CN107144885B - 一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法，其中所述的核磁共振探测系统包括：发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后通过反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。本发明解决了现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

Description

一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法

技术领域

本发明涉及地质探测技术领域，尤其涉及一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法。

背景技术

地面核磁共振方法(Surface nuclear magnetic resonance，简称SNMR)用于地下水的探测已经有近40年的时间。由于其具有直接探测地下水的性质，该方法已经在水文地质，工程地质中得到了较为广泛的应用。

现有技术中对地下灾害水源的探测方法，一般采用上述SNMR方法，首先由发射系统向线圈中发射一段时间的交变电流，激发地下水中的氢核产生核磁共振现象。然后由转换开关控制线圈从发射状态向接收状态转变，并通过与线圈连接的接收系统对NMR信号进行检测、调理、放大，从而得到含水层信息。

本申请发明人在实现本发明的技术方案时，发现现有技术中至少存在如下问题：

现有SNMR方法，由于核磁共振装置中发射线圈与接收线圈为同一个线圈，需要通过一个转换开关来控制同一个线圈从发射状态向接收状态转变。当激发电流停止后，通过转换开关控制线圈从发射状态向接收状态转变，即从激发系统转换到接收系统开始接收信号，而这个过程需要一定的间隔时间，也称之为死区时间，在该时间内核磁共振装置的主机无法接收到信号，由于上述死区时间的存在，主机接收到的信号已经过了严重的衰减，导致得出探测信息不准确的问题。

可见，现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法，用以解决现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致的探测信息不准确的技术问题。

本发明公开了一种基于地井模式的核磁共振探测系统，所述系统包括：

发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；

接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；

其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，所述接收机的数量至少为两个，所述接收线圈的数量与所述接收机的数量相同。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，所述接收线圈为多匝线圈。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，所述接收线圈的直径与所述井下空间的宽度相适应。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，所述接收机与所述主机之间的时钟同步。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，供电模块，所述供电模块包括外接电源和变压器，所述变压器用于将所述外接电源的电压转换为所述发射模块所需的电压。

本发明提供的基于地井模式的核磁共振探测系统中，调谐电容，用于将发射电流频率调协为系统测量地点的拉莫尔频率。

本发明还提供了一种基于地井模式的核磁共振探测方法，采用核磁共振探测系统实现，其中所述方法包括：

获取置于地面的发射线圈的第一相关参数，所述第一相关参数包括发射线圈的中心位置和大小；

获取置于井下的接收线圈的第二相关参数，所述第二相关参数包括接收线圈的匝数、半径、深度和中心位置；

根据所述接收线圈的中心位置和所述发射线圈的中心位置，获得所述接收线圈相对于所述发射线圈的第三相关参数，其中，所述第三相关参数包括收线圈的相对于激发线圈的距离和接收线圈相对于激发线圈的方位角；

根据所述第一相关参数、所述第二相关参数和所述第三相关参数，获得所述接收线圈的核矩阵；

获取接收机采集的井下信号，并根据所述井下信号获得原始数据；

根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息。

上述方法中，在所述获取置于地面的发射线圈的第一相关参数之前，还包括：

获取所述系统的测量地点的拉莫尔频率；

将所述发射模块所发射的电流频率调整成所述拉莫尔频率。

上述方法中，所述根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息，包括：

将所述核矩阵合并成第一总矩阵数据；

将所述原始数据合并成第二总矩阵数据；

对所述第一总矩阵数据和所述第二总矩阵数据进行反演，获得反演结果，以所述反演结果作为所述分布信息。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的一种基于地井模式的核磁共振探测系统，所述系统包括：发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。由于本申请核磁共振探测系统中，采用发射线圈与接收线圈分离的方式(发射线圈置于地面，接收线圈置于井下)，且接收模块中的接收机不通过导线与发射模块的主机连接，从而接收机可以自主进行数据的采集，对于现有的SNMR而言，不需要由发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，避免了死区时间的出现，可以进行全时域的测量，从而得到的信号更全，进而提高探测信息的准确性。现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中提供的一种基于地井模式的核磁共振探测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种基于地井模式的核磁共振探测方法的流程图；

图3为现有技术中核磁共振探测方法的工作模式图；

图4为本发明实施例提供基于地井模式的核磁共振探测方法的工作模式图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于地井模式的核磁共振探测系统及方法，用以解决现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致的探测信息不准确的技术问题。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

一种基于地井模式的核磁共振探测系统，所述系统包括：发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。

本申请采用的上述系统，由于采用发射线圈与接收线圈分离的方式(发射线圈置于地面，接收线圈置于井下)，且接收模块中的接收机不通过导线与发射模块的主机连接，从而接收机可以自主进行数据的采集，对于现有的SNMR技术而言，不需要由发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，避免了死区时间的出现，可以进行全时域的测量，从而得到的信号更全，进而提高探测信息的准确性。现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种基于地井模式的核磁共振探测系统，请参见图1，所述系统包括：

发射模块1，包括主机11、与所述主机11连接的PC机12和与所述主机连接的发射线圈13，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；

接收模块2，与所述发射模块通信连接，包括接收机21和与所述接收机连接的接收线圈22，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；

其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由专业的反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。

上述系统，由于采用发射线圈与接收线圈分离的方式(发射线圈置于地面，接收线圈置于井下)，且接收模块中的接收机不通过导线与发射模块的主机连接，从而接收机可以自主进行数据的采集，对于现有的SNMR而言，不需要由发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，避免了死区时间的出现，可以进行全时域的测量，从而得到的信号更全，进而提高探测信息的准确性。现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

下面，结合图1对本申请提供的基于地井模式的核磁共振探测系统进行详细介绍：

本实施例提供的一种基于地井模式的核磁共振探测系统，所述系统包括：

发射模块1，包括主机11、与所述主机连接的PC机12和与所述主机连接的发射线圈13，其中，所述发射线圈13置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机12用于控制所述发射线圈13的发射过程；

接收模块2，与所述发射模块1通信连接，包括接收机21和与所述接收机21连接的接收线圈22，其中，所述接收线圈22用于接收含水体产生的核磁共振响应信号，所述接收机21用于采集基于所述激发磁场而产生的井下信号；

其中，所述接收机21能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。

具体来说，本申请的地井模式的核磁共振探测系统中，可以通过在PC机中的安装程序来控制发射线圈的发射过程，本申请提供的系统，发射线圈与接收线圈是分离的，发射线圈置于地面，接收线圈置于井下，并且接收线圈与接收机连接，接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，可以通过在接收机中设置计时单元和存储单元来实现，例如在工作前，预设一条初始指令，例如在T＝20ms时进行井下信号采集，这时通过上述计时单元，当达到T＝20ms时，则接收机进入接收装置，即进行井下信号的采集，并通过存储单元来存储上述井下信号，这样就不需要经过发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，从而避免了死区时间的出现，然后接收机将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。在收发共圈的模式下，接收线圈和发射线圈都位于地面。电磁场从发射线圈传播到含水层激发产生核磁共振现象，水中氢核弛豫释放的能量再从含水层传回到地面被接收，这两个过程中电磁场都会随着传播距离增大而迅速衰减，这也使得SNMR方法的探测深度有限。本申请中由于接收线圈置于井下，并且接收线圈与接收机连接，可以提高探测的深度。

为了进一步提高探测信息的准确性，所述接收机的数量至少为两个，所述接收线圈的数量与所述接收机的数量相同，作为优选，可以在距离发射线圈的一定深度，分别设置多个接收机和接收线圈。

为了得到加强的井下信号，所述接收线圈为多匝线圈。

进一步地，所述接收线圈的直径与所述井下空间的宽度相适应，由于接收线圈所摆放的环境一般都是在非常狭小的隧道或者巷道之内，因此采用的接收线圈的直径要与井下空间想适应，接收线圈一般为小线圈，可以根据实际环境进行选择，例如接收线圈的边长或者直径为2m、5m等。

进一步地，所述接收机与所述主机之间的时钟同步，在具体的实施过程中，在系统进入工作之前先让主机与接收机之间的时钟同步，然后依据主机中的时间节点来记录时间，再依据该时间节点对接收机中的存储的信号进行处理。

所述系统还包括：供电模块，所述供电模块包括外接电源14和变压器15，所述变压器用于将所述外接电源的电压转换为所述发射模块所需的电压。

调谐电容16，用于将发射电流频率调协为系统测量地点的拉莫尔频率。

需要说明的是，本实施例提供的系统各部分的连接和实现可以参见现有的核磁共振系统，在本发明中不再详述。

实施例二

基于与实施例一同样的发明构思，本发明实施例二提供了一种基于地井模式的核磁共振探测方法，采用实施例一所述的核磁共振探测系统实现，请参见图2,所述方法包括：

步骤S201：获取置于地面的发射线圈的第一相关参数，所述第一相关参数包括发射线圈的中心位置和大小；

步骤S202：获取置于井下的接收线圈的第二相关参数，所述第二相关参数包括接收线圈的匝数、半径、深度和中心位置；

步骤S203：根据所述接收线圈的中心位置和所述发射线圈的中心位置，获得所述接收线圈相对于所述发射线圈的第三相关参数，其中，所述第三相关参数包括收线圈的相对于激发线圈的距离和接收线圈相对于激发线圈的方位角；

步骤S204：根据所述第一相关参数、所述第二相关参数和所述第三相关参数，获得所述接收线圈的核矩阵；

步骤S205：获取接收机采集的井下信号，并根据所述井下信号获得原始数据；

步骤S206：根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息。

需要说明的是，上述步骤步骤S201和步骤S202的执行顺序不分先后，可以先执行步骤S201也可以先执行步骤步骤S202。

下面结合图2-图4，对本实施例提供的一种基于地井模式的核磁共振探测方法进行详细介绍。

首先为了说明本发明提供的方法与现有技术中方法的区别，请参见图3-4，图3为现有技术中核磁共振探测方法的工作模式图；图4为本发明实施例提供基于地井模式的核磁共振探测方法的工作模式图。

在现有技术中的核磁共振探测方法的工作模式中，接收机都是采用导线与主机相联的(这一连接导线最长为100m)，并由主机控制接收机的状态。在主机之中有一个继电器由PC机所控制。当核磁共振仪器处于发射状态时，PC机的采集程序控制发射模块，向发射线圈中供入具有拉莫尔频率的电流，从而形成激发磁场(供电时间一般40ms)。之后，PC机控制继电器进行吸后，仪器进入到信号接收状态，将接收的信号经连线返回到PC机进行存储。上述过程中，继电器由发射向接收状态转换需要一定的时间(专业术称为“死区时间”)，一般这个时间为20-40ms。由于死区时间的存在，使这一时间段内的有用信号就无法采集，从而导致探测信息与实际信息间差别较大，探测信息不准确。

而本实施例提供的一种基于地井模式的核磁共振探测方法的工作模式如图4所示，采用发射线圈与接收线圈分离的方式(发射线圈置于地面，接收线圈置于井下)，且接收模块中的接收机不通过导线与发射模块的主机连接，即接收机的状态是独立于主机的，接收机可以自主进行数据的采集，上述方法不需要由发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，避免了死区时间的出现，可以进行全时域的测量，从而得到的信号更全，进而提高探测信息的准确性。现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。本发明提供的方法的具体执行如下所述：

首先执行步骤S201：获取置于地面的发射线圈的第一相关参数，所述第一相关参数包括发射线圈的中心位置和大小。

在具体的实施过程中，可以通过人工或者工具测量的方式，记录发射线圈的中心位置和大小，如果采用的发射线圈为圆形线圈，则大小为发射线圈的直径，如果采用的发射线圈为方形线圈，则大小为发射线圈的边长。

然后执行步骤S202：获取置于井下的接收线圈的第二相关参数，所述第二相关参数包括接收线圈的匝数、半径、深度和中心位置。

在具体的实施过程中，可以通过工具测量的方式测量，接收线圈的匝数、半径、深度和中心位置，如有多个接收线圈，则分别记录每个接收线圈的第二相关参数。

接下来执行步骤S203：根据所述接收线圈的中心位置和所述发射线圈的中心位置，获得所述接收线圈相对于所述发射线圈的第三相关参数，其中，所述第三相关参数包括收线圈的相对于激发线圈的距离和接收线圈相对于激发线圈的方位角。

在具体的实施过程中，由于本实施例提供的方法中，接收线圈与发射线圈是分离的，并且处于不同的深度，这样在数据处理时，核矩阵的计算变得更加复杂。因此，需要测量获得所述接收线圈相对于所述发射线圈的第三相关参数，

接下来执行步骤S204：根据所述第一相关参数、所述第二相关参数和所述第三相关参数，获得所述接收线圈的核矩阵。

在具体的实施过程中，在分别获得发射线圈、接收线圈和接受线圈相对于发射线圈的参数后，可以计算得出接收线圈的核矩阵。

然后执行步骤S205：获取接收机采集的井下信号，并根据所述井下信号获得原始数据；

在具体的实施过程中，通过变压器将所述外接电源的电压转换为所述发射模块所需的电压，从而给主机供电，然后通过接收机采集井下信号，并将所述的井下信号保存于接收机的存储模块之中。

最后执行步骤S206：根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息。

上述基于地井模式的核磁共振探测方法中，在所述获取置于地面的发射线圈的第一相关参数之前，还包括：

获取所述系统的测量地点的拉莫尔频率；

将所述发射模块的发射电流频率调整成所述拉莫尔频率。

在具体的实施过程中，可以通过在施工位置选择几个均匀分布的位置，使用磁力仪观测并计录好各位置的地磁场强度。取几个位置的磁场的平均值，作为该施工点的磁场值。然后根据磁场值的大小，按照公式确定当地的拉莫尔频率。式中γ为磁旋比，B₀为地磁场强度。

具体地，所述根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息，包括：

将所述核矩阵合并成第一总矩阵数据；

将所述原始数据合并成第二总矩阵数据；

对所述第一总矩阵数据和所述第二总矩阵数据进行反演，获得反演结果，以所述反演结果作为所述分布信息。

在具体的实施过程中，可以根据实际需要选择合适的反演算法，例如正则化反演，模拟退火法等方法。

实施例一中的基于地井模式的核磁共振探测系统的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例二的基于地井模式的核磁共振探测方法，通过前述对基于地井模式的核磁共振探测系统的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中的基于地井模式的核磁共振探测方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的一种基于地井模式的核磁共振探测系统，所述系统包括：发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈；接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈；其中，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后由反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。由于本申请核磁共振探测系统中，采用发射线圈与接收线圈分离的方式(发射线圈置于地面，接收线圈置于井下)，且接收模块中的接收机不通过导线与发射模块的主机连接，从而接收机可以自主进行数据的采集，对于现有的SNMR而言，不需要由发射系统的发射模式向接收模式进行转变的过程，避免了死区时间的出现，可以进行全时域的测量，从而得到的信号更全，进而提高探测信息的准确性。现有技术中SNMR方法由于死区时间较长而导致探测信息不准确的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于地井模式的核磁共振探测系统，其特征在于，所述系统包括：

发射模块，包括主机、与所述主机连接的PC机和与所述主机连接的发射线圈，其中，所述发射线圈置于地面，并用于发射激发磁场，所述PC机用于控制所述发射线圈的发射过程；

接收模块，与所述发射模块通信连接，包括接收机和与所述接收机连接的接收线圈，所述接收模块置于井下，其中，所述接收线圈用于接收含水体产生的核磁共振响应信号；

其中，发射线圈与接收线圈分离的方式，接收线圈设置于井下，接收机的状态独立于主机，接收机能自主进行数据的采集，所述接收机能基于预设初始指令进行井下信号采集，并将所述的井下信号保存于存储模块之中，最后反演软件对所述井下信号进行处理从而获得井下分布信息。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收机的数量至少为两个，所述接收线圈的数量与所述接收机的数量相同。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收线圈为多匝线圈。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收线圈的直径与所述井下空间的宽度相适应。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收机与所述主机之间的时钟同步。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：供电模块，所述供电模块包括外接电源和变压器，所述变压器用于将所述外接电源的电压转换为所述发射模块所需的电压。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：调谐电容，用于将发射电流转化为系统测量地点的拉莫尔频率。

8.一种基于地井模式的核磁共振探测方法，采用如权利要求1-7任一项所述的核磁共振探测系统实现，其中所述方法包括：

获取置于地面的发射线圈的第一相关参数，所述第一相关参数包括发射线圈的中心位置和大小；

获取置于井下的接收线圈的第二相关参数，所述第二相关参数包括接收线圈的匝数、半径、深度和中心位置；

根据所述接收线圈的中心位置和所述发射线圈的中心位置，获得所述接收线圈相对于所述发射线圈的第三相关参数，其中，所述第三相关参数包括收线圈的相对于激发线圈的距离和接收线圈相对于激发线圈的方位角；

根据所述第一相关参数、所述第二相关参数和所述第三相关参数，获得所述接收线圈的核矩阵；

获取接收机采集的井下信号，并根据所述井下信号获得原始数据；

根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述获取置于地面的发射线圈的第一相关参数之前，还包括：

获取所述系统的测量地点的拉莫尔频率；

将所述发射模块所发射的电流频率调整成所述拉莫尔频率。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述原始数据和所述核矩阵，获取井下的分布信息，包括：

将所述核矩阵合并成第一总矩阵数据；

将所述原始数据合并成第二总矩阵数据；

对所述第一总矩阵数据和所述第二总矩阵数据进行反演，获得反演结果，以所述反演结果作为所述分布信息。