文献解读|贵州大学赵瑜教授团队：基于核磁的水力压裂实验—流体渗透在不同注入速率下引起的损伤演化特征

工程需求：全球页岩气开发中，水力压裂效率受限于岩石损伤不可控性。

核心矛盾：传统理论认为注入速率升高恒降低破裂压力，但现场数据频现反常高压现象。

技术优势：  能无损量化流体在岩石孔隙/裂隙中三维分布的技术，现有技术难以同步量化流体渗透过程与损伤演化结果；  通过弛豫时间（T?）区分微裂隙（T? > 10 ms）与基质孔隙（T? < 10 ms）。  

解决痛点：传统声发射、应变计无法捕捉渗透诱导的损伤累积过程。 

多尺度观测：集成NMR（孔隙尺度）与压裂（宏观尺度）实时数据流（图2）。

机制创新：提出“ 渗透主导型损伤（PDD, Permeability-Driven Damage） ”模型，解释破裂压力的非线性响应。

岩样加工：陕西砂岩（Φ5×50 mm）

均质性控制：剔除分层T?谱标准差>5%的样品。  

图1. 砂岩样品的制备与均质性评估

1.初始状态扫描：NMR获取干燥样品T?谱；  

2.水力压裂同步：以设定注入速率注入去离子水，NMR每10秒采集一次T?谱；  

3.破裂后分析：CT扫描裂缝形态，对比NMR损伤模型。 

图2：核磁共振测试系统

核心发现：

图3 水力压裂结果

非线性关系验证： 

Pb与注入速率（Qinj）呈U型曲线： 

低速区（Qinj < 5 mL/min)：Pb从38.2 MPa降至27.3 MPa（降幅28.6%），因流体充分渗透弱化岩石（水化作用）。  

高速区（Qinj> 20mL/min)：Pb骤升至38.6MPa（升幅41.3%），因流体惯性积累导致能量局部释放。  

渗透体积（Vinj）的核心地位：

  Pb与Vinj呈强负相关（Pb = -1.05Vinj+ 42.3，R2=0.880），证明实际渗入流体量（非注入速率）主导破裂行为。  

关键证据：

图4 水力压裂过程中含水量的变化

时间-渗透线性定律：  

 Vinj = 0.86Tinj + 1.2（R2=0.972），表明压裂时长是渗透量的直接控制变量。  

含水量演化规律：  

随井筒压力P上升，水含量线性增长，但不同Qinj下斜率差异显著：  

低速（0.01 mL/min）：斜率平缓（充分渗透）  

高速（5 mL/min）：斜率陡峭（局部饱和）  

三维损伤模式证据：

图5 在不同注入速率下，沿HF方向和垂直于HF的归一化MRI信号强度的变化

机制解释：  

低速损伤均匀化：流体通过微裂隙网络扩散（MRI显示径向渗透范围＞4 mm），诱发多分支裂缝。  

高速损伤局部化：流体局限于主裂缝（MRI信号强度＞200 a.u.区域仅占样品15%），抑制次级损伤。 

Fig 6 NMR损伤空间：

图6 水力压裂岩石损伤核磁图

低速区：NMR显示流体渗透至试样边缘（蓝色区域＞80%），微CT证实多分支裂缝（分支数＞3）；  

高速区：NMR流体集中于中部（红色高亮区），微CT显示单一主裂缝（缝宽＞0.4 mm）。

NMR技术在本研究中实现了三大突破：  

1）量化渗透体积：建立Vinj–时间–破裂压力的精确方程；  

2）解析损伤模式：T?谱峰形变化揭示“均匀损伤→局部破裂”的转变；  

3）三维空间定位：流体分布图直接预测裂缝形态。  

未来方向：将NMR损伤模型嵌入压裂模拟软件，实现“地质–工程”智能闭环控制。