具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-7所示，本发明提供了一种基于矿物离子浓度的岩石孔隙率评估方法，包括以下步骤：

采集软岩矿物的核磁信号；

基于软岩矿物获得第一样品试样，采集第一样品试样的第一特征峰强度、第一矿物成份；

将第一样品试样进行干湿循环试验后干燥磨碎，获得第二样品试样，采集第二样品试样的第二特征峰强度、第二矿物成份以及用于干湿循环试验的水溶液的阳离子质量浓度；

基于第一特征峰强度、核磁信号、第二特征峰强度，评估软岩矿物在干湿循环作用下的内部孔隙变化规律；

基于第一矿物成份、第二矿物成份、阳离子质量浓度，评估软岩矿物在干湿循环作用下的内部化学反应规律；

根据内部孔隙变化规律、内部化学反应规律，评估软岩矿物的岩石孔隙率的演化规律。

在将软岩矿物干燥磨碎获得第一样品试样的过程中，对软岩矿物干燥磨碎后，使用孔径0.0074mm筛孔过筛，对过筛后的软岩矿物通过四分法选取试样3g左右，然后压片制样，获得第一样品试样。

在获得第二样品试样的过程中，通过电感耦合等离子体质谱仪对干湿循环试验产生的水溶液进行分析，获得阳离子质量浓度。

在采集核磁信号的过程前，将软岩矿物制成50mm×100mm试样后进行抽真空饱和12h后，通过核磁共振成像分析仪，获得核磁信号。

在评估内部孔隙变化规律的过程中，根据第一特征峰强度、第二特征峰强度，分析软岩矿物的矿物成份的特征峰变化规律；

根据核磁信号，利用标准刻度样品进行刻度，获得软岩矿物的孔隙率；

根据特征峰变化规律、孔隙率，评估内部孔隙变化规律。

优选地，在评估内部化学反应规律的过程中，根据第一矿物成份，获得第一样品试样的第一矿物成份、第一化学成份含量；

根据第二矿物成份，获得第二样品试样的第二矿物成份、第二化学成分含量；

根据第一矿物成份、第二矿物成份、第一化学成份含量、第二化学成分含量、阳离子质量浓度，评估内部化学反应规律。

采集第二样品试样的第一离子质量变化量、质量浓度变化量、干湿循环次数、浸泡溶液体积、第一摩尔质量，获得第二样品试样的第一离子质量变化速率；

根据第一离子质量变化速率、第二样品试样的化学计量数，获得第一样品试样的第二离子质量变化速率，其中，第二离子质量变化速率至少包括第一样品试样的第二离子质量变化量、第二摩尔质量；

基于第二离子质量变化速率，根据第一样品试样的成份质量密度，获得第一样品试样的体积；

根据体积和内部孔隙变化规律，评估软岩矿物的岩石孔隙率的演化规律，用于评估软岩细观损伤。

一种基于矿物离子浓度的岩石孔隙率评估系统，包括，

第一特征采集模块，用于采集第一样品试样的第一特征峰强度和第一矿物成份，其中，第一样品试样用于表示根据软岩矿物进行制备的第一产物；

第二特征采集模块，用于采集软岩矿物的核磁信号、第二样品试样的第二特征峰强度和第二矿物成份，其中，第二样品试样用于表示通过第一样品试样通过干湿循环后获得的第二产物；

第一运算模块，用于根据第一特征峰强度、第二特征峰强度，生成特征峰变化规律曲线图；

第二运算模块，用于根据核磁信号，获得第二样品试样的孔隙率；

第三运算模块；用于根据第一矿物成份、第二矿物成份，生成内部化学反应规律表；

第一评估模块，用于根据特征峰变化规律曲线图、孔隙率，生成第一评估结果，第一评估结果用于表示内部孔隙变化规律；

第二评估模块，用于根据内部化学反应规律表，生成第二评评估结果，第二评估结果用于表示内部化学反应规律；

第三评估模块，用于根据第一评估结果、第二评估结果，获得第三评估结果，其中，第三评估结果用于表示软岩矿物的岩石孔隙率的演化规律。

系统还包括第三特征采集模块，用于采集第一样品试样进行干湿循环试验后的水溶液的阳离子质量浓度；

第三运算模块包括，干湿循环次数计数单元、浸泡溶液体积记录单元、摩尔质量单元、化学计量数单元、质量密度单元、体积生成单元；

干湿循环次数计数单元，用于记录第一样品试样经过干湿循实验的循环次数；

浸泡溶液体积记录单元，用于记录干湿循实验的过程中的浸泡溶液体积；

摩尔质量单元，用于提供软岩矿物的摩尔质量；

质量密度单元，用于提供软岩矿物的质量密度；

化学计量数单元，用于提供第一样品试样生成第二样品试样的化学计量数；

体积生成单元，用于根据浸泡溶液体积、循环次数、摩尔质量、质量密度、化学计量数，获得基于循环次数的第一样品试样生成第二样品试样的生成体积。

第三评估模块，与第二评估单元、第一评估单元连接，用于根据循环次数、生成体积、内部孔隙变化规律，生成第三评估结果。

实施例1：如图3-7所示，本发明提供的试验试样及试验方案如下：

1、试验方案

1.1、X射线衍射试验(XRD)

对试样先进行干湿循环后，利用研磨器将干燥试样磨细，并用孔径0.0074mm筛孔过筛，将试验完成的样品，采用四分法选取3g左右粉末样品进行压片制样，然后利用D8AdvanceX-射线衍射仪对样品进行X射线衍射测试。

1.2、电感耦合等离子发射光谱定量分析

采用iCAPRQICP-MS电感耦合等离子体质谱仪，对干湿循环的水溶液进行阳离子浓度测试，其原理是根据处于激发状态的待测元素原子回到基态时发射的特征谱线，通过特定波长的光谱分析待测元素。

1.3、低场核磁共振试验

将炭质泥岩岩块制成50mm×100mm试样，并将完成干湿循环的试样进行抽真空饱和12h，取出后用干毛巾擦拭表面水分，并用保鲜膜将试样包裹严密放入试样筒中,利用试样筒将试样送入MacroMR12-150H-I核磁共振成像分析仪进行试验。

2、试验结果分析

2.1、矿物成分演变规律

记录不同干湿循环次数作用下炭质泥岩XRD试验结果，干湿循环0次的特征峰主要分布在8.8°、12.36°、26.59°、28.07°、29.41°、33.01°位置，利用JADE软件处理分析，发现炭质泥岩的主要矿物成份为石英、伊利石、高岭石、方解石、长石、黄铁矿和云母。对比不同干湿循环次数作用下炭质泥岩的XRD结果，随干湿循环次数增加，炭质泥岩高岭石特征峰强度逐渐增加，干湿循环0次时，炭质泥岩高岭石特征峰强度为697s^-1，经历5、10、15、20和25次干湿循环后，炭质泥岩高岭石特征峰强度分别为1230s^-1、1830s^-1、2059s^-1、2135s^-1和2180s^-1，分别增加76.47％、162.55％、195.41％、206.31％和212.77％；随干湿循环次数增加，长石、方解石的特征峰强度逐渐减小，干湿循环0次炭质泥岩长石的衍射强度为2080s^-1，经历5、10、15、20和25次干湿循环后，炭质泥岩长石特征峰强度分别为1200s^-1、836s^-1、508s^-1、182s^-1和166s^-1，分别减小42.31％、59.81％、75.58％、91.25％和92.02％；干湿循环0次炭质泥岩方解石的特征峰强度为2353s^-1，经历5、10、15、20和25次干湿循环炭质泥岩方解石特征峰强度分别为1701s^-1、810s^-1、662s^-1、452s^-1和164s^-1，分别减小27.71％、65.58％、71.87％、80.79％和93.03％。

利用JADE软件对不同干湿循环次数的炭质泥岩矿物成份进行定量分析见表1。从表1中可知：随干湿循环次数增加炭质泥岩高岭石含量逐渐增加；相比干湿循环0次，干湿循环5、10、15、20和25次的炭质泥岩高岭石含量分别增加14.49％、17.76％、20.56％、23.36％和25.23％；长石和方解石的含量随干湿循环次数增加而减小，干湿循环5、10、15、20和25次比干湿循环0次的长石含量分别减小25.86％、44.83％、58.62％、67.24％和72.41％，干湿循环5、10、15、20和25次比干湿循环0次的方解石含量分别减小18.42％、32.89％、42.11％、50.0％和57.89％。伊利石、石英、黄铁矿含量有一定程度的增加，这可能是长石和方解石水解含量减小，导致伊利石、石英、黄铁矿在整个矿物占比中增加造成的。

表1

2.2水溶液离子变化规律

经历不同干湿循环次数后溶液中阳离子浓度见表2。从表2中可知：随干湿循环次数增加，水溶液中的阳离子质量浓度逐渐增加，其变化大小顺序依次是Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Fe²⁺和Al³⁺；干湿循环5、10、15、20和25次Ca²⁺质量浓度增加的平均速率分别为36.69、35.79、32.19、27.23和25.27mg/L，其中0～5次干湿循环Ca²⁺质量浓度增加的平均速率是20～25次干湿循环的1.42倍；K⁺质量浓度增加的平均速率分别为2.31、2.67、2.61、1.64和0.77mg/L，其中0～5次干湿循环K⁺质量浓度增加的平均速率是20～25次干湿循环的3.00倍；Na⁺质量浓度增加的平均速率分别为1.54、0.53、0.57、0.44和0.41mg/L，其中0～5次干湿循环Na⁺质量浓度增加的平均速率是20～25次干湿循环的3.75倍；Fe²⁺质量浓度增加的平均速率分别为1.17、0.71、0.30、0.27和0.29，其中0～5次干湿循环Fe²⁺质量浓度增加的平均速率是20～25次干湿循环的3.97倍；Al³⁺质量浓度增加的平均速率分别为0.12、0.04、0.03、0.02和0.04，其中0～5次干湿循环Al³⁺质量浓度增加的平均速率是20～25次干湿循环的2.64倍。Ca²⁺元素含量的增加速率比K⁺、Na⁺、Fe²⁺和Al³⁺质量浓度的高一个数量级，其中Al³⁺质量浓度增加的速率最低，以干湿循环25次为例，Ca²⁺质量浓度增加的速率分别是K⁺的32.82倍、Na⁺元素的61.63倍、Fe²⁺元素的87.14倍和Al³⁺元素的631.75倍。结合炭质泥岩的矿物分析，可认为干湿循环过程中炭质泥岩内部方解石溶解速率最快，其次是钾长石和钠长石，黄铁矿和云母溶解速率很小。

表2

2.3孔隙率分析

2.3.1、T₂谱分析

干湿循环作用下炭质泥岩试样的部分T₂谱分布见图3。炭质泥岩试样明显存在3个峰，第一峰和第二峰对应小孔，第三峰对应中孔，炭质泥岩第一峰、第二峰面积占绝大部分，说炭质泥岩试样内部孔隙以小孔隙为主；随着干湿循环次数增加，三个峰的面积均增大，表明干湿循环作用下小孔隙和中孔隙数量逐渐增多；干湿循环10次后，第二峰和第三峰增大比较明显，且T₂谱峰往右移，说明随干湿循环次数增加，炭质泥岩小孔隙逐渐向大孔隙演变，这可能是干湿循环作用下炭质泥岩矿物溶蚀，岩石内部孔隙逐渐发育，并扩展连通，表现出孔隙数量及尺寸增大。

干湿循环作用下炭质泥岩T₂谱面积计算结果见表3。T₂谱的总面积、第一峰面积和第二峰面积均随干湿循环次数增加而增大，且增加的速率逐渐减小；随干湿循环次数增加，第一峰面积占比减小，第二峰和第三峰面积占比增大；相比干湿循环0次，干湿循环5、10、15、20和25次的总面积分别增加32.23％、58.06％、75.90％、88.40％和97.6％，第一峰面积分别增加26.26％、51.03％、64.16％、74.33％和81.30％；第二峰面积分别增加244.69％、250.48％、327.24％、409.54％和460.25％，第三峰面积分别增加70.30％、254.14％、587.59％、651.12％和777.00％。表明随干湿循环次数增加，炭质泥岩孔隙增加，但增加的速率逐渐减小；孔隙数量逐渐增多、尺寸增大，但还是以小孔隙为主。

表3

2.3.2、孔隙率分析

通过对于饱和样品测得的核磁信号，利用标准刻度样品进行刻度，可以将信号强度转换为孔隙率，核磁共振样品标定曲线见图4。将测得的信号量代入标定曲线即可计算出样品中水的体积，水与样品的体积比即为岩石的孔隙率。干湿循环作用下炭质泥岩的孔隙率见图5。由图5可知：随干湿循环次数增加炭质泥岩孔隙增大，但增加的速率逐渐减小。这是因为岩石经历多次干湿循环后孔隙表面可溶蚀物质被溶蚀，水与可溶性物质接触几率减小，水对岩石作用减弱，导致矿物溶蚀和裂纹扩展的速率降低。通过最小二乘法拟合得到炭质泥岩的孔隙率与干湿循环次数的关系为：

φ＝A-Bexp(-C·n) (2.1)

式中n为干湿循环次数，φ为孔隙率％，A、B和C材料参数分别为16.03％，9.20％和0.038。

当n＝0时，φ₀＝A-B＝6.83％；当n→∞时，φ＝A＝16.03％。说明随干湿循环增加，炭质泥岩孔隙率逐渐增加，但不会一直增加，最终稳定在16.03％。

3、炭质泥岩水-岩相互作用化学分析

通过对干湿循环作用下炭质泥岩矿物成份(XRD)、化学成份含量(XRF)和水溶液离子浓度试验结果发现：干湿循环作用下炭质泥岩方解石、长石的含量减少，蒙脱石含量增加，CaO、Na₂O和K₂O含量减少，水溶液的Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Al³⁺和Fe²⁺的质量浓度增加。根据化学反应原理，可推测炭质泥岩在干湿循环作用过程发生如下化学反应：

(1)方解石溶蚀：

CaCO₃+CO₂+H₂O＝Ca²⁺+2HCO₃ ^- (2.2)

方解石与二氧化碳和水反应，方解石溶蚀，钙离子析出，是导致方解石含量减小，化合物CaO含量减小，水溶液中Ca²⁺质量浓度增加。

(2)长石(钾长石、钠长石)水解：

KAlSi₃O₈+5.5H₂O＝0.5Al₂Si₃O₅(OH)₄+K⁺+OH^-+2H₄SiO₄ (2.3)

NaAlSi₃O₈+5.5H₂O＝0.5Al₂Si₃O₅(OH)₄+Na⁺+OH^-+2H₄SiO₄ (2.4)

钾长石、钠长石水解后，生成高岭石，Na⁺和K⁺析出，从而引起干湿循环后，炭质泥岩中长石含量减小、高岭石含量增加，化合物中Na₂O和K₂O含量减少，水溶液的Na⁺和K⁺质量浓度增加。

(3)黄铁矿水解：

FeS₂+3.5O₂+H₂O＝Fe²⁺+2SO₄ ^2-+2H⁺ (2.5)

黄铁矿与溶解水中的氧发生氧化反应，Fe²⁺析出，由于氧化产物吸附在黄铁矿表面会产生钝化，抑制氧化反应进行，导致黄铁矿氧化反应强度减弱，而黄铁矿含量、化合物Fe₂O₃和Fe²⁺的质量浓度变化不明显。

(4)云母(黑云母)水解：

KFe₃AlSi₃O₁₀(OH)₂+10H₂O＝Al(OH)₃+3Fe(OH)₂+3H₄SiO₄+K⁺+OH^- (2.6)

黑云母水解以后生成胶质Al(OH)₃和Fe(OH)₂随干湿循环流失，K⁺离子析出，使得炭质泥岩中云母含量减小，由于炭质泥岩的黑云母含量不高，所以水溶液中K⁺、Al³⁺和Fe²⁺质量浓度变化不大。

4、孔隙率演化分析

固体矿物发生化学反应后，反应物与生成物的固体体积差导致孔隙形成，若生成物为可溶性物质，即发生反应的反应物体积即为孔隙，则有：

式中，V_(A,i)和V_(C,i)分别为第i种反应物A和生成物C的固体体积，V_s为固体矿物的总体积。

生成物离子的质量随干湿循环的变化速率为：

式中，dm_(B,i)和dρ_(B,i)分别为生成物B第i种离子的质量变化量和质量浓度变化量，dN为干湿循环增加的次数，V_L为浸泡溶液的体积。

生成物的物质的量的变化速率为：

dn_(B,i)为生成物B第i种离子的物质的量的变化量，M_(B,i)为生成物B第i种离子的摩尔质量。

根据离子守恒原则，可得反应物的物质的量的变化速率为：

γ_(B,i)为生成物B化学计量数。

由式(2.10)可得干湿循环作用下反应物的质量变化速率为：

式中，dm_(B,i)和M_(A,i)分别为反应物A第i种矿物的质量变化量和摩尔质量。

干湿循环作用下反应物的体积变化量为：

ρ_(A,i)为反应物A第i种矿物的质量密度。

同理，可得固体生成物的体积：

式中，γ_(C,i)和ρ_(C,i)分别为生成物C第i种矿物的化学计量数和质量密度。

由式(2.12)、式(2.13)和式(2.7)可得：

其中，各矿物的摩尔质量及密度见表4。

表4

炭质泥岩干湿循环的浸泡溶液体积为2500ml，代入式(2.12)和(2.13)计算得到各矿物的反应和生成的体积见表5。

表5

将炭质泥岩试样平均体积185.25cm³及表5中计算得到的矿物反应体积代入式(2.14)中，计算得到干湿循环作用下炭质泥岩孔隙率增量的变化规律见图6。从图中6中可知：干湿循环作用下炭质泥岩矿物溶蚀、水解形成孔隙，孔隙率随干湿循环次数增加逐渐增大，但随着干湿循环次数增加，孔隙表面的可溶性矿物被逐渐溶蚀，水与可溶性矿物接触的几率减小，使得矿物溶蚀、水解的速率降低，孔隙率增加速率减小。

通过低场核磁共振试验测得0、5、10、15、20和25次干湿循环的孔隙率与式(2.14)计算结果对比见图7。从图7中可以看出：利用式(2.14)计算的结果能反映出孔隙率随干湿循环次数增加的变化规律，但试验值要略大于计算值。这可能是部分矿物成份及其与水发生反应尚不明确，化学反应过程未考虑其溶蚀产生的孔隙；此外，矿物溶蚀使得岩石原本封闭的闭口孔隙逐渐打开形成开口孔隙，而利用矿物溶蚀的离子计算并不能测得这部分闭口孔隙，所以导致计算结果偏小。本文利用矿物溶蚀的离子质量浓度计算岩石孔隙率，定量计算干湿循环作用下炭质泥岩的孔隙率，为研究软岩细观损伤提供了一种新的思路。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。