调查大理石在适度的压力下的渗透率和温度

文摘

完好无损的渗透性大理石样品收集来自中国西南1.6公里的深度调查下温和的围压力和温度。测试期间没有微裂隙发起或传播,渗透率的变化是由于微裂隙的孔径的变化。试验结果表明相当减少的渗透率随围压增加从10到30 MPa和温度从15增加到40°C。热对渗透率的影响是显著的影响相比,压力。开发一个简单的渗透率演化法与渗透率和孔隙度的抗压政权基于微观物理学的几何连接模型。使用本法,渗透结晶岩石的抗压政权的体积应变曲线可以预测机械测试。

1。介绍

岩石的传输特性具有十分重要的意义对于许多地球科学的主题,例如,勘探和生产的碳氢化合物,石油/天然气存储在洞穴深处,和高放射性核废料地质处置(1- - - - - -4];他们也至关重要的理解等基本的地质过程传热传质、地震、和变质作用5- - - - - -9]。磁导率是一个关键的参数来描述材料的运输性质可以用不同的方法测量,例如,稳定法和脉冲测试(10]。由于克林肯伯格效应,测量了明显的透气性对岩石通常是不同的内在渗透,这是只孔隙几何形状相关的(如孔隙度、孔隙形状和孔隙大小分布)的岩石和流体的性质无关。在以下文本,这个词磁导率用于表示内在的渗透率简洁。

几个因素,例如压力、化学效应,和温度,可以影响岩石渗透率通过改变材料的孔隙几何形状(11- - - - - -17]。这些因素可以显著改变岩样的渗透率。例如,Souley et al。18Schulze], et al。19江,et al。20.陈,et al。4]研究渗透率变化由于机械负荷,他们发现微裂纹增长会导致渗透率的增加3 ~ 5订单的大小。许多研究集中在热影响岩石渗透率受到高温(> 100°C) (13,21- - - - - -24]。例如,Zharikov et al。23]研究收集的角闪岩的渗透性可乐表面,可乐超深层钻孔(在深度11.4公里),和KTB钻孔(在深度3.8公里)在温度高达600°C。发现渗透率下降,然后re-increased温度超过300°C时加热在低围压(30 - 80 MPa)。组织调查和分析表明,岩石压缩矩阵的增加降低了微裂隙光阑从100年到300°C,它会导致渗透率的降低。当温度高于300°C,热裂解生成的密集的微裂纹在矿物颗粒边界渗透性的增加负责。

而胀性政权的广泛研究渗透率演化和高温会导致生成和传播的微裂隙,很少有渗透率测试和分析下进行适度压缩温度的政权。然而,岩石的渗透率变异温和的压力和温度下材料是非常重要的在某些情况下,例如,流体运动在地壳的浅深度25),长期性能的一个地下核废料库建于结晶岩石(3),风化作用构建包复,历史古迹由于季节性温度变化(26]。在这项研究中,完好无损的传输性质大理石收集在深度1.6公里温和的温度和围压下测量。解释实验结果,提出了一种简单的公式相关的渗透率与孔隙度模型基于扁平形裂纹的联系。验证了公式的适用性与测量结果。

2。测试材料和实验过程

2.1。测试材料

测试材料来自导流洞1600米深度的习近平水电站在中国西南部。测量渗透率在中等温度下,两个圆柱形样本(D20开头和D30)直径49.1毫米和80.0毫米的长度是从同一块钻的。没有喜欢的面料质地的材料进行测试。样品轴平行于地面的垂直轴。干燥的样品的密度是2.76公斤/米³45 GPa之间,杨氏模量和60 GPa在高围压(40 MPa 60 MPa),和单轴抗压强度103 MPa。矿物的x射线衍射结果表明,材料由方解石(8.6%重量)、白云石(91.0%),和云母(0.4%)27]。

材料的微观结构是研究使用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)。从光学图像平面偏振光(图下检查1(一)),可以看出没有择优取向的矿物质。矿物的大小主要是在0.2到0.5毫米,和流体的运输路径主要是谷物的接口。里面的平行线谷物是方解石的乳沟。SEM图像(图1 (b))表明,岩石非常紧凑。晶界的SEM照片只能区分解理方向的变化。大理石的孔隙尺寸和孔隙度使用汞入侵porosimetry评估。两个样品的疏密度分别为0.17%和0.14%,分别。主要材料的孔隙大小40纳米到400纳米(图不同2)。它靠近意大利和瑞典大理石的结果,孔隙大小分布的覆盖范围2 - 200海里(28]。

2.2。实验的程序

稳态气流方法调查大理石完好无损的传输特性。入口气体压力维持在渗透率测试和出口压力是大气压力。高精度泡沫气体流量计用于测量出口气体的流量。使用加热系统温度控制安装在样品室。密封样本,一层薄薄的内套管(丁晴橡胶,厚度0.3毫米)和一本厚厚的外壳(7毫米厚的氟橡胶外套,厚度)涂层,以防止石油泄漏到样品。旁路流的可能性,可能会发生在样本之间的接口和内部套管可能大幅扩大流量紧岩石(26]。在这项研究中,液态硅橡胶(LSR)是用来把样品和内套管一起消除旁路流。

渗透率测试之前,标本在105°C真空烘箱中干燥24小时。示例D20开头的静水压力下测试10,20日和30 MPa在室温下(16°C),而样本D30 20 MPa的恒压下先后增加了温度测试,也就是说,15日,30和40°C。被选出的一些气体压力水平估计可能的克林肯伯格效应。

当气体渗透率测量完成后,样品D20开头然后在MTS测量相同的机械负荷条件下体积应变。注意,低静水压力不会产生任何损害的样本。

3所示。实验结果

稳定的气体流速和相应的测试条件的样品D20开头和D30列在表1和2,分别。

由于小的孔隙大小,克林肯伯格效应气体渗透率测量期间不能被忽略。克林肯伯格在1941年发现的渗透率介质气体高于液体,他把这种现象归因于“滑流”气体分子与孔壁之间的表面。在达西流,分子之间的碰撞和孔隙墙壁是可以忽略的,和液体的流速近似为零毛孔的墙壁。然而,额外的通量由于气流在墙表面有效地增加孔隙半径趋于气体分子的平均自由程(2,29日]。这种效应表达如下: 在哪里平均孔隙压力和吗克林肯伯格系数,孔隙几何形状有关。

平均孔隙压力的平均值通常被认为是进口和出口压力和(1)可以表示如下: 在哪里和分别是进口和出口压力。

的使用 在(2)是一个粗略的估计平均气压的样本。吴et al。30.)开发了一个解析解估计包含了克林肯伯格效应的磁导率。这个解决方案适用于当样品温度等于环境空气的温度。测试执行的示例D30,样品温度不同于环境空气温度,和吴的解决方案等。30.)可以扩展 在哪里(m)和(m²)是测试样品的长度和横截面积。和(m³/ s)的室温和空间条件下体积通量。是气体粘度(Pa·s)。是样品的温度。

在测试期间,出口压力保持不变,多种多样,是测量。然后,和由拟合结果评估根据(3)。图3说明了拟合曲线中 策划反对 。=拟合线的斜率的值是拦截。渗透、克林肯伯格系数和相关系数表中列出3。结果表明,克林肯伯格系数()增加渗透率()减少。它遵循相同的趋势的结果Tanikawa和Shimamoto31日]。

习近平大理石的渗透性降低随着压力和温度的增加。21.1×10的渗透率降低⁻²¹米²6.92×10⁻²¹米²随着压力的增加从10到30 MPa;减少的范围是67.2%。它减少从21.3×10⁻²¹米²3.68×10⁻²¹米²随着温度的增加从15 - 40°C;减少的范围是82.7%。比较温和的渗透压力的影响,温度对紧张的水力特性的影响岩石是实质性的。

4所示。微观物理学的模型和测试结果分析

4.1。微观物理学的模型

大量的研究都集中在发展中渗透率演化法扩展政权基于渗流理论(32- - - - - -34)或线弹性断裂力学35]。很少有人注意压渗透率演化的政权。在这项研究中,喷出的气体测量表明先在连杆的裂缝网络的样本。渗透率的变化在压缩是由于裂纹孔径的变化。

双烯(32)采用continuum-averaging方法和泊肃叶定律层流平行板之间发展一个岩石的渗透率张量分析结果交叉分布式扁平形裂纹的各向同性的。渗透率张量是各向同性,表示如下: 在哪里占的偏差从均匀板裂纹形状,包含裂纹形状阻力的影响,裂缝,粗糙度,意思是长宽比( ,在那里是裂纹半孔径(m),意味着什么平均裂缝半径(米))的裂缝,然后呢表示单位体积裂缝的数量,不是孤立的。

假设孔隙度()的岩石样本由扁平形裂缝是由于岩石破坏构造过程中,样本收集、准备,等等。它可以从均值估计裂纹孔径,半径,和间距如下(36]: 在哪里平均裂缝间距(m)和吗是体积形状因素给从理想的扁平形裂缝体积的偏差,定义为(真正的裂缝体积)/(理想扁平形裂缝体积)。

渗透率和孔隙度之间的连接()很容易获得(4)和(5):

在抗压政权,的值,,,在(6)保持不变,因为没有新的微裂纹进行传播。的价值可能会改变在压缩。然而,考虑到许多裂缝的平均效应,被假定为常数。因此,项目 在压缩,被认为是一个常数,它的定义是没有关系,裂缝的光阑。所以,(6)可以写成

方程(7)建立了渗透率和孔隙度之间的关系()。应该注意,当裂纹传播或新裂纹将的价值不再是一个常数。

4.2。测试结果分析

在测试过程中是不可能直接测量孔隙度。然而,孔隙度的值()可以估计从最初的孔隙度,体积应变、压缩性和矿物质:

所以,(7)可以写成

它可以看到从(9),内在渗透率降低后立方关系随着压缩体积应变的增加。

图中的实线4介绍了样本的体积应变D20开头随着压力增加。在(9),压缩系数()的白云石可以从它的体积弹性模量37),和它的价值 / MPa。压缩容积压力()10 MPa, 20 MPa, 30 MPa得到体积应变曲线在图4,他们是= 0.00071,= 0.0011,分别为= 0.0013。结合渗透试验结果(在表3在10 MPa), 20 MPa, 30 MPa的压力()的参数和可以安装的9)。

初始孔隙度确定(9)是接近入侵测试结果(0.17%和0.14%)。方程(9)可以用来预测变化的岩石渗透率变化的体积应变。估计渗透率曲线D20开头是对体积应变图绘制4点线。应该注意,不应该应用线性胡克定律来计算体积应变由于渗透率变化规律是基于裂纹孔径的变化以外的弹性变形矩阵。替换在(7),孔隙度可以估计,也从0.13%减少到0.09%,10 MPa的压力增加到30 MPa;减少的范围是31%。

D30,渗透率随温度变化可以估计代替这个词在(9), ,在那里是矿物的热膨胀系数;和是当前温度和初始温度。在当前的测试中,体积菌株不测量在不同的温度下。因此,参数不能获得D30的测试结果。假设样本D30和D20开头相同的值,这意味着都遵循相同的样本分布,裂缝孔隙度的变化气温可以大致估计(7),如图5。结果表明,孔隙率从0.13%降低到0.07%,温度从15°C增加到40°C;减少的范围是44%。方程(5)表明,平均裂缝孔径()线性与孔隙度的变化。因此,也能减少44%的平均孔径随着温度的增加从15°C到40°C。孔隙度变化由于热效应是由太阳还发现et al。38),他发现花岗岩的孔隙度增加(从0.88%到0.75%)作为温度减少(从25°C到50°C)在中等温度的范围内。比较温和的影响上面提出的渗透压力,热对渗透率的影响是显著的,它应该考虑到估计传输完整岩石的性质。

5。结论

稳态方法用于研究习近平大理石的渗透率在适度的压力和温度下抗压政权。实验结果表明,习近平大理石的渗透性降低从21.1×10⁻²¹米²6.92×10⁻²¹米²从10到30 MPa随着压力的增加,减少从21.3×10⁻²¹米²3.68×10⁻²¹米²随着温度的增加15到40°C。结果表明温度对大理石渗透率的影响一样的压力。

压政权中的渗透率演化法研究了基于几何模型的扁平形裂缝分布。分析结果表明,磁导率降低后立方定律。大理石的初始孔隙度渗透率测试的估计是0.19%,这是接近水星入侵的结果porosimetry(0.14%和0.17%)。分析结果表明,孔隙度从0.13%减少到0.09%,10 MPa的压力增加到30 MPa,从0.13%到0.07%,随着温度的增加从15°C到40°C。从渗透率演化法、结晶岩石渗透率的压政权由于温和的压力和温度可以估计的体积应变曲线。拟议中的渗透率变化规律将进一步核实调查效果温和的压力和温度对主机的传输性质岩石地下核废料储存库。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认中国的支持基础研究(973)计划通过批准号2013 cb03600。

引用

1. p .科森扎m . Ghoreychi b Bazargan-Sabet, g . de Marsily“原位岩盐渗透率测量长期存储的安全评估,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上,36卷,不。4、509 - 526年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. w·d·杨,w . Wang Chen s . Wang和x王”试验研究对有效应力的耦合效应和气体滑脱页岩的渗透率,”科学报告ID 44696条,卷。7日,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 张炳扬。Tsang伯尼尔·c·戴维斯,“Geohydromechanical过程在结晶岩石开挖损伤区,岩盐,和固化的塑料粘土中放射性废物处置的背景下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,42卷,不。1,第125 - 109页,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. y,胡,k, r·胡c .周和l .京”实验表征和微机械建模损害渗透率变异在北山花岗岩,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,71年,第76 - 64页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. p·a·威瑟斯彭和j·e·盖尔,“机械和液压特性相关的岩石诱发地震,”工程地质,11卷,不。1,23-55,1977页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m·a·Etheridge v . j .墙,s . f·考克斯和r·h·弗农,“高流体压力在区域变质和变形:对质量输运和变形机制,“地球物理研究杂志》,卷89,不。6,4344 - 4358年,1984页。视图:谷歌学术搜索
7. j。j发冷”,在俯冲带的渗透率模型对比混合物:影响流体通量梯度,锡罗斯和蒂诺斯岛,希腊,”化学地质学,卷239,不。3 - 4、217 - 227年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. n . j . c·法雷尔·d·希利,c·w·泰勒“多孔砂岩渗透率各向异性的指责,”《构造地质学卷。63年,50 - 67年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. Kolzenburg和j·k·罗素,“火山碎屑管道焊接加密:周期性喷发,机制”地球物理学研究杂志:固体地球,卷119,不。7,5305 - 5323年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. p . f . Boulin p . Bretonnier n .腺和j·m·伦巴第”贡献的稳态测量方法透水性很低渗透多孔介质,”石油和天然气科技,卷67,不。3、387 - 401年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. e·w·博尔顿,a·c·Lasaga和d . m .黑麦、“长期流/化学反馈与异构多孔介质渗透率:动力学控制溶解和沉淀,“美国科学杂志,卷299,不。1、1 - 68、1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. j j。盾,J.-Y。许,W.-J。吴et al .,“Stress-dependence砂岩和页岩的渗透率和孔隙度TCDP黑洞,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,47号7,1141 - 1157年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a . Kožušnikova和p . Konečny温度对岩石的渗透性的影响。”岩土工程,卷61,不。12日,第1085 - 1081页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 问:x j . Chen Yang段,c .桃”综合测量渗透率、有效孔隙度和特定的存储使用水作为孔隙流体的核心样本,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷。79年,55 - 62、2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. t·d·Rathnaweera p·g . Ranjith和m . s . a·佩雷拉盐度对有效的影响有限₂渗透率的储集岩由压力瞬态方法:hawkesbury砂岩相对渗透率实验研究”,岩石力学和岩石工程,48卷,不。5,2093 - 2110年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. p .徐和S.-Q。杨:“渗透性砂岩的进化在短期和长期的三轴压缩下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,85年,第164 - 152页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. g . l . l . Wang问:张先生,s . Hallais a . Tanguy d·s·杨,“页岩的肿胀:多尺度实验调查,“能源和燃料,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m . Souley f . Homand、美国Pepa和d·霍查,“损害渗透率变化花岗岩:URL的案例在加拿大,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上,38卷,不。2、297 - 310年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. o·舒尔茨,t . Popp来说,h·克恩”发展的损害和渗透变形岩盐,”工程地质,卷61,不。2 - 3、163 - 180年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. t .江,j . f .邵w . y . Xu和c·b·周”试验研究和微机械分析脆性岩石的损伤和渗透率变异”国际岩石力学和采矿科学杂志》上卷,47号5,703 - 713年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. s Chaki m . Takarli, w . Agbodjan”热损伤对花岗岩的物理特性:孔隙度、渗透率和超声波的演进,“建筑和建筑材料,22卷,不。7,1456 - 1461年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. v . m . Shmonov v . m . Vitovtova, a . v . Zharikov”地震振动实验研究影响岩石渗透率高的温度和压力下,“国际岩石力学和采矿科学杂志》上,36卷,不。3、405 - 412年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a . v . Zharikov v . m . Vitovtova v . m . Shmonov和a . a . Grafchikov”从可乐深层钻孔岩石的渗透率高温度和压力:暗示在大陆地壳流体动力学,”构造物理学,卷370,不。1 - 4、177 - 191年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 陈s、c·杨和王,“北山花岗岩演化的热损伤和渗透率,”应用热工程卷,110年,第1542 - 1533页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. c·e·曼宁和s e . Ingebritsen”,大陆地壳的渗透性:地热的影响数据和变质系统”地球物理评论,37卷,不。1,第150 - 127页,1999。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. A . p . s . Selvadurai和p . Carnaffan”,瞬态压力脉冲法测量渗透率的水泥灌浆,”加拿大土木工程杂志》上,24卷,不。3、489 - 502年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. x赵、j .左和j .贝聿铭“Meso-experimental层状大理石在习近平,断裂机理的研究”中国岩石力学与工程学报没有,卷。31日。3、534 - 542年,2012页。视图:谷歌学术搜索
28. k . Malaga-Starzec j . e . Lindqvist, b . Schouenborg,”实验研究孔隙度变化的大理石作为温度的函数,“特殊地质学会出版,卷205,不。1,第88 - 81页,2002。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. f·a·c·Dullien多孔介质、流体运输和孔隙结构、学术出版社,纽约,纽约,美国,第二版,1992年版。
30. Y.-S。吴,k Pruess, p . Persoff”与克林肯伯格效应气体在多孔介质流”,多孔介质中传输,32卷,不。1,第137 - 117页,1998。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. w . Tanikawa和t . Shimamoto”比较Klinkenberg-corrected沉积岩的透气性和透水性,”国际岩石力学和采矿科学杂志》上,46卷,不。2、229 - 238年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. j·k·二烯烃,“渗透、渗透和统计裂纹力学”在岩石力学问题r·e·古德曼和f . e . Heuze Eds。,94,p. 86, American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, New York, NY, USA, 1982.视图:谷歌学术搜索
33. y Gueguen j .二烯烃,“交通属性统计和渗透的岩石,“数学地质,21卷,不。1,1-13,1989页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. w·朱和T.-F。Wong“网络建模的渗透率的演化和膨胀岩紧凑,”地球物理学研究杂志:固体地球,卷104,不。2、2963 - 2971年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. g·辛普森,y Gueguen f·施耐德,“渗透性增强由于微裂纹膨胀破坏政权,”地球物理学研究杂志:固体地球,卷106,不。3、3999 - 4016年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. c . j .桃子和c·j·施皮尔“晶体塑性变形对膨胀的影响和渗透发展合成岩盐,”构造物理学,卷256,不。1 - 4、101 - 128年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
37. t . j . Ahrens矿物物理学和晶体学:物理常数的手册,阿米尔-地球物理学联合会,华盛顿,美国,1995年。
38. 问:太阳,w·张,l .雪z, t·苏,“热损伤模式和花岗岩的阈值,环境地球科学,卷74,不。3、2341 - 2349年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2017杨建平et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。