GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/9030484 9030484 研究文章 破碎岩石的渗透率实验在不同的压力条件下与粗糙表面 周 乎 1 张 京 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3905 - 5514 蔡 鑫 1 王 Shanyong 2 杜 陈雪明 3 藏 Haizhi 1 2 阴 钱 1 资源与安全工程学院 中南大学 长沙410083 中国 csu.edu.cn 2 教师的工程和建筑环境 弧卓越中心岩土科学和工程 纽卡斯尔大学的 卡拉汉的2308 澳大利亚 newcastle.edu.au 3 水利与环境工程学院 郑州大学 郑州450001 中国 zzu.edu.cn 2020年 1 6 2020年 2020年 24 2 2020年 20. 5 2020年 1 6 2020年 2020年 版权©2020周乎et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

调查下岩石渗透率变化和断裂机制的动态和静态应力产生的地震,在破碎岩石渗透率实验与粗糙表面轴向进行了动态和静态应力在MTS815岩石力学测试系统。表面粗糙了通过扫描前后的试样表面测试。结果表明,断裂表面的粗糙度对渗透率有很大的影响,当轴向位移是不足以导致岩石破裂滑动。此外,粗糙断裂面导致强烈的表面损伤的泥产品。圆凿材料粗糙度较大断裂表面的积累会导致渗透率下降缓慢。断裂表面经历更大的退化,但小挖材料断裂表面上的权重后测试下轴向动应力。原因是挖材料运输和动员往往发生在动态加载的过程。因此,渗透率下降的轴向动应力大于轴向静应力。

 毕业学生的研究和创新基金项目湖南省 2019年zzts079 CX20190135 湖南省科技计划项目 2019年rs3001 中国国家自然科学基金 41772313 1。介绍

渗透率的岩石断裂是流体过滤速度和粒子动员 1]的主要参数和裂隙岩体的安全属性 2]。渗透率随粗糙度的变化( 3)和泥的生产材料( 4),当发生断裂的变形压力下( 5- - - - - - 7]。众所周知,破碎岩石通常是受到重大地震产生的动态和静态压力( 8- - - - - - 19]。因此,破碎岩石的渗透率变化和机制下的动态应力和静态应力预测地震活动非常重要。

渗透率的变化引起的各种机制,包括清理毛孔堵塞骨折,骨折孔径的变化,和粒子动员,在静态压力一直在观察现场和实验室。一些研究人员发现裂缝的渗透率随有效增加静态压力( 20.- - - - - - 26]。Vogler等人发现挖材料生产可能造成堵塞的主要流体流动通道,导致渗透率的降低了一个数量级( 4]。赵等人研究了裂缝的渗透率随有效应力降低光阑,和断口粗糙度的影响渗透率与有效应力的大小( 27]。吴等人测量粗糙度和渗透率与有效应力下降。天然裂缝的渗透率只是部分恢复有效应力后回到初始值,减少由于生产圆凿阻塞流体通路( 3]。

一些研究表明,动态压力可以导致严重的疲劳损伤或岩石的失败甚至当应力水平明显低于静强度( 28- - - - - - 31日),可以改变磁导率。布罗德斯基( 32)和Elkhoury et al。 33)发现遥远的地震甚至可能增加渗透率在故障排除障碍的骨折。雪et al。 34和史和王 35研究,在大地震之后,地震的断层带渗透率是暂时性的增加,因为产生骨折在汶川地震损伤故障。Faoro et al。 36]显示瞬态的有效渗透率增加膨胀引起的岩体的断裂孔径与流体压力在实验室规模。烛光et al。 37]进行了瞬态流体压力在岩石断裂通常包括渗透性增加和归因于动员微粒在实验室实验。此外,一些研究发现,地震可能会降低渗透率( 38- - - - - - 40]。例如,史等人发现断层带的地震导致的渗透率降低减少了充电从深层热水 39]。鉴于遥远的地震的方位分布,观察到的渗透率降低可能是由于地震海浪引发骨折堵塞组成浅层地壳的流动路径( 40]。Shmonov et al。 8)应用振荡压力unfractured核在高围压和温度,发现渗透率更有可能增加。刘和漫画 41)进行了类似的实验已经破碎砂岩岩心饱和与去离子水和显示骨折的渗透率砂岩可能减少在动态应力的影响。各种机制一直试图解释渗透率的增加引起的动态应力引起的通过地震波( 40]。然而,这些机制知之甚少,因此,很难预测渗透率增加或减少压力动态和静态压力。

在这项研究中,实验的轴向动应力和静态应力对渗透率的影响进行了在MTS815岩石力学测试系统。断口粗糙度的变化研究了通过扫描样品表面测试之前和之后。渗透率特征在轴向动应力和轴向静应力分析了考虑裂缝表面的粗糙面退化和破碎物材料。这提供了信息生产的影响,运输,和流动员挖材料动态应力下渗透率变化。

 2。测试准备 2.1。样品制备

岩石材料在这项研究中的应用是一个细粒度砂岩收集西北的昆明,云南省。进行了一系列的初步测试标准岩石样本,以确定关键的砂岩的力学参数,如杨氏模量(34 GPa),泊松比(0.3),和单轴抗压强度(86 MPa)。

所有样本提取从一个单一的砂岩板最小化属性的变化( 42]。然后,样品被生产成圆柱几何直径50毫米和100毫米的长度。每个样本分割30度角对轴表面形成断裂,如图 1(一)。随后,一个钻孔与3毫米直径钻孔轴向平行,每个角落的一半来促进流体从核心持有者骨折(图 1 (b))。后,样品被浸泡在饱和水超过12小时。

(a)草图的破碎岩石样本和(b)一个粗略的断裂流体流动的水井。

 2.2。表面粗糙度测量

断裂表面特征与生产的光学三维扫描仪扫描傻子(阿托斯三世三重扫描)。阿托斯核心传感器项目对象表面的边缘模式,记录下两个摄像头。模式形成一个基于相移正弦强度分布使一个计算三维(3 d)表面。摄影测量扫描与两个测试校准。一个球体的直径和形状和两个球之间的距离安装在板与摄影测量扫描测量,实现校准误差和精度。所有设备用于校准傻子是专门开发的公司,生产的扫描仪。整体扫描精度小于0.01毫米的扫描范围内 One hundred. × 75年 米 米 2 ,和长度偏差错误在0.009和0.027毫米之间。测量分辨率 3692年 × 2472年 像素的优化校准偏差 0.014 ± 0.001 像素。此外,拉伸与高度的骨折骨折准备仔细匹配;因此,关节骨折的匹配系数接近1.0。所以我们只使用一个裂缝中每个样品表面扫描轮廓测试之前和之后。三维扫描后,某某文件格式的数字化数据导出估计断口粗糙度。表面粗糙度参数, Z 2 的均方根斜率的2 d剖面,被广泛用于与联合研究中心的价值( 43- - - - - - 46]。二维剖面, Z 2 是由 (1) Z 2 = 1 n − 1 Δ x 2 ∑ 我 = 1 我 = n − 1 Z 我 + 1 − Z 我 2 0.5 , (2) 联合研究中心 = 61.79 Z 2 − 3.47 , 在哪里 Z 2 的均方根斜率给定的2 d剖面, n 是数据点的数量在2 d剖面, Δ x 数据点之间的时间间隔, Z 我 的值是粗糙高度点吗 我 和联合粗糙度系数JRC是。

许多先前的研究,0.5毫米的间隔采样点选择估计粗糙度( 43- - - - - - 46]。陶瓷的断裂表面上的每个概要文件使用方程(2),计算平均值的联合研究中心的计算描述表中列出的断裂表面的粗糙度 1。他们是一组典型粗糙度配置文件,如图10 2。JRC Ss-1样本的值和均值Sd-1属于粗糙度概要文件类型4的样品Ss-2 Sd-2粗糙度概要文件类型5,和样品Ss-3和Sd-3粗糙度的概要文件类型10。相同的过程是反复测试后受损的表面分析表面变化发生在实验和比较这些变化在渗透率实验。

测试参数压力条件。

样本 意味着JCR价值 粗糙度概要文件类型 子集 σ 3 (MPa) Fs (MPa) Fd (MPa) 周期 f (赫兹)
Sd-1 6.26 4 1 5 10 0.25 One hundred. 1
2 1.25
3 2.5
4 3.75
5 5
Sd-2 9.256 5 1 5 10 0.25 One hundred. 1
2 1.25
3 2.5
4 3.75
5 5
Sd-3 19.35 10 1 5 10 0.25 One hundred. 1
2 1.25
3 2.5
4 3.75
5 5
Ss-1 7.025 4 1 5 5 0 One hundred. 0
2 7.5
3 10
4 12.5
5 15
Ss-2 9.135 5 1 5 5 0 One hundred.
2 7.5
3 10
4 12.5
5 15
Ss-3 20. 10 1 5 5 0 One hundred. 0
2 7.5
3 10
4 12.5
5 15

10个典型的粗糙度概要文件显示联合研究中心的值的范围( 44]。

 2.3。实验装置和程序

所有实验在伺服控制岩石力学测试系统(MTS815)住在中南大学高级研究中心。系统包括五个主要单位:三轴细胞,加载单元,一个供水单位、变形和压力监测单元和数据采集单元。系统的最大承载能力是4600 kN。最大的围压和孔隙水压力是140 MPa。样品的轴向变形测量由一对变量线性位移传感器(线性)。系统配置了一个瞬态脉冲器汽缸的渗透率测试岩石标本。渗透性是衡量一个压力脉冲衰减法测试方法如图 3。

瞬态渗透系统的示意图。

两套房的渗透率实验进行了断裂的岩石上。在轴向动态测试套件的实验中,三组(Sd-1、Sd-2 Sd-3)的测试设计。实验过程包括以下步骤:

每个样本都被包裹在一个聚四氟乙烯磁带,以避免开放骨折的滑移当施加围压应力和上肢内侧的静态压力。然后,样本压密封在热收缩塑料薄膜封闭液分离样本。之后,岩石样本放置在三轴细胞充满液压油

围压应力( σ 3 )和静态轴向应力( σ 年代 )先后增加了设计水平恒加载速率为0.1 MPa / s。他们分别设定在5 MPa和10 MPa在所有测试和整体测试期间保持不变

五分钟后,样品和加载系统变得稳定。连续轴向正弦波应用于样品的顶部由一个刚性加载酒吧。实际的轴向应力的叠加静态预应力和循环应力 (3) σ sd = σ 年代 + σ d 罪 2 π f t , 在哪里 σ sd 是叠加轴向应力, σ 年代 是静态轴向压力, σ d 动态轴向应力的幅值, f 是频率, t 是时候了。初步测试压缩断裂岩石样本表明,滑移的临界轴向压力的围压下的样本5 MPa是15 MPa。因此,应该限制叠加轴向压力低于临界压力。在这项研究中,表中列出的轴向应力是独立变量 1。三组测试被设计根据动态应力的振幅,即。,0.25,1.25,2.5,3.75,5 MPa。加载路径与绘制在图1赫兹的频率 4

样品受到100次后的动态扰动,循环荷载停止,然后,围压和静态轴向应力仍维持在5 MPa和10 MPa。然后,初始水压力应用于上游和下游水库、加载速率为0.2 MPa /分钟。接下来,上游水库的水压力突然增加到形成一个压差(即。,an initial pulse pressure) which makes the water flow from the top to the bottom through the fracture, as shown in Figure 3。脉压的时间( Δ P 随着时间的推移)下降,直到达到平衡。这是由两个压力自动监测和记录水箱的量规。因此,渗透率的骨折可以获得(参见示例 2.4)

加载路径的示意图。

在轴向静态测试套件的实验中,三组(Ss-1、Ss-2 Ss-3)的测试设计。在每个实验中,轴向应力从5到15 MPa在步骤2.5 MPa,和围压保持在5 MPa是列在表中 1。破碎岩石的渗透率测量在每个轴向载荷。

 2.4。磁导率测量

岩石渗透率可以用稳态方法,测量流量的流体通过一个示例是一个已知的液压压力梯度的测量。当渗透率很低,然而,可能需要很长时间建立一个稳定状态。这种方法是基于小步的衰减变化的分析试样的一端施加的压力。在这项研究中,压差后沿断层面实现压力测量步;然后,计算渗透率( 3] (4) k = c l μ 一个 2 P 米 1 / V 1 + 1 / V 2 , 在哪里 P 米 的平均值吗 P V 1 和 P V 2 , P V 1 和 P V 2 上游和下游压力, μ 是水粘度( 1.01 × 10 − 3 巴勒斯坦权力机构 · 年代 ), l 之间的距离两个钻水井沿着断层平面, 一个 2 骨折的横截面积, V 1 和 V 2 上游和下游水库卷( V 1 = V 2 = 3.32 × 10 − 7 米 3 MTS实验装置如图 3), c 率的变异率的时间脉冲压力随着时间的推移,它可以决定根据时间的发展脉压( Δ P )。撑et al。 47和张成泽等。 48)表明,脉压指数随着时间变弱 (5) Δ P t = P 0 e − c t + c 0 , 在哪里 P 0 是初始脉冲压力的时间吗 t = 0 和 c 0 是一个拟合常数。图 5介绍了脉冲压力和时间变化的时间。可以看出时间脉压的衰减模型(方程( 5)匹配测试数据的趋势。显然,系数 c 是0.0021。

一个代表性的差压与流量时间曲线。

 3所示。结果和讨论

我们的数据表明,(1)渗透率的变化与轴向压力、负相关(2)渗透率的变化受断裂表面的粗糙度,和(3)骨折的动态压力稍高渗透率下降而断裂的静态压力。我们考虑三个影响因素对瞬变渗透率变化:(i)初始值的联合研究中心,(2)粗糙退化和破碎物材料,(3)粒子动员。

3.1。渗透率的变化

图 6描述了渗透率演化和轴向位移在轴向动应力。图 6显示了Sd-1的渗透率变异与Sd-2与出口增速下降,而Sd-1的轴向位移和Sd-2增加与出口增速。Sd-3渗透率的下降速度和轴向位移上升得更快。总的来说,三组表现出明显降低渗透率上升幅度在轴向动应力,轴向位移的增强。这些早期的研究中观察到这种现象不匹配,渗透率的降低是大幅增加滑动位移( 3, 4, 49, 50]。图 7表明渗透测试之前和之后的变化下轴向动态压力和轴向静态压力。发现的渗透性Sd-1递减率和Sd-2下降35%和37%,与Sd-3下降44%,呈现在图 7。然而,JRC Sd-1样本的值和均值Sd-2属于粗糙度概要文件类型4和5低于样本Sd-3表 1。

Sd-1渗透率演化和轴向位移,Sd-2, Sd-3不同振幅下的轴向应力10 MPa。

渗透测试之前和之后在轴向动应力变化。

静应力下的类似的现象发生。渗透率的变化和轴向位移Ss-1 Ss-2是相似的,而Ss-3减少慢慢的渗透和轴向位移增加主要是呈现在图 8。断裂表面的粗糙度Ss-1和Ss-2小于轴向静应力下的Ss-3(表 1)。Ss-1的渗透率值,Ss-2 Ss-3,分别与下降率减少13%,14%,20%在图 9。数据 7和 8显示所有的轴向位移小于1毫米,断裂的岩石不损坏两套房的渗透率实验。这表明,当轴向位移并不足以导致岩石破裂滑动在相同应力条件下,断裂表面的粗糙度对渗透率有很大的影响。

Ss-1渗透率演化和轴向位移,Ss-2, Ss-3下轴向静压力。

下渗透率变化前后测试轴向应力状态。

 3.2。地形断裂表面的变化

由于轴力大,显著的地表变形预计将在样品的破裂面。详细分析,摄影测量的表面扫描断口样本的平均值联合研究中心的生成之前和之后两套房的渗透率实验如图 10- - - - - - 13。摄影测量扫描产生的表面,根据最佳适合面向飞机的 x - - - - - - y 坐标。可视化和比较,0毫米是分配给一个粗糙度对数字表面的最低点 10和 12。注意,使用了相同的颜色范围。平均值的变化动态应力下的联合研究中心的测试之前和之后,在静态压力下,分别呈现在图 13。

(a, b)的表面扫描样品Sd-1 Sd-2, Sd-3之前和之后在动态应力测试。

平均值的变化联合研究中心的样本Sd-1 Sd-2, Sd-3之前和之后在动态应力测试。

(a, b)的表面扫描样品Ss-1 Ss-2, Ss-3前后测试在静态压力。

平均值的变化联合研究中心的样本Ss-1 Ss-2, Ss-3前后测试在静态压力。

数据 10和 11显示表面扫描和的平均值的变化联合研究中心的样本Sd-1 Sd-2, Sd-3测试之前和之后在轴向动应力。比较前后的断裂表面测试,Sd-1的最大表面浮雕,Sd-2,和Sd-3分别从3.635毫米到3.406毫米,8.897毫米到6.625毫米,5.448毫米到4.835毫米在粗糙面高度(图 10)。图 11表明的平均值JRC Sd-1和Sd-2,分别从6.26到3.45,从9.26到4.01,2.81和5.25的减少,而联合研究中心的平均值Sd-3从19.35下降到6.42高减少12.93。因此,更大的断口粗糙度Sd-3更下降。这意味着断裂表面高度的救济和大量平均值联合研究中心的可变性在测试过程中经历更多退化。

在轴向静应力下,初始最大Ss-1表面浮雕,Ss-2,和Ss-3是4.413毫米,9.688毫米,5.443毫米,最初的平均值JRC的Ss-1, Ss-2,和Ss-3是7.03,9.14,和20如图 12和 13。测试后,联合研究中心的平均值是4.75,5.67和13.15。这意味着JRC退化为2.28,3.47和6.85诱导下的断裂表面上是静态的压力。

 3.3。分析圆凿材料

由于实验装置,挖材料没有收集流出的实验,但是左后断裂表面测试收集。然后挖材料表面,重刷。挖材料的重量后收集测试数据所示 14和 15。权重Sd-1挖材料断裂表面的样本,Sd-2,和动态应力下Sd-3是1.20克,1.23 g和1.44 g,而断裂表面Ss-1样品,Ss-2,和Ss-3静态压力2.07克,2.11 g和2.24 g。

平均值下降后挖材料联合研究中心和权重的动态应力测试。

联合研究中心和权重的平均值下降挖材料后测试下静态压力。

联合研究中心的均值下降和体重下生成的泥材料动态应力进行比较,如图 14。的初始值JRC Sd-1小于Sd-2的,和联合研究中心的初始均值Sd-1and Sd-2低于Sd-3(表 1),而联合研究中心的下降值和权重的断裂破碎物由Sd-1 Sd-2低于Sd-3在动态加载。

同样的现象出现在静态压力图 15。JRC的Ss-1和Ss-2最初的平均值小于轴向静应力下Ss-3(表 1)。联合研究中心的下降意味着价值的权重断裂破碎物由Ss-1 Ss-3低于Ss-2在静态加载。这意味着更大的平均值联合研究中心的断裂表面会导致更大的表面损伤的泥产品。这种观察泥材料生产可能导致滞回行为随后堵塞流路径,从而降低裂缝渗透率和带来不规则的渗透率值 4]。这有助于解释的渗透率Sd-2下降低于Sd-1和Sd-2下动态应力(图 6)。渗透率的变化Ss-1 Ss-2是相似的,而Ss-3的渗透率降低慢慢静应力下(图 8)。一般来说,在相同的应力条件下,泥材料粗糙度较大断裂表面的积累会导致慢滴渗透。

 3.4。比较动态应力和静态压力

比较前后的渗透率变化检测在动态和静态应力下,渗透率下降,联合研究中心的均值下降,挖材料的重量显示在图 16。在类似的粗糙度为联合研究中心的概要文件类型,Sd-1断裂表面的渗透性下降,Sd-2, Sd-3超过35%大于轴向动应力下滴轴向静应力下的磁导率不到20%。均值下降JRC的Sd-1, Sd-2,和Sd-3大于Ss-1断裂表面,Ss-2, Ss-3。这表明裂缝渗透率下降的动态应力大于下表面的静应力下,和艰苦的条件下退化动态比静态应力下的压力更大。然而,后挖材料断裂表面上的重量测试下轴向动应力小于轴向静应力下,这不同于挖材料更大的粗糙面退化。总的来说,根据类似的粗糙表面,渗透率降低动态应力造成的断裂表面很容易通过较大粗糙退化。但少挖材料留在动态应力条件下断裂表面。

对比渗透率下降,联合研究中心的均值下降,体重后挖材料测试压力动态和静态压力。

这些观察到的反应可以概括提出概念模型,考虑渗透率演化模式挖材料运输和流动员,如图 17。图 (17日)表明,泥材料更有可能坚持静应力下的断裂表面。力量增加时,压实泥材料将关闭光圈,从而减慢的速度岩石的渗透率降低骨折(图 17 (c))。然而,材料断裂表面微凸体之间的迁移逐渐挖出(或孔隙的喉咙)在图中描述的动态压力 17 (b)。在动态应力的幅值增加,最初挖材料断裂表面微凸体之间插入(或孔隙的喉咙)刷新,生产动态应力比下的渗透率下降增强静态压力我们的实验(图中观察到 17日(d))。一般来说,当粗糙的断裂表面被压下更密集的多个动态影响,挖材料的运输和流动员往往发生在动态应力,导致渗透率下降的轴向动应力大于轴向静应力。

圆凿材料的渗透率演化模式传输和流动员。(a, b)挖材料运输和流静态压力和动态应力下的动员。(c, d)渗透率变化下静态压力和动态压力。

 4所示。结论

自然岩石裂缝的渗透率变化进行了测试之前和之后在轴向动态压力和静态压力,以模拟渗透率变化的机制已有裂缝岩石工程中通过动态应力骨折。六一系列的实验不同振幅下的循环轴向力和不同的轴向进行了静态力量;表面粗糙度的影响,研究了通过扫描前后的试样表面测试;其中,挖材料运输和流动员的岩石断裂进行了分析。本文的主要发现可以概括如下:

Sd-1的轴向位移和Sd-2低于Sd-3动态应力,但Sd-1的渗透性和Sd-2大于Sd-3。事实上,最初的最大值和平均值的JRC Sd-1断裂表面的和小于Sd-3 Sd-2。这表明断裂表面的粗糙度对渗透率有很大的影响,当轴向位移是不足以导致岩石破裂滑动

联合研究中心的初始均值下降Sd-1和Sd-2小于Sd-3动态应力下,Sd-1的重量产生的裂缝凿击和Sd-2低于Sd-3在动态加载。这意味着更大的粗糙断裂面导致较大的表面损坏的更圆凿生产。圆凿材料粗糙度较大断裂表面的积累导致缓慢滴渗透率

渗透率演化模式考虑挖材料运输和流动员表明,泥材料运输和动员往往发生在流动态压力。当粗糙的断裂表面被压下更密集的多个动态影响,渗透率下降的轴向动应力大于轴向静应力。这个解释断裂表面粗糙面退化后测试下轴向动应力比下轴向静应力更大。然而,后挖材料断裂表面上的重量测试下轴向动应力比下轴向静应力更小

数据可用性

数据包括在手稿。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金(41772313),湖南科技计划项目(2019号rs3001),和毕业学生的研究和创新基金项目湖南省(CX20190135和2019 zzts079)。

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