Shear-induced渗透性砂岩裂缝的进化

文摘

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.

1。介绍

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(1- - - - - -6]。断层在沉积岩由形变带往往作为流体流动的障碍,和这些断裂划分流体,而错误的特点是离散裂缝作为流体通道(7- - - - - -12]。在沉积地层,破碎岩石的剪切滑移与膨胀或压缩可以显著改变裂缝渗透率,从而影响流体流动(13- - - - - -15]。增强流体流动可能有利于煤层气的解吸装置和增加地热能源开采(16- - - - - -21),但这个增强流将不利的地下水保护和挖掘22]。因此,为了实现安全、高效开采的煤层,进化的知识与剪切裂缝渗透率是非常重要的。

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23]。shear-induced渗透率进化的机制不同,因为岩石不连续的复杂性和岩石的各向异性。

裂隙岩体的渗透率应力依赖(24]。总的来说,shear-induced渗透率的演化受到几个因素包括应力状态的影响,断裂几何学,孔隙度演化,胶结和减少晶粒尺寸的影响。Shear-induced渗透率降低也可以造成shear-enhanced压实(25]。

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(26- - - - - -28]。一般以更大的表面形貌粗糙骨折接受由于不匹配的表面滑开。这种不匹配导致增加骨折光阑(或打开)。光滑的断裂表面,扩张可能改变压缩导致渗透率降低。

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[29日- - - - - -31日]。可以减少孔隙度圆凿或化学压实和化学沉淀的形成(32,33]。渗透率可以增强由于剪切膨胀,但它也可以减少泥的形成(33- - - - - -38]。此外,骨折作为流体通路可能变得不透水期间变形如果他们成为部分巩固;这将限制流体可以通过骨折(39]。也就是说,骨折的渗透变形期间可能会降低,因为泥或水泥过程中产生滑动可以阻止流体流动(40]。

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(41]。因此,看来粗粮或粗糙表面可以转化成细颗粒和表面光滑,在剪切过程中,这可能导致渗透率降低。还有其他机制,有助于长期密封和骨折愈合和错误后剪切(42,43]。

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。

2。材料和方法

2.1。样品制备

砂岩是用来进行shear-permeability测试。砂岩块(图1(一)收集从一个露天矿。精心挑选排除骨折块,不连续,微裂隙的块,可能会影响测试结果。块被切成圆柱体直径25毫米和50毫米(数据的高度1(b)和1(c))。地面的两端圆柱形样本,以确保统一的结束条件。砂岩的物理和力学性能如表所示1。

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1(d))。减少表面地去除表面不规则,可能会影响测试结果。这样做是使用不同粒度磨粉,也就是说,36 #,# 80,# 120沙砾碳化硅(数字1(e),1(f)1(g))。应该注意的是,低价值意味着粗粉。断裂表面地面36 #,# 80,# 120砂粉被称为# 36,# 80,# 120粒表面,分别。地面半缸块加入shear-permeability试样。允许在剪切滑动位移,块是互相抵消的初始偏移量10毫米。块是用聚四氟乙烯磁带(图1(h))。

2.2。Shear-Permeability测试设备和测试程序

shear-permeability测试使用三轴测试系统(图进行2)。该系统由三个主要部分组成:泵、三轴压缩媒体和监视设备。三轴压缩媒体有三个伺服控制泵。媒体的最大压力容量为70.0 MPa,泵可以提供的最大流量100毫升/分钟。每个泵的最小流量为0.01毫升/分钟,显示分辨率的压力传感器(一个ωPX409)是1×10⁻³Pa。泵可以控制提供恒压或恒流率。三轴压力的细胞用于剪切沿着陡峻峡谷的标本骨折围压下。然而,剪切试验不能进行未经修改的三轴细胞因为偏移量的标本(图1(h))不能密封。因此,两个钢环间距器被用来保护乳胶膜的三轴细胞,并确保标本被剪切。应该注意的是,尽管标本用聚四氟乙烯胶带,三轴细胞围乳胶膜之间的摩擦和试样表面不可能完全消除,但在某种程度上这是最小化的聚四氟乙烯磁带。因此,应力三轴压力压台的记录媒体毫无疑问有些高于经历的剪切应力骨折。这是一个不可避免的实验性的限制。

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10μm / s与剪切泵的压力,和(5)记录在剪切压力和流速。三个砂岩样品,每一个都有不同的表面粗糙度,使用该程序进行了测试。所有的实验都是在室温下进行(~ 20°C)。

2.3。表面粗糙度测量

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。0.1μ米测量步骤是用来扫描样品表面。扫描速度和收购率设定在20毫米/秒和1000赫兹,分别。分析了3 d重建使用软件提供的轮廓曲线仪的厂家。测试参数(均方根高度、偏态、峰态,最大峰高,最大坑高度,最大高度,和算术平均身高)计算根据国际标准化组织(ISO) 2517844]。

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。

3所示。渗透率的骨折:理论背景

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3)。根据这个模型,渗透率在骨折的定义是45] 在哪里(m²)是裂缝的渗透率的光圈(m)。

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 在哪里(m³/ s)和(Pa)的流量和压降,分别。裂缝参数(m²),(m)表示横向流区和裂缝长度,分别。 和(m)裂缝宽度。(Pa·s)是流体的粘度 水在20°C。

结合方程(1)和(2),我们可以推导出基本方程描述裂缝的渗透率的光圈 。应该注意的是,样本长度增加与剪切时间在剪切过程中。因此,磁导率可以表示为 在哪里(m / s)是剪切速度。

4所示。结果与讨论

4.1。的进化Shear-Induced在砂岩裂缝渗透率

图4介绍了砂岩的shear-permeability进化骨折三种不同类型的表面粗糙度研究,# 36毅力,# 80沙砾,# 120粒的表面。左边的图在图4显示骨折的剪切应力和渗透率值在整个实验;右边的图显示阶段的稳定的剪切和渗透率变化从左边的图放大。在这些数据中,黑色线条代表剪力和位移和红线显示渗透率和位移。

以下4.4.1。剪切行为

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2.2强加的,剪切应力三轴细胞按压力测试期间高于实际的剪切应力骨折经历的标本,因为围乳胶膜和样品表面之间的摩擦。然而,我们相信,曲线的形状反映的实际故障响应骨折。

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46]。这些实验使用修改saw-cut-simulated骨折一个恒定的有效应力下,断裂的演化孔径主要由断裂表面粗糙度控制。剪切应力的变化,在稳定的剪切阶段应该只取决于骨折的粗糙度。我们可以看到图右边的图4,剪切位移曲线变得平滑的粗糙断裂面减少。剪切应力的峰值后,剪切应力与断裂粗糙的高频振荡# 36毅力。这是不稳定的粘滑运动行为(47),可能和剪切断裂表面粗糙度降低,减少颗粒大小,旋转碎谷物。的断裂与# 80坚韧粗糙,剪切应力振荡频率要低得多,甚至# 120坚韧的地面裂缝是更稳定。这一进展表明粘滑运动行为会随着表面粗糙度的降低。剪一个粗糙表面会导致更大的剪切应力振荡。

4.1.2。渗透率演化

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4红线显示,shear-induced渗透率的演化。渗透率曲线可分为三个阶段:(1)一个稳定阶段,(2)减少渗透阶段,(3)一个稳定的阶段。

在第一个稳定渗透阶段,如图4(a - 1),4(b - 1)4(颈- 1),尽管剪切应力增加,渗透率值基本保持不变。这表明,初始应力的调整不影响骨折的光圈。渗透率值的第一个稳定的阶段(0毫米位移)是7.1×10⁻⁸米²,3.5×10⁻⁸米²和2.8×10⁻⁸米²# 36毅力,# 80,# 120沙砾骨折,分别。

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。41]。实验运行的结果本研究表明粗糙断裂面有更高的初始渗透率和减少更大的渗透率比平滑后剪切断裂表面。这个结果类似于断层的沟粗粒度和细粒度的行为报道。此外,渗透率降低的利率permeability-decreasing阶段是粗糙度依赖的渗透率值沿粗糙表面减少更快比样品的渗透率与光滑表面。这是因为一个粗糙的表面在剪切过程中被夷为平地更快。

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5显示了初始和最终渗透率值的剪切测试之前和之后的三个骨折。渗透率降低和减少骨折粗糙度的变化。对于大多数骨折,一个粗糙的表面会导致更高的孔隙度。在剪切过程中,粗裂缝壁平滑和碎谷物可以很容易地填补裂缝。与进一步的剪切,碎粒的大小可能会进一步减少。

4.2。Shear-Induced表面粗糙度的进化

未修剪的照片和剪切断裂的表面呈现在图6随着3 d轮廓曲线仪10毫米×10毫米的图像区域靠近中心处的骨折。数据的上部和下部的照片6(一)- - - - - -6 (c)显示未修剪的每个标本和剪切断裂表面,和相应的三维轮廓曲线仪扫描是在右边。

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(23发生),通过一个复杂的相互作用矩阵压实和碎裂裂缝密封。此外,泥/穿效应是不可避免的摩擦滑动期间(32]。在滑动,泥生产和泥的存在导致进一步减少裂缝渗透率。

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6。从照片可以看出,3 d图像,剪切面都刮和未修剪的表面越粗糙,就越被刮掉。更大的刮在某种程度上可以提高渗透率,但这是由磨损刮。直观地说,有人可能会认为被刮后表面会变得粗糙,但结果表明,情况并非如此。

测试参数来自3 d扫描的结果。图7显示了剪切对算术平均高度的影响 ),均方根高度( ),最大坑高度( ),和最大峰高( )值。这些参数可以表示为 在哪里 是相应的下表面点的高度吗x位置和y位置。样品表面的扫描区域。

在图7前,黑色的数据点对应的参数剪切和红色数据点标记剪切后的参数。所有的参数与降低粗糙度降低,剪切后,他们中的大多数也减少。然而,我们可以看到数据7(一)和7 (b),和值# 36毅力断裂表面剪切后几乎是相同或略大。这可能是由于刮,因为如前所述,刮可能会导致渗透率的增加。渗透率的变化不仅仅是由于粗糙度降低和刮还挖被粘土矿物密封或碾碎谷物。因此,可以得出结论,结合磨(加上刮)和密封效果可能是基本机制导致剪切砂岩的渗透率降低骨折。

5。结论

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:(1)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(2)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(3)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

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

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)。

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