侵蝕性流體作用下石灰?guī)r滲透性變化規(guī)律

杜昀宸， 張肖肖， 盛金昌， 吳彥青， 周 慶， 劉星星

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

我國(guó)西部水電資源的開發(fā)促進(jìn)了深埋巖體工程在高水壓、高應(yīng)力、水化學(xué)等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下工作狀況的研究，對(duì)這種特殊環(huán)境中多因素之間相互作用的研究是巖石滲透特性領(lǐng)域的一個(gè)重要課題[1]，對(duì)于巖體工程具有很大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。由于耦合過程非常復(fù)雜，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直對(duì)侵蝕性流體滲透過程中巖石滲透特性的演變規(guī)律進(jìn)行著不懈探索。

Elsworth等[2]探討了反應(yīng)流體的流動(dòng)如何影響密閉的碳酸鹽巖裂縫滲透率發(fā)展的問題，定量得出了裂縫張開和斷裂閉合模式之間的轉(zhuǎn)變模式；Yasuhara等[3]觀察研究了在碳酸鹽巖裂縫中主要進(jìn)行的機(jī)械和化學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)孔隙中流體溶解的物質(zhì)質(zhì)量濃度隨應(yīng)力、溫度和pH值而改變，并能在一定程度上反映裂縫滲透的演化；Khather等[4]觀測(cè)到地質(zhì)封存中溶質(zhì)和主巖之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，大多數(shù)樣品的孔隙度和滲透率有所增加但少數(shù)樣品以上兩項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值減小，這是由于礦物沉淀和機(jī)械壓實(shí)機(jī)制的綜合效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果；Lisabeth等[5]通過在CO2飽和水溶液中浸泡碳酸鹽樣品后進(jìn)行流體靜力學(xué)和三軸變形實(shí)驗(yàn)，分析其應(yīng)力、應(yīng)變、滲透特性，結(jié)果表明經(jīng)過處理的樣品中所出現(xiàn)的碳化溶解和碳酸鹽礦物沉淀作用會(huì)導(dǎo)致其剛度、強(qiáng)度和滲透率的降低；Liu等[6]模擬了在水動(dòng)力壓力和溫度改變作用下的石灰石溶解過程，發(fā)現(xiàn)溫度的升高會(huì)增大溶解速率，同時(shí)水動(dòng)力壓力增強(qiáng)了化學(xué)溶解作用，并影響巖石的礦物形態(tài)和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)；盛金昌等[7]設(shè)計(jì)了滲透液為碳酸溶液的不同滲透壓力下裂隙巖石滲透實(shí)驗(yàn)，建立了裂隙開度變化率與滲出液中鈣離子濃度值之間的關(guān)系式，理論上描述了裂隙巖體在滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下的滲透特性演化規(guī)律；楊金保等[8]開展了在以硫酸鈉為介質(zhì)的酸性或堿性溶液條件下的單裂隙花崗巖恒定三軸壓應(yīng)力滲透試驗(yàn)，得出裂隙接觸面礦物溶解、自由面礦物溶解以及礦物沉淀3種作用影響下裂隙開度的演化規(guī)律；姚華彥[9]研究了在不同pH值的0.1mol/L硫酸鈉和氯化鈣溶液水化學(xué)溶液浸泡后灰?guī)r的宏細(xì)觀力學(xué)特性，結(jié)果表明化學(xué)腐蝕作用對(duì)裂紋巖石破裂過程的影響主要表現(xiàn)在弱化力學(xué)參數(shù)和增大巖石非均質(zhì)性兩個(gè)方面；申林方等[10]對(duì)單裂隙巖石在應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合環(huán)境下的綜合響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了研究，提出了水巖化學(xué)反應(yīng)及水力通道貫通兩種因素的相互耦合會(huì)導(dǎo)致不同滲透溶液滲流情況下水力開度變化趨勢(shì)不同的觀點(diǎn)；郭慧[11]探討了煤體浸泡于CO2水溶液中發(fā)生的相互作用反應(yīng)機(jī)理和影響因素，得到滲透率隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析了不同參數(shù)對(duì)滲透率變化的影響。

綜上所述，多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了巖石介質(zhì)受到滲透作用、應(yīng)力作用和化學(xué)侵蝕作用的現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到理論說明探索了巖體發(fā)生的力學(xué)性質(zhì)或滲透性質(zhì)的變化，取得了一些有價(jià)值的研究成果。但是這些實(shí)驗(yàn)主要是為了研究裂隙巖石在化學(xué)滲透和壓力作用下的變形損傷過程或完整巖石經(jīng)過化學(xué)溶液浸泡處理后的力學(xué)和滲透性質(zhì)的變化，然而自然狀況或工程施工中的耦合條件更加復(fù)雜，巖石的完整或破碎程度各不相同，且受到的應(yīng)力作用、流體的侵蝕和滲透作用是同時(shí)進(jìn)行的，所以實(shí)驗(yàn)的施加條件與工程實(shí)際還有一定距離，在侵蝕性流體滲透作用下較完整巖石滲透性的演化機(jī)理研究，仍有大量工作需要開展。

本文借助河海大學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)室的高應(yīng)力、高水壓、變溫、大梯度等復(fù)雜條件下的多因素耦合滲透實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選取完整低滲石灰?guī)r作為實(shí)驗(yàn)巖芯，在軸壓、圍壓、滲透壓的作用下加入不同化學(xué)作用，設(shè)計(jì)多組工況進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中收集滲出液，對(duì)其流量、離子濃度進(jìn)行測(cè)量，通過不同指標(biāo)的數(shù)值變化趨勢(shì)，定性分析完整石灰?guī)r滲透特性的主要影響因素和演化機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯坎煌治g性滲透溶液和應(yīng)力作用下完整石灰?guī)r滲透性的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定實(shí)驗(yàn)任務(wù)如下：

(1)改變實(shí)驗(yàn)中的溶液侵蝕條件和應(yīng)力條件，測(cè)定巖樣滲流量，對(duì)比研究巖石滲透特性的演變規(guī)律；

(2)測(cè)定滲出液中的離子濃度，探討不同化學(xué)溶液侵蝕條件對(duì)巖石中礦物質(zhì)溶解的影響；

(3)通過巖芯滲透率的變化和滲出液中離子濃度的變化，分析滲透侵蝕、應(yīng)力的共同作用對(duì)巖石滲透特性的影響。

實(shí)驗(yàn)中各影響因素的指標(biāo)確定如下：為了減小應(yīng)力對(duì)于滲透實(shí)驗(yàn)的影響，軸壓選擇實(shí)驗(yàn)儀器保持穩(wěn)定需要的最小值6.5 MPa；根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范，圍壓需要比滲透壓高0.2～0.5 MPa[12]，本文實(shí)驗(yàn)中的圍壓統(tǒng)一高于滲透壓0.5 MPa；選取強(qiáng)酸中揮發(fā)性較小的硫酸調(diào)節(jié)溶液的酸性，并要控制溶液中的SO42-濃度不產(chǎn)生硫酸鈣難溶沉淀，每調(diào)節(jié)1 L pH=6的硫酸溶液需要1 mol/L濃硫酸約0.001 mL，其中的SO42-可忽略不計(jì)；選擇Na2SO4溶液添加Na+以促進(jìn)其與巖石中礦物質(zhì)的反應(yīng)效率，實(shí)驗(yàn)中0.01 mol/L Na2SO4最多會(huì)產(chǎn)生1.36 g/L硫酸鈣微溶物，小于其溶解度0.264 g/100 g，所以兩種有化學(xué)溶液的工況都可以看作宏觀總體不產(chǎn)生沉淀[13]。根據(jù)以上對(duì)壓力作用及滲透溶液的考慮，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)任務(wù)，得到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)中使用的儀器設(shè)備為河海大學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的高應(yīng)力、高水壓、變溫、大梯度等復(fù)雜條件下巖石耦合滲透實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)需要使用的部分是計(jì)算機(jī)伺服系統(tǒng)、高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺(tái)、油源、油泵、壓力系統(tǒng)、油水壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。

各子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意如圖2所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作簡(jiǎn)要步驟為：將設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)輸出工作信號(hào)到高精度液壓控制臺(tái)，使壓力系統(tǒng)通過油源和油泵直接將軸壓和圍壓以油壓的形式加載到壓力室中的巖芯上；滲透壓力通過油—水轉(zhuǎn)換裝置把油壓轉(zhuǎn)換為水壓將滲透水箱里的指定溶液流經(jīng)滲流通道施加到巖芯中；最后，由測(cè)量系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)伺服系統(tǒng)以實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作狀態(tài)，使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉跓o人值守條件下長(zhǎng)期平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)行。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)原理圖

2.3 實(shí)驗(yàn)巖芯試樣

實(shí)驗(yàn)采用的巖芯取自山東省嘉祥市的石灰?guī)r，鉆芯得到的底面直徑5 cm、高10 cm的低滲完整致密石灰?guī)r圓柱體，分析得到其主要成分為碳酸鈣90.37%、碳酸鎂5.56%、二氧化硅2.40%，還有其他成分占比例不到2%，試樣的強(qiáng)度指標(biāo)為壓縮強(qiáng)度127.7 MPa、干燥彎曲強(qiáng)度14.1 MPa與水飽和彎曲強(qiáng)度17.3 MPa；選取同批次試樣6個(gè)，使用核磁共振的方法[14]得到其孔隙率均在 0.7%左右，孔隙半徑主要分布在 0.01～1 μm范圍內(nèi)，其平均孔隙半徑為0.07 μm。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)實(shí)驗(yàn)巖芯處理：將實(shí)驗(yàn)所用巖芯在蒸餾水中分4次加水浸泡，每次靜置2 h；然后放入真空飽和儀中進(jìn)行飽水，直至巖芯表面無氣泡逸出后解除真空。在已飽水的巖芯外套上長(zhǎng)于試件的熱縮管套，并用熱風(fēng)槍使其縮緊包裹在巖芯上，熱縮管外面用鐵箍將試件與滲透壓頭接觸的位置箍緊后裝入壓力室腔體內(nèi)，如圖3所示。

(2)實(shí)驗(yàn)加載過程：?jiǎn)?dòng)實(shí)驗(yàn)裝置加載軸壓至目標(biāo)值后，圍壓注油加載指定圍壓；將滲透通道內(nèi)空氣排出，向滲透壓水箱中注入調(diào)配好的指定溶液；輸入滲透壓數(shù)值，溶液沿滲流通道進(jìn)入壓力室，對(duì)巖芯施加水化學(xué)作用。

(3)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：收集滲出溶液，計(jì)算巖芯滲透率；將收集的滲出溶液進(jìn)行雜質(zhì)過濾和酸化處理，使用中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(如圖4所示)進(jìn)行Ca2+、Mg2+離子的濃度測(cè)量，并記錄和分析相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖圖3安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的巖芯試樣圖4電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀

3 實(shí)驗(yàn)成果分析

巖石滲透率的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法可以歸納為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩大類，其中穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)需要時(shí)間較長(zhǎng)，但可以保證較高的精度[15]。本文研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)低滲石灰?guī)r在侵蝕性流體滲透過程中滲流特性隨時(shí)間演化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)工況中應(yīng)力、滲透壓等條件長(zhǎng)時(shí)間保持不變，因此采取穩(wěn)態(tài)法對(duì)巖石滲透率進(jìn)行研究。

穩(wěn)態(tài)法通過孔隙水壓控制系統(tǒng)在巖石試樣的兩端提供穩(wěn)定的滲透壓差，記錄滲流穩(wěn)定時(shí)的滲透流量，基于經(jīng)典的達(dá)西定律，利用下式可計(jì)算滲透率k的值。

(1)

式中：Q為滲透流量，cm3/s；μ為滲透流體介質(zhì)的動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·s，根據(jù)每日測(cè)量的溫度查取相應(yīng)值；L為試樣長(zhǎng)度，cm；A為試樣斷面面積，cm2；Δp為滲透壓力差，Pa。

3.1 侵蝕性流體滲透過程中石灰?guī)r芯滲透率演化對(duì)比

圖5為3種工況下巖芯歸一化滲透率k′隨時(shí)間的變化曲線圖。從圖5中可以看出，3種工況的k′在前50 h都急劇下降至約20%，變化規(guī)律相似，但是50 h后3種工況下k′的變化趨勢(shì)產(chǎn)生差異，工況I的k′值趨于穩(wěn)定，最終歸一化滲透率k′約為10%；工況II和工況III實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到400 h,k′不能達(dá)到穩(wěn)定仍不斷下降，兩條曲線在100 h到工況III二次加壓前基本重合，加壓瞬間工況III的k′值突變?cè)龃蠛笤俅蜗陆蹬c工況II曲線重合。分別繪制前50 h和50 h后的歸一化滲透率變化速率曲線圖以進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)歸一化滲透率k′的變化規(guī)律，如圖6、圖7所示。

圖6中3種溶液滲透作用下前50 h歸一化滲透率k′變化速率曲線相似，都是先快速下降然后在小數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到50 h后，從圖7(a)中看出工況I的k′變化速率的平均值貼近坐標(biāo)軸，在零點(diǎn)附近進(jìn)行比較對(duì)稱的振動(dòng)；圖7 (b) 工況II的k′變化速率曲線的振動(dòng)幅度逐漸減小，但大部分?jǐn)?shù)值小于零，平均值為-0.065%/h；圖7(c)為工況III的k′ 速率演化曲線圖(排除了加壓瞬間k′的變化速率3.5%/h)，平均值約為-0.043%/h，可以看出加壓前后的工況III的k′變化速率規(guī)律無太大變化，雖然在-0.7%/h～0.3%/h附近振動(dòng)，但是其下降速率普遍大于上升速率，所以工況III的k′演變曲線在圖5中呈不斷下降的趨勢(shì)。

3.2 侵蝕性流體滲透過程中石灰?guī)r芯滲出液離子濃度變化對(duì)比

低滲石灰?guī)r巖芯在侵蝕性流體滲透作用下，孔隙上的礦物質(zhì)與滲透溶液發(fā)生反應(yīng)，固體物質(zhì)被沖刷，溶解于滲透溶液中以離子形式跟隨溶液移動(dòng)；另一方面，隨著礦物質(zhì)的溶解，滲透溶液中離子濃度逐漸增加，在孔隙中某些位置集聚沉淀。礦物質(zhì)的溶解和沉淀兩種作用會(huì)引起孔隙的擴(kuò)大或堵塞從而導(dǎo)致巖芯滲透性的變化。實(shí)驗(yàn)中使用的石灰?guī)r試樣的主要化學(xué)成分是碳酸鈣(CaCO3)、碳酸鎂(MgCO3)、少量二氧化硅(SiO2)和其他成分，所以均勻選取實(shí)驗(yàn)滲透溶液樣本，通過測(cè)試Ca2+、Mg2+濃度對(duì)比不同侵蝕性流體滲透過程產(chǎn)生的效果。

圖8、9分別為3種工況條件下滲出溶液Ca2+、Mg2+濃度演變曲線圖，圖10為滲出溶液Ca2+濃度與Mg2+濃度的比值演變曲線圖。從圖中可以看出，3種化學(xué)條件下0～50 h的離子濃度有劇烈變化，50 h之后趨于平穩(wěn)，本文主要分析后半部分的離子濃度變化規(guī)律。3種不同化學(xué)溶液條件下收集的滲出液Ca2+、Mg2+濃度在50 h后都緩慢下降，但Ca2+、Mg2+濃度比值都基本穩(wěn)定于定值。工況I滲出液中兩種離子濃度和離子濃度比都低于其他工況；工況II滲出液中Ca2+濃度和離子濃度比為3種工況中最高，Mg2+濃度處于其他兩種工況之間；而工況III的Mg2+濃度最高，其他兩項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定值都是第2位。

圖5 3種工況溶液滲透作用下k′演變曲線圖圖6 3種工況溶液滲透作用下前50 h變化速率演變曲線圖

圖7 3種工況溶液滲透作用下50 h后 變化速率演變曲線圖

圖8不同化學(xué)條件下滲了溶液Ca2+濃度演變曲線圖圖9不同化學(xué)條件下滲出溶液Mg2+濃度演變曲線圖圖10不同化學(xué)條件下滲出溶液兩種離子濃度比值演變曲線圖

4 石灰?guī)r巖石滲透性演變機(jī)理探討

在設(shè)計(jì)的3種工況條件下，在侵蝕性流體滲透實(shí)驗(yàn)中的完整石灰?guī)r于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前50 h時(shí)，歸一化滲透率和變化速率演變趨勢(shì)相似，但隨著時(shí)間的增加，兩種滲透性指標(biāo)的演變產(chǎn)生了不同，且不同侵蝕性滲透條件對(duì)于巖石內(nèi)礦物質(zhì)溶解的效果有所差別。以下是根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果分析應(yīng)力、侵蝕性流體滲透以及離子沉淀對(duì)巖芯的滲透率和物質(zhì)溶解產(chǎn)生的影響。

4.1 應(yīng)力條件對(duì)巖石產(chǎn)生的作用

上述侵蝕性流體滲透作用下石灰?guī)r滲透實(shí)驗(yàn)的3種工況的初始軸壓、圍壓和滲透壓力的條件是相同的，在前50 h中呈現(xiàn)相似急劇下降的趨勢(shì)。由于滲透率低的巖石其孔喉相對(duì)較細(xì)小，隨著加壓時(shí)間延長(zhǎng)孔隙喉道相繼閉合，滲透率逐漸降低。而初始滲透率低特別是低于4.6 mD的巖芯歸一化滲透率隨時(shí)間的下降幅度較大，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的前期下降明顯而后變緩[16]，本文實(shí)驗(yàn)中選取的巖芯滲透性很弱，其初始滲透率分別為1.201、3.184和1.362 mD，屬于應(yīng)力敏感性較強(qiáng)的低滲透性巖芯，故實(shí)驗(yàn)中前50 h 3種工況的歸一化滲透率急速下降是由于加壓時(shí)間對(duì)于巖石的滲透率的時(shí)效性引起的。

隨著時(shí)間的增加，在穩(wěn)定應(yīng)力作用下巖芯內(nèi)孔喉的閉合逐漸完成，滲透液為蒸餾水的工況I滲透率達(dá)到穩(wěn)定，而滲透溶液為化學(xué)溶液的工況II和工況III滲透率持續(xù)下降，實(shí)驗(yàn)后期巖芯的滲透率在增大應(yīng)力條件的瞬間增加，但是經(jīng)過前期的實(shí)驗(yàn)加載容易變形的孔喉已經(jīng)閉合，應(yīng)力條件對(duì)巖芯滲透性的影響減弱，所以巖芯滲透率馬上恢復(fù)到加壓前的滲透率變化規(guī)律繼續(xù)下降；219 h時(shí)工況III的滲透壓和圍壓同時(shí)增加了0.3 MPa，從圖8～10中曲線可知，壓力的增加沒有影響離子濃度的變化趨勢(shì)。

在侵蝕性流體滲透作用下完整石灰?guī)r石的滲透性演化實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力條件對(duì)于巖石性質(zhì)的影響主要在于對(duì)其滲透率的影響，且隨時(shí)間逐漸減弱，而對(duì)巖石內(nèi)礦物質(zhì)的溶解影響較小。

4.2 不同侵蝕性流體對(duì)巖石產(chǎn)生的作用

化學(xué)條件的不同能夠影響巖芯的滲透性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)的前50 h中，3種溶液條件下巖芯的歸一化滲透率和變化速率趨勢(shì)相似，在后續(xù)階段，侵蝕性流體的存在會(huì)改變巖芯的滲透性質(zhì)，對(duì)巖芯滲透率的影響逐漸顯現(xiàn)出來，滲透液為蒸餾水的滲透率能夠穩(wěn)定，但是滲透液為侵蝕性流體的其他兩種工況的滲透率不斷降低。

化學(xué)條件的不同還能夠影響巖芯中礦物質(zhì)的溶解效果。滲透溶液為蒸餾水的工況I在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間超過50 h后，由圖10看出滲出液的Ca2+、Mg2+濃度比值約為4并保持不變，與巖芯試樣中Ca2+、Mg2+的質(zhì)量比值22.75有差別，這是因孔隙壁與整體礦物質(zhì)組成不同引起的；當(dāng)滲透溶液為pH=6的0.01mol/L硫酸鈉溶液時(shí)，由于Na+可以置換Ca2+、Mg2+和其他多種離子[17]，且對(duì)于Ca2+的置換作用大于Mg2+，導(dǎo)致滲出液中Ca2+、Mg2+濃度都有所增大而且兩種離子濃度比值的最終穩(wěn)定值最大，約為10；工況III的滲透溶液為pH=6的硫酸溶液，H+會(huì)與巖芯中的碳酸鈣與碳酸鎂反應(yīng)加速離子的溶出，所以其滲透液中的Ca2+、Mg2+濃度都高于工況I，離子濃度比值的穩(wěn)定值與工況I相近。

綜上所述，在本次3種工況的在侵蝕性流體滲透作用下完整石灰?guī)r石的滲透性演化實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)條件的不同會(huì)影響巖石的滲透性質(zhì)，并且會(huì)在實(shí)驗(yàn)的后期逐漸體現(xiàn)；巖芯中礦物質(zhì)的溶解主要與化學(xué)條件有關(guān)，從滲出液的離子濃度對(duì)比可知，溶液的酸性條件能夠加強(qiáng)低滲石灰?guī)r中的溶解作用，而Na+的存在會(huì)加速M(fèi)g2+特別是Ca2+的溶出。

4.3 離子沉淀對(duì)巖石產(chǎn)生的作用

3種化學(xué)條件下都有離子不斷溶解到滲透溶液中，但是當(dāng)滲透溶液中有其他離子存在時(shí)，巖芯的歸一化滲透率沒有隨著物質(zhì)的溶解增大，反而呈不斷下降的趨勢(shì)。根據(jù)Luquot等[18]的研究，化學(xué)滲透對(duì)低滲石灰?guī)r的作用效果與滲透壓力有關(guān)，當(dāng)滲透壓力較高(6～10 MPa)時(shí)，化學(xué)溶液對(duì)巖石的溶解效果較強(qiáng)，使巖石孔隙增大進(jìn)而增加其滲透性；但是隨著滲透壓力的降低至0.7 MPa時(shí)，巖石中礦物質(zhì)溶解后離子濃度逐漸增加并在滲徑后半段形成沉淀，從而造成巖石的孔隙率降低，滲透性減小。本文實(shí)驗(yàn)中的3種工況的初始滲透壓力都為0.5 MPa，僅工況III于實(shí)驗(yàn)后期加大滲透壓力至0.8 MPa，因滲透壓力較小，離子在滲透通道中沉淀，從而產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)中礦物質(zhì)不斷溶解而巖芯的歸一化滲透率不斷下降的現(xiàn)象。

由以上分析可知，因?qū)嶒?yàn)中加載的滲透壓力較小，滲透溶液中具有促進(jìn)巖芯溶解反應(yīng)的物質(zhì)使溶液中離子濃度顯著增加，離子無法及時(shí)運(yùn)移出巖芯產(chǎn)生的沉淀導(dǎo)致了巖芯滲透率的下降。

5 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)3組不同工況條件下長(zhǎng)期進(jìn)行的完整石灰?guī)r石在侵蝕性流體滲透作用下的滲透性演化實(shí)驗(yàn)成果的整理探討，可得到如下結(jié)論：

(1)在應(yīng)力條件相同的條件下，前50 h 3種化學(xué)溶液作用下巖石的滲透率變化率都快速降低而后又在小數(shù)值波動(dòng)，滲透率急劇下降，而滲透溶液為pH=6的硫酸溶液(工況III)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到219 h時(shí)實(shí)施了一次應(yīng)力條件的提升，滲透率在加壓瞬間有明顯突變之后馬上恢復(fù)到原有狀態(tài)，但是巖芯中礦物質(zhì)的溶解沒有因應(yīng)力條件的改變發(fā)生變化，應(yīng)力條件由于加壓時(shí)間對(duì)于巖石的滲透率具有時(shí)效性，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前期(前50 h)是影響巖石滲透率的主要因素，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行對(duì)巖石滲透率的影響力逐漸減弱，但是其對(duì)于巖芯礦物成分溶解的促進(jìn)作用較小。

(2)3種實(shí)驗(yàn)工況的滲出液中始終有Ca2+、Mg2+溶解，Ca2+、Mg2+的濃度都隨時(shí)間緩慢減小，但是兩者比值會(huì)逐漸穩(wěn)定到某一定值，巖芯中礦物質(zhì)的溶解主要與滲透溶液的成分有關(guān)，溶液中H+的存在能夠增強(qiáng)低滲石灰?guī)r中Ca2+和Mg2+的溶解作用，溶液的Na+會(huì)導(dǎo)致Ca2+和Mg2+濃度比值增大，溶液侵蝕性條件是影響巖石中礦物質(zhì)溶解的主導(dǎo)因素，增加酸性條件可以加速礦物質(zhì)的溶解，增加Na+能夠促進(jìn)巖石中Mg2+特別是Ca2+的溶出，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)巖石滲透性質(zhì)的影響逐漸顯現(xiàn)。

(3)實(shí)驗(yàn)過程中始終有礦物成分溶解于滲透溶液并以離子的形式流出，滲透溶液為蒸餾水時(shí)，滲透率可維持定值，但是在酸性條件(pH=6的硫酸鈉溶液或硫酸溶液)下巖石的滲透率隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行逐漸降低無法保持穩(wěn)定，巖芯滲透率的下降是由于當(dāng)滲透溶液中具有侵蝕性成分存在時(shí)離子濃度顯著增加，但是滲透壓力較小使離子無法及時(shí)運(yùn)移至巖芯外產(chǎn)生沉淀堵塞滲透孔隙所導(dǎo)致。

(4)本文根據(jù)3種不同工況的實(shí)驗(yàn)成果探討了應(yīng)力作用、侵蝕性流體滲透作用和離子的沉淀作用對(duì)低滲石灰?guī)r芯的滲透率和物質(zhì)溶解的影響，但是設(shè)計(jì)的滲透壓力和應(yīng)力較小，且滲透溶液呈中性或酸性，還需進(jìn)一步加大應(yīng)力條件以及選擇其他侵蝕性溶液進(jìn)行研究。

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