低场核磁共振技术在三轴压缩损伤的研究

2022-06-12 16:39:27, 纽迈分析苏州纽迈分析仪器股份有限公司

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油气煤炭资源是我国能源的重要组成部分，《“十四五”能源领域科技创新规划》指出，需切实增强油气供应能力，加强煤炭安全托底保障，提高创新发展能力，加强科技创新合作。

随着地表浅层油气煤炭资源开采殆尽，地层深处储层环境多样，岩石力学作用机理复杂，地层中孔隙压力和油水饱和度随着油气煤炭资源不断开采及深度变化而变化，给资源的开发带来严峻考验，准确的岩石力学特性参数在解决资源开发的实际问题起着重要作用。因此，需要我们进行深入的岩石力学特性研究。

岩石三轴力学实验一直是人们认识岩石在不同状态下力学特性的主要手段，研究岩石三轴强度的尺寸效应和高应力环境复杂应力路径下的变形与强度特征，对认知储层作用机理带来指导性的帮助^[1]。

核磁三轴压缩损伤分析实验区别于传统的三轴实验，可以快速模拟温度、三轴压力等实验环境，在线研究内部孔隙结构、流体饱和度等变化，实现三轴实验过程的可视化。

一

什么是三轴实验？

传统研究进行的三轴压缩损伤实验，一般的实验对象为圆柱体岩心。岩心分别在不同梯度的恒定围压下，施加轴向压力，进行压缩，直至破坏。配置力学传感器，对围压、轴压进行记录，用于实验分析，得到岩石的力学特性。

二

三轴实验对于岩石力学特性的研究重要吗？

地下岩层所处环境千奇百怪，所受应力更是错综复杂，在千百年的地层演化形成中，地层处在一个相对稳定的状态。当需要开采地层油气煤炭等化石能源时，地层岩石受到的力学平衡会被打破，在超出岩石的疲劳极限后，岩石会发生失稳破裂，可能发生井塌、地陷等事故，给正常的生产生活带来隐患，造成无法估量的损失^[2]。

开展岩石力学特性研究势在必行，三轴实验是认知岩石力学的主要手段，需要进行研究的方向包括：单轴压缩条件下的损伤演化机理；不同围压作用下的压缩能量演化规律；高温损伤作用后的压缩力学特性；细观破裂机制的变化情况；类脆塑性材料的应力跌落效应；蠕变条件下内部裂隙演化规律及对渗透率的影响等。

研究岩石的损伤破裂演化特征，期望得到岩石在三轴受力状态下的破坏机理及其破裂失稳演化过程，研究岩石在三轴压缩作用下内部裂隙的损伤演化规律对于能源矿业、水利水电、隧洞及天然地基工程的理论计算和设计工作具有重要意义。

三

岩石力学特性研究方法有哪些？

岩石力学特性研究方法主要有：

岩石三轴实验机对岩石施加三轴压力，直至岩石破裂，力学感应器跟踪记录三轴压力，以便后续分析，可以得到岩石的破坏压力与形变程度等特性^[3]。

将宏观三轴压缩试验与细观CT扫描相结合的研究方法。得到岩石在不同梯度载荷作用下岩石中微孔被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像，研究岩石在受损过程中的细观损伤扩展规律^[4]。

将宏观三轴压缩试验与细观核磁共振测试相结合的研究方法。得到岩石在不同梯度载荷作用下岩石中微孔被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段的弛豫时间谱和清晰的核磁共振图像，研究岩石在受损过程中的细观损伤扩展规律^[5]。

核磁相较其他方法，作为新晋的岩石力学特性研究手段，在室内实验室研究测试方面发展成熟，具有快速、无损、在线、准确、绿色等优势。

四

低场核磁共振三轴压缩损伤设备展示

图一低场核磁共振三轴压缩损伤设备侧面照

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参考资料

[1]Hallbauer D K, Wagner H, Cook N. Some observations concerning the microscopic and mechanical behaviour of quartzite specimens in stiff, triaxial compression tests[J]. Int.J.Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr, 1973, 10(6): 713- 726.

[2]Yang, Sheng-Qi. Experimental Investigation on Strength and Failure Behavior of Pre-cracked Marble Under Conventional Triaxial Compression[J]. Springer Berlin Heidelberg, 2015, 10. 1007/978-3-662-47303-0(Chapter 8):185-216.

[3]Xia M, Zhou K P. Particle simulation of the failure process of brittle rock under triaxial compression[J]. International Journal of Minerals Metallurgy & Materials, 2010, 17(5):507-513.

[4]Kawakata H, Cho A, Yanagidani T, et al. The observations of faulting in westerly granite under triaxial compression by X-ray CT scan[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 1997, 34(3-4):151.e1–151.e12.

[5]Yang X, Weng L, Hu Z. Damage evolution of rocks under triaxial compressions: An NMR investigation[J]. Ksce Journal of Civil Engineering, 2017.

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