巖石核磁共振信號(hào)噪聲估計(jì)與含水量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

鄧鑰

摘 要 利用實(shí)驗(yàn)研究背景噪聲與回波間隔、疊加次數(shù)兩個(gè)采集參數(shù)的關(guān)系，并得到背景噪聲信號(hào)量估計(jì)方法；核磁信號(hào)量與樣本相對(duì)含水量相關(guān)性良好，對(duì)巖樣的核磁信號(hào)進(jìn)行去噪處理，得到的單位體積巖石含水量與樣品真值更為接近。

關(guān)鍵詞 核磁共振；噪聲；含水量；多孔巖石

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）01-0137-02

核磁共振（NMR）是磁矩不為零的原子核，在外磁場(chǎng)作用下自旋能級(jí)發(fā)生塞曼分裂，當(dāng)吸收一定頻率的電磁波（射頻場(chǎng)）輻射，其塞曼能級(jí)間產(chǎn)生共振躍遷的現(xiàn)象[1]。核磁共振譜于1945年分別由斯坦福大學(xué)的Bloch教授和哈佛大學(xué)的Percell教授發(fā)現(xiàn)，目前，NMR已在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)療等方面獲得廣泛應(yīng)用[2]。在石油勘探領(lǐng)域，通過測(cè)量氫核的橫向弛豫信號(hào)來反映多孔巖石的相對(duì)含水量，進(jìn)而得到巖石的孔隙特征參數(shù)。但是當(dāng)巖石中含水量很少時(shí)，核磁信號(hào)容易受到噪聲的干擾，且其影響通常不可忽略，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差較多。

1 實(shí)驗(yàn)條件

利用紐邁生產(chǎn)的主頻為2 MHz的核磁共振信號(hào)分析儀，進(jìn)行標(biāo)樣、巖樣和空載條件的核磁共振橫向弛豫信號(hào)的測(cè)量。在恒溫25 ℃測(cè)量環(huán)境下，儀器標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定為：等待時(shí)間為6000 ms，疊加次數(shù)為32次，回波個(gè)數(shù)為2000，回波間隔為0.2 ms?？紤]到核磁噪聲信號(hào)主要受回波間隔和疊加次數(shù)的設(shè)定影響，在噪聲分析時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要改變上述參數(shù)。

2 核磁共振背景噪聲信號(hào)量估計(jì)實(shí)驗(yàn)

核磁噪聲信號(hào)提取方法 在巖心室空載條件，測(cè)量核磁共振橫向弛豫衰減信號(hào)。將測(cè)量信號(hào)做正值處理后，減去其平均值，即為提取的核磁共振噪聲信號(hào)，如式（1）：

（1）

式中，S（ti）為ti時(shí)刻測(cè)量的衰減數(shù)據(jù)，S（ti）′為提取的核磁共振噪聲信號(hào)，P為回波個(gè)數(shù)。

背景噪聲信號(hào)量與回波間隔的關(guān)系 巖心室空載條件，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，只改變回波間隔，測(cè)量核磁共振橫向弛豫衰減信號(hào)?；夭ㄩg隔（TE）分別設(shè)定為0.2 ms、0.4 ms、

0.6 ms、0.8 ms、1 ms、2 ms，根據(jù)式（1）提取核磁共振噪聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換得到橫向弛豫時(shí)間（T2）譜，將幅值累加，得到背景噪聲信號(hào)量Snoise1與回波間隔TE關(guān)系（圖1）：

Snoise1=26.476TE-1.560 （2）

背景噪聲信號(hào)量與疊加次數(shù)的關(guān)系 巖心室空載條件，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，只改變疊加次數(shù)，測(cè)量核磁共振橫向弛豫衰減信號(hào)。疊加次數(shù)（NS）分別設(shè)定為1、2、4、8、16、32、64、128，由式（1）提取核磁共振噪聲信號(hào)，并得到背景噪聲信號(hào)量Snoise2，其與疊加次數(shù)的關(guān)系（圖2）為：

Snoise2=52.794NS+4.987 （3）

背景噪聲信號(hào)量估算方法 實(shí)驗(yàn)顯示，核磁共振背景噪聲信號(hào)量主要與回波間隔和疊加次數(shù)相關(guān)。由此，根據(jù)多變量回歸分析，得到背景噪聲信號(hào)量Snoise的估計(jì)式為：

Snoise=4.988NS+32.276TE-1.159-162.371 （4）

3 樣品含水量核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)刻度，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)樣品的核磁共振信號(hào)，確定其核磁信號(hào)總量（Snmr），從中減去估計(jì)的背景噪聲信號(hào)量得到純凈信號(hào)（圖3）。兩種核磁信號(hào)量與含水量相關(guān)性好，但也存在明顯差異，特別是當(dāng)單位體積含水量較小時(shí)，差異的影響不可忽略。去噪的核磁信號(hào)與單位體積含水量的關(guān)系為：

Φ=0.039[Snmr-（4.988NS+32.276TE-1.159-162.371）]/V+0.720 （5）

式中，Φ為核磁測(cè)量含水量，Snmr為測(cè)量核磁共振信號(hào)總量，V為樣品體積。

進(jìn)而選取12塊飽含水砂巖樣品進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量，依據(jù)式（5）確定巖樣的相對(duì)含水量，如圖4所示，顯示去噪后的含水量測(cè)量結(jié)果更接近樣品真值。

4 結(jié)論

核磁共振測(cè)量信號(hào)存在系統(tǒng)背景噪聲，其大小受制于測(cè)量環(huán)境和儀器系統(tǒng)自身。根據(jù)不同條件下的核磁共振背景噪聲測(cè)量，可以建立特定測(cè)量條件下的背景噪聲估值。在多孔巖石含水量的核磁共振測(cè)量時(shí)，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行去噪處理，特別是當(dāng)含水量較少時(shí)，可以明顯改善測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]喬梁.NMR核磁共振[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]高漢賓，張振芳.核磁共振原理與實(shí)驗(yàn)方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.