在地下煤矿,shear-induced变化区域流体从断层是一个主要因素造成水侵入到面临工作。剪切滑动沿着先前存在的骨折往往被激活在水力压裂过程中,这个运动可以增强或减弱水力压裂效率。防止突水灾害和进一步的水力压裂,理解shear-induced渗透率的演化在沉积岩的骨折是非常重要的。在这项研究中,在切谷shear-induced渗透性砂岩骨折的进化与三种不同类型的表面粗糙度研究进行三轴剪切试验和检查未修剪的和剪切断裂表面的三维地形。结果使一些重要的结论。(1)骨折的渗透性是三级shear-displacement-dependent进化。磁导率保持不变的稳定阶段。在那之后,渗透率随剪切位移的增加而急剧减小。最后,渗透进入一个稳定的阶段。(2)剪切应力与剪切位移曲线也可以分为三个阶段,即应力调整阶段,一个阶段增加压力,和一个稳定的阶段。 During the experiments, the fractures always experienced stick-slip shear in the stable stage. The oscillations of the shear stress in the stick-slip stage had a higher frequency for fractures with rougher surfaces. In addition, the rougher surfaces exhibited a greater permeability drop after shearing than that shown by smoother fracture surfaces. (3) The 3-D scanning results imply that the coupled effects of grinding (plus scraping) and sealing lead to decreased permeability. During shearing, the fracture walls grind and scrape against each other resulting in partial flattening of the fracture surface and the production of fault gouge in the fracture. This leads in turn to the flow pathways being partially sealed by crushed mineral grains.
在地下煤炭开采,mining-triggered屋顶层的剪切破坏,液压fracturing-induced剪切滑移的先前存在的骨折,和故障slip-activated地下水侵入可能发生如果先前存在的液压和机械平衡条件中断(
岩石断裂倾向于平衡液压和机械条件下保持稳定。强调由矿业重新分配或开挖时,变形事件地层运动或岩石破裂可以被触发。这种变形可以极大地影响骨折的渗透率。断层和裂缝渗透率的空间变异性是复杂的
裂隙岩体的渗透率应力依赖(
裂缝几何也是一个重要因素的膨胀或压缩骨折光阑在剪切(
shear-induced渗透性演化的一部分骨折与孔隙度的开发或破坏,例如,孔隙度增加由于扩张或解散/刮[
晶粒尺寸是一个重要因素,在某些情况下,它是裂缝渗透率的决定性因素。clay-rich样品尤其如此。实验研究发现,粗粒度的凿击是最渗透,圆凿剪切后渗透率降低。相反,细粒度的圆凿在大多数情况下,渗透率较低,但其渗透率剪切后变化不明显(
在这项研究中,我们重点研究的进化在切谷骨折shear-induced渗透率砂岩和基本机制导致渗透率的变化。为此,我们进行了三轴剪切和注水试验,分析了断裂表面剪切前后。本文组织如下。第一个部分描述了样品制备,剪切试验,断裂表面分析方法。接下来,描述测试结果及其影响耦合剪切和裂缝渗透率进行了讨论。此外,剖面测试的结果,用来讨论在剪切渗透率变化的机制。最后,几个重要的结论。
砂岩是用来进行shear-permeability测试。砂岩块(图
样品制备:(a)砂岩块;(b)取心;(c)气缸的直径25毫米和50毫米的高度;(d)减半半圆柱形样本;(e) # 120, # 80,和# 36粒(一个较低的价值意味着粗碳化硅粉,因此暗示一个粗糙表面);(f)由碳化硅粉磨平面表面;(g)地面表面;聚四氟乙烯胶带(h)结合标本。
砂岩的物理和机械性能。
| 单轴抗压强度 | 弹性模量 | 抗拉强度 | 密度 | |
|---|---|---|---|---|
| 物理力学性质 | 64.0 MPa | 9.8 MPa | 3.4 MPa | 2650公斤/米3 |
达到骨折的剪切试验,每个砂岩样品与岩石看到减半纵向形成两个半圆柱(图
shear-permeability测试使用三轴测试系统(图进行
Shear-permeability试验装置。
剪切测试是由以下步骤:(1)放置一个样本中心的三轴细胞,(2)应用3.0 MPa的伺服控制围压和围压泵,(3)提供一个恒定的注射压力为0.25 MPa的喷射泵,(4)剪切一个恒定的剪切速度的样本10
saw-cut-simulated断裂表面的三维重建创建剪切前后使用无触点共焦表面光度仪。的轮廓曲线仪由nanomodule、解调器及相关软件。轮廓曲线仪可以收集3 d数据从一个区域的最大尺寸10毫米×10毫米。0.1
未修剪的三维重建和剪切表面是由将标本放在表面光度仪平台,选择区域扫描、自动设置扫描参数,然后使用profilomtere软件扫描选定的区域。剪切前后的三个标本进行扫描。
立方定律,假设该地区的断裂由有界由两个光滑平行板由恒定距离分开,一直被用来描述流体流过岩石骨折(图
计划平行板之间的流动。
如果稳定、等温流动,流量和压降之间的关系在骨折可以开发从达西定律和表达为
结合方程(
图
Shear-induced砂岩裂缝渗透率演化:(a - 1)剪切反应和渗透率演化# 36粒断裂;(a)剪切反应和渗透率演化# 36粒骨折稳定的剪切阶段;(b - 1)剪力响应和渗透性演化的# 80砂砾断裂;(b - 2)剪切响应和渗透性演化的# 80砂砾骨折稳定的剪切阶段;(颈- 1)剪切反应和渗透性演化的# 120砂砾断裂;(c - 2)剪切响应和渗透性演化的# 120砂砾骨折稳定的剪切阶段。
的剪切stress-displacement曲线切谷骨折可分为三个阶段:(1)压力调整阶段,(2)一个舞台展示增加压力,和(3)一个稳定的剪切阶段。在压力调整阶段,剪切位移曲线的凸性下降;这一阶段持续从0毫米到1毫米位移。在增加压力阶段,剪应力与剪切位移增加升起。这个阶段结束时达到峰值抗剪强度,和随后的阶段是稳定的剪切阶段。
人们普遍承认,其剪切强度断裂的表面粗糙度增加。因此,裂缝在岩石的峰值抗剪强度应该更大断裂与粗糙表面。如前所述在方法部分,部分
最重要的因素影响骨折的剪切行为之间的接触面积的大小和条件骨折。接触区域可以拥有不同类型的粗糙度和孔径,受不同的正常有效应力
shear-induced渗透率的演化骨折与孔隙度和晶粒尺寸的变化有关。在图
在第一个稳定渗透阶段,如图
在渗透率下降阶段,渗透率值大幅降低剪切位移和剪应力增加。这可能是由于表面粗糙度的破坏,降低晶粒尺寸和旋转碎谷物。这些降低渗透率值与故障gouge-grain大小一致的关系报道明天et al。
在第二阶段,稳定振动的渗透率值。在后期的实验中,岩石试样的断口表面平滑,这将导致更少的扰动磁导率与剪切位移曲线。这种变化渗透行为符合不粘滑运动的断裂表面。
图
砂岩的渗透率值前后骨折剪切测试:(一)剪切前后的渗透率值;(b)砂岩的渗透率下降骨折。
未修剪的照片和剪切断裂的表面呈现在图
未修剪的和剪切断裂表面和相应的三维视图:(a) # 36毅力;(b) # 80粒;(c) # 120沙砾。
在剪切过程中,粗糙的断裂表面上地面,粗粮粗糙表面被压成细粉。这导致显著减少骨折孔径和渗透率。这渗透率降低可能与直接流的微观结构演化途径(
正如上面提到的,部分断裂表面的3 d视图是显示在右边的图
测试参数来自3 d扫描的结果。图
表面未修剪的参数和剪切砂岩骨折:(a)算术平均高度
在图
理解shear-induced渗透率的演化与不同类型的粗糙度切谷砂岩骨折,我们提出了一套三个实验的结果。这些结果让shear-permeability进化的机制进行审议,并已得出几个结论:
的剪切stress-displacement曲线切谷骨折可分为三个阶段:压力调整阶段,稳定阶段的压力增大,剪切阶段。同样,相应的permeability-displacement曲线也可以分为三个阶段,即稳定阶段,稳定阶段,降低渗透率,和第二次阶段
在剪切一个粗糙断裂面发生更大的损失。最初的表面粗糙度越大,渗透率越大剪切后下降
磨的耦合效应(+刮)和密封导致渗透率降低。在剪切过程中,断裂墙壁磨和相互刮,这导致部分断裂表面的平整和断裂的断层泥的生产。反过来,这导致流动通路被碎矿物颗粒堵塞
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
作者想表达自己的真诚感谢易方博士(德克萨斯大学奥斯汀分校)在本研究中为他的贡献。这项工作是支持的基础研究基金为中央大学(2017 xkzd06)。