一种直升机预极化场磁共振油气探测装置及探测方法与流程

本发明涉及一种地下油气资源探测装置，尤其是用直升机预极化场快速探测地下油气资源的装置及探测方法。

背景技术：

石油是一种不可再生的能源，更是国家生存和发展所不可或缺的战略资源，在国家经济、社会发展和国防安全方面起着不可估量的作用。随着我国经济的快速增长、城镇化速度的不断提高以及人口数量的大幅增加，石油被广泛应用于交通运输、工业制造、化工纺织、农业生产等领域。目前石油勘探方法有很多，但存在成本昂贵、抗干扰能力差、探测效率低、安全环保意识弱等问题。核磁共振(nuclearmagneticresonance,nmr)技术在物理、化学和医学领域都曾获得诺贝尔奖，体现了强大的应用前景和研发价值，近几十年更是取得了迅猛地发展，已被广泛应用于资源探测、化学分析、生物医疗等方面，能实现食品检测、岩心含油率分析、非常规能源开发、多孔介质孔径及分布研究等。上世纪70年代石油工业便开始引进核磁共振技术在井中描述储层中油气的静态及动态，为油气藏的勘探开发做出了贡献；然而，钻井费用高、效率低，属于侵入式测量，安全性和环保性差，因此，有必要探索和发展快速高效的非侵入式磁共振油气资源探测装置及探测方法。

专利cn102360703a公开了一种“石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构”，该磁体结构与井轴共轴设置，其包含永磁体磁块和铁磁材料磁块，所述的永磁体磁块和铁磁材料磁块沿井轴方向共轴连接。该发明结构简单，稳定性高，其所产生的静态匀强磁场具有很深的探测深度和足够的磁场强度，可以在井下产生多个不同深度的地层核磁信息，能够满足石油井下核磁共振探测的需要，适用于现代石油勘探钻井的需求。专利cn103852794a公开了一种“烃类污染浅层地下水磁共振检测装置及检测方法”，是由计算机分别连接发射逻辑及控制单元、mcu和信号采集卡，24v电池经dcdc模块、发射逻辑及控制单元、mcu和信号采集卡与信号调理电路连接，储能发射单元与发射逻辑及控制单元连接，储能发射单元经电压电流采集单元和mcu与信号调理电路连接构成。用永磁体提高当地地磁场强度，能够在电力干扰比较严重的地方实施核磁共振测量，有效的提高信噪比，打破因电力干扰严重而不能实施核磁共振的束缚，用自旋回波脉冲能有效的克服磁场不均匀带来的结果不准确的缺点。能够快速准确地检测地下5米内烃类污染。专利cn105549098a公开了一种“地下全空间核磁共振预极化探测装置及探测方法”，是由电脑分别经主控制单元和输出可调的大功率电源与发射桥路驱动、大功率发射桥路、高压切换开关与预极化线圈连接，电脑经a/d采集单元、放大器电路、q-switch电路和配谐电容与接收线圈连接构成。利用磁场强度远大于天然地磁场的预极化场，提高了探测目标水体的整体磁化强度，从而获得更大的核磁共振信号，解决了强噪声干扰下提取核磁共振信号的难题。预极化磁场的方向可以改变，能够实现定向探测。采用该装置对隧道、矿井等地下工程中的灾害水体进行探测时，可以实现对指定方向、特定距离的区域的灾害水源的含水量大小、含水层厚度的探测，减少由于突水等地质灾害造成的各种事故。

上述发明的石油井下核磁共振随钻测井仪的磁体结构采用居中式梯度磁场设计，一次下井可同时获得多个不同深度的地层核磁信息，但探测范围有限，难以实现对地下油渗漏的广泛探测，若采用多处钻井的方式，会增加费用、降低探测效率；烃类污染浅层地下水磁共振检测装置采用永磁体增加磁场强度以检测浅层地下水中的烃类物质，适用于小范围少量目标体的检测，对大范围探测则无能为力；地下全空间核磁共振预极化探测装置主要探测矿井、隧道等全空间地质环境中的灾害水体，在地下狭窄空间内操作，探测距离有限，若将其移至地面进行二维探测，需要铺设多个线圈，并合理的选择线圈组合方式，因而布线复杂，探测效率低，灵活性差，而且针对人员和仪器难以进入的工作地区，不适合采用在地面铺设线圈的方式进行探测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种直升机预极化场磁共振油气探测装置，抗干扰能力强，适用于地下油气资源的快速探测，达到高效率高分辨率原位非侵入式探测的目的，既能节省探测时间，又能获得高信噪比高精度的探测结果，尤其对强噪声地区的地下油气资源探测具有重要意义。

本发明另一方面提供一种直升机预极化场磁共振油气探测方法。

本发明是这样实现的，

一种直升机预极化场磁共振油气探测装置，该装置包括：

吊载在直升机上的预极化线圈和发射/接收线圈；

与预极化线圈以及发射/接收线圈连接的功率发射模块；

控制所述功率发射模块的主控制模块，所述主控制模块通过驱动模块驱动所述功率发射模块；

与主控制模块通讯连接的上位机，在上位机中设置工作参数；

与主控制模块通讯连接的微控制器，通过微控制器经由与蓄电池连接的第一电容充电电源和第二电容充电电源对储能电容并行充电后，通过储能电容与功率发射模块对预极化线圈或发射/接收线圈通入电流。

进一步地，发射/接收线圈将感应到的核磁共振信号经过信号调理模块和信号放大模块后，被信号采集模块采集，传至上位机进行存储。

进一步地，所述上位机与主控制模块连接后向主控制模块传递指令，并通过接收信号采集模块采集信号；主控制模块分别与驱动模块、微控制器、发射/接收线圈及信号采集模块连接，通过主控制模块控制信号采集模块采集信息，通过向微控制器传递指令，控制储能电容的充放电，通过主控制模块控制发射/接收线圈发射或接收的切换。

进一步地，所述装置搭载在直升机上，预极化线圈和发射/接收线圈的线框重叠放置，吊载在直升机下方，通过直升机在预定的飞行轨迹上飞行，到达探测点后，在空中保持停留。

进一步地，所述发射/接收线圈由主控制模块负责切换发射或接收状态。

一种直升机预极化场磁共振油气探测方法，该方法包括：

探测区域上方通过直升机携带预极化线圈和发射/接收线圈；

通过在预极化线圈中通入电流产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度；

预极化过程完成后，通过向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下油中的氢核形成宏观磁矩；

当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过发射/接收线圈感应宏观磁矩进动产生的核磁共振信号；

将感应到的核磁共振信号经过信号调理模块和信号放大模块后，被信号采集模块采集，最后传至上位机进行存储。

进一步地，具体步骤为：

a、根据工作要求选择探测区域，采用直升机搭载预极化场磁共振装置沿预定的飞行轨迹飞行，直升机下方吊载预极化线圈和发射/接收线圈，预极化线圈和发射/接收线圈的线框重叠放置，线圈平面均平行于地面，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地接近地表，使采集的信号幅度最大；

b、在探测区域内选择探测点，直升机飞行到探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置；

c、在上位机中设置工作参数，通过主控制模块对各模块进行协调工作；

d、主控制模块通过微控制器控制蓄电池对第一电容充电电源和第二电容充电电源充电，再由第一电容充电电源和第二电容充电电源并联实现对储能电容的并行充电；

e、主控制模块通过驱动模块对功率发射模块进行控制，向预极化线圈中通入电流，产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度；

f、预极化过程完成后，主控制模块根据上位机设置的交变电流值，由驱动模块控制功率发射模块向发射线圈中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，同时通过电流采集模块采集实际的发射电流值，传至上位机；

g、电流发射完成后，接收线圈感应核磁共振信号，经过信号调理模块和信号放大模块后被信号采集模块采集；

h、信号采集模块将采集到的信号传至上位机进行存储；

i、按照c过程中设置的工作参数，多次重复d-h过程，得到多组磁共振信号；

j、改变发射电流值，由小到大地设置不同脉冲矩的交变电流场，多次重复c-i过程，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下油气产生的实测信号；

k、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到第二个探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置，重复j过程，得到第二个探测点的实测信号；

l、可重复上述k过程，进行多次探测，将多次探测得到的核磁共振信号进行解释，得到地下油气解释结果。

进一步地，所述预极化电流为200～400a，预极化时间为4～8s，所述交变电流为500ma-30a，发射时间为40ms。

进一步地，所述预极化线圈的边长为6～8m，匝数为12～20匝，发射/接收线圈匝数为60～80匝。

进一步地，相邻的两个探测点间距为15～20m。本发明具有如下的优点及有益效果：本发明公开的直升机预极化场磁共振油气探测装置及探测方法，适用于地下油气资源探测，速度快，效率高，可实现原位非侵入式探测的目的，安全环保。有机地结合了预极化场提高磁化强度，可增强信号信噪比的优点。与现有技术相比，采用“空中发射—空中接收”的工作模式，具有操作简便、成本低、通行性好、可大面积覆盖的优势，是一种新型的油气快速探测方法。本发明的提出，既能节省探测时间，又能获得高信噪比高精度的探测结果，抗干扰能力强，解决了传统探测方法应用受限的难题，将为提高我国的油气勘查能力奠定重要的基础，具有良好的推广前景和推广价值，现实意义巨大。

附图说明

图1为直升机预极化场磁共振探测装置现场工作示意图；

图2为直升机预极化场磁共振探测装置结构框图；

图3为直升机预极化场磁共振探测方法的fid信号测量时序；

1上位机，2预极化场磁共振装置，3预极化线圈，4发射/接收线圈，5直升机，6飞行轨迹，7主控制模块，8驱动模块，9功率发射模块，10微控制器，11第一电容充电电源，12第二电容充电电源，13蓄电池，14储能电容，15信号调理模块，16信号放大模块，17信号采集模块，18电流采集模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

直升机预极化场磁共振油气探测方法是一种适用于环境噪声复杂，可大面积覆盖的原位非侵入式探测方法，对地下油气资源的快速探测具有重要意义。

下面结合附图及实施例做进一步说明：

如图1所示，预极化线圈3和发射/接收线圈4吊载在直升机5下方，发射/接收线圈4既作为发射所用的天线，又作为信号接收的线圈，由预极化场磁共振装置2中的主控制模块通过内置的继电器负责切换发射/接收线圈4的发射或者接收状态，通过在预极化线圈3中通入电流产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化过程完成后，通过发射线圈4向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下油中的氢核形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈4感应宏观磁矩进动产生的核磁共振信号，上述发射过程的测量时序和接收信号如图3所示。最后，感应到的核磁共振信号传至上位机1进行存储。

一种直升机预极化场磁共振油气探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、如图1所示，直升机5内部搭载上位机1和预极化场磁共振装置2，直升机5下方吊载预极化线圈3和发射/接收线圈4，预极化线圈3和发射/接收线圈4的线框重叠放置，预极化线圈的边长为6m，匝数为12匝，发射/接收线圈的匝数为60匝，线圈平面均平行于地面，直升机5沿飞行轨迹6飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地接近地表，使采集的信号幅度最大；

b、如图2所示，连接探测装置，上位机1与主控制模块7连接，主控制模块7分别与驱动模块8、微控制器10、发射/接收线圈4及信号采集模块17连接，驱动模块8与功率发射模块9连接，功率发射模块9分别与储能电容14、预极化线圈3、发射/接收线圈4及电流采集模块18连接，电流采集模块18与上位机1连接，微控制器10分别与第一电容充电电源11及第二电容充电电源12连接，第一电容充电电源11及第二电容充电电源12分别与蓄电池13及储能电容14连接，发射/接收线圈4与信号调理模块15连接，信号调理模块15与信号放大模块16连接，信号放大模块16与信号采集模块17连接，信号采集模块17与上位机1连接；

c、根据工作要求选择探测区域，在探测区域内选择探测点，直升机5飞行到探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置；

d、开启预极化场磁共振装置2后，在上位机1中设置工作参数，通过主控制模块7对各模块进行协调工作；

e、主控制模块7通过微控制器10控制蓄电池13对第一电容充电电源11和第二电容充电电源12充电，再由第一电容充电电源11和第二电容充电电源12并联实现对储能电容14的并行充电，进一步提高充电效率；

f、主控制模块7通过驱动模块8对功率发射模块9进行控制，向预极化线圈3中通入电流，产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，通常预极化电流为200a，预极化时间为4s；

g、预极化过程完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为发射线圈，同时主控制模块7根据上位机1设置的交变电流值，由驱动模块8控制功率发射模块9向发射线圈中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，激发油中氢核产生核磁共振信号，发射时间为40ms，同时通过电流采集模块18采集实际的发射电流值，传至上位机1；

h、电流发射完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为接收线圈，接收线圈感应核磁共振信号，经过信号调理模块15和信号放大模块16后被信号采集模块17采集；

i、信号采集模块17将采集到的信号传至上位机1进行存储；

j、按照d过程中设置的工作参数，多次重复e-i过程，得到多组磁共振信号；

k、改变发射电流值，由小到大地设置不同脉冲矩的交变电流场，激发电流的大小由探测深度而定，通常为500ma-30a，多次重复d-j过程，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下油气产生的实测信号；

l、直升机5沿飞行轨迹6继续飞行，飞到第二个探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置，通常相邻的两个探测点间距为15m，重复k过程，得到第二个探测点的实测信号；

m、可重复上述l过程，进行多次探测，将多次探测得到的核磁共振信号进行解释，得到地下油气解释结果。

实施例1

直升机预极化场磁共振油气探测方法是一种适用于环境噪声复杂，可大面积覆盖的原位非侵入式探测方法，预极化线圈3和发射/接收线圈4吊载在直升机5下方，发射/接收线圈4既作为发射所用的天线，又作为信号接收的线圈，由预极化场磁共振装置2中的主控制模块负责切换，通过在预极化线圈3中通入电流产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化过程完成后，通过改变发射线圈4的发射电流向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下油中的氢核形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈4感应宏观磁矩进动产生的核磁共振信号。最后，感应到的核磁共振信号传至上位机1进行存储。

上位机1与主控制模块7连接，主控制模块7分别与驱动模块8、微控制器10、发射/接收线圈4及信号采集模块17连接，驱动模块8与功率发射模块9连接，功率发射模块9分别与储能电容14、预极化线圈3、发射/接收线圈4及电流采集模块18连接，电流采集模块18与上位机1连接，微控制器10分别与第一电容充电电源11及第二电容充电电源12连接，第一电容充电电源11及第二电容充电电源12分别与蓄电池13及储能电容14连接，发射/接收线圈4与信号调理模块15连接，信号调理模块15与信号放大模块16连接，信号放大模块16与信号采集模块17连接，信号采集模块17与上位机1连接构成。

本实施例中直升机预极化场磁共振油气探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、直升机5内部搭载上位机1和预极化场磁共振装置2，直升机5下方吊载预极化线圈3和发射/接收线圈4，预极化线圈3和发射/接收线圈4的线框重叠放置，预极化线圈的边长为6m，匝数为12匝，发射/接收线圈的匝数为60匝，线圈平面均平行于地面，直升机5沿飞行轨迹6飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地接近地表，使采集的信号幅度最大；

b、根据工作要求选择探测区域，在探测区域内选择探测点，直升机5飞行到探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置；

c、开启预极化场磁共振装置2后，在上位机1中设置工作参数，通过主控制模块7对各模块进行协调工作；

d、主控制模块7通过微控制器10控制蓄电池13对第一电容充电电源11和第二电容充电电源12充电，再由第一电容充电电源11和第二电容充电电源12并联实现对储能电容14的并行充电，进一步提高充电效率；

e、主控制模块7通过驱动模块8对功率发射模块9进行控制，向预极化线圈3中通入电流，产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化电流为200a，预极化时间为4s；

f、预极化过程完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为发射线圈，同时主控制模块7根据上位机1设置的交变电流值，由驱动模块8控制功率发射模块9向发射线圈中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，激发油中氢核产生核磁共振信号，发射时间为40ms，同时通过电流采集模块18采集实际的发射电流值，传至上位机1；

g、电流发射完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为接收线圈，接收线圈感应核磁共振信号，经过信号调理模块15和信号放大模块16后被信号采集模块17采集；

h、信号采集模块17将采集到的信号传至上位机1进行存储；

i、按照c过程中设置的工作参数，重复d-h过程16次，得到16组磁共振信号；

j、改变发射电流值，从500ma到30a设置六组不同脉冲矩的交变电流场，重复c-i过程6次，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下油气产生的实测信号；

k、直升机5沿飞行轨迹6继续飞行，飞到第二个探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置，相邻的两个探测点间距为15m，重复j过程，得到第二个探测点的实测信号；

l、重复上述k过程4次，将4次探测得到的核磁共振信号进行解释，得到地下油气解释结果。

实施例2

直升机预极化场磁共振油气探测方法是一种适用于环境噪声复杂，可大面积覆盖的原位非侵入式探测方法，预极化线圈3和发射/接收线圈4吊载在直升机5下方，发射/接收线圈4既作为发射所用的天线，又作为信号接收的线圈，由预极化场磁共振装置2中的主控制模块负责切换，通过在预极化线圈3中通入电流产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化过程完成后，通过发射线圈4向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下油中的氢核形成宏观磁矩，这一宏观磁矩在地磁场中进行旋进运动，当激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过接收线圈4感应宏观磁矩进动产生的核磁共振信号。最后，感应到的核磁共振信号传至上位机1进行存储。

上位机1与主控制模块7连接，主控制模块7分别与驱动模块8、微控制器10、发射/接收线圈4及信号采集模块17连接，驱动模块8与功率发射模块9连接，功率发射模块9分别与储能电容14、预极化线圈3、发射/接收线圈4及电流采集模块18连接，电流采集模块18与上位机1连接，微控制器10分别与第一电容充电电源11及第二电容充电电源12连接，第一电容充电电源11及第二电容充电电源12分别与蓄电池13及储能电容14连接，发射/接收线圈4与信号调理模块15连接，信号调理模块15与信号放大模块16连接，信号放大模块16与信号采集模块17连接，信号采集模块17与上位机1连接构成。

本实施例中直升机预极化场磁共振油气探测方法，包括下列顺序和步骤：

a、直升机5内部搭载上位机1和预极化场磁共振装置2，直升机5下方吊载预极化线圈3和发射/接收线圈4，预极化线圈3和发射/接收线圈4的线框重叠放置，预极化线圈的边长为6m，匝数为12匝，发射/接收线圈的匝数为60匝，线圈平面均平行于地面，直升机5沿飞行轨迹6飞行，控制飞行高度，使线圈在不接触地表障碍物的情况下尽可能地接近地表，使采集的信号幅度最大；

b、根据工作要求选择探测区域，在探测区域内选择探测点，直升机5飞行到探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置；

c、开启预极化场磁共振装置2后，在上位机1中设置工作参数，通过主控制模块7对各模块进行协调工作；

d、主控制模块7通过微控制器10控制蓄电池13对第一电容充电电源11和第二电容充电电源12充电，再由第一电容充电电源11和第二电容充电电源12并联实现对储能电容14的并行充电，进一步提高充电效率；

e、主控制模块7通过驱动模块8对功率发射模块9进行控制，向预极化线圈3中通入电流，产生直流电场，对油中的氢核进行预极化，增加氢核的磁化强度，预极化电流为200a，预极化时间为4s；

f、预极化过程完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为发射线圈，同时主控制模块7根据上位机1设置的交变电流值，由驱动模块8控制功率发射模块9向发射线圈中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，激发油中氢核产生核磁共振信号，发射时间为40ms，同时通过电流采集模块18采集实际的发射电流值，传至上位机1；

g、电流发射完成后，发射/接收线圈4由主控制模块7切换为接收线圈，接收线圈感应核磁共振信号，经过信号调理模块15和信号放大模块16后被信号采集模块17采集；

h、信号采集模块17将采集到的信号传至上位机1进行存储；

i、按照c过程中设置的工作参数，重复d-h过程16次，得到16组磁共振信号；

j、改变发射电流值，从500ma到30a设置八组不同脉冲矩的交变电流场，重复c-i过程8次，由浅入深地对地下进行层状扫描，获取不同深度地下油气产生的实测信号；

k、直升机5沿飞行轨迹6继续飞行，飞到第二个探测点后在空中保持停留，记录该探测点的位置，相邻的两个探测点间距为15m，重复j过程，得到第二个探测点的实测信号；

l、重复上述k过程7次，将7次探测得到的核磁共振信号进行解释，得到地下油气解释结果。解释方法为本领域常规的处理过程，此处不再赘述。

通过本发明方法和装置得到油气的地下分布情况，为油气开采提供理论依据，相比常规方法，本装置与方法增强了接收的磁共振信号强度，提高信号信噪比，提高了探测精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。