高溫處理后花崗巖應(yīng)力作用下滲透特性演化研究

李林林，朱俊福，靖洪文，賀立新，陳 穎

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

近年來，隨著核廢料處置、地下煤層氣開發(fā)、地?zé)豳Y源的開采利用等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，高溫處理后巖石物理力學(xué)性質(zhì)和滲透特征演化規(guī)律備受關(guān)注[1-3]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)高溫處理后巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究和探索。KILIC[4]對(duì)600 ～1 050 ℃高溫處理后石灰?guī)r的物理性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r質(zhì)量和波速隨著溫度的升高逐漸減小。SUN等[5]研究了高溫處理后砂巖物理力學(xué)性質(zhì)變化特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度由25 ℃增加至900 ℃，砂巖平均質(zhì)量損失率提高了2.97%。文獻(xiàn)[7-9]也通過試驗(yàn)及模擬手段研究了不同高溫處理后花崗巖的物理力學(xué)性質(zhì)。上述研究成果對(duì)揭示巖石材料的熱損傷作用機(jī)理有著重要意義。巖石滲透特性是巖石水力學(xué)研究中的基本參量，高溫?zé)釕?yīng)力作用會(huì)導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，誘發(fā)微裂紋的萌生、擴(kuò)展，進(jìn)而直接影響巖石的滲透特性。針對(duì)這一問題，CHAKI等[10]研究了高溫處理后巖體微觀特征，發(fā)現(xiàn)熱損傷會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部微觀特征比如孔隙率，空隙連通率的變化，進(jìn)而直接影響巖石的滲透特性。文獻(xiàn)[11-13]均采用了不同的手段對(duì)高溫處理后花崗巖微裂紋發(fā)育情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和量化。文獻(xiàn)[14-15]研究了高溫處理后砂巖的滲透特征，CHEN等[15]研究了花崗巖滲透率隨溫度的變化，結(jié)論均為溫度升高滲透率增大。研究高溫處理后巖石滲透特征對(duì)完善水力學(xué)理論和指導(dǎo)工程實(shí)踐意義重大，然而縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)，關(guān)于考慮圍壓作用下巖石滲透特性及其高溫?zé)釗p傷響應(yīng)特征尚未完全揭示。鑒于此，通過對(duì)200～800 ℃中 6種高溫作用后花崗巖進(jìn)行圍壓10、15、20、25、30 MPa下的滲透試驗(yàn)研究，以揭示高溫處理后花崗巖滲透特性與溫度及圍壓之間的相關(guān)性。

1 巖石滲透率測(cè)試試驗(yàn)過程

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用細(xì)粒花崗巖巖塊采自河南春水礦區(qū)，主要礦物成分為石英、長石和方解石，平均密度2.61 g/cm3。采用MTS815.02獲得了自然狀態(tài)下的花崗巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度為120 MPa，根據(jù)ISRM標(biāo)準(zhǔn)[16]，將12塊試樣加工成直徑50 mm，高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，并將試樣上下表面打磨光滑。

選用GWD-02A型高溫爐對(duì)加工好的花崗巖試樣進(jìn)行高溫加熱，溫度分別為200、300、400、500、600和800℃，升溫速率10 ℃/min，達(dá)到指定溫度后保持120 min以保證試樣內(nèi)部受熱均勻，最后自然冷卻至室溫。高溫處理后花崗巖試樣如圖1所示，可以看出，試樣表面顏色會(huì)隨溫度的升高發(fā)生變化。

圖1 高溫處理后花崗巖試樣Fig.1 Tested granite samples after high temperature exposure

1.2 試驗(yàn)方案

采用全自動(dòng)巖石滲透率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高溫處理后花崗巖試樣開展一系列滲透試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 巖石滲透率測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Rock permeability test system

該設(shè)備可施加的最大圍壓為60 MPa，主要由以下3個(gè)單元組成：①進(jìn)水系統(tǒng)，由水源G、恒流泵F以及恒溫水浴箱D組成；②三軸滲流試驗(yàn)系統(tǒng)，由三軸試樣容器C、用于施加圍壓和軸壓的箱體內(nèi)部壓力泵、泵壓水源I、操作面板A以及顯示面板B組成；③液體稱重系統(tǒng)，包括智能電子天平E及收集液體裝置的燒杯。試驗(yàn)所用參數(shù)以及天平讀數(shù)，可采用計(jì)算機(jī)同步讀取并保存。

試驗(yàn)前，將試樣放進(jìn)厚度3 mm的橡皮套H內(nèi)，然后將試樣連同橡皮套沿著軸向水平放入三軸試樣容器C中，試樣兩端各放置1個(gè)多孔金屬墊片以保證水壓均勻分布。

試驗(yàn)過程中，首先施加較低的壓力差，直至出水口流速穩(wěn)定后開始設(shè)置試驗(yàn)工況并讀取保存數(shù)據(jù)。對(duì)任意1個(gè)試樣，圍壓σ3分別設(shè)置為10、15、20、25和30 MPa。當(dāng)圍壓恒定時(shí)，通過恒流泵控制進(jìn)水口壓力在低于相應(yīng)圍壓下逐漸增大，進(jìn)出水口壓力可通過壓力表實(shí)時(shí)記錄在計(jì)算機(jī)上，精度為0.01 MPa。當(dāng)通過試樣的流速穩(wěn)定后，可以通過實(shí)時(shí)采集的流速等數(shù)據(jù)計(jì)算滲透系數(shù)，進(jìn)而定量評(píng)價(jià)圍壓和溫度對(duì)巖石試樣滲透特性的影響。

2 高溫處理后花崗巖密度和波速的變化

分別對(duì)不同溫度作用后花崗巖試樣進(jìn)行直徑、高度以及質(zhì)量的測(cè)量，由此計(jì)算得到花崗巖的密度。同時(shí)采用PDS-SW聲波檢測(cè)儀對(duì)不同高溫處理后花崗巖縱波波速進(jìn)行測(cè)試，最后得到波速與密度隨溫度變化情況，如圖3所示。

圖3 高溫對(duì)花崗巖密度和波速的影響Fig.3 Effect of temperature on decrement ratio of density and P-wave velocity of tested granites

密度減小率Δρ和縱波波速減小率Δv可以采用以下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式中：ρ和ρ′分別為自然狀態(tài)下25 ℃以及高溫作用后花崗巖試樣的密度；v和v′為相應(yīng)縱波波速。

由圖3可知，溫度從25 ℃增加到300 ℃，花崗巖試樣密度和波速降低幅度相對(duì)較小，主要原因是該階段花崗巖內(nèi)部礦物顆粒發(fā)生自由水和結(jié)合水的脫離，但自然冷卻后部分過程是可逆的，所以該階段密度和波速變化幅度不大。當(dāng)溫度從300 ℃增加到800 ℃，密度和波速變化幅度較大，其中Δρ從0.16%增加到1.02%，Δv從12.0%增加到60.0%。其原因是隨著溫度的升高，結(jié)合水和自由水損失，組成花崗巖的礦物成分也發(fā)生了變化[17-18]。XI[19]發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力會(huì)使得高溫處理后花崗巖內(nèi)部產(chǎn)生大量的穿晶裂紋和沿晶裂紋，內(nèi)部各向異性的擴(kuò)張與石英的α/β相變，導(dǎo)致石英體積增長5%。張衛(wèi)強(qiáng)[20]采用壓汞試驗(yàn)對(duì)高溫處理后花崗巖孔隙率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試樣內(nèi)部孔隙率隨溫度升高而升高，當(dāng)溫度從25 ℃升高到800 ℃時(shí)，孔隙率增加了2.83倍。

3 高溫處理后花崗巖滲透特性

試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過花崗巖試樣軸向的壓力梯度dPs/dL與出口處體積流速Q(mào)之間的相關(guān)性可以用零截距線性方程進(jìn)行較好地描述，如圖4所示。其中：Ps為進(jìn)水口壓力與出水口壓力的差，MPa；L為試樣的軸向長度，m。對(duì)于每一溫度熱處理后花崗巖試樣，隨著壓力梯度dPs/dL增加，通過試樣內(nèi)部的流體體積流速Q(mào)呈現(xiàn)線性增長趨勢(shì)，且隨著圍壓的增大，增長的幅度越小。

由圖4可知，線性方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，可以認(rèn)為，高溫處理后花崗巖試樣的滲透特性可以用線性達(dá)西定律進(jìn)行描述。此外，圍壓σ3的變化并沒有改變流體通過試樣的線性流動(dòng)行為，但隨著圍壓σ3的增大，dPs/dL-Q擬合曲線的斜率逐漸增大，這主要是由于巖石試樣內(nèi)部缺陷閉合導(dǎo)致的。

在巖石水力學(xué)中，滲透系數(shù)常用來定量描述巖石的滲透特性，通過線性達(dá)西定律，可以得到高溫T處理后花崗巖試樣等效滲透系數(shù)K0，見表1。

(3)

式中：μ為水力粘滯系數(shù)，mPa·S，假設(shè)水為不可壓縮流體；A0為試樣橫截面面積，m2。

花崗巖不同圍壓作用下等效滲透系數(shù)K0隨溫度T的變化特征如圖5所示。

圖4 高溫處理后花崗巖試樣體積流速與壓力梯度的關(guān)系Fig.4 Volume flow rate Q as function of pressure gradient dPs/dL of granite samples after high temperature exposure

表1 不同圍壓花崗巖等效滲透系數(shù)Table 1 Effective permeability coefficient of granite with different confining pressure

圖5 花崗巖等效滲透系數(shù)隨溫度變化規(guī)律Fig.5 Variations in equivalent permeability coefficient of granite samples with increase of temperature

由圖5知，當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著溫度的增加，等效滲透系數(shù)呈現(xiàn)非線性增長的趨勢(shì)，其變化過程可分為2個(gè)階段。溫度由100 ℃增加到400 ℃，等效滲透系數(shù)增長較緩，當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，等效滲透系數(shù)分別為1.37×10-19(σ3=10 MPa)，7.43×10-20(σ3=15 MPa)，5.08×10-20(σ3=20 MPa)，3.09×10-20(σ3=25 MPa)和1.64×10-20m2(σ3=30 MPa)，當(dāng)溫度400 ℃時(shí)，等效滲透系數(shù)分別增加至3.03×10-18(σ3=10 MPa)，1.99×10-18(σ3=15 MPa)，1.29×10-18(σ3=20 MPa)，9.23×10-19(σ3=25 MPa)和6.17×10-19m2(σ3=30 MPa)，與溫度100 ℃相比，分別增加了20.62，26.06，24.89，29.55和37.41倍。

當(dāng)溫度從400 ℃增加到800 ℃，等效滲透系數(shù)增長幅度逐漸增大，當(dāng)溫度800 ℃時(shí)，花崗巖試樣等效滲透系數(shù)分別為2.64×10-16(σ3=10 MPa)，1.30×10-16(σ3=15 MPa)，8.17×10-17(σ3=20 MPa)，5.32×10-17(σ3=25 MPa)和3.98×10-17m2(σ3=30 MPa)，與溫度400 ℃相比分別增大了87.16、65.52、63.26、57.70和64.55倍。其原因是當(dāng)溫度從400 ℃增加到800 ℃時(shí)，花崗巖試樣內(nèi)部熱破裂顯著，微裂紋發(fā)育并擴(kuò)展貫通形成宏觀裂隙，導(dǎo)致試樣滲透特性大幅度增強(qiáng)。

根據(jù)上述討論結(jié)果，隨著溫度從200 ℃增加到800 ℃，等效滲透系數(shù)K0隨溫度T的關(guān)系可以用式(4)表示。

K0=A1.01T

(4)

式中：A為擬合系數(shù)，m2。

CHEN等[21]對(duì)北山花崗巖進(jìn)行了熱破裂演化及滲透特性的研究，發(fā)現(xiàn)在圍壓5 MPa下花崗巖等效滲透系數(shù)隨溫度的關(guān)系(圖6)，該結(jié)果與本研究結(jié)果相近。

圖6 滲透系數(shù)與溫度的關(guān)系[21]Fig.6 Evolution of permeability versus heat treatment temperature [21]

圖7 擬合系數(shù)隨圍壓變化Fig.7 Variations in coefficients with confining pressure

K0-T擬合函數(shù)中擬合系數(shù)A隨圍壓的變化特征如圖7所示。由圖7可得，在圍壓從10 MPa增加到30 MPa的過程中，擬合系數(shù)A從1.13×10-17減小到1.53×10-18，減小了86.40%，可見A可表示為圍壓對(duì)花崗巖滲透系數(shù)的敏感程度，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[22-23]。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)流體在裂隙孔隙介質(zhì)中的運(yùn)移規(guī)律，ZHANG等[24]還提出了導(dǎo)水系數(shù)Ta，m4。

(5)

綜合式(3)和式(5)可以得到式(6)：

Ta=K0A0

(6)

圖8表示不同溫度熱處理后花崗巖試樣導(dǎo)水系數(shù)隨圍壓的變化特征，由圖8知，導(dǎo)水系數(shù)Ta隨圍壓的增加逐漸減小，且減小幅度逐漸降低，這主要是由于應(yīng)力作用下試樣內(nèi)部孔隙/裂隙逐漸閉合引起的。

圖8 導(dǎo)水系數(shù)與圍壓的關(guān)系Fig.8 Relationship between conductivity and confining pressure

4 結(jié) 論

1)高溫處理后不同圍壓作用下的花崗巖滲透特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著壓力梯度增加，體積流速線性增大，高溫處理后花崗巖滲透特性可以用達(dá)西定律進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)圍壓升高時(shí)，壓力梯度與體積流速之間的比值逐漸增大，即試樣的過流能力逐漸減弱。

2)當(dāng)溫度小于400 ℃時(shí)，花崗巖滲透系數(shù)緩慢增大，而400 ℃以后，滲透系數(shù)變化顯著。

3)等效滲透系數(shù)隨溫度的增長規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述。隨著圍壓的增加，熱破裂產(chǎn)生的孔隙裂隙逐漸閉合，花崗巖導(dǎo)水系數(shù)逐漸降低。