肖立志,于慧俊,劉化冰,李 新,郭葆鑫,ANFEROVA S,ANFEROV V

(中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

新型核磁共振孔隙介質(zhì)分析儀的研制

肖立志,于慧俊,劉化冰,李 新,郭葆鑫,ANFEROVA S,ANFEROV V

(中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249)

研制一種新型低場核磁共振孔隙介質(zhì)分析儀,通過對不同直徑巖樣的實際測量,可以快速提供含流體孔隙介質(zhì)的T2分布,T1分布,T1-T2和D-T2二維分布等重要信息,證實了儀器的合理性,有效性,及便捷性。采用Halbach磁體和可變尺寸開槽法拉第屏蔽螺線管天線,方便了樣品制備和探測效率。低成本線性功率放大器的輸出功率可達250 W,能夠滿足線圈激勵要求,并降低成本。有源場效應(yīng)管組成的隔離電路工作頻率較寬,具有通用性。射頻三極管組成的負反饋放大電路作為前置放大電路的第一級保證接收回路的低噪聲設(shè)計,三極管集電極電流由運放為核心的虛擬電流源,使電路設(shè)計簡化。DSP和FPGA作為主控電路的運算和邏輯控制單元,使回波信號提取和脈沖序列時序生成更靈活。

核磁共振分析儀；低場；孔隙介質(zhì)；Halbach磁體；探測效率

低場核磁共振分析儀在孔隙介質(zhì)測試中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。巖石是一種重要的孔隙介質(zhì),核磁共振巖心分析可以提供孔隙度、滲透率等參數(shù),還能夠?qū)讖椒植?、孔隙連通性等進行測量分析,因而在儲層評價和測井機制研究中發(fā)揮重要作用[1-3]。同時,二維核磁共振技術(shù)的迅速發(fā)展進一步拓展了核磁共振在巖心等孔隙介質(zhì)分析中的應(yīng)用[4,5]。目前國內(nèi)外低場核磁共振分析儀磁體多采用H型結(jié)構(gòu),對樣品的直徑和長度有一定限制,更換樣品時,由于電導(dǎo)率差異,天線阻抗和諧振頻率會發(fā)生變化[6],為保證測量結(jié)果的準確性需要對調(diào)諧電路進行調(diào)諧,增加了實驗復(fù)雜度。筆者提出并研制一種新型低場核磁共振孔隙介質(zhì)儀,通過實際測量,快速提供含流體孔隙介質(zhì)的T2分布,T1分布,T1-T2和D-T2二維分布等重要信息。儀器采用Halbach磁體和可變尺寸開槽法拉第屏蔽螺線管天線,使探測效率得以提高。

1 傳感器設(shè)計

核磁共振分析儀傳感器由磁體和天線組成,分別產(chǎn)生核磁共振測量中的B0靜磁場與B1射頻場。磁體采用改進型Halbach磁體結(jié)構(gòu),由兩組磁體陣列組成[7-9]。每組磁體陣列包含24塊尺寸為40×40 ×100 mm3的釹鐵硼磁體,組合形成一個半徑R1= 160 mm的磁環(huán),其磁體排列和磁場分布如圖1(a)所示。通過調(diào)整兩組磁體陣列之間的間隔來優(yōu)化整個磁體系統(tǒng)內(nèi)部靜磁場B0的均勻度,采用有限元軟件模擬得到選取17 mm為最優(yōu)的磁體排列間隔。最終所制作的磁體靜磁場強度為103.8 mT,對應(yīng)的氫核拉莫爾頻率為4.42 MHz,整個磁體系統(tǒng)質(zhì)量W =40 kg。在中心對應(yīng)半徑R2=12 mm,長度L=40 mm的區(qū)域內(nèi)其磁場梯度G=1 mT/cm；在中心對應(yīng)半徑R3=60 mm,長度L=100 mm的區(qū)域內(nèi)靜磁場梯度G=3 mT/cm。

圖1 Halbach磁體和開槽法拉第屏蔽螺線管線圈截面圖Fig.1 Halbach magnet and solenoid coil with slotted Faraday shielding

采用經(jīng)典的螺線管線圈作為天線,用以提供軸向方向上與靜磁場B0相垂直的B1射頻場。為避免樣品與線圈之間的電場耦合對調(diào)諧電路阻抗和頻率的影響,在樣品和線圈之間加入開槽法拉第屏蔽。由于該屏蔽的使用,在更換樣品時無需重新調(diào)諧,使得測量更加方便。針對半徑為12 mm的標準巖心樣品,設(shè)計了半徑Rc=15 mm、長度L=30 mm和匝數(shù)為20的線圈。此線圈采用0.8 mm粗的銅線,纏繞在半徑為Rg=14 mm的玻璃管上。開槽法拉第屏蔽的半徑為Rs=15 mm、開槽個數(shù)為4、開槽寬度為3 mm。開槽法拉第屏蔽螺線管的截面圖如圖1(b)所示。所設(shè)計的15 mm線圈其品質(zhì)因數(shù)為40,電感為9.4 μH。根據(jù)被測樣品的尺寸,可以更換半徑范圍為15～65 mm的射頻線圈,對半徑為12 mm的標準巖心到半徑為60 mm的全直徑巖心進行測量分析。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計

核磁共振分析儀的工作原理是通過天線發(fā)射一系列特定頻率且強度、持續(xù)時間和間隔時間滿足核磁共振脈沖序列時序要求的大功率射頻脈沖,激發(fā)樣品中的氫核產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象,之后通過天線接收產(chǎn)生的微弱自旋回波信號[10]。由于核磁共振巖心分析儀采用同一天線來完成射頻脈沖的發(fā)射和回波信號的接收,需設(shè)計專門的電路來對接收回路進行高壓隔離保護。

核磁共振分析儀電子線路由功率放大電路、隔離電路、前置放大電路、帶通濾波電路、主控電路和電源組成,如圖2所示。

圖2 核磁共振分析儀電子線路框圖Fig.2 Block diagram of NMR analyzer circuits

2.1 功率放大電路

功率放大電路采用低成本金屬氧化物場效應(yīng)管(MOS管)實現(xiàn)線性功率放大,其原理如圖3所示。功率放大電路由三級放大器組成,第一級放大器采用寬帶高動態(tài)范圍射頻放大器MAV-11SM+,第二、三級放大器分別采用低成本MOS管IRF510和IRF640。第一級和第二級放大器、第二級和第三級放大器、第三級放大器和天線之間通過阻抗變換變壓器T1、T2、T3相連,T1、T2、T3的初次級匝數(shù)比分別為3∶1、2∶1、1∶2.5。第二級、第三級放大器采用B類推挽式線性放大設(shè)計,所有MOS管通過MOS管驅(qū)動器EL7202CS來提供柵極電壓。為避免在回波采集期間,功率放大電路對接收回路造成噪聲干擾,MOS管驅(qū)動器由發(fā)射門控信號控制從而保證電路只在脈沖發(fā)射時有功率輸出。使用Agilent公司的MSO6032A示波器、Tektronix公司的AFG3021B信號發(fā)生器和Bird公司的250 W、50 Ω負載對所開發(fā)的功率放大電路進行了系統(tǒng)測試。將功率放大電路的輸入信號幅值固定為500 mV,改變輸入信號的頻率測量得到電路的輸出功率隨頻率的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯鲈趦x器工作頻率范圍內(nèi)其功率可達250 W,增益約為50 dB。

圖3 功率放大電路原理圖Fig.3 Schematic of power amplifier

圖4 功率放大電路頻率曲線Fig.4 Frequency characteristic curve of power amplifier

2.2 隔離電路

圖5 隔離電路框圖Fig.5 Block diagram of separation circuit

射頻脈沖的發(fā)射和回波信號的接收采用同一天線,脈沖發(fā)射時天線兩端的電壓為幾百伏,而回波信號的幅值在幾微伏至幾百微伏之間,所以在前置放大電路與天線之間需要隔離電路來進行高壓隔離保護。隔離電路在脈沖發(fā)射、能量泄放和回波接收這三種不同的狀態(tài)下工作,其原理框圖如圖5所示。在射頻脈沖發(fā)射階段,MOS管Q1和Q2斷開,Q3閉合,前置放大電路的輸入端與天線斷開且短接到地,由此來保護前置放大電路和減少前置放大電路的飽和恢復(fù)時間；在脈沖發(fā)射完成2 μs后進入能量泄放階段,MOS管Q1、Q2和Q3閉合,這三個場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻串聯(lián)在一起并聯(lián)在天線兩端,將天線的Q值變低來快速泄放天線中儲存的能量從而減小天線的恢復(fù)時間；在回波信號接收階段,MOS管Q1和Q2閉合,Q3斷開,回波信號進入前置放大電路進行放大。

2.3 前置放大電路

前置放大電路是電子線路中非常重要的電路模塊,關(guān)系到整個儀器的信噪比和最終的數(shù)據(jù)質(zhì)量。核磁共振回波信號非常微弱,其幅值在幾微伏至幾百微伏之間,這就要求前置放大電路具有很高的增益和很低的噪聲。

前置放大電路的低噪聲設(shè)計原則是獲得最小的噪聲系數(shù)。由級聯(lián)放大器的噪聲系數(shù)公式即弗里斯公式可知,第一級放大器的噪聲系數(shù)和增益對整個儀器的噪聲性能起著決定性的作用[11]。本設(shè)計為由兩級放大組成的低噪聲寬帶放大電路,第一級放大采用以低噪聲、高寬帶射頻三極管BFP183W為核心的負反饋放大電路來保證前置放大電路獲得盡可能低的噪聲和較高的增益,三極管的集電極電流由運算放大器組成的虛擬電流源提供；第二級放大以電流反饋型放大器AD8011為核心,其原理如圖6所示。Q1的集電極連接到由電阻R52、R51和運放U1組成的虛擬基準源,進而,Q1的靜態(tài)集電極電流由電阻R53和R54決定。Q1的靜態(tài)集電極電流近似為4.3 mA,增益由R13和R12的阻值決定其值為40 dB。D3、D4、D5和D6在脈沖發(fā)射時對三極管Q1進行保護；同時在脈沖發(fā)射時通過控制MOS管Q2將前置放大電路的輸入短接到地對前置放大電路進行保護進而減小電路的飽和恢復(fù)時間。為避免由于控制脈沖快速關(guān)斷產(chǎn)生振鈴進而影響前置放大電路的恢復(fù)時間,來自主控電路的控制信號要經(jīng)電阻R25、R26、R27和電容C44后變?yōu)椤败浛刂泼}沖”。第一級放大器使用鐵盒和銅盒在電路板上進行雙層屏蔽,整個電路安裝在屏蔽鋁盒內(nèi)以減小外界的電磁干擾。同時設(shè)計了帶通濾波電路來減小前置放大電路所引入的寬帶噪聲。帶通濾波電路為由四階低通和四階高通組成的八階巴特沃斯有源濾波器,其通帶頻率為4.4～4.6 MHz。使用Agilent公司的MSO6032A示波器、Tektronix公司的AFG3021B信號發(fā)生器和Telonic Berkeley公司的8120S步進衰減器(最大衰減為100 dB),對前置放大電路進行系統(tǒng)測試。將前置放大電路的輸入信號幅值固定為1 mV,以1 MHz為步進值改變輸入信號的頻率得到電路的頻率特性曲線如圖7所示。從圖7可以看出,前置放大電路在1～25 MHz的頻率范圍內(nèi)增益基本穩(wěn)定,約為56 dB。

圖6 前置放大電路原理圖Fig.6 Schematic drawing of preamplifier

圖7 前置放大電路的頻率特性曲線Fig.7 Frequency characteristic curve of preamplifier

2.4 主控電路

主控電路是儀器的控制和采集核心,產(chǎn)生所有的時序和控制信號,對放大后的回波信號進行采集和處理,完成與上位機的通信等,主要由數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)組成,其框圖如圖8所示。DSP通過通用串行總線2.0(USB2.0)或控制器局域網(wǎng)(CAN)總線實現(xiàn)與上位機的通信,通過并行總線實現(xiàn)與FPGA的通信,通過數(shù)字相敏檢波算法處理數(shù)字化的回波信號獲取回波串數(shù)據(jù)。FPGA按照一維或二維脈沖序列的時序要求,產(chǎn)生發(fā)射、隔離和回波采集等控制命令,并使用內(nèi)部存儲單元實現(xiàn)14位,存儲深度為8192的同步先入先出(FIFO)存儲器。ADC將放大后的模擬回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,其采樣時鐘由FPGA提供,同時此時鐘也作為FIFO存儲器的寫使能信號。DDS為脈沖序列的生成、儀器控制和回波采集等提供基準時鐘；DDS的輸出取決于拉莫爾頻率,其頻率是8倍的拉莫爾頻率。

FPGA作為脈沖序列生成器,實現(xiàn)了測量橫向弛豫過程的CPMG脈沖序列、測量縱向弛豫過程的反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列、測量縱向過程和橫向弛豫過程的縱向弛豫編輯脈沖序列、測量橫向弛豫過程和擴散系數(shù)的擴散編輯脈沖序列和多維CPMG脈沖序列,各寄存器參數(shù)可通過上位機軟件靈活更改。同時FPGA作為控制邏輯核心,按照特定脈沖序列的時序要求,在90°和180°脈沖發(fā)射期間產(chǎn)生發(fā)射門控信號和發(fā)射脈沖；在脈沖發(fā)射和天線恢復(fù)期間產(chǎn)生兩路隔離控制信號和一路前放控制信號。為滿足線性功率放大電路對輸入信號的要求,發(fā)射脈沖經(jīng)鉗位放大器和四階巴特沃斯低通濾波器后將方波信號轉(zhuǎn)換為幅值為500 mV的正弦信號。

圖8 主控電路框圖Fig.8 Block diagram of main control circuit

為了提高回波數(shù)據(jù)的信噪比和降低對抗混疊濾波器的要求,采樣頻率定為8倍的拉莫爾頻率。本設(shè)計采用Analog Devices公司研制的14位,最高采樣頻率為65 MHz的高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244。AD9244為流水線結(jié)構(gòu)單電源供電的并行CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器；輸入信號幅值可以設(shè)定為1 V和0.5 V。為保證采集部分具有很高的信噪比,ADC輸入采用差分輸入,輸入信號幅值選定為1 V。為適應(yīng)大的信號動態(tài)范圍,設(shè)計了36 dB的程控增益放大器,并以6 dB步進量連續(xù)調(diào)節(jié),控制碼為3位。根據(jù)對信號頻率范圍和信噪比的要求,設(shè)計了八階巴特沃斯有源帶通濾波器,通帶頻率為4.4～4.6 MHz。

核磁共振回波信號的信噪比低,利用回波信號和噪聲不相關(guān)的特點,采用基于相關(guān)檢測的數(shù)字相敏檢波算法可以得到回波信號的幅度和相位信息[12,13]。其基本原理是相位差為90°的兩路參考信號sin(ωt)和cos(ωt)與帶有噪聲的回波信號∑Acos ((ω+Δω)t+φ)+n(t)相乘產(chǎn)生具有一定相位差的直流分量和倍頻分量,經(jīng)積分器濾除倍頻分量和降低噪聲后,通過算術(shù)運算得到回波的幅度和相位信息。積分器采用分段式累加平均方式來實現(xiàn)。

整個主控電路的工作流程為:DSP通過USB2.0或CAN總線接收來自于上位機的頻率字、測量模式(T2測量、T1測量或T1-T2測量等)和測量參數(shù)(極化時間、180°脈沖寬度、回波間隔、回波個數(shù)和平均次數(shù))等信息,并通過并行總線將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA。FPGA產(chǎn)生滿足特定脈沖序列的時序和控制命令,并在回波采集期間啟動采集,同時將ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫存在FPGA內(nèi)部的FIFO存儲器中。在本次回波采集完成后由FPGA產(chǎn)生中斷信號, DSP接收到中斷信號后將暫存在FIFO中的數(shù)據(jù)讀出,并進行數(shù)字相敏檢波處理得到此回波的實部和虛部信息,并保存到SRAM存儲器中,處理完成后等待下一次回波采集,如此反復(fù),直到達到設(shè)定的回波個數(shù),一次回波串數(shù)據(jù)采集結(jié)束,然后將采集到的回波串數(shù)據(jù)上傳給上位機進行預(yù)處理和反演等。

3 系統(tǒng)測試

以孔隙度為13.2%,滲透率為0.13×10-3μm2的砂巖巖心為被測樣品,對該新型核磁共振巖心分析儀進行了系統(tǒng)測試。用抽真空加壓飽和實驗裝置對巖心樣品進行抽真空和加壓飽和處理,經(jīng)CPMG脈沖序列測量刻度后,得到的核磁共振孔隙度為12.5%,利用SDR模型計算得到的核磁共振滲透率為0.09×10-3μm2。

采用縱向弛豫編輯脈沖序列對該樣品進行T1-T2分布測量[14],采集參數(shù)如下:回波間隔tE=0.16 ms,采用對數(shù)均勻布點方式在0.5～2000 ms范圍內(nèi)對T1編輯時間進行布點35個。其中在5個T1編輯時間下的回波串衰減曲線如圖9(a)所示,其信噪比為207(疊加48次)。對采集到的回波串數(shù)據(jù)進行二維反演,得到的T1-T2分布如圖9(b)所示。從圖9 (b)中可以看出,弛豫時間T1-T2分布主要集中在短弛豫時間的范圍內(nèi),表明該巖石孔隙類型以小孔隙為主,因此滲透率相對較低。在孔隙的弛豫機制中,相較于縱向弛豫時間,橫向弛豫時間還受到了擴散項的影響,因此二維分布的T1/T2值大于等于1。

圖9 砂巖樣品核磁共振測量結(jié)果Fig.9 NMR experimental result of sandstone sample

4 結(jié) 論

(1)研制了一種新型低場核磁共振孔隙介質(zhì)分析儀,巖樣測量證實了其有效性和便捷性。

(2)儀器傳感器由Halbach磁體和開槽屏蔽法拉第屏蔽天線組成,使樣品直徑不受限制且樣品對線圈調(diào)諧電路的頻率和阻抗影響較小,更換樣品時無須重新調(diào)諧。

(3)低成本線性功率放大器的輸出功率可達250 W,滿足線圈激勵要求,降低儀器成本；有源場效應(yīng)管組成的隔離電路工作頻率較寬,具有通用性。

(4)射頻三極管組成的負反饋放大電路作為前置放大電路的第一級保證接收回路的低噪聲設(shè)計,三極管集電極電流由運放為核心的虛擬電流源使電路設(shè)計大大簡化。

(5)DSP和FPGA作為主控電路的運算和邏輯控制單元,使回波信號提取及脈沖序列時序生成更靈活。

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(編輯 修榮榮)

A novel low field nuclear magnetic resonance analyzer for porous media

XIAO Li-zhi,YU Hui-jun,LIU Hua-bing,LI Xin,GUO Bao-xin,ANFEROVA S,ANFEROV V
(State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

A novel low field nuclear magnetic resonance(NMR)analyzer for porous media was presented.The analyzer permits analysis on water-saturated full cylindrical cores either in the laboratory or at the oil-well field with one-dimensional or two-dimensional measurements,and it can provide T2distribution,T1distribution and 2D T1-T2maps.The rock test results show that porous media including rock can be measured accurately by one dimensional and two dimensional methods via the analyzer.The sensor consists of an improved Halbach magnet and exchangeable solenoid coils with slotted Faraday shielding. The low cost,linear power amplifier built in IRF510 and IRF640 produces power up to 250 W with gain of about 50 dB.The active de-coupler uses MOSFET controlled by digital circuit to protect the receiver channel.The gain of wideband preamplifier is 56 dB；the first stage utilizes a low noise wideband discrete RF transistor so that the noise introduced by the preamplifier is negligible.The digital signal processor(DSP)and field programmable gate array(FPGA)are employed to obtain the flexible logic control and powerful data processing,to generate all timing and control signal based on one-dimensional or two-dimensional pulse sequence and obtain the echo train data with digital phase sensitive detection(DPSD).

NMR analyzer；low field；porous media；Halbach magnet；measurement efficiency

P 631.64

A

1673-5005(2013)03-0068-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.011

2012-12-05

國家“863”項目(2013AA064605)和引智基地項目(B13010)

肖立志(1962-),男,教授,博士,主要從事石油測井和極端條件核磁共振探測及其應(yīng)用的研究。E-mail:xiaolizhi@cup.edu.cn。