本文件规定了用核磁共振法测定煤和岩石孔径分布的原理、实验步骤、计算公式、数据处理等。 本文件适用于中、高阶煤和砂岩，低阶煤、页岩参考使用。

ICS73.040
CCSD21
中华人民共和国国家标准
GB/T42035—2022
煤和岩石孔径分布的测定
核磁共振法
Determination of pore size distribution of coal and rock-Nuclear magnetic resonance2022-10-12发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2022-10-12实施
规范性引用文件
术语和定义
核磁共振测量原理
试剂和材料
样品要求
核磁共振T，谱图测定
数据处理
质量要求
附录A（资料性）
附录B（资料性）
附录C（资料性）
附录D（资料性）
附录E（资料性）
附录F（资料性）
T，特征参数及核磁孔隙度计算
核磁信号数据记录表
核磁数据拟合图
压汞数据记录表.
T2-r数据记录表
煤和岩石孔径分布结果图
GB/T42035—2022
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GB/T42035—2022
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1范围
煤和岩石孔径分布的测定
核磁共振法
GB/T42035—2022
本文件规定了用核磁共振法测定煤和岩石孔径分布的原理、试验步骤、计算公式、数据处理等。本文件适用于中、高阶煤和砂岩孔径分布的测定，低阶煤、页岩参考使用。规范性引用文件
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GB/T474煤样的制备方法
GB/T21650.1压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第1部分：压汞法GB/T23561.3一2009煤和岩石物理力学性质测定方法第3部分：煤和岩石块体密度测定方法GB/T29171—2012岩石毛管压力曲线的测定GB/T29172—2012岩心分析方法
SY/T64902014岩样核磁共振参数实验室测量规范3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
自由衰减信号freeinductiondecay按正弦规律振荡，按指数规律衰减的核磁共振信号。3.2
T2弛豫时间
描述核磁化强度横向分量恢复过程的时间常数注1：也称为横向弛豫时间或自旋弛豫时间。注2：反映非平衡态磁化矢量水平分量衰减到零的过程，这种衰减来自邻核局部场及静磁场的不均勾性引起的散相。
直T2cutoffvalue
T2截止值
核磁T，谱图上，可动流体和束缚流体弛豫时间的界限，注：大于该弛豫时间时，孔隙流体称为可动流体；小于该弛豫时间时，孔隙流体称为束缚流体3.4
inversion
由总体弛豫信号得到各个孔隙内流体弛豫信号的过程3.5
nuclearmagneticresonance;NMR核磁共振
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。
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4核磁共振测量原理
当岩心样品置于均匀静磁场时，岩心中流体富含的氢原子核与磁场之间发生相互作用，产生磁化失量。此时在垂直于静磁场方向对岩心样品发射拉摩尔频率的射频脉冲就会产生核磁共振信号，核磁共振信号包含有频率、相位和振幅的信息，采集到的核磁信号通过反演可得到样品的T2谱图，T2谱图与孔隙结构存在对应关系，因此可利用T，谱图得到孔隙度、渗透率、可动流体饱和度、束缚流体饱和度、孔径分布等信息。
5试剂和材料
5.1标准油或植物油。
5.2无水煤油。
5.3去离子水或蒸馏水。
5.4不同孔隙度标准样品（0.05%CuSO，溶液或陶瓷粉）。6设备
标准圆孔筛：筛孔尺寸2mm（10目）、4mm（5目）。鼓风干燥箱：满足（室温一250℃）士1℃的使用要求。游标卡尺：最小分度值0.02mm。6.3
量角仪：分度值2。
离心机：转速8.000r/min以上。电子天平：感量0.001g。
核磁共振分析仪（见图1)，具备：增仪系统
序列发牛器
频率源
工挖机
模数转赖
数模转换
射裂元
射频功放
射频元关
前置放大
梯度单元
梯度功放
磁体租
梯度线图
射频线图
梯度线图
图1核磁共振分析仪硬件系统框图稀土永磁体：磁场强度不大于0.5T，磁场均匀度不大于100ppm；b)
探头：内径不小于25.4mm；
温度控制模块：控制磁体温度可在25℃35℃间设定，腔体控温精度为士0.2℃；射频场：脉冲频率范围1MHz~30MHz工作环境：温度15℃～25℃，湿度50%～70%。7
样品要求
样品含水状态
自然含水状态
GB/T42035—2022
试件制备后，室温下，放在底部都有水的干燥器内1d～2d，以保持一定的温度，但试件不应接触水面。
7.1.2干燥状态
岩石样品在105℃~110℃下干燥24h，煤样干燥按GB/T474执行。7.1.3饱和状态
按GB/T23561.3—2009中3.3.2～3.3.6进行水饱和处理。7.2
脱水样品的制备
在温度为15℃～28℃的情况下，通过离心或驱替装置对岩样进行脱水处理，制作不同饱和度的脱水样品。
3岩心制备
按GB/T29172—2012中4.5执行。7.4
煤心制备
沿层理方向钻取煤心，直径不小于25.4mm，煤心长度为直径1.5倍～2倍。煤心两端不平行度应不大于0.05mm。煤心上下端直径偏差应不大于0.3mm。轴向偏差应不天于0.25°。7.5碎屑样品制备
7.5.1破碎
将自然干燥煤或岩石样品，采用机械破碎或人工破碎的方法将煤样破碎至10mm以下。7.5.2过筛
用筛孔尺寸为2mm和4mm的组合筛进行筛分，过筛后将粒度在2mm～4mm之间的样品装入样品袋并保存在干燥器中待用。注：样品测试优先选用岩心或煤心样品，当无法制备岩心样品时，用碎屑样品代替，成型后进行测试。3核磁共振T2谱图测定
仪器调试
8.1.1磁体恒温
开启磁体温控开关，按仪器要求设定磁体额定温度，当磁体温度达到设定值后应稳定8h以上，以确保后续寻找中心频率等操作能正常进行。3
GB/T42035—2022
8.1.2寻找中心频率
确认射频主值SF无误和磁体温度达到规定温度后，在样品仓放人标准油样或不含杂质的植物油，或者放人信号强的样品。选择FID序列，采样参数设为：TD=1024，TW=1000ms，SW=100kHz，RG1=10,DRG1=3,PRG=3，进行单次采样，系统将自动寻找中心频率。正确找到中心频率的采样图上，信号的实部虚部光滑衰减，表示频率已找准，如实部虚部呈震荡趋势，表示中心频率有偏移，可适当调整采样参数。
8.1.3找脉宽
在样品仓放人标准油样，寻找中心频率后，设置相应的参数TD=1024，TW=1000ms，SW100kHz,RG1=10,DRG1=3,RFD=0.08mS。系统自动寻找90°脉宽（P90）和180°脉宽（P180），当寻找结果显示只含一个波峰和一个小谷，则表明设置参数的范围合理，否则应适当调整参数。当90°脉宽大于25μs，应减小脉冲宽度起始值；90°脉宽小于5μs，应增大脉冲宽度起始值再重新进行寻找。8.1.4采样参数设置
FID校准仪器后，选择CPMG序列进行样品检测。采样参数按照SY/T6490一2014中表1执行。8.1.5标线建立
准备好已知孔隙度和体积的标样，数量不少于3个。将标样放入样品仓开始定标采集数据，循环此操作，直到把标样都测试完，并求出标定直线、直线斜率、截距和相关系数。对同类型岩心测量可以选用该定标样作为参考标样。
8.2获取T2谱图
8.2.1样品前处理
将第7章中干燥的待测岩心或岩屑样品抽真空12h以上，再将去离子水注入岩心加压饱和18h以上，所加压力与岩心对应的地层压力相同。如岩心含高水敏矿物可应用无水煤油进行饱和。8.2.2样品信息录入
将饱和流体的样品取出后，用过滤纸将样品表面水吸干，直至表面无明显水迹为准，岩心样品用游标卡尺测出直径和长度，岩屑样品可通过排水法测总体积。在软件中输入样品基本信息，如尺寸、体积、井深等。
8.2.3饱和样品测定
选择与待测样品孔隙度相近的的标线，将饱和样品放入样品仓，进行核磁信号测试，获得样品核磁多指数衰减信号。
8.2.4离心力的确定
样品离心前应确定最佳离心力，离心机转速一般可设为3000r/min～10000rmin，将饱和样品进行多次离心，离心力从0.3MPa开始，每次增加0.3MPa，当与前次离心后样品含水饱和度相差小于2%时，即可认为此时的离心力为该批样品最佳离心力。离心力与转速的转换按GB/T29171一2012中4.4执行。
8.2.5离心样品测定
GB/T42035—2022
将离心后的样品再次放人样品仓，进行核磁信号测试，获得离心样品核磁自由衰减信号。8.2.6反演
通过反演软件，将获得的核磁自由衰减信号转换为T，谱图，T，特征参数及核磁孔隙度计算见附录A。
8.3核磁T2截止值（T2c）的确定8.3.1累积孔隙度法
根据脱去可动水后岩心T，谱，计算累积孔隙度，再在完全饱和水岩心的T?谱上找一点，使其左边累积孔隙度与脱去可动水后总累积孔隙度相等，该点对应的T值即为T截止值T2c。8.3.2作图法
对离心前后的煤样分别作累计孔隙率曲线，从离心后的T?谱累计孔隙率最大值作与X轴平行直线，与饱和水煤样累计孔隙率曲线交于一点，该点所对应的T值即为T，截止值T2c。9数据处理
9.1孔隙半径（r）-弛豫时间（T2）转换（间接法）9.1.1孔隙半径与T2谱图的转换公式由多孔介质中流体的核磁共振弛豫机制可知，在均匀磁场中测量岩石孔隙中流体的横向弛豫时间T，可表示为式(1)：
式中：
流体的体积弛豫时间，单位为毫秒（ms）：D(YGTE）
岩石横向表面弛豫强度，单位为微米每毫秒（um/ms）；孔隙表面积，单位为平方微米（um\）；孔隙体积，单位为立方微米（μm）；扩散系数，单位为平方微米每毫秒（μm/ms）；磁场梯度，单位为高斯每厘米（gauss/cm）；回波间隔，单位为毫秒（ms）。（1)
因为T2的值通常在2s～3S，远远大于流体在多孔介质中的横向弛豫时间T，所以式（1)中的1/T2B项可以忽略不计，当磁场很均匀（对应G很小)且T较小时，式中第三项忽略。式（1)可以简化为式（2)：
从式（2)可看出，对于以粒间孔隙为主的岩石孔隙中流体的T。值主要由岩性和孔隙比表面决定，表面与孔隙的形状因子和孔隙半径关系见式（3）：SFs
（3）
GB/T42035—2022
式中：
孔隙形状因子，无量纲（岩石中孔隙以球状为主时，Fs=3；岩石中孔隙以管柱状为主时，Fs=2);
孔隙半径，单位为微米（um）。由式（2）、式（3)可得式（4)：T
令C=P2Fs则得式（5）：
可见横向弛豫时间T2与孔径r理论上呈线性正比关系，也可表示为幂指数形式，见式（6）：r=CT
当n=1时，式(5)是式（6)的特例。9.1.2核磁信号累积曲线建立
.（4）
（5）
...（6)
将横向弛豫时间T，与核磁信号强度按横向弛豫时间由大到小的顺序排列，并计算核磁信号强度累积百分数，数据记录表格的格式见附录B，核磁数据拟合图见附录C，并以核磁信号强度累积百分数为横坐标，横向弛豫时间T2为纵坐标做图（见图2）1000
横向驰豫T？
拟课进汞饱和度西线
核磁信号强度累积百分数曲线
核磁信号蛋度累积百分数/%
图2T2-r转换关系图
9.1.3进汞饱和度分量百分数曲线建立100
孔映半径产
将8.2.5中实验完成的样品烘干后按GB/T21650.1进行压汞实验，获得进汞饱和度与孔喉半径数据，数据记录表格的格式见附录D。再将进汞饱和度转换为进汞饱和度分量百分数HgN.见式（7）。HgN能够与核磁共振的信号强度累积百分数一致，达到100%。以进汞饱和度分量百分数为横坐标，孔喉半径为纵坐标做图，见图2。HgN
式中：
进汞饱和度分量百分数，%；
进汞饱和度，%；
Hg(max)
Hg（max）—最大进汞饱和度，%。9.1.4T2与r转换
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9.1.4.1图2中核磁共振横向弛豫任意时刻T(2i)处对应的核磁信号强度累积百分数为SCP(i)。9.1.4.2以SCP()为标准对高压压汞曲线进行插值，得到与横向弛豫时间T(2i)对应的孔隙半径r()，数据记录表格的格式见附录E
9.1.4.3选取插值得到的多组横向弛豫时间T<2i)与孔隙半径r()的值并进行分段拟合，求得横向弛豫时间与孔隙半径的关系，即可求得式（6)中的C和n的值。9.1.4.4利用得到的关系式计算与剩余T(2)对应的r()。9.1.4.5将得到的所有r()为横坐标，孔径频率分布为纵坐标做图，得到孔径分布频率与孔径半径的关系图，孔径分布示意图见附录F。9.2孔隙半径（r）-弛豫时间（T,）转换（直接法）当无压汞数据标定时，可应用该法，该法适合疏松样品的测定，依据Washburn方程，见式（8）：28coso
式中：
r。一与p。对应的孔隙半径，单位为微米（μm)；水和煤之间的表面张力，单位为牛每米（N/m），蒸馏水的表面张力为0.076N/m；—水分子与煤表面间的接触角，单位为度（°)；p。离心力，单位为兆帕(MPa)。（8)
当离心力p确定后，将p代入式（8）计算得到re，第i个弛豫时间T2)所对应的孔径r)为式(9)：
式中：
Tzc——T，截止时间，单位为毫秒(ms）。r.T2
根据式（9）计算不同弛豫时间所对应的r（)，再根据r）值统计不同孔径区间内的核磁信号幅度，建立孔径分布频率与孔径半径的关系图。孔径分布示意图见附录F10质量要求
10.1标样相对不确定度
标准样品测量的核磁共振纵向弛豫时间T，和横向弛豫时间T，其特征参数与标准谱特征参数的相对不确定度应小于3%。
10.2样品相对不确定度
所测煤和岩石样品的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T的重复性、再现性相对不确定度应小于8%。
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A.1T2谱分析的拟合模型
附录AwwW.bzxz.Net
(资料性）
T2特征参数及核磁孔隙度计算
对测得的横向弛豫曲线作单指数、双指数以及多指数拟合。单指数拟合的基本关系式见式（A1）：A,(t)=Ae-/T2
双指数拟合的基本关系式见式（A.2)：A,(t)=Aae-t/T2a+Abe-/T2b
多指数拟合的基本关系式见式（A.3）：A.(t):
式中：
A,(t),A,(t),A.(t)
A..Aa.Ab,A
Taa,Tah,Taj
A.2核磁孔隙度的计算
Ae-/Tg
核磁共振横向弛豫信号幅度；
核磁共振横向弛豫曲线的拟合系数；横向弛豫时间，单位为毫秒（ms）；横向弛豫时间T，的拟合分量数目；横向弛豫时间T，的拟合分量，单位为毫秒（ms）。（A.1)
（A.2）
.(A.3)
对洗油洗盐后，完全饱和实验室配置溶液的岩样测得的T，谱，利用标准样品进行刻度，将核磁共振信号幅度转换成孔隙度，转换公式见式（A.4）：nmr
式中：
核磁孔隙度，%；
FxZ,mi
一将核磁共振信号幅度转换成孔隙度的刻度因子：岩样第i个T2分量的核磁共振T2谱幅度；岩样的体积，单位为立方厘米（cm）.（A.4)
刻度因子F的确定方式为：对已知孔隙体积的标准样品进行T，测量（测量时设置的回波间隔TE应与待测岩样一致），按式（A.5)计算刻度因子F：F
式中：
V标准样品孔隙体积，单位为立方厘米（cm）；M
一标准样品T2谱的总幅度；
标准样品核磁共振测量时的重复次数；岩样核磁共振测量时的重复次数；标准样品核磁共振测量时的增益；岩样核磁共振测量时的增益。
...(A.5)
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