核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR） 自1945 年誕生開始，即成為十分重要的分析測試方法和科學研究工具，在化學、物理學、生物學、醫學、材料科學、農林科學、環境科學、食品科學、地球科學等領域已經得到廣泛應用。NMR信息的獨特性和豐富性，對這些學科領域發現新現象、探索新規律起到了至關重要的作用。在化學領域，NMR是解析分子結構的有力工具；在醫學領域，NMR是疾病診斷成像的重要手段；在材料、農林及食品領域，NMR是微觀結構及相應機理機制無損檢測的有效方法；在地學領域，NMR是地層孔隙結構描述與流體識别及定量評價的獨有途徑。已經至少有六位科學家因為對NMR技術的突破而獲得諾貝爾獎。

NMR領域六位諾貝爾獎得主

各種各樣的NMR儀器

NMR是一門交叉學科的發展受到“科學邏輯” 和“應用需求” 的雙輪驅動。

科學邏輯上，新概念新理論不斷突破，并通過新儀器的設計實現完成驗證，産生新的科學儀器，解決應用領域更多的問題；應用需求上，新問題新環境不斷出現，通過新儀器的研發制作使之滿足，産生新的科學儀器，推動科學領域更深的研究。

科學儀器創新是NMR技術發展的标志和載體，NMR波譜、弛豫及成像等技術，均以探頭、譜儀、脈沖序列和數據分析方法的不斷進步為基本特征。經過近70 年的不懈努力，形成了各種各樣的NMR儀器。

核磁波譜儀器（左），向高場、高分辨率方向不斷突破核磁成像儀器（右），向快速、高分辨率、組合化方向快速發展

核磁弛豫儀器，向便攜、單邊、在線、個性化、掌上化方向發展并創新應用于農學－林學－食品－文物－建材－地磁場－水資源－油井－血管－管道流體檢測

Jasper Jackson 設計的“Inside-out” 方案為井下NMR提供了可能

（a） Jackson 于1980 年左右采用極性相向的兩個磁體試圖在徑向産生均勻磁場；

（b） Miller 和Taizer 于1985 年改進Jackson 設計，在徑向産生梯度磁場；

（c） 把設計精巧的磁體和天線放到數千米深的井筒中對其外圍地層進行探測，采用豐富的脈沖序列，實現各種信息的采集和處理，已經得到廣泛應用

Jackson 方案在醫學中也具有良好的應用前景

井下極端環境NMR科學儀器

油氣是一種流體礦藏，深埋地下岩層孔隙中，看不見，摸不着。

井筒地球物理探測，俗稱“測井”，它把設計精巧的聲、電、核輻射、NMR等探測器和相應電子裝置放到井下進行測量，獲取地下油氣信息，回答“哪兒有油氣，有多少，有多少能夠開采出來” 等基本和關鍵問題，具有經濟性、便捷性、實時性、可重複性等特點，其應用貫穿于井筒的整個生命周期，從而也覆蓋油氣田的整個生命周期。

俗話說“上天難入地更難”。把精密的探測器及其電子系統放置在數千米深的井下，需要面對高溫高壓、體積受限、運動測量、低信噪比等極端環境産生的一系列特殊困難。所以，測井是技術密集、難度極高的行業。我國在這一領域，長期落後于西方發達國家，尤其受到美國壟斷。

油氣井NMR探測是要把醫學NMR的原理和方法，通過儀器的巧妙創新，在井下極端環境實現NMR信息的觀測和應用，從而更好地解決複雜油氣儲層評價的根本問題。地層中的油氣水，具有不同的NMR特性，利用這種差異，便可以對油氣水進行識别與評價。由于NMR對流體靈敏，而且能夠提供孔隙結構和流體特性等重要信息，在複雜油氣藏和非常規油氣藏勘探開發中具有獨特和無法替代的價值，受到廣泛重視。

井下極端環境的NMR探測，在與實驗室可控環境完全不同的狀态下實現，為NMR理論和儀器研制提出了特殊的科學問題，也為NMR科學與技術發展提供了新的機遇和挑戰。這些特殊科學問題的解決，将對NMR技術本身形成驅動和反饋，從而豐富和發展NMR探測理論。其中，利用NMR技術在陸上及海洋地層深處井筒環境下進行地層岩石孔隙結構與流體賦存狀态的原位探測，是極端環境最典型的代表，幾乎面對NMR科學儀器的全部難題。這種極端環境和對NMR儀器的獨特要求，以及特殊的探測對象所提出的理論與工程問題，把NMR探測技術推向了新的高度。

本文所說的極端環境: 探頭和譜儀的體積嚴格受限；儀器處于運動狀态（縱向移動、徑向振動、周向旋轉，存在其中的一種或者多種運動）；低場、低信号強度、低信噪比；可能面臨高溫（>175℃）、高壓（>140MPa）；要求單邊測量，且觀測對象十分複雜。

極端環境NMR科學儀器組成示意圖

極端條件NMR科學儀器，首先要求探頭和譜儀硬件足夠緊湊，靜磁場和射頻場足夠強大，能夠深入到探測目标内部建立NMR條件；其次，要能夠檢測到來自敏感區域的微弱信号，能夠在複雜運動條件下完成NMR快速測量，能夠充分利用多維NMR技術，通過降噪和反演處理，識别或評價複雜樣品的多種特性與特征。

井下極端環境NMR科學儀器是一個具有高度綜合性和複雜性的儀器系統，面臨NMR理論與脈沖序列、磁體與天線的材料及結構參數、譜儀電子線路、降噪理論與方法、數據反演處理與分析、資料解釋與應用等多方面的挑戰。

目前世界上隻有少數幾家著名石油服務公司具有井下極端環境NMR儀器的研發和制造能力。這些儀器的技術細節受到知識産權的高度保護，常常是公司的最高商業機密，很少有文字資料可以參考。筆者在國際上公開的專利資料和所在團隊長期“理論探索積累”、“儀器設計制作”、“引進、吸收、集成、原創” 的基礎上撰寫而成《井下極端環境核磁共振科學儀器》一書，系統介紹了各種各樣的核磁共振儀器，引出井下極端環境核磁共振科學儀器的基本問題及其研究曆史和技術現狀，提出總體設計思想和關鍵技術問題解決方案。在此基礎上，圍繞“探頭”、“譜儀電子線路”、“軟件”、“降噪” 四個核心技術内容展開詳細而深入的讨論，每個部分都包括理論基礎、設計思想、詳細方案、研制過程、測試驗證以及優化提升等各個關鍵環節，試圖通過發展共性技術，提升NMR科學儀器水平，推動我國NMR相關領域原始創新。

本文由劉四旦摘編自肖立志著《井下極端環境核磁共振科學儀器》一書“緒論”，有删減改動，标題為編者所加。

井下極端環境核磁共振科學儀器

（中國石油大學（北京） 學術專著系列）

ISBN978-7-03-047148-2

肖立志著

北京: 科學出版社，2015.2

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