損傷層狀鹽巖蠕變-滲透的流固耦合實驗研究

萬文，王敏，趙延林(1.湖南科技大學 土木工程學院，巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，41101；.湖南科技大學 能源與安全工程學院，煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，41101)

損傷層狀鹽巖蠕變-滲透的流固耦合實驗研究

萬文1,2，王敏2，趙延林2
(1.湖南科技大學 土木工程學院，巖土工程穩定控制與健康監測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，411201；
2.湖南科技大學 能源與安全工程學院，煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，411201)

以湖北云應鹽礦地下600~700 m含泥巖夾層的氯化鈉鹽巖試件為研究對象，進行層狀鹽巖的蠕變-滲透試驗。研究結果表明：單軸壓縮條件下層狀鹽巖的衰減蠕變、定常蠕變階段顯現，定常蠕變率保持在7.05×10-6/d左右；在定常蠕變階段，鹽巖層微裂隙穩定擴展，鹽巖層與泥巖夾層蠕變特性的差異誘發鹽巖-泥巖夾層出現剪切損傷破裂，這種層狀鹽巖的蠕變破裂為滲流提供了通道；未擾動的層狀鹽巖致密，滲透性差，而蠕變損傷狀態下的層狀巖鹽透氣系數呈數量級增加，而且滲透性能的流固耦合效應十分顯著，滲透系數隨體積應力與滲透壓的變化而發生變化，定常蠕變階段損傷層狀巖鹽的滲透系數k與有效體積應力Θe遵循負指數函數規律，其流固耦合方程為：k=2.046 2×10-10exp(-0.061Θe)，這可對層狀鹽巖油氣儲庫的滲漏安全評價提供參考。

層狀巖鹽；流固耦合；蠕變損傷；滲透實驗

能源地下儲存一般放置在鹽巖、大理巖等密實、非滲透性的深層地下巖層中。鹽巖具有良好的蠕變、低滲透率及損傷自我恢復特性，因而被認為作為能源儲存和高放射核廢料永久處置的最理想介質[1-3]。正因為鹽巖在環境工程和能源工業具有重要大的研究價值和應用背景，許多發達國家已建大量的鹽巖地下儲氣(油)庫，用于國家戰略能源儲備和商業油氣儲備，并建立了一整套能源地下儲存、成熟的關鍵技術和指標規范。我國的地下鹽巖資源十分豐富，分布范圍廣，但我國鹽巖儲層條件比較特殊，我國鹽巖礦層的基本特點是鹽巖層數多、單層厚度薄、不可溶性夾層眾多[4-6]。層狀鹽巖中內建造鹽穴油氣儲庫一項艱巨的巖石工程，它比厚鹽丘內建造油氣儲庫涉及的力學和技術問題更復雜[7-16]，不僅要考慮巖鹽礦體溫度敏感的流變性、溶腔的蠕變收斂性、礦柱及蓋層的穩定性，而且要充分考慮層狀鹽巖的滲透性。層狀鹽巖的滲透率以及滲透性隨溫度、壓力狀態的變化是評價儲庫長期穩定性的前提。人們對層狀鹽巖的短期與長期力學特性進行了大量的研究，如：卻保平[17]對層狀鹽巖溫度應力耦合作用蠕變特性進行了研究；楊春和等[18]進行了層狀鹽巖力學特性試驗研究及其理論分析。目前人們對層狀鹽巖的滲透特性研究很少。層狀鹽巖油氣儲庫在運行過程中，圍巖處于定常蠕變階段，對定常蠕變狀態的層狀鹽巖的滲透性能需進行深入研究。本文作者對湖北云應鹽礦地下600~700 m的層狀鹽巖試件進行層狀鹽巖的蠕變-滲透試驗，并得到定常蠕變狀態下層狀鹽巖透氣系數與有效體積應力相關的流固耦合方程。

1　層狀巖鹽蠕變試驗

圖1所示為在=σ13.4 MPa應力下，蠕變時間t=125 d時，層狀鹽巖3號試件的蠕變試驗曲線，在此應力水平下，層狀鹽巖的衰減蠕變階段、定常蠕變階段顯現。衰減蠕變階段歷時約為17 d，定常蠕變階段持續較長，定常蠕變率保持在7.05×10-6/d左右。從圖1可看出：層狀鹽巖的衰減蠕變階段較短，而蠕應變主要發生在此階段，定常蠕變階段較長。受時間限制，未對加速蠕變階段進行實驗。

圖1　層狀鹽巖3號試件蠕變曲線Fig.1　Creep curve of No.3 bedded salt rock specimen

層狀鹽巖的軸向蠕變應變來自2部分：一部分為純鹽巖部分的蠕變，另一部分為泥巖夾層蠕變。純鹽巖蠕變率高于泥巖夾層的蠕變率，同時橫向應變大于泥巖夾層的橫向應變。因此，層狀鹽巖的蠕變應變、蠕變率介于純鹽巖與泥巖夾層之間；層狀鹽巖的蠕變呈明顯的非線性關系。

鹽巖是一種典型的晶質軟巖，鹽巖晶粒粒度為3~10 mm，為晶粒形狀組構。巖鹽晶粒在形態上呈不規則的、分裂的、粗糙的鋸齒狀。圖2(a)所示為氯化鈉鹽巖的光學干磨像。從由圖2(a)可以看出：巖鹽晶粒致密，晶粒間存在晶間弱面，但未見明顯的節理裂隙發育。這是鹽巖低滲透性的物理原因。

巖鹽晶體中存在易于劈裂的解理面，在外力作用下很容易沿平行于解理面的平面裂開成立方體，氯化鈉巖鹽一般在蠕變初期就能形成微裂隙，逐漸發展，在穩態蠕變階段微裂隙穩定擴展。由于鹽巖層與夾層蠕變特性的差異導致鹽巖與夾層互層產生剪切破裂。圖2(b)所示為蠕變損傷后層狀鹽巖的局部放大像。由于在層狀鹽巖內部，純鹽巖與泥巖夾層之間變形不協調，產生剪應力，使純鹽巖和泥巖夾層之間產生剪切破壞；隨著時間增加，剪切破壞越來越劇烈，從而導致整個鹽巖體出現多重剪切破壞，使鹽巖體內裂隙增多，剪切破壞的網格大量增加。蠕變導致層狀鹽巖裂隙發育、層間破裂，進而為流體滲流提供了通道。

圖2　蠕變前后層狀鹽巖試件細部對比Fig.2　Detailed comparison of bedded rock salt specimen before and after creep

蠕變持持續時間t=125 d后，卸去軸壓，試件靜置7 d，將試件的環表面重新加工打磨，進行蠕變損傷狀態的層狀鹽巖氣測滲透實驗。

2　蠕變損傷層狀巖鹽氣測滲透試驗

巖鹽滲透率極低，GIRAUD等[19-20]進行了大量研究，結果表明未擾動態下純質巖鹽的滲透率為10-16~ 10-20m2，而在下列2種情況下滲透率會提高：1)巖鹽發生了力學損傷(如體積擴容，礦體開采)，由于應力偏量造成微裂紋張開，晶體顆粒位錯；2)鹽巖層中的存在泥巖等非鹽質夾層。STORMONT[21]發現在溶腔壁附近巖鹽和泥質石膏巖的互層處的滲透率比巖鹽的滲透率要高若干個數量級。本試驗的目的是研究經歷蠕變損傷后層狀鹽巖的氣測滲透系數。

2.1氣測滲透試驗

對標國外先進技術，渤海裝備目前已先后完成中國石油集團公司科研項目6項，專利申報26項，技術攻關48項，為產品升級換代、適應用戶新的更高要求提前做好技術儲備。

為研究蠕變損傷狀態層狀鹽巖的滲透性能，在三軸滲透儀MDS-200上開展蠕變損傷狀態層狀鹽巖氣測滲透實驗[22]。圖3所示為三軸滲透儀MDS-200裝置示意圖，實驗氣體采用N2，實驗步驟如下：

1)將蠕變損傷狀態層狀巖鹽巖樣置入三軸應力滲透儀內，施加軸壓；保持軸壓不變，施加圍壓。

3)保持一定時間，利用排水法反復測量流量，記下流量和壓力。

4)逐步改變軸壓和圍壓，重復上述步驟。

圖3　三軸滲透儀MDS-200裝置示意圖Fig.3　Device schematic of triaxial permeameter of MDS-200

2.2實驗結果及分析

以進口壓力p=4.5 MPa，軸壓1σ=13 MPa，圍壓2σ分別為6.0，7.5，9.0，10.5 MPa這4種情況為例研究蠕變損傷層狀巖鹽滲透特性的流固耦合效應。表1所示為上述4種情況下不同時段內出口氣體流量統計結果。不同圍壓下氣體滲透蠕變損傷層狀鹽層的流量見圖4。從表1可以看出：各時段內氣體流量上下波動。對出口氣體流量求平均，得到不同圍壓下氣體滲過層狀鹽巖(蠕變損傷狀態下)的流量Q。表1和圖4都顯示了在一定軸壓下，隨著圍壓的增加，氣體流量呈非線性減少。

2.3滲透系數計算

由于氣體的可壓縮性，在巖芯中沿長度L方向，每個斷面的壓力不同，因此，進入巖芯的氣體體積流量在巖芯上是變化的，與出口氣量也不相等，而是沿著壓降的方向不斷膨脹、增大，此時需要采用達西公式的微分形式來計算。假定氣體在巖心所發生的膨脹是等溫過程，按達西定律，其透氣系數計算公式為

表1　不同圍壓下不同時段出口氣體流量Table 1　Export gas flow under different confining pressures

圖4　不同圍壓下氣體滲透蠕變損傷層狀鹽巖的流量Fig.4　Flow diagram of gas penetrating bedded rock salt at creep damage state under different confining pressures

式中：q為流速；k為滲透系數；p為孔隙壓力；x為試件長度。當氣體以流速q通過一定面積A時，得到一定時間內的流量：

得到氣體滲過巖芯的流量為

設Q0為p0=1×105Pa時的流量，有

比較式(4)和式(5)，得滲透系數為

式中：p1為試件入口壓力；p2為試件出口壓力；A為試件截面面積；L為試件長度。表2所示為不同應力狀態、不同孔隙壓下，蠕變損傷層狀巖鹽巖芯的滲透系數實驗結果。

表2表明：1)在一定體積應力Θ下，隨著孔隙壓p增加，滲透系數k隨之增大；2)在一定孔隙壓p下，隨體積應力Θ增加，滲透系數k增大。圖5所示為Θ=18 MPa時，滲透系數k隨著孔隙壓p的變化曲線；圖6所示為p=4.5 MPa時，滲透系數k隨體積應力Θ的變化曲線。

表2　不同應力狀態、不同孔隙壓下滲透系數實驗結果Table 2　Experimental results of permeability coefficient at different stresses states and different pore pressures

圖5　滲透系數k隨孔隙壓力p的變化曲線Fig.5　Change curve of permeability coefficient k along with pore pressure p

未擾動的層狀鹽巖是致密的，其孔隙度特別小，滲透性差。但蠕變損傷狀態層狀鹽巖不再致密，蠕變導致其內部產生許多細小劈裂裂隙，這些裂隙構成了流體滲流通道，它們在外部荷載作用下會發生改變。在孔隙壓不變的情況下，隨著體積應力的增大，巖體發生收縮變形，其內部的孔隙和裂隙張開度會減小，有的孔隙、裂隙會閉合，使層狀鹽巖的微觀結構發生變化，導致流體的滲流通道減少，滲透系數隨之減小；當體積應力不變時，隨著孔隙壓增大，巖體內的孔隙擴張，裂隙張開度增大，流體流通增多，流體單位時間內的流量增大，其滲透系數隨之增大；當體積應力和孔隙壓都改變時，其滲透系數就是這2種應力綜合作用的體現，滲透系數k與有效體積應力Θ可按指數規律擬合：

圖6　滲透系數k隨著體積應力Θ的變化曲線Fig.6　Change curve of permeability coefficient k along with volume stress Θ

式中：k0為有效應力Θe=0時的滲透率；Θe為有效體積應力；γ為擬合常數。有效體積應力由下式給出：

式中：Θc為體積應力；α為等效孔隙壓系數。COSENZA等[2]研究發現在巖鹽擾動區(DRZ)損傷的巖鹽中α=0.5~0.7。本次實驗擬合的結果為

圖7所示為蠕變損傷層狀巖鹽的滲透系數k與有效體積應力Θe的關系擬合曲線。

圖7　蠕變損傷層狀巖鹽滲透系數k-有效體積應力Θe關系曲線Fig.7　Relation curve of permeability coefficient and effective volume stress for bedded salt rock at creep damage state

3　結論

1)單軸壓縮條件下層狀鹽巖的衰減蠕變、定常蠕變階段顯現，定常蠕變率保持在7.05×10-6/d左右。在定常蠕變階段，鹽巖微裂隙穩定擴展，鹽巖層與泥巖夾層蠕變特性的差異誘發鹽巖-泥巖夾層出現剪切損傷破裂，進而為流體滲流提供了通道。

2)蠕變損傷狀態下層狀鹽巖滲透性能的流固耦合效應十分顯著，其滲透系數隨體積應力與滲透壓的變化而發生改變。本次實驗耦合結果為：k=2.046 2× 10-10exp(-0.061Θe)。

3)未擾動的層狀鹽巖致密，滲透性差。而蠕變損傷狀態下的層狀巖鹽滲透系數呈數量級增加。這一實驗現象對層狀鹽巖油氣儲庫的滲漏安全評價有參考價值。

[1]吳文,楊春和,侯正猛.鹽巖中能源(石油和天然氣)地下儲存力學問題研究現狀及其發展[J].巖石力學與工程學報,2005, 24(增2):5561-5568. WU Wen,YANG Chunhe,HOU Zhengmeng.Investigations on studiedsituationsassociatedwith mechanical aspects and development for underground storage of petroleum and natural gas in rock salt[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(Suppl 2):5561-5568.

[2]COSENZA M,GHOREYCHIA M,BAZARGAN-SABET B, et al.In situ rock salt permeability measurement for long term safety assessment of storage[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1999,36(4):509-526.

[3]譚羽非,陳家新.國外鹽穴地下儲氣庫的建設及研究進展[J].油氣儲運,2001,20(1):6-8. TAN Yufei,CHEN Jiaxin.The construction and development of foreign underground gas storage caverns in salt formations[J]. Oil&Gas Storage and Transportation,2001,20(1):6-8.

[4]李建中.我國建設鹽穴地下儲庫工程的可行性[J].巖石力學與工程學報,2002,21(增):2254-2256. LI Jianzhong.Feasibility of underground salt cavern storage[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002, 21(Suppl):2254-2256.

[5]劉飛.建設鹽穴型地下儲庫儲存碳氫化合物的安全要求[J].天然氣工業,2004,24(9):139-141. LIU Fei.Security of underground salt caverns as hydrocarbon storages[J].Natural Gas Industry,2004,24(9):139-141.

[6]尹雪英,楊春和,陳劍文.金壇鹽礦老腔儲氣庫長期穩定性分析數值模擬[J].巖土力學,2006,27(6):868-874. YIN Xueying,YANG Chunhe,CHEN Jianwen.Numerical simulation research on long-term stability of gas storage in Jintan Salt Mine[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(6): 868-874.

[7]劉飛,宋桂華,李國韜,等.含有夾層的薄鹽層中鹽穴儲氣庫運行壓力的確定[J].天然氣工業,2004,24(9):133-135. LIU Fei,SONG Guihua,LI Guotao,et al.Determination of operating pressure for gas storage with salt caves in thin salt beds with inter-beds[J].Natural Gas Industry,2004,24(9): 133-135.

[8]趙延林.層狀巖鹽儲庫氣體滲漏固氣耦合模型及儲庫穩定性研究[D].太原:太原理工大學礦業工程學院,2006:21-65. ZHAO Yanlin.Study on the solid and gas coupling model of gas seepage in layered rock salt storage and the stability of storage[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2006: 21-65.

[9]張強勇,劉德軍,賈超,等.鹽巖油氣儲庫介質地質力學模型相似材料研制[J].巖土力學,2009,30(12):3581-3586. ZHANG Qiangyong,LIU Dejun,JIA Chao,et al.Development of geomechanical model similitude material for salt rock oil-gas storage medium[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(12): 3581-3586.

[10]楊春和,李銀平,屈丹安,等.層狀鹽巖力學特性研究進展[J].力學進展,2008,38(4):484-494. YANG Chunhe,LI Yinping,QU Dan’an,et al.Advances in research of the mechanical behaviors of bedded salt rocks[J]. Advances in Mechanics,2008,38(4):484-494.

[11]徐素國,梁衛國,莫江,等.軟弱泥巖夾層對層狀鹽巖體力學特性影響研究[J].地下空間與工程學報,2009,5(5):878-883. XU Suguo,LIANG Weiguo,MO Jiang,et al.Influence of weak mudstoneintercalatedlayeronmechanicalpropertiesof laminated salt rock[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009,5(5):878-883.

[12]李銀平,施錫林,楊春和,等.深部鹽礦油氣儲庫水溶造腔控制的幾個關鍵問題[J].巖石力學與工程學報,2012,31(9): 1785-1796. LI Yinping,SHI Xilin,YANG Chunhe,et al.Several key problems about control of solution mining for oil/gas storage in deep salt mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(9):1785-1796.

[13]李二兵,譚躍虎,段建立,等.層狀鹽巖夾層楊氏模量對儲存庫穩定性影響研究[J].地下空間與工程學院,2014,10(增2): 1842-1847. LI Erbing,TAN Yuehu,DUAN Jianli,et al.Effect of change of inter bed Young’s modulus on the stability of underground storagecaverninbeddedsalt[J].ChineseJournalof UndergroundSpaceandEngineering,2014,10(Suppl2): 1842-1847.

[14]唐明明,王芝銀,丁國生,等.含夾層鹽巖蠕變特性試驗及其本構關系[J].煤炭學報,2010,35(1):42-45. TANG Mingming,WANG Zhiyin,DING Guosheng,et al.Creep property experiment and constitutive relation of salt-mudstone inter layer[J].Journal of China Coal Society,2010,35(1): 42-45.

[15]王軍保,劉新榮,郭建強,等.鹽巖蠕變特性及其非線性本構模型[J].煤炭學報,2014,39(3):445-451. WANG Junbao,LIU Xinrong,GUO Jianqiang,et al.Creep properties of salt rock and its nonlinear constitutive model[J]. Journal of China Coal Society,2014,39(3):445-451.

[16]梁衛國,徐素國,趙陽升,等.鹽巖蠕變特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(7):1386-1390. LIANGWeiguo,XUSuguo,ZHAOYangsheng,etal. Experimental study on creep property of rock salt[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(7): 1386-1390.

[17] 卻保平.含高鹽分泥巖夾層的鹽巖蠕變特性及油氣儲庫穩定性研究[D].太原:太原理工大學礦業工程學院,2006:32-87. XI Baoping.Study on creep property of roc k salt with salt—mudstone interlayer and stability of oil and gas storage cavern[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology.College of Mining Engineering,2006:32-87.

[18]楊春和,白世偉,吳益民.應力水平及加載路徑對鹽巖時效的影響[J].巖石力學與工程學報,2000,19(3):270-275. YANG Chunhe,BAI Shiwei,WU Yimin.Stress level and loading path effect on time dependent properties of salt rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000, 19(3):270-275.

[19]GIRAUD A,PICARD J M,ROUSSET G.Time dependent behavior of tunnels excavated in porous mass[J].Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1993,30(7):1453-1459.

[20]PFEIFLE T W,HURTADO L D.Permeability of nature rock salt from the isolation pilot plant(WIPP)during damage evolutionandhealing[J].InternationalJournalofRock Mechanics and Mining Sciences,1998,35(5):593-594.

[21]STORMONT J C.In situ gas permeability measurements to delineate damage in rock salt[J].Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1997,34(7):1055-1064.

[22]趙陽升.礦山巖石流體力學[M].北京:煤炭工業出版社, 1994:44-51. ZHAO Yangsheng.Rock fluid mechanics mine[M].Beijing: China Coal Industry Publishing House,1994:44-51.

(編輯陳燦華)

Fluid-solid coupling experimental study on damage bedded rock salt

WAN Wen1,2,WANG Min2,ZHAO Yanlin2
(1.Key Laboratory of Geotechnical Engineering Stability Control and Health Monitoring of Hunan Province, School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;
2.Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines of Hunan Province, School of Energy and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)

Taking the sodium chloride rock salt specimens containing mudstone located at-600-700 m level of Yunying salt-mine in Hubei Province as the research object,uniaxial compression creep tests and permeability tests on bedded rock salt were performed.The results show that the decay creep and steady creep appear under unixial compression,and steady creep rate is kept at about 7.05×10-6/d.During the steady creep phase,microfissures stably propagate,and the differences in creep characteristics of the interlayer and that of rock salt make alternating beds of mudstone and rock salt shear fracture,creep rupture of bedded rock salt provides channel for seepage through permeability tests of bedded rock salt specimens at steady creep stage.Undisturbed bedded rock salt is compact,and its permeability is very small.The orders of magnitude increase in the permeability coefficient of bedded rock salt at creep damage state.Fluid-solid coupling effect of permeability coefficient bedded rock salt at creep damage state is quite obvious.Permeability coefficients changes with volumetric stress and seepage pressure.Permeability coefficient k and volumetric stressΘeof bedded salt rock at steady creep stage follows negative exponential function law,and its fluid-solid coupling formula is k=2.046 2×10-10exp(-0.061Θe),which can provide reference for leakage safety evaluation of oil and gas storage cavern in bedded salt rock.

bedded rock salt;fluid-solid coupling;creep damage;permeability test

萬文，博士，教授，從事礦山巖石力學研究；E-mail:wanwenhn@163.com

TU452；O357.3

A

1672-7207(2016)07-2341-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.023

2015-07-21；

2015-09-26

國家自然科學基金資助項目(51174088，51274097)；湖南省教育廳科研項目(13A020)(Projects(51174088,51274097) supported by the National Natural Science Foundation of China,Project(13A020)supported by the Scientific Research Fund of Education Department of Hunan Province)