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(tuán)隊(duì)，主要內(nèi)容為裂隙砂巖滲透注漿過程的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(qiáng)度的加固手段，具有實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于復(fù)雜地層加固處理實(shí)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(diǎn)，人們難以準(zhǔn)確獲知漿液在巖體內(nèi)部裂隙中流動擴(kuò)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(yàn)研究對注漿過程中漿液的流動分布狀態(tài)缺乏實(shí)時(shí)細(xì)致的觀測，難以揭示漿液在裂隙巖體內(nèi)的滲透擴(kuò)散機(jī)制，同時(shí)也沒有考慮溫度、圍壓等因素對漿液滲透擴(kuò)散機(jī)制的影響。

本研究采用低場核磁共振巖石滲流過程實(shí)時(shí)在線分析系統(tǒng)，首先研究溫度對超細(xì)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(yàn)溫度和圍壓模擬實(shí)際工程的地層條件展開滲透注漿試驗(yàn)，對注漿過程實(shí)時(shí)跟蹤測試，分析裂隙巖石漿液注入量、有效注漿時(shí)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(kuò)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(yàn)流程圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及辦法

原料及樣品制備

本研究試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)。

采用超細(xì)水泥漿液開展?jié)B透注漿試驗(yàn)，使用緩凝劑和聚羧酸減水劑作為外加劑。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)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(shí)，可使超細(xì)水泥漿液具有較好的流動性和可注性，滿足注漿滲透試驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)巖石注漿滲透過程的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)在線分析與成像系統(tǒng)

漿液的水化性質(zhì)及其黏度時(shí)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(jìn)行跟蹤測試，獲得水化過程中漿液的T2核磁信號強(qiáng)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(qiáng)度緩慢減小，常溫下(即20℃)潛伏期的水化時(shí)間范圍為5～35 min，而溫度較高時(shí)(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(yàn)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(qiáng)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(jì)對水泥漿液的黏度進(jìn)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(shí)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(shí)間的變化曲線。可以看到，3種溫度工況下，超細(xì)水泥漿液的黏度均隨時(shí)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(kuò)散距離。

圖3 不同溫度下漿液黏度隨水化時(shí)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(kuò)散特性

圖4溫度為30℃時(shí)單裂隙砂巖注漿過程中T2譜分布變化情況。隨著注漿的進(jìn)行，T2曲線的核磁信號強(qiáng)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(xì)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(shí)間變大，這一現(xiàn)象表明漿液逐漸向較大孔隙中擴(kuò)散。通過對T2譜曲線對應(yīng)的微孔隙、細(xì)孔隙和大孔隙內(nèi)漿液分布特征分別進(jìn)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(kuò)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(yàn)開始15 s時(shí)，漿液開始向裂隙周圍擴(kuò)散，此時(shí)像素點(diǎn)較少，試樣整體比較暗；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，注漿至45 s時(shí)，漿液逐漸聚集在注入口一側(cè)，入口端的像素點(diǎn)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(diǎn)線；最后，漿液由主裂隙向試樣的孔隙中繼續(xù)擴(kuò)散，直到注漿完成時(shí)，漿液充分進(jìn)入試樣各區(qū)域，試樣達(dá)到注漿穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 注漿試驗(yàn)過程中核磁共振成像圖

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

圖6給出了典型的漿液注入量與注漿時(shí)間的變化關(guān)系。總漿液注入量隨時(shí)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(shí)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(dá)到一定閾值后，漿液開始進(jìn)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(jìn)入試樣形成貫通的擴(kuò)散通道，滲透注漿過程主要發(fā)生在這一階段。隨后，進(jìn)入穩(wěn)定注漿階段(階段 III)；漿液注入量達(dá)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(shí)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(shí)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(shí)間的變化關(guān)系。進(jìn)一步地，通過擬合方程，我們可以定義有效注漿時(shí)間（即有效注漿階段的持續(xù)時(shí)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(kuò)散特性進(jìn)行深入分析。

2 溫度對滲透注漿擴(kuò)散的影響

圖6顯示了溫度對滲透注漿擴(kuò)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(shí)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(kuò)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(shí)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(xì)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(kuò)散特性的影響

03 圍壓對滲透注漿擴(kuò)散的影響

圖7顯示了圍壓對滲透注漿擴(kuò)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(shí)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(shí)，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(yùn)移擴(kuò)散，而細(xì)孔隙和大孔隙的擴(kuò)散通道受到抑制，當(dāng)微孔隙內(nèi)的漿液達(dá)到一定充填度后才向細(xì)孔隙和大孔隙中擴(kuò)散。

圖7 圍壓對滲透注漿擴(kuò)散的影響

04 漿液流速對滲透注漿擴(kuò)散的影響

圖8顯示了漿液流速對滲透注漿擴(kuò)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(shí)間有明顯不同，漿液流速越大，注漿過程完成時(shí)間越短。有效注漿時(shí)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(jìn)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(shí)，漿液優(yōu)先向微孔隙中擴(kuò)散，之后才對細(xì)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(kuò)散的影響。

05裂隙數(shù)量對滲透注漿擴(kuò)散的影響

圖9顯示了裂隙數(shù)量對滲透注漿擴(kuò)散的影響。多裂隙試樣的有效注漿時(shí)間的起始點(diǎn)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(shí)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(kuò)散通道改變，漿液在三類孔隙中均發(fā)生同等程度的運(yùn)移擴(kuò)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(kuò)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(shí)時(shí)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(xiàn)：

• 超細(xì)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(kuò)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(shí)間增大，漿液充填速率下降。不同圍壓工況下，有效注漿時(shí)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(shí)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(shí)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(xì)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(kuò)散機(jī)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(kuò)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(yùn)移擴(kuò)散，當(dāng)微孔隙內(nèi)漿液達(dá)到一定充填度后才繼續(xù)向細(xì)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(shí)際裂隙巖體中漿液擴(kuò)散和充填效果評價(jià)提供有價(jià)值的試驗(yàn)依據(jù)。