侵蚀性流体作用下石灰岩渗透性变化规律

杜昀宸， 张肖肖， 盛金昌， 吴彦青， 周 庆， 刘星星

(河海大学 水利水电学院， 江苏 南京 210098)

1 研究背景

我国西部水电资源的开发促进了深埋岩体工程在高水压、高应力、水化学等复杂地质环境下工作状况的研究，对这种特殊环境中多因素之间相互作用的研究是岩石渗透特性领域的一个重要课题[1]，对于岩体工程具有很大的科学意义和应用价值。由于耦合过程非常复杂，近年来国内外学者一直对侵蚀性流体渗透过程中岩石渗透特性的演变规律进行着不懈探索。

Elsworth等[2]探讨了反应流体的流动如何影响密闭的碳酸盐岩裂缝渗透率发展的问题，定量得出了裂缝张开和断裂闭合模式之间的转变模式；Yasuhara等[3]观察研究了在碳酸盐岩裂缝中主要进行的机械和化学过程，发现孔隙中流体溶解的物质质量浓度随应力、温度和pH值而改变，并能在一定程度上反映裂缝渗透的演化；Khather等[4]观测到地质封存中溶质和主岩之间发生化学反应后，大多数样品的孔隙度和渗透率有所增加但少数样品以上两项指标数值减小，这是由于矿物沉淀和机械压实机制的综合效应产生的结果；Lisabeth等[5]通过在CO2饱和水溶液中浸泡碳酸盐样品后进行流体静力学和三轴变形实验，分析其应力、应变、渗透特性，结果表明经过处理的样品中所出现的碳化溶解和碳酸盐矿物沉淀作用会导致其刚度、强度和渗透率的降低；Liu等[6]模拟了在水动力压力和温度改变作用下的石灰石溶解过程，发现温度的升高会增大溶解速率，同时水动力压力增强了化学溶解作用，并影响岩石的矿物形态和内部孔隙结构；盛金昌等[7]设计了渗透液为碳酸溶液的不同渗透压力下裂隙岩石渗透实验，建立了裂隙开度变化率与渗出液中钙离子浓度值之间的关系式，理论上描述了裂隙岩体在渗流-应力-化学耦合作用下的渗透特性演化规律；杨金保等[8]开展了在以硫酸钠为介质的酸性或碱性溶液条件下的单裂隙花岗岩恒定三轴压应力渗透试验，得出裂隙接触面矿物溶解、自由面矿物溶解以及矿物沉淀3种作用影响下裂隙开度的演化规律；姚华彦[9]研究了在不同pH值的0.1mol/L硫酸钠和氯化钙溶液水化学溶液浸泡后灰岩的宏细观力学特性，结果表明化学腐蚀作用对裂纹岩石破裂过程的影响主要表现在弱化力学参数和增大岩石非均质性两个方面；申林方等[10]对单裂隙岩石在应力-渗流-化学耦合环境下的综合响应机制进行了研究，提出了水岩化学反应及水力通道贯通两种因素的相互耦合会导致不同渗透溶液渗流情况下水力开度变化趋势不同的观点；郭慧[11]探讨了煤体浸泡于CO2水溶液中发生的相互作用反应机理和影响因素，得到渗透率随时间的变化规律，分析了不同参数对渗透率变化的影响。

综上所述，多年来国内外学者开展了岩石介质受到渗透作用、应力作用和化学侵蚀作用的现场或室内实验，从实验现象到理论说明探索了岩体发生的力学性质或渗透性质的变化，取得了一些有价值的研究成果。但是这些实验主要是为了研究裂隙岩石在化学渗透和压力作用下的变形损伤过程或完整岩石经过化学溶液浸泡处理后的力学和渗透性质的变化，然而自然状况或工程施工中的耦合条件更加复杂，岩石的完整或破碎程度各不相同，且受到的应力作用、流体的侵蚀和渗透作用是同时进行的，所以实验的施加条件与工程实际还有一定距离，在侵蚀性流体渗透作用下较完整岩石渗透性的演化机理研究，仍有大量工作需要开展。

本文借助河海大学渗流实验室的高应力、高水压、变温、大梯度等复杂条件下的多因素耦合渗透实验平台，选取完整低渗石灰岩作为实验岩芯，在轴压、围压、渗透压的作用下加入不同化学作用，设计多组工况进行渗透实验。在实验过程中收集渗出液，对其流量、离子浓度进行测量，通过不同指标的数值变化趋势，定性分析完整石灰岩渗透特性的主要影响因素和演化机理。

2 实验介绍

2.1 实验工况设计

本文实验目的是为了研究不同侵蚀性渗透溶液和应力作用下完整石灰岩渗透性的变化规律。根据实验目的，确定实验任务如下：

(1)改变实验中的溶液侵蚀条件和应力条件，测定岩样渗流量，对比研究岩石渗透特性的演变规律；

(2)测定渗出液中的离子浓度，探讨不同化学溶液侵蚀条件对岩石中矿物质溶解的影响；

(3)通过岩芯渗透率的变化和渗出液中离子浓度的变化，分析渗透侵蚀、应力的共同作用对岩石渗透特性的影响。

实验中各影响因素的指标确定如下：为了减小应力对于渗透实验的影响，轴压选择实验仪器保持稳定需要的最小值6.5 MPa；根据岩石力学试验的相关规范，围压需要比渗透压高0.2～0.5 MPa[12]，本文实验中的围压统一高于渗透压0.5 MPa；选取强酸中挥发性较小的硫酸调节溶液的酸性，并要控制溶液中的SO42-浓度不产生硫酸钙难溶沉淀，每调节1 L pH=6的硫酸溶液需要1 mol/L浓硫酸约0.001 mL，其中的SO42-可忽略不计；选择Na2SO4溶液添加Na+以促进其与岩石中矿物质的反应效率，实验中0.01 mol/L Na2SO4最多会产生1.36 g/L硫酸钙微溶物，小于其溶解度0.264 g/100 g，所以两种有化学溶液的工况都可以看作宏观总体不产生沉淀[13]。根据以上对压力作用及渗透溶液的考虑，结合实验目的和实验任务，得到设计实验工况如表1所示。

表1 实验工况

2.2 实验装置简介

实验中使用的仪器设备为河海大学渗流实验室设计的高应力、高水压、变温、大梯度等复杂条件下岩石耦合渗透实验平台。实验需要使用的部分是计算机伺服系统、高精度静态伺服液压控制台、油源、油泵、压力系统、油水压力转换系统等。

各子系统之间的关系如图1所示，实验台示意如图2所示，实验设备的工作简要步骤为：将设计的实验工况输入到计算机中，计算机输出工作信号到高精度液压控制台，使压力系统通过油源和油泵直接将轴压和围压以油压的形式加载到压力室中的岩芯上；渗透压力通过油—水转换装置把油压转换为水压将渗透水箱里的指定溶液流经渗流通道施加到岩芯中；最后，由测量系统返回数据给计算机伺服系统以实时监控实验平台的工作状态，使实验能在无人值守条件下长期平稳连续运行。

图1 实验设备系统原理图

2.3 实验岩芯试样

实验采用的岩芯取自山东省嘉祥市的石灰岩，钻芯得到的底面直径5 cm、高10 cm的低渗完整致密石灰岩圆柱体，分析得到其主要成分为碳酸钙90.37%、碳酸镁5.56%、二氧化硅2.40%，还有其他成分占比例不到2%，试样的强度指标为压缩强度127.7 MPa、干燥弯曲强度14.1 MPa与水饱和弯曲强度17.3 MPa；选取同批次试样6个，使用核磁共振的方法[14]得到其孔隙率均在 0.7%左右，孔隙半径主要分布在 0.01～1 μm范围内，其平均孔隙半径为0.07 μm。

2.4 实验步骤

(1)实验岩芯处理：将实验所用岩芯在蒸馏水中分4次加水浸泡，每次静置2 h；然后放入真空饱和仪中进行饱水，直至岩芯表面无气泡逸出后解除真空。在已饱水的岩芯外套上长于试件的热缩管套，并用热风枪使其缩紧包裹在岩芯上，热缩管外面用铁箍将试件与渗透压头接触的位置箍紧后装入压力室腔体内，如图3所示。

(2)实验加载过程：启动实验装置加载轴压至目标值后，围压注油加载指定围压；将渗透通道内空气排出，向渗透压水箱中注入调配好的指定溶液；输入渗透压数值，溶液沿渗流通道进入压力室，对岩芯施加水化学作用。

(3)获得实验数据：收集渗出溶液，计算岩芯渗透率；将收集的渗出溶液进行杂质过滤和酸化处理，使用中国科学院南京土壤研究所的电感耦合等离子体发射光谱仪(如图4所示)进行Ca2+、Mg2+离子的浓度测量，并记录和分析相关数据。

图2实验平台示意图图3安装于实验台上的岩芯试样图4电感耦合等离子体发射光谱仪

3 实验成果分析

岩石渗透率的实验室测量方法可以归纳为瞬态法和稳态法两大类，其中稳态法实验需要时间较长，但可以保证较高的精度[15]。本文研究内容主要针对低渗石灰岩在侵蚀性流体渗透过程中渗流特性随时间演化规律，实验工况中应力、渗透压等条件长时间保持不变，因此采取稳态法对岩石渗透率进行研究。

稳态法通过孔隙水压控制系统在岩石试样的两端提供稳定的渗透压差，记录渗流稳定时的渗透流量，基于经典的达西定律，利用下式可计算渗透率k的值。

(1)

式中：Q为渗透流量，cm3/s；μ为渗透流体介质的动力黏滞系数，Pa·s，根据每日测量的温度查取相应值；L为试样长度，cm；A为试样断面面积，cm2；Δp为渗透压力差，Pa。

3.1 侵蚀性流体渗透过程中石灰岩芯渗透率演化对比

图5为3种工况下岩芯归一化渗透率k′随时间的变化曲线图。从图5中可以看出，3种工况的k′在前50 h都急剧下降至约20%，变化规律相似，但是50 h后3种工况下k′的变化趋势产生差异，工况I的k′值趋于稳定，最终归一化渗透率k′约为10%；工况II和工况III实验进行到400 h,k′不能达到稳定仍不断下降，两条曲线在100 h到工况III二次加压前基本重合，加压瞬间工况III的k′值突变增大后再次下降与工况II曲线重合。分别绘制前50 h和50 h后的归一化渗透率变化速率曲线图以进一步统计归一化渗透率k′的变化规律，如图6、图7所示。

图6中3种溶液渗透作用下前50 h归一化渗透率k′变化速率曲线相似，都是先快速下降然后在小数值范围内波动。实验进行到50 h后，从图7(a)中看出工况I的k′变化速率的平均值贴近坐标轴，在零点附近进行比较对称的振动；图7 (b) 工况II的k′变化速率曲线的振动幅度逐渐减小，但大部分数值小于零，平均值为-0.065%/h；图7(c)为工况III的k′ 速率演化曲线图(排除了加压瞬间k′的变化速率3.5%/h)，平均值约为-0.043%/h，可以看出加压前后的工况III的k′变化速率规律无太大变化，虽然在-0.7%/h～0.3%/h附近振动，但是其下降速率普遍大于上升速率，所以工况III的k′演变曲线在图5中呈不断下降的趋势。

3.2 侵蚀性流体渗透过程中石灰岩芯渗出液离子浓度变化对比

低渗石灰岩岩芯在侵蚀性流体渗透作用下，孔隙上的矿物质与渗透溶液发生反应，固体物质被冲刷，溶解于渗透溶液中以离子形式跟随溶液移动；另一方面，随着矿物质的溶解，渗透溶液中离子浓度逐渐增加，在孔隙中某些位置集聚沉淀。矿物质的溶解和沉淀两种作用会引起孔隙的扩大或堵塞从而导致岩芯渗透性的变化。实验中使用的石灰岩试样的主要化学成分是碳酸钙(CaCO3)、碳酸镁(MgCO3)、少量二氧化硅(SiO2)和其他成分，所以均匀选取实验渗透溶液样本，通过测试Ca2+、Mg2+浓度对比不同侵蚀性流体渗透过程产生的效果。

图8、9分别为3种工况条件下渗出溶液Ca2+、Mg2+浓度演变曲线图，图10为渗出溶液Ca2+浓度与Mg2+浓度的比值演变曲线图。从图中可以看出，3种化学条件下0～50 h的离子浓度有剧烈变化，50 h之后趋于平稳，本文主要分析后半部分的离子浓度变化规律。3种不同化学溶液条件下收集的渗出液Ca2+、Mg2+浓度在50 h后都缓慢下降，但Ca2+、Mg2+浓度比值都基本稳定于定值。工况I渗出液中两种离子浓度和离子浓度比都低于其他工况；工况II渗出液中Ca2+浓度和离子浓度比为3种工况中最高，Mg2+浓度处于其他两种工况之间；而工况III的Mg2+浓度最高，其他两项指标的稳定值都是第2位。

图5 3种工况溶液渗透作用下k′演变曲线图图6 3种工况溶液渗透作用下前50 h变化速率演变曲线图

图7 3种工况溶液渗透作用下50 h后 变化速率演变曲线图

图8不同化学条件下渗了溶液Ca2+浓度演变曲线图图9不同化学条件下渗出溶液Mg2+浓度演变曲线图图10不同化学条件下渗出溶液两种离子浓度比值演变曲线图

4 石灰岩岩石渗透性演变机理探讨

在设计的3种工况条件下，在侵蚀性流体渗透实验中的完整石灰岩于实验进行的前50 h时，归一化渗透率和变化速率演变趋势相似，但随着时间的增加，两种渗透性指标的演变产生了不同，且不同侵蚀性渗透条件对于岩石内矿物质溶解的效果有所差别。以下是根据实验成果分析应力、侵蚀性流体渗透以及离子沉淀对岩芯的渗透率和物质溶解产生的影响。

4.1 应力条件对岩石产生的作用

上述侵蚀性流体渗透作用下石灰岩渗透实验的3种工况的初始轴压、围压和渗透压力的条件是相同的，在前50 h中呈现相似急剧下降的趋势。由于渗透率低的岩石其孔喉相对较细小，随着加压时间延长孔隙喉道相继闭合，渗透率逐渐降低。而初始渗透率低特别是低于4.6 mD的岩芯归一化渗透率随时间的下降幅度较大，在实验进行的前期下降明显而后变缓[16]，本文实验中选取的岩芯渗透性很弱，其初始渗透率分别为1.201、3.184和1.362 mD，属于应力敏感性较强的低渗透性岩芯，故实验中前50 h 3种工况的归一化渗透率急速下降是由于加压时间对于岩石的渗透率的时效性引起的。

随着时间的增加，在稳定应力作用下岩芯内孔喉的闭合逐渐完成，渗透液为蒸馏水的工况I渗透率达到稳定，而渗透溶液为化学溶液的工况II和工况III渗透率持续下降，实验后期岩芯的渗透率在增大应力条件的瞬间增加，但是经过前期的实验加载容易变形的孔喉已经闭合，应力条件对岩芯渗透性的影响减弱，所以岩芯渗透率马上恢复到加压前的渗透率变化规律继续下降；219 h时工况III的渗透压和围压同时增加了0.3 MPa，从图8～10中曲线可知，压力的增加没有影响离子浓度的变化趋势。

在侵蚀性流体渗透作用下完整石灰岩石的渗透性演化实验中，应力条件对于岩石性质的影响主要在于对其渗透率的影响，且随时间逐渐减弱，而对岩石内矿物质的溶解影响较小。

4.2 不同侵蚀性流体对岩石产生的作用

化学条件的不同能够影响岩芯的渗透性质。实验的前50 h中，3种溶液条件下岩芯的归一化渗透率和变化速率趋势相似，在后续阶段，侵蚀性流体的存在会改变岩芯的渗透性质，对岩芯渗透率的影响逐渐显现出来，渗透液为蒸馏水的渗透率能够稳定，但是渗透液为侵蚀性流体的其他两种工况的渗透率不断降低。

化学条件的不同还能够影响岩芯中矿物质的溶解效果。渗透溶液为蒸馏水的工况I在实验进行时间超过50 h后，由图10看出渗出液的Ca2+、Mg2+浓度比值约为4并保持不变，与岩芯试样中Ca2+、Mg2+的质量比值22.75有差别，这是因孔隙壁与整体矿物质组成不同引起的；当渗透溶液为pH=6的0.01mol/L硫酸钠溶液时，由于Na+可以置换Ca2+、Mg2+和其他多种离子[17]，且对于Ca2+的置换作用大于Mg2+，导致渗出液中Ca2+、Mg2+浓度都有所增大而且两种离子浓度比值的最终稳定值最大，约为10；工况III的渗透溶液为pH=6的硫酸溶液，H+会与岩芯中的碳酸钙与碳酸镁反应加速离子的溶出，所以其渗透液中的Ca2+、Mg2+浓度都高于工况I，离子浓度比值的稳定值与工况I相近。

综上所述，在本次3种工况的在侵蚀性流体渗透作用下完整石灰岩石的渗透性演化实验中，化学条件的不同会影响岩石的渗透性质，并且会在实验的后期逐渐体现；岩芯中矿物质的溶解主要与化学条件有关，从渗出液的离子浓度对比可知，溶液的酸性条件能够加强低渗石灰岩中的溶解作用，而Na+的存在会加速Mg2+特别是Ca2+的溶出。

4.3 离子沉淀对岩石产生的作用

3种化学条件下都有离子不断溶解到渗透溶液中，但是当渗透溶液中有其他离子存在时，岩芯的归一化渗透率没有随着物质的溶解增大，反而呈不断下降的趋势。根据Luquot等[18]的研究，化学渗透对低渗石灰岩的作用效果与渗透压力有关，当渗透压力较高(6～10 MPa)时，化学溶液对岩石的溶解效果较强，使岩石孔隙增大进而增加其渗透性；但是随着渗透压力的降低至0.7 MPa时，岩石中矿物质溶解后离子浓度逐渐增加并在渗径后半段形成沉淀，从而造成岩石的孔隙率降低，渗透性减小。本文实验中的3种工况的初始渗透压力都为0.5 MPa，仅工况III于实验后期加大渗透压力至0.8 MPa，因渗透压力较小，离子在渗透通道中沉淀，从而产生实验中矿物质不断溶解而岩芯的归一化渗透率不断下降的现象。

由以上分析可知，因实验中加载的渗透压力较小，渗透溶液中具有促进岩芯溶解反应的物质使溶液中离子浓度显著增加，离子无法及时运移出岩芯产生的沉淀导致了岩芯渗透率的下降。

5 结 论

根据对3组不同工况条件下长期进行的完整石灰岩石在侵蚀性流体渗透作用下的渗透性演化实验成果的整理探讨，可得到如下结论：

(1)在应力条件相同的条件下，前50 h 3种化学溶液作用下岩石的渗透率变化率都快速降低而后又在小数值波动，渗透率急剧下降，而渗透溶液为pH=6的硫酸溶液(工况III)在实验进行到219 h时实施了一次应力条件的提升，渗透率在加压瞬间有明显突变之后马上恢复到原有状态，但是岩芯中矿物质的溶解没有因应力条件的改变发生变化，应力条件由于加压时间对于岩石的渗透率具有时效性，在实验进行前期(前50 h)是影响岩石渗透率的主要因素，随着实验的进行对岩石渗透率的影响力逐渐减弱，但是其对于岩芯矿物成分溶解的促进作用较小。

(2)3种实验工况的渗出液中始终有Ca2+、Mg2+溶解，Ca2+、Mg2+的浓度都随时间缓慢减小，但是两者比值会逐渐稳定到某一定值，岩芯中矿物质的溶解主要与渗透溶液的成分有关，溶液中H+的存在能够增强低渗石灰岩中Ca2+和Mg2+的溶解作用，溶液的Na+会导致Ca2+和Mg2+浓度比值增大，溶液侵蚀性条件是影响岩石中矿物质溶解的主导因素，增加酸性条件可以加速矿物质的溶解，增加Na+能够促进岩石中Mg2+特别是Ca2+的溶出，随着实验时间的延长对岩石渗透性质的影响逐渐显现。

(3)实验过程中始终有矿物成分溶解于渗透溶液并以离子的形式流出，渗透溶液为蒸馏水时，渗透率可维持定值，但是在酸性条件(pH=6的硫酸钠溶液或硫酸溶液)下岩石的渗透率随着实验的进行逐渐降低无法保持稳定，岩芯渗透率的下降是由于当渗透溶液中具有侵蚀性成分存在时离子浓度显著增加，但是渗透压力较小使离子无法及时运移至岩芯外产生沉淀堵塞渗透孔隙所导致。

(4)本文根据3种不同工况的实验成果探讨了应力作用、侵蚀性流体渗透作用和离子的沉淀作用对低渗石灰岩芯的渗透率和物质溶解的影响，但是设计的渗透压力和应力较小，且渗透溶液呈中性或酸性，还需进一步加大应力条件以及选择其他侵蚀性溶液进行研究。

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