CN107102369B - 机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置及探测方法，是由直升机内装有上位机和低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置，预极化线圈和杜瓦瓶通过绳索吊装在直升机下方，且杜瓦瓶吊挂在预极化线圈中央，杜瓦瓶轴线垂直于地面，杜瓦瓶内装有SQUID，杜瓦瓶和预极化线圈通过导线与低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置连接构成。采用“空中发射—空中接收”模式，适用于浅层油渗漏检测，解决了传统仪器检测分辨率低下的难题，实现原位非侵入式检测，速度快，极大地提高了信噪比，为之后的反演提供了良好的基础。操作简单，极大地提高了探测范围。不仅减少了探测时间，增大探测面积，还能获得高信噪比高精度的检测结果。

Description

机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及一种航空地球物理勘探设备及方法，尤其是超导量子干涉器接收的低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置及方法。

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。核磁共振探测方法是目前唯一的直接地下油层探测方法，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，核磁共振探测方法相比与其它地球物理方法更加精准，同时避免了钻井的昂贵花费，成为地球物理探测方法中的一个重要研究方向。但现有技术存在接收信号信噪比低，反演效果差，探测面积小，速度慢，成本高等问题。因此，有必要探索和发展快速高效的非侵入式核磁共振油渗漏检测装置及检测方法。

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,SQUID)是一种灵敏度极高的磁敏感器件，可构建超导磁传感器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场等磁共振及地球物理探测等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到了飞特(10^-15特斯拉)量级。

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。

CN103344996A公开的“串联谐振式核磁共振探测装置及探测方法”，是由三分量磁场测量电路通过数据线与计算机相连，计算机通过串口总线分别与输出电压可调的大功率电源、发射控制单元和信号采集单元相连，输出电压可调的大功率电源与大功率发射桥路连接，发射控制单元通过控制总线经大功率发射桥路与发射线圈的一端相连，大功率发射桥路经配谐电容与发射线圈的另一端连接，发射控制单元通过控制线与高压继电器连接，发射控制单元通过控制线经信号采集单元、放大器电路和高压继电器与接收单元连接，高压继电器的一端与第一接收单元连接，高压继电器的另一端与第N接收单元连接构成。该发明的有益之处是：减少了接收装置的尺寸和重量，提高了核磁共振探测的横向分辨率，小尺寸的接收探头有更好的适应性。

上述发明的核磁共振装置针对特殊的探测对象需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果，但都存在一些不足：如在强噪声环境下，有着核磁共振信号与强背景噪声相比很小，即信噪比很低的问题，对工作环境的适应能力差。

发明内容

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于低温超导的机载核磁共振浅层油渗漏探测装置及方法，高信噪比，适用于浅层油渗漏的快速检测，达到高效率高分辨率非侵入式检测的目的，节省检测时间，对强噪声地区的浅层油渗漏检测具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置，是由直升机1内装有上位机2和低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3，预极化线圈7和杜瓦瓶 4通过绳索吊装在直升机1下方，且杜瓦瓶4吊挂在预极化线圈7中央，杜瓦瓶4轴线垂直于地面，杜瓦瓶4内装有SQUID5，杜瓦瓶4和预极化线圈7通过导线与低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3连接构成。

低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3是由上位机2经主控制模块 8、驱动模块9和大功率发射桥路10与预极化线圈7连接，主控制模块8经 SQUID5、SQUID读出电路15、信号调理电路14和NI采集卡13与上位机2 连接，主控制模块8与信号调理电路14连接，上位机2经电流采集模块11与大功率发射桥路10连接，NI采集卡13经主控制模块8和输出可调大功率电源 12与大功率发射桥路10连接构成。

SQUID读出电路15是由直流偏置电源16经放大器17与反馈电阻18连接构成。

机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置的探测方法，包括以下步骤：

a、根据检测区域工作要求，采用直升机1搭载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置3和上位机2，直升机1下方吊载杜瓦瓶4和预极化线圈7，杜瓦瓶中装有液氮和SQUID5，杜瓦瓶置于预极化线圈7的中心，杜瓦瓶4的轴线垂直于地面，预极化线圈7平行于地面，直升机1沿预定的飞行轨迹飞行，控制飞行高度，尽可能地接近地表；

b、在检测区域内选择监测点，直升机1飞行到检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置；

c、在上位机2中设置工作参数,参数包括预极化电流值、预极化时间、交流电流值和交流电流发射时间等，通过主控制模块8对各模块进行协调工作，通过调节直流偏置电,16，确定SQUID5的最佳工作点，使其输出信号信噪比最大，通过SQUID读出电路15锁定工作点；

d、主控制模块8通过驱动模块9对大功率发射桥路10进行控制，向预极化线圈7发射直流电产生预极化磁场，对浅层渗漏油中的氢核进行磁化；

e、预极化过程完成后，主控制模块8根据上位机2设置的交变电流值参数，由驱动模块9控制大功率发射桥路10向预极化线圈7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11采集实际的发射电流值，并传至上位机；

f、电流发射完成后，氢核由于进动而产生磁场的变化，SQUID5接收到通入其中的磁通量的变化，并通过SQUID读出电路15将磁通量变化转化为电信号，经过信号调理电路14后被NI采集卡13采集；

g、NI采集卡13将采集到的核磁共振信号发送给上位机2进行存储；

h、按照c步骤设置的工作参数，多次重复d-g步骤，得到多组核磁共振信号；

i、改变发射电流，多次重复d-h步骤，得到不同深度地下渗漏油实测信号；

j、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到下一个检测点后在空中保持停留，记录该测点的位置，重复i步骤，得到下一个检测点的实测信号；

k、重复上述j过程，进行多次检测，将多次得到的核磁共振信号在Matlab 上进行反演解释，得到地下渗漏油数据。

所述预极化电流为150A，预极化时间为7s；所述交变电流为1A-20A，发射时间为50ms。

有益效果：本发明公开的基于低温超导的浅层油渗漏核磁共振预极化检测装置及检测方法，适用于浅层油渗漏检测，速度快，可实现原位非侵入式检测的目的，安全环保。有机的结合了超导量子干涉器件，极大地提高了信噪比，为之后反演提供了良好的基础。采用“空中发射—空中接收”的工作模式，操作简单，极大地提高了探测范围。本发明的提出，不仅减少了探测时间，增大探测面积，还能获得高信噪比高精度的检测结果，解决了传统仪器检测分辨率低下的难题，将为提高我国的地下油气探测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为机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置及探测方法工作示意图

图2为附图1中机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置结构框图；

图3为附图2中SQUID读出电路15电路图；

1直升机，2上位机，3机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置，4杜瓦瓶，5SQUID，6飞行轨迹，7预极化线圈，8主控制模块，9驱动模块，10 大功率发射桥路，11电流采集模块，12可调大功率电源，13NI采集卡，14信号调理电路，15SQUID读出电路，16直流偏置电源，17放大器，18反馈电阻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。

一种机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置，是由直升机1内装有上位机2和低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3，预极化线圈7和杜瓦瓶4 通过绳索吊装在直升机1下方，且杜瓦瓶4吊挂在预极化线圈7中央，杜瓦瓶4 轴线垂直于地面，杜瓦瓶4内装有SQUID5，杜瓦瓶4和预极化线圈7通过导线与低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3连接构成。

低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置3是由上位机2经主控制模块 8、驱动模块9和大功率发射桥路10与预极化线圈7连接，主控制模块8经 SQUID5、SQUID读出电路15、信号调理电路14和NI采集卡13与上位机2 连接，主控制模块8与信号调理电路14连接，上位机2经电流采集模块11与大功率发射桥路10连接，NI采集卡13经主控制模块8和输出可调大功率电源 12与大功率发射桥路10连接构成。

SQUID读出电路15是由直流偏置电源16经放大器17与反馈电阻18连接构成。

机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置的探测方法，包括以下步骤：

a、根据检测区域工作要求，采用直升机1搭载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置3和上位机2，直升机1下方吊载杜瓦瓶4和预极化线圈7，杜瓦瓶中装有液氮和SQUID5，杜瓦瓶置于预极化线圈7的中心，杜瓦瓶4的轴线垂直于地面，预极化线圈7平行于地面，直升机1沿预定的飞行轨迹飞行，控制飞行高度，尽可能地接近地表；

b、在检测区域内选择监测点，直升机1飞行到检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置；

c、在上位机2中设置工作参数,参数包括预极化电流值、预极化时间、交流电流值和交流电流发射时间等，通过主控制模块8对各模块进行协调工作，通过调节直流偏置电,16，确定SQUID5的最佳工作点，使其输出信号信噪比最大，通过SQUID读出电路15锁定工作点；

d、主控制模块8通过驱动模块9对大功率发射桥路10进行控制，向预极化线圈7发射直流电产生预极化磁场，对浅层渗漏油中的氢核进行磁化；预极化电流为150A，预极化时间为7s；所述交变电流为1A-20A，发射时间为50ms。

e、预极化过程完成后，主控制模块8根据上位机2设置的交变电流值参数，由驱动模块9控制大功率发射桥路10向预极化线圈7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11采集实际的发射电流值，并传至上位机；

f、电流发射完成后，氢核由于进动而产生磁场的变化，SQUID5接收到通入其中的磁通量的变化，并通过SQUID读出电路15将磁通量变化转化为电信号，经过信号调理电路14后被NI采集卡13采集；

g、NI采集卡13将采集到的核磁共振信号发送给上位机2进行存储；

h、按照c步骤设置的工作参数，多次重复d-g步骤，得到多组核磁共振信号；

i、改变发射电流，多次重复d-h步骤，得到不同深度地下渗漏油实测信号；

j、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到下一个检测点后在空中保持停留，记录该测点的位置，重复i步骤，得到下一个检测点的实测信号；

k、重复上述j过程，进行多次检测，将多次得到的核磁共振信号在Matlab 上进行反演解释，得到地下渗漏油数据。

如图1所示，包括预极化线圈7和装载有SQUID5的杜瓦瓶4吊载在直升机1下方，SQUID器件工作在液氮所提供的温度为77K的环境中，杜瓦瓶4 是存储液氮的低温保持器，用于冷却SQUID5，杜瓦4放置在预极化线圈7中心位置，预极化线圈7不仅产生预极化磁场，还产生交流磁场，由基于低温超导的核磁共振预极化装置负责切换，通过在预极化线圈中通入直流电流产生预极化磁场，对浅层油中的氢核进行磁化，增加油体的宏观磁化强度。预极化过程完成后，通过预极化线圈7向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下浅层油中的氢核形成宏观磁矩，激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过 SQUID器件5感应宏观磁矩进动引起的磁通量变化，并通过SQUID读出电路 15读取出核磁共振信号，经过信号调理电路14和后，被NI采集卡采集，最后传至上位机进行存储。

一种基于低温超导的机载核磁共振浅层油渗漏探测方法，包括以下步骤：

a、如图1所示，直升机1内部搭载机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置3和上位机2，直升机1下方吊载装载有SQUID器件5的杜瓦4和预极化线圈7，杜瓦瓶4吊载在预极化线圈7中心位置，预极化线圈7的边长为 6m，匝数为15匝，线圈平面均平行于地面，直升机1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，连接检测装置，上位机2与主控制模块8连接，主控制模块8分别与驱动模块9、SQUID 5、输出可调的大功率电源12、信号调理电路 14及NI采集卡13连接，驱动模块9与大功率发射桥路10连接，大功率发射桥路10分别与输出可调的大功率电源12，电流采集模块11和预极化线圈7 连接，电流采集模块11和上位机2连接，SQUID器件5与SQUID读出电路 15连接，SQUID读出电路15与信号调理电路14连接，信号调理电路14与 NI采集卡13连接，NI采集卡13与上位机2连接。

c、根据工作要求选择检测区域，在检测区域内选择监测点，直升机1飞行到检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置；

d、开启低温超导核磁共振预极化装置3后，在上位机2中设置工作参数，通过主控制模块8对各模块进行协调工作；

e、主控制模块8通过驱动模块9对大功率发射桥路10进行控制，向预极化线圈7发射直流电流，产生预极化磁场，对油中的氢核进行磁化，增加油体的宏观磁化强度，通常预极化电流为150A，预极化时间为7s。输出可调的大功率电源12为大功率发射桥路10驱动预极化线圈7提供能量；

f、预极化过程完成后，主控制模块8根据上位机2设置的交变电流值参数，由驱动模块9控制大功率发射桥路10向预极化线圈7中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，通常发射时间为50ms，同时通过电流采集模块11采集实际的发射电流值，传至上位机2；

g、电流发射完成后，氢核由于进动而产生磁场的变化，SQUID 5接收到通入其中磁通量的变化，并通过SQUID读出电路15将磁通量变化转化为电信号，经过信号调理电路14后被NI采集卡13采集。

h、NI采集卡13将采集到的核磁共振信号发送给上位机2进行存储。

i、按照c过程中设置的工作参数，多次重复e-h过程，得到多组磁共振信号；

j、改变发射电流，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1A到20A，多次重复e-i过程，得到不同探测深度的核磁共振信号；

k、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到下一个检测点后在空中保持停留，相邻的两个检测点间距为15m，记录该测点的位置，重复j过程，得到下一个检测点的实测信号；

l、可重复上述k过程，将得到的核磁共振信号在Matlab上进行反演解释，得到地下油渗漏情况。

实施例1

一种基于低温超导的机载核磁共振浅层油渗漏探测方法是一种适用于高噪声，快速有效的大面积探测，非侵入式检测方法，对浅层油渗漏检测具有重要意义。预极化线圈7和载有SQUID5的杜瓦瓶4吊载在直升机1下方，杜瓦瓶4 放置在预极化线圈7中心位置，预极化线圈7不仅产生预极化磁场，还产生交流磁场，由基于低温超导的核磁共振预极化装置负责切换，通过在预极化线圈中通入直流电流产生预极化磁场，对浅层油中的氢核进行磁化，增加油体的宏观磁化强度。预极化过程完成后，通过预极化线圈7向地下发射频率为当地拉莫尔频率的激发电流，激发地下浅层油中的氢核形成宏观磁矩，激发停止后，氢核自旋产生弛豫现象，通过SQUID器件5感应宏观磁矩进动引起的磁通量变化，并通过SQUID读出电路15读取出核磁共振信号，经过信号调理电路14和后，被 NI采集卡采集，最后传至上位机进行存储。

上位机2与主控制模块8连接，主控制模块8分别与驱动模块9、SQUID 5、输出可调的大功率电源12、信号调理电路14及NI采集卡13连接，驱动模块9与大功率发射桥路10连接，大功率发射桥路10分别与输出可调的大功率电源12，电流采集模块11和预极化线圈7连接，电流采集模块11和上位机 2连接，SQUID器件5与SQUID读出电路15连接，SQUID读出电路15与信号调理电路14连接，信号调理电路14与NI采集卡13连接，NI采集卡13 与上位机2连接。

一种基于低温超导的机载核磁共振浅层油渗漏探测方法，包括以下步骤：

a、直升机1内部搭载低温超导核磁共振预极化装置2和上位机2，直升机 1下方吊载装载有SQUID器件5的杜瓦4和预极化线圈7，杜瓦4吊载在预极化线圈7中心位置，预极化线圈7的边长为6m，匝数为15匝，线圈平面均平行于地面，直升机1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、根据工作要求选择检测区域，在检测区域内选择监测点，直升机1飞行到检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置；

c、开启低温超导核磁共振预极化装置3后，在上位机2中设置工作参数，通过主控制模块8对各模块进行协调工作；

d、主控制模块8通过驱动模块9对大功率发射桥路10进行控制，向预极化线圈7发射直流电流，产生预极化磁场，对油中的氢核进行磁化，增加油体的宏观磁化强度，通常预极化电流为150A，预极化时间为7s。输出可调的大功率电源12为大功率发射桥路10驱动预极化线圈7提供能量；

e、预极化过程完成后，主控制模块8根据上位机2设置的交变电流值参数，由驱动模块9控制大功率发射桥路10向预极化线圈7中通入频率为当地拉莫尔频率的交变电流，通常发射时间为50ms，同时通过电流采集模块11采集实际的发射电流值，传至上位机2；

f、电流发射完成后，氢核由于进动而产生磁场的变化，SQUID 5接收到通入其中磁通量的变化，并通过SQUID读出电路15将磁通量变化转化为电信号，经过信号调理电路14后被NI采集卡13采集。

h、NI采集卡13将采集到的核磁共振信号发送给上位机2进行存储。

i、按照c过程中设置的工作参数，重复d-f过程32次，得到32组磁共振信号；

g、改变发射电流，从1A到20A设置8组不同脉冲矩的交变电流场，重复 d-i过程16次，得到不同探测深度的核磁共振信号；

j、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到下一个检测点后在空中保持停留，相邻的两个检测点间距为15m，记录该测点的位置，重复g过程，得到下一个检测点的实测信号；

k、重复上述j过程4次，将得到的核磁共振信号在Matlab上进行反演解释，得到地下油渗漏情况。

Claims (3)

1.一种机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置，包括直升机(1)内装有上位机(2)和低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)，其特征在于，低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)的主控制模块(8)、驱动模块(9)和大功率发射桥路(10)与预极化线圈(7)连接，SQUID(5)经低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)的SQUID读出电路(15)、信号调理电路(14)和NI采集卡(13)、主控制模块(8)与上位机(2)连接，主控制模块(8)与信号调理电路(14)连接，主控制模块(8)与NI采集卡(13)连接，上位机(2)与电流采集模块(11)的输出端连接，大功率发射桥路(10)与电流采集模块(11)的输入端连接，主控制模块(8)与输出可调的大功率电源(12)连接，输出可调的大功率电源(12)与大功率发射桥路(10)连接构成；

SQUID读出电路(15)是由直流偏置电源(16)经放大器(17)与反馈电阻(18)连接；

预极化线圈(7)和杜瓦瓶(4)通过绳索吊装在直升机(1)下方，且杜瓦瓶(4)吊挂在预极化线圈(7)中央，杜瓦瓶(4)轴线垂直于地面，杜瓦瓶(4)内装有SQUID(5)，预极化线圈(7)通过导线与低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)的大功率发射桥路(10)的输出端连接，通入直流电流产生预极化磁场，通入交变电流产生激发磁场。

2.一种采用权利要求1所述的机载低温超导核磁共振浅层油渗漏探测装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、根据检测区域工作要求，采用直升机(1)搭载低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)和上位机(2)，直升机(1)下方吊载杜瓦瓶(4)和预极化线圈(7)，杜瓦瓶(4)中装有液氮和SQUID(5)，杜瓦瓶置于预极化线圈(7)的中心，杜瓦瓶(4)的轴线垂直于地面，预极化线圈(7)平行于地面，直升机(1)沿预定的飞行轨迹飞行，控制飞行高度，尽可能地接近地表；

b、在检测区域内选择检测点，直升机(1)飞行到检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置；

c、在上位机(2)中设置工作参数，包括预极化电流值、预极化时间、交流电流值和交流电流发射时间，通过主控制模块(8)对低温超导机载核磁共振浅层油渗漏探测装置(3)的各模块进行协调工作，通过调节直流偏置电源(16)确定SQUID(5)的最佳工作点，使其输出信号信噪比最大，通过SQUID读出电路(15)锁定最佳工作点；

d、主控制模块(8)通过驱动模块(9)对大功率发射桥路(10)进行控制，向预极化线圈(7)发射直流电产生预极化磁场，对浅层渗漏油中的氢核进行磁化；

e、预极化过程完成后，主控制模块(8)根据上位机(2)设置的交变电流值参数，

由驱动模块(9)控制大功率发射桥路(10)向预极化线圈(7)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(11)采集实际的发射电流值，并传至上位机(2)；

f、电流发射完成后，氢核由于进动而产生磁场的变化，SQUID(5)接收到通入其中的磁通量的变化，并通过SQUID读出电路(15)将磁通量变化转化为电信号，经过信号调理电路(14)后被NI采集卡(13)采集；

g、NI采集卡(13)将采集到的核磁共振信号发送给上位机(2)进行存储；

h、按照c步骤设置的工作参数，多次重复d-g步骤，得到多组核磁共振信号；

i、改变发射电流，多次重复d-h步骤，得到不同深度地下渗漏油实测信号；

j、直升机沿飞行轨迹继续飞行，飞到下一个检测点后在空中保持停留，记录该检测点的位置，重复i步骤，得到下一个检测点的实测信号；

k、重复上述j过程，进行多次检测，将多次得到的核磁共振信号在Matlab上进行反演解释，得到地下渗漏油数据。

3.按照权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述预极化电流为150A，预极化时间为7s；所述交变电流值为1A-20A，发射时间为50ms。