劉 偉，李銀平，楊春和，馬洪嶺，施錫林，黃小蘭

（1.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；2.武漢輕工大學 多孔介質(zhì)力學研究所，武漢 430023）

1 引 言

泥巖是地球上分布最為廣泛的一類沉積巖體，從地表至地下數(shù)千米均有泥巖分布，也是地殼最為重要的一類巖體，大厚度大規(guī)模的泥巖地層一般都能充當良好的地質(zhì)封隔體。世界上約70%～80%的油氣田的直接或者間接蓋層由泥巖構(gòu)成，而泥頁巖本身就是生儲蓋一體的優(yōu)良地質(zhì)封隔體[1]。近年來隨著我國層狀鹽巖中能源儲庫領域的大力發(fā)展，泥巖又成為深部鹽穴儲庫的直接蓋層[2]；此外，隨著全球核電事業(yè)突飛猛進，關于把泥巖作為高放核廢料永久處置基地的研究，再次引起了相關領域的學者們對泥巖的研究熱潮[3]。

泥巖之所以能發(fā)揮隔擋作用而成為蓋層/封隔體，是其所具有的優(yōu)良的物性封閉能力[4]。一般而言，良好的蓋層都具有極低的滲透率和極細小的孔隙，滲透率常常是衡量泥巖封閉能力的最為重要的指標之一。巖體滲透率一般可通過室內(nèi)試驗測試獲取，由達西定律的定義可知，滲透率是與流體類型、孔隙介質(zhì)無關的獨立量。然而，從實際情況來看，巖體性質(zhì)及應力狀態(tài)對滲透率卻有顯著影響，其原因在于巖石屬于孔隙和骨架構(gòu)成的物質(zhì)，一般具有可壓縮性，可導致在不同壓力下內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生變化，使得滲透率對壓力狀態(tài)具有一定的敏感性，被稱為“巖體滲流-應力耦合效應”[5]。

關于巖石滲透率的壓力敏感性課題，國內(nèi)外已經(jīng)有了較多的有益成果，主要集中在儲層巖體及晶體類巖體，如碳酸鹽儲層、火山巖儲層、花崗巖、巖鹽等。Fatt 等[6]在試驗中最早發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽巖的滲透率隨圍壓升高而減小的現(xiàn)象。孫昌軍等[7]對不同孔隙類型的火山巖儲層開展了滲透率應力敏感性分析，指出孔隙結(jié)構(gòu)差異是導致巖石滲透率應力敏感強弱差異的主要原因。周宏偉等[8]對鹽巖開展了不同靜水壓力下的滲透率測試，表明在壓縮下鹽巖孔隙度不斷減小、連通性降低是導致滲透率下降的細觀原因。Yang 等[9]建立了反映深部泥巖滲透率隨固結(jié)程度變化的力學模型。Billiotte 等[10]對埋深500 m 處不同飽和度的泥巖開展了不同偏應力狀態(tài)下的滲透特性研究。Hangx 等[11]對石膏質(zhì)泥巖開展了不同偏應力下的滲透率測試，研究表明石膏質(zhì)泥巖的滲透率低達10-21m2，且在偏應力達60 MPa 才發(fā)生擴容（相應圍壓10 MPa）。

泥巖涉及學科涵蓋石油地質(zhì)學、巖土工程、滲流力學等領域，屬于典型的低滲介質(zhì)，對測試方法和儀器精度要求極高，針對泥巖的滲透特性的研究，國內(nèi)鮮見報道。滲透率的測試方法若按巖芯受力狀態(tài)劃分有常規(guī)滲透測試法、變圍壓滲透測試法和三軸壓縮測試法，前兩者在石油工程中應用較多，后者主要服務于巖土工程領域。泥巖較軟，屬于典型的軟巖，內(nèi)部主要分布大量的微孔隙，與一般的儲層或裂隙巖體有較大差異，直接導致了其在不同應力條件下會呈現(xiàn)出與其他巖體不同的響應特征。因此，對于深部泥巖的滲透率，每種方法所得數(shù)據(jù)對具體工程條件的可靠性和適用性值得探討，以建立對具體工程最為使用的滲透率測試方法，是值得開展的科研課題。

本文采用3 種測試方法對同一泥巖開展了滲透率測試研究，獲得了每種方法下泥巖滲透率值及其變化規(guī)律，同時分析了造成差異的原因，確定了各方法下數(shù)據(jù)的可靠性和適用范圍，可供開展同類試驗研究參考。

2 3 種滲透試驗的開展

滲透性是流體透過巖體的能力，一般用滲透率表示。巖體內(nèi)部存在的各種不連續(xù)面，如晶界、節(jié)理面、微裂隙等提供了流體滲透的通道，是造成巖體具有可滲透性的根本原因。巖體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、尺寸、孔隙連通程度、礦物親水性等的不同使得不同巖體具有不同的滲透特性。滲透率一般采用室內(nèi)巖心滲透試驗獲取，計算的基本原理為達西定律。根據(jù)研究的需要，滲透率可采用液體（淡水、鹵水、煤油）或氣體（氮氣、氬氣、氦氣）作為滲透介質(zhì)，特殊情況下也有采用混相流體的情形。

若用液體作為測試介質(zhì)，滲透率一般采用式（1）計算。

式中：Kl為液測滲透率；A為巖芯橫截面積；Pin、Pout分別為入口端與出口端流體壓力；μl為液體動力黏度；Ql為液體流量；L為巖心長度。

若用氣體作為滲透介質(zhì)，則必須考慮氣體的壓縮性，應采用對式（1）修正后的微分形式：

對式（2）積分，可得

式中：Kg為氣測滲透率；μg為氣體動力黏度；P0為大氣壓值；Qg為氣體流量。

本次測試所用泥巖巖芯取自江蘇省金壇市某層狀鹽巖礦區(qū)，該泥巖層位于860～900 m 深度范圍內(nèi)，是某擬建地下能源儲庫的蓋層。巖石呈灰黑色，性質(zhì)均一，巖性穩(wěn)定。通過X 衍射試驗（X-Ray diffraction）可知，泥巖主要由鐵白云石（20.46%）、石英（16.22%）、方沸石（9.57%）、鈉長石（8.97%）、蒙脫石～綠泥石（8.30%）、鈣芒硝（8.2%）等組成?？紤]到作為蓋層主要發(fā)揮垂直封閉功能，巖芯為豎向制樣，均采用鋼鋸配合細砂紙手工打磨而成?？紤]到泥巖中黏土礦物遇水膨脹，本次研究的3 種方法測試均用氣測法，方法1為常規(guī)滲透率測試，方法2為變圍在滲透測試，方法3為3 種壓縮下瞬態(tài)法滲透測試。

2.1 常規(guī)滲透率測試（方法1）

常規(guī)滲透率測試方法是將巖芯固定于巖芯夾持器內(nèi)，環(huán)向施加圍壓，軸向施加氣壓，采用達西公式計算滲透率。試驗圍壓PC的值較低，一般取1.379 MPa 或2 MPa 左右。圍壓的作用使氣體不從側(cè)面溢出，而不反映巖芯所在地層應力狀態(tài)，由于該方法圍壓的有效應力僅為1～2 MPa，故所得滲透率又常稱為“地面滲透率”，常用于對儲集層滲透率的測試。圍壓值可按式（4）確定。

式中：PC為環(huán)向圍壓（MPa），可用水或氣體施加；Pin為入口端氣壓（MPa），一般取0～1.0 MPa。

對100 塊泥巖巖芯開展了滲透率測試試驗，試驗圍壓為1.38 MPa，氣壓為0.4 MPa，同時給出了利用氣體膨脹法所得的孔隙度。測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 常規(guī)滲透率測試法的滲透率與孔隙度Fig.1 Relationship of permeability vs.porosity under conventional permeability method

由圖1 可見，滲透率基本上為10-16m2量級，平均為2.13×10-16m2，絕大部分數(shù)值介于（1～3）×10-16m2之間，最高、最低值的比值不超過3 倍?？紫抖鹊淖兓秶鸀?.5%～16.2%，平均值為10.6%，孔隙度的變化范圍較大，涵蓋了低孔和中孔范圍。一般而言，孔隙度對滲透率應該有較大影響，但從圖1 結(jié)果來看，滲透率與孔隙度之間無明顯函數(shù)關系，只是在整體上滲透率隨孔隙度增大而緩慢升高，兩者呈非常弱的冪函數(shù)擬合關系，這并不說明孔隙度對滲透率的影響不存在，恰恰表明巖樣的滲透性取決于巖樣中連通的孔隙和微裂紋。采樣擾動產(chǎn)生的微裂紋的體積率在巖樣的孔隙率中所占比重甚小，但對巖樣的滲透性影響卻極大。

對于泥巖而言，10-16m2的滲透率雖然已經(jīng)處于較低的值，但并不算極低，僅相當于低滲儲層[1]。這樣的滲透率是否具有良好的封閉性能，值得商榷。與鹽巖(10-21～10-22m2)、石膏巖(10-21m2)等低滲介質(zhì)相比，本次泥巖滲透率高出5～6個量級，與Billiotte 等[10]所測的泥巖相比也高出數(shù)個量級。

由于各自的物理性質(zhì)、成巖特征、測試條件等不同，巖芯造成結(jié)果有差異是正常的。為找尋與同類研究成果存在差異的原因，對試驗的測試條件對比發(fā)現(xiàn)，本次試驗與Billiotte 等[10]的測試壓力條件相差較大，Billiotte 給定的圍壓達11 MPa，而Hangx 等[11]的最低圍壓也高達10 MPa，巖芯鉆取及加工擾動造成孔隙和裂隙張開，而常規(guī)測試時較低的圍壓尚不足以使其閉合，故而呈現(xiàn)較高滲透率。此外，巖芯烘干也可能是影響滲透率的原因。測試前，先將試樣在100 ℃下烘烤48 h，但對于泥巖可能會對其造成嚴重的損傷。在較高溫度下巖芯內(nèi)部的結(jié)合水會成為自由水而散失及巖芯在溫度下干縮作用都有可能造成內(nèi)部裂隙增加和體積增加，后續(xù)的試驗中烘干溫度均設為40～50℃，以免造成物性變化。

2.2 變圍壓滲透率測試（方法2）

在油氣田開發(fā)過程或在巖土工程建設中（儲氣庫造腔、核廢料處置室開挖）蓋層/圍巖的壓力都是處于不斷變化的，通過改變圍壓來模擬巖體在開采/工程建設中的壓力變化，以探尋壓力變化對滲透率的影響?？紤]到常規(guī)滲透測試中圍壓僅有一級，其值（如1.38 MPa）遠低于實際地層壓力，故本次測試中針對同一地層的相同巖芯設定了多級圍壓，從2.5 MPa 開始，每級增加2.5 MPa，采用穩(wěn)態(tài)法對其開展?jié)B透率試驗，直至達到穩(wěn)態(tài)法測試精度（10-20m2）時停止試驗。

穩(wěn)態(tài)法在圍壓較高時滲透率已經(jīng)非常低，達到穩(wěn)態(tài)耗時極長，能測到流量的時間更長，故僅針對5 塊泥巖開展了變圍壓滲透率測試，發(fā)現(xiàn)圍壓對滲透率的影響極為顯著，圍壓在2.5 MPa時，滲透率的數(shù)值為10-17～10-18m2，隨著圍壓的增加滲透率快速下降；圍壓達到10 MPa時，滲透率的值低達10-19～10-20m2，故未針對10 MPa 以上圍壓開展?jié)B透率測試。圖2為“泥巖-1”滲透率測試的典型曲線，同時給出了滲透率與圍壓的擬合關系，表1為測試結(jié)果。

圖2 圍壓與滲透率的關系曲線（入口氣壓為0.4 MPa）Fig.2 Relationship curve of confining pressure versus permeability while the inlet pressure of gas is 0.4 MPa

表1 變圍壓測試結(jié)果匯總（入口壓力均為0.4 MPa）Table 1 Permeability testing results under variable confining pressure(each inlet pressure 0.4 MPa)

5 塊巖心的滲透率與圍壓基本上都符合圖2 的變化趨勢，都滿足一個特點，即初始加載時滲透率的值都較高，隨著圍壓的增加，滲透率都有所下降，尤其在最初的兩級圍壓下滲透率的下降非常迅速，以后滲透率的變化就變得非常緩慢，甚至趨于平緩。從圍壓5 MPa 之后的結(jié)果來看，泥巖的低滲特性還是非常明顯的，圍壓達到10 MPa時，其滲透率更是低至10-20m2，與同類研究成果也較為接近[10]，也說明該地層段的泥巖的確是具有良好密封性能的地層，采用常規(guī)滲透測試時則無法得出此結(jié)論。

與常規(guī)滲透測試結(jié)果（10-16m2）相比，本測試的滲透率低2～4個數(shù)量級，說明壓力條件對滲透率的影響非常顯著，甚至是決定性的影響。對泥巖測試滲透率的進行時，必須充分考慮了壓力條件的影響，其結(jié)果才可靠。這一點下文會詳細分析。

2.3 三軸壓縮下的瞬態(tài)法滲透測試（方法3）

變圍壓滲透測試中采用穩(wěn)態(tài)法為測試手段，由于氣體達到穩(wěn)態(tài)所需時間較長，對于低滲介質(zhì)的測試效率較低，測試中圍壓僅達到10 MPa時就無法進一步開展試驗，而圍壓值與實際地層壓力（約21 MPa）相比，仍有一定的差異。此外，地應力的3個主應力值一般都是不相等的，無論泥巖地層作為油氣（天然氣、石油等）蓋層、作為能源儲庫蓋層、還是作為核廢料處置室圍巖，隨著油氣開采或工程建設等的推進，作為蓋層/圍巖的應力都是處于變化的，即其實際應力應當為三向應力狀態(tài)。一般地，過大的偏應力易使巖心裂隙錯動、張開、產(chǎn)生過大變形、甚至導致剪切破碎帶的形成。該影響區(qū)又被稱為損傷擾動區(qū)（excavation disturbed zones，簡稱EDZ）。而EDZ 的大小和范圍是評價蓋層/圍巖封閉能力的重要指標。因此，開展三向應力下的滲透測試，對于探索EDZ 內(nèi)滲透率的演化規(guī)律及其災變臨界點，進而對工程做出合理指導具有重要意義。

鑒于瞬態(tài)法測試精度可達10-21m2及測試時間相對較短的特性，采用該方法在巖石三軸壓縮試驗機上對同一地層泥巖巖芯開展該試驗。

三軸壓縮下瞬態(tài)法與前兩種方法有較大差異，其基本原理和步驟為：將待測巖芯固定于上下壓力室，然后在上、下壓力室施加一個相等的恒定氣壓以使巖芯內(nèi)形成初始壓力場；給上壓力室施加一個脈沖氣壓；在壓差作用下巖芯內(nèi)產(chǎn)生自上而下的滲流，此后上壓力室的壓力P上會逐漸衰減、下壓力室的壓力P下會逐漸上升，直至達到壓力平衡。利用氣體衰減規(guī)律計算求得滲透率。有關瞬態(tài)法的原理和方法的介紹，詳見文獻[12-13]。

瞬態(tài)法的滲透率由式（5）給定[13]：

式中：ΔP為巖芯內(nèi)氣體衰減規(guī)律，可由式（6）給定：

參數(shù)α 由式（7）給定：

式中：Kg為巖心滲透率（m2）；ΔΔ，ΔP(t)為壓力衰減函數(shù)（MPa）；Δ0P為上、下氣壓室初始壓差值（MPa）；A、l 分別為巖芯橫截面積（m2）和長度（m）；μ為氬氣常溫時的動力黏度（Pa·s）；β為氬氣的壓縮系數(shù)（Pa-1）；V1、V2分別為上、下氣壓室體積（m3）；α為由巖芯參數(shù)和試驗條件確定（s-1）；t為測試時間（s）。

試樣直徑為50 mm，高85～92 mm。測試的圍壓為20 MPa（與上覆壓力相同），上下端平均氣壓>1.5 MPa 以減小滑脫效應的影響。為反映不同應力狀態(tài)對滲透率的影響，偏應力設定為0-10-20-30 MPa。為便于與前文結(jié)果對比，先在5 MPa 的靜水壓力下測一次滲透率，然后才繼續(xù)開展20 MPa的圍壓下的滲透率試驗。

測試結(jié)果表明，滲透率的范圍為3.29×10-20～7.26×10-21m2，屬于典型的低滲介質(zhì)。最高值（3.29×10-20m2）對應于靜水壓力5 MPa，比變圍壓測試在相同圍壓下低5～10 倍。這是因為一方面瞬態(tài)法的氣壓（≥1.5 MPa）遠大于穩(wěn)態(tài)法的氣壓（0.25 MPa），另一方面尺寸和氣體不同，故而造成滲透率更低的結(jié)果。進入偏應力測試段后，滲透率在整體上隨著偏應力的增加而緩慢下降，直至偏應力達到30 MPa時，滲透率仍處于下降。

從表2 可見，滲透率呈下降趨勢較為明顯；體應變在整個測試環(huán)節(jié)仍處于明顯的下降狀態(tài)，局部有異常波動。這種現(xiàn)象可能與局部破損有關，周宏偉等[8]對此類現(xiàn)象給出了合理解釋。對于晶體類巖體，如花崗巖、鹽巖、硬石膏泥巖等，在三軸壓縮中將體應變開始反向的點稱為擴容[14]。巖體達到擴容后，裂隙增加、孔隙加大，引起滲透率突然快速升高。Hangx 等[11]給定的硬石膏泥巖開始擴容時偏應力高達60 MPa（圍壓10 MPa）。本次泥巖在偏應力30 MPa時體應變?nèi)蕴幱陲@著的下降趨勢，說明該偏應力值距離擴容起始點尚早，也表明由該泥巖構(gòu)成的蓋層/圍巖要達到擴容進而發(fā)生滲透突變是較難實現(xiàn)的。

表2 滲透率測試結(jié)果(4-4-2為例)Table 2 Experimental results of permeability（4-4-2）

3 數(shù)據(jù)可靠性討論

通過3 種測試方法對同一種泥巖的滲透率試驗，以找出異同。方法1 與后兩種方法所得結(jié)果相差較大，方法2 在圍壓10 MPa時滲透率均低至10-20m2，與方法3 的結(jié)果（10-20～ 10-21m2）較為相近，說明了壓力條件是影響滲透率的重要原因，且在最初的壓力段對滲透率的影響最為顯著，而在較高壓力下影響反而不明顯。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是容易理解的，當巖芯從深部地層鉆出后，由于套鉆取芯、應力釋放、試樣加工等必然導致裂隙重新張開，而對滲透率起主導作用的就是那些較大的裂隙。比較確定的是，低圍壓時較大的裂隙仍基本處于張開狀態(tài)，低圍壓滲透率可以反映嚴重損傷擾動后的滲透特性。需要指出的是，一般地下硐室的臨空面圍巖受損傷擾動最為嚴重，其滲透率與地面滲透率應當較為類似。方法2、3 的圍壓值均較高，已經(jīng)導致大部分張開裂隙重新閉合，故而滲透率能夠處于極低的數(shù)值。若偏應力測試下的巖芯未到擴容或者破壞，則方法3 與方法2 的結(jié)果差異應該很小，采用方法2 的滲透率就基本上能夠反映蓋層/圍巖較為真實的滲透特征。而隨著偏應力的進一步增加，很顯然擴容及破壞終將不可避免地產(chǎn)生，滲透率也必然發(fā)生突變。

無論對于油氣蓋層、能源儲庫還是核廢料處置庫，3 種測試方法反映了圍巖中不同位置的滲透率情況，仍不建議采用方法1 的結(jié)果作為嚴重損傷區(qū)的滲透率，因為其應力條件仍與EDZ 內(nèi)巖體有較大差異，建議采用在偏應力足夠大的條件下發(fā)生擴容后的結(jié)果作為EDZ 內(nèi)滲透率。從以往成果[11]和本文結(jié)果來看，泥巖達到擴容所要求的偏應力值是較高的，進而出現(xiàn)滲透率突變的條件也是較難實現(xiàn)的，這是泥巖蓋層/圍巖能維持其良好密封性能的有利條件。當然，擴容會隨應力狀體（偏應力與最小主應力大?。┑牟煌霈F(xiàn)差異，也可據(jù)此作為設計合理開采方案/能源儲庫運行工況/核廢料處置庫優(yōu)化設計的依據(jù)。

4 各方法的適用范圍

對于油氣蓋層而言，隨著開發(fā)的逐漸推進，蓋層一般有下沉趨勢，但由于下方仍有孔隙介質(zhì)的儲層支撐，較高的偏應力是難以出現(xiàn)的，因此蓋層僅在垂直儲層方向?qū)儆谧儔毫Γ跈M向則是相當于兩端受剛性約束，與方法2 的測試條件較為類似，故采用變圍壓法（方法2）開展?jié)B透率測試即可。對于能源儲庫蓋層和核廢料處置室圍巖，相比較而言，其應力狀態(tài)就存在較大差異了，由于需要在深部通過一定工藝形成硐室，圍巖中（尤其是臨空面附近）容易產(chǎn)生較高的偏應力的，這種情況下采用方法3測得的滲透率最為有效和可靠。高偏應力/甚至擴容下的結(jié)果可用于表征臨空面附近的滲透演化規(guī)律，而低偏應力下的值則可以反映距離臨空面一定距離的滲透情形。硐室圍巖中剪應力一般隨離臨空面距離的增加而快速衰減，即極度破損的區(qū)域一般不會太大[15]，無法開展三軸壓縮瞬態(tài)法的情況時，可采用方法2 測試。

5 結(jié) 論

（1）常規(guī)滲透測試法（方法1），無法反映地層實際應力狀態(tài)，其結(jié)果高出其他兩種方法3～5個量級，不建議用該方法開展作為深部泥巖的滲透試驗。

（2）深部泥巖的滲透率具有顯著的應力敏感性，采用變圍壓滲透測試法（方法2），可較好地揭示滲透率隨壓力的變化規(guī)律。滲透率主要在最初測試階段時快速下降，而后下降緩慢；圍壓在5～10 MPa 之間時，滲透率低達10-19～10-20m2，屬于典型的低滲介質(zhì)。

（3）三軸壓縮下的瞬態(tài)法測試（方法3）顯示，泥巖滲透率低至10-20～10-21m2，其結(jié)果與方法2（>5 MPa 后）的測試結(jié)果較為接近，說明在未達擴容破壞前，兩種方法均可用有效反映泥巖的滲透率規(guī)律。偏應力高達30 MPa時，泥巖仍未出現(xiàn)擴容，說明該地層泥巖性質(zhì)較好，對封閉極為有利。

（4）對于儲集層蓋層，建議采用方法2 即可有效反映其滲透率演化規(guī)律；對于能源儲庫/核廢料處置室則最好采用方法3，條件不允許時亦可用方法2 的結(jié)果代替。

鑒于滲透特性對于評估泥巖地層密封性能的重要性，大力開展?jié)B透特性研究，尤其是發(fā)展和完善瞬態(tài)法測試技術(shù)，是筆者下一步重點開展、也是極有學術(shù)價值的研究方向。

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