裂隙粗砂巖滲透率的應力與時間效應研究

韓澤宇, 王 偉, 牛慶合, 楊金鵬, 何卓冉

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043;2. 石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室,河北 石家莊 050043;3.河北省金屬礦山安全高效開采技術創新中心,河北 石家莊 050043)

砂巖型鈾礦為中國最主要鈾資源類型,加大砂巖型鈾資源開發力度對促進中國核電發展以及戰略核力量具有重大意義。地浸開采是砂巖型鈾礦資源的主要開發方式,對鈾儲層的滲透率要求較高。為了實現砂巖型鈾礦高效開采,需對低滲透儲層進行改造。已有研究證明,爆破增滲方法可用于低滲透砂巖鈾儲層改造,并在一定程度上提高了儲層滲透率,但該方法的持續性效果尚需進一步研究。儲層重構后賦礦層巖體滲透率隨應力和時間的演化規律是其涉及的關鍵科學問題。

相關學者們通過室內實驗、分析測試等手段表征了天然裂隙、人造裂隙結構參數,研究了裂隙巖體滲透率演化規律,并構建了相應的理論模型,為裂隙巖體滲流行為的預測奠定了基礎。BARTON et al[1]首次發表二維天然裂縫跡線長度的分形測量結果以來,引起了廣大學者的關注,自然裂縫模式表現出分形特征天然地質裂隙與統計,為研究裂隙巖石的滲透性提供了一種有效的方法。ANAN et al[2]研究了不同隨機粗糙曲面在裂隙法向應力作用下的滲流特性,說明了不同法向應力下裂隙變形特征由裂隙間接觸面積決定,同時裂隙由于JRC的增大,隙間渦流的強度與面積也隨之增大。李加華等[3]探究了紅層砂巖在加載過程中滲透率演化特征,發現砂巖的滲透率隨應力增加呈線性降低,孔隙率變化表現出明顯的階段性。核磁共振成像可以顯示砂巖內部微孔洞和微裂隙的演化過程,并獲得不同應力加載過程砂巖孔隙演化規律。賈群龍等[4]探究了裂隙巖溶介質滲透系數的尺度效應及產生機理,結果表明,隨著實驗尺度的增大,水平滲透系數也會相應增加,其與滲透系數之間的關系由對數關系轉為線性關系,最終滲透系數趨于穩定。王家華等[5]研究了粗糙度和圍壓對裂隙巖體滲流的影響,并詳細闡述了它們對裂隙砂巖中流量的影響機理,表明了導水系數并非定值,其數值隨著雷諾數的增大而減小。此外,水力開度隨著圍壓的增大而減小,也將進一步影響滲流特性和動態行為。

在有關理論模型方面上,陶煜等[6]運用單裂隙平行板滲流理論、彈性力學方法,結合模擬電路知識,提出等效滲流阻的概念,在分析裂隙巖體區域中主干裂隙系統幾何構造的基礎上,建立了基于等效滲流阻的滲流-應力耦合模型。ZHAO et al[7]基于巖石彈性理論和有限差分法,建立煤巖裂隙網絡的應力-應變模型,以人工劈裂單裂隙滲流試驗參數為依據,用格子玻爾茲曼方法模擬裂隙中的流體流動,研究應力、裂隙密度、裂隙表面粗糙度與孔徑對滲流特性的影響。XIAO et al[8]分析了滲流條件下紅砂巖破壞過程中強度、變形與滲透率的變化規律,并建立了滲透率與應力的分段函數模型。WANG et al[9]根據中國三峽工程現場勘察,將巖石裂縫幾何參數通過離散元法(DEM)生成了一系列計算等效滲透率的二維離散斷裂網絡(DFN)模型,當正方形模型邊長大于40 m時,平行于正方形4條邊方向的滲透率基本達到穩定,并以長作為大尺度模擬的REV單元。王俊奇等[10]基于廣義達西定律,提出一種新型空間一維環單元模型來計算三維裂隙巖體的滲透張量,簡化了以往復雜的三維面狀流模型。為驗證該模型在計算滲透性方面的可靠性,采用了解析法和數值模擬法進行模型測試,并利用面單元模型對該模型的精度進行校核。

綜上所述,盡管前人已進行了大量的探索,但針對原位地層條件下儲層改造后裂隙巖體滲透率長時間演化規律的研究尚不充分。為此,通過對含單裂隙粗砂巖和含多裂隙粗砂巖在不同應力和時間影響情況下進行室內滲透率的測量,進而研究滲透率的演化規律,并且對試驗數據進行擬合,以期能為今后的巖體工程建設提供參考。

1 砂巖滲流試驗研究

1.1 試樣準備

試驗采用標準圓柱體試樣(直徑50 mm、長度100 mm)。為了避免試樣非均質性對測試結果的影響,所用試樣均采自同一巖層,且不含原生裂隙。同時,為了保證測試結果的準確性和可靠性,篩選聲波波速相差在5%之內的試樣開展研究。

含單裂隙粗砂巖試樣是通過人工剪切造縫的方法來制備,CT掃描圖見圖1(a)。含多裂隙試樣則是采用SHPB試驗系統來制備動荷載下的含多裂隙粗砂巖試樣,CT掃描圖見圖1(b)。

圖1 單裂隙試樣和多裂隙試樣圖

圖2 巖石三軸多場耦合試驗系統

1.2 試驗儀器

試驗采用室內巖石三軸多場耦合試驗系統。該系統主要由控制及數據采集系統、樣品室、溫控系統、軸壓/圍壓加載系統和注液系統組成。該系統最大圍壓和孔壓為60 MPa(精度為0.01 MPa),最大軸壓為1 000 MPa(精度為0.1 MPa),最高溫度為150 ℃(精度為0.1 ℃)。試驗裝置見圖2。

1.3 試驗步驟及計算方法

具體試驗步驟如下:

(1)啟動巖石三軸多場耦合試驗系統后,預熱處理約0.5 h,以確保設備的運行穩定性和試驗結果的精度和可靠性。

(2)用熱縮管包裹試樣,將試樣安裝至樣品倉。

(3)為了防止液壓油滲入試樣內部,使用橡膠管和金屬箍環對試樣進行密封。

(4)將圍壓腔體移動至底座相應位置,放置圍壓腔體并擰緊腔體外圍螺絲。

(5)打開軸壓和圍壓的低壓和高壓閥門,同時打開溢油閥和電機,等待試驗設備內部的油液充滿腔體,直到圍壓溢油管路中的油排完,說明圍壓、軸壓腔體內的油已充滿。

(6)關閉試驗設備中的充油按鈕、電機旋鈕以及圍壓腔體內的溢油閥門、低壓和高壓閥門。

(7)分別以3 mL/s和1 mL/s的流量緩慢加載軸壓和圍壓至8 MPa和6 MPa。

(8)待圍壓和軸壓加載好之后加載孔壓至2 MPa,同時開始第1組滲透率測量。

(9)按照試驗方案,重復步驟(7)、(8),調整軸壓和圍壓,測試下一組滲透率。

滲透率計算基于穩態法。通過給試樣兩端施加一個穩定的滲透壓差,通過測量單位時間內通過巖體的流量來獲得試樣的滲透率[11]。

(1)

式中,k為滲透率;Q為單位時間流量;A為過水斷面面積;ΔP為上下游壓差;L為滲流路徑長度;μ為水的動力黏度。

1.4 試驗方案

1.4.1 滲流-應力試驗方案

為了研究改造后賦礦層條件下滲透率演化規律,本次試驗考慮軸壓、孔壓和圍壓對試樣滲透率的影響,具體試驗方案見表1。按照該方案首先進行單裂隙試樣滲透率測試,其次開展含多裂隙試樣滲透率測試。

表1 裂隙試樣滲流-應力試驗方案 MPa

為了分析軸壓、圍壓和孔壓對試樣滲透率的影響程度,引入了滲透率應力敏感性系數和滲透率相對變化幅度。

滲透率應力敏感性系數[12]為

(2)

式中,C為滲透率應力敏感性系數;kn第n應力狀態下的滲透率,對應的C分別為軸壓、孔壓與圍壓的滲透率敏感性系數;kn+i+1為第n+i+1應力狀態下的滲透率;σn+i+1為第n+i+1應力;σn+1為第n+1應力。

滲透率相對變化幅度[13]為

(3)

式中,ku為滲透率相對變化幅度。

1.4.2 滲透率-時間效應試驗方案

為了能夠更真實地模擬地質條件下的巖石變形過程,提高試驗結果的可靠性和適用性,該試驗中應力采用地下800 m深度的應力狀態[14],即軸壓為21.6 MPa、圍壓為17.05 MPa,孔壓為2 MPa。

滲透率-時間效應試驗時間均為168 h。0～12 h內,以每2 h的時間間隔對試樣進行滲透率測量,之后由于滲透率變化過小,以每12 h的時間間隔對試樣進行滲透率測量。

2 分析與討論

2.1 軸壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規律

圖3 試樣滲透率隨軸壓變化規律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨軸壓演化關系見圖3。試驗中孔壓為2 MPa,圍壓為6 MPa,隨著軸壓從8 MPa增加至16 MPa。單裂隙試樣滲透率呈線性下降,滲透率從7.43 mD下降到4.97 mD;多裂隙試樣滲透率則呈指數型下降,滲透率從16.04 mD下降到14.59 mD。其中含單裂隙試樣的滲透率變化幅度為-7.3%、-9.1%、-9.9%、-11.9%,多裂隙試樣的滲透率變化幅度為-4.9%、-2.5%、-1.5%、-0.5%。根據滲透率對比得出,在軸壓影響下,多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。

由于多裂隙試樣中的裂隙滲透率通道數量較多,因此該試樣擁有更高的滲透率。在軸壓為12～16 MPa之間,多裂隙試樣的滲透率變化趨勢相較于單裂隙試樣更加平緩,這種現象是因為當多裂隙試樣的裂縫寬度達到一定程度時,由于法向方向上的應力限制,裂縫無法再繼續擴張,因此滲透率變化也會逐漸變得平緩。

單裂隙滲透率軸壓敏感性系數分別為0.036、0.042、0.043、0.045,多裂隙滲透率軸壓敏感性系數分別為0.024、0.018、0.007、0.002。根據軸壓敏感性系數得出,單裂隙試樣對軸壓的敏感程度明顯高于多裂隙試樣,且隨著軸壓的增大,單裂隙試樣的敏感性系數逐漸升高,多裂隙試樣的敏感性系數逐漸降低。這是因為多裂隙試樣的裂隙空間更為復雜,裂隙之間的連通性較差,導致試樣的敏感性相對較小。

2.2 孔壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規律

圖4 試樣滲透率隨孔壓變化規律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨孔壓演化關系見圖4。此時試驗中軸壓為16 MPa,圍壓為6 MPa,隨著孔壓從2 MPa增加至4 MPa,單裂隙試樣呈線型上升,滲透率從4.97 mD上升到6.40 mD;多裂隙試樣則呈指數型上升,滲透率從14.57 mD上升到16.68 mD。其中單裂隙試樣滲透率相對變化幅度分別為5.2%、5.5%、5.4%、10.0%,多裂隙試樣滲透率相對變化幅度分別為0.5%、2.0%、3.2%、8.7%。通過對比2個試樣在孔壓影響下的滲透率,得出多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。此外,隨著孔壓的增加,單裂隙試樣和多裂隙試樣的滲透率會先緩慢增加,然后迅速增加。

在孔壓的影響下,單裂隙試樣滲透率變化趨勢主要與以下2個方面相關。就孔隙結構變化而言,當孔壓為2～3 MPa之間,單裂隙試樣中的孔隙接近或被完全壓實,再施加更高的孔壓時,這些裂隙有可能重新打開,導致滲透率急劇增加。從流體流動變化來看,一旦孔隙中的水壓力達到一定程度,局部斷層和渦流就會形成,這也會導致滲透率突然增加。

就多裂隙試樣而言,孔壓從2 MPa加載至3 MPa過程中,多裂隙試樣的滲透率變化幅度較小。其原因在于此時的孔壓仍處于較小值,并未完全打通多裂隙試樣中的滲流通道?？讐簭? MPa加載至4 MPa過程中,隨著孔壓的增大,原本被抑制壓實的裂隙面逐漸張開,滲流吼道也逐漸暢通,水通過裂隙的能力也逐漸增強,因此試樣滲透率呈現上升的趨勢,且上升幅度逐漸增大。

單裂隙滲透率孔壓敏感性系數為0.105、0.117、0.121、0.233,多裂隙滲透率孔壓敏感性系數為0.003、0.040、0.066、0.184。由孔壓敏感性系數得出,多裂隙試樣對孔壓的敏感程度低于單裂隙試樣。隨著孔壓的增加,2個試樣的滲透率應力敏感性系數呈現出先緩慢增大后快速增大的變化趨勢。

2.3 圍壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規律

圖5 試樣滲透率隨圍壓變化規律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨圍壓演化關系見圖5。試驗中軸壓為16 MPa,孔壓為4 MPa,隨著圍壓從6 MPa增加至14 MPa,單裂隙試樣呈指數型下降,滲透率從6.40 mD下降到2.12 mD;多裂隙試樣則呈直線型下降,滲透率從16.68 mD下降到7.32 mD。單裂隙試樣滲透率相對變化幅度分別為-36.7%、-16.3%、-21.5%、-20.3%,多裂隙試樣滲透率相對變化幅度分別為-12.2%、-19.8%、-22.5%、-19.6%。在圍壓影響下,通過比較2種試樣的滲透率得知,多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。其中單裂隙試樣隨著圍壓的增加,滲透率呈現先顯著降低后緩慢降低的趨勢;多裂隙試樣的滲透率則呈現下降趨勢,其滲透率變化幅度先上升后下降。

2個裂隙試樣隨著圍壓的增加,其滲透率均呈現下降的趨勢。這是由于隨著有效圍壓不斷增大,裂隙中一些支撐作用的隆起和鋸齒被擠壓甚至碾碎,使得裂隙接觸面積逐漸增大。巖屑也會因此脫落,并隨著流體移動發生堆積現象,進而導致裂隙滲流通道的截面變小,使得阻滲能力逐漸增大,從而導致滲透率進一步減小[15]。而多裂隙粗砂巖中存在更多的小裂隙和孔隙,這些小裂隙和孔隙能夠提供更多的滲流通道。單裂隙試樣只有一個裂縫,因此當圍壓增加時,單裂隙試樣的裂隙會更有效地閉合,使得單裂隙試樣的滲透率下降更快。

單裂隙滲透率圍壓敏感性系數分別為0.184、0.052、0.057、0.042,多裂隙滲透率圍壓敏感性系數分別為0.061、0.087、0.079、0.054。根據圍壓敏感性系數得知,與多裂隙試樣相比,單裂隙試樣對圍壓更為敏感。隨著圍壓的增加,單裂隙試樣的敏感性系數先迅速降低,然后緩慢下降;而多裂隙試樣的敏感性系數則是先上升后下降。

2.4 砂巖滲透-時間試驗

圖6 裂隙粗砂巖滲透率隨時間演化試驗值及擬合公式曲線圖

采用對單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率變化的時間效應進行研究,單裂隙試樣和多裂隙試樣的滲透率隨時間演化見圖6。在整個試驗過程中,多裂隙試樣的滲透率始終高于單裂隙試樣滲透率。單裂隙試樣和多裂隙試樣測量數據擬合曲線為指數型曲線,相關系數均為0.98,與測量數據擬合良好。單裂隙試樣滲透率隨時間演化主要呈3個階段,在第1階段(前48 h),滲透率快速降低;在第2階段(48～108 h),滲透率緩慢降低;第3階段到了108 h之后,滲透率趨于穩定。以試驗開始時的滲透率測試值為基準,試驗結果顯示,在第1階段末尾,試樣的滲透率減少幅度達到了40%;在第2階段末尾,減少幅度達到了47%;在整個試驗過程中,滲透率減少幅度達到了48%。這說明單裂隙試樣的滲透性能受時間因素的影響較大,并且其滲透率隨著時間的推移而不斷降低。

多裂隙試樣滲透率隨時間變化也可以分為3段。第1階段:0～24 h,滲透率降低較快,在第24 h滲透率降低幅度為8%;第2階段:24～132 h,滲透率降低緩慢,在第132 h滲透率降低幅度為22%;第3階段:132～168 h,滲透率趨于穩定,最終滲透率降低幅度為22%。

在試驗前24 h內,單裂隙試樣的滲透率下降幅度大于多裂隙試樣。其主要原因是制造多裂隙試樣時采用的SHPB方法未能生成完全貫通的裂隙結構,導致填充物大量存在于多裂隙試樣中,影響了試樣的滲透性能。相比之下,單裂隙試樣中的裂隙結構更加貫通,因此在24 h內其滲透率的變化幅度更大。隨著時間的推移,2種裂隙試樣的滲流通道變形逐漸穩定,滲透率變化幅度低于1%,因此試樣的滲透率趨于穩定。

3 結論

分別對單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖進行滲流-應力和滲流-時間試驗,對比了2種裂隙粗砂巖的滲透率變化。研究了2種裂隙粗砂巖的滲透率隨軸壓、孔壓、圍壓和時間的演化規律,并通過滲透率應力敏感性公式討論了軸壓、孔壓和圍壓對滲透率影響的大小。主要結論如下:

(1)多裂隙粗砂巖無論在應力還是時間的影響下,其滲透率均高于單裂隙粗砂巖滲透率,但多裂隙粗砂巖的滲透率應力敏感性系數低于單裂隙粗砂巖的滲透率應力敏感性系數,且同一種類型的裂隙粗砂巖滲透率應力敏感性系數存在孔壓>圍壓>軸壓這一關系。

(2)單裂隙粗砂巖受到不同應力條件的影響,其滲透率隨軸壓增大而降低,隨孔壓增大先緩慢增加后迅速增加,隨圍壓增大先顯著降低后緩慢降低;單裂隙粗砂巖的滲透率應力敏感性系數會隨軸壓的增加而增大,隨孔壓增加先緩慢增大后快速增大,隨圍壓增加先快速降低然后緩慢降低。

(3)多裂隙粗砂巖受到不同應力條件的影響,其滲透率隨軸壓增大先快速降低后緩慢降低,隨孔壓增加先緩慢增加后迅速增加,隨圍壓增大而降低;多裂隙粗砂巖的滲透率應力敏感性系數隨軸壓增加而降低,隨孔壓增加先緩慢增大后快速增大,隨著圍壓增加先上升后下降。

(4)在滲流-時間試驗中,多裂隙試樣的滲透率始終高于單裂隙試樣滲透率。而單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖的滲透率隨時間演化主要呈3個階段,第1階段滲透率快速降低,第2階段緩慢降低,第3階段趨于穩定。在試驗開始的24 h內,單裂隙粗砂巖的滲透率降低幅度比多裂隙粗砂巖大。之后隨著時間的變化,2種粗砂巖的滲透率逐漸穩定。