泥巖和砂巖的滲透率隨圍壓變化特性的對比

曾志姣,李小春,石 露,白 冰

(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

泥巖和砂巖的滲透率隨圍壓變化特性的對比

曾志姣,李小春,石 露,白 冰

(中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖北 武漢 430071)

通過試驗(yàn),研究了圍壓升、降過程中泥巖和砂巖滲透率的變化特性。采用瞬態(tài)壓力脈沖法測試泥巖的滲透率,采用定壓法測試砂巖的滲透率。試驗(yàn)結(jié)果表明:圍壓加載過程中,泥巖和砂巖試樣的滲透率均呈非線性減小,但泥巖的滲透率對有效圍壓的敏感程度遠(yuǎn)大于砂巖的;圍壓卸載過程中,泥巖和砂巖的滲透率發(fā)生不同程度的回升,但都不能恢復(fù)到原始值,砂巖滲透率的恢復(fù)程度大于泥巖的。

滲透率;圍壓;泥巖;砂巖

在外界應(yīng)力場的作用下,巖土介質(zhì)發(fā)生變形。應(yīng)力場的變化會使巖土介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)(孔隙大小、形狀及裂隙的連通情況等)發(fā)生改變,從而引起其滲透性的改變[1]。

在實(shí)際工程中,巖土介質(zhì)中的孔隙壓力是不斷變化的。例如:在石油和天然氣等流體礦藏開采工程、核廢料和溫室氣體等廢棄物的地下封存處置工程中,流體的注人都會導(dǎo)致巖土介質(zhì)中的孔隙壓力發(fā)生變化,從而引起其有效應(yīng)力的變化,而且這種變化通常并非是單調(diào)的。那么,當(dāng)有效應(yīng)力非單調(diào)變化時,需考慮孔隙介質(zhì)骨架或裂隙變形的不可逆性對巖體滲透性的影響。也就是說,巖體的滲透性不僅僅取決于當(dāng)前所處的應(yīng)力狀態(tài),同時也與其經(jīng)歷的應(yīng)力歷史有關(guān)。

許多學(xué)者[2—13]曾采用不同的試驗(yàn)手段,研究巖石滲透率隨有效應(yīng)力的變化情況。黃遠(yuǎn)智[7]等人對采自長慶油田的砂巖巖樣進(jìn)行了流固藕合滲流實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),巖石的滲透率與有效圍壓之間的關(guān)系可采用一元二次多項(xiàng)式來擬合。賀玉龍[10]等人對砂巖和人工裂隙花崗巖2種巖樣進(jìn)行了圍壓升、降過程滲透率的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)2種巖石的滲透率均隨有效應(yīng)力增加而呈負(fù)指數(shù)規(guī)律減小,但單裂隙花崗巖的滲透率對有效應(yīng)力的敏感程度遠(yuǎn)大于砂巖的,而砂巖滲透率的恢復(fù)程度則遠(yuǎn)大于單裂隙花崗巖的,可知有效應(yīng)力的變化對裂隙巖體滲透性的影響遠(yuǎn)大于孔隙巖體的。Dong[4]等人對取自地下2 000 m深處的砂巖和頁巖2種沉積巖石在圍壓升、降過程中的滲透率變化特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn):與砂巖相比,頁巖滲透率對圍壓更為敏感;滲透率與圍壓之間的關(guān)系可采用冪律函數(shù)式來擬合。但這些研究絕大部分都是針對砂巖開展的,而關(guān)于泥巖的研究較少。一方面是由于砂巖從取樣到試驗(yàn)樣品制備都相對容易,而泥巖樣品的獲取和制備則相對比較困難;另一方面,泥巖大部分屬特低滲類巖石,且在加、卸載過程中,其滲透率變化范圍較大,可達(dá)幾個數(shù)量級,要準(zhǔn)確測量其滲透率有很大難度。鑒于泥巖等蓋層巖石的滲透特性對于地質(zhì)封存等工程的有效性和安全性具有重要的意義,作者擬通過圍壓加、卸載循環(huán)試驗(yàn)測試泥巖和砂巖的滲透率,研究不同巖體在圍壓升、降過程中的滲透率變化特性。

1 測試材料及試驗(yàn)方法

1.1 巖樣制備

泥巖巖樣取自湖北省當(dāng)陽市,外觀呈黃褐色;砂巖巖樣取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯,外觀呈棕紅色。把2種巖石均制成直徑50 mm、高度100 mm的圓柱體巖樣,如圖1所示。

1.2 測試方法

采用瞬態(tài)壓力脈沖法測試泥巖的滲透率,滲透介質(zhì)為氮?dú)?采用定壓法測試砂巖的滲透率,滲透介質(zhì)為水。

瞬態(tài)壓力脈沖法是在被測試件兩端分別連接一個封閉容器(如圖2所示),當(dāng)系統(tǒng)在初始壓力P0下達(dá)到平衡后,對試樣一端施加一個微小的脈沖壓力△P,使上、下游之間形成壓力差△P,試件內(nèi)部發(fā)生一維滲流,導(dǎo)致上游容器內(nèi)壓力逐漸下降,而下游容器內(nèi)壓力逐漸上升,壓差不斷衰減,直至系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)Pf,上、下游之間的壓差衰減為零[14]。根據(jù)壓差衰減曲線公式,求解試樣的滲透率。

圖1 加工好的圓柱樣品Fig.1 Prepared cylinder specimens

式中:△P(t)為上、下游容器壓差實(shí)測值;△Pi為初始壓差;t為時間;k為滲透率;A為試件截面積;μ為流體粘滯系數(shù);L為試件長度;Su和Sd分別為上、下游容器的容水量。

該方法監(jiān)測的是非穩(wěn)態(tài)流的壓力,滲流無需達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),大大縮短了測試時間,尤其適合測量泥巖等低滲透性試件的滲透率。

圖2 瞬態(tài)壓力脈沖法簡化原理示意Fig.2 Sketch of transient pulse method

定壓法是在試樣兩端施加穩(wěn)定壓差,通過監(jiān)測試樣的穩(wěn)定流量,按達(dá)西定律計(jì)算巖石的滲透率。

式中:Q為單位時間通過巖心的體積流量;△p為試樣兩端的壓力差。

1.3 試驗(yàn)儀器

在TPM—6型脈沖法滲透儀(如圖3所示)上測試滲透率。包括:巖芯夾持器、計(jì)量泵、壓力計(jì)、差壓計(jì)、管路、閥門、接頭及數(shù)據(jù)采集卡等。

圖3 脈沖法滲透儀結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Sketch of the transient pulse testing system

由于所采用的ISCO計(jì)量泵既可以精確控制壓力(恒壓工作模式),又可以精確控制流量(恒流工作模式),使得該滲透裝置不僅可以采用瞬態(tài)壓力脈沖法測試試樣的滲透率,還可以采用定壓法和定流量法來測量試樣的滲透率。

1.4 試驗(yàn)流程

將事先加工好的巖樣放在干燥箱內(nèi)烘干后,取出,稍稍冷卻。在試樣側(cè)壁涂上薄薄的一層硅橡膠,并在試樣、多孔墊片和堵頭外圍包裹一層熱收縮管,然后將巖芯放人巖芯夾持器,加熱恒溫水浴鍋至30℃,連接好整個系統(tǒng)并對系統(tǒng)抽真空。使用計(jì)量泵對試樣施加圍壓和孔壓至預(yù)定壓力,靜置一段時間,使系統(tǒng)穩(wěn)定。緩慢關(guān)閉上、下游聯(lián)通閥門,使上、下游斷開。若是瞬態(tài)壓力脈沖滲透測試,調(diào)節(jié)上游計(jì)量泵壓力,對上游施加一個較小的脈沖壓力。待上、下游之間的壓差衰減完成后,即完成第一級圍壓下的滲透率測試。若是定壓法滲透測試,使用下游計(jì)量泵,改變下游壓力至另一恒定值,使上、下游產(chǎn)生一個恒定壓差,通過上、下游計(jì)量泵的泵體剩余體積來計(jì)量滲透流量。待流量穩(wěn)定后,即完成第一級圍壓下的滲透率測試。然后,打開上、下游聯(lián)通閥門,調(diào)整圍壓計(jì)量泵壓力,按步驟分別完成圍壓上升過程中7級預(yù)定圍壓水平下試樣的滲透率測試工作。從圍壓上升過程中最后一個圍壓點(diǎn)開始,通過調(diào)整計(jì)量泵壓力降低圍壓,分別完成圍壓下降過程中6級預(yù)定圍壓水平下試樣的滲透率測試工作。

為了驗(yàn)證采用壓力脈沖法和該滲透儀來測試低滲巖石滲透率的可靠性和有效性,對泥巖試樣在第一級圍壓水平(10 MPa)下進(jìn)行了滲透率的重復(fù)性測試試驗(yàn)。在不同脈沖壓力下,測試共10次,測試結(jié)果如圖4所示。10次重復(fù)測試的偏差為士3%,說明滲透率測試的重復(fù)性和精度較高。

圖4 滲透率重復(fù)性測試結(jié)果Fig.4 Testing results of the permeability under different pulse pressures

2 試驗(yàn)結(jié)果

各級圍壓水平下,繪出泥巖和砂巖滲透率隨有效圍壓的變化曲線,分別如圖5,6所示。

3 結(jié)果分析

圖5 泥巖的滲透率隨有效圍壓的變化曲線Fig.5 Variational curve of the permeability of mudstone sample in the process of loading-unloading

從圖5,6中可以看出,圍壓升、降過程中泥巖和砂巖滲透率的變化存在著一些共同的特征:圍壓上升過程中,試樣的滲透率呈非線性減小,圍壓較小時,滲透率下降較快,隨后,下降速度逐漸減小,滲透率慢慢趨于穩(wěn)定;圍壓下降過程中,巖石的滲透率回升,但不能恢復(fù)到初始值。當(dāng)有效圍壓從5 MPa增加至25 MPa時,泥巖的滲透率下降了99.94%,砂巖的滲透率下降了54.31%;當(dāng)圍壓恢復(fù)至初始值時,砂巖的滲透率為其初始滲透率的55.62%,而泥巖的滲透率僅為其初始滲透率的0.33%。泥巖的滲透率比砂巖的滲透率小3～5個數(shù)量級。圍壓升降過程中,泥巖滲透率的變化范圍達(dá)3個數(shù)量級。相比之下,圍壓加載過程中,泥巖滲透率下降的程度遠(yuǎn)大于砂巖的,說明泥巖的滲透率對有效應(yīng)力更加敏感;而圍壓卸載過程中,砂巖滲透率的恢復(fù)程度則遠(yuǎn)大于泥巖的。

圖6 砂巖的滲透率隨有效圍壓的變化曲線Fig.6 Variational curve of the permeability of sandstone samples in the process of loading-unloading

泥巖和砂巖的滲透率對應(yīng)力敏感性的差異是因?yàn)樗鼈儾煌目紫督Y(jié)構(gòu)。對于砂巖來說,大孔道較多,其滲流是沿著顆粒堆積的孔隙連成的通道。根據(jù)Berea砂巖CT掃描結(jié)果[14]可知,圍壓上升過程中滲透率的降低是因?yàn)閼?yīng)力作用下顆粒發(fā)生相對移動,造成平均空隙半徑和平均孔喉半徑的減少,以及迂曲度增大。而對于泥巖來說,大孔道相對較少,對滲透率起作用的是一些小孔與小孔之間的喉道和內(nèi)部的微裂隙,如圖7所示。在有效應(yīng)力的作用下,閉合的首先是小孔喉和微裂隙。一旦這些小孔喉和微裂隙被壓縮,則巖心的滲透率就會顯著下降。顯然,在圍壓升高的情況下,泥巖中小孔喉和微裂隙的閉合要更易于砂巖的顆粒移動,因此泥巖的滲透率對有效應(yīng)力的敏感程度更大。

此外,泥巖中孔喉和微裂隙的閉合相對于砂巖中的顆粒移動和重新排列而言更難于恢復(fù)?？梢哉f,孔喉和微裂隙的閉合是不可逆的,也就是說,它們在加載過程中發(fā)生閉合以后不能在卸載過程中重新開啟。因此,在圍壓卸載過程中,砂巖滲透率的恢復(fù)程度遠(yuǎn)大于泥巖的。

圖7 泥巖電鏡掃描(SEM)照片F(xiàn)ig.7 SEM image of mudstone sample

4 結(jié)語

1)圍壓上升過程中,滲透率降低,加載初期滲透率下降較快,隨后,下降速度減緩,滲透率逐漸穩(wěn)定。圍壓上升過程中滲透率降低是因?yàn)閲鷫旱脑黾訉?dǎo)致巖樣逐漸產(chǎn)生壓縮變形。

2)圍壓下降過程中,滲透率不能恢復(fù)到原始值是因?yàn)閲鷫杭虞d過程中巖樣發(fā)生了塑性變形,這部分變形在圍壓卸載過程中不能恢復(fù),變形的不可完全恢復(fù)性導(dǎo)致滲透率的不可完全恢復(fù)性。

3)泥巖的滲透率隨圍壓增加而下降的程度大于砂巖的,而砂巖的滲透率隨圍壓減少而恢復(fù)的程度則遠(yuǎn)大于泥巖的。這主要源于應(yīng)力作用下不同的巖石變形機(jī)理:泥巖在應(yīng)力作用下產(chǎn)生壓縮變形是因?yàn)閮?nèi)部小孔喉和微裂隙的閉合,而砂巖則是因?yàn)轭w粒發(fā)生相對移動和重新排列造成大孔的壓縮。

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Testing study on variational characteristics of the permeability for mudstone and sandstone with the change of confining pressure

ZENG Zhi-jiao,LI Xiao-chun,SHI Lu,BAI Bing
(State key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Science,Wuhan 430071,China)

Based on permeability tests,the variational characteristics of the permeability for mudstone and sandstone under loading-unloading of confining pressure were studied. The permeability of mudstone was measured by transient pulse technique,and the permeability of sandstone was measured by constant pressure method.The test results reveal that both the permeability of mudstone and sandstone decreased nonlinearly with the increase of effective pressures.But the permeability sensitivity of mudstone to effective confining pressure was much stronger than that of sandstone.Both the permeability of mudstone and sandstone recovered when the pressure was reduced,but did not return to the original value even when the pressure was completely released.The recovery capability of permeability of sandstone was much stronger than that of mudstone.

permeability;confining pressure;mudstone;sandstone

TU441+.33

A

1674—599X(2015)04—0001—05

2015—04—30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172285)

曾志妓(1982—),女,中國科學(xué)院武漢巖土研究所博士生。