巖石微裂縫損傷變量的核磁共振定量分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及巖石細(xì)觀損傷力學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及巖石微裂縫損傷變量的核磁共振定 量分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工程實(shí)踐和研究表明，由于巖石類材料存在有初始微缺陷，從開始變形直至屈服 破壞是一個(gè)損傷累積和逐漸劣化的過程，是一個(gè)損傷隨時(shí)間由小到大直至破壞的量變到質(zhì) 變過程。
[0003] 為了觀察和研究巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷演化直至完全破裂的過程，國內(nèi)外學(xué)者通過 各種巖石細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行了研究。茅獻(xiàn)彪采用細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)方法，利用光學(xué)顯微鏡和SEM 掃描電鏡對(duì)膨脹巖進(jìn)行了分析，研究了膨脹巖在間接拉伸、單軸壓縮、三軸壓縮和長(zhǎng)期流變 試驗(yàn)過程中的損傷破壞規(guī)律。馮夏庭、陳四利等觀測(cè)了巖石在受壓狀態(tài)及水、化學(xué)溶液作用 下，表面細(xì)觀破裂破壞過程，詳細(xì)探討了其動(dòng)態(tài)損傷和破裂的機(jī)理。趙永紅進(jìn)行了灰?guī)r裂紋 擴(kuò)展和破裂機(jī)理細(xì)觀試驗(yàn)的研究。葛修潤、任建喜等在國內(nèi)首次利用CT實(shí)時(shí)觀測(cè)了巖石三 軸壓縮破壞全過程，分析得到了巖石損傷演化的初步規(guī)律。石秉忠采用CT成像技術(shù)，微觀 揭示硬脆性泥頁巖水化過程中裂縫的發(fā)展規(guī)律。這些研究多對(duì)損傷進(jìn)行了定性的分析，沒 有進(jìn)行定量的研究。楊更社以細(xì)觀損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，建立以CT數(shù)為函數(shù)的損傷變量，為識(shí) 別巖石損傷提供了新的定量分析方法。
[0004] 核磁共振技術(shù)（NMR)作為研究巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的新型檢測(cè)方式，具有無損、反復(fù)和 快速等優(yōu)點(diǎn)。目前核磁共振技術(shù)在石油工程領(lǐng)域，主要通過對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)層巖石孔隙 流體特性等方面的研究，來進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及錄井測(cè)井方面的應(yīng)用。目前還未見將其應(yīng)用于 定量的分析巖石微裂縫損傷機(jī)制的研究。在損傷力學(xué)中，損傷變量是非常重要的變量，對(duì)于 損傷演變的過程可以進(jìn)行合理的描述，也是損傷理論建立的基礎(chǔ)，所以對(duì)它進(jìn)行合理的定 義是非常有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的難點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供巖石微裂縫損傷變量的核 磁共振定量分析方法，建立由核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2譜表征的巖石損傷變量公式，為識(shí) 別巖石材料的損傷提供了新的定量分析方法。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] 巖石微裂縫損傷變量的核磁共振定量分析方法，包括以下步驟：
[0008] 第一步，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將試樣加工成直徑為25毫米、長(zhǎng)為50毫米的圓柱體；將試樣 浸泡在蒸餾水中，分別在浸泡1〇11^11、3〇1^11、111、211、411、611、811、1(1、3(1、5(1不同時(shí)間后取出試 樣；對(duì)經(jīng)過浸泡的試樣進(jìn)行核磁共振檢測(cè)，通過對(duì)試樣進(jìn)行CPMG脈沖序列測(cè)試，得到自旋 回波串衰減信號(hào)；利用核磁共振弛豫時(shí)間反演擬合軟件對(duì)自旋回波串衰減信號(hào)進(jìn)行反演， 得到Τ2譜的分布圖、譜面積值和各峰所占比例值；利用MiniMR核磁共振成像軟件得到同一 試樣不同浸泡時(shí)間的核磁共振成像；
[0009] 第二步，根據(jù)核磁共振原理，T2弛豫由表面弛豫決定，表面馳豫與介質(zhì)表面積有 關(guān)，多孔介質(zhì)孔隙表面積S與孔隙體積V之比為介質(zhì)比表面，介質(zhì)比表面越大，則馳豫越強(qiáng)， 反之亦然，Τ2表面表示為：
[0010]
[0011] 式中Ρ2為τ2表面馳豫強(qiáng)度；（S/V) 為孔隙表面積S與孔隙體積V之比，
[0012] 繼而得到T2與孔徑r的關(guān)系為：
[0013]
[0014] Fs稱為幾何形狀因子，由上式可見孔隙內(nèi)流體的弛豫時(shí)間和孔隙空間大小有關(guān)， 孔隙越小，比面積越大，表面相互作用的影響越強(qiáng)烈，T2時(shí)間也越短，弛豫時(shí)間T2和孔徑 r是一一對(duì)應(yīng)的，利用T2分布來評(píng)價(jià)孔隙裂紋大小、分布；
[0015] 第三步，建立微裂紋密度分布函數(shù)n(r，t)，對(duì)理想微裂紋系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述，η表 示在t時(shí)刻時(shí)，單位體積內(nèi)尺度在r~r+dr范圍內(nèi)的裂紋數(shù)n(r，t)dr，在損傷初期，略去 裂紋間相關(guān)效應(yīng)，成核過程和擴(kuò)展過程決定了η的演化規(guī)律，
[0016] 考察孔徑r所張成的一維相空間中相體元（r，r+Ar)內(nèi)微裂紋數(shù)密度變化，
[0018] 第四步，設(shè)連續(xù)損傷D用微損傷數(shù)密度來表示：
[0020] 將第二步中的式（2)中的r代入上式（4)則得
[0022] 第五步，對(duì)第一步反演得到的1~2譜面積進(jìn)行分析，核磁共振橫向弛豫時(shí)間T2譜的 積分面積正比于試樣中所含流體的多少，Τ2譜中X坐標(biāo)表示弛豫時(shí)間Τ2值大小，譜峰的位 置與孔徑大小有關(guān)，由此得到微損傷擴(kuò)展前沿在At內(nèi)新擴(kuò)展的面積
[0023] S^ /Fsn(t,T2)dT2 (6)
[0024] 第六步，根據(jù)（5)和（6)兩式，建立以T2譜表征的損傷變量為
[0026] ST。由核磁共振測(cè)量初始損傷時(shí)的Τ2譜積分面積，SΤ2為經(jīng)過水化浸泡后由核磁共 振測(cè)量水化損傷的Τ2譜積分面積。
[0027] 本發(fā)明的有益效果：建立由核磁共振橫向弛豫時(shí)間Τ2譜表征的巖石損傷變量公 式，為識(shí)別巖石材料的損傷提供了新的定量分析方法。
【附圖說明】
[0028] 圖1為實(shí)施例的巖樣浸泡后的T2譜。
[0029] 圖2為實(shí)施例的試樣浸泡lh的核磁成像圖。
[0030] 圖3為實(shí)施例的試樣浸泡8h的核磁成像圖。
[0031 ] 圖4為實(shí)施例的試樣浸泡Id的核磁成像圖。
[0032] 圖5為實(shí)施例的試樣浸泡3d的核磁成像圖。
[0033] 圖6為實(shí)施例的試樣浸泡5d的核磁成像圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0035] 巖石微裂縫損傷變量的核磁共振定量分析方法，包括以下步驟：
[0036] 第一步，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將試樣加工成直徑為25毫米、長(zhǎng)為50毫米的圓柱體；將試樣 浸泡在蒸餾水中，分別在浸泡1〇11^11、3〇1^11、111、211、411、611、811、1(1、3(1、5(1不同時(shí)間后取出試 樣；對(duì)經(jīng)過浸泡的試樣進(jìn)行核磁共振檢測(cè)，通過對(duì)試樣進(jìn)行CPMG脈沖序列測(cè)試，得到自旋 回波串衰減信號(hào)，自旋回波串衰減信號(hào)是不同大小孔隙內(nèi)水信號(hào)的疊加；利用核磁共振弛 豫時(shí)間反演擬合軟件對(duì)自旋回波串衰減信號(hào)進(jìn)行反演，得到T2譜的分布圖、譜面積值和各 峰所占比例值；利用MiniMR核磁共振成像軟件得到同一試樣不同浸泡時(shí)間的核磁共振成 像；
[0037] 第二步，根據(jù)核磁共振原理，T2弛豫由表面弛豫決定，表面馳豫與介質(zhì)表面面積有 關(guān)，介質(zhì)比表面（多孔介質(zhì)孔隙表面積S與孔隙體積V之比）越大，則馳豫越強(qiáng)，反之亦然， Τ2表面表示為：
[0038]
[0039] 式中Ρ2為Τ2表面馳豫強(qiáng)度；（S/V) 為孔隙表面積S與孔隙體積V之比，
[0040] 繼而得到T2與孔徑r的關(guān)系為：
[0041 ]
[0042] Fs稱為幾何形狀因子，由上式可見孔隙內(nèi)流體的弛豫時(shí)間和孔隙空間大小有關(guān)， 孔隙越小，比面積越大，表面相互作用的影響越強(qiáng)烈，T2時(shí)間也越短，弛豫時(shí)間T2和孔徑 r是一一對(duì)應(yīng)的，利用T2分布來評(píng)價(jià)孔隙裂紋大小、分布；