裂縫滲流條件下頁巖相似材料的電化學試驗研究

胡江春 魯家濠 孫光林 王紅芳 孫路革

（1.中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.河南省環境巖土工程與地下工程災害控制工程研究中心，河南 鄭州 450007；3.中原工學院材料與化工學院，河南 鄭州 450007）

0 引 言

頁巖氣是全球重要的非常規天然氣資源［1］，頁巖氣的開采涉及到頁巖多相介質裂縫發育、流體固體相互作用，以及裂縫的時間、空間跨越因素［2］。頁巖致密性條件約束下的滲流特性也是當前研究的重要內容［3］。宋付權等［4-5］做頁巖薄片實驗時觀察到水會優先沿著頁巖裂縫流動，水的滲流作用也會促使頁巖產生裂縫，產生的裂縫也會進一步提高頁巖的滲流能力，壓力作用下頁巖飽水度越高，頁巖裂縫發育和滲流作用越強。李亞龍等［6］采用等效縫網模型及改進滲流模型很好地預測了頁巖氣產能。亓倩等［7-8］認為微裂縫的幾何尺寸和滲透性質與頁巖氣產量密切相關。吳明錄等［9］應用分形理論方法研究了頁巖裂縫空間幾何性態與滲流特征的關系。

電化學交流阻抗譜結構特征可以用于表征巖石特性狀態，交流電信號也可以反映物理性質［10］，電化學測試手段不僅在巖石隱性裂紋研究方面取得進展［11］，還可對不同損傷狀態下砂巖阻抗譜曲線進行參數分析［12］。王東等［13］應用直流電場研究了電化學作用對蒙脫石膨脹性的作用規律。柴肇云等［14-15］基于泥巖相似材料開展了電極材料的電化學改性試驗，得出其實質是微觀結構的動電效應，電化學作用也會對泥巖的孔隙和力學性質產生影響。

電化學能很好地監測頁巖內部致裂和滲流狀態，因此，本項目采用巖石電化學試驗的方法，針對頁巖相似材料爆破裂縫滲流阻抗值進行測試，研究4種不同炸藥劑量致裂發育條件下滲流阻抗值的變化特性，以期獲得裂縫滲流對頁巖相似材料的作用規律。

1 試驗設計

1.1 試樣制作

采用河砂、水泥、石膏粉和水，分別以質量2∶1∶0.36∶0.36進行配比來模擬頁巖材料［16］，攪拌均勻后，倒入涂有脫模劑的模具內，模具長×寬×高=150 mm×150 mm×150 mm。制作頁巖相似材料時，預埋導電極，預留爆破孔、入水管和出水管（圖1），預留爆破孔尺寸為20 mm×20 mm×150 mm。

1.2 試驗方案

首先，取A、B、C、D共4組養護好的頁巖相似材料，在頁巖相似材料表面涂抹防水膠并用塑料罩將頁巖相似材料包裹嚴密。其次，在爆破孔內放置4種不同劑量的炸藥，A～D放置炸藥量依次為1個單位、2個單位、3個單位和4個單位。安放好爆破防護罩后對頁巖相似材料進行爆破，在爆破動力作用下頁巖相似材料裂紋發育。然后，如圖2所示，對相似材料從入水管加壓注水，水流從出水管流出，水流也沿著爆破裂紋滲透流動。最后，試驗采用CHI660E電化學工作站實時測試頁巖相似材料的交流阻抗譜。

2 試驗結果及分析

對滲流試驗前和滲流試驗2 h、4 h、6 h、8 h共5種情況，分別對4組爆破后的頁巖相似材料進行電化學測試，分析得出所對應的Nyquist圖和Bode圖。

2.1 頁巖相似材料的Nyquist圖變化規律

對于試驗中不同頻率下所得到的阻抗結果，就可以在坐標軸中繪出不同頻率下頁巖相似材料的阻抗實部Z'和阻抗虛部Z"。圖3（a）所示，在爆破完成滲流試驗前，A、C、D 3組頁巖相似材料隨著頻率的變化大致處于一個相似的階段，B組Nyquist曲線與其他3組存在差異性的原因，在于頁巖模型爆破強度不同導致A～D組頁巖相似材料之間的不同。圖3（b）所示，滲流試驗2 h，4組頁巖相似材料的阻抗開始出現差異性變化，隨著頻率的增加，各組巖石模型的阻抗值之間的差距也開始加大，阻抗值大小關系表現為A＞B＞C＞D。圖3（c）所示，滲流試驗4 h，D組頁巖相似材料與其他3組模型表現出明顯差異性，即在低頻段，D組阻抗的實部小于6 kΩ，遠低于其他3組頁巖模型。圖3（d）所示，滲流試驗6 h，C組頁巖相似材料也發生了較為明顯的變化，即各頻段內的阻抗實部值和阻抗虛部值均有減小；此時，C組和D組阻抗隨頻率變化趨勢一致，A組和B組阻抗隨變頻變化趨勢一致。圖3（e）所示，滲流試驗8 h，隨著滲流時間的延長，與滲流開始前相比，A～D 4組頁巖模擬材料均發生了明顯變化。從圖3（e）可見，B、C和D組阻抗曲線性態更為相似，A組與其他3組不同，低頻段A組阻抗也大于其他3組頁巖模型阻抗值，各頻段D組模型阻抗最小。

2.2 頁巖相似材料的Bode圖變化規律

記Z為阻抗，F為頻率，將lgF作為橫坐標，再分別將lgZ、相位角φ作為縱坐標繪制出Bode圖。圖4（a）所示，在爆破完成滲流試驗前，除B組的lgZ—lgF、φ—lgF曲線外，A、C和D的lgZ—lgF、φ—lgF曲線是一致的。圖4（b）所示，在滲流試驗2 h，隨著頻率的增加，相位角曲線的變化趨勢是一致的，4組頁巖相似材料lgZ的大小關系為A＞B＞C＞D。圖4（c）所示，在滲流試驗4 h，低頻段，D組頁巖相似材料的相位角大于其他3組頁巖相似材料的相位角，在中高頻段4組相位角又趨于一致。圖4（d）所示，在滲流試驗6 h，A、B 2組材料的相位角性態一致，C、D 2組材料的相位角性態一致。圖4（e）所示，在滲流試驗8 h，隨著頻率的變化，A～D組相位角曲線性態一致，在低頻段各組相位角差距較大，隨著頻率的增加，相位角的差距逐漸減小。滲流試驗持續的時間內，4組頁巖相似材料的lgZ—lgF曲線性態基本一致。

2.3 阻抗模值變化規律特征

圖5中，A、B、C、D 4組頁巖相似材料的阻抗模值均隨著滲透時間的延長而減小，表明隨著滲透時間的延長，頁巖相似材料的阻抗模值是減小的。相同時間滲透時，各組阻抗模值的大小關系為A＞B＞C＞D。由于炸藥使用量關系為A＜B＜C＜D，導致4組頁巖相似材料裂縫發育關系為A＜B＜C＜D，也表明了裂縫越是發育，阻抗幅值越小的規律。從阻抗模值曲線性態來看，各組頁巖相似材料阻抗模值減小過程中也表現出差異性，主要體現在相同滲透時間內，各組阻抗模值的減小值大小是不同的，也表明了阻抗模值與裂縫發育狀況的非線性關系。

3 結 論

（1）頁巖相似材料爆破后滲流試驗前，4組頁巖相似材料的阻抗模值、Nyquist圖和Bode圖具有一定的一致性。

（2）滲流試驗開始后，爆破所產生的裂縫和水體滲流作用會對頁巖相似材料的Nyquist圖和Bode圖產生影響，且影響強度隨著滲流時間的增長和裂紋發育的程度有關。