模拟毛细管核磁共振特性研究

摘要：核磁共振技术已在岩土工程领域广泛应用，但横向弛豫时间T₂与介质孔隙半径r的换算关系仍缺少试验支撑。采用3种不同孔径的聚四氟乙烯管模拟土体毛细管，测定不同孔径、不同孔隙量条件下毛细管的T₂曲线，分析T₂曲线特征参数与孔隙半径和孔隙量间的关系。结果表明：T₂曲线能很好地反映土体含水量和孔隙水储存状态，含水量与T₂曲线积分面积呈良好的线性关系，孔隙半径r与T₂值存在正比例关系。研究结果可为基于核磁共振的介质孔隙和孔隙水储存形态相关研究提供有益的借鉴。

关键词：核磁共振;毛细管;T₂曲线;孔隙半径

中图分类号：TU441文献标志码：A核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。由核磁共振基本原理可知［1-2］，土体孔隙内流体的弛豫时间可以表示为

在实践应用中，核磁共振作为一种便捷、快速、无损、高灵敏度的介质孔隙检测技术，已在石油、岩土工程领域广泛发挥作用。王振华等［3］对采油层低孔隙度岩样进行核磁共振试验，发现数据反演得到的岩样孔隙度、孔径分布、束缚水含量等结果都与常规岩样分析手段获得的数据基本一致。王平和屈展［4］利用核磁共振技术研究了水化过程中页岩孔隙损伤规律。基于T₂曲线的变化，较为清晰地展现了页岩水化过程孔隙结构的阶段性变化特征。田慧会等［5］测定了土体脱湿过程的T₂曲线，定性分析了土体孔隙水排出的动态过程。小孔隙束缚水模型［6］认为，r较小的孔隙内储存的都为束缚水，对应的T₂值较小；r较大的孔隙内储存的为自由水，对应的T₂值较大。上述研究成果均显示了核磁共振通过测水来反映孔隙信息的可行性，其重要基础是T₂值与介质孔径r之间存在固定的换算关系。

1试验材料与方法

为避免管材对试验结果的影响，文中采用聚四氟乙烯管来制取毛细管模型，从而模拟土体毛细管进行测试。如图1所示，毛细管直径Ф分别为0.5 mm、1.0 mm、4.0 mm，管长为50.0 mm，四氟管体积相应为0.009 812 5 cm3、0.039 25 cm3、0.157 cm3。试验时，使用注射器向管内注射蒸馏水至填充满，管口两侧用保鲜膜密封好，防止试验过程孔隙水流失。分别将各管以及不同管间的组合毛细管放入核磁共振测试管内，进行相应的核磁共振T₂曲线测试。

2试验结果

3讨论

3.1含水量与T₂曲线峰面积关系

3.2毛细管孔径与T₂对应关系

4结论

文章采用自制3种不同孔径的毛细管，探究土体孔隙饱和状态的核磁共振弛豫特征，并得到以下主要结论。

1）核磁共振T₂曲线能很好地反映孔隙含水情况，含水量与T₂曲线积分面积呈良好的线性关系。同孔径毛细管数量增加，T₂曲线峰值、T₂曲线与横坐标轴积分面积显著增大，而T₂曲线分布范围变化不明显。

2）核磁共振T₂曲线能很好地反映孔隙水的储存状态，孔隙半径r与T₂值存在正比例关系。不同孔径毛细管T₂曲线的峰值横坐标、峰值均随毛细管孔径增加而增大。

3）文章从试验角度论证了介质孔隙半径r与T₂值的关系，为核磁共振技术在介质孔隙测试领域应用补充了数据支持。文中所有毛细管数量、孔径范围、孔隙结构不够丰富，T₂值与复杂孔隙结构间的数学关系仍有待进一步研究。参考文献：

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（责任编辑：曾晶）

Study on Nuclear Magnetic Resonance Characteristics

of Simulated Capillary

DONG Jungui

（1.Guizhou Water amp; Power Survey Design Institute Co.， Ltd， Guiyang 550002， China;

2.College of Resources and Environmental Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： Nuclear magnetic resonance has been widely used in geotechnical engineering， but there is still a lack of experimental support for the conversion relationship between the lateral relaxation time T₂ and the pore radius r of the medium. Polytetrafluoroethylene pipes with three different pore sizes were used to simulate soil capillary， and the T₂ curves of the capillary under different pore sizes and pore volumes were measured. Finally， the relationship between the characteristic parameters of the T₂ curve and the pore radius and pore volume was analyzed in detail. The results show that the T₂ curve can well reflect the water content and the storage state of pore water in soil. A good linear relationship between water content and integral area of T₂ curve is also observed， and a positive proportional relationship between pore radius r and T₂ value is found. These conclusions provide a useful reference for the study of porous medium and storage state of pore water based on nuclear magnetic resonance.

Key words： nuclear magnetic resonance; capillary; T₂ curve; pore radius