盐岩巴西劈裂损伤愈合特性实验研究

2020-06-05姜德义蒋昌奇康燕飞

工程科学学报 2020年5期

姜德义，蒋昌奇，陈结✉，康燕飞，刘伟，杜超

1) 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044 2) 重庆大学资源及环境科学学院，重庆 400044

随着我国经济的不断发展，对能源的需求不断增加.为了满足能源安全与能源调峰等的需求，我国在江苏金坛率先建立了一批盐穴储库.截止2017年，中盐金坛已经有近30个盐穴用于储存天然气，总储量达到了1.1亿立方米[1].另外，由于盐岩在我国大量赋存，每年采盐都会形成大量的溶腔，不仅有引发地表沉降等地质灾害的危险，也浪费了大量的地下空间.研究表明，盐岩具有低孔低渗的特性和良好的稳定性，是储存石油、天然气、放射性废弃物等的理想场所[2-4].不管是哪种地下储库，在开挖建设中，不可避免的会对围岩产生扰动并在腔体周围形成开挖扰动区（EDZ）[5].相比与其他地下储库，盐岩的自愈合特性使得盐穴可以自发地修复损伤，从而降低渗透率并提高稳定性.因此，大力发展盐穴储库的建设有助于变废为宝，合理利用地下空间.

国外对盐岩损伤愈合的研究起步较早，已经取得了一定的成果.在损伤愈合的机理方面，现在主要提出了三种，一是Chan等[6]提出的盐岩通过弹性变形、塑性流动等纯粹的机械作用，使得裂隙闭合、强度恢复，产生愈合效果；二是Smith和Evans[7]、Urai等[8]、Cinar等[9]提出的由于表面能降低驱动的扩散导致愈合，这使得盐岩裂隙发生颈缩，最终形成一个个孤立的管道或球状流包体，从而减低渗透率并提高强度；三是Peach等[10]、Ter Heege等[11]提出的通过再结晶作用产生新的晶体，通过晶界迁徙实现裂隙的愈合.Houben等[12]研究了盐岩裂隙表面的吸附水膜，并通过观察其干涉条纹来表征裂隙尖端的迁移，构建了吸附水膜厚度与裂隙尖端迁移的数学模型，发现吸附水膜的厚度与裂隙尖端迁移速度呈正相关.Zhu和Arson[13]基于连续损伤力学，提出了盐岩的损伤愈合模型，模拟了包括拉伸加载、压缩卸载、蠕变愈合及在加载路径，预测了随时间和温度增加的愈合效率.Koelemeijer等[14]通过测量带有吸附水膜的盐岩裂隙表面阻抗，研究了盐岩晶体表面扩散率随湿度的变化关系，湿度越大、盐岩裂隙水膜的厚度越厚，使得盐岩晶体的裂隙表面扩散率越大.

相比之下，国内关于盐岩的研究主要集中在盐岩的物理力学性质方面[15-17]，对盐岩自愈合的研究起步较晚，相关成果较少.康燕飞等[18]研究了不同温度条件下恢复的盐岩的力学性质和声发射特性，发现损伤恢复盐岩的单轴抗压强度随着温度升高而增强.姜德义等[19]对剪切损伤盐岩的损伤愈合效果进行了评估，指出以7 d为界，盐岩的损伤愈合分为长期和短期，7 d以内盐岩的强度恢复较快.梁卫国等[20]研究了高温再结晶对剪切损伤盐岩的影响，发现随温度升高盐岩试件的剪切强度升高，内摩擦角增大但黏聚力恢复不明显.向高等[21]研究了不同围压和保压时间对盐岩损伤愈合的影响，认为在一定范围内，围压和保压时间对盐岩愈合都有促进作用，围压越大，盐岩快速恢复阶段所需的时间越短，强度恢复越快.

以上研究从机理和现象的方面揭示了盐岩的损伤愈合特性，为盐岩损伤愈合特性的研究起到了引导作用，其中国外主要研究愈合的细观机理，国内着眼于愈合的宏观表现，但之前的实验主要以力学强度作为损伤愈合判断的依据，而实验中由于应变硬化等的影响，难以真实反映盐岩的损伤愈合情况.因此，本文设计了巴西劈裂盐岩的愈合实验，以渗透率的变化作为盐岩损伤愈合判断的依据，同时在无应力条件下愈合防止了单纯压密作用带来的影响.实验研究了损伤盐岩在不同时间和湿度的损伤愈合规律.并通过扫描电子显微镜（SEM）对愈合后的试样进行观察，总结了盐岩损伤愈合的细观规律，希望为盐岩损伤愈合特性对盐岩溶腔的稳定性影响提供实验理论依据.

1 实验条件与方法

1.1 实验设备与条件

本次试验使用的是AG-250KN IS型电子精密材料试验机配合模具进行巴西劈裂加载，试验机最大轴向荷载为250 kN，加载速率范围为0.0005～1000 mm·s-1.渗透率测试使用的是重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主研发的岩心孔渗自动测定仪，具体见图1.

图1 实验设备Fig.1 Experimental facilities

1.2 试样制备

本次试验采用的是取自巴基斯坦某盐矿的高纯度天然盐岩，其中NaCl质量分数大于98%.将试件打磨成直径50 mm，高25 mm的圆柱体，试件两端面的不平整度小于0.05 mm，端面与试件轴线垂直，偏差小于0.25°，符合岩石力学试验规范的要求，加工好的试件如图2所示.

图2 实验试件Fig.2 Experimental specimens

1.3 实验方案

湿度和时间都是影响盐岩损伤愈合的重要因素，为了研究盐岩在不同时间和湿度下的损伤愈合效果，制定了以下的实验步骤.

①首先取盐粉于烘干箱中，在105 ℃下烘干72 h，然后将烘干的盐粉加水配成0%、3%、6%、9%、12%和15%含水率的湿润盐粉，其中盐粉含水率=（水的质量/干盐粉的质量）×100%，用以提供盐岩愈合的不同湿度环境.

②将之前制备的标准试件进行巴西劈裂实验至刚好破坏，形成盐岩初始破坏损伤，其实验加载速率为5 kN·min-1.通过岩心孔渗自动测定仪（围压设置为5 MPa）测量损伤后试件的渗透率作为愈合前的渗透率.

③将完成测量后的试件分为6组，分别放入不同含水率的盐粉中愈合，在7、15、30、60和120 d取出试件，详见表1.需要说明的是，为了维持盐岩愈合的湿度环境，每天称量湿盐粉的质量进行补水，维持湿度恒定不变.

④为防止水分堵塞孔隙造成渗透率测值偏小，将取出的试件放入烘干箱中烘干24 h，随后在5 MPa的围压下测量其渗透率记录为愈合后渗透率，为了避免烘干过程对后续愈合过程的影响，每个时间点采用一个全新的试件进行测试，通过对比试件愈合前后渗透率的变化，研究时间和湿度对盐岩损伤愈合的影响.

表1 实验方案Table 1 Experimental scheme

2 实验结果及分析

2.1 相关参数及实验结果

在盐穴地下储库安全性研究中，密闭性是一个重要的因素，保障储气库不泄露，对盐穴储库的密闭性评价有重要意义[22].因此，本次实验中以氮气测试的盐岩渗透性来表征盐岩的损伤愈合程度.需要说明的是：实验所用盐岩的初始渗透率小于1×10-20m2，损伤渗透率为0.8×10-15～4×10-15m2，由于其初始渗透率远远小于损伤渗透率，因此近似地将初始盐岩视为不渗透.

在本次试验中，使用损伤面积来表达损伤变量，将任意时刻的盐岩剖面面积A分为未破坏部分Aud，损伤后未愈合部分Auh和愈合部分Ah，即：

其中，由于初始盐岩被视为不渗透，即完整无损伤，所有损伤部分均来自实验中巴西劈裂拉伸破坏.Ad为损伤部分的面积，为巴西劈裂实验造成的损伤.

定义损伤为D，表示损伤部分占总面积的比例；定义愈合程度为H，表示愈合部分占损伤部分面积的比例，即：

考虑损伤盐岩愈合前后渗透率的变化，可以得出：

其中，Kpd为盐岩愈合后测得渗透率，Kp为盐岩愈合前测得渗透率.

联立（1）～（3）式，可以得到盐岩的损伤愈合程度H为：

其中，H为愈合度，表征盐岩损伤愈合效果的好坏，在本文中，是指在盐岩损伤愈合实验中，假定盐岩初始无损伤，全部损伤都是实验引发的前提下，盐岩的损伤中愈合的部分占总损伤的比例.

实验结果如表2所示.

2.2 湿度条件对盐岩自愈合效果影响分析

根据盐岩损伤愈合的机理，不管是扩散效应还是再结晶作用都需要水的参与.因此，研究湿度对盐岩损伤愈合的效果影响是有必要的.

表2 自愈合实验结果Table 2 Experimental results of self-healing

通过实验，结果如图3所示.

图3 不同时间点盐岩含水率与损伤愈合度关系图Fig.3 Moisture content-healing degree curves of salt rock damage healing under different time points

根据图3可以看出，在任何一个时间点上，随着湿度的增加，盐岩的损伤愈合效果逐渐增强，渗透率逐渐减小.这是由于盐岩损伤愈合过程中，裂隙尖端的闭合及再结晶作用都依赖表面水膜的运输作用，湿度越大，则表明水分越充足.根据Houben等[12]的研究，发现裂隙尖端的移动速度与吸附水膜的厚度呈正相关.也就是说，较大的湿度能使裂隙表面产生更厚的吸附水膜，从而加快裂隙表面的物质运输，加快盐岩的损伤愈合速度.

同样，从图3中可以看到，在含水率为0%的盐粉中愈合的损伤盐岩从7 d到120 d的愈合度都很小，最大只有3.04%，甚至出现了负数.这是由于在无水环境中愈合的损伤盐岩，无法形成吸附水膜进行物质运输，使得愈合度基本为0.同时，实验中不可避免地存在着一些测试误差，使得这批损伤盐岩的愈合度在0左右波动，因此出现了负数.

另外，盐岩的损伤愈合速率能有效表征盐岩损伤愈合的快慢[23]，盐岩的损伤愈合度增长率如图4所示，该曲线表示盐粉含水率与愈合度关系拟合曲线的斜率（增长率）.

图4 不同时间点盐岩含水率与损伤愈合度增长率关系图Fig.4 Moisture content-healing degree growth rate curves of salt rock damage healing under different time points

从图4中可以看到，盐岩的损伤愈合度增长率随含水率的增加而快速下降，在含水率为9%处增长率基本小于1%.相对比下，时间越长，其初始增长率越大但不明显.对比各个湿度的盐岩损伤愈合效果实验数据可以发现，从0%到3%，盐岩的损伤愈合效果提高较多，提高了65.66%～89.16%.而从3%到15%，盐岩的损伤愈合效果提高较少，只提高了7.43%～25.74%.这是由于在0%含水率的盐粉包裹下，损伤试件没有水的支撑，无法形成吸附水膜，也就无法进行物质转移，扩散效应和再结晶作用都基本没有发生，因此这批试件的损伤愈合效果基本为0.而只要存在着较少的水分，损伤盐岩便可以形成吸附水膜进行物质运输，仅仅3%的含水率使得盐岩的愈合度大幅度提高，证明了水分对于盐岩损伤愈合的重要性.然而，由于裂隙本身宽度较小，加上表面张力的限制，吸附水膜的厚度无法无限制地增长，可以看到，从3%到15%，增加的湿度对于愈合度的增长影响已经减弱，证明损伤盐岩中的吸附水膜已经基本达到极限，再增加湿度难以进一步促进愈合效果.

2.3 时间条件对盐岩自愈合效果影响分析

除了湿度，时间同样是影响盐岩损伤愈合效果的重要因素，时间与愈合度关系如图5所示，其增长率如图6所示，该曲线表示时间与愈合度关系拟合曲线的斜率（增长率）.

图5 不同含水率盐岩损伤愈合时间与愈合度关系图Fig.5 Time-healing degree curves of salt rock damage healing under different moisture contents

图6 不同含水率盐岩损伤愈合时间与愈合度增长率关系图Fig.6 Time-healing degree growth rate curves of salt rock damage healing under different moisture contents

结合图3和图5可以看到，除了在含水率为0%的盐粉中愈合的盐岩试件，其他盐岩的损伤愈合效果随着时间的增长逐渐增强.湿度越大，初期的愈合效率越高，愈合度的增大在前15 d的时间内速度较快，在15 d到30 d速度逐渐降低，30 d到120 d基本没有继续增大.

从图6中可以更直观地看到，随着时间的增加，盐岩的损伤愈合度增长率呈指数下降，在30 d的时间点上已经小于1%，表明之后的时间里盐岩的损伤愈合很少.这是由于在刚开始损伤愈合的15 d内，由于加载损伤，损伤盐岩存在着较多的微裂隙并积累了较多的内应力，在扩散效应和再结晶作用的影响下，微裂隙逐渐闭合，使得损伤盐岩渗透率降低.而在30 d到120 d的时间段里，由于损伤盐岩的内应力基本释放完毕，微裂隙基本闭合，剩下的都是较大的张开裂隙，在没有施加压力的情况下，这些裂隙的愈合是十分困难的，因此表现出这段时间基本没有继续愈合.

3 盐岩损伤愈合细观研究

为了更好地理解盐岩的损伤愈合，有必要对盐岩的损伤愈合细观机理进行研究.本次实验在已有理论的基础上，通过扫描电子显微镜（SEM）对损伤愈合盐岩进行扫描，探究了盐岩损伤愈合的细观机理.

通过电镜观察，发现了如下的几种愈合结构：

（1）宽裂隙内部的重结晶愈合，如图7所示.从图中可以看到，宽裂隙内部存在着大量的重结晶晶体，形成了一片表面凹凸不平的愈合结构.根据Houben等[12]的研究，这是由于盐岩在有水环境中愈合时，在表面能降低的驱动下，盐岩不断溶解并通过吸附水膜运输，最终在裂隙底部重结晶逐渐填充裂隙，形成了图中的愈合结构.通过这个愈合结构的作用，盐岩裂隙两端被连接在一起，使得整体上体现为强度增加，渗透率降低.

（2）窄裂隙表面的覆盖愈合，如图8所示.从图中可以看到，窄裂隙表面存在着一些杂乱的网状结晶愈合结构.这是由于在盐岩损伤破坏后，裂隙周围的破碎晶体在水的作用下，通过溶解结晶的方式向裂隙中心流动，最后相互连接，形成了图中所示的网状结构.由于这种结构的存在，裂隙被粘连在一起，提高了盐岩的强度.同时，愈合结构堵塞了裂隙，使得渗透率降低.

（3）宽裂隙中部的结晶愈合，如图9所示.从图中可以看到，裂隙中部存在一个凸起的结构连接了裂隙两端.根据刘剑兴[24]的研究，这是由于该处存在着杂质或结构缺陷等因素，大大降低了成核的能量位垒，使得该处优先于其他地方发生了非均匀成核，最终成核生长形成了连接裂隙的结晶愈合结构.从而降低了裂隙的连通性，使得强度增加，渗透率降低.

图7 宽裂隙内部重结晶愈合Fig.7 Internal recrystallization of wide cracks healed

图8 窄裂隙表面覆盖愈合Fig.8 Surface coverage of narrow cracks healed

图9 宽裂隙非均匀成核结晶愈合Fig.9 Nonuniform nucleation in the middle part of large cracks healed

从图7、图8、图9可以看到，虽然愈合结构的形貌各不相同，但都是由于扩散效应引起的重结晶形成的.这是由于本次实验中既没有施加压力闭合需要的外部压力，又缺少再结晶作用需要的高温环境，而水分的存在使得盐岩发生了扩散愈合，扩散效应导致的愈合是本次实验中盐岩损伤愈合的主导因素.通过扩散重结晶，愈合结构连接了裂隙两端并降低了裂隙连通性，这就是愈合后测得渗透率大幅度降低的原因.