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(xué)研究工具，在化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、農(nóng)林科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。NMR信息的獨特性和豐富性，對這些學(xué)科領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新規(guī)律起到了至關(guān)重要的作用。在化學(xué)領(lǐng)域，NMR是解析分子結(jié)構(gòu)的有力工具；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，NMR是疾病診斷成像的重要手段；在材料、農(nóng)林及食品領(lǐng)域，NMR是微觀結(jié)構(gòu)及相應(yīng)機(jī)理機(jī)制無損檢測的有效方法；在地學(xué)領(lǐng)域，NMR是地層孔隙結(jié)構(gòu)描述與流體識別及定量評價的獨有途徑。已經(jīng)至少有六位科學(xué)家因為對NMR技術(shù)的突破而獲得諾貝爾獎。

NMR是一門交叉學(xué)科的發(fā)展受到“科學(xué)邏輯” 和“應(yīng)用需求” 的雙輪驅(qū)動。

科學(xué)邏輯上，新概念新理論不斷突破，并通過新儀器的設(shè)計實現(xiàn)完成驗證，產(chǎn)生新的科學(xué)儀器，解決應(yīng)用領(lǐng)域更多的問題；應(yīng)用需求上，新問題新環(huán)境不斷出現(xiàn)，通過新儀器的研發(fā)制作使之滿足，產(chǎn)生新的科學(xué)儀器，推動科學(xué)領(lǐng)域更深的研究。

科學(xué)儀器創(chuàng)新是NMR技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志和載體，NMR波譜、弛豫及成像等技術(shù)，均以探頭、譜儀、脈沖序列和數(shù)據(jù)分析方法的不斷進(jìn)步為基本特征。經(jīng)過近70 年的不懈努力，形成了各種各樣的NMR儀器。

油氣是一種流體礦藏，深埋地下巖層孔隙中，看不見，摸不著。

井筒地球物理探測，俗稱“測井”，它把設(shè)計精巧的聲、電、核輻射、NMR等探測器和相應(yīng)電子裝置放到井下進(jìn)行測量，獲取地下油氣信息，回答“哪兒有油氣，有多少，有多少能夠開采出來” 等基本和關(guān)鍵問題，具有經(jīng)濟(jì)性、便捷性、實時性、可重復(fù)性等特點，其應(yīng)用貫穿于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(tǒng)放置在數(shù)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(huán)境產(chǎn)生的一系列特殊困難。所以，測井是技術(shù)密集、難度極高的行業(yè)。我國在這一領(lǐng)域，長期落后于西方發(fā)達(dá)國家，尤其受到美國壟斷。

油氣井NMR探測是要把醫(yī)學(xué)NMR的原理和方法，通過儀器的巧妙創(chuàng)新，在井下極端環(huán)境實現(xiàn)NMR信息的觀測和應(yīng)用，從而更好地解決復(fù)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(jìn)行識別與評價。由于NMR對流體靈敏，而且能夠提供孔隙結(jié)構(gòu)和流體特性等重要信息，在復(fù)雜油氣藏和非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)中具有獨特和無法替代的價值，受到廣泛重視。

井下極端環(huán)境的NMR探測，在與實驗室可控環(huán)境完全不同的狀態(tài)下實現(xiàn)，為NMR理論和儀器研制提出了特殊的科學(xué)問題，也為NMR科學(xué)與技術(shù)發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這些特殊科學(xué)問題的解決，將對NMR技術(shù)本身形成驅(qū)動和反饋，從而豐富和發(fā)展NMR探測理論。其中，利用NMR技術(shù)在陸上及海洋地層深處井筒環(huán)境下進(jìn)行地層巖石孔隙結(jié)構(gòu)與流體賦存狀態(tài)的原位探測，是極端環(huán)境最典型的代表，幾乎面對NMR科學(xué)儀器的全部難題。這種極端環(huán)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(shù)推向了新的高度。

本文所說的極端環(huán)境: 探頭和譜儀的體積嚴(yán)格受限；儀器處于運動狀態(tài)（縱向移動、徑向振動、周向旋轉(zhuǎn)，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，且觀測對象十分復(fù)雜。

極端條件NMR科學(xué)儀器，首先要求探頭和譜儀硬件足夠緊湊，靜磁場和射頻場足夠強大，能夠深入到探測目標(biāo)內(nèi)部建立NMR條件；其次，要能夠檢測到來自敏感區(qū)域的微弱信號，能夠在復(fù)雜運動條件下完成NMR快速測量，能夠充分利用多維NMR技術(shù)，通過降噪和反演處理，識別或評價復(fù)雜樣品的多種特性與特征。

井下極端環(huán)境NMR科學(xué)儀器是一個具有高度綜合性和復(fù)雜性的儀器系統(tǒng)，面臨NMR理論與脈沖序列、磁體與天線的材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)、譜儀電子線路、降噪理論與方法、數(shù)據(jù)反演處理與分析、資料解釋與應(yīng)用等多方面的挑戰(zhàn)。

目前世界上只有少數(shù)幾家著名石油服務(wù)公司具有井下極端環(huán)境NMR儀器的研發(fā)和制造能力。這些儀器的技術(shù)細(xì)節(jié)受到知識產(chǎn)權(quán)的高度保護(hù)，常常是公司的最高商業(yè)機(jī)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(tuán)隊長期“理論探索積累”、“儀器設(shè)計制作”、“引進(jìn)、吸收、集成、原創(chuàng)” 的基礎(chǔ)上撰寫而成《井下極端環(huán)境核磁共振科學(xué)儀器》一書，系統(tǒng)介紹了各種各樣的核磁共振儀器，引出井下極端環(huán)境核磁共振科學(xué)儀器的基本問題及其研究歷史和技術(shù)現(xiàn)狀，提出總體設(shè)計思想和關(guān)鍵技術(shù)問題解決方案。在此基礎(chǔ)上，圍繞“探頭”、“譜儀電子線路”、“軟件”、“降噪” 四個核心技術(shù)內(nèi)容展開詳細(xì)而深入的討論，每個部分都包括理論基礎(chǔ)、設(shè)計思想、詳細(xì)方案、研制過程、測試驗證以及優(yōu)化提升等各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，試圖通過發(fā)展共性技術(shù)，提升NMR科學(xué)儀器水平，推動我國NMR相關(guān)領(lǐng)域原始創(chuàng)新。