一种自钻式核磁共振原位测试装置及方法

本申请涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种自钻式核磁共振原位测试装置及方法。

背景技术：

1、核磁共振测试能够反映土体的含水率与水分分布情况，开展土体原位核磁测量能得到原状土的水分含量、微观孔隙结构等信息。此外，核磁技术还能对土体污染中的石油烃类进行检测，石油泄漏导致有机污染物侵入土孔隙中后，弛豫时间分布谱会有油信号和有机质信号的特征响应，从而实现对油类污染区域的勘察。

2、检测土体水分的核磁共振测量需要预先钻孔，然后把探头下放至钻孔中对土体进行核磁共振测量，得到土的水分信息。然而，钻孔过程会对土体造成扰动，导致核磁共振测量难以获取地下未扰动原状土的水分含量及分布信息。

技术实现思路

1、为了改善先钻后测的方式易对土体造成扰动的问题，本申请提供一种自钻式核磁共振原位测试装置及方法。

2、本申请提供的一种自钻式核磁共振原位测试装置及方法采用如下的技术方案：

3、一种自钻式核磁共振原位测试装置，包括：

4、筒状的外壳；

5、核磁共振探头系统，包括套管和套设于所述套管外的磁体组件，所述套管同轴固接于所述外壳内；

6、自钻系统，包括穿设于所述套管中的空心钻杆和连接于所述钻杆端部的钻头，所述钻杆的直径小于所述套管的直径，所述钻杆连接有钻机；所述自钻系统还包括水循环组件，用于将水通过所述钻杆内部空腔注入土体，再驱使土体中的泥浆从所述钻杆与所述套管之间的间隙返回地面；

7、数据采集及分析系统，用于收集并分析所述核磁共振探头系统的测量数据。

8、探测时，钻头在土体中钻进，同时钻机推进钻杆，水循环组件将水通过钻杆注入土体使钻头周围的土体转化为泥浆，并驱使泥浆从钻杆与套管之间的间隙返回地面；将探头推进至需要测量的目标深度后，核磁共振探头系统对土体进行原位核磁共振测量，数据采集及分析系统对测量数据进行反演处理，得到t2分布谱；根据t2分布谱可得到土体的含水率和土水特征曲线。

9、随着钻进的进行，可以得到地下连续深度原状土的t2分布谱、水分含量与土水特征曲线等信息。本申请采用自钻系统将探头钻进至地下土体的目标深度，钻进与测量同步进行，有助于减少土体的扰动，提高测量的准确性。

10、进一步地，所述磁体组件包括套设于所述套管外的两个空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，两个所述磁铁的极性相反；所述核磁共振探头系统还包括绕设于所述套管外的射频线圈，所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈连接有调谐电路。

11、两个磁铁产生围绕轴线的圆环形静磁场b0，射频线圈产生的射频磁场b1沿磁铁轴向且与静磁场b0垂直；通过调谐电路，可将射频线圈频率和磁铁产生的磁场强度调谐一致。

12、进一步地，所述套管的外周侧设置有供所述射频线圈缠绕的凹槽。

13、凹槽便于射频线圈在套管外规则缠绕。

14、进一步地，所述外壳的一端固定连接有尖端朝下的管靴，所述管靴罩设于所述钻头。

15、在钻头钻进的过程中，管靴的尖端向下切割土层，提高了钻头钻进的效率。

16、进一步地，所述外壳与所述管靴之间设置有缓冲减震结构。

17、缓冲减震结构有助于减少钻进过程中外壳的震动，从而降低震动对核磁共振测量的影响。

18、进一步地，所述水循环组件包括循环水泵和连接于所述循环水泵进水端的水箱，所述循环水泵的出水端连接于所述钻杆的上端，所述水箱的进水端连通于所述钻杆与所述套管之间的间隙。

19、水箱、水泵、钻杆以及套管组成闭合的环路，在水泵的作用下，水箱中的水经过钻杆内部的空腔注入土体，钻头在钻进过程中切割土壤，注入土体的水携带土体碎屑和泥浆经过钻杆与套管之间的间隙回到水箱；注水有助于提高钻头钻进的效率，也能够将钻进过程中的土体碎屑及时输送至地面。

20、本申请提供的一种核磁共振原位测试方法，采用一种自钻式核磁共振原位测试装置，包括以下步骤：

21、步骤一：装置连接和准备；

22、步骤二：钻头在土体中钻进，同时钻机推进钻杆，使核磁共振探头系统到达需要测量的目标深度；

23、步骤三：核磁共振探头系统对土体进行原位核磁共振测量，并将数据传输至数据采集及分析系统；

24、步骤四：数据采集及分析系统对测量数据进行反演处理，得到t2分布谱；

25、步骤五：根据t2分布谱得到土体的含水率和土水特征曲线。

26、进一步地，所述步骤四包括以下步骤：

27、核磁共振探头测量的核磁共振横向磁化矢量回波衰减信号如公式（1）：

28、(1)

29、式（1）中，为第i个磁化矢量强度，为衰减时间，为设定的第j个横向弛豫时间，为第j个横向弛豫时间对应的幅度；核磁共振测量原始信号经反演算法处理需要通过反演得到，即得到t2分布谱。

30、进一步地，所述步骤五中，由t2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

31、按公式（2）计算土体的含水量：

32、(2)

33、式（2）中，为核磁共振探头测量土体中水信号的总体积；和分别为t2分布谱的最大值和最小值；

34、按公式（3）计算土体的含水率：

35、(3)

36、式（3）中，为核磁共振探头测量区域的总体积；为含水率。

37、进一步地，所述步骤五中，由t2分布谱得到土水特征曲线的方法包括以下步骤：

38、将t2分布谱转化为孔径分布曲线：

39、(4)

40、即：(5)

41、式（4）、（5）中，为土体颗粒表面弛豫率；为孔隙比表面积；为孔隙形状因子，对于圆柱形孔隙、球形孔隙；为孔隙直径；

42、根据young-laplace方程得到孔径和基质势的关系，基质势由孔径求得，构建出基质势与t2横向弛豫时间的关系：

43、(6)

44、(7)

45、式（6）中，为基质势；为水的表面张力；为润湿角；

46、根据t2分布谱得到t2累计曲线，再利用式（7）构建出基质势与含水率的关系即土水特征曲线。

47、综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

48、1.本申请采用自钻系统将探头钻进至地下土体的目标深度，钻进与测量同步进行，有助于减少土体的扰动，提高测量的准确性；

49、2.随着钻进的进行，可以得到地下连续深度原状土的水分含量、t2分布谱与土水特征曲线等信息。

技术特征：

1.一种自钻式核磁共振原位测试装置，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种自钻式核磁共振原位测试装置，其特征在于：所述磁体组件包括套设于所述套管外的两个空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，两个所述磁铁的极性相反；所述核磁共振探头系统还包括绕设于所述套管外的射频线圈，所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈连接有调谐电路。

3.根据权利要求2所述的一种自钻式核磁共振原位测试装置，其特征在于：所述套管的外周侧设置有供所述射频线圈缠绕的凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种自钻式核磁共振原位测试装置，其特征在于：所述外壳的一端固定连接有尖端朝下的管靴，所述管靴罩设于所述钻头。

5.根据权利要求4所述的一种自钻式核磁共振原位测试装置，其特征在于：所述外壳与所述管靴之间设置有缓冲减震结构。

6.一种核磁共振原位测试方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一项所述的一种自钻式核磁共振原位测试装置，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种核磁共振原位测试方法，其特征在于：所述步骤四包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种核磁共振原位测试方法，其特征在于：所述步骤五中，由t2分布谱得到土体含水率的方法包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述的一种核磁共振原位测试方法，其特征在于：所述步骤五中，由t2分布谱得到土水特征曲线的方法包括以下步骤：

技术总结本申请涉及岩土探测领域，具体公开了一种自钻式核磁共振原位测试装置及方法，其装置包括外壳、核磁共振探头系统、自钻系统和数据采集及分析系统；核磁共振探头系统包括套管和套设于套管外的磁体组件，套管同轴固接于外壳中；自钻系统包括穿设于套管中的空心钻杆和连接于钻杆端部的钻头，钻杆的直径小于套管的直径，钻杆连接有钻机；自钻系统还包括水循环组件，用于将水通过钻杆注入土体使钻头周围的土体转化为泥浆，并驱使泥浆从钻杆与套管之间的间隙返回地面；数据采集及分析系统用于收集并分析核磁共振探头系统的测量数据。本装置可实现随钻随测，减少了土体扰动，能够得到地下连续深度原状土的水分含量、T2分布谱与土水特征曲线等信息。技术研发人员：薛强,魏厚振,万勇,阮航,马晓龙,孙翔,李江山受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/25