溫度-應(yīng)力耦合作用對花崗巖滲透性的影響

肖陽 張帆

摘要：為了研究高溫?zé)崽幚韺◢弾r滲透性的影響，文章對巴西劈裂試驗(yàn)后的花崗巖試樣進(jìn)行滲透性試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：高溫處理后經(jīng)過巴西劈裂試驗(yàn)的花崗巖試樣滲透率呈大幅度減小趨勢，25℃時(shí)花崗巖滲透率最大，高溫導(dǎo)致花崗巖內(nèi)部絕對孔隙壓縮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密度增大，600℃時(shí)花崗巖滲透率最小，在滲透壓從2MPa加載至10MPa時(shí)花崗巖滲透率降低速率最快，當(dāng)滲透壓由10MPa加載至50MPa之后，各溫度階段花崗巖滲透率降低速率均減小，不同溫度對花崗巖的滲透性有著不同程度的劣化作用，為實(shí)際工程概況提供參考。

Abstract： In order to study the effect of high temperature heat treatment on the permeability of granite， this paper conducts permeability tests on granite samples after Brazil splitting test. The research results show that the permeability of the granite samples subjected to the Brazilian split test after high temperature treatment shows a significant decrease trend. The permeability of granite is the largest at 25℃. The high temperature causes the absolute pore compression in the granite and the density of the internal structure increases， the permeability of granite is the smallest at 600℃， the permeability of granite decreases fastest when the seepage pressure is loaded from 2MPa to 10MPa. When the seepage pressure is loaded from 10MPa to 50MPa， the permeability of granite decreases at each temperature stage. Different temperatures have different degrees of deterioration of the permeability of granite， which provides a reference for the actual project overview.

關(guān)鍵詞：熱處理;滲透率;圍壓

Key words： heat treatment;permeability;confining pressure

中圖分類號：U451.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）27-0228-02

0? 引言

干熱巖作為新能源有著極其重要的發(fā)展意義，不僅分布廣泛，儲存量豐富，而且屬于清潔可再生能源。其開采原理是高壓注入低溫水于巖井，使巖體最小地應(yīng)力方向薄弱處裂紋迅速擴(kuò)展，吸收到的地?zé)崮茉偻ㄟ^間距約0.4km處的另一個(gè)深井利用高溫水蒸氣存儲到地面系統(tǒng)。不同溫度對巖體結(jié)構(gòu)有著不同的劣化損傷，對巖體滲透性影響直接影響到地?zé)崮艽鎯β?。因此為了探究不同高溫?zé)崽幚韼r石的滲透率對實(shí)際工程有著重要指導(dǎo)意義。

李學(xué)成等[1]模擬研究了高壓條件下不同溫度熱處理后砂巖的滲透率變化規(guī)律，得推演出應(yīng)力與砂巖滲透率之間的關(guān)系。陳占清等[3]利用巖石滲透率結(jié)果的離散型模型，探究了試樣滲透率變化的根本原因。周遠(yuǎn)田等[2]使用回歸分析技術(shù)探究了巖樣滲透率與應(yīng)力的關(guān)系，引入一種伽馬側(cè)井有效提高試樣滲透率的分辨值。馮子軍等[5]利用高溫高壓三軸試驗(yàn)機(jī)對高溫作用后的花崗巖進(jìn)行滲透率試驗(yàn)，結(jié)果表明300℃為花崗巖滲透率變化的臨界值，滲透率在該溫度出發(fā)生量級式突變，且原生裂紋迅速擴(kuò)展。彭蘇萍等[4]利用三軸試驗(yàn)探究了全應(yīng)力條件下砂巖的滲透性，結(jié)果表明彈性階段巖石滲透率與應(yīng)力呈反相關(guān)，彈塑性階段新生裂紋急劇擴(kuò)張，導(dǎo)致滲透率增大，不同數(shù)值的有效側(cè)壓是導(dǎo)致巖石孔隙率變化的一個(gè)重要因素。尹光志等[6]利用多孔介質(zhì)壓裂-滲流試驗(yàn)系統(tǒng)對砂巖進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，推演出應(yīng)力-溫度等多場耦合條件下試驗(yàn)滲流機(jī)制的變化規(guī)律。梁冰等[7]基于熱彈性理論推演出巖石滲透率與溫度的關(guān)系，結(jié)果表明巖體滲透性變化存在一個(gè)臨界溫度點(diǎn)，超過臨界溫度巖樣滲透率急劇上升，而低于臨界溫度時(shí)滲透率變化較緩慢。劉均榮等[8]分別對灰?guī)r、砂巖、變質(zhì)巖以及礫巖開展?jié)B透性試驗(yàn)，探究溫度作用下巖石滲透率的變化機(jī)理，結(jié)果表明隨著溫度增加試樣滲透率呈增大趨勢，達(dá)到某一個(gè)閾值溫度滲透率發(fā)生突變，且閾值溫度主要取決于巖樣組成礦物成分。賀玉龍等[9]通過對砂巖進(jìn)行滲透率試驗(yàn)和孔隙度測量，探究了溫度作用對巖石滲透性的影響，研究表明基于某個(gè)臨界溫度內(nèi)，砂巖孔隙率隨與有效應(yīng)力反相關(guān)，在有效應(yīng)力一定時(shí)，溫度越高對砂巖孔隙率影響越劇烈，但孔隙度變化不明顯，推測砂巖滲透率變化主要是由于高溫作用使砂巖黏土礦物受愛膨脹產(chǎn)生分散效應(yīng)。

1? 花崗巖滲透率測定試驗(yàn)

試驗(yàn)試樣花崗巖加工來自湖南省岳陽市汨羅市川，其組成礦物成分主要為：黑云母、石英、鉀長石以及斜長石等，將試樣加工成符合國際巖石力學(xué)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尺寸h=25mm，？準(zhǔn)=50mm的圓盤狀，外觀呈灰色偏白，偏差率可忽略不計(jì)，巖體致密均勻，實(shí)驗(yàn)室測得其天然密度為2.68g/cm3，孔隙率約為0.71%。

本試驗(yàn)主要在湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院中法聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)初期利用馬弗爐加熱設(shè)備TNX1200-30對試樣進(jìn)行加熱，為保證試樣受熱均勻，設(shè)置升溫速率為5℃/min，由常溫加熱至目標(biāo)溫度后設(shè)置設(shè)備保持恒溫2h，然后采用分階段降溫的方式冷卻試樣，將降溫速率設(shè)置為2℃/min，溫度每降低100℃設(shè)置設(shè)備保持當(dāng)前溫度恒溫2h，直至試樣降至室溫，分階段降溫方法能最大程度上減小溫度差對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劣化損傷，避免其他因素對試驗(yàn)結(jié)果造成偏差。

對進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)后的試樣開展?jié)B透試驗(yàn)，利用HDH-100高壓伺服泵配備HGH100-4環(huán)壓自動(dòng)跟蹤儀結(jié)合圍壓缸進(jìn)行，將試樣裝入合適尺寸橡皮套內(nèi)，兩端用排氣墊片壓實(shí)，凹槽面朝向試樣，然后將裝有試樣的橡皮套固定在圍壓缸壓力室底座上，上端用帶有進(jìn)水孔管道鋼塊壓實(shí)，用箍圈將橡皮套與圍壓缸箍緊，使用儀器將護(hù)筒安裝在底座上，安裝壓力室上蓋并擰緊6個(gè)固定螺栓，將管道安裝在相對應(yīng)的流通孔道上，開始像壓力室注入壓力油。先利用伺服泵注入壓力油排盡壓力室空氣，待壓力蓋上孔道出油表示空氣已排盡，此時(shí)用堵頭封閉孔道。最后打開環(huán)壓泵和伺服泵，環(huán)壓泵設(shè)置為恒壓模式，流量設(shè)置為5ml/min，伺服泵設(shè)置恒壓控制，圍壓依次為2MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。

2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)通過環(huán)壓泵連接圍壓缸上孔道，以穩(wěn)定10ml/min流量的速率向圍壓室注入水流，伺服泵通過圍壓管道連接圍壓缸底座孔道，先打開排液閥，以25ml/min速率向圍壓室排液壓油，待圍壓室上蓋孔道出油時(shí)關(guān)閉排液閥，此時(shí)伺服泵設(shè)置為恒壓，控制各個(gè)圍壓變量計(jì)算下游水流的質(zhì)量，水溶液粘度為0.001005pas，最后利用達(dá)西定律計(jì)算出試樣滲透率 達(dá)西定律如下：

（1）

其中μ—水溶液粘度;Q—單位時(shí)間內(nèi)流體通過巖石的流量（m3/s）;A—水流通過巖石的截面積（m2）;L—巖石的長度（m）;？駐P—水流通過巖石前后的壓力差（MPa）。

圖2為不同溫度條件下花崗巖滲透率曲線，曲線顯示花崗巖試樣滲透率受溫度作用呈明顯弱化趨勢，常溫下試樣在2MPa圍壓時(shí)滲透率為4.84×10-15mm2，相比于熱處理溫度200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，試樣滲透率損傷變量分別為13.6%、20.3%、56.8%、67.2%、63.4%。伺服泵加載圍壓至50MPa時(shí)，試樣滲透率分別弱化了74.8%、82.7%、95.1%、95.3%、95.8%。導(dǎo)致試樣滲透率呈顯著損傷劣化主要是因?yàn)榻?jīng)過熱處理后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，巖體組成礦物結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，結(jié)晶體之間膠結(jié)物質(zhì)粘結(jié)力不足以抵抗熱應(yīng)力帶來的劣化效應(yīng)，導(dǎo)致晶體相互擠壓致使試樣內(nèi)部孔隙體積縮小，進(jìn)而阻礙單位時(shí)間內(nèi)通過裂隙孔道的流體，在達(dá)西定律中表現(xiàn)為Q值減小。隨著溫度的不斷升高，花崗巖內(nèi)部原生裂隙不斷由于晶粒收縮發(fā)生閉合效應(yīng)，導(dǎo)致流體流通孔道逐漸之間的原生裂隙逐漸壓縮。由圖1顯示當(dāng)加載圍壓達(dá)到40MPa時(shí)試樣滲透率開始緩慢無限趨向閾值，此時(shí)圍壓室系統(tǒng)內(nèi)高圍壓使試樣橫向應(yīng)變急劇增大，孔隙裂紋開始相對位移，試樣內(nèi)部流體流通管道由貫通式發(fā)展為間斷式，滲透率逐漸趨于閾值。

3? 結(jié)論

本文以經(jīng)過高溫?zé)崽幚戆臀髋言囼?yàn)后的花崗巖為研究對象，利用滲流系統(tǒng)開展了滲流實(shí)驗(yàn)，分析了溫度-應(yīng)力耦合作用下花崗巖滲透性變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：①不同溫度熱處理后花崗巖的滲透性大幅度降低，當(dāng)加載圍壓相同時(shí)，試樣熱處理溫度越高，滲透率越小;②當(dāng)花崗巖熱處理溫度相同時(shí)，加載圍壓越大，滲透率越小，且從2MPa加載至10MPa過程中試樣的滲透率變化最快，10MPa加載至50MPa時(shí)滲透率變化明顯變緩。

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