孔隙介质快速定域三维拉普拉斯核磁共振新方法的理论与实验研究

Characterization of porous media is important in the areas of oil & gas exploration and development, enhanced oil recovery, refining and processing. NMR is powerful method to extract information from porous sample. However, it is still difficult to explore local structure & fluids, chemical reaction processing and mechanism of interaction on interface due to the complex pore structure, multi-fluids and interaction on interface in porous media. In order to characterize complicated porous media saturated with fluids, this proposal will develop novel ultra-fast localized NMR pulse sequence (Gint-a-T2，D-a-T2，T1-a-T2) and fast data processing method with the help of combing MRI and Laplace NMR methods. The compressed sensing will be used to accelerate the experiment. The theoretical and LBM simulation research will help to understand the results. This method will detect the local structure and physical chemical properties of sample, and obtain abundant information such as pore structure, pore connectivity, fluids flooding, chemical reaction process, the interaction on the interface between solid and liquid and so on. This project will overcome the difficulties, boost the application of NMR method in oil & gas area and characterizing complex porous media, and put forward the development of NMR theory and technique.

孔隙介质的有效观测和表征在油气勘探、开发、提高采收率、炼制和加工等环节均十分重要，核磁共振是重要手段。但由于其内部异常复杂的结构、多种流体共存的状态以及固液界面相互作用，在局域微观结构和流体行为、化学过程及固液界面作用机制等关键问题上仍缺乏有效的研究方法。本项目针对含流体复杂孔隙介质定量表征的科学问题，以理论和LBM数值模拟研究为基础，通过傅里叶核磁成像和拉普拉斯核磁谱的巧妙结合，并以压缩感知加速实验，开发全新的快速定域脉冲序列（Gint-a-T2，D-a-T2，T1-a-T2）和高分辨快速反演方法，实现对孔隙介质局域结构和物理化学性质的定量探测，为孔隙介质的孔隙结构与连通性、流体流动行为、化学反应过程及固液界面作用机制等提供新的观测手段和表征方法，应用前景广泛。本项目将突破技术瓶颈，提升核磁共振在油气领域及复杂孔隙介质中应用的深度、广度和效率，推动核磁基础理论和应用技术的发展。

孔隙介质微观结构及内部流体行为、分布复杂，对其进行有效观测和表征在油气、建筑、生物等领域都十分重要。该项目以饱和流体孔隙介质为研究对象，实现了创新性的核磁共振表征方法，在国内外知名期刊发表多篇论文，并申请/授权多项国家发明专利，主要研究内容如下：.首先，以Bloch和Torrey本征方程为基础，解析了二维拉普拉斯核磁T2-T2谱，实现了非快扩散条件下含水孔隙介质的孔隙尺寸和表面弛豫率的表征.然后，通过压缩感知、稀疏采样加速定域多维拉普拉斯核磁实验(T2–T2, D–T2)。本研究采用变密度欠采样方法，以小波变换为稀疏矩阵，并采取恰当的重建数据算法，大幅加速了多维拉普拉斯以及空间分辨核磁实验，将实验时间缩短到全采样的1/5，大大提升了实验效率。实现低信噪比条件下(SNR:10-60)数据的高精度重建，并且在低场强、便携型核磁仪器上实现了定域多维拉普拉斯实验。.最后，通过多层自旋回波成像，以及反转恢复成像法，实现了T2以及T1的定域实验。通过局域T2/T1谱之间的差异，定性表征了样品非均质性。通过对数据进行进一步处理，采用统计方法，实现了对样品非均质性的定量表征。.形成如下重要结果：1）在中扩散条件下，T2-T2方法表征孔隙尺寸和表面弛豫率效果最佳，球型反演模型反演效果最好。信噪比对实验有一定影响，当信噪比低于50时，反演结果出现扭曲。2）压缩感知方法可有效加速定域核磁实验，数据重建精度随信噪比的增大而减小，随加速比的增大而增大。3）不同岩心含水量、弛豫分布非均质性差异较大，定性和定量表征具有一致性。.本研究对于低信噪比数据具有良好加速、重建效果，在低场强核磁仪器上实现了定域多维拉普拉斯谱核磁的快速测量，并且对于样品结构及内部流体非均质性进行定量及定性表征。另外，对于慢扩散条件下孔隙介质核磁共振响应机理及表征方法进行了有效探索，实现相应的结构表征。本研究扩展了定域核磁的应用场景，为精确表征复杂孔隙介质非均质性提供了有效方法，有效分析了碳酸岩盐等非快扩散条件下的孔隙信息，在石油勘探，医疗，化学，文物保护等领域具有广泛的应用前景。