岩石微裂缝损伤变量的核磁共振定量分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及岩石细观损伤力学领域，尤其涉及岩石微裂缝损伤变量的核磁共振定 量分析方法。
【背景技术】
[0002] 工程实践和研究表明，由于岩石类材料存在有初始微缺陷，从开始变形直至屈服 破坏是一个损伤累积和逐渐劣化的过程，是一个损伤随时间由小到大直至破坏的量变到质 变过程。
[0003] 为了观察和研究岩石内部结构的损伤演化直至完全破裂的过程，国内外学者通过 各种岩石细观力学试验进行了研究。茅献彪采用细观力学试验方法，利用光学显微镜和SEM 扫描电镜对膨胀岩进行了分析，研究了膨胀岩在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩和长期流变 试验过程中的损伤破坏规律。冯夏庭、陈四利等观测了岩石在受压状态及水、化学溶液作用 下，表面细观破裂破坏过程，详细探讨了其动态损伤和破裂的机理。赵永红进行了灰岩裂纹 扩展和破裂机理细观试验的研究。葛修润、任建喜等在国内首次利用CT实时观测了岩石三 轴压缩破坏全过程，分析得到了岩石损伤演化的初步规律。石秉忠采用CT成像技术，微观 揭示硬脆性泥页岩水化过程中裂缝的发展规律。这些研究多对损伤进行了定性的分析，没 有进行定量的研究。杨更社以细观损伤力学为基础，建立以CT数为函数的损伤变量，为识 别岩石损伤提供了新的定量分析方法。
[0004] 核磁共振技术（NMR)作为研究岩石细观结构的新型检测方式，具有无损、反复和 快速等优点。目前核磁共振技术在石油工程领域，主要通过对岩石孔隙结构、储层岩石孔隙 流体特性等方面的研究，来进行储层评价及录井测井方面的应用。目前还未见将其应用于 定量的分析岩石微裂缝损伤机制的研究。在损伤力学中，损伤变量是非常重要的变量，对于 损伤演变的过程可以进行合理的描述，也是损伤理论建立的基础，所以对它进行合理的定 义是非常有必要的。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的难点，本发明的目的在于提供岩石微裂缝损伤变量的核 磁共振定量分析方法，建立由核磁共振横向弛豫时间T2谱表征的岩石损伤变量公式，为识 别岩石材料的损伤提供了新的定量分析方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0007] 岩石微裂缝损伤变量的核磁共振定量分析方法，包括以下步骤：
[0008] 第一步，按行业标准将试样加工成直径为25毫米、长为50毫米的圆柱体；将试样 浸泡在蒸馏水中，分别在浸泡1〇11^11、3〇1^11、111、211、411、611、811、1(1、3(1、5(1不同时间后取出试 样；对经过浸泡的试样进行核磁共振检测，通过对试样进行CPMG脉冲序列测试，得到自旋 回波串衰减信号；利用核磁共振弛豫时间反演拟合软件对自旋回波串衰减信号进行反演， 得到Τ2谱的分布图、谱面积值和各峰所占比例值；利用MiniMR核磁共振成像软件得到同一 试样不同浸泡时间的核磁共振成像；
[0009] 第二步，根据核磁共振原理，T2弛豫由表面弛豫决定，表面驰豫与介质表面积有 关，多孔介质孔隙表面积S与孔隙体积V之比为介质比表面，介质比表面越大，则驰豫越强， 反之亦然，Τ2表面表示为：
[0010]
[0011] 式中Ρ2为τ2表面驰豫强度；（S/V) 为孔隙表面积S与孔隙体积V之比，
[0012] 继而得到T2与孔径r的关系为：
[0013]
[0014] Fs称为几何形状因子，由上式可见孔隙内流体的弛豫时间和孔隙空间大小有关， 孔隙越小，比面积越大，表面相互作用的影响越强烈，T2时间也越短，弛豫时间T2和孔径 r是一一对应的，利用T2分布来评价孔隙裂纹大小、分布；
[0015] 第三步，建立微裂纹密度分布函数n(r，t)，对理想微裂纹系统进行统计描述，η表 示在t时刻时，单位体积内尺度在r~r+dr范围内的裂纹数n(r，t)dr，在损伤初期，略去 裂纹间相关效应，成核过程和扩展过程决定了η的演化规律，
[0016] 考察孔径r所张成的一维相空间中相体元（r，r+Ar)内微裂纹数密度变化，
[0018] 第四步，设连续损伤D用微损伤数密度来表示：
[0020] 将第二步中的式（2)中的r代入上式（4)则得
[0022] 第五步，对第一步反演得到的1~2谱面积进行分析，核磁共振横向弛豫时间T2谱的 积分面积正比于试样中所含流体的多少，Τ2谱中X坐标表示弛豫时间Τ2值大小，谱峰的位 置与孔径大小有关，由此得到微损伤扩展前沿在At内新扩展的面积
[0023] S^ /Fsn(t,T2)dT2 (6)
[0024] 第六步，根据（5)和（6)两式，建立以T2谱表征的损伤变量为
[0026] ST。由核磁共振测量初始损伤时的Τ2谱积分面积，SΤ2为经过水化浸泡后由核磁共 振测量水化损伤的Τ2谱积分面积。
[0027] 本发明的有益效果：建立由核磁共振横向弛豫时间Τ2谱表征的岩石损伤变量公 式，为识别岩石材料的损伤提供了新的定量分析方法。
【附图说明】
[0028] 图1为实施例的岩样浸泡后的T2谱。
[0029] 图2为实施例的试样浸泡lh的核磁成像图。
[0030] 图3为实施例的试样浸泡8h的核磁成像图。
[0031 ] 图4为实施例的试样浸泡Id的核磁成像图。
[0032] 图5为实施例的试样浸泡3d的核磁成像图。
[0033] 图6为实施例的试样浸泡5d的核磁成像图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施例及附图对本发明做详细描述。
[0035] 岩石微裂缝损伤变量的核磁共振定量分析方法，包括以下步骤：
[0036] 第一步，按行业标准将试样加工成直径为25毫米、长为50毫米的圆柱体；将试样 浸泡在蒸馏水中，分别在浸泡1〇11^11、3〇1^11、111、211、411、611、811、1(1、3(1、5(1不同时间后取出试 样；对经过浸泡的试样进行核磁共振检测，通过对试样进行CPMG脉冲序列测试，得到自旋 回波串衰减信号，自旋回波串衰减信号是不同大小孔隙内水信号的叠加；利用核磁共振弛 豫时间反演拟合软件对自旋回波串衰减信号进行反演，得到T2谱的分布图、谱面积值和各 峰所占比例值；利用MiniMR核磁共振成像软件得到同一试样不同浸泡时间的核磁共振成 像；
[0037] 第二步，根据核磁共振原理，T2弛豫由表面弛豫决定，表面驰豫与介质表面面积有 关，介质比表面（多孔介质孔隙表面积S与孔隙体积V之比）越大，则驰豫越强，反之亦然， Τ2表面表示为：
[0038]
[0039] 式中Ρ2为Τ2表面驰豫强度；（S/V) 为孔隙表面积S与孔隙体积V之比，
[0040] 继而得到T2与孔径r的关系为：
[0041 ]
[0042] Fs称为几何形状因子，由上式可见孔隙内流体的弛豫时间和孔隙空间大小有关， 孔隙越小，比面积越大，表面相互作用的影响越强烈，T2时间也越短，弛豫时间T2和孔径 r是一一对应的，利用T2分布来评价孔隙裂纹大小、分布；