韓澤宇, 王 偉, 牛慶合, 楊金鵬, 何卓冉

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050043;3.河北省金屬礦山安全高效開采技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050043)

砂巖型鈾礦為中國最主要鈾資源類型,加大砂巖型鈾資源開發(fā)力度對(duì)促進(jìn)中國核電發(fā)展以及戰(zhàn)略核力量具有重大意義。地浸開采是砂巖型鈾礦資源的主要開發(fā)方式,對(duì)鈾儲(chǔ)層的滲透率要求較高。為了實(shí)現(xiàn)砂巖型鈾礦高效開采,需對(duì)低滲透儲(chǔ)層進(jìn)行改造。已有研究證明,爆破增滲方法可用于低滲透砂巖鈾儲(chǔ)層改造,并在一定程度上提高了儲(chǔ)層滲透率,但該方法的持續(xù)性效果尚需進(jìn)一步研究。儲(chǔ)層重構(gòu)后賦礦層巖體滲透率隨應(yīng)力和時(shí)間的演化規(guī)律是其涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題。

相關(guān)學(xué)者們通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、分析測試等手段表征了天然裂隙、人造裂隙結(jié)構(gòu)參數(shù),研究了裂隙巖體滲透率演化規(guī)律,并構(gòu)建了相應(yīng)的理論模型,為裂隙巖體滲流行為的預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。BARTON et al[1]首次發(fā)表二維天然裂縫跡線長度的分形測量結(jié)果以來,引起了廣大學(xué)者的關(guān)注,自然裂縫模式表現(xiàn)出分形特征天然地質(zhì)裂隙與統(tǒng)計(jì),為研究裂隙巖石的滲透性提供了一種有效的方法。ANAN et al[2]研究了不同隨機(jī)粗糙曲面在裂隙法向應(yīng)力作用下的滲流特性,說明了不同法向應(yīng)力下裂隙變形特征由裂隙間接觸面積決定,同時(shí)裂隙由于JRC的增大,隙間渦流的強(qiáng)度與面積也隨之增大。李加華等[3]探究了紅層砂巖在加載過程中滲透率演化特征,發(fā)現(xiàn)砂巖的滲透率隨應(yīng)力增加呈線性降低,孔隙率變化表現(xiàn)出明顯的階段性。核磁共振成像可以顯示砂巖內(nèi)部微孔洞和微裂隙的演化過程,并獲得不同應(yīng)力加載過程砂巖孔隙演化規(guī)律。賈群龍等[4]探究了裂隙巖溶介質(zhì)滲透系數(shù)的尺度效應(yīng)及產(chǎn)生機(jī)理,結(jié)果表明,隨著實(shí)驗(yàn)尺度的增大,水平滲透系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加,其與滲透系數(shù)之間的關(guān)系由對(duì)數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)為線性關(guān)系,最終滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。王家華等[5]研究了粗糙度和圍壓對(duì)裂隙巖體滲流的影響,并詳細(xì)闡述了它們對(duì)裂隙砂巖中流量的影響機(jī)理,表明了導(dǎo)水系數(shù)并非定值,其數(shù)值隨著雷諾數(shù)的增大而減小。此外,水力開度隨著圍壓的增大而減小,也將進(jìn)一步影響滲流特性和動(dòng)態(tài)行為。

在有關(guān)理論模型方面上,陶煜等[6]運(yùn)用單裂隙平行板滲流理論、彈性力學(xué)方法,結(jié)合模擬電路知識(shí),提出等效滲流阻的概念,在分析裂隙巖體區(qū)域中主干裂隙系統(tǒng)幾何構(gòu)造的基礎(chǔ)上,建立了基于等效滲流阻的滲流-應(yīng)力耦合模型。ZHAO et al[7]基于巖石彈性理論和有限差分法,建立煤巖裂隙網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)力-應(yīng)變模型,以人工劈裂單裂隙滲流試驗(yàn)參數(shù)為依據(jù),用格子玻爾茲曼方法模擬裂隙中的流體流動(dòng),研究應(yīng)力、裂隙密度、裂隙表面粗糙度與孔徑對(duì)滲流特性的影響。XIAO et al[8]分析了滲流條件下紅砂巖破壞過程中強(qiáng)度、變形與滲透率的變化規(guī)律,并建立了滲透率與應(yīng)力的分段函數(shù)模型。WANG et al[9]根據(jù)中國三峽工程現(xiàn)場勘察,將巖石裂縫幾何參數(shù)通過離散元法(DEM)生成了一系列計(jì)算等效滲透率的二維離散斷裂網(wǎng)絡(luò)(DFN)模型,當(dāng)正方形模型邊長大于40 m時(shí),平行于正方形4條邊方向的滲透率基本達(dá)到穩(wěn)定,并以長作為大尺度模擬的REV單元。王俊奇等[10]基于廣義達(dá)西定律,提出一種新型空間一維環(huán)單元模型來計(jì)算三維裂隙巖體的滲透張量,簡化了以往復(fù)雜的三維面狀流模型。為驗(yàn)證該模型在計(jì)算滲透性方面的可靠性,采用了解析法和數(shù)值模擬法進(jìn)行模型測試,并利用面單元模型對(duì)該模型的精度進(jìn)行校核。

綜上所述,盡管前人已進(jìn)行了大量的探索,但針對(duì)原位地層條件下儲(chǔ)層改造后裂隙巖體滲透率長時(shí)間演化規(guī)律的研究尚不充分。為此,通過對(duì)含單裂隙粗砂巖和含多裂隙粗砂巖在不同應(yīng)力和時(shí)間影響情況下進(jìn)行室內(nèi)滲透率的測量,進(jìn)而研究滲透率的演化規(guī)律,并且對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,以期能為今后的巖體工程建設(shè)提供參考。

1 砂巖滲流試驗(yàn)研究

1.1 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣(直徑50 mm、長度100 mm)。為了避免試樣非均質(zhì)性對(duì)測試結(jié)果的影響,所用試樣均采自同一巖層,且不含原生裂隙。同時(shí),為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,篩選聲波波速相差在5%之內(nèi)的試樣開展研究。

含單裂隙粗砂巖試樣是通過人工剪切造縫的方法來制備,CT掃描圖見圖1(a)。含多裂隙試樣則是采用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)來制備動(dòng)荷載下的含多裂隙粗砂巖試樣,CT掃描圖見圖1(b)。

圖1 單裂隙試樣和多裂隙試樣圖

圖2 巖石三軸多場耦合試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用室內(nèi)巖石三軸多場耦合試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、樣品室、溫控系統(tǒng)、軸壓/圍壓加載系統(tǒng)和注液系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)最大圍壓和孔壓為60 MPa(精度為0.01 MPa),最大軸壓為1 000 MPa(精度為0.1 MPa),最高溫度為150 ℃(精度為0.1 ℃)。試驗(yàn)裝置見圖2。

1.3 試驗(yàn)步驟及計(jì)算方法

具體試驗(yàn)步驟如下:

(1)啟動(dòng)巖石三軸多場耦合試驗(yàn)系統(tǒng)后,預(yù)熱處理約0.5 h,以確保設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和試驗(yàn)結(jié)果的精度和可靠性。

(2)用熱縮管包裹試樣,將試樣安裝至樣品倉。

(3)為了防止液壓油滲入試樣內(nèi)部,使用橡膠管和金屬箍環(huán)對(duì)試樣進(jìn)行密封。

(4)將圍壓腔體移動(dòng)至底座相應(yīng)位置,放置圍壓腔體并擰緊腔體外圍螺絲。

(5)打開軸壓和圍壓的低壓和高壓閥門,同時(shí)打開溢油閥和電機(jī),等待試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部的油液充滿腔體,直到圍壓溢油管路中的油排完,說明圍壓、軸壓腔體內(nèi)的油已充滿。

(6)關(guān)閉試驗(yàn)設(shè)備中的充油按鈕、電機(jī)旋鈕以及圍壓腔體內(nèi)的溢油閥門、低壓和高壓閥門。

(7)分別以3 mL/s和1 mL/s的流量緩慢加載軸壓和圍壓至8 MPa和6 MPa。

(8)待圍壓和軸壓加載好之后加載孔壓至2 MPa,同時(shí)開始第1組滲透率測量。

(9)按照試驗(yàn)方案,重復(fù)步驟(7)、(8),調(diào)整軸壓和圍壓,測試下一組滲透率。

滲透率計(jì)算基于穩(wěn)態(tài)法。通過給試樣兩端施加一個(gè)穩(wěn)定的滲透壓差,通過測量單位時(shí)間內(nèi)通過巖體的流量來獲得試樣的滲透率[11]。

(1)

式中,k為滲透率;Q為單位時(shí)間流量;A為過水?dāng)嗝婷娣e;ΔP為上下游壓差;L為滲流路徑長度;μ為水的動(dòng)力黏度。

1.4 試驗(yàn)方案

1.4.1 滲流-應(yīng)力試驗(yàn)方案

為了研究改造后賦礦層條件下滲透率演化規(guī)律,本次試驗(yàn)考慮軸壓、孔壓和圍壓對(duì)試樣滲透率的影響,具體試驗(yàn)方案見表1。按照該方案首先進(jìn)行單裂隙試樣滲透率測試,其次開展含多裂隙試樣滲透率測試。

表1 裂隙試樣滲流-應(yīng)力試驗(yàn)方案 MPa

為了分析軸壓、圍壓和孔壓對(duì)試樣滲透率的影響程度,引入了滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)和滲透率相對(duì)變化幅度。

滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)[12]為

(2)

式中,C為滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù);kn第n應(yīng)力狀態(tài)下的滲透率,對(duì)應(yīng)的C分別為軸壓、孔壓與圍壓的滲透率敏感性系數(shù);kn+i+1為第n+i+1應(yīng)力狀態(tài)下的滲透率;σn+i+1為第n+i+1應(yīng)力;σn+1為第n+1應(yīng)力。

滲透率相對(duì)變化幅度[13]為

(3)

式中,ku為滲透率相對(duì)變化幅度。

1.4.2 滲透率-時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn)方案

為了能夠更真實(shí)地模擬地質(zhì)條件下的巖石變形過程,提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和適用性,該試驗(yàn)中應(yīng)力采用地下800 m深度的應(yīng)力狀態(tài)[14],即軸壓為21.6 MPa、圍壓為17.05 MPa,孔壓為2 MPa。

滲透率-時(shí)間效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)間均為168 h。0～12 h內(nèi),以每2 h的時(shí)間間隔對(duì)試樣進(jìn)行滲透率測量,之后由于滲透率變化過小,以每12 h的時(shí)間間隔對(duì)試樣進(jìn)行滲透率測量。

2 分析與討論

2.1 軸壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規(guī)律

圖3 試樣滲透率隨軸壓變化規(guī)律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨軸壓演化關(guān)系見圖3。試驗(yàn)中孔壓為2 MPa,圍壓為6 MPa,隨著軸壓從8 MPa增加至16 MPa。單裂隙試樣滲透率呈線性下降,滲透率從7.43 mD下降到4.97 mD;多裂隙試樣滲透率則呈指數(shù)型下降,滲透率從16.04 mD下降到14.59 mD。其中含單裂隙試樣的滲透率變化幅度為-7.3%、-9.1%、-9.9%、-11.9%,多裂隙試樣的滲透率變化幅度為-4.9%、-2.5%、-1.5%、-0.5%。根據(jù)滲透率對(duì)比得出,在軸壓影響下,多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。

由于多裂隙試樣中的裂隙滲透率通道數(shù)量較多,因此該試樣擁有更高的滲透率。在軸壓為12～16 MPa之間,多裂隙試樣的滲透率變化趨勢相較于單裂隙試樣更加平緩,這種現(xiàn)象是因?yàn)楫?dāng)多裂隙試樣的裂縫寬度達(dá)到一定程度時(shí),由于法向方向上的應(yīng)力限制,裂縫無法再繼續(xù)擴(kuò)張,因此滲透率變化也會(huì)逐漸變得平緩。

單裂隙滲透率軸壓敏感性系數(shù)分別為0.036、0.042、0.043、0.045,多裂隙滲透率軸壓敏感性系數(shù)分別為0.024、0.018、0.007、0.002。根據(jù)軸壓敏感性系數(shù)得出,單裂隙試樣對(duì)軸壓的敏感程度明顯高于多裂隙試樣,且隨著軸壓的增大,單裂隙試樣的敏感性系數(shù)逐漸升高,多裂隙試樣的敏感性系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)槎嗔严对嚇拥牧严犊臻g更為復(fù)雜,裂隙之間的連通性較差,導(dǎo)致試樣的敏感性相對(duì)較小。

2.2 孔壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規(guī)律

圖4 試樣滲透率隨孔壓變化規(guī)律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨孔壓演化關(guān)系見圖4。此時(shí)試驗(yàn)中軸壓為16 MPa,圍壓為6 MPa,隨著孔壓從2 MPa增加至4 MPa,單裂隙試樣呈線型上升,滲透率從4.97 mD上升到6.40 mD;多裂隙試樣則呈指數(shù)型上升,滲透率從14.57 mD上升到16.68 mD。其中單裂隙試樣滲透率相對(duì)變化幅度分別為5.2%、5.5%、5.4%、10.0%,多裂隙試樣滲透率相對(duì)變化幅度分別為0.5%、2.0%、3.2%、8.7%。通過對(duì)比2個(gè)試樣在孔壓影響下的滲透率,得出多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。此外,隨著孔壓的增加,單裂隙試樣和多裂隙試樣的滲透率會(huì)先緩慢增加,然后迅速增加。

在孔壓的影響下,單裂隙試樣滲透率變化趨勢主要與以下2個(gè)方面相關(guān)。就孔隙結(jié)構(gòu)變化而言,當(dāng)孔壓為2～3 MPa之間,單裂隙試樣中的孔隙接近或被完全壓實(shí),再施加更高的孔壓時(shí),這些裂隙有可能重新打開,導(dǎo)致滲透率急劇增加。從流體流動(dòng)變化來看,一旦孔隙中的水壓力達(dá)到一定程度,局部斷層和渦流就會(huì)形成,這也會(huì)導(dǎo)致滲透率突然增加。

就多裂隙試樣而言,孔壓從2 MPa加載至3 MPa過程中,多裂隙試樣的滲透率變化幅度較小。其原因在于此時(shí)的孔壓仍處于較小值,并未完全打通多裂隙試樣中的滲流通道。孔壓從3 MPa加載至4 MPa過程中,隨著孔壓的增大,原本被抑制壓實(shí)的裂隙面逐漸張開,滲流吼道也逐漸暢通,水通過裂隙的能力也逐漸增強(qiáng),因此試樣滲透率呈現(xiàn)上升的趨勢,且上升幅度逐漸增大。

單裂隙滲透率孔壓敏感性系數(shù)為0.105、0.117、0.121、0.233,多裂隙滲透率孔壓敏感性系數(shù)為0.003、0.040、0.066、0.184。由孔壓敏感性系數(shù)得出,多裂隙試樣對(duì)孔壓的敏感程度低于單裂隙試樣。隨著孔壓的增加,2個(gè)試樣的滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢增大后快速增大的變化趨勢。

2.3 圍壓影響下單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率演化規(guī)律

圖5 試樣滲透率隨圍壓變化規(guī)律及擬合公式曲線圖

試樣滲透率隨圍壓演化關(guān)系見圖5。試驗(yàn)中軸壓為16 MPa,孔壓為4 MPa,隨著圍壓從6 MPa增加至14 MPa,單裂隙試樣呈指數(shù)型下降,滲透率從6.40 mD下降到2.12 mD;多裂隙試樣則呈直線型下降,滲透率從16.68 mD下降到7.32 mD。單裂隙試樣滲透率相對(duì)變化幅度分別為-36.7%、-16.3%、-21.5%、-20.3%,多裂隙試樣滲透率相對(duì)變化幅度分別為-12.2%、-19.8%、-22.5%、-19.6%。在圍壓影響下,通過比較2種試樣的滲透率得知,多裂隙試樣的滲透率高于單裂隙試樣的滲透率。其中單裂隙試樣隨著圍壓的增加,滲透率呈現(xiàn)先顯著降低后緩慢降低的趨勢;多裂隙試樣的滲透率則呈現(xiàn)下降趨勢,其滲透率變化幅度先上升后下降。

2個(gè)裂隙試樣隨著圍壓的增加,其滲透率均呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于隨著有效圍壓不斷增大,裂隙中一些支撐作用的隆起和鋸齒被擠壓甚至碾碎,使得裂隙接觸面積逐漸增大。巖屑也會(huì)因此脫落,并隨著流體移動(dòng)發(fā)生堆積現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致裂隙滲流通道的截面變小,使得阻滲能力逐漸增大,從而導(dǎo)致滲透率進(jìn)一步減小[15]。而多裂隙粗砂巖中存在更多的小裂隙和孔隙,這些小裂隙和孔隙能夠提供更多的滲流通道。單裂隙試樣只有一個(gè)裂縫,因此當(dāng)圍壓增加時(shí),單裂隙試樣的裂隙會(huì)更有效地閉合,使得單裂隙試樣的滲透率下降更快。

單裂隙滲透率圍壓敏感性系數(shù)分別為0.184、0.052、0.057、0.042,多裂隙滲透率圍壓敏感性系數(shù)分別為0.061、0.087、0.079、0.054。根據(jù)圍壓敏感性系數(shù)得知,與多裂隙試樣相比,單裂隙試樣對(duì)圍壓更為敏感。隨著圍壓的增加,單裂隙試樣的敏感性系數(shù)先迅速降低,然后緩慢下降;而多裂隙試樣的敏感性系數(shù)則是先上升后下降。

2.4 砂巖滲透-時(shí)間試驗(yàn)

圖6 裂隙粗砂巖滲透率隨時(shí)間演化試驗(yàn)值及擬合公式曲線圖

采用對(duì)單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖滲透率變化的時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行研究,單裂隙試樣和多裂隙試樣的滲透率隨時(shí)間演化見圖6。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,多裂隙試樣的滲透率始終高于單裂隙試樣滲透率。單裂隙試樣和多裂隙試樣測量數(shù)據(jù)擬合曲線為指數(shù)型曲線,相關(guān)系數(shù)均為0.98,與測量數(shù)據(jù)擬合良好。單裂隙試樣滲透率隨時(shí)間演化主要呈3個(gè)階段,在第1階段(前48 h),滲透率快速降低;在第2階段(48～108 h),滲透率緩慢降低;第3階段到了108 h之后,滲透率趨于穩(wěn)定。以試驗(yàn)開始時(shí)的滲透率測試值為基準(zhǔn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,在第1階段末尾,試樣的滲透率減少幅度達(dá)到了40%;在第2階段末尾,減少幅度達(dá)到了47%;在整個(gè)試驗(yàn)過程中,滲透率減少幅度達(dá)到了48%。這說明單裂隙試樣的滲透性能受時(shí)間因素的影響較大,并且其滲透率隨著時(shí)間的推移而不斷降低。

多裂隙試樣滲透率隨時(shí)間變化也可以分為3段。第1階段:0～24 h,滲透率降低較快,在第24 h滲透率降低幅度為8%;第2階段:24～132 h,滲透率降低緩慢,在第132 h滲透率降低幅度為22%;第3階段:132～168 h,滲透率趨于穩(wěn)定,最終滲透率降低幅度為22%。

在試驗(yàn)前24 h內(nèi),單裂隙試樣的滲透率下降幅度大于多裂隙試樣。其主要原因是制造多裂隙試樣時(shí)采用的SHPB方法未能生成完全貫通的裂隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致填充物大量存在于多裂隙試樣中,影響了試樣的滲透性能。相比之下,單裂隙試樣中的裂隙結(jié)構(gòu)更加貫通,因此在24 h內(nèi)其滲透率的變化幅度更大。隨著時(shí)間的推移,2種裂隙試樣的滲流通道變形逐漸穩(wěn)定,滲透率變化幅度低于1%,因此試樣的滲透率趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

分別對(duì)單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖進(jìn)行滲流-應(yīng)力和滲流-時(shí)間試驗(yàn),對(duì)比了2種裂隙粗砂巖的滲透率變化。研究了2種裂隙粗砂巖的滲透率隨軸壓、孔壓、圍壓和時(shí)間的演化規(guī)律,并通過滲透率應(yīng)力敏感性公式討論了軸壓、孔壓和圍壓對(duì)滲透率影響的大小。主要結(jié)論如下:

(1)多裂隙粗砂巖無論在應(yīng)力還是時(shí)間的影響下,其滲透率均高于單裂隙粗砂巖滲透率,但多裂隙粗砂巖的滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)低于單裂隙粗砂巖的滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù),且同一種類型的裂隙粗砂巖滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)存在孔壓>圍壓>軸壓這一關(guān)系。

(2)單裂隙粗砂巖受到不同應(yīng)力條件的影響,其滲透率隨軸壓增大而降低,隨孔壓增大先緩慢增加后迅速增加,隨圍壓增大先顯著降低后緩慢降低;單裂隙粗砂巖的滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)會(huì)隨軸壓的增加而增大,隨孔壓增加先緩慢增大后快速增大,隨圍壓增加先快速降低然后緩慢降低。

(3)多裂隙粗砂巖受到不同應(yīng)力條件的影響,其滲透率隨軸壓增大先快速降低后緩慢降低,隨孔壓增加先緩慢增加后迅速增加,隨圍壓增大而降低;多裂隙粗砂巖的滲透率應(yīng)力敏感性系數(shù)隨軸壓增加而降低,隨孔壓增加先緩慢增大后快速增大,隨著圍壓增加先上升后下降。

(4)在滲流-時(shí)間試驗(yàn)中,多裂隙試樣的滲透率始終高于單裂隙試樣滲透率。而單裂隙粗砂巖和多裂隙粗砂巖的滲透率隨時(shí)間演化主要呈3個(gè)階段,第1階段滲透率快速降低,第2階段緩慢降低,第3階段趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)開始的24 h內(nèi),單裂隙粗砂巖的滲透率降低幅度比多裂隙粗砂巖大。之后隨著時(shí)間的變化,2種粗砂巖的滲透率逐漸穩(wěn)定。