【土木专栏】开年第一篇，基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究

本期推送请随小K来“学、思、品、鉴”--基于核磁共振技术在脆硬性泥页岩水化后细观结构损伤演化方面的试验研究内容。欢迎各位专家、同行及朋友多多交流、指正。

脆硬性泥页岩孔隙、颗粒等细观结构遇水后发生了改变，促使裂纹的萌生、扩展直至最终破裂的整个变化过程，对泥页岩的力学特性以及工程特性产生了重要的影响。通过核磁共振试验，可以直观地看出脆硬性泥页岩在经历不同浸泡水时间后，其细观微孔隙结构及微裂缝的动态变化过程。

试验岩样采自某油田长7 层的泥页岩，该岩石呈水平层理状，有明显条纹存在。现场钻取的岩芯，经试验室加工制备成标准圆柱形试样，试样的直径为25 mm，长为50 mm。由于脆硬性岩石的层理结构和内部裂纹使岩样钻取困难，最后得到达到试验要求的有6 个试样。

表1  脆硬性泥页岩矿物含量表

试验中使用的主要仪器是采用苏州纽迈分析仪器公司生产的MiniMR-60 型核磁共振成像分析系统，见图1。该设备的主磁场为 0.51 T，试验温度为室温18～22 ℃。

图1  MiniMR-60 型核磁共振分析试验仪

①对所取岩样洗油烘干处理，将其进行编号N1～N6；②测量试样质量，观察外观并进行记录；③将试样浸泡在蒸馏水中，浸泡10 min 后取出试样称重，并记录外观行貌；④对试样进行核磁共振检测；⑤对完整试样继续浸泡；⑥分别在10、30 min，1、2、4、6、8 h，1、3、5 d 时取出称重，进行核磁试验，并记录外观形貌。

Tips:文中还开展了脆硬性泥页岩的质量变化试验，在此主要对低场核磁共振试验的结果进行描述，感兴趣的读者可自行阅读相关文献。

对不同浸泡时间的试样进行了核磁共振测试，得到了横向弛豫时间T2 分布。

图2  试样浸泡1h内岩样的T2谱变化曲线

从上图中可以看出，在起初1h内，经过不同时间的浸泡，泥页岩的T2谱分布均表现为2个峰，且第1峰信号强，第2峰的信号较弱，表明试样内部以小孔隙为主。随着浸泡时间的增加，T2图谱曲线的第1个峰的幅度变化不明显，说明短时间内试验内部未有明显的微裂缝产生和扩展；而第2个峰发生了右移，表明水在进入泥页岩内部后发生了水化反应，致使大孔隙T2谱的核磁共振信号强度增加。

综合以上试验结果，可以得出：在水化作用下，随着浸泡时间的延长，岩石中的微孔隙和微裂缝的发展阶段不同。在水化的初期阶段，主要表现为微裂缝的扩展；随着浸泡时间的延长，微孔隙产生和微裂缝扩展的趋势得到快速发展，导致岩石内部出现颗粒剥落或塌孔情况。在水化后期，微孔隙的产生和扩展趋势继续发展，裂缝归并贯通形成了大尺寸裂纹。整个水化损伤分成了3 个阶段：大尺寸孔隙裂纹发展阶段；小孔隙产生、大尺寸孔隙裂纹加剧扩展；小孔隙加剧产生扩展、大尺寸孔隙裂纹归并贯通至水化破坏阶段。

核磁共振横向弛豫时间T2 谱的积分面积正比于岩石中所含流体的多少，它等于或略小于岩石的有效孔隙度。因此岩样在经历不同浸泡时间后，T2 谱分布积分面积的变化，反映了岩石孔隙体积、数量的变化。泥页岩经历不同的浸泡时间后，T2谱面积的变化及各个峰做占的比例，如表2所示。

表2  不同浸泡时间下泥页岩核磁共振谱面积

从表可以看出，在不同浸泡时期，T2图谱的面积在不断地发生变化，泥页岩的水化损伤前期变化较大，后期变化缓慢。浸泡初期，试样内部以小尺寸的微孔隙为主；1h后，第2峰相对变化较大，岩样内部出现明显的微裂纹损伤扩展。8h后，出现了第3个峰，说明同时并伴随微裂纹的扩展，又诱发和产生了一些新的分叉性微裂纹，此时泥页岩中的裂纹数量较多且长，致使岩石内部损伤加大。1d后，T2谱面积继续变大，对应小尺寸微孔隙的第1 个峰占峰总面积也明显增加，但对应大尺寸孔隙第2 峰占峰总面积变小，第3 峰甚至消失，说明微孔隙还在不断的产生和扩展，大尺寸孔隙裂纹已经归并贯通到宏观破坏。

图4  不同浸泡时间下泥页岩的核磁共振成像图

上图为经历不同浸泡时间的泥页岩试样的核磁共振成像结果。图中的白色亮斑即为试样内部孔隙水存在的位置，白色亮斑越多，意味着试样的孔隙越大，反之，则孔隙越小。

从核磁共振成像结果也可以看出，随着浸泡时间的延长，泥页岩核磁共振成像的结果愈加清晰、明亮，表明泥页岩的水化损伤程度愈加严重。