温度和损伤程度对砂岩渗透特性影响的试验研究

2021-05-25卜宜顺杨圣奇黄彦华

工程力学 2021年5期

卜宜顺，杨圣奇,，黄彦华

(1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏，徐州 221116；2. 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏，徐州 221116)

岩石的渗透特性与许多地下工程的稳定与安全都密切相关，例如核废料储存、二氧化碳封存、天然气的开采[1]。由于深部岩石工程环境所处的温度、应力环境与地表大不相同，对岩石的渗透特性有较大的影响，因此研究深部岩石渗透特性通常会涉及温度、应力耦合情况[2]。同时现实中岩体多半在开挖过程中由于扰动作用会引起结构变化，造成岩体不同程度的损伤，内部裂纹的闭合与扩张必然会引起岩体渗透特性发生变化[3]。因此有必要对损伤岩石在不同应力、不同温度情况下的渗透特性演化规律展开更加深入的研究。

长期以来国内外学者对这一方面进行了一系列试验和理论研究工作。彭苏萍等[4]研究了灰岩、砂岩等沉积岩变形过程中渗透率变化规律。对砂岩进行了全应力-应变过程渗透性试验，王环玲等[5]提出岩样变形破坏峰值前后的渗透压差与时间均遵循负指数关系。余缙等[6]认为砂岩渗透性演化与孔隙率分布的动态变化有关。盛金昌等[7]进行了温变试验条件下石灰岩裂隙渗透特性试验研究，试验结果表明随着温度升高，裂隙开度总体呈下降趋势，渗透率减小。梁冰等[8]基于热弹性理论，结合室内试验测试结果，导出岩石渗透率和温度之间存在正指数关系，并从理论上验证了温度门槛值的存在。部分学者研究发现，岩石渗透率试验时会出现温度阈值的情况，随着温度升高过程中试样渗透率会出现多峰性的现象[9-10]。王小江等[11]通过砂岩变形破坏过程中试验研究证明，砂岩渗透率随围压的增加而逐渐减小。彭苏萍等[12]进行了不同围压下砂岩全应力-应变孔隙渗透性规律研究，得出岩石的孔隙度和渗透率均随侧压的增大而减小，且服从对数函数变化规律。贺玉龙和杨立中[13]通过砂岩进行渗透试验研究，研究表明有效应力对砂岩渗透率主要在于对喉道的压缩作用，温度对砂岩渗透率影响主要是温度升高加剧部分矿物扩散作用以及热膨胀作用下产生的压缩效应造成的。对盐岩、破碎岩体、储层岩石和花岗岩等岩石进行的渗透试验都获得了良好的效果，研究了各类岩石渗透率变化关系[14-18]。刘亚晨等[19]通过单、正交裂隙花岗岩的试验，研究了高温度、高压下的裂隙岩体渗透特性，给出了裂隙岩体的温度-应力-水力耦合的本构关系式。这些研究表明了温度、应力对完整或者加载过程中的岩石渗透特性演化规律有较大的影响，对本身损伤岩石渗透特性研究较少，还需要进一步研究。

本文以砂岩为研究对象，首先对试样进行单轴压缩试验获取不同损伤程度砂岩试样，再通过岩石全自动气体渗透率测试试验机进行实时温度、不同围压的渗透特性试验。在讨论温度及围压对砂岩渗透特性影响的基础上，进一步分析了不同损伤程度砂岩渗透特性演化规律。

1 试验准备及试验方法

1.1 试样准备

本试验所采用的砂岩试样采自四川地区。为了保证试样的均质性以及试验结果的可信度，试样均采自同一块岩石。并按照《工程岩体试验方法标准》[20]的规定将试样加工成d×h=50 mm×100 mm 标准试样，如图1 所示。根据饱水法测得砂岩试样有效孔隙参数为8.62%，具体操作方法为：选取4 个完整试样，放入玻璃缸中，真空饱水24 h 后，对饱水试样质量每隔10 min 测量一次，当三次质量差距较小时则认为试样完全饱和。进一步将饱水后试样放入高温炉中进行干燥，干燥时间4 h，在干燥后期测量质量，当三次质量变化不大时则认为试样已经干燥，获得试样饱水以及完全干燥质量根据[21]得到砂岩的孔隙参数。不同应力损伤试样是在中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室进行相关力学试验获得的。损伤试样具体制作方式：首先选取多块砂岩进行单轴试验，获取强度参数，取平均值作为砂岩单轴破坏强度。之后分别取完整岩样进行单轴试验，在砂岩单轴峰值强度的50%、80%、90% 卸荷获得不同损伤程度试样，将试样放入密封袋中保存备用。

图 1 砂岩试样Fig. 1 Sandstone sample

1.2 试验装置

本试验制作损伤试样时均是在中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室GCTS RTX-4000 高温高压动态岩石三轴仪上进行的，如图2(a)所示[22]。该装置最大轴向荷载为4000 kN，最大围压140 MPa，轴(环)向变形测量范围为0 mm～5 mm；实时温度渗透试验使用的是自主研发的岩石全自动气体渗透率测试系统，如图2(b)所示[23]。该装置轴(围)压工作范围为：0 MPa～60 MPa，进口压力最大可达到60 MPa，温度范围为：室温～100 ℃；岩石结构显微分析使用的是KH-8700E数字式三维视频显微系统，如图2(c)所示。

图 2 试验装置[22-23]Fig. 2 Test device[22-23]

1.3 试验方案

采用以准静态法为基础改进的气体流量法，测量不同温度和应力状态下的渗透率，该方法计算公式为：

式中：k/m2为岩样气体渗透率；Qs/(m3/s) 为压力室出气端气体流量；μ/(Pa·s) 为二氧化碳气体黏度；P/MPa 为压力室进气端气体压力，取P=2 MPa；P0为大气压力(0.1 MPa)；A/m2为岩样横截面面积；L/m 为岩样长度。

为了描述损伤程度，需要定量去计算岩石的损伤程度。通过热力学知道不同方法描述的损伤变量都是等价的。考虑到岩石的变形可反映损伤程度，故采用以下方法计算不同卸荷点试样的损伤变量来定义损伤程度：

式中：D为岩样损伤变量；εe为卸荷岩样弹性应变；εt为卸荷岩样总应变；εc为卸荷岩样压密应变；应变具体取值方法如图3 所示。压密阶段位移确定方法为：将试样弹性阶段(应力-应变曲线近似直线段本文取轴向峰值应力30%～70%对应阶段)曲线反向延长后与轴向应变交点对应的应变为压密应变εc。

图 3 位移取值方法Fig. 3 Displacement value method

本试验是研究不同实时温度和损伤程度对砂岩渗透特性的影响规律，试验方案如表1 所示，具体操作如下：

1)在GCTS RTX-4000 高温高压动态岩石三轴仪上以应变控制模式(速率为0.04%/min) 对砂岩试样进行加载，分别在预定值(单轴强度的50%、80%、90%)进行卸载，获得不同损伤程度的试样。

2)将试样加入岩石全自动气体渗透率测试系统，通过压力泵预加静水压力(围压、轴压)预定值(10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa)，使围压稳定在预定值。围压稳定后，通过加温设备以及水浴箱来进行加温，加温到预定值(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃)，待温度稳定后保温1.5 h。保温过后在该温度下进行渗透试验，打开进气端阀门，施加进气端压力(P=2 MPa)，在不同试样渗透率测试过程中进气压保持恒定，观察流量计读数。测试初始阶段气体流量会发生变化，待气体流量达到稳定状态后，记录流量计示数则为气体流量Qs，获得试样不同温度下气体流量值。由于温度变化，气体黏度也在变化，根据气体黏度系数表查阅相关温度下的气体黏度μ。根据试样尺寸确定A、L，将相关数据代入式(1)，获得岩样不同温度、围压情况下渗透率。

表 1 试验方案Table 1 Test plan

3)本试验在稳定进气压后测量流量，为保证测量精确率，测量过程中需采集足够的数据点进行筛选，在本试验方案中完成一组温度但有效应力不同的方案需9 h～12 h。

2 试验结果

2.1 力学特性分析

为了避免试样有较大差异所引起的离散问题影响渗透试验结果，本次试验中对完整砂岩试样进行了两次重复试验。完整砂岩试样的应力-应变全过程曲线，如图4 所示，由图4 可见试样平均单轴抗压强度为54.15 MPa，同时可见砂岩明显的脆性破坏特征。根据图4 的应力-应变曲线可得试样相关参数如表2 所示，这其中泊松比取横向应变-轴向应变曲线上偏应力30%～70% 对应的近似直线段斜率，变形模量(E50)取应力-轴向应变曲线上峰值强度的50%所对应的点与原点之间连线的斜率。计算出抗压强度、泊松比、变形模量离散系数分别为0.56%、0.50%、9.40%，可见本次实验中所取试样有较好的一致性，可用于本次试验研究。

图 4 完整砂岩应力-应变曲线Fig. 4 Stress-strain curves of intact sandstone

图5 为不同损伤程度砂岩应力-轴向应变曲线，从图5 可见，不同应力卸荷造成的试样损伤不可恢复，即塑性变形逐渐增大，损伤在逐渐增加。从图5 获得卸荷岩样的相关应变参数，代入式(2)计算得出A-44、A-30、A-39 损伤变量分别为0.324、0.332、0.356，如表3 所示。

表 2 砂岩试样参数Table 2 Sandstone sample parameters

图 5 不同损伤程度砂岩应力-轴向应变曲线Fig. 5 Stress-axial strain curves of sandstone with different damage levels

表 3 损伤试样参数Table 3 Damaged sample parameters

2.2 微观结构分析

为了更好研究出不同损伤程度砂岩试样之间的差异，对试样进行了三维数字显微镜扫描，扫描结果如图6 所示。

不同损伤程度试样微观图片如图6 所示：砂岩试样颗粒分布随机，试样中含有较多石英晶体颗粒以及胶结物。完整砂岩试样颗粒较完整，未发现明显破碎。在损伤程度较高(D=0.332、0.356)情况下，试样中一些石英颗粒出现了穿晶破坏，使得试样内部微裂隙增加。观察试样表面并没有出现宏观裂纹，但是随着微裂纹的增加，试样形成了一系列新的微裂隙通道。另一方面损伤变量D=0.324 的砂岩试样刚过岩石起裂应力，相比较完整试样颗粒破碎程度并没有明显的增加，在压缩作用下颗粒之间连接更加紧密，并没有观察到松散颗粒。综上所述，岩石试样在峰前卸载之前的加载过程伴随着裂隙的发育，同时由于加载作用，岩石中的矿物颗粒也在不断的压缩。

图 6 试样表面微观结构Fig. 6 Microstructure of sample surface

2.3 渗透特性分析

2.3.1 渗透特性的围压效应

在孔隙压力2 MPa 条件下，通过改变围压来实现应力的控制。图7 为不同损伤试样在不同围压下渗透率变化关系曲线。

图 7 不同围压下渗透率变化关系曲线Fig. 7 Curves of permeability change under different confining pressures

由图7 可以得出，完整砂岩试样的渗透率分布在10-17m2左右，属于致密低渗介质。不同损伤程度砂岩试样的渗透率随围压增大而非线性降低，结果表明砂岩渗透率与围压之间呈现一种负增长关系，主要原因是加载过程中，岩样中喉道[13]被压缩程度在增大，颗粒之间接触更加紧密。对比不同损伤程度砂岩试样渗透率试验曲线，随着围压的增加，砂岩渗透率试验曲线斜率在减小，说明渗透率减小幅度在变缓，这一现象在损伤变量D=0.356 试样曲线中表现得最为明显。主要是因为围压的增加，岩石颗粒之间受挤压程度增加，裂隙之间构成的喉道，因为挤压作用又重新闭合。围压越大闭合程度越大，而且能被挤压的裂隙也在减少，未闭合的裂隙数目在减少，因此变化也在变缓。

图7(d) 为损伤变量D=0.356 试样渗透率受围压影响过程。在低围压向高围压过渡过程中试样渗透率出现较大的跌落，同时随着围压的增加，渗透率之间变化曲线斜率变化趋近于零，即渗透率在高围压下几乎不再减小。说明岩样内部裂隙发育程度达到较大情况下，渗透过程中围压作用下能产生的裂隙已经很少，同时由于高围压的挤压作用，渗透率几乎不再出现变化。

选取不同损伤试样(40 ℃为例)研究围压与渗透率关系，如图8 所示。不同损伤程度砂岩试样渗透率与围压关系满足幂函数。根据实验结果得出不同损伤砂岩渗透率与围压的拟合方程，如表4 所示。

图 8 渗透率与围压关系曲线Fig. 8 Relationship between permeability and confining pressure

表 4 不同损伤试样渗透率与围压拟合方程Table 4 Fitting equations of permeability and confining pressure for specimens of different damage degrees

从图8 和表4 得出，不同损伤程度试样渗透率随着围压增加逐渐降低。取其中10 MPa、30 MPa、50 MPa 围压渗透率进行分析，其中完整试样渗透率为3.44×10-17m2、1.96×10-17m2、1.46×10-17m2。D=0.324 试样渗透率为3.03×10-17m2、2.13×10-17m2、1.62×10-17m2。D=0.332 试样渗透率为3.79×10-17m2、2.32×10-17m2、1.80×10-17m2。D=0.356 试样渗透率为6.60×10-17m2、2.72×10-17m2、2.44×10-17m2。试样在10 MPa 向30 MPa 过渡阶段渗透率下降幅度要大于30 MPa 向50 MPa 过渡阶段，这是由于围压较低时颗粒被压密程度低，当围压增加到一定程度后，挤压作用更加明显导致颗粒挤压程度增加，因此在围压增加的前期，渗透率变化更加敏感。

2.3.2 渗透特性的温度效应

进一步研究不同损伤程度砂岩渗透特性的温度效应，图9 为不同损伤程度砂岩在不同温度下的渗透规律曲线。

由图9 可见，不同损伤程度砂岩渗透特性对温度敏感性具有相似的特征，温度增加与渗透率变化关系为负相关，即相同围压状态下，砂岩的渗透率随着温度的升高而逐渐降低。这主要是因为随着温度的增加岩样内部裂隙颗粒熔融，加速了腐蚀作用，使自由面的接触面增大，伴随着温度的增加，内部成分膨胀，试样裂隙开度在膨胀应力作用下逐渐减小。导致内部裂隙自由面闭合流量降低，由式(1)可见渗透率也随之降低。

对比图9 中不同损伤程度的砂岩试样渗透率，由前述可知砂岩渗透率与温度之间的关系，其中较高损伤砂岩试样随着温度增加渗透率下降得更加缓慢。说明随着损伤的加大，内部存在多条裂隙，形成多个新的通道，损伤越大的试样内部裂隙通道张开度越大，温度的增加会造成试样中一些成分出现膨胀现象，造成通道堵塞，但对于高损伤试样来说膨胀性对张开度减小作用影响很小。

2.3.3 渗透特性的损伤效应

图10 给出了砂岩渗透率与损伤关系曲线。此处以不同围压和不同温度情况下进行详细说明。

图 9 不同温度下渗透率变化关系曲线Fig. 9 Permeability curves at different temperatures

图 10 渗透率-损伤程度关系曲线Fig. 10 Permeability-damage relationship curves

从图10 可见，不同损伤程度砂岩渗透率变化随着损伤程度的增加，表现出低围压情况下先有略微下降再上升，高围压情况下逐渐上升的特征。主要是因为不同程度卸荷的试样损伤程度不同，出现裂纹数量也是各有区别，峰前50%应力卸荷损伤变量D=0.324 的试样损伤程度较小，从出现损伤到卸载过程中持续时间较短，微裂纹发育也不明显，同时加载前期的压密作用使岩石中颗粒之间接触更加紧密。而峰前80%、90%应力卸荷(损伤变量为D=0.332、0.356) 的试样损伤程度大，裂隙发育更加充分。在低围压、同一温度情况下，由于损伤较小试样裂隙产生较少同时加载过程中颗粒之间被压密，造成渗透率略低于完整试样，而对于损伤程度较大的试样，虽然加载初期颗粒被压密，但是由于损伤作用试样裂隙发育明显，形成通道数量多，表现出渗透率较大现象。在高围压、同一温度情况下，完整岩石颗粒之间被压缩得较为致密，渗透率在低围压向高围压转化情况下变化比较敏感，而不同卸荷程度试样在加载过程中都有损伤且伴随裂纹出现，对围压变化所表现出的敏感程度要低于完整岩样，因此出现了随着损伤程度增加砂岩渗透率逐渐增加的现象。

对比图10(a)～图10(d)，不同围压状态下，不同损伤试样渗透率变化有区别。低围压状况下，损伤程度较高试样(即损伤变量D=0.332、0.356 试样)之间渗透率差异较大。出现这种情况是由于相对于高围压情况，低围压情况下岩石受挤压程度较低，同时损伤程度高的试样裂隙发育更加充分。