大尺寸低渗透软岩的高压渗透性能试验研究

大尺寸低渗透软岩的高压渗透性能试验研究

1试验方法与测试岩体的渗流强度的影响多孔介质的渗透是许多工程科学的基础，其中许多多孔介质是可变形的。多孔介质变形与其中流体流动存在比较强的相互作用,这就需要把流体渗流与介质变形结合在一起进行研究。目前已有多人采用不同试验手段证明岩石渗透系数随有效围压升高而降低的规律。但由于受试验设备条件的限制,试验所施加的围压一般在10MPa以下,试验方法多采用非稳定压力脉冲衰减法。文采用多级驱替泵以恒压法和恒速法,试验设定的有效围压小于25MPa。这些试验方法、所受围压条件与实际岩体的渗流情况均有较大的差别,难以避免产生试验误差。本文采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开发研制的大型岩石高压渗透试验仪,以所研究试样的当地水样(呈弱碱性)做渗流液体,采用计算机伺服控制,以稳定渗透水压法(简称稳压法),模拟岩体所处的不同应力场条件,探讨了不同围压条件对孔隙介质渗透性的影响,并分析了围压升降过程轴向应变的变化规律,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。2强、弱渗透岩的渗透试验wsp西南某水电工程坝肩抗力体中发育有5条规模较大的蚀变岩带,它是由变质岩在低温热液作用下,沿热液活动通道附近产生的次生蚀变,呈灰白色夹灰黄色团块,疏松多孔,易破碎,岩体力学强度较低。肉眼鉴定碎斑矿物主要为长石,约占70%。蚀变最主要形式是钠长石化、高岭石化,岩性主要为含孔洞状不等粒钠长石岩,基本无肉眼可见裂隙,可按孔隙介质考虑。其孔隙度变化较大,处于8%～35%之间,渗透系数一般在10-5～10-9cm·s-1之间。根据当地实测资料分析,在应力数值上,表层最大主应力值约为8.2～11.2MPa,中深部(测点垂直埋深超过120m后)最大主应力为16.3～17.3MPa,深部(埋深超过220m时),最大主应力为16.4～28MPa。把从野外不同深度取回的大尺寸的岩块,利用万能岩石切割机钻取直径为10cm,高度小于20cm的岩样(表1)。把制好的试样安装定位后加围到5MPa后,然后对试样两端管路及试样进行抽真空(抽真空度可达-0.1MPa)处理,然后注水使试样充分饱和。再按稳压法,在岩石的两端提供稳定的压差,通过测量流量从而获得岩石的渗透系数(图1)。采用计算机伺服控制,渗透压p1、轴压σ1、围压σ3在预加到某一预定值后可分别控制在0.02、4kN和0.02MPa波动幅度范围内。根据渗出端水体积的变化量(简称体变量)与时间的关系曲线求出其渗流量。体变变化测试精度可达0.03mL,对于微小的渗出量,可通过出水端水体积的变化量呈稳定增长(体变量与时间呈直线关系)来判断渗流速度是否达到稳定值。在渗透水压、渗流速度均为稳定值时,认为该时段内渗流特点符合达西定律,进而得出该段时间相应条件下的渗透系数。该法对强、弱渗透岩测试效果均较好,而且试验时间只需十几分钟甚至几分钟即可获得其相应条件下的渗透系数。试验渗透系数计算根据达西公式,用流体通过岩石样品的流量Q和岩体(石)样品两端的渗透水压ΔP等参数测量渗透系数。考虑到试验仪器水压表的安放位置(图1),试样实际所受水头差为100P1/r+35cm,计算公式为:K=vJ=QLA(100P1/r+40)Κ=vJ=QLA(100Ρ1/r+40)式中,K为渗透系数,cm·s-1;v为渗透速度,cm·s-1;J为压力梯度,无纲量;Q为流体通过岩石样品的流量,mL·s-1;A为岩石样品的截面积,cm2;ΔP为岩石样品两端的压力降,MPa;r为测试液体的重度,这里按r=103kg·m-3=10kN·m-3计算;L为岩石样品的长度,cm。试验采用两种方式进行不同围压条件下的渗透性测试,一是以静水压力的方式(轴压与侧向压力相等条件),另一种是采用轴压与侧向压力不等的情况(相差5MPa条件下进行测试)。改变围压条件时渗透压水压始终保持不变,以此来研究不同应力条件下岩石渗透性变化。3结果3.1围压回压时岩石的渗透性能试验轴向位移采用光纤位移传感器量测,精度可达0.001mm。根据10组不同孔隙度、不同高度的试样的渗透性测试结果(图2)。可以看出,在静水压力条件下,增加围压时,发现不论试样多高,孔隙度多大,轴向位移均呈减小的趋势,试样呈拉伸状态;当围压回降到最初压力值时,试样呈压缩状态,轴向位移均能恢复到最初大小。相应的,岩石的渗透系数随围压的升高而降低,随围压的降低而升高,但当围压回降时,岩石渗透系数回升路径低于原始降低路径,说明侧向压缩变形没有得到完全回复,产生了塑性变形,使渗透系数较最初应力条件降低了。表2是不同孔隙度、渗透压差条件下围压从10MPa增加到25MPa时渗透系数下降幅度统计表。从表2中的实测结果可以看出,岩石的渗透性能均随围压的增大而降低。影响其下降幅度是由多种因素造成的,与所测岩样的渗透性性、孔隙度大小并不存在明显的相关性,而且孔隙度大的岩石,其渗透系数不一定大。3.2渗透率测定为研究轴压与侧向压力不相等条件下对岩石渗透性的影响,在保持渗透压差稳定不变的条件下,笔者采用如图3所示的加载路径,在每一级围压(这里指侧向压力,下同)条件下,分别按轴压小于、等于、大于围压3种情况进行了渗透性测定。由图4可以看出,3种情况下,岩样的渗透系数及轴向应变的变化特点与静水压力条件下的相似,而且轴压与围压相差5MPa情况对岩石的渗透系数影响不大。4非静水压力条件下,试样的渗透率在应力作用下未得到完全恢复,发生了塑性变形本次试验是针对岩性为含孔洞状不等粒钠长石岩,无肉眼可见裂隙,可按孔隙介质考虑。由孔隙与喉道变形理论可知,围压增大时,最先被压缩的是喉道,而非孔隙。由于孔隙部分的受力面是拱形,所受的应力是压缩应力,孔隙体积改变不会太大;当喉道受力部分受到拉伸应力作用,由于喉道半径小,极易造成喉道闭合。因此,在岩石未受压时,岩石中的孔隙与喉道并存;加压时,岩石中的喉道首先闭合,而孔隙基本不闭合。在压力回降时,渗透系数有一定的恢复,但均未恢复到初始值。这是由于岩石受压时,随着喉道的闭合,渗透系数主要受孔隙压缩量的影响;卸压后,岩石中易受压缩的微孔道不可能重新张开,恢复的仅仅是较大的孔隙变形量和岩石基质的变形量。因此,岩石的孔隙结构不能恢复到原始状态,产生了塑性变形,导致渗透系数不能完全恢复。在静水压力条件下,当应力增加时轴向应变均表现为负值,试样被拉伸;而应力回降时,轴向应变均回复到初值,而渗透系数却未能得到完全恢复。说明试样侧向产生了塑性变形而使渗透系数降低。若以轴向位移为零方式控制增加围压,加压必然会使轴向压力大于侧向压力,不能保证静水压力条件下的渗透试验。而且,轴向位移保持为零时,岩石渗透性的降低必然是由侧向压缩变形来实现。以上两种情况分析说明,室内试验条件下对岩石渗透性的影响主要是由侧向变形决定的。压力升降过程主要是侧向压力使孔隙、喉道压密而使渗透性产生变化。难以真实地模拟实际岩体受力状态,在非静水压力条件下(处于岩石强度范围之内),试验过程轴压与侧向压力相差5MPa,应力升降过程,轴向应变均为负值,说明试样始终处于被拉伸状态,渗透性大小主要还是由侧向变形所决定。当岩石大多数孔隙、喉道长轴与轴压方向平行,轴向压力大于侧向压力时会使渗透性增大;若孔隙、喉道长轴与轴压方向垂直,轴向压力大于围压则会使渗透性减小。由于大多数岩石内部结构的各向异性,孔隙、喉道长轴方向往往呈无规则排列,轴压与侧向压力5MPa的差值对岩石的渗透性影响不大,不存在明显的相关关系。5室内条件岩石渗透率测试(1)利用新研制的高压渗流仪,采用稳压法,对大尺寸孔隙介质试样进行了耦合渗流实验研究。该套仪器可模拟各种围压条件下的渗流试验,稳压效果好,操作简单,对每一试验条件只需十几分钟,甚至几分钟即可获得相应条件下的渗透性能。(2)试验验证了孔隙介质在围压升高时,渗透系数呈下降的趋势,当围压回降时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。(3)室内条件岩石渗透性测试,应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要受侧向弹