CN102519999A - 核磁共振分析仪和核磁共振测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核磁共振分析仪和核磁共振测量方法，该分析仪包括射频电路、磁体、玻璃管、第一线圈和第二线圈。玻璃管内用于放置待测样品，玻璃管相对于磁体固定设置，且置于磁体产生的磁场中；第一线圈和第二线圈分别缠绕于玻璃管的外表面并与射频电路相连，且第一线圈置于磁体产生的均匀磁场处，第二线圈置于磁体产生的梯度磁场处。通过分析仪不仅可得到待测样品中物质横向弛豫时间和纵向弛豫时间的分布数据，并能得到样品中物质的扩散系数的分布数据。

Description

核磁共振分析仪和核磁共振测量方法

技术领域

本发明涉及油井探测技术，特别涉及一种核磁共振分析仪和核磁共振测量方法。

背景技术

核磁共振分析仪是利用核磁共振原理对被测样品进行核磁共振实验，通过对实验数据的解析实现对样品内部结构和宏观性质的探测。

现有的核磁共振分析仪主要包括磁体、射频电路、天线和回波解析装置等。磁体用于产生核磁共振所需的静磁场，射频电路用于产生射频脉冲，射频天线用于产生与静磁场相互作用的射频场，并接收核磁共振的回波，可进一步的通过射频电路将该回波传送给回波解析装置，通过回波解析装置对该回波进行解析后得到有关该样品中物质的信息，例如，样品中流体的类型、孔隙介质的孔隙信息(如孔隙度、孔隙尺寸等)。

现有核磁共振分析仪的天线通常采用螺线管制作，磁体产生的磁场通常是非均匀的，区域之间会有逐渐的变化，将天线置于磁体产生的最为均匀部分的磁场中，进而，利用天线发射射频脉冲并接收核磁共振的回波信号，但是，将天线置于均匀静磁场中只能对被测样品的核磁共振弛豫特性进行测量，而被测样品的扩散特征的测量需要在梯度磁场下测量，因此，除了脉冲梯度外，单纯的靠简单的线圈的核磁共振分析仪无法同时测量被测样品的弛豫特性和扩散特性，而扩散特性也是反映被测样品中流体类型的重要参数。

发明内容

本发明提供了一种核磁共振分析仪和核磁共振测量方法，以增强核磁共振分析仪的测量功能。

本发明提供的核磁共振分析仪，包括射频电路和磁体，还包括：

玻璃管，所述玻璃管内用于放置待测样品，所述玻璃管相对于所述磁体固定设置，且置于所述磁体产生的磁场中；

第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈分别缠绕于所述玻璃管的外表面并分别与所述射频电路相连，且所述第一线圈置于所述磁体产生的均匀磁场处，所述第二线圈置于所述磁体产生的梯度磁场处。

本发明还提供了三种核磁共振测量方法，该测量方法均采用本发明提供的核磁共振分析仪。

第一种测量方法具体包括：

步骤1、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于第一线圈所在的位置；

步骤2、在所述磁体形成的均匀静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤3、向所述第一线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤4、在所述第一射频脉冲停止第一设定时间后，向所述第一线圈施加一自旋回波脉冲序列以采集产生的回波串；

步骤5、改变所述第一设定时间，重复所述步骤3和4以分别采集数个不同第一设定时间下产生的回波串；

步骤6、根据采集到的所述各回波串进行核磁共振分析。

第二种测量方法具体包括：

步骤10、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于第二线圈所在的位置；

步骤20、在所述磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤30、向所述第二线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤40、在所述第一射频脉冲停止第二设定时间后，向所述第二线圈施加一个90°脉冲和一个180°脉冲以采集产生的第一个回波，所述90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第三设定时间；

步骤50、在不同的第二设定时间下，改变所述第三设定时间，重复所述步骤30和步骤40以分别采集对应各第二设定时间和各第三设定时间产生的第一个回波；

步骤60、根据采集到的所述各回波进行核磁共振分析。

第三种测量方法具体包括：

步骤100、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于所述第二线圈所在的位置；

步骤200、在所述磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤300、向所述第二线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤400、与所述第三射频脉冲序列的最后一个脉冲相隔第四设定时间后，向所述第二线圈施加一个90°脉冲、一个180°脉冲和一180°脉冲序列以分别采集产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串，所述90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第五设定时间，所述180°脉冲序列中每个脉冲之间的间隔为第六设定时间，所述180°脉冲与所述180°脉冲序列的第一个脉冲之间的时间间隔为第五设定时间与二分之一第六设定时间之和；

步骤500、在不同第四设定时间下，改变所述第五设定时间，重复所述步骤300和步骤400以分别采集对应各第五设定时间和各第六设定时间产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串；

步骤600、根据采集到的所述各回波和各回波串进行核磁共振分析。

本发明提供的核磁共振分析仪，通过该分析仪不仅可得到待测样品中物质横向弛豫时间和纵向弛豫时间的分布数据，并能得到样品中物质的扩散系数的分布数据。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪部分结构的立体图；

图2为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪的玻璃管部分的结构示意图；

图3为本发明实施所提供的核磁共振分析仪中磁体的主视图；

图4为本发明实施所提供的核磁共振分析仪中磁体的侧视图；

图5为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪中磁体极化方向的示意图；

图6为本发明实施例所提供的第一种核磁共振测量方法的流程图；

图7为图6所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图；

图8为本发明另一实施例所提供的第二种核磁共振测量方法的流程图；

图9为图8所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图；

图10为本发明又一实施例所提供的第三种核磁共振测量方法的流程图；

图11为图10所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种核磁共振分析仪，该分析仪包括射频电路、磁体、玻璃管、第一线圈和第二线圈。

玻璃管内用于放置待测样品，玻璃管相对于磁体固定设置，且置于磁体产生的磁场中。

第一线圈和第二线圈分别缠绕于玻璃管的外表面并与射频电路相连，且第一线圈置于磁体产生的均匀磁场处，第二线圈置于磁体产生的梯度磁场处。

该核磁共振分析仪中的磁体用于产生核磁共振所需的静磁场，可在不同的位置产生两种形式的磁场，一种为均匀磁场，一种为梯度磁场。所谓均匀磁场也就是在该磁场中，任何一点的磁场强度大小和方向都是相同的，所述梯度磁场也就是说在该磁场中，沿磁力线方向各点的磁场强度大小呈线性变化。

现有技术中能产生这种磁场的磁体有多种结构，可以为一由多个磁片组成的空心圆柱状的磁体，也可以为由多个磁块按照特定形状组成的磁体，也可以采用本发明实施例提供的磁体(将在后面的实施例中详细介绍)。

下面结合图1和图2，对本发明实施例提供的核磁共振分析仪的结构进行介绍。

图1为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪部分结构的立体图，图2为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪的玻璃管部分的结构示意图。

图1仅示出了该分析仪中的玻璃管1、第一线圈4、第二线圈5和磁体2这几部分的结构和位置关系，未示出磁体支架和射频电路，图2示出了玻璃管部分的结构。

如图1所示和图2所示，该分析仪包括射频电路、磁体2、玻璃管1、第一线圈4和第二线圈5。本实施中的磁体2是由多个第一磁块10和第二磁块11构成，将多个磁块平均分成两组，两组的第一磁块10和第二磁块11对称设置，形成一空心状磁环，该磁体中的各磁块采用径向极化，在整个磁体的中间部位形成均匀静磁场，在整个磁体的两端边缘部位分别形成梯度为定值的梯度静磁场，且两端边缘部位的磁场对称。

可将磁体放置于磁体支架上，磁体支架的作用是支撑磁体，磁体支架的结构根据磁体的结构和形状而定，只要能起到支撑磁体的作用即可，其形状和结构不必限定。

玻璃管1放置在磁体2所形成的磁场中，本实施例中具体是放置在空心状磁环的内部。当磁体的形状不同导致磁场不同时，玻璃管1的位置也可相应变化。可将玻璃管的两端架设于一支架上，至于该支架的结构也有多种，例如，该支架包括底座和两个支撑杆，两个支撑杆分别垂直固定于底座的两侧，每个支撑杆上设置一通孔，玻璃管的两端分别穿过该通孔，从而将玻璃管架设于支架上。本实施例只是列举一种常见的支架，支架的结构和形式并不限于本实施例所述的。支架的形式并不限定，只要能够将玻璃管固定于磁场中即可。

玻璃管1内用于放置待测样品3，第一线圈4和第二线圈5分别缠绕于玻璃管1的外表面并分别与射频电路相连，由于该磁体2在中间部位形成均匀磁场，而玻璃管1置于空心状磁体2的内部中间位置，因此，将第一线圈4置于玻璃管1的中部，也就是置于磁体产生的均匀磁场处，第二线圈5置于玻璃管的一端部位置，也就是置于磁体产生的梯度磁场处。

当磁体的形状和摆放位置变化导致其形成的磁场变化时，第一线圈和第二线圈的位置也需相应变化，只要满足第一线圈置于磁体产生的均匀磁场处，第二线圈置于磁体产生的梯度磁场处即可。

例如，当磁体为一由多个磁片组成的空心圆柱状的磁体时，多个磁片采用径向充磁，将在磁体的中部产生均匀磁场，磁体的两端部产生梯度磁场，此时，将第一线圈置于磁体的中部位置，第二线圈置于磁体的端部位置。

当磁体为多个磁块组成的磁体结构时，通过对各磁块充磁，可使磁体的端部形成均匀磁场，而磁体的中部为梯度磁场，此时，将第一线圈置于磁体的端部位置，第二线圈置于磁体的中部位置。

由于磁体的结构不同，玻璃管与磁体的相对位置也不同，但是，只要将玻璃管置于磁体产生的磁场中即可，将第一线圈和第二线圈缠绕于玻璃管外表面，并且，只要使第一线圈置于磁体产生的均匀磁场处，第二线圈置于磁体产生的梯度磁场处即可，关于第一线圈和第二线圈的作用下述内容中描述。磁体用于产生核磁共振所需的静磁场，射频电路用于产生射频脉冲并传送供给第一线圈或第二线圈，玻璃管用于放置待测样品，第一线圈或第二线圈用于接收施加的射频脉冲并将产生的回波返回给射频电路，可进一步的通过射频电路将该回波传送给回波解析装置，通过回波解析装置对该回波进行解析后得到有关该样品中物质的信息，例如，样品中流体的类型、孔隙介质的孔隙信息(如孔隙度、孔隙尺寸等)。回波解析装置可以作为分析仪的一部分，也可以作为独立的装置，以对射频电路传送的回波进行解析，回波解析装置通常由相关的运算电路、放大电路、滤波电路和含有相关数学运算程序的计算机等组成，回波解析装置为已有技术中的装置，本实施例中不再对此进行赘述。

当采用该分析仪对待测样品进行核磁共振测量实验时，将第一线圈置于磁体产生的均匀磁场处，将待测样品置于玻璃管内并置于第一线圈所在的位置，对第一线圈施加相应的脉冲序列，在均匀静磁场环境下进行横向弛豫时间T₂的测量实验和纵向弛豫时间T₁的测量实验，可得到待测样品中物质横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁的分布数据。而横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁所代表的指数衰减率主要取决于样品中孔隙尺寸和样品孔隙中充满流体的分布情况，因此，通过横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁的分布数据可获得样品孔隙的大小及样品中充满流体的情况。

但是，在均匀静磁场环境下，除了运用复杂的脉冲梯度技术外，进行的测量实验无法得到样品中物质的扩散系数D的分布数据。

为此，本发明实施例中还设置有第二线圈，将第二线圈置于磁体产生的梯度静磁场处，将待测样品置于玻璃管内并置于第二线圈所在的位置，对第二线圈施加相应的脉冲序列，在梯度静磁场下进行扩散系数D的测量实验，进而可通过扩散系数D的分布数据获得样品中流体的类型。

当采用该分析仪进行测量实验时，当向第一线圈施加脉冲序列时，将第一线圈与射频电路相连，而断开第二线圈与射频电路的连接；当向第二圈施加脉冲序列时，将第二线圈与射频电路相连，而断开第一线圈与射频电路的连接。

关于如何进行的测量实验并得到横向弛豫时间T₂、纵向弛豫时间T₁和扩散系数D的分布数据将在后面的核磁共振测量方法中进行详细介绍，在此就不在说明。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的核磁共振分析仪，设置有两个线圈，即第一线圈和第二线圈，并将待测样品分布置于不同环境下的静磁场中以进行不同的测量实验，通过对测量实验中获得的回波的解析不仅可得到样品中物质横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁的分布数据，而且可以得到扩散系数D的分布数据，增强了核磁共振分析仪的测量功能，无需采用多台不同的核磁共振分析仪以进行不同的测量实验，提高了测量实验的效率，同时简单方便，易于操作。

在上述技术方案的基础上，进一步的，该分析仪中的磁体可采用以下结构的磁体。

图3为本发明实施所提供的核磁共振分析仪中磁体的主视图，图4为本发明实施所提供的核磁共振分析仪中磁体的侧视图。

如图1、图2、图3和图4所示，该磁体2包括第一磁体装置6、第一固定盘8、第二磁体装置7和第二固定盘9。

第一磁体装置6包括多个第一磁块10，每个第一磁块10为大小相等的永磁体。

第一固定盘8为环形，第一固定盘8上沿周向均匀开设有数个第一通孔，每个第一磁块10分别穿过一第一通孔并固定于第一固定盘8上，将多个第一磁块10固定于第一固定盘8上后，多个第一磁块10形成一圆筒状的磁块环结构。

第二磁体装置7包括与第一磁体数量、形状和大小均相同的多个第二磁块11。

第二固定盘9为环形，第二固定盘9上沿周向均匀开设有数个第二通孔，每个第二磁块11分别穿过一第二通孔并固定于第二固定盘9上，且各第二磁块11与各第一磁块10相对于磁体2的中心对称设置。

第一固定盘8和第二固定盘9分别固定于支撑杆12上。

该磁体中的多个第一磁块10和第二磁块11均匀排列分别形成一环状磁环，多个第一磁块10和第二磁块11中心分别在一半径为R3的圆周上。

该磁体中第一磁块10和第二磁块11的数量、形状和尺寸可根据需要设计，例如，如图4所示为第一磁体装置6，该磁体可包括16个第一磁块10和16个第二磁块，并且，各磁块均为横截面为正方形的长方体状永磁体。

当然，第一磁块和第二磁块的数量可均为4个、6个、7个、8个等，形状可以为正方体状或者圆柱状等，只要保证第一磁块和第二磁块的数量、形状和尺寸均相同即可，不限于本实施例提供的方式。

第一固定盘8用于固定多个第一磁块10，第一固定盘8为类似法兰盘的一环形盘，可采用无磁金属材料制作，例如，铝或者铜等，在该环形盘上沿周向均匀开设多个第一通孔，该第一通孔的形状和尺寸与第一磁块10的横截面的形状和尺寸相匹配，例如，如果该第一磁块10的横截面为圆形，则相应的该第一通孔也为圆形，通过第一磁块10的横截面与第一通孔的形状与尺寸的配合可将第一磁块10固定于第一固定盘8上，如果需要进一步的将第一磁块10更加牢固的固定于第一固定盘8上，在每个第一磁块10与第一通孔的接触处可采用胶粘接，或者采用其他方式将每个第一磁块10牢固的固定于第一固定盘8上。

至于每个第二磁块与第二固定盘的结构和连接形式等与每个第一磁体与第一固定盘的结构和连接形式相同，在此，不再赘述。并且，每个第二磁块分别对应一第一磁块中心对称设置。将第一固定盘8和第二固定盘9分别固定于支撑杆12上，可采用多种方式将两固定盘分别进行固定，例如，可将两固定盘分别焊接于支撑杆上，或者两固定盘分别穿过支撑杆并粘接于支撑杆上，或者采用螺杆作为支撑杆，该螺杆依次穿过第一固定盘8和第二固定盘，9通过螺杆与两固定盘之间的螺纹配合即可使两固定盘固定于螺杆上，也可以采用螺母进一步的紧固螺杆与两固定盘的连接，或者进一步的将螺杆与两固定盘的接触处粘接，以使两固定盘更加牢固的固定于螺杆上。当然也可以采用其他现有的固定方式将两固定盘分别固定于支撑杆上，并不限于本实施例提供的方式。

支撑杆的数量通常根据第一固定盘和第二固定盘上设置的第一磁块和第二磁块的重量选择，当将多个第一磁块和第二磁块分别固定于第一固定盘和第二固定盘上后，并通过支撑杆将两固定盘固定连接后，应使整个磁体保持一稳定的状态为目的。

图5为本发明实施例所提供的核磁共振分析仪中磁体极化方向的示意图，如图5所示，该磁体中的每个第一磁块10和第二磁块11可采用径向极化，整个磁体在径向方向上形成磁场B₀，并且在整个磁体的中间部位形成均匀静磁场，在整个磁体的两端边缘部位分别形成梯度为定值的梯度静磁场，且两端边缘部位的磁场对称，可利用该均匀静磁场和梯度静磁场作为核磁共振的外加静磁场，为核磁共振的测量实验提供必要的条件。

由上述技术方案可知，该磁体由重量轻，价格便宜的多个永磁体磁块组装而成，并且，该磁体结构的漏磁场微弱，对附近电机以及其他的铁磁部件的工作影响小。

为增加磁体整个结构的稳定性，如图3所示，第一固定盘8和第二固定盘9可均为三个，第一固定盘8分别设置于多个第一磁块10的两端边缘和中间位置；第二固定盘9分别设置于多个第二磁块11的两端边缘和中间位置。

第一固定盘和8第二固定盘9均为环形，内轮廓的直径为R₁，外轮廓的直径为R₅，在每个环形第一固定盘8和第二固定盘9的周向分别开设有16个正方形通孔，各磁块穿过该通孔并分别固定于第一固定盘8和第二固定盘9上。

通过上述的设置方式，将多个第一磁块和第二磁块分别固定于第一固定盘和第二固定盘上后，每个固定盘均匀分担所承受的重量，使整个磁体结构更加稳固。

并且，如图4所示，作为支撑杆12的螺杆的数量为32个，将该32个螺杆平均分为两组，每组16个，每组中的16个螺杆分别形成一环状，每组中的各螺杆均匀分布依次穿过第一固定盘8和第二固定盘9。

其中一组中的16个螺杆的中心在一半径为R₂的圆周上，另一组的16个螺杆的中心在一半径为R₄的圆周上，并且，R₂不等于R₄。

当采用上述实施例提供的磁体结构时，如图1所示，可使玻璃管1的长度与磁体2轴线方向上的长度相等，且玻璃管1的中心轴线与磁体2的中心轴线重合。

第一线圈4缠绕于玻璃管1的外表面且设置于玻璃管1的管体中间处，第二线圈5缠绕于玻璃管1的外表面且邻近玻璃管1的管体端部边缘处设置。

通过上述的设置方式，使玻璃管置于磁体的中心轴心处，第一线圈位于玻璃管的管体中间处，也就是磁体的均匀磁场所在的位置，第二线圈置于玻璃管管体的端部处，也就是磁体的梯度磁场所在的位置，进行测量实验时，将待测样品置于玻璃管内，可分别置于第一线圈和第二线圈所在的位置，也就是利用磁体产生的均匀磁场和梯度磁场，在不同的磁场环境分别进行测量实验，进而，得到样品中物质横向弛豫时间T₂、纵向弛豫时间T₁和扩散系数D的分布数据。

本发明实施例还提供了三种核磁共振测量方法，该三种测量方法均是采用本发明实施例提供的核磁共振分析仪进行测量时的方法，可采用本发明实施例提供的核磁共振分析仪进行实施。

该三种核磁共振测量方法均以核磁共振理论为基础，因此，下面首先对核磁共振的基本原理进行介绍。

核磁共振的原理在于，某一物质的自旋原子核，它们的核磁矩在静磁场中会被磁化，此时，通过施加射频脉冲产生的射频场作用于原子核，并且当射频场的频率与拉莫尔频率相同的时候，射频脉冲的能量才能够有效地被原子核吸收，低能级的原子核会吸收能量发生能级跃迁，产生共振吸收现象。

上面是单个原子核的共振现象，但是在核磁共振实验中所用的样品包含大量的原子核，通常通过大量原子核的行为，也就是核系统的宏观行为入手来研究核磁共振。

为此，定义一三维坐标系XYZ，静磁场的方向为Z轴，用原子核的宏观磁化强度矢量M来描述核系统的宏观特性，M等于单位体积内核磁距的矢量和。

一般情况下，核系统中的核磁距的方向分布是杂乱无章的，因此M＝0，当把核系统放入一静磁场中后核磁距的分布就有了一定规律，经过一定时间后，该核系统的宏观磁化强度矢量M与外加静磁场B₀方向相同，达到一平衡状态，也就是说原子核被磁化。当用一射频脉冲产生的射频场作用到原子核系统上时，就会实现宏观磁化强度矢量M的扳转。

施加射频脉冲后M被扳离Z轴的角度称为扳转角，并由下式给出：θ＝γB₁τ，其中θ为扳转角，γ为磁旋比，B₁为射频场强度，τ为射频脉冲持续的时间，射频脉冲的强度和持续时间决定了射频脉冲的能量。

因此，通过适当调节射频场强度和射频脉冲持续的时间可将M从Z轴转到XY平面上与Y轴重合，也就是扳转角为90°，这样的脉冲称为90°脉冲。

当该射频脉冲停止作用后，核系统有一种自动返回原来平衡状态的趋势，但是，这一过程要经过一段时间才能完成，这一过程称为弛豫过程，表征该过程的时间称为弛豫时间，分别用T₁和T₂表示。

T₁表示宏观磁化强度矢量Z轴分量M_z的恢复过程，称为纵向弛豫时间，这个过程是由自旋系统与周围介质交换能量引起的，T₂表示磁化强度矢量M的Y轴分量M_y的恢复过程，称为横向弛豫时间，这个过程是由于自旋系统内部交换能量引起的。可通过对纵向弛豫时间T₁和横向弛豫时间T₂的解析得到样品中物质的相关信息。

纵向弛豫时间T₁和横向弛豫时间T₂的一个重要差异是横向弛豫时间T₂受分子扩散效应的影响，而纵向弛豫时间T₁不受影响，而扩散效应大小可通过流体分子扩散常数D反应。

在上述核磁共振理论的基础上，下面分别介绍本发明实施例提供的三种核磁共振测量方法。

在此，首先对该三种核磁共振测量方法中执行主体进行说明，在后面对对该三种测量方法进行详细介绍的过程中就不再进行重复说明。

该三种核磁共振测量方法中，提到的磁场是通过核磁共振仪中的磁体产生，相关的射频脉冲是通过射频电路产生并施加给第一线圈或第二线圈，并通过第一线圈或第二线圈将产生的回波返回给射频电路，可通过射频电路将该回波进一步的传送给回波解析装置，通过回波解析装置并采用相适应的数学运算方法对相关的回波进行解析后得到所需的样品中物质的信息。

图6为本发明实施例提供的第一种核磁共振测量方法的流程图，图7为图6所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图，如图6和图7所示，该种核磁共振测量方法包括以下的操作步骤：

步骤1、将待测样品放置于玻璃管内的第一线圈所在的位置；

步骤2、在磁体形成的均匀静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤3、向第一线圈施加第一射频脉冲将宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤4、在第一射频脉冲停止第一设定时间后，向第一线圈施加一自旋回波脉冲序列以采集产生的回波串；

步骤5、改变第一设定时间，重复步骤3和4以分别采集数个不同第一设定时间下产生的回波串；

步骤6、根据采集到的各回波串进行核磁共振分析。

该种测量方法是利用磁体产生的均匀静磁场，是在均匀静磁场下进行测量实验的过程。

将待测样品置于玻璃管内并置于第一线圈所在的位置，该磁体在中间处的磁场为均匀静磁场，通过该静磁场对待测样品中的自旋原子核进行磁化，经过一定时间后，宏观磁化强度矢量M与外加静磁场B₀方向相同，此时，向第一线圈施加第一射频脉冲，通过第一线圈产生的射频场将M扳转90°，即扳转到Y轴，使M处于XY所在的平面。

该第一射频脉冲可以为多种形式的脉冲，例如，可以为一个90°脉冲，也可以为由数个90°脉冲组成的脉冲序列，该数个90°脉冲之间的间隔时间可以相等，也可以为由数个各脉冲之间的间隔时间按照线性规律递减组成的按照一定规律递减组成的90°脉冲序列，只要能将M扳转90°即可，对于第一射频脉冲的形式不必限制。

在第一射频脉冲停止第一设定时间τ₁后，施加一自旋回波脉冲序列以采集产生的回波串信号。

所谓自旋回波脉冲(Carr-Purcell-Meiboom-Gill，简称CPMG)是目前用于采集回波串信号的标准脉冲序列，该脉冲序列包括一个90°脉冲和经过一定时间后的一系列180°脉冲。

具体的是，通过一个90°脉冲将经过第一设定时间τ₁后散相的宏观磁化强度矢量M扳转90°，再经过时间τ的散相后，施加一个180°脉冲，可使XY平面上的M翻转180°，使宏观磁化强度矢量M产生重聚焦的作用，将在t＝2τ时得到第一个回波，在t＝3τ时，再施加第二个180°脉冲，同样在t＝4τ时，得到第二个回波，如此反复。

分别在t＝τ，3τ，5τ，...，(2n-1)τ时施加180°脉冲，就会分别在t＝2τ，4τ，6τ，...，2n τ时得到相应的回波，从90°脉冲到接受回波的时间称为回波时间t_E，该回波时间等于2τ。

该多个回波组成一回波串，由每个回波的峰值

形成的指数衰减数据通过数学反演可得到样品中物质的横向弛豫时间T₂的分布数据。其中，M₀为施加自旋回波脉冲之前时刻的M值，M_xy为散相之后M值的XY平面分量。

横向弛豫时间T₂所代表的指数衰减率主要取决于样品中孔隙尺寸，因此，通过横向弛豫时间T₂可获得样品中孔隙大小分布情况。

改变第一设定时间τ₁，重复上述的过程，以采集对应每个第一设定时间τ₁产生的回波串。

第一设定时间τ₁也就是即宏观磁化强度矢量M重新恢复的时间，第一设定时间τ₁不同，也就是第一射频脉冲与自旋回波脉冲的第一个脉冲之间的间隔时间不同，而该间隔时间τ₁不同，静磁场对核系统磁化的时间也不同，造成宏观磁化强度矢量M的大小不同，可取出采集的不同第一设定时间τ₁下的回波串中的第一个回波，将该数个回波组成一回波波列，通过数学反演可以得到纵向弛豫时间T₁的分布数据，该反演过程与从回波串的峰值得到横向弛豫时间T₂的过程相似。而纵向弛豫时间T₁的分布数据与样品孔隙中充满流体的分布情况相关。

在采集纵向弛豫时间T₁回波的过程中，也获得了对应每个第一设定时间τ₁下横向弛豫时间T₂的回波串，从而可以利用T₁和T₂的数据生成一个二维数据组。

可将纵向弛豫时间T₁和横向弛豫时间T₂维度构成的二维空间中来显示得到的上述数据，组成二维T₁-T₂的分布图，通过该二维分布图可以很直观的了解样品孔隙的大小及样品中充满流体的情况。

上述的测量方法中，通过磁体中部产生的静磁场产对样品中自旋原子核进行磁化，向第一线圈施加相应射频脉冲，并采集产生的回波，通过对采集回波进行解析可得到样品中物质的横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁的分布数据，并可以得到样品的T₁-T₂的二维分布图，进而直观的了解样品中孔隙大小及样品中充满流体的情况。

第二种，该种核磁共振测量方法的过程与上述实施例的测量方法相似，不同的是，该测量方法中，利用磁体在邻近端部边缘形成的梯度静磁场作为对样品中的自旋原子核磁体进行磁化，并采用了不同的射频脉冲。

图8为本发明另一实施例所提供的第二种核磁共振测量方法的流程图，图9为图8所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图，如图8和图9所示，该测量方法具体包括以下操作步骤：

步骤10、将待测样品放置于玻璃管内并置于第二线圈所在的位置；

步骤20、在磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤30、向第二线圈施加第一射频脉冲将宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤40、在第一射频脉冲停止第二设定时间后，向第二线圈施加一个90°脉冲和一个180°脉冲以采集产生的第一个回波，90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第三设定时间；

步骤50、在不同的第二设定时间下，改变第三设定时间，重复上述的步骤30和步骤40以分别采集对应各第二设定时间和各第三设定时间产生的第一个回波；

步骤60、根据采集到的各回波进行核磁共振分析。

该种测量方法是利用磁体产生的梯度为定值的梯度静磁场，在梯度静磁场下进行测量实验的过程。

将待测样品置于玻璃管内并置于第二线圈所在的位置，该磁体在邻近端部处的磁场为梯度为定值的梯度静磁场G₀，通过该梯度静磁场对待测样品中的自旋原子核进行磁化，经过一定时间后，宏观磁化强度矢量M与外加静磁场B₀方向相同，此时，向第二线圈施加第一射频脉冲序列将磁化强度矢量M扳转90°，即扳转到XY平面，使M处于XY所在的平面。

在第一射频脉冲停止第二设定时间τ₂后，施加一个90°脉冲，并且经过第三设定时间τ₃后，施加一个180°脉冲，

在t＝2τ₃的时刻得到第一个回波改变第三设定时间τ₃，得到不同第三设定时间τ₃下采集的数个第一个回波组成一个回波波列。

然后，在不同的第二设定时间τ₂下，改变第三设定时间τ₂，重复上述的过程，每次只采集产生的第一个回波，可将各不同第二设定时间τ₂和不同第三设定时间τ₃下采集的数个第一个回波组成数个回波波列。

例如，当第二设定时间τ₂为一毫秒时，改变第三设定时间τ₃，重复上述的过程，每次只采集产生的第一个回波，将该第二设定时间τ₂下，不同第三设定时间τ₃对应采集的各回波组成一回波波列。然后，每次设定不同的第二设定时间τ₂，改变第三设定时间τ₃，重复上述的过程，每次只采集产生的第一个回波，将各不同第二设定时间τ₂下，改变第三设定时间τ₃对应采集的各回波组成各个回波波列。

上述的测量方法中，通过磁体端部形成的梯度静磁场对样品中的自旋原子核进行磁化，在一定梯度场下，通过调节第三设定时间τ₃，采集不同第三设定时间τ₃的回波，将该数个回波组成一回波波列，T₂与回波波列中各回波的峰值之间满足某种函数关系，并且，在梯度磁场环境下，横向弛豫时间T₂满足下述的公式： $\frac{1}{T_2}=\frac{1}{T_{2B}}+\frac{1}{T_{2S}}+\frac{D{\left(\mathrm{\γG}{t}_E\right)}^2}{12}.$

其中，T_2B和T_2S分别代表样品中流体的表面弛豫时间和体弛豫时间，γ代表物质的磁旋比，为一常数，G代表磁场梯度值，t_E代表代表90°扳转脉冲与回波之间的时间间隔，在孔隙介质的测量中T_2B的影响可以省略，采用相应的G和采集参数t_E，T_2S的影响也可以忽略，通过得到的回波波列峰值，并进一步的通过数学反演可获得样品中物质的扩散系数D的分布数据，通过扩散系数D可以获得样品中流体的类型。

并且，通过调节第二设定时间τ₂，在不同第二设定时间τ₂下改变第三设定时间τ₃采集产生的回波，将采集的各回波组成各回波波列，进而通过该回波波列得到纵向弛豫时间T₁的分布数据，通过该回波波列得到纵向弛豫时间T₁的分布数据的方法，与上述实施例中介绍的通过调节第一设定时间τ₁得到纵向弛豫时间T₁的分布数据的方法相同，在此不再赘述。

由于受到同一些物理性质的制约，许多流体的横向弛豫时间T₂和纵向弛豫时间T₁分布也非常相似，虽然通过纵向弛豫时间T₁可获知样品孔隙中充满流体的情况，但是，无法直接获知流体的类型，只能依靠推断获得，因此，可将该扩散纬度和纵向弛豫时间纬度构成的二维空间中来显示这些数据，组成二维T₁-D的分布图，通过该二维分布图可以获得样品孔隙中充满流体的情况并直接确定充满流体的类型。

该测量方法中，通过磁体端部产生的梯度磁场产对样品中自旋原子核进行磁化，向第二线圈施加相应的射频脉冲，按一定规律变换射频脉冲进行纵向弛豫测量实验和扩散系数的测量实验，并采集相应测量实验下的回波，进而通过对采集回波的解析可获得样品中物质的纵向弛豫时间T₁和扩散系数D的分布数据。

第三种核磁共振测量方法，与上述实施例提供的二种测量方法不同之处在于，采用不同形式的射频脉冲以得到不同的回波。

图10为本发明又一实施例所提供的第三种核磁共振测量方法的流程图，图11为图10所提供的核磁共振测量方法中射频脉冲的时序图，该测量方法具体的包括以下操作步骤。

步骤100、将待测样品放置于玻璃管内并置于所述第二线圈所在的位置；

步骤200、在磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤300、向第二线圈施加第一射频脉冲将宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤400、在第一射频脉冲停止第四设定时间后，向第二线圈施加一个90°脉冲、一个180°脉冲和一180°脉冲序列以采集产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串，90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第五设定时间，180°脉冲序列中每个脉冲之间的间隔为第六设定时间，180°脉冲与180°脉冲序列的第一个脉冲之间的时间间隔为第五设定时间与二分之一第六设定时间之和；

步骤500、在不同第四设定时间下，改变第五设定时间，重复上述步骤300和步骤400以分别采集对应各第五设定时间和各第六设定时间产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串；

步骤600、根据采集到的各回波和各回波串进行核磁共振分析。

本实施例提供的测量方法，也是利用磁体邻近端部位置产生的磁场梯度为定值G₀的梯度静磁场为对样品中的自旋原子核进行磁化，通过向第二线圈施加第一射频脉冲将磁化强度矢量M扳转90°。

然后，在第一射频脉冲停止第四设定时间后τ₄，向第二线圈施加一个90°脉冲，经过第五设定时间τ₅施加一个180°脉冲，并在180°脉冲之后施加一系列时间间隔为τ₆的180°脉冲，180°脉冲与180°脉冲序列的第一个脉冲之间的时间间隔为第五设定时间τ₅与二分之一第六设定时间τ₆之和。

将在t＝2τ₅的时刻得到第一个回波，此时，采集该第一个回波。

并且，由于连续施加180°脉冲，该180°脉冲之间的间隔时间为第六设定时间τ₆，也就是，在该90°脉冲之后的t＝τ₅，2τ₅+τ₆/2，2τ₅+3τ₆/2，...，2τ₅+(2n-1)τ₆/2时刻连续施加180°脉冲，因此，将分别在t＝2τ₅，2τ₅+τ₆，2τ₅+2τ₆，2τ₅+3τ₆，...，2τ₅+n τ₆时得到相应的回波，从而得到一系列回波串。

与上述实施例中介绍的通过调节第三设定时间τ₃得到扩散系数D的分布数据的方法相同，本实施例中通过调节第五设定时间τ₅，采集数个第一个回波，进而组成一回波波列，从而通过该回波波列可得到样品中物质的扩散系数D的分布数据。

并且，本实施例提供的测量方法中，在采集扩散系数D回波的过程中，也采集了不同第五设定时间下的回波串，该回波串中各回波的峰值与横向弛豫时间T₂相关，并且，在梯度磁场环境下，横向弛豫时间T₂满足下述的公式：

$\frac{1}{T_2}=\frac{1}{T_{2B}}+\frac{1}{T_{2S}}+\frac{D{\left(\mathrm{\γG}{t}_E\right)}^2}{12}.$

因此，应使回波间隔t_E的值尽量小，而第六设定时间等于回波间隔t_E，也就是使第六设定时间τ₆的值尽量小，可忽略上述公式中的第三项，这样，可近似的认为采集的回波串不再受梯度磁场的影响，与上述第一种测量方法在均匀磁场下采集的回波串进而得到横向弛豫时间T₂的分布数据的情况相同，在此，不再赘述。

为保证能够采集到回波串，使通过该回波串的峰值形成的指数衰减得到样品中物质的横向弛豫时间T₂的分布数据更加准确，优选的是，第六设定时间选取为产生的第一个回波后面的回波串之间回波间隔t_E的最小值。

其次，在不同第四设定时间τ₄下，改变第五设定时间τ₅，重复上述的过程，分别采集对应各第四设定时间和各第五设定时间产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串。

由于T₁不受磁场梯度的影响，在梯度磁场下，将采集的不同第四设定时间τ₄下对应的第一个回波组成回波波列，进而利用该回波波列的峰值进行数学反演得到纵向弛豫时间T₁的分布数据，该测量原理和反演过程与上述实施例中介绍的通过采集的不同第一设定时间τ₁下对应回波串中的第一个回波，进而通过数学反演可以得到纵向弛豫时间T₁的分布数据相同，因此，在此不再赘述。

由上述测量方法可知，在采集扩散系数D回波的过程中，也采集了对应每个第五设定时间的横向弛豫时间T₂的回波串，在采集纵向弛豫时间T₁回波的过程中，也采集了对应每个第四设定时间的横向弛豫时间T₂的回波串，因此，可将获得的上述纵向弛豫时间T₁、扩散系数D、横向弛豫时间T₂组成的三维空间来显示上述数据，组成三维T₁-D-T₂的分布图，通过该三维分布图可以获得样品孔隙的大小、充满流体的情况并直接确定充满流体的类型。可进一步的反应样品中流体内在的性质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种核磁共振分析仪，包括射频电路和磁体，其特征在于，还包括：

玻璃管，所述玻璃管内用于放置待测样品，所述玻璃管相对于所述磁体固定设置，且置于所述磁体产生的磁场中；

第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈分别缠绕于所述玻璃管的外表面并分别与所述射频电路相连，且所述第一线圈置于所述磁体产生的均匀磁场处，所述第二线圈置于所述磁体产生的梯度磁场处。

2.根据权利要求1所述核磁共振分析仪，其特征在于，所述磁体包括：

第一磁体装置，包括多个第一磁块，每个所述第一磁块为大小相等的永磁体；

第一固定盘，所述第一固定盘为环形，所述第一固定盘上沿周向均匀开设有数个第一通孔，每个所述第一磁块分别穿过所述第一通孔并固定于所述第一固定盘上；

第二磁体装置，包括与所述第一磁块数量、形状和尺寸均相同的多个第二磁块；

第二固定盘，所述第二固定盘为环形，所述第二固定盘上沿周向均匀开设有数个第二通孔，每个所述第二磁块分别穿过所述第二通孔并固定于所述第二固定盘上，且各第二磁块与各第一磁块相对于磁体的中心对称设置；

其中，所述第一固定盘和第二固定盘分别固定于支撑杆上。

3.根据权利要求2所述核磁共振分析仪，其特征在于：所述支撑杆为螺杆，所述螺杆依次穿过所述第一固定盘和第二固定盘；

所述第一固定盘和第二固定盘均为三个，所述第一固定盘分别设置于所述多个第一磁块的两端边缘和中间位置；所述第二固定盘分别设置于所述多个第二磁块的两端边缘和中间位置。

4.根据权利要求3所述核磁共振分析仪，其特征在于：所述螺杆的数量为32个，平均分为两组，每组中的16个螺杆分别形成一环状，每组中的各螺杆均匀分布依次穿过所述第一固定盘和第二固定盘。

5.根据权利要求2或3所述核磁共振分析仪，其特征在于：各所述第一磁块和第二磁块均为横截面为正方形的长方体状永磁体；所述第一磁块和第二磁块的数量均为16个。

6.根据权利要求2或3所述核磁共振分析仪，其特征在于：

所述玻璃管的长度与所述磁体轴向方向上的长度相等，且所述玻璃管的中心轴线与所述磁体的中心轴线重合；

所述第一线圈缠绕于所述玻璃管的外表面且设置于所述玻璃管的管体中间处，所述第二线圈缠绕于所述玻璃管的外表面且邻近所述玻璃管的管体端部边缘处设置。

7.一种核磁共振测量方法，该测量方法采用权利要求1-6任一项所述的核磁共振分析仪，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于第一线圈所在的位置；

步骤2、在所述磁体形成的均匀静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤3、向所述第一线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤4、在所述第一射频脉冲停止第一设定时间后，向所述第一线圈施加一自旋回波脉冲序列以采集产生回波串；

步骤5、改变所述第一设定时间，重复所述步骤3和4以分别采集数个不同第一设定时间下产生的回波串；

步骤6、根据采集到的所述各回波串进行核磁共振分析。

8.根据权利要求7所述的核磁共振测量方法，其特征在于，所述第一射频脉冲由数个90°脉冲组成，每个脉冲之间的间隔时间按照线性规律递减。

9.一种核磁共振测量方法，该测量方法采用权利要求1-6任一项所述的核磁共振分析仪，其特征在于，所述方法包括：

步骤10、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于第二线圈所在的位置；

步骤20、在所述磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤30、向所述第二线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤40、在所述第一射频脉冲停止第二设定时间后，向所述第二线圈施加一个90°脉冲和一个180°脉冲以采集产生的第一个回波，所述90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第三设定时间；

步骤50、在不同的第二设定时间下，改变所述第三设定时间，重复所述步骤30和步骤40以分别采集对应各第二设定时间和各第三设定时间产生的第一个回波；

步骤60、根据采集到的所述各回波进行核磁共振分析。

10.一种核磁共振测量方法，该测量方法采用权利要求1-6任一项所述的核磁共振分析仪，其特征在于，所述方法包括：

步骤100、将待测样品放置于所述玻璃管内并置于所述第二线圈所在的位置；

步骤200、在所述磁体形成的梯度静磁场处对待测样品中的自旋原子核进行磁化使所形成的宏观磁化强度矢量与外加静磁场方向相同；

步骤300、向所述第二线圈施加第一射频脉冲将所述宏观磁化强度矢量扳转90°；

步骤400、与所述第三射频脉冲序列的最后一个脉冲相隔第四设定时间后，向所述第二线圈施加一个90°脉冲、一个180°脉冲和一180°脉冲序列以分别采集产生的第一个回波和第一个回波之后的回波串，所述90°脉冲和180°脉冲之间的时间间隔为第五设定时间，所述180°脉冲序列中每个脉冲之间的间隔为第六设定时间，所述180°脉冲与所述180°脉冲序列的第一个脉冲之间的时间间隔为第五设定时间与二分之一第六设定时间之和；

步骤500、在不同第四设定时间下，改变所述第五设定时间，重复所述步骤300和步骤400以分别采集对应各第五设定时间和各第六设定时间产生的第一个回波和第一个回波后面的回波串；

步骤600、根据采集到的所述各回波和各回波串进行核磁共振分析。

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