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

(中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室,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

(中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室,湖北 武漢 430071)

通過試驗,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。試驗結果表明: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大于砂巖的;圍壓卸載過程中,泥巖和砂巖的滲透率發生不同程度的回升,但都不能恢復到原始值,砂巖滲透率的恢復程度大于泥巖的。

滲透率;圍壓;泥巖;砂巖

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

在實際工程中,巖土介質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,流體的注人都會導致巖土介質中的孔隙壓力發生變化,從而引起其有效應力的變化,而且這種變化通常并非是單調的。那么,當有效應力非單調變化時,需考慮孔隙介質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前所處的應力狀態,同時也與其經歷的應力歷史有關。

許多學者[2—13]曾采用不同的試驗手段,研究巖石滲透率隨有效應力的變化情況。黃遠智[7]等人對采自長慶油田的砂巖巖樣進行了流固藕合滲流實驗,試驗發現,巖石的滲透率與有效圍壓之間的關系可采用一元二次多項式來擬合。賀玉龍[10]等人對砂巖和人工裂隙花崗巖2種巖樣進行了圍壓升、降過程滲透率的試驗研究,發現2種巖石的滲透率均隨有效應力增加而呈負指數規律減小,但單裂隙花崗巖的滲透率對有效應力的敏感程度遠大于砂巖的,而砂巖滲透率的恢復程度則遠大于單裂隙花崗巖的,可知有效應力的變化對裂隙巖體滲透性的影響遠大于孔隙巖體的。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行了研究,發現: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系可采用冪律函數式來擬合。但這些研究絕大部分都是針對砂巖開展的,而關于泥巖的研究較少。一方面是由于砂巖從取樣到試驗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,可達幾個數量級,要準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、卸載循環試驗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 測試材料及試驗方法

1.1 巖樣制備

泥巖巖樣取自湖北省當陽市,外觀呈黃褐色;砂巖巖樣取自內蒙古鄂爾多斯,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

采用瞬態壓力脈沖法測試泥巖的滲透率,滲透介質為氮氣;采用定壓法測試砂巖的滲透率,滲透介質為水。

瞬態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),當系統在初始壓力P0下達到平衡后,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,試件內部發生一維滲流,導致上游容器內壓力逐漸下降,而下游容器內壓力逐漸上升,壓差不斷衰減,直至系統達到新的平衡狀態Pf,上、下游之間的壓差衰減為零[14]。根據壓差衰減曲線公式,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;L為試件長度;Su和Sd分別為上、下游容器的容水量。

該方法監測的是非穩態流的壓力,滲流無需達到穩定狀態,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定壓差,通過監測試樣的穩定流量,按達西定律計算巖石的滲透率。

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、計量泵、壓力計、差壓計、管路、閥門、接頭及數據采集卡等。

圖3 脈沖法滲透儀結構示意Fig.3 Sketch of the transient pulse testing system

由于所采用的ISCO計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 試驗流程

將事先加工好的巖樣放在干燥箱內烘干后,取出,稍稍冷卻。在試樣側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℃,連接好整個系統并對系統抽真空。使用計量泵對試樣施加圍壓和孔壓至預定壓力,靜置一段時間,使系統穩定。緩慢關閉上、下游聯通閥門,使上、下游斷開。若是瞬態壓力脈沖滲透測試,調節上游計量泵壓力,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,使用下游計量泵,改變下游壓力至另一恒定值,使上、下游產生一個恒定壓差,通過上、下游計量泵的泵體剩余體積來計量滲透流量。待流量穩定后,即完成第一級圍壓下的滲透率測試。然后,打開上、下游聯通閥門,調整圍壓計量泵壓力,按步驟分別完成圍壓上升過程中7級預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開始,通過調整計量泵壓力降低圍壓,分別完成圍壓下降過程中6級預定圍壓水平下試樣的滲透率測試工作。

為了驗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)下進行了滲透率的重復性測試試驗。在不同脈沖壓力下,測試共10次,測試結果如圖4所示。10次重復測試的偏差為士3%,說明滲透率測試的重復性和精度較高。

圖4 滲透率重復性測試結果Fig.4 Testing results of the permeability under different pulse pressures

2 試驗結果

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,滲透率慢慢趨于穩定;圍壓下降過程中,巖石的滲透率回升,但不能恢復到初始值。當有效圍壓從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%;當圍壓恢復至初始值時,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個數量級。圍壓升降過程中,泥巖滲透率的變化范圍達3個數量級。相比之下,圍壓加載過程中,泥巖滲透率下降的程度遠大于砂巖的,說明泥巖的滲透率對有效應力更加敏感;而圍壓卸載過程中,砂巖滲透率的恢復程度則遠大于泥巖的。

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力敏感性的差異是因為它們不同的孔隙結構。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Berea砂巖CT掃描結果[14]可知,圍壓上升過程中滲透率的降低是因為應力作用下顆粒發生相對移動,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部的微裂隙,如圖7所示。在有效應力的作用下,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。可以說,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,砂巖滲透率的恢復程度遠大于泥巖的。

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

4 結語

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,滲透率逐漸穩定。圍壓上升過程中滲透率降低是因為圍壓的增加導致巖樣逐漸產生壓縮變形。

2)圍壓下降過程中,滲透率不能恢復到原始值是因為圍壓加載過程中巖樣發生了塑性變形,這部分變形在圍壓卸載過程中不能恢復,變形的不可完全恢復性導致滲透率的不可完全恢復性。

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的程度則遠大于泥巖的。這主要源于應力作用下不同的巖石變形機理:泥巖在應力作用下產生壓縮變形是因為內部小孔喉和微裂隙的閉合,而砂巖則是因為顆粒發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

國家自然科學基金項目(41172285)

曾志妓(1982—),女,中國科學院武漢巖土研究所博士生。