Preliminary investigation on the hydrophysical properties and fracture seepage characteristics of 3D-printed gypsum specimens based on nuclear magnetic resonance technology

Abstract

基于石膏粉末的3D打印技术目前在岩石力学领域及石油领域应用广泛。为使该技术更广泛应用于有水条件下的岩石和油气工程，对真空渗透固化改进的石膏粉末型3D打印试样进行了水理特性和裂隙渗流特性研究。首先，借助SEM和低场核磁共振技术（NMR）研究了该3D打印试样的微观结构特征和孔隙分布特征。其次，分别对试样在自然吸水和有压饱和条件下开展了吸水→饱和→干燥的干湿过程试验，并借助NMR技术研究了试样干湿过程中的水份迁移特征。在此基础上，分别对干燥和饱和试样开展了单轴压缩试验，研究试样遇水软化特征。最后，基于NMR岩石驱替渗流分析成像系统，对四种含不同粗糙度（JRC）的裂隙打印试样开展了恒围压、渗透压的渗流试验，借助实时核磁T2谱和成像研究了试样的裂隙渗流规律。结果表明，渗透固化的石膏粉末型3D打印试样内部大小孔隙分布均匀且连通性好，总孔隙度为18.4%；试样自然吸水时以中、大孔隙充水为主，有压饱和时其大、中和小三种孔隙均会被充水饱和；试样的自然吸水率、饱和吸水率以及饱水系数分别为6.01%、8.8%和0.68，与一般砂岩很接近；相比干燥时，饱和试样的变形大、峰值强度降低明显，其遇水软化系数KR为0.75，与一般沉积岩软化系数范围接近；打印裂隙试样渗流时，水份先在主裂隙和大孔隙中聚集，随后逐渐形成主裂隙渗流通道，最后在渗流趋于稳态时逐渐进入中、小孔隙中；在围压5 MPa和渗透压1.3 MPa的条件下，四个不同裂隙粗糙度的打印试样渗透系数在8×10-7~1.3×10-6 m/s之间，略小于同条件下的裂隙黄砂岩。