基于核磁共振的深水浊积物理模拟沉积底型三维精细表征方法及系统

本发明属于但不限于核磁共振，尤其涉及一种基于核磁共振的深水浊积物理模拟沉积底型三维精细表征方法及系统。

背景技术：

1、深水浊积岩作为全球深水油气勘探的关键目标储层，其内部沉积构型与物性分布对油气富集与开发具有决定性影响。物理模拟水槽实验是研究其沉积过程、建立地质模型的重要手段。然而，在模拟高浓度浊流沉积过程中，实验体系常处于高度浑浊状态，难以在实验过程中直接观测沉积体内部结构演化。

2、当前，相关研究多采用终点式观测方法，即在实验结束后通过排水、切片等破坏性手段获取最终沉积构型。这一方法虽可得到沉积体最终的几何形态，但完全无法获取沉积过程中的动态演化信息，导致沉积动力学过程与最终构型之间缺乏连续、精细的时空关联。更重要的是，即便是对最终沉积体的分析，传统手段也主要局限于宏观形态描述，对其内部的孔隙结构特征、流体赋存状态、渗透率非均质性等关键物性参数缺乏系统性、三维空间上的精细表征能力。

3、核磁共振技术因其对孔隙流体敏感、能够无损获取岩心尺度样品的孔隙度、孔径分布、流体饱和度及渗透率等信息，已在储层岩石物理实验中广泛应用。然而，目前该技术多用于地下真实岩心的静态分析，尚未见其与物理模拟沉积实验相结合，用于系统重构实验沉积体内部三维物性结构的研究。这种缺失，使得从物理模拟实验到地下储层预测之间，缺乏基于统一物性尺度的定量化桥梁。

4、因此，亟须发展一种基于核磁共振等无损探测技术的实验沉积体内部结构精细表征方法，以在获取沉积体宏观构型的基础上，进一步揭示其内部物性的三维空间分布规律，从而更完整地揭示深水浊积储层的形成机理，并为地质建模提供高精度的物性参数约束。

5、在水下沉积物的精细定量表征方面，现有技术通常难以实现对物理模拟实验沉积体内部结构三维物性参数的准确测量与分析。目前主流方法，如激光粒度分析、数字图像分析等，虽然在特定条件下能够获取沉积物的粒径分布或表面特征，但这些方法主要面向悬移或表层颗粒，其物理原理决定了无法有效获取沉积体内部的孔隙结构、流体分布、渗透率等关键物性参数，更无法在三维空间上实现精细测量。

6、另一方面，常规的岩心物性分析方法，如氦气孔隙度测量、液氮吸附、高压压汞等，虽然能够提供精确的孔隙度、孔径分布等参数，但这类方法属于破坏性测量，不仅破坏了样品的原始结构与沉积学信息，而且无法还原出目标结构单元在原始沉积体中的真实空间位置，所获数据是离散的、孤立的。

7、为获取沉积体内部信息，x射线计算机断层扫描等技术已被引入相关研究。但现有研究多聚焦于对实验结束后的最终沉积体进行整体扫描成像，其分析结果主要为宏观的密度差异成像，用于区分沉积相、识别大尺度构型。这些技术无法直接、无损地获得沉积体内部的孔隙度三维分布、孔径结构三维模型、流体饱和度三维模型等关键的、可量化的岩石物理属性参数，而这些参数正是连接宏观构型与储层渗流能力的关键桥梁。

8、现有的物理模拟实验表征方法，在获取沉积体最终构型形态与提供支撑储层模型与数值模拟所需的精细化、三维化的岩石物理参数之间，存在明显的技术鸿沟，这极大地限制了对深水浊积储层形成与分布的定量化理解。因此，亟须一种能够无损、精细、定量地重构实验沉积体内部三维物性结构的表征方法与技术。

9、鉴于上述分析，现有技术存在的急需解决的技术问题为：

10、（1）传统水槽实验无法实现沉积内部结构的无损探测，切片解剖不仅破坏了原始底型，且只能获取离散的二维剖面信息。

11、（2）单一的三维表面扫描仪无法穿透水体和沉积物获取内部的沉积层序和粒度变化规律。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于核磁共振的深水浊积物理模拟沉积底型三维精细表征方法。

2、本发明是这样实现的，一种基于核磁共振的深水浊积物理模拟沉积底型三维精细表征方法包括：

3、步骤1，搭建无磁实验水槽与核磁共振扫描系统，使无磁实验水槽的核心观测段处于静磁场、三轴梯度磁场、射频激发场和信号接收区域的共同作用范围内；

4、步骤2，向无磁实验水槽内注入背景流体，对背景流体进行本底校准扫描，获得纯水背景下的核磁信号基准，并设定浊流释放参数、浊度触发参数和核磁扫描时序参数；

5、步骤3，通过物源供给系统向无磁实验水槽上游释放浊流混合物，利用浊度监测系统监测水体浊度变化，在浊度超过前锋识别阈值时记录浊流到达时刻，在浊度低于背景稳态阈值且持续稳定达到预设时间后记录沉积稳定时刻；

6、步骤4，在沉积稳定时刻启动核磁共振原位扫描，通过射频脉冲激发沉积体系中的氢核，通过三轴梯度磁场对观测区域进行三维空间编码，通过信号接收线圈采集自旋回波信号，获得对应时刻的核磁原始信号数据集；

7、步骤5，以核磁原始信号数据集为输入进行三维体素重建，获得对应时刻的三维体素矩阵；

8、步骤6，以三维体素矩阵中各体素的回波串为输入，按照回波幅度随采集时间衰减的弛豫关系，在弛豫组分幅度非负的约束下输出横向弛豫时间分布；

9、步骤7，以横向弛豫时间分布、纯水背景下的核磁信号基准和整体孔隙度刻度为输入，输出孔隙度体素场；以横向弛豫时间分布对应的对数平均弛豫时间为输入，按照对数平均弛豫时间与沉积物中值粒径之间的经验映射关系输出粒度参数体素场；基于横向弛豫时间分布划分自由流体指数和束缚流体指数，并结合孔隙度体素场，按照渗透率经验关系输出渗透率体素场；

10、步骤8，按照浊流释放、浊度判断、原位扫描和三维体素重建的顺序进行多期循环采集，以相邻期次的三维体素矩阵为输入进行体素差异识别，输出单期沉积层序，并将各单期沉积层序按时间顺序空间叠合，获得深水浊积沉积底型的四维构型模型；

11、步骤9，以四维构型模型、孔隙度体素场、粒度参数体素场和渗透率体素场为输入，输出三维可视化结果、沉积底型三维地貌结果和微观物性定量评价结果。

12、进一步，所述无磁实验水槽与核磁共振扫描系统的搭建包括：

13、搭建长为2m、宽为1m、高为0.5m的无磁沉积模拟水槽，所述无磁沉积模拟水槽采用厚度为3cm的无磁玻璃复合材料拼接形成，接缝处采用改性环氧树脂胶密封；

14、在无磁沉积模拟水槽核心观测段的上下两侧平行布置两块平面超导磁体板，使核心观测段形成中心磁场强度为0.5t且磁场均匀度优于50ppm的静磁场环境；

15、在无磁沉积模拟水槽外侧布置三轴梯度磁场线圈，所述三轴梯度磁场线圈分别对应x方向、y方向和z方向，最大线性梯度场强为20mt每米；

16、在无磁沉积模拟水槽的观测段配置射频脉冲发射器，使射频中心频率与0.5t静磁场下氢核的拉莫尔共振频率匹配；

17、在无磁沉积模拟水槽紧邻外壁位置布置信号接收线圈，使信号接收线圈在射频脉冲间歇期接收氢核横向弛豫产生的自旋回波信号；

18、将容积为200l的供浆泵连接至无磁沉积模拟水槽上游，通过耐磨软管向无磁沉积模拟水槽输送浊流混合物。

19、进一步，所述本底校准扫描包括：

20、向无磁实验水槽内注入深度为400mm的低矿化度水作为背景流体；

21、对背景流体进行预扫描，采集自由感应衰减信号，测定背景流体的纵向弛豫时间和横向弛豫时间；

22、将背景流体的核磁信号幅度标定为纯水信号基准；

23、将纯水信号基准输入孔隙度反演环节，使各体素回波初始幅度与纯水信号基准形成比例关系，并在整体孔隙度刻度约束下输出对应空间位置的孔隙度值。

24、进一步，所述浊流混合物的释放与触发控制包括：

25、将100目石英砂、125目方解石和500目高岭土投入搅拌仓，按照石英砂质量分数15%、方解石质量分数30%、高岭土质量分数55%配制固相组分；

26、以300rpm的搅拌转速持续搅拌20min，制备体积浓度为25%且允许偏差为2%的浊流混合物；

27、通过供浆泵以5l每秒的流量向无磁实验水槽上游释放单次体积为50l的浊流混合物；

28、利用量程为0至4000ntu的浊度仪监测浊度变化，在浊度上升超过50ntu时记录浊流到达时刻，在浊度下降至小于60ntu且持续稳定超过5min后记录沉积稳定时刻，并将沉积稳定时刻作为核磁共振原位扫描的触发时刻。

29、进一步，所述核磁共振原位扫描包括：

30、在发射90度射频脉冲时沿z方向施加选层梯度，以限定目标成像层位；

31、在自旋回波产生前沿y方向施加相位编码梯度，使不同y坐标的氢核获得不同相位信息；

32、在自旋回波采集窗口期沿x方向施加频率编码梯度，使不同x坐标的氢核获得不同频率信息；

33、以静磁场强度、x方向梯度磁场强度、y方向梯度磁场强度、z方向梯度磁场强度和空间坐标为输入，按照氢核拉莫尔共振频率随磁场强度和空间位置变化的关系，输出携带三维空间位置信息的自旋回波信号，并将该自旋回波信号输入三维体素重建环节。

34、进一步，所述三维体素重建、多尺度物性反演与四维构型解析包括：

35、对各期核磁原始信号数据集进行三维频域至空间域转换，输出对应时刻的三维体素矩阵，每个体素对应边长为1.95mm的物理空间；

36、以各体素内的回波串为输入，采用奇异值分解结合非负最小二乘求解方式，在弛豫谱幅度非负约束下输出横向弛豫时间分布；

37、以横向弛豫时间分布的信号积分为输入获得回波初始幅度，并结合纯水信号基准和整体孔隙度刻度输出孔隙度体素场；

38、以横向弛豫时间分布为输入计算对数平均弛豫时间，并按照对数平均弛豫时间与中值粒径之间的经验比例系数和经验指数关系输出粒度参数体素场；

39、以孔隙度体素场、横向弛豫时间截止值33ms划分得到的自由流体指数和束缚流体指数为输入，按照timur-coates经验关系输出渗透率体素场；

40、以相邻期次的三维体素矩阵为输入进行布尔差集运算，输出对应时间间隔内的新堆积单期沉积层序，并将各单期沉积层序按时间顺序进行空间对齐和叠合，输出四维构型模型。

41、本发明的另一目的在于提供一种基于核磁共振的深水浊积物理模拟沉积底型三维精细表征系统，包括无磁沉积模拟水槽、静磁场发生装置、三轴梯度磁场线圈、射频脉冲发射器、信号接收线圈、物源供给系统、浊度监测系统、数据采集系统和计算机；

42、所述无磁沉积模拟水槽用于容纳背景流体和浊流混合物，并提供浊流运动、沉降和堆积的观测空间；

43、所述静磁场发生装置设置于无磁沉积模拟水槽核心观测段的上下两侧，用于在核心观测段形成静磁场，使观测区域内氢核发生取向极化；

44、所述三轴梯度磁场线圈围绕无磁沉积模拟水槽布置，用于在静磁场基础上产生x方向、y方向和z方向的空间编码梯度；

45、所述射频脉冲发射器用于向核心观测段发射与氢核拉莫尔共振频率匹配的射频脉冲；

46、所述信号接收线圈设置于无磁沉积模拟水槽外壁附近，用于在射频脉冲间歇期接收氢核横向弛豫产生的自旋回波信号；

47、所述物源供给系统与无磁沉积模拟水槽上游连通，用于向无磁沉积模拟水槽释放浊流混合物；

48、所述浊度监测系统用于监测无磁沉积模拟水槽内水体浊度，并向数据采集系统输出浊流到达信号和沉积稳定信号；

49、所述数据采集系统用于根据沉积稳定信号触发射频脉冲发射器、三轴梯度磁场线圈和信号接收线圈协同工作，并采集核磁原始信号数据集；

50、所述计算机用于以核磁原始信号数据集为输入，输出三维体素矩阵、孔隙度体素场、粒度参数体素场、渗透率体素场、四维构型模型、三维可视化结果、沉积底型三维地貌结果和微观物性定量评价结果。

51、进一步，所述无磁沉积模拟水槽为长2m、宽1m、高0.5m的槽体，所述槽体由厚度为3cm的无磁玻璃复合材料拼接形成，接缝处由改性环氧树脂胶密封，所述物源供给系统包括容积为200l的供浆泵和耐磨软管，所述供浆泵通过耐磨软管与无磁沉积模拟水槽上游连通。

52、进一步，所述静磁场发生装置包括两块平面超导磁体板，两块平面超导磁体板分别平行设置于无磁沉积模拟水槽核心观测段的上侧和下侧，所述静磁场发生装置在核心观测段形成中心磁场强度为0.5t且磁场均匀度优于50ppm的静磁场环境；所述三轴梯度磁场线圈的最大线性梯度场强为20mt每米。

53、进一步，所述计算机包括三维体素重建单元、弛豫谱反演单元、物性参数反演单元、层序解析单元和成果输出单元；

54、所述三维体素重建单元用于以核磁原始信号数据集为输入，经三维频域至空间域转换输出三维体素矩阵；

55、所述弛豫谱反演单元用于以三维体素矩阵中各体素的回波串为输入，在弛豫谱幅度非负约束下输出横向弛豫时间分布；

56、所述物性参数反演单元用于以横向弛豫时间分布、纯水信号基准、整体孔隙度刻度、自由流体指数和束缚流体指数为输入，按照孔隙度刻度关系、粒径经验映射关系和渗透率经验关系，输出孔隙度体素场、粒度参数体素场和渗透率体素场；

57、所述层序解析单元用于以相邻期次的三维体素矩阵为输入，通过体素差异识别输出单期沉积层序，并按照时间顺序对单期沉积层序进行空间叠合，输出四维构型模型；

58、所述成果输出单元用于以四维构型模型、孔隙度体素场和渗透率体素场为输入，输出三维可视化结果、沉积底型三维地貌结果和微观物性定量评价结果。

59、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

60、本发明解决传统方法需破坏样品进行剖面观察，无法无损获取完整连续的三维内部结构，导致空间信息严重丢失的难题。

61、本发明解决常规表面扫描技术无法穿透沉积物，只能获得顶部地形，对内部层序、物性分布等关键信息无能为力的问题。

62、本发明解决现有成像技术多用于宏观形态识别，难以对孔隙度、渗透率等关键岩石物理参数进行无损、定量、三维空间映射的难题。

63、本发明解决传统方法无法捕捉多期次沉积演化的中间状态，造成沉积动力学过程与最终构型在时空上的割裂的难题。

64、本发明解决不同技术获取的宏观形态、微观结构、物性参数等数据在尺度、坐标系和原理上存在差异，缺乏统一框架进行有效配准与协同解释，认识呈碎片化的难题。

65、本发明设计了一种适用于核磁共振（nmr）测量环境的物理模拟水槽，水槽主体采用无磁、高强度与射频透过率的复合玻璃材料。水槽装配了三轴梯度磁场系统，能够对水槽内部沉积体施加可控激励与空间编码磁场。在此基础上，提出原位静置、动态触发、时序演化、多尺度融合的四维工作流程。

66、本发明多尺度物性同步反演：利用t2谱技术在同一工作流内同步实现了宏观地貌与微观物性（孔隙度、粒度）的定量表征。

67、本发明真四维动态监测：通过沉积稳定后触发扫描+原位扫描机制，首次实现了对浊流沉积过程（如冲刷、充填、溢岸）的无损捕捉，解决了沉积动力学与最终构型时空割裂的难题。

68、本发明无损且高精度：避免了切片解剖对原始沉积结构的破坏，体素分辨率可达毫米级，为深水油气储层地质建模提供了高保真的物理实验数据。

69、（1）本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明直接赋能深水油气勘探开发中的储层地质建模与油藏数值模拟环节。针对传统建模中由于依赖测井数据内插或岩心外推而导致的空间分辨率低、不确定性大等核心痛点，本发明能够在受控的实验条件下完美还原深水浊积体的沉积过程，并原位同步获取其内部物性参数的三维空间分布，从而为地质建模和数值模拟提供高保真的训练数据集与验证基准，具有显著的产业转化价值。

70、（2）本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明打破了传统表征手段（宏观地形摄影、ct密度成像、终点切片取样）无法同时满足无损、三维、物性定量的局限，并攻克了常规核磁共振设备因线圈尺寸限制仅能检测厘米级柱塞岩心的技术瓶颈。本发明在国内外首次实现了空间尺度（从厘米级岩心拓展至米级水槽）、时间维度（从终点静态测量拓展为多期次动态追踪）以及信息维度（单一回波同步反演三项独立物性参数）的三大跨越，填补了宏观沉积构型与微观岩石物理属性之间缺乏统一实验表征方法的技术空白。

71、（3）本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明成功解决了深水沉积学与储层地质学领域长期存在的地质难题，即在完全不破坏沉积体原始结构的前提下，定量刻画不同沉积构型单元（水道、天然堤等）之间相差可达1-2个数量级的储层物性强非均质性。通过大尺寸平面磁体+三轴梯度编码+体素级t2谱反演的技术组合，在同一套装置及同一次无损扫描中，同时攻克了看得全（覆盖2m×1m范围）、看得细（1.95mm体素分辨率）和看得准（直接输出物性而非密度间接推断）三个核心子问题，建立了沉积构型-物性分布-渗流能力之间的定量映射关系。

72、（4）本发明的技术方案克服了技术偏见：本发明彻底颠覆了行业内关于核磁共振成像设备必须在高度屏蔽、狭窄且封闭的腔体内工作，无法对大规模、含泥沙且动态变化的水槽进行全场成像的技术偏见。本发明通过非显而易见的创新手段化解了这一矛盾：一是利用双平面平行板式超导磁体将有效磁场由封闭腔体改造为开放区域；二是引入分布式射频发射与接收阵列攻克了大空间射频场不均匀的难题；三是首创沉积-静置-触发扫描-恢复实验的间歇式工作流程，通过时序解耦成功化解了核磁扫描的静态要求与沉积实验动态特征之间的固有冲突。