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复杂电性结构下的核磁共振三维正反演研究

发布时间:2018-04-16 01:34

  本文选题:核磁共振 + 三维电性结构 ; 参考:《长安大学》2017年博士论文


【摘要】:核磁共振找水是一种有效的物探直接找水方法。本文以实现核磁共振三维正反演为目的,研究适应复杂地电环境下的核磁共振找水解释方法。根据核磁共振的基本原理,借助有限元方法实现了考虑介质三维电性的核磁共振正演。在反演方面,考虑到复杂地电条件下电阻率分布对核磁共振响应的影响,采用瞬变电磁全域视电阻率定义给出介质电性分布,并根据电性特征确定含水率反演的初始值,利用信赖域算法实现核磁共振非线性反演。通过瞬变电磁与核磁共振联合解释,有效提高含水体解释的准确性。本文从典型的水平层状介质模型出发,计算了回线源条件下层状介质中的磁场分布,在此基础上通过数值模拟考察了层状介质中电阻率分布对磁场各分量的影响,明确了在低阻介质中,核磁共振的正反演有必要考虑电阻率的分布特性。针对地下含水体结构复杂,而现有的一维模型难以准确描述复杂电性分布特征的问题,从麦克斯韦方程组出发,采用有限元方法,计算了频率域三维磁场分布,实现了考虑介质电性三维分布的核磁共振正演,并将数值计算结果和数字滤波解进行了比较,对正演算法的有效性进行了验证。随后,在正演计算的基础上讨论了介质电性分布与核磁共振响应之间的关系,数值模拟表明电性分布对核磁共振应响应影响是非线性的,背景电阻率越小,影响程度越大,随着背景电阻率的增大,电阻率变化对核磁共振应响应的影响程度逐渐减弱。分析了含水体的深度、位置、含水率以及体积等参数信息对核磁共振响应的影响,得到了部分典型含水体构造的核磁共振响应特征。研究了不同的线圈姿态、尺寸大小以及线圈形状下的核磁共振响应差异,发现线圈的姿态信息对于核磁共振信号的观测影响较大,结合探测环境调整线圈大小和形状,有助于提高核磁共振的信噪比。通过数值计算,对比了油、水、油水混合三种典型介质的核磁共振响应特性,结果表明不同含氢特性的介质,核磁共振响应差异明显,相同脉冲矩下,纯水异构体的核磁共振响应最强烈。三维核磁共振正演的研究有助于明晰复杂环境下核磁共振响应特征,同时为核磁共振三维反演的开展奠定了基础。核磁共振的反演就是根据核磁共振响应的观测值得到与含水率相关的地质体参数信息。在核磁共振三维正演的基础上,引入了正则化的参数,构建了反演目标函数,将反演计算转化成求最优解的问题,利用信赖域法实现核磁共振的反演。考虑到复杂电性结构对核磁共振响应的影响,借助瞬变电磁的资料信息获得三维电性分布,根据电阻率与含水率的对应关系,给出含水率反演的初始模型,在此基础上进行核磁共振反演,获取地下含水率分布,提高核磁共振反演的准确性。最后结合典型的核磁共振找水应用,设计了古河道模型、隧道灾害水超前预报模型以及井中水浸模型。结合瞬变电磁资料,利用核磁共振三维反演技术对地面和隧道的找水模型进行数值仿真,解释结果验证了算法的有效性以及在不同环境下的适用性。结合测井模型以及测井信息,考虑梯度场的作用,通过核磁共振三维反演,实现了井中水浸分布特性的成像描述。本文开展的考虑三维电性结构的核磁共振正反演研究,为复杂地电条件下的核磁共振找水提供了有效的解释方法,该方法不仅适用于半空间的地面核磁共振作业,同时也适用于全空间的隧道以及井中核磁共振找水勘探,对于解决不同环境下水体的探测具有实际意义。
[Abstract]:Nuclear magnetic resonance is an effective geophysical exploration methods. In this paper, in order to achieve direct three-dimensional NMR inversion for the purpose to study the nuclear magnetic resonance complex geoelectric environment interpretation method. According to the basic principle of magnetic resonance, finite element method can consider NMR medium three-dimensional electrical forward inversion in. Considering the complex geological conditions, the resistivity distribution effect on magnetic resonance response, the transient electromagnetic apparent resistivity defined medium global distribution of electricity, and according to the electrical characteristics to determine the moisture content of the inversion initial value, realization of NMR nonlinear inversion using trust region algorithm. Through transient electromagnetic and nuclear magnetic resonance, to effectively improve the accuracy of interpretation. This paper containing water from the typical horizontal layered medium model of loop source under the condition of layered medium magnetic field calculation points The cloth, based on the investigation of the influence on the resistivity distribution of each component of the magnetic field in layered media by numerical simulation, the low resistivity medium, and NMR modeling is necessary to consider the distribution characteristics of the underground water resistivity. Aiming at the complicated structure, and a dimension of the existing models is difficult to accurately describe the complex electrical distribution the problem, starting from the Maxwell equations, using the finite element method, the frequency domain distribution of 3D magnetic field calculation, the consideration of NMR electric three-dimensional distribution of forward, and the numerical calculation results and digital filtering solutions are compared, the validity of the algorithm is verified. Then, on the basis of on the forward calculation discussed the relationship between the dielectric distribution and magnetic resonance response between the numerical simulation results show that the electrical conductivity distribution of magnetic resonance response effect is nonlinear, Jingtai back resistance rate The smaller, the greater the effect, with the increase of the background resistivity, the influence degree of the resistivity change in response to magnetic resonance should be gradually weakened. The analysis of the water depth, position, effects of moisture content and volume parameter information for the nuclear magnetic resonance, NMR has been part of the typical aquifer structure. The characteristics of the impact study the coils of different poses, NMR response difference of size and shape of the coil, the coil found attitude information for the larger observation effect of magnetic resonance signal, combined with the detection environment adjusting coil size and shape, is helpful to improve the NMR signal-to-noise ratio. By numerical calculation, comparison of oil, water, nuclear magnetic the resonance response characteristics of oil-water mixture of three typical medium, the results show that the different characteristics of hydrogen containing medium, magnetic resonance response is significantly different, the same pulse moment, pure magnetic isomers The most intense resonance response. Research on 3D NMR forward will help clarify the complex environment of NMR response characteristics, and lays a foundation for the 3D inversion of NMR. Inversion of NMR is according to the geological parameter information observation of nuclear magnetic resonance to be related with the moisture content. On the basis of nuclear magnetic resonance D forward on the introduction of regularization parameters, construct inversion objective function, the inversion calculation is transformed into the optimal solution problem, realize inversion of NMR using trust region method. Considering the influence of complex structure of electric magnetic resonance response, three-dimensional distribution of electricity by means of transient electromagnetic data information, according to the corresponding relationship between resistivity and water content, initial water content inversion model is given, based on the NMR inversion, obtaining underground moisture distribution, improve the nuclear magnetic resonance The accuracy of vibration inversion. Finally, the typical application of nuclear magnetic resonance, the design of the ancient river model, water tunnel disaster prediction model and wells flooding model. Combining with the transient electromagnetic data model using NMR inversion method of 3D water on the ground and the tunnel in the numerical simulation, the interpretation results verify the effectiveness of the algorithm and the applicability in different environments. According to the logging model and logging information, considering the gradient, through MRI 3D inversion, the distribution characteristics of wells water immersion imaging description. NMR study on three dimensional electrical structure is considered inversion in this paper, explain the effective method for nuclear magnetic resonance complex geological conditions, ground magnetic resonance operation this method is not only suitable for the half space, also apply to the whole space of the tunnel and borehole NMR The exploration of water exploration is of practical significance to the solution of water body detection under different circumstances.

【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P631

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本文编号:1756741

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