本期為大家解讀并推薦的文章，是2022年發(fā)表在中科院大類一區(qū)期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》上，來自武漢大學(xué)吳志軍教授和翁磊副研究員團隊，主要內(nèi)容為裂隙砂巖滲透注漿過程的實時核磁共振表征。

文章中核心的部分是基于低場核磁共振巖石滲流過程實時在線分析系統(tǒng)，定量表征了不同圍壓、溫度及注漿流速下裂隙砂巖滲透注漿特性參數(shù)的演化過程，為深部軟弱裂隙巖體注漿加固提供有意義的指導(dǎo)。

研究背景

地下工程注漿技術(shù)作為常用的修復(fù)破碎巖體、提高圍巖強度的加固手段，具有實用性強、經(jīng)濟成本低等特點，已經(jīng)被廣泛用于復(fù)雜地層加固處理實踐中。由于注漿工程的隱蔽性，加之巖體本身的各向異性等特點，人們難以準(zhǔn)確獲知漿液在巖體內(nèi)部裂隙中流動擴散規(guī)律，導(dǎo)致巖體注漿加固效果難以判斷，除此之外，溫度、圍壓等外界環(huán)境因素也會對裂隙巖體內(nèi)漿液流動情況產(chǎn)生顯著影響。然而，目前的試驗研究對注漿過程中漿液的流動分布狀態(tài)缺乏實時細致的觀測，難以揭示漿液在裂隙巖體內(nèi)的滲透擴散機制，同時也沒有考慮溫度、圍壓等因素對漿液滲透擴散機制的影響。

本研究采用低場核磁共振巖石滲流過程實時在線分析系統(tǒng)，首先研究溫度對超細水泥漿液的水化過程和黏度的影響，然后通過設(shè)置不同的試驗溫度和圍壓模擬實際工程的地層條件展開滲透注漿試驗，對注漿過程實時跟蹤測試，分析裂隙巖石漿液注入量、有效注漿時間和漿液充填速率的變化情況，研究不同條件下裂隙巖體的滲透注漿擴散規(guī)律，為深部軟弱裂隙巖體注漿加固提供有意義的指導(dǎo)。

深部軟弱裂隙圍巖注漿加固

試驗流程圖

實驗設(shè)計及辦法

原料及樣品制備

本研究試驗所用巖石試樣來自山東的黃砂巖，中等風(fēng)化程度，具有中粒砂狀結(jié)構(gòu)和中等磨圓度，顆粒粒徑主要集中在0.25～0.50 mm。將試樣加工成直徑為25mm，高為50 mm的圓柱體試樣，利用超薄圓盤鋸對圓柱體試樣進行切割，將試樣沿其軸線方向切開，形成1～3條平行的貫通裂隙面，從而開展裂隙砂巖的滲透注漿試驗。

采用超細水泥漿液開展?jié)B透注漿試驗，使用緩凝劑和聚羧酸減水劑作為外加劑。通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)緩凝劑添加量為2.0%，減水劑添加量為1.5%，水灰比為2∶1時，可使超細水泥漿液具有較好的流動性和可注性，滿足注漿滲透試驗要求。

實驗系統(tǒng)

實驗設(shè)備采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司研制的MacroMR12-150H-1型低場核磁共振巖石滲流過程實時在線分析與成像系統(tǒng)，主要由核磁共振測試模塊和雙缸恒壓恒流驅(qū)替模塊組成，可實現(xiàn)巖石注漿滲透過程的實時核磁共振測試分析，如圖1。

圖1 MacroMR12-150H-1型低場核磁共振巖石滲流過程實時在線分析與成像系統(tǒng)

漿液的水化性質(zhì)及其黏度時變特性

利用核磁共振測試系統(tǒng)對不同溫度下漿液的水化過程進行跟蹤測試，獲得水化過程中漿液的T2核磁信號強度變化，如圖2所示。可以看到，潛伏期內(nèi)，漿液的核磁信號強度緩慢減小，常溫下(即20℃)潛伏期的水化時間范圍為5～35 min，而溫度較高時(如30℃，40℃)潛伏期明顯縮短至5～25 min。潛伏期與漿液的黏度穩(wěn)定期吻合，注漿試驗應(yīng)該盡量利用好漿液在潛伏期良好的流動性，在加速凝結(jié)期開始前完成。

圖2 不同溫度下漿液水化過程中核磁信號強度演變情況

利用數(shù)顯恒溫水浴箱對水加熱至不同的溫度，采用數(shù)顯旋轉(zhuǎn)黏度計對水泥漿液的黏度進行測試。設(shè)置0 號轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為60 轉(zhuǎn)/min，每隔5～10 min 測試一次漿液的黏度，總測試時間為95 min，即加速凝結(jié)期結(jié)束為止。圖3顯示了不同溫度下漿液黏度隨水化時間的變化曲線。可以看到，3種溫度工況下，超細水泥漿液的黏度均隨時間增加而增大。隨著溫度的升高，漿液的最終黏度增大，且黏度增長率也增大，表明漿液在流動過程中受到的阻力逐漸劇增，從而影響漿液的滲透擴散距離。

圖3 不同溫度下漿液黏度隨水化時間的變化曲線

滲透巖漿主要結(jié)論分析

01 單裂隙砂巖試樣的滲透注漿擴散特性

圖4溫度為30℃時單裂隙砂巖注漿過程中T2譜分布變化情況。隨著注漿的進行，T2曲線的核磁信號強度峰值越來越大，譜峰面積逐漸增大，譜峰數(shù)量由初始的3個譜峰逐漸演變?yōu)?個譜峰，微孔隙和細孔隙對應(yīng)的2個譜峰逐漸匯合形成一個譜峰。并且，主峰的位置向右移動，橫向弛豫時間變大，這一現(xiàn)象表明漿液逐漸向較大孔隙中擴散。通過對T2譜曲線對應(yīng)的微孔隙、細孔隙和大孔隙內(nèi)漿液分布特征分別進行分析，可研究注漿過程中漿液在不同尺寸孔隙中的滲透擴散規(guī)律。

圖4 單裂隙砂巖試樣注漿過程中的T2譜曲線(T= 30℃)

圖5試樣注漿全過程動態(tài)發(fā)展的核磁共振圖像。可以看到，注漿試驗開始15 s時，漿液開始向裂隙周圍擴散，此時像素點較少，試樣整體比較暗；隨著試驗的進行，注漿至45 s時，漿液逐漸聚集在注入口一側(cè)，入口端的像素點也增多，亮度明顯大于另一側(cè)；隨后，漿液繼續(xù)向試樣另一端流動，直至貫通裂隙，在人工裂隙中形成貫通亮點線；最后，漿液由主裂隙向試樣的孔隙中繼續(xù)擴散，直到注漿完成時，漿液充分進入試樣各區(qū)域，試樣達到注漿穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 注漿試驗過程中核磁共振成像圖

通過對不同體積漿液進行核磁共振測試,可以擬合得到核磁信號強度與漿液體積間的定量關(guān)系,據(jù)此可對注漿過程中進入試樣的實際漿液注入量進行定量反演。

圖6給出了典型的漿液注入量與注漿時間的變化關(guān)系。總漿液注入量隨時間的變化呈現(xiàn)出典型的 3 個階段，即初始注漿階段(階段 I)；漿液注入量較少，此時漿液在試樣一端集聚使得端部壓力逐漸上升，待端部壓力達到一定閾值后，漿液開始進入試樣內(nèi)部。有效注漿階段(階段 II)：此階段漿液注入量呈近似線性增長趨勢，漿液大量進入試樣形成貫通的擴散通道，滲透注漿過程主要發(fā)生在這一階段。隨后，進入穩(wěn)定注漿階段(階段 III)；漿液注入量達到一定值后不再增加，注漿試樣表現(xiàn)出“偽飽和”狀態(tài)，且注漿管路出口處有漿液穩(wěn)定流出，表明此時漿液已經(jīng)完全貫通裂隙試樣，漿液從滲流通道流出。

圖6 漿液注入量與注漿時間的變化曲線

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，采用玻爾茲曼方程可以很好的擬合漿液注入量與注漿時間的變化關(guān)系。進一步地，通過擬合方程，我們可以定義有效注漿時間（即有效注漿階段的持續(xù)時間）、漿液充填速率（即有效注漿階段曲線的斜率）2個指標(biāo)對不同條件下注漿滲透擴散特性進行深入分析。

2 溫度對滲透注漿擴散的影響

圖6顯示了溫度對滲透注漿擴散特性的影響。溫度對注漿過程的影響主要表現(xiàn)在漿液最終注入量和有效注漿時間等參數(shù)方面。高溫下漿液的黏度增大，流動性下降，導(dǎo)致漿液在孔隙中的擴散阻力增大，從而使得試樣內(nèi)漿液最終注入量減少，有效注漿時間增大，漿液充填速率下降。隨著溫度的升高，3類孔隙中的漿液充填速率均呈現(xiàn)出非線性下降趨勢。并且，相同溫度下，微孔隙的漿液充填速率最大，細孔隙的漿液充填速率次之，而大孔隙的漿液充填速率最小。

圖6 溫度對滲透注漿擴散特性的影響

03 圍壓對滲透注漿擴散的影響

圖7顯示了圍壓對滲透注漿擴散的影響。隨著圍壓的增大，試樣內(nèi)的漿液最終注入量減少。不同圍壓工況下，試樣的有效注漿階段幾乎重合，表明各圍壓下試樣的有效注漿時間相同。然而，低圍壓下試樣的漿液充填速率更大并且，當(dāng)圍壓小于10MPa 時，漿液充填速率下降幅度更大，漿液的可注性對圍巖變化的敏感程度隨圍壓升高而下降。在較高圍壓下，漿液優(yōu)先向微孔隙中運移擴散，而細孔隙和大孔隙的擴散通道受到抑制，當(dāng)微孔隙內(nèi)的漿液達到一定充填度后才向細孔隙和大孔隙中擴散。

圖7 圍壓對滲透注漿擴散的影響

04 漿液流速對滲透注漿擴散的影響

圖8顯示了漿液流速對滲透注漿擴散的影響。不同漿液流速下，試樣內(nèi)漿液最終注入量基本沒有變化，均為2.3 ml左右。然而，不同漿液流速條件引起的有效注漿時間有明顯不同，漿液流速越大，注漿過程完成時間越短。有效注漿時間隨著漿液流速的增大呈直線下降，而漿液充填速率則逐漸增加。隨著漿液流速的增大，漿液更容易進入微孔隙中，漿液在微孔隙中形成了優(yōu)勢通道。這一現(xiàn)象與高圍壓工況類似，漿液流速較高時，漿液優(yōu)先向微孔隙中擴散，之后才對細孔隙和大孔隙的填充，直至注漿結(jié)束。

圖8 漿液流速對滲透注漿擴散的影響。

05裂隙數(shù)量對滲透注漿擴散的影響

圖9顯示了裂隙數(shù)量對滲透注漿擴散的影響。多裂隙試樣的有效注漿時間的起始點明顯早于單裂隙試樣，且其最終注入量大于單裂隙試。隨著試樣的裂隙數(shù)量從1條增加到3條，試樣的有效注漿時間明顯下降，漿液充填速率明顯增大。然而，裂隙數(shù)量的變化不會引起漿液擴散通道改變，漿液在三類孔隙中均發(fā)生同等程度的運移擴散，沒有形成明顯的優(yōu)勢通道。

圖9 裂隙數(shù)量對滲透注漿擴散的影響

紐邁核磁助力

本篇論文中所用的MacroMR12-150H-1型低場核磁共振巖石滲流過程實時在線分析與成像系統(tǒng)，搭配了高溫高壓驅(qū)替系統(tǒng)，主要用于流體滲流過程、氣-液兩相驅(qū)替過程研究，本篇文章主要使用了一下功能：

本文中低場核磁共振所作貢獻：

• 超細水泥漿液水化過程的核磁共振表征

• 基于核磁信號輕度的注漿注入量定量換算

• 不同尺度孔隙內(nèi)漿液滲透擴散演化過程的表征

結(jié)論

核心結(jié)論

• 隨著溫度的升高，漿液最終注入量降低，有效注漿時間增大，漿液充填速率下降。不同圍壓工況下，有效注漿時間近似相等，而漿液的充填速率隨著圍壓升高而降低，且對圍壓變化的敏感程度逐漸降低。漿液流速對漿液注漿量的影響不大，漿液流速越大，有效注漿時間越短，漿液充填速率越大。多裂隙試樣中漿液注入量較單裂隙試樣更高，有效注漿時間更短，漿液充填速率更大。

• 不同尺寸孔隙方面，微孔隙的漿液充填速率最大，細孔隙的漿液充填速率次之，而大孔隙的漿液充填速率最小，變化趨勢與試樣整體漿液充填速率保持一致，隨著溫度的升高和圍壓的增大而下降，隨著漿液流速的增大和裂隙數(shù)目的增多而增大。

• 溫度和裂隙數(shù)量對漿液的擴散機制影響很小，即在不同尺寸的孔隙中的漿液充填速率占比變化幅度很小，漿液向各孔隙中均勻擴散，沒有形成優(yōu)勢通道。然而，高圍壓和高漿液流速下，微孔隙中漿液充填速率占比明顯增大，漿液優(yōu)先向微孔隙中運移擴散，當(dāng)微孔隙內(nèi)漿液達到一定充填度后才繼續(xù)向細孔隙和大孔隙中移動，最終完成滲透注漿過程。

• 以上研究為實際裂隙巖體中漿液擴散和充填效果評價提供有價值的試驗依據(jù)。