地，

若△fl大于所述第一预定阈值△f，则执行s32，即判定核磁共振测量结果不合格；

若△fl小于或等于第一预定阈值△f，则执行步骤s33，判断△fl是否大于第二预定阈值0.5△f，若是，则执行s34，判定核磁共振测量结果合格；反之，则执行s35，判定核磁共振测量结果良好。

本实施例还提供了一种终端，具有如图12所示的结构，该终端可以包括：至少一个处理器31，例如cpu(centralprocessingunit，中央处理器)，至少一个通信接口33，存储器34，至少一个通信总线32。其中，通信总线32用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口33可以包括显示屏(display)、键盘(keyboard)，可选通信接口33还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器34可以是高速ram存储器(randomaccessmemory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器34可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器31的存储装置。其中处理器31可以结合图12所描述的装置，存储器34中存储应用程序，且处理器31调用存储器34中存储的程序代码，以用于执行上述任一方法步骤，即用于执行以下操作：

采用射频脉冲序列对待测多孔介质样品进行核磁共振测量，获得所述样品的回波强度拟合曲线；

对所述拟合曲线进行傅里叶变换，得到所述样品的频域信号，根据所述频域信号计算得到所述样品的拉莫尔频率带宽△fl；

将所述△fl与预定阈值进行比较，判定所述顺磁物质对所述多孔介质核磁共振测量结果的准确度。

处理器31调用存储器34中的程序代码，还用于执行以下操作：

s31：判断所述△fl是否大于第一预定阈值△f(△f＝min(△fo，△fr))。具体地，

若△fl大于所述第一预定阈值△f，则执行s32，即判定核磁共振测量结果不合格；

若△fl小于或等于第一预定阈值△f，则执行步骤s33，判断△fl是否大于第二预定阈值0.5△f，若是，则执行s34，判定核磁共振测量结果合格；反之，则执行s35，判定核磁共振测量结果良好。

其中，通信总线32可以是外设部件互连标准(peripheralcomponentinterconnect，简称pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，简称eisa)总线等。通信总线32可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图12中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器34可以包括易失性存储器(英文：volatilememory)，例如随机存取存储器(英文：random-accessmemory，缩写：ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatilememory)，例如快闪存储器(英文：flashmemory)，硬盘(英文：harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(英文：solid-statedrive，缩写：ssd)；存储器34还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器31可以是中央处理器(英文：centralprocessingunit，缩写：cpu)，网络处理器(英文：networkprocessor，缩写：np)或者cpu和np的组合。

其中，处理器31还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specificintegratedcircuit，缩写：asic)，可编程逻辑器件(英文：programmablelogicdevice，缩写：pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complexprogrammablelogicdevice，缩写：cpld)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmablegatearray，缩写：fpga)，通用阵列逻辑(英文：genericarraylogic,缩写：gal)或其任意组合。

可选地，存储器34还用于存储程序指令。处理器31可以调用程序指令，实现如本发明中用于控制电镀锡铋合金的控制方法。

本发明实施例1还提供了一种非暂态计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

应用实施例1

多孔介质样品1取样，在25mm直径射频线圈下测试fid数据，采样参数sw＝500khz，p90＝5us，△fr＝300khz，fid序列如图13所示，样品1的fid数据及傅里叶变换后的频域信号，如图14所示，得到样品1的拉莫尔频率带宽△fl＝2.45khz；多孔介质样品2取样，在25mm直径射频线圈下测试fid数据，采样参数sw＝500khz，p90＝5us，△fr＝300khz，样品2的fid数据及傅里叶变换后的频域信号，如图15所示，得到样品2的拉莫尔频率带宽△fl＝189.70khz。

当多孔介质1和2的正式样品都采用70mm射频线圈进行核磁共振测量实验时，p90＝15us(△f0＝133khz)，△fr＝100khz。则：

多孔介质1的拉莫尔频率带宽满足△fl＝2.45khz＜△fr<△f0，该样品的核磁共振测量不受顺磁性物质影响；

多孔介质2的拉莫尔频率带宽满足△fl＝189.70khz>△f0>△fr，该样品的核磁共振测量受顺磁性物质影响严重，会丢失大量核磁共振信号。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。