當前位置:
首頁 > 知識 > 至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰

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別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。

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰


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,並通過新儀器的設計實現完成驗證,產生新的科學儀器,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,通過新儀器的研發製作使之滿足,產生新的科學儀器,推動科學領域更深的研究。

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

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰



核磁波譜儀器(左),向高場、高解析度方向不斷突破核磁成像儀器(右),向快速、高解析度、組合化方向快速發展

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰


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

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰



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

(a) Jackson 於1980 年左右採用極性相向的兩個磁體試圖在徑向產生均勻磁場;


(b) Miller 和Taizer 於1985 年改進Jackson 設計,在徑向產生梯度磁場;


(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,採用豐富的脈衝序列,實現各種信息的採集和處理,已經得到廣泛應用

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰


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,摸不著。


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,有多少能夠開採出來」 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,其應用貫穿於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產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,長期落後於西方發達國家,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別與評價。由於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態下實現,為NMR理論和儀器研製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,將對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態的原位探測,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;儀器處於運動狀態(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、低信號強度、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。

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰



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體足夠緊湊,靜磁場和射頻場足夠強大,能夠深入到探測目標內部建立NMR條件;其次,要能夠檢測到來自敏感區域的微弱信號,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,識別或評價複雜樣品的多種特性與特徵。


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理論與脈衝序列、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。


目前世界上只有少數幾家著名石油服務公司具有井下極端環境NMR儀器的研發和製造能力。這些儀器的技術細節受到知識產權的高度保護,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」、「儀器設計製作」、「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歷史和技術現狀,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」、「軟體」、「降噪」四個核心技術內容展開詳細而深入的討論,每個部分都包括理論基礎、設計思想、詳細方案、研製過程、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《井下極端環境核磁共振科學儀器》一書「緒論」,有刪減改動,標題為編者所加。

至少有6人因為對NMR技術的突破獲得諾貝爾獎,井下極端環境又對NMR技術提出了新挑戰



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


一起閱讀科學!


科學出版社│微信ID:sciencepress-cspm


專業品質 學術價值


原創好讀 科學品味


請您繼續閱讀更多來自 科學出版社 的精彩文章:

P.W.安德森:貫穿20世紀物理學的兩個論題
中國未來的氣候變化預估
追憶黃河象:一個考古人的手記
「智能」延長了人類的壽命?
沈家驄:十多年來我們對超分子層狀結構的新認識

TAG:科學出版社 |

您可能感興趣

刷屏的張鋒團隊CRISPR重磅新應用緣何如此厲害?背後竟有諾獎級技術的支持!|奇點猛科技
CRISPR技術會導致許多不希望的突變
基於SDN/NFV技術的實踐——從技術挑戰和解決方案說開來
動態DR來襲-中國DR行業技術取得重大突破
不懈挑戰,DAS成就轉向技術巔峰
刷屏的張鋒團隊CRISPR重磅新應用緣何如此厲害?背後竟有諾獎級技術的支持!
VIVE X團隊揭示下一代VR技術創新取得突破
CRISPR技術安全?或導致許多不希望的基因突變
用VR技術做出來的《NBA 2K》,好像也沒那麼好玩
OLEDON與檀國大學成功開發出下一代超高解析度蒸鍍技術
MOTS攻擊技術分析
暴風再掀技術角力,長虹Q5N與暴風X5 ECHO誰更值得入手?
不要再緊盯過去不放了!PUMA的全新NETFIT技術或許將創造新歷史
大量基因突變!CRISPR技術遭遇迄今最大安全性質疑
一張表看懂NB-IoT與eMTC技術的異同,技術族不要錯過
HTC U11 發布,人工智慧技術值得關注
理解可預測追蹤技術,以及該技術對VR/AR的重要性
新技能Get:如何利用HTTP技術提升網頁的載入速度
技術漫談:為何KPI毀了索尼,而OKR卻成就了谷歌?