巖石核磁共振信號噪聲估計與含水量測量實驗

鄧鑰

摘 要 利用實驗研究背景噪聲與回波間隔、疊加次數兩個采集參數的關系，并得到背景噪聲信號量估計方法；核磁信號量與樣本相對含水量相關性良好，對巖樣的核磁信號進行去噪處理，得到的單位體積巖石含水量與樣品真值更為接近。

關鍵詞 核磁共振；噪聲；含水量；多孔巖石

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）01-0137-02

核磁共振（NMR）是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發生塞曼分裂，當吸收一定頻率的電磁波（射頻場）輻射，其塞曼能級間產生共振躍遷的現象[1]。核磁共振譜于1945年分別由斯坦福大學的Bloch教授和哈佛大學的Percell教授發現，目前，NMR已在物理、化學、生物、醫療等方面獲得廣泛應用[2]。在石油勘探領域，通過測量氫核的橫向弛豫信號來反映多孔巖石的相對含水量，進而得到巖石的孔隙特征參數。但是當巖石中含水量很少時，核磁信號容易受到噪聲的干擾，且其影響通常不可忽略，導致測量結果偏差較多。

1 實驗條件

利用紐邁生產的主頻為2 MHz的核磁共振信號分析儀，進行標樣、巖樣和空載條件的核磁共振橫向弛豫信號的測量。在恒溫25 ℃測量環境下，儀器標準參數設定為：等待時間為6000 ms，疊加次數為32次，回波個數為2000，回波間隔為0.2 ms。考慮到核磁噪聲信號主要受回波間隔和疊加次數的設定影響，在噪聲分析時根據實驗需要改變上述參數。

2 核磁共振背景噪聲信號量估計實驗

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

（1）

式中，S（ti）為ti時刻測量的衰減數據，S（ti）′為提取的核磁共振噪聲信號，P為回波個數。

背景噪聲信號量與回波間隔的關系 巖心室空載條件，其他實驗條件不變，只改變回波間隔，測量核磁共振橫向弛豫衰減信號。回波間隔（TE）分別設定為0.2 ms、0.4 ms、

0.6 ms、0.8 ms、1 ms、2 ms，根據式（1）提取核磁共振噪聲信號，將其轉換得到橫向弛豫時間（T2）譜，將幅值累加，得到背景噪聲信號量Snoise1與回波間隔TE關系（圖1）：

Snoise1=26.476TE-1.560 （2）

背景噪聲信號量與疊加次數的關系 巖心室空載條件，其他實驗條件不變，只改變疊加次數，測量核磁共振橫向弛豫衰減信號。疊加次數（NS）分別設定為1、2、4、8、16、32、64、128，由式（1）提取核磁共振噪聲信號，并得到背景噪聲信號量Snoise2，其與疊加次數的關系（圖2）為：

Snoise2=52.794NS+4.987 （3）

背景噪聲信號量估算方法 實驗顯示，核磁共振背景噪聲信號量主要與回波間隔和疊加次數相關。由此，根據多變量回歸分析，得到背景噪聲信號量Snoise的估計式為：

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

3 樣品含水量核磁共振實驗測量

首先進行實驗刻度，測量標準樣品的核磁共振信號，確定其核磁信號總量（Snmr），從中減去估計的背景噪聲信號量得到純凈信號（圖3）。兩種核磁信號量與含水量相關性好，但也存在明顯差異，特別是當單位體積含水量較小時，差異的影響不可忽略。去噪的核磁信號與單位體積含水量的關系為：

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

式中，Φ為核磁測量含水量，Snmr為測量核磁共振信號總量，V為樣品體積。

進而選取12塊飽含水砂巖樣品進行核磁共振實驗測量，依據式（5）確定巖樣的相對含水量，如圖4所示，顯示去噪后的含水量測量結果更接近樣品真值。

4 結論

核磁共振測量信號存在系統背景噪聲，其大小受制于測量環境和儀器系統自身。根據不同條件下的核磁共振背景噪聲測量，可以建立特定測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量時，對測量信號進行去噪處理，特別是當含水量較少時，可以明顯改善測量結果的準確性。

參考文獻

[1]喬梁.NMR核磁共振[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]高漢賓，張振芳.核磁共振原理與實驗方法[M].武漢：武漢大學出版社，2008.