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

摘要

注入速率是决定水力压裂有效性的关键因素，然而，注入速率对孔隙和裂隙结构（PFS）以及注水增压过程中流体渗透的影响很少被探索。这项研究中，在自主研发的集成核磁共振（NMR）和水力压裂实验系统上，对不同注入速率的圆柱形砂岩样品进行了水力压裂。结果表明，低注入速率主要导致宏观孔尺度损伤；而高注入速率则促进微观孔尺度损伤，这可能是由于孔隙内粘土矿物的吸附膨胀效应。此外，低注入速率样品的水分含量持续增加，而高注入速率样品的水分含量先增加后稳定。磁共振成像（MRI）表明，压裂过程中的流体渗透由于井筒周围固有的非均匀PFS分布而表现出高度各向异性。此外，存在一个主要的流体渗透路径，它与水力裂隙的起始方向一致。然而，随着注入速率的增加，沿水力裂隙方向的流体渗透损伤距离减小，而垂直于水力裂隙方向的流体渗透损伤距离大约等于特征长度，与注入速率无关。最后，我们建议使用注水增压过程中的孔隙损伤作为选择支撑剂粒径的依据，并利用主要流体渗透路径来预测水力裂隙的起始。这些发现为致密气藏水力压裂设计提供了宝贵的见解。

1.背景介绍

1.1研究背景

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。

1.2核磁共振（NMR）的核心作用  

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（T₂）区分微裂隙（T₂ > 10 ms）与基质孔隙（T₂ < 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。  

1.3 本文突破

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。

2. 实验方案：NMR为核心的技术路线

2.1 NMR样品制备与筛选  

岩样加工：陕西砂岩（Φ5×50 mm）

均质性控制：剔除分层T₂谱标准差>5%的样品。  

图1.砂岩样品的制备与均质性评估

2.2 实验流程  

1.初始状态扫描：NMR获取干燥样品T₂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T₂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

3.实验结论与分析  

3.1破裂压力（P_b）的双峰效应与流体渗透的调控作用

核心发现：

图3水力压裂结果

非线性关系验证：  

P_b与注入速率（Q_inj）呈U型曲线：  

    低速区（Q_inj < 5 mL/min)：P_b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（Q_inj> 20mL/min)：P_b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（V_inj）的核心地位：  

  P_b与V_inj呈强负相关（P_b = -1.05V_inj+ 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。  

3.2NMR揭示的流体渗透动力学机制  

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：  

 V_inj = 0.86T_inj + 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Q_inj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）  

3.3 NMR揭示损伤空间分布特征

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。  

3.4 损伤空间分布（NMR三维成像）  

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）。    

4.结论

NMR技术在本研究中实现了三大突破：  

1）量化渗透体积：建立V_inj–时间–破裂压力的精确方程；  

2）解析损伤模式：T₂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。

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参考文献：

[1] Long A, Zhang Y, Zhao Y, et al. Damage evolution characteristics caused by fluid infiltration across diverse injection rates: Insights from integrated NMR and hydraulic fracturing experiments[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering[2025-06-18].