CN110865014B - 基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，包括计算机伺服控制系统、核磁共振系统、岩心夹持器、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统，其中，所述计算机伺服控制系统与核磁共振系统、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统分别相连，所述核磁共振系统由梯度磁场和射频系统组成，所述岩心夹持器分别与围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统相连。本发明还提供了一种测试方法。本发明实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变及孔隙率‑渗透率演变规律。

Description

基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置及方法

技术领域

本发明涉及水利水电领域，具体为基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置及方法。

背景技术

渗流问题是水利工程失事的重要原因之一，随着越来越多西部高水头水电站、长距离深埋输水隧洞和抽水蓄能电站的建设，工程规模越来越大，设计水头越来越高，地质条件越来越复杂，水利水电工程面临着高水头、高应力、大水力梯度、水化学侵蚀等复杂地质条件的工程问题和工程风险。自然岩体一般为伴有断层、节理、裂隙的多孔介质，在流固化学等复杂条件长期作用下，地下围岩发生压密、扩容、侵蚀等作用，其内部孔隙结构发生改变，引起渗透特性变化。因此，深入系统地研究流固化学条件下岩体的孔隙率-渗透率演化规律对水利水电工程长期安全稳定运行至关重要。

传统三轴渗流实验只能通过渗出液流量、浓度，进出口压力差等宏观物理量表征岩石内流体流动特征，为攻克研究孔-渗模型的“黑箱”难题，目前对渗透岩石内部孔隙测量的方法主要包括压汞法、CT法以及核磁共振法。压汞法测量孔隙率对岩心试样具有破坏性，不能进行无损测量；CT法是一种成像分辨率较高无损探测，但当岩石中有流体时，不能很好地将岩石中流体与多孔岩体骨架分开；核磁共振技术可以获取孔径和孔喉分布、孔隙率以及渗透率，具有方便、无损等优点，对渗透岩石内部饱和度成像，实现岩石流固化学耦合渗流过程可视化孔隙水空间分布及渗透率规律。但现有的核磁共振渗流装置受磁场影响，难以进行岩体试样的应变测量，无法从宏观与细观结合的角度出发，对岩体在蠕变-渗透耦合过程中的渗流演化机理、渗流稳定性展开深入、系统的研究。

综上所述，为了满足高坝和深埋水工隧洞的长期安全稳定运行，本发明将突破流固化学侵蚀长期作用下裂隙岩体细观渗流演化机理、渗流稳定性及其动态力学响应这一技术难题，预测、预报和控制高坝、深埋水工隧洞等水利工程渗流破坏灾害的发生发展，对促进我国水利水电工程中的渗流学科发展起到重大的推动作用，为确保我国大型水利工程的长期安全运行和维护提供科学依据和技术支撑。

发明内容

本发明针对难以解决长期高水头、高应力、大水力梯度、水化学侵蚀等复杂地质条件的工程变形问题以及复杂工作环境下水工程侵蚀的渗流稳定问题，提供了基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置及方法，实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变及孔隙率-渗透率演变规律。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，包括计算机伺服控制系统、核磁共振系统、岩心夹持器、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统，其中，所述计算机伺服控制系统与核磁共振系统、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统分别相连，所述核磁共振系统由梯度磁场和射频系统组成，所述岩心夹持器分别与围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统相连。

优选地，所述梯度磁场的磁极放置于岩心外部，产生成像功能的梯度磁场B0，激发样品信号；所述射频系统实施射频激励并接收核磁信号，所述射频系统将接收的信号反馈传输到计算机伺服控制系统，所述计算机伺服控制系统进行处理后获取岩心中孔隙-骨架分布特征。

进一步地，所述梯度磁场的磁体为钕铁硼口子型永磁体，磁场强度为0.5±0.05T。

优选地，所述岩心夹持器包括岩心试样、渗头、渗流通道、负压空腔、左端帽和围压室；其中，所述岩心试样左右两侧设有渗头，所述渗头上设有O型胶圈，左侧渗头上设有轴压压力柱加载轴压，右侧渗头右侧设有固定的塞板，塞板上设有围压注油孔、渗流出口，左端帽左侧设有渗流入口和排气孔。

优选地，所述围压控制系统包括围压力传感器、围压承压装置，所述测试装置包括电动机油泵和油箱；其中，所述电动机油泵与油箱连接，所述油箱通过油滤器、围压供油阀、围压放油阀与围压力传感器连接，所述围压力传感器与围压承压装置连接，所述围压承压装置通过围压注油孔与围压室连接。

优选地，所述轴压控制系统包括轴压力传感器、轴压承压装置，所述测试装置包括电动机油泵和油箱；其中，所述电动机油泵与油箱连接，所述油箱通过油滤器、轴压供油阀、轴压放油阀与轴压力传感器连接，所述轴压力传感器与轴压承压装置连接，所述轴压承压装置与轴压压力柱连接。

优选地，所述渗压控制系统包括化学溶液配料池、高压渗透装置、低压渗透装置、渗压力传感器和流量传感器，其中，所述化学溶液配料池通过流量传感器、溢流阀、恒压恒速驱替泵、电动阀与高压渗透装置连接，所述高压渗透装置通过阀门、恒压恒速驱替泵、渗压力传感器、流量传感器将渗流液体注入到渗流入口加载上游渗压，加载后的渗透压通过阀门、单向阀、流量传感器、渗压力传感器卸载部分渗压，调节岩心试样上、下游压力差。

进一步地，所述化学溶液配料池、高压渗透装置、低压渗透装置采用抗强酸强碱的哈式合金。

优选地，所述应变测量系统包括高压容器和水位传感器；其中，所述高压容器通过阀门与负压空腔连接，所述水位传感器与计算机伺服控制系统连接。

优选地，所述渗头的一端与岩心试样连接，所述渗头与岩心试样接触的表面为一系列凹凸的同心圆渗水通道。这样的设置可以使渗水均匀稳定，且与岩心试样的之间的封闭性较好，不会出现集中渗流通径。

基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试方法，采用所述的测量装置实现，所述方法包括：

通过围压控制系统加载围压到目标值；

通过轴压控制系统加载轴压到固定值；

通过渗压控制系统加载渗透压到目标值；

通过应变测量系统获取岩心试样的蠕变信号；

通过核磁共振系统获取岩心试样的核磁信号；

核磁信号、蠕变信号实时反馈到计算机，实时计算岩心渗透率和孔隙率；

建立不同岩石的孔-渗模型。

优选地，所述方法进一步包括：将采集并打磨好的岩石试样用蒸馏水冲洗后，首先利用真空饱和仪进行自由浸水法饱和试样，之后将饱和好的岩样与上下两个渗头套上热缩管，并用热风枪高温加热热缩管；将装好的岩心试样固定在岩心夹持器中，并将岩心夹持器安置在磁体腔中。

进一步地，启动测量系统包括：打开伺服控制计算机，开启核磁共振成像仪，调试核磁共振渗流分析系统，确定测量所用参数。

进一步地，加载围压进一步包括：手动安装围压室的排气阀，然后打开围压供油阀，开启压力泵，将油箱中的液压油充入到围压室中；计算机采用固定轴向位移方式，开始逐步缓慢地加载围压到目标值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过岩心夹持器固定岩心试样，将岩心夹持器与围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统连接，通过围压控制系统加卸载围压，通过轴压控制系统加卸载轴压，通过渗压控制系统加卸载渗透压，通过应变测量系统获得岩心试样的应变量，实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变；同时，基于达西定律计算岩心渗透率，通过核磁共振系统获取不同时刻岩心孔隙半径分布频率，使用实时的孔隙半径分布频率计算岩心孔隙变化，能够计算细观孔隙结构变化，弥补达西尺度计算渗透率的缺陷，从而深入表达孔隙结构变化与岩石渗流特征之间的联系，进而耦合达西 -孔隙双尺度，建立不同岩石孔-渗模型，实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下孔隙率-渗透率演变规律。

(2)本发明在传统的核磁共振渗透仪中添加轴压加卸载系统，真实模拟了水利工程的原位应力条件；本发明采用压力替换法，通过位移传感器测量岩轴向应变量，解决在核磁共振仪难以测量岩心轴向变形难题，实现蠕变-渗透耦合实验研究。

(3)本发明通过计算机伺服控制系统通过控制渗压控制系统、轴压控制系统、围压控制系统对岩石流固化学侵蚀耦合条件加载控制，通过核磁共振系统和应变测量系统获取核磁信号和蠕变信号，同时将核磁信号、蠕变信号实时反馈到计算机，实现在线数据处理与数字成像，最终实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变和孔隙率-渗透率演变规律。

附图说明

图1为根据本发明实施例的测量装置原理示意图。

图2为根据本发明实施例的岩心夹持器的结构示意图。

图3为根据本发明实施例的轴压加载和围压加载示意图。

图4为根据本发明实施例的化学场和渗流场加载示意图。

图5为根据本发明实施例的测量装置整体结构示意图。

图6为根据本发明实施例的渗头结构示意图。

图中：计算机伺服控制系统1；射频系统2；梯度磁场3；岩心夹持器4；围压承压装置5；轴压承压装置6；高压渗透装置7；电磁调节阀8；电动机油泵9；油箱10；油滤器 11；阀门12；压力传感器13；流量传感器14；单向阀15；化学溶液配料池16；溢流阀 17；恒压恒速驱替泵18；电动阀19；低压渗透装置20；高压容器21；水位传感器22；出口流量传感器23；渗出液容器24；天平25；岩心试样4-1；渗头4-2；塞板4-3；渗流通道4-4；O型胶圈4-5；轴压压力柱4-6；负压空腔4-7；排气孔4-8；左端帽4-9；渗流入口 4-10；渗流出口4-11；围压注油孔4-12；围压室4-13；围压供油阀12a；围压放油阀12b；轴压供油阀12c；轴压放油阀12d；溶液供液阀12e；渗压加载阀12f；调压阀12g；渗出液回压阀12h；闭止阀12i；渗压放水阀12j；围压力传感器13a；轴压力传感器13b；渗压力传感器13c。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置及方法，实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变及孔隙率-渗透率演变规律，解决长期高水头、高应力、大水力梯度、水化学侵蚀等复杂地质条件的工程变形问题以及复杂工作环境下水工程侵蚀的渗流稳定问题。

本发明可通过计算机伺服控制系统实现测试过程的全自动化。其中，计算机伺服仪控制系统通过控制渗压系统、轴压控制系统、围压控制系统对岩石流固化学侵蚀耦合条件加载控制，同时核磁信号、蠕变信号实时反馈到计算机，实现在线数据处理与数字成像。如图1所示，所述测试装置包括计算机伺服控制系统1、核磁共振系统、岩心夹持器4、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统，其中，所述计算机伺服控制系统1与核磁共振系统、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统分别相连，所述核磁共振系统由梯度磁场3和射频系统2组成，所述岩心夹持器4分别与围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统相连。

本发明基于核磁共振技术和岩心三轴渗透装置，实现高应力高水压复杂化学环境下岩石渗透侵蚀过程中的孔隙率、渗透率在线测量以及可视化孔喉、孔径的实时分布；具备梯度选层功能，任意角度、任意层面(矢状面、冠状面、横断面)、任意时刻的岩样孔隙/ 裂隙实时成像功能。本发明采用宏观与细观结合的方法计算孔-渗结构模型，其原理如下：基于达西定律，利用高精度流量计测量岩心试样的渗透流量计算岩心渗透率，描述了达西尺度下的渗流过程，利用核磁共振仪器获取不同时刻岩心孔隙半径分布频率计算岩心孔隙体积变化规律，弥补达西尺度模型的缺陷，耦合宏观与细观过程，建立达西-孔隙双尺度孔-渗模型，深入系统地研究孔隙结构变化与岩石渗流特性的规律。

作为一种实施方式，如图5所示，核磁共振系统主要包括：梯度磁场3、射频系统2。磁极放置于岩心外部，产生成像功能的梯度磁场B0，激发样品信号；射频系统2实施射频激励并接收核磁信号，射频系统2将接收的信号反馈传输到计算机伺服控制系统1，通过模数转换器获取实验过程中岩心中孔隙-骨架分布特征。本发明可以通过核磁共振仪器获取不同时刻岩心孔隙半径分布频率，弥补达西尺度计算渗透率的缺陷。通过使用实时的孔隙半径分布频率计算岩心孔隙变化，能够计算细观孔隙结构变化，深入系统地研究孔隙结构变化与岩石渗流特征之间的联系，耦合达西-孔隙双尺度，建立不同岩石孔-渗模型。

进一步地，所述梯度磁场3的磁体为钕铁硼口子型永磁体，磁场强度为0.5±0.05T。相比以往的磁场强度为0.3±0.05T，采用钕铁硼口子型永磁体，磁场强度为0.5±0.05T，可满足致密低渗的样品成像需求。岩心夹持器主体部分为非金属高分子合成材料制成，满足高围压试验工况。化学溶液驱替系统管路采用哈式合金，耐强酸碱腐蚀，实验条件稳定性强，有利于实验的长期进行。所述的驱替泵为恒压恒流驱替泵，控制精度为0.25％。

作为一种实施方式，所述岩心夹持器4包括岩心试样4-1、渗头4-2、渗流通道4-4、负压空腔4-7、左端帽4-9和围压室4-13；其中，所述岩心试样4-1左右两侧设有渗头4-2，所述渗头4-2上设有O型胶圈4-5，左侧渗头4-2上设有轴压压力柱4-6加载轴压，右侧渗头4-2右侧设有固定的塞板4-3，塞板4-3上设有围压注油孔4-12、渗流出口4-11，左端帽4-9左侧设有渗流入口4-10和排气孔4-8。

进一步地，所述的渗头4-2下端与岩心试样相连，所述渗头与岩心试样接触的表面为一系列凹凸的同心圆渗水通道，使渗水均匀稳定，且与岩心试样的之间的封闭性较好，不会出现集中渗流通径。

进一步地，所述围压控制系统包括围压力传感器13a、围压承压装置5，所述测试装置包括电动机油泵9和油箱10；其中，所述电动机油泵9与油箱10连接，所述油箱10通过油滤器11、围压供油阀12a、围压放油阀12b与围压力传感器13a连接，所述围压力传感器13a与围压承压装置5连接，所述围压承压装置5通过围压注油孔4-12与围压室4-13 连接。

进一步地，所述轴压控制系统包括轴压力传感器13b、轴压承压装置6，所述测试装置包括电动机油泵9和油箱10；其中，所述电动机油泵9与油箱10连接，所述油箱10通过油滤器11、轴压供油阀12c、轴压放油阀12d与轴压力传感器13b连接，所述轴压力传感器13b与轴压承压装置6连接，所述轴压承压装置6与轴压压力柱4-6连接。本发明在传统的核磁共振渗透仪中添加轴压加卸载系统，真实模拟了水利工程的原位应力条件；采用压力替换法，通过位移传感器测量岩轴向应变量，解决在核磁共振仪难以测量岩心轴向变形难题，实现蠕变-渗透耦合实验研究。

进一步地，所述渗压控制系统包括化学溶液配料池16、高压渗透装置7、低压渗透装置20、渗压力传感器13c和流量传感器14，其中，所述化学溶液配料池16通过流量传感器14、溢流阀17、恒压恒速驱替泵18、电动阀19与高压渗透装置7连接，所述高压渗透装置7通过阀门12、恒压恒速驱替泵18、渗压力传感器13c、流量传感器14将渗流液体注入到渗流入口4-10加载上游渗压，同时可以通过阀门12、单向阀15、流量传感器14、渗压力传感器13c卸载部分渗压，调节岩心试样上下游压力差。

进一步地，所述应变测量系统包括高压容器21和水位传感器22；其中，所述高压容器21通过阀门12i与负压空腔4-7连接，所述水位传感器22与计算机伺服控制系统1连接。

进一步地，计算机伺服数字控制系统1，针对常用的硬脉冲序列而设计核磁共振分析应用软件，程序编写灵活、简便，可实现实验中多项操作的自动化，提高实验效率。另外，计算机运行稳定，可保证试验条件保持不变长达两年。

所述基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置的工作原理包括：

(1)准备阶段：将饱和好的岩心4-1与上下两个渗头4-2套上热缩管，并用热风枪高温加热热缩管。将岩心夹持器4放入梯度磁场3中，开启核磁共振仪。

(2)围压控制原理：如图3所示，加载围压前先打开排气孔4-8，打开围压供油阀12a，开启电动机油泵10，将油箱10中的液压油经过油滤器11、围压供油阀12a充入到围压承压装置，打开围压注油阀，液压油通过应力传感器13a注入围压室，当左侧排气孔有少量油冒出时说明此时围压室已注满油，关闭排气孔4-8。

通过观测压力传感器13观测岩心围压力值，开启轴压注油阀12a加载围压，开启围压放油阀12b卸载围压。实验结束后，利用鼓风机将围压室中的液压油从排气孔4-8经围压承压装置5、围压放油阀12b吹回油箱10。

(3)轴压控制原理：如图3所示，轴压加卸载方式与围压的加卸载方式类似，打开轴压供油阀12c，油箱10在电动机油泵9驱动下，液压油经油滤器11、轴压供油阀12c、压力传感器13、轴压承压装置6、轴压压力柱4-6对岩心施加轴压。

通过观测压力传感器13监测岩心轴向压力值，开启轴压注油阀12c加载轴压，开启轴压放油阀12d卸载轴压。

(4)高压渗流原理：如图4所示，实验开始前，在化学溶液配料池16中盛放实验要求的化学溶液，经流量传感器14、溢流阀17、恒压恒速驱替泵18、电动阀19、溶液供液阀12e充入高压渗透装置7中。上游端：打开渗压加载阀12f，开启恒压恒速驱替泵18，经过调压阀12g将渗透液经渗流入口4-10泵入岩心试样4-1。下游端：渗出液经渗出液回压阀12h、单向阀15、流量传感器14、渗压力传感器监13流入低压渗流装置20。

通过渗压力传感器13c监测渗压，流量传感器14监测渗流量，二者接入计算机伺服仪中,通过阀门渗压加载阀12f、调压阀12g、渗出液回压阀12h调节岩心上下游渗流压力、流量,加载渗透压差。实验结束后，打开渗压放水阀12j，化学溶液流回化学溶液配料池16。

(5)应变测量原理：如图5所示，下游塞板4-3固定不动，通过轴压压力柱4-6对岩心试样4-1加载轴压，岩心试样发生轴向变形，轴压压力柱4-6向下游移动在负压空腔4-7 产生负压，打开闭止阀12i，高压容器21中的液压油被压入负压空腔4-7中，水位探测器记录液面变化，通过液面高度变化值计算得到岩心轴向应变量。应变数值通过下式计算：

ε_L＝S₂＊ h_t/S₁ (1)

其中：ε_L为轴向应变，无量纲。S₁为高压容器横截面积，(mm)。S₂为负压空腔横截面积，(mm)。h_t为水位传感器传输的水位变化，(μm)。

流量测量：打开闭止阀12i，渗出液经下游渗头4-2、渗流出口4-11、出口流量传感器 23，流入渗出液容器24中，并用天平25测量渗出液质量。

另一方面，本发明提供一种上述测试装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将采集并打磨好的岩石试样用蒸馏水冲洗后，首先利用真空饱和仪进行自由浸水法饱和试样，之后将饱和好的岩样与上下两个渗头套上热缩管，并用热风枪高温加热热缩管。

(2)将装好的岩心试样固定在岩心夹持器中，并将岩心夹持器安置在磁体腔中；

(3)打开伺服控制计算机，开启核磁共振成像仪，调试核磁共振渗流分析系统，确定测试所用参数；

(4)手动安装围压室的排气阀，然后打开围压供油阀，开启压力泵，将油箱中的液压油充入到围压室中；

(5)计算机采用固定轴向位移方式，开始逐步缓慢地加载围压到目标值。加载方式改为轴向荷载控制，打开轴压供油阀，缓慢加载轴压到固定值；

(6)加载渗透压，改变化学溶液配料池16中的溶液，来加载不同的化学场，同时打开驱替泵，选择相应的驱替缸，加载渗透压到目标值；

(7)利用压力转换法，通过水位传感器测量岩心试样的应变量：

ε_L＝S₂＊h_t/S₁(1)

其中：ε_L为轴向应变，无量纲。ε_V为体应变，无量纲。S₁为高压容器横截面积，(mm)。S₂为负压空腔横截面积，(mm)。h_t为水位传感器传输的水位变化，(μm)。

(8)测量岩心夹持器渗流出口渗流量，基于达西定律计算岩心渗透率：

其中：Q_(t)为渗透流量(cm³/s)。μ为渗透介质黏度，(Pa·s)。L为渗透长度，(cm)。A为渗透断面面积，(cm²)。△P为渗透压力差，(Pa)。

(9)记录实验过程中岩心梯度成像图片以及弛豫时间T₂图谱，并将T₂图谱换算成孔径分布频率图，根据公式(4)计算实时岩心试样的孔隙率：

其中：r_i为第i个孔径分布的平均孔隙半径，(μm)。α_i为第i个孔径分布的平均孔隙半径的分布频率，无量纲。F_i为孔隙形状因子，本发明取0.2168。V_b为岩心试验的总体积，(m³)。ε_V为体积应变，无量纲。△k_i为孔隙半径r_i对渗透率的贡献率。

为岩心试验的孔隙率，

为初始孔隙率。A，n为拟合系数。

实验结束后，打开上下游渗压阀门降低渗压，然后打开排气阀进行充气卸围压轴压；

(10)不同岩石的孔-渗模型的建立：基于达西定律计算得到渗透率随着时间的变化关系，通过测量蠕变、孔径变化可以得到孔隙率随时间变化关系，对孔隙率与渗透率进行拟合可以得到不同岩石的孔-渗模型；

(11)拆洗岩心夹持器以便下次使用。

考虑尾矿坝、水电站等水利工程受其复杂的水环境侵蚀影响严重，本发明采用哈式合金保证试验的长期稳定运行，实现强酸强碱环境下能够长期在线测量岩石孔隙率、孔径分布实时演化规律，扫描成像获得岩样孔隙空间分布及喉道实时变化过程；本发明能够模拟真实水利工程在原位应力条件，能够跟踪监测在流固化学侵蚀耦合作用下的岩体随时间的变形的演变过程，从双尺度出发，结合细观孔径与宏观变形，研究实际工程岩体渗透演变机制，建立双尺度孔-渗模型，为水利工程安全运行、险情监测预报提供有力的理论支撑。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，包括计算机伺服控制系统(1)、核磁共振系统、岩心夹持器(4)、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统，其中，所述计算机伺服控制系统(1)与核磁共振系统、围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统分别相连，所述核磁共振系统由梯度磁场(3)和射频系统(2)组成，所述岩心夹持器(4)分别与围压控制系统、轴压控制系统、渗压控制系统和应变测量系统相连；

基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置的测试方法，包括：

(1)将采集并打磨好的岩石试样用蒸馏水冲洗后，首先利用真空饱和仪进行自由浸水法饱和试样，之后将饱和好的岩样与上下两个渗头套上热缩管，并用热风枪高温加热热缩管；

(2)将装好的岩心试样固定在岩心夹持器中，并将岩心夹持器安置在磁体腔中；

(3)打开伺服控制计算机，开启核磁共振成像仪，调试核磁共振渗流分析系统，确定测试所用参数；

(4)手动安装围压室的排气阀，然后打开围压供油阀，开启压力泵，将油箱中的液压油充入到围压室中；

(5)计算机采用固定轴向位移方式，开始逐步缓慢地加载围压到目标值，加载方式改为轴向荷载控制，打开轴压供油阀，缓慢加载轴压到固定值；

(6)加载渗透压，改变化学溶液配料池(16)中的溶液，来加载不同的化学场，同时打开驱替泵，选择相应的驱替缸，加载渗透压到目标值；

(7)利用压力转换法，通过水位传感器测量岩心试样的应变量：

(8)测量岩心夹持器渗流出口渗流量，基于达西定律计算岩心渗透率：

其中：Q(t)为渗透流量，cm³/s；μ为渗透介质黏度，Pa·s；L为渗透长度，cm；A为渗透断面面积，cm²；△P为渗透压力差，Pa；

(9)记录实验过程中岩心梯度成像图片以及弛豫时间T2图谱，并将T2图谱换算成孔径分布频率图，根据公式(4)计算实时岩心试样的孔隙率：

其中：ri为第i个孔径分布的平均孔隙半径，μm；αi为第i个孔径分布的平均孔隙半径的分布频率，无量纲；Fi为孔隙形状因子，取0.2168；Vb为岩心试验的总体积，m³；ε_V为体积应变，无量纲；△ki为孔隙半径r_i对渗透率的贡献率；

为岩心试验的孔隙率，

为初始孔隙率；A，n为拟合系数；

实验结束后，打开上下游渗压阀门降低渗压，然后打开排气阀进行充气卸围压轴压；

(10)不同岩石的孔-渗模型的建立：基于达西定律计算得到渗透率随着时间的变化关系，通过测量蠕变、孔径变化得到孔隙率随时间变化关系，对孔隙率与渗透率进行拟合得到不同岩石的孔-渗模型；

基于核磁共振技术和岩心三轴渗透装置，实现高应力高水压复杂化学环境下岩石渗透侵蚀过程中的孔隙率、渗透率在线测量；采用宏观与细观结合的方法计算孔-渗结构模型，其原理如下：基于达西定律，利用高精度流量计测量岩心试样的渗透流量计算岩心渗透率，描述了达西尺度下的渗流过程；利用核磁共振系统获取不同时刻岩心孔隙半径分布频率，通过应变测量系统获得岩心试样的应变量，结合核磁共振系统和应变测量系统获取的核磁信号和蠕变信号，计算岩心孔隙率变化规律，弥补达西尺度模型的缺陷；耦合宏观与细观过程，建立达西-孔隙双尺度孔-渗模型，实现无损、实时在线监测高应力高水压复杂化学环境下岩石蠕变和孔隙率-渗透率演变规律。

2.根据权利要求1所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述梯度磁场(3)的磁极放置于岩心外部，产生成像功能的梯度磁场B0，激发样品信号；所述射频系统(2)实施射频激励并接收核磁信号，所述射频系统(2)将接收的信号反馈传输到计算机伺服控制系统(1)，所述计算机伺服控制系统(1)进行处理后获取岩心中孔隙-骨架分布特征。

3.根据权利要求1所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述岩心夹持器(4)包括岩心试样(4-1)、渗头(4-2)、渗流通道(4-4)、负压空腔(4-7)、左端帽(4-9)和围压室(4-13)；其中，所述岩心试样(4-1)左右两侧设有渗头(4-2)，所述渗头(4-2)上设有O型胶圈(4-5)，左侧渗头(4-2)上设有轴压压力柱(4-6)加载轴压，右侧渗头(4-2)右侧设有固定的塞板(4-3)，塞板(4-3)上设有围压注油孔(4-12)、渗流出口(4-11)，左端帽(4-9)左侧设有渗流入口(4-10)和排气孔(4-8)。

4.根据权利要求3所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述围压控制系统包括围压力传感器(13a)、围压承压装置(5)，所述测试装置包括电动机油泵(9)和油箱(10)；其中，所述电动机油泵(9)与油箱(10)连接，所述油箱(10)通过油滤器(11)、围压供油阀(12a)、围压放油阀(12b)与围压力传感器(13a)连接，所述围压力传感器(13a)与围压承压装置(5)连接，所述围压承压装置(5)通过围压注油孔(4-12)与围压室(4-13)连接。

5.根据权利要求3所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述轴压控制系统包括轴压力传感器(13b)、轴压承压装置(6)，所述测试装置包括电动机油泵(9)和油箱(10)；其中，所述电动机油泵(9)与油箱(10)连接，所述油箱(10)通过油滤器(11)、轴压供油阀(12c)、轴压放油阀(12d)与轴压力传感器(13b)连接，所述轴压力传感器(13b)与轴压承压装置(6)连接，所述轴压承压装置(6)与轴压压力柱(4-6)连接。

6.根据权利要求3所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述渗压控制系统包括化学溶液配料池(16)、高压渗透装置(7)、低压渗透装置(20)、渗压力传感器(13c)和流量传感器(14)，其中，所述化学溶液配料池(16)通过流量传感器(14)、溢流阀(17)、恒压恒速驱替泵(18)、电动阀(19)与高压渗透装置(7)连接，所述高压渗透装置(7)通过阀门(12)、恒压恒速驱替泵(18)、渗压力传感器(13c)、流量传感器(14)将渗流液体注入到渗流入口(4-10)加载上游渗压，通过阀门(12)、单向阀(15)、流量传感器(14)、渗压力传感器(13c)卸载部分渗压，调节岩心试样上、下游压力差。

7.根据权利要求3所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述应变测量系统包括高压容器(21)和水位传感器(22)；其中，所述高压容器(21)通过阀门(12i)与负压空腔(4-7)连接，所述水位传感器(22)与计算机伺服控制系统(1)连接。

8.根据权利要求3所述的基于核磁共振的耦合作用下岩石孔渗模型测试装置，其特征在于，所述渗头(4-2)的一端与岩心试样(4-1)连接，所述渗头(4-2)与岩心试样接触的表面为一系列凹凸的同心圆渗水通道。

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