岩石核磁共振信号噪声估计与含水量测量实验

邓钥

摘 要 利用实验研究背景噪声与回波间隔、叠加次数两个采集参数的关系，并得到背景噪声信号量估计方法；核磁信号量与样本相对含水量相关性良好，对岩样的核磁信号进行去噪处理，得到的单位体积岩石含水量与样品真值更为接近。

关键词 核磁共振；噪声；含水量；多孔岩石

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）01-0137-02

核磁共振（NMR）是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，当吸收一定频率的电磁波（射频场）辐射，其塞曼能级间产生共振跃迁的现象[1]。核磁共振谱于1945年分别由斯坦福大学的Bloch教授和哈佛大学的Percell教授发现，目前，NMR已在物理、化学、生物、医疗等方面获得广泛应用[2]。在石油勘探领域，通过测量氢核的横向弛豫信号来反映多孔岩石的相对含水量，进而得到岩石的孔隙特征参数。但是当岩石中含水量很少时，核磁信号容易受到噪声的干扰，且其影响通常不可忽略，导致测量结果偏差较多。

1 实验条件

利用纽迈生产的主频为2 MHz的核磁共振信号分析仪，进行标样、岩样和空载条件的核磁共振横向弛豫信号的测量。在恒温25 ℃测量环境下，仪器标准参数设定为：等待时间为6000 ms，叠加次数为32次，回波个数为2000，回波间隔为0.2 ms。考虑到核磁噪声信号主要受回波间隔和叠加次数的设定影响，在噪声分析时根据实验需要改变上述参数。

2 核磁共振背景噪声信号量估计实验

核磁噪声信号提取方法 在岩心室空载条件，测量核磁共振横向弛豫衰减信号。将测量信号做正值处理后，减去其平均值，即为提取的核磁共振噪声信号，如式（1）：

（1）

式中，S（ti）为ti时刻测量的衰减数据，S（ti）′为提取的核磁共振噪声信号，P为回波个数。

背景噪声信号量与回波间隔的关系 岩心室空载条件，其他实验条件不变，只改变回波间隔，测量核磁共振横向弛豫衰减信号。回波间隔（TE）分别设定为0.2 ms、0.4 ms、

0.6 ms、0.8 ms、1 ms、2 ms，根据式（1）提取核磁共振噪声信号，将其转换得到横向弛豫时间（T2）谱，将幅值累加，得到背景噪声信号量Snoise1与回波间隔TE关系（图1）：

Snoise1=26.476TE-1.560 （2）

背景噪声信号量与叠加次数的关系 岩心室空载条件，其他实验条件不变，只改变叠加次数，测量核磁共振横向弛豫衰减信号。叠加次数（NS）分别设定为1、2、4、8、16、32、64、128，由式（1）提取核磁共振噪聲信号，并得到背景噪声信号量Snoise2，其与叠加次数的关系（图2）为：

Snoise2=52.794NS+4.987 （3）

背景噪声信号量估算方法 实验显示，核磁共振背景噪声信号量主要与回波间隔和叠加次数相关。由此，根据多变量回归分析，得到背景噪声信号量Snoise的估计式为：

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

3 样品含水量核磁共振实验测量

首先进行实验刻度，测量标准样品的核磁共振信号，确定其核磁信号总量（Snmr），从中减去估计的背景噪声信号量得到纯净信号（图3）。两种核磁信号量与含水量相关性好，但也存在明显差异，特别是当单位体积含水量较小时，差异的影响不可忽略。去噪的核磁信号与单位体积含水量的关系为：

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

式中，Φ为核磁测量含水量，Snmr为测量核磁共振信号总量，V为样品体积。

进而选取12块饱含水砂岩样品进行核磁共振实验测量，依据式（5）确定岩样的相对含水量，如图4所示，显示去噪后的含水量测量结果更接近样品真值。

4 结论

核磁共振测量信号存在系统背景噪声，其大小受制于测量环境和仪器系统自身。根据不同条件下的核磁共振背景噪声测量，可以建立特定测量条件下的背景噪声估值。在多孔岩石含水量的核磁共振测量时，对测量信号进行去噪处理，特别是当含水量较少时，可以明显改善测量结果的准确性。

参考文献

[1]乔梁.NMR核磁共振[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]高汉宾，张振芳.核磁共振原理与实验方法[M].武汉：武汉大学出版社，2008.