胡江春 魯家濠 孫光林 王紅芳 孫路革

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.河南省環(huán)境巖土工程與地下工程災(zāi)害控制工程研究中心，河南 鄭州 450007；3.中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引 言

頁(yè)巖氣是全球重要的非常規(guī)天然氣資源［1］，頁(yè)巖氣的開采涉及到頁(yè)巖多相介質(zhì)裂縫發(fā)育、流體固體相互作用，以及裂縫的時(shí)間、空間跨越因素［2］。頁(yè)巖致密性條件約束下的滲流特性也是當(dāng)前研究的重要內(nèi)容［3］。宋付權(quán)等［4-5］做頁(yè)巖薄片實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到水會(huì)優(yōu)先沿著頁(yè)巖裂縫流動(dòng)，水的滲流作用也會(huì)促使頁(yè)巖產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生的裂縫也會(huì)進(jìn)一步提高頁(yè)巖的滲流能力，壓力作用下頁(yè)巖飽水度越高，頁(yè)巖裂縫發(fā)育和滲流作用越強(qiáng)。李亞龍等［6］采用等效縫網(wǎng)模型及改進(jìn)滲流模型很好地預(yù)測(cè)了頁(yè)巖氣產(chǎn)能。亓倩等［7-8］認(rèn)為微裂縫的幾何尺寸和滲透性質(zhì)與頁(yè)巖氣產(chǎn)量密切相關(guān)。吳明錄等［9］應(yīng)用分形理論方法研究了頁(yè)巖裂縫空間幾何性態(tài)與滲流特征的關(guān)系。

電化學(xué)交流阻抗譜結(jié)構(gòu)特征可以用于表征巖石特性狀態(tài)，交流電信號(hào)也可以反映物理性質(zhì)［10］，電化學(xué)測(cè)試手段不僅在巖石隱性裂紋研究方面取得進(jìn)展［11］，還可對(duì)不同損傷狀態(tài)下砂巖阻抗譜曲線進(jìn)行參數(shù)分析［12］。王東等［13］應(yīng)用直流電場(chǎng)研究了電化學(xué)作用對(duì)蒙脫石膨脹性的作用規(guī)律。柴肇云等［14-15］基于泥巖相似材料開展了電極材料的電化學(xué)改性試驗(yàn)，得出其實(shí)質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)電效應(yīng)，電化學(xué)作用也會(huì)對(duì)泥巖的孔隙和力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

電化學(xué)能很好地監(jiān)測(cè)頁(yè)巖內(nèi)部致裂和滲流狀態(tài)，因此，本項(xiàng)目采用巖石電化學(xué)試驗(yàn)的方法，針對(duì)頁(yè)巖相似材料爆破裂縫滲流阻抗值進(jìn)行測(cè)試，研究4種不同炸藥劑量致裂發(fā)育條件下滲流阻抗值的變化特性，以期獲得裂縫滲流對(duì)頁(yè)巖相似材料的作用規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制作

采用河砂、水泥、石膏粉和水，分別以質(zhì)量2∶1∶0.36∶0.36進(jìn)行配比來(lái)模擬頁(yè)巖材料［16］，攪拌均勻后，倒入涂有脫模劑的模具內(nèi)，模具長(zhǎng)×寬×高=150 mm×150 mm×150 mm。制作頁(yè)巖相似材料時(shí)，預(yù)埋導(dǎo)電極，預(yù)留爆破孔、入水管和出水管（圖1），預(yù)留爆破孔尺寸為20 mm×20 mm×150 mm。

1.2 試驗(yàn)方案

首先，取A、B、C、D共4組養(yǎng)護(hù)好的頁(yè)巖相似材料，在頁(yè)巖相似材料表面涂抹防水膠并用塑料罩將頁(yè)巖相似材料包裹嚴(yán)密。其次，在爆破孔內(nèi)放置4種不同劑量的炸藥，A～D放置炸藥量依次為1個(gè)單位、2個(gè)單位、3個(gè)單位和4個(gè)單位。安放好爆破防護(hù)罩后對(duì)頁(yè)巖相似材料進(jìn)行爆破，在爆破動(dòng)力作用下頁(yè)巖相似材料裂紋發(fā)育。然后，如圖2所示，對(duì)相似材料從入水管加壓注水，水流從出水管流出，水流也沿著爆破裂紋滲透流動(dòng)。最后，試驗(yàn)采用CHI660E電化學(xué)工作站實(shí)時(shí)測(cè)試頁(yè)巖相似材料的交流阻抗譜。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)滲流試驗(yàn)前和滲流試驗(yàn)2 h、4 h、6 h、8 h共5種情況，分別對(duì)4組爆破后的頁(yè)巖相似材料進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，分析得出所對(duì)應(yīng)的Nyquist圖和Bode圖。

2.1 頁(yè)巖相似材料的Nyquist圖變化規(guī)律

對(duì)于試驗(yàn)中不同頻率下所得到的阻抗結(jié)果，就可以在坐標(biāo)軸中繪出不同頻率下頁(yè)巖相似材料的阻抗實(shí)部Z'和阻抗虛部Z"。圖3（a）所示，在爆破完成滲流試驗(yàn)前，A、C、D 3組頁(yè)巖相似材料隨著頻率的變化大致處于一個(gè)相似的階段，B組Nyquist曲線與其他3組存在差異性的原因，在于頁(yè)巖模型爆破強(qiáng)度不同導(dǎo)致A～D組頁(yè)巖相似材料之間的不同。圖3（b）所示，滲流試驗(yàn)2 h，4組頁(yè)巖相似材料的阻抗開始出現(xiàn)差異性變化，隨著頻率的增加，各組巖石模型的阻抗值之間的差距也開始加大，阻抗值大小關(guān)系表現(xiàn)為A＞B＞C＞D。圖3（c）所示，滲流試驗(yàn)4 h，D組頁(yè)巖相似材料與其他3組模型表現(xiàn)出明顯差異性，即在低頻段，D組阻抗的實(shí)部小于6 kΩ，遠(yuǎn)低于其他3組頁(yè)巖模型。圖3（d）所示，滲流試驗(yàn)6 h，C組頁(yè)巖相似材料也發(fā)生了較為明顯的變化，即各頻段內(nèi)的阻抗實(shí)部值和阻抗虛部值均有減?。淮藭r(shí)，C組和D組阻抗隨頻率變化趨勢(shì)一致，A組和B組阻抗隨變頻變化趨勢(shì)一致。圖3（e）所示，滲流試驗(yàn)8 h，隨著滲流時(shí)間的延長(zhǎng)，與滲流開始前相比，A～D 4組頁(yè)巖模擬材料均發(fā)生了明顯變化。從圖3（e）可見，B、C和D組阻抗曲線性態(tài)更為相似，A組與其他3組不同，低頻段A組阻抗也大于其他3組頁(yè)巖模型阻抗值，各頻段D組模型阻抗最小。

2.2 頁(yè)巖相似材料的Bode圖變化規(guī)律

記Z為阻抗，F(xiàn)為頻率，將lgF作為橫坐標(biāo)，再分別將lgZ、相位角φ作為縱坐標(biāo)繪制出Bode圖。圖4（a）所示，在爆破完成滲流試驗(yàn)前，除B組的lgZ—lgF、φ—lgF曲線外，A、C和D的lgZ—lgF、φ—lgF曲線是一致的。圖4（b）所示，在滲流試驗(yàn)2 h，隨著頻率的增加，相位角曲線的變化趨勢(shì)是一致的，4組頁(yè)巖相似材料lgZ的大小關(guān)系為A＞B＞C＞D。圖4（c）所示，在滲流試驗(yàn)4 h，低頻段，D組頁(yè)巖相似材料的相位角大于其他3組頁(yè)巖相似材料的相位角，在中高頻段4組相位角又趨于一致。圖4（d）所示，在滲流試驗(yàn)6 h，A、B 2組材料的相位角性態(tài)一致，C、D 2組材料的相位角性態(tài)一致。圖4（e）所示，在滲流試驗(yàn)8 h，隨著頻率的變化，A～D組相位角曲線性態(tài)一致，在低頻段各組相位角差距較大，隨著頻率的增加，相位角的差距逐漸減小。滲流試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間內(nèi)，4組頁(yè)巖相似材料的lgZ—lgF曲線性態(tài)基本一致。

2.3 阻抗模值變化規(guī)律特征

圖5中，A、B、C、D 4組頁(yè)巖相似材料的阻抗模值均隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，表明隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)，頁(yè)巖相似材料的阻抗模值是減小的。相同時(shí)間滲透時(shí)，各組阻抗模值的大小關(guān)系為A＞B＞C＞D。由于炸藥使用量關(guān)系為A＜B＜C＜D，導(dǎo)致4組頁(yè)巖相似材料裂縫發(fā)育關(guān)系為A＜B＜C＜D，也表明了裂縫越是發(fā)育，阻抗幅值越小的規(guī)律。從阻抗模值曲線性態(tài)來(lái)看，各組頁(yè)巖相似材料阻抗模值減小過(guò)程中也表現(xiàn)出差異性，主要體現(xiàn)在相同滲透時(shí)間內(nèi)，各組阻抗模值的減小值大小是不同的，也表明了阻抗模值與裂縫發(fā)育狀況的非線性關(guān)系。

3 結(jié) 論

（1）頁(yè)巖相似材料爆破后滲流試驗(yàn)前，4組頁(yè)巖相似材料的阻抗模值、Nyquist圖和Bode圖具有一定的一致性。

（2）滲流試驗(yàn)開始后，爆破所產(chǎn)生的裂縫和水體滲流作用會(huì)對(duì)頁(yè)巖相似材料的Nyquist圖和Bode圖產(chǎn)生影響，且影響強(qiáng)度隨著滲流時(shí)間的增長(zhǎng)和裂紋發(fā)育的程度有關(guān)。