试验研究侏罗纪弱胶结砂岩水岩相互作用下的渗流特征

文摘

作为非常规含水岩层,弱胶结砂岩的水力传导率可以增加几个数量级在流域或抽水试验,对水构成巨大挑战预防和控制煤矿在中国西北。在这项研究中,在侏罗纪弱胶结砂岩进行了渗流实验,在渗流过程中渗透系数进行了分析。结合室内试验和理论分析方法,磁导率和微孔结构之间的关系进行了研究,和弱胶结砂岩的渗透率演化机制最终被澄清。根据实验结果,渗流过程可分为饱和渗流阶段,稳定渗流阶段,渗流突变阶段。渗透系数随孔隙度和汞挤压速率增加,但他们之间没有明显的相关性,可以确定。相比之下,之间存在线性正相关的渗透系数和平均孔喉半径。孔喉径比的变化趋势可以作为主要参考指标,判断是否渗流突变发生在弱胶结砂岩。基于相关分析的微孔结构和水力传导率,直毛细管渗流模型构建的理论渗透方程提出了稳定渗流阶段和渗流突变阶段。结果表明,特定的弱胶结砂岩渗透率成正比孔隙度和平均孔喉半径的平方。理论公式计算具体渗透后两个阶段也提出了。 Theoretical calculation results are roughly consistent with actual values obtained in the experiments.

1。介绍

侏罗纪和白垩纪弱胶结地层普遍存在在中国西部由于特殊的成岩环境(1,2]。弱胶结地层以砂岩为主,特点是胶结差,易风化、高孔隙度、和低强度(3]。他们明显不同于正常的砂岩和软岩石的胶结,机械,液压属性。由于这些特殊的砂岩,巨大的和不稳定的突水发生在新疆的一些煤矿,这很容易引发一场灾难。抽水试验的Dananhu 5号煤矿进行新疆哈密矿区的弱胶结砂岩的水力传导率不断增加(4]。渗透系数逐渐增加从0.18 m / d的初始煤田勘探数据4.33 m / d的后期注入实验。在伊利大型排水工程1号煤矿,最初用了三个月的水位观测井约200离开疏散中心开始下降。这个时间间隔减少到10分钟。同时,含水层的渗透性增加和孔隙的连通性和骨折改善。含水层的渗透系数的增加几个数量级水控制带来了巨大的挑战,在煤矿排水。水资源的损失对生态环境有很大的影响。有必要进行全面研究水力特性和弱胶结砂岩的渗透性的演化机制来解决这些问题。

Krishnan et al。5)管理准备的弱胶结砂岩样品首先和分析破碎岩石的微观特征。王等人。2)观察到完整的从侏罗纪弱胶结砂岩地层使用扫描电子显微镜(SEM),以及各种测试进一步执行确定矿物浓度之间的定量关系以及物理力学参数。Zhang et al。6]报道的进化机制在弱胶结砂岩孔隙度随着粘土矿物发生了改变。你等。7)发现,较大的围压会导致的塑性变形弱胶结砂岩的谷物,以及不可逆转的特定渗透率的降低。一种有效的方法来估计macropermeability系数使用扫描电镜的图像分割,提出了余et al。8和李et al。9]。王等人。2)估计的具体使用回归分析基于几何参数包括孔隙渗透率区域,周边和分形维数。布洛赫和Helmold10)开发了一种方法来估计比渗透率的粒度分布。拉拉(11)建议估计压汞毛细管的绝对渗透率与压力数据实验。为核心的弱胶结砂岩样品很难使因其低强度和附着力薄弱,研究水岩相互作用已经相当稀缺。当谈到渗透率模型,赫伦(12报道一个特定的渗透率和孔隙度的对数线性相关性single-porosity砂岩油藏,根据他的研究。行动(13和运货马车的车夫14)渗透率之间的关系,建立孔隙度、基于毛细管和表面积均匀介质理论,即Kozeny-Carman公式。帖木儿[15,16]提出一个公式的具体渗透率、孔隙度、束缚水饱和度,而Krumbein和和尚(17)提出了比渗透率之间的关系,平均晶粒尺寸,和排序。

世界各地的研究人员进行了广泛的研究渗透率模型,建立了各种公式具体的渗透率。这些研究大部分集中在困难或紧凑的岩石,这意味着研究弱胶结砂岩渗流特征与孔隙度和渗透率变化大稀缺。的机制比渗透率的增加几个数量级的弱胶结砂岩仍然未知。在这项研究中,我们进行了渗流实验完整核心的侏罗纪弱胶结砂岩样品收集到哈密矿区。矿物成分和微孔结构的变化进行了分析,在实验。建立渗流模型来演示弱胶结砂岩的渗透率演化机制。结合理论分析,我们提出了一个特定的弱胶结砂岩渗透率方程。

2。研究的背景区域

的弱胶结砂岩III-1含水层哈密矿区被确定为侏罗纪- (18)(图1)。它是由粉砂岩,细粒度砂岩,中等粒度的砂岩,企业集团,砂质泥岩。研究区位于附近的新疆哈密,通常是一个干旱地区。然而通过III-1含水层摇臂轴钻时,我的水产量达到113米³/小时。经过长期排水通过22排水洞在地面上,总金额821万³水流失。含水层的渗透系数达到0.56 m / d,从煤田勘探获得的1.6倍。相比,在详细调查阶段获得的数据,它增加了三个数量级(表1)。确保安全的初始矿业的脸,一个twenty-day抽水试验流量大、深撤军,长期拖延。最终,含水层的渗透系数又增加了一个数量级,达到4.33 m / d (4]。

排水的水流汹涌,含水层的渗透系数会大幅度的增加伴随着孔隙结构的变换。确定渗透率的变化的具体机制和模式,一个特定的室内渗流实验设计和实施。

3所示。材料和方法

3.1。方法

技术路线图如图所示(S1),稳定渗流实验和其他分析方法被用来研究的演化特征和机制弱胶结砂岩的渗透率。(1)通过微孔结构的比较研究砂岩渗流实验,前后微孔结构的转换的模式(2)澄清水岩相互作用下微孔结构的演化机理,材料在水溶液中产生的渗流实验被确定通过水化学测试和测量他们的内容,x射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)(3)基于渗透性的演化特征在渗流实验,显微组织参数之间的耦合关系和具体的建立了渗透率。起始条件和水岩相互作用下的渗流突变的歧视标准应该进一步的分析和显示(4)渗流模型和方程的基础上提出了达西定律和毛细管理论。渗透方程拟合与渗流实验的实验数据来验证它的准确性和实用性

3.2。实验设备

室内渗流实验出现作为一种有效的工具来理解弱胶结砂岩的渗透率演化特征。灵感来自于最新研究成果和实验设备19,20.),一组水岩相互作用下渗流实验仪器的弱胶结砂岩是改善和组装(图2)。实验设备由岩石样本加载和渗透系统,轴向压力加载系统、围压加载系统,压力传感器,温度传感器,自动记录的平衡。

3.3。样品材料和准备

弱胶结砂岩在研究区由粉砂岩、细砂岩,中等粒度的砂岩和企业集团。岩石样本来自侏罗纪- Dananhu矿区的钻探,埋深约200米。和选定的岩石样本不完整的裂缝。作为中等粒度的砂岩比其他人更均匀,他们是更好的对象为研究弱胶结砂岩的微观结构特征。样品制备也更加容易。因此,本研究的样本是由核心中等粒度的砂岩使用孔器不使用水。孔器的内部直径25毫米和一个外部直径32毫米。(1)样品都弱了,骨折通常发生在样品制备,使其很难获得完美的标准核心样本。如图3二十核心样品直径大于24毫米,长度超过10毫米被挑出50替代样本(2)其余部分的岩石样本没有变形和破坏(图3),分析结果的组成、结构和液压特性是高度一致的核心岩石样本。这种岩石应该最好的参考对象。压汞实验和扫描电镜分析进行了比较研究(3)确保核心样品的压力均匀分布和结构的样本不会被压力,核心样品的顶部和底部表面都是用抛光机抛光(4)特殊防水胶带受伤核心样本,以防止边界渗流。核心样品也在密切接触设备

3.4。参数准备

根据扫描电镜的图像(图4),这渗透测试的样品中粒砂岩没有任何裂纹,但不同类型的微裂隙和孔隙无序分布的长石颗粒或石英颗粒。砂岩的毛孔自然不均匀分布。雅各布·贝尔获得渗流速度和水力梯度的关系通过大量的实验。当雷诺系数(重新)小于10,相关曲线是正的线性相关,地下水流动遵循达西定律(21]。弱胶结砂岩的平均颗粒直径是200μm,雷诺系数远小于1。渗流实验研究中符合达西定律。渗透系数的实时观测是通过计算基于达西定律。公式如下。

为了选择适当的围压和轴向压力,初步渗透实验饱和弱胶结砂岩(样本YP-24-1),应用不同围压和轴向压缩(1.5 MPa, 2.5 MPa, 3.5 MPa, 4.5 MPa,和5.5 MPa)。注入水压力设定在0.45 MPa。渗透系数随时间的变化曲线,提出了基于方程(1)。如图5,巨大的变化发生在围压时渗透系数是1.5,4.5,和5.5 MPa。当围压2.5和3.5 MPa,水力传导系数变化很小。渗透系数的平均值大致相同( )。根据初步的渗流实验的结果,围压和轴向压缩设置同步在2.5 MPa的注射压力0.45 MPa。

4所示。实验过程和结果

4.1。实验过程

渗流实验在50个样本下预设的压力。一些关键程序如下。(1)为去离子水不会导致水质扰动渗流过程,它被用来提供孔隙中的水-岩作用研究的空白值(2)后样本的岩石样本加载和渗透系统,设备的螺栓两端收紧。随着围压和轴向压力是由相同的学位,同时应用核心样品不会损坏和变形由于围压和轴向压力之间的不平衡(3)检查设备的稳定性后,围压和轴向压力系统充分应用。参数包括实时围压、轴向压力、时间、注射压力,和水的体积流量自动记录(4)当渗透率的演化特征成功记录,渗流过程是长期获得足够的水溶液(> 250毫升)。的水溶液渗透通过样品的化学成分进行了分析。当实验结束后,饱和样本仔细权衡。他们再次重0.01克的准确性后干。干样本保存进行进一步分析,包括氦孔隙度、压汞和SEM(5)当系统稳定、动态渗流实验。注水是设置在三个不同的水平(0.5,0.8,1毫升/分钟),每一个都持续了十分钟。三个不同级别的注射进行另外创建一个水动力干扰环境,使材料在毛孔内迁移。这个动态的过程将持续一个小时。动态过程结束后,实验参数的系统重置为原始值测量导水率

4.2。结果

由于特殊的机械特性和water-physical产权弱胶结砂岩,岩石渗流实验样品无法提供可用的渗透率数据。在这个实验中,一半的岩石样本提供有效渗透率参数数据,只有三种岩石样本和渗透率突变现象。砂岩样品的水力传导系数变化曲线随时间给出基于方程(1),见图6和S2-S5在补充材料。根据实验,弱胶结砂岩的渗流过程可分为饱和渗流阶段,稳定渗流阶段,渗流突变阶段。这个部门符合模式的渗透系数曲线。

每个阶段都代表一个不同的程度的水岩相互作用。真正的承压含水层一直饱和和不饱和过程,第一阶段的数据对我们的研究是没什么用的。本文主要关注数据的后两个阶段。

(1)饱和阶段。根据XRD和SEM的结果,石英、钾长石、钠长石构成弱胶结砂岩(表的框架2)。高岭石粘土矿物作为水泥。

高岭石是多层、床单和颗粒内部或表面的矿物质,使弱胶结砂岩的孔隙结构(图4)。高岭石是容易膨胀与水接触,阻塞毛孔的喉咙和孔隙结构的渠道。因此,样本的渗透系数下降的前两个小时饱和阶段。液压电导率下降到初始值(表的十分之一3),伴随着水溶液中悬浮物的发生。悬浮物是高岭石的测试。

(2)稳定的阶段。样本与水饱和后,样品的孔隙结构和材料分布稳定,引入实验稳定阶段。如图6水力传导率基本上是相同的,一个小变化。具体的数据表4。

(3)渗流突变阶段。水动力扰动进行样本YP-1渗流实验,YP-2, YP-3, YP-6, YP-14, YP-15, YP-21, YP-22 YP-23, YP-24-1。渗透系数的突变发生在实验样本YP-2, YP-15 YP-21,见图7和S6在补充材料。

最大的水力传导率比之前和之后的突变超过10(表5)。同时,水溶液的流动显著增加,伴随着大量子悬浮物的出现,这是高岭石。水力传导率的不断增加的弱胶结砂岩水动力扰动条件下的实验验证了首先,为进一步研究提供了基础实验日期渗透率的演化特征。

5。讨论

5.1。微孔结构的变化

基于渗流实验,水岩相互作用对微孔结构的影响是全面集成和水化学测试的结果,分析了氦孔隙度、压汞实验和扫描电镜。孔隙参数之间的相关性包括孔隙度、孔隙分布的喉咙,水星挤压被确定。孔喉分布、孔隙度之间的耦合关系,水星挤压速度,渗透率可以说明在微孔结构转换的影响弱胶结砂岩的渗透率。

5.1.1。孔隙度

孔隙度测量被称为一个有效的工具,研究岩石的微孔结构。氦注入样品的氦孔隙仪没有结构性破坏和改变;然后,孔隙度进行了测试。结果在表6。应该注意,postexperiment孔隙度进行了测量样品在饱和后干了。

所有样品的孔隙度增加。增长率从1.82%到11.38%不等,平均4.16%的速度。推断,迁移或渗流孔隙内的材料,如高岭石负责孔隙度的增加。孔隙度的增加有积极影响的渗流效率,改善砂岩的渗透性。如图8,渗透系数随孔隙度的增加在大多数情况下。然而,没有明显的线性相关性可以被识别。

5.1.2中。孔隙分布的喉咙

砂岩的孔隙流体的主要空间,而最小孔隙喉咙作为迁移的重要渠道,22]。液体经过各种孔隙和孔隙喉咙当流经复杂孔隙结构的材料。我们研究了孔隙的分布的变化通过分析平均孔隙半径的喉咙,喉咙喉咙比毛孔。

(1)平均孔隙半径的喉咙。平均孔喉半径( )岩石中可以用来评估孔隙的连通性和孔隙喉咙的宽度。样品的平均孔喉半径前后渗流实验是通过压汞实验(表7)。

平均孔喉半径的影响可以表示水岩相互作用对孔隙的喉咙。样品的平均孔喉半径YP-2 YP-21增加由于水岩相互作用。样品YP-3和YP-6减少,尤其是YP-6非常明显的下降趋势。一般来说,平均孔喉半径的变化与渗透系数的趋势是一致的。线性相关性的平均孔喉半径和水力传导率被发现(图9)。相关系数是0.7349。

(2)孔喉比。孔喉比孔隙体积比的喉咙在所有孔喉体积间隔(23,24]。值越小,渗流就越好。这个比例的样本之前和之后的渗流实验得到的数据压汞实验(表8)。渗流实验后,样品YP-2和YP-21的比率下降了0.24和1.14,分别。样品YP-3和YP-6的比率大幅上升后渗流实验。受到孔喉径比的变化规律的影响,前两个样本的水力传导率突然上升,这后者的两个样品往往是稳定的。

5.1.3。水银挤压速度

水银挤压速度意味着砂岩的渗透率和水产生财产(25]。样品的汞挤压速度增加了1.54%至8.67%,表明在弱胶结砂岩孔隙的体积扩大由于水岩相互作用。如图10,有一个贫穷的渗透系数之间的正相关和汞挤压preexperiment样本和postexperiment样本。它表明汞挤压速率不能用于定量确定砂岩的渗透率。

总而言之,对于样品的突变发生水力传导率,孔隙度、汞脱除率和平均孔喉半径增加后渗流实验。孔喉比降低了。在其他样本,平均孔喉半径趋于减少,孔喉比显著增加。渗流通道的堵塞,防止渗流突变的发生阶段。渗透系数随孔隙度的增加在大多数情况下。然而,可以确定没有明显的相关性。之间存在线性正相关的渗透系数和平均孔喉半径。

5.2。Microseepage建设模型和方程

多孔介质的渗透系数描述渗流过程的流阻和全面反映了孔隙内流体的运动形式。不仅渗透系数是由微观结构特征,如孔隙度、孔隙分布的喉咙,胶结也是液体的物理性质包括容重和粘性强度。导水率之间的相关性和特定的渗透率( )可以用方程描述。

随着渗流实验以恒定的室内温度30°C,一个常数0.806 mpa·s应用。因此,特定的渗透率与渗透系数是线性相关。总之,特定的弱胶结砂岩渗透率的变化符合水力传导率。砂岩的微观结构的转变从根本上改变intrinsic-specific渗透率。

有几种常见的微观渗流模型,包括直毛细管模型、并行模型和分岔模型。的弱胶结砂岩孔隙度高,复杂的砂岩孔隙结构被简化为直毛细管,见图11。一个数学模型,在此基础上建立了毛细管模型。一个方程进一步推导出描述微孔结构和特定的弱胶结砂岩渗透率。直毛细管模型是一种常见的线性渗流模型由连续毛细血管直径相同的平行。

提出了几个假设建立模型。(1)只有一维水流的连续毛细血管(2)每个毛细管的直径是一样的,和渗流特征也是一致的(3)直毛细血管分布均匀,并定期

基于渗流力学方程,单毛细管可以写成的流动

水平单毛细管,渗流的流动可以写成

总水流,经历了一个毛细管渗流模型可以写成

然后,毛细血管的半径被替换为弱胶结砂岩的平均孔喉半径;总流可以写成 在哪里 表示压力梯度的毛细血管渗漏的方向。

我们认为有毛细血管单位截面面积;流单位截面面积可以写成

基于达西定律,可以写成

方程(7)和(8)合并

的孔隙体积直接毛细管模型 ,其孔隙度可以写成 当取消了在方程(9)和(10),得到以下方程

根据方程(11),特定的弱胶结砂岩渗透率成正比孔隙度和平均孔喉半径的平方。这种相关性的理论公式与渗流实验的结果是一致的。

5.3。评价的理论方程

作为特定的渗透率与微孔结构密切相关,任何小的微观结构的变化会导致渗透率的变化。确定的准确性和实用性比渗透率的理论方程,理论方程中获取的值与实际值比较(表后两个阶段的实验9和10)。然后,我们提炼基于达西定律的方程。

理论和实际比渗透率的对比图如图12理论和实际值的变化趋势,大约是相同的。它表明,理论比渗透率可以反映真实的特定的渗透率。

据统计,理论值和实际值的比值变化从1.33到1.62,平均为1.5的稳定渗流阶段。高岭石和水之间的相互作用占主导地位,高岭石粘土膨胀的主要因素。水分子被优先吸附在氧和氢的原子在高岭石26),见图11。要仔细考虑,使用的孔隙度和平均孔喉半径的理论方程比实际值大,导致一个更大的理论比渗透率。减少偏差,比渗透率方程的稳定渗流阶段被修改

据统计,实际价值和理论价值的比率变化从1.33到1.62,平均为1.5在渗流突变阶段。渗流通道扩展突然受到水动力干扰的环境。流急剧上升,导致更大的实际具体的渗透率。的方程具体渗透渗流突变阶段修改 在哪里表示修正系数。

验证修正方程的有效性,测试之间的显著差异理论值和实际值进行修正。如表所示11, (0.01),表明计算和预测渗透率水平提高。

微观结构的变换的弱胶结砂岩渗流过程中彻底改变了特定的渗透率,对水的控制构成巨大的挑战在中国西部煤矿。特定的弱胶结砂岩渗透率的理论方程可以用来开发提供有价值的信息和保存水的研究领域。

6。结论

在实验研究中,弱胶结砂岩的渗透率特征进行了研究。是得出的主要结论如下:(1)弱胶结砂岩的渗流过程可分为饱和渗流阶段,稳定渗流阶段,渗流突变阶段。渗透率突变的弱胶结砂岩水动力扰动下发生的条件(2)孔喉比可以作为一个关键指标的突变弱胶结砂岩的渗透率(3)直毛细管渗流模型建立了弱胶结砂岩的微孔结构,和理论公式计算具体的弱胶结砂岩渗透率的后两个阶段渗流实验也被提出。它可以用来定量评价之间的关系具体弱胶结砂岩的渗透率和微孔结构

符号

:	体积的液体中时间间隔(m3)
:	核心样品的长度(米)
:	水压力的变化(m)
:	横截面面积(m2)
:	的th时间间隔(d)
:	渗透系数(m / d)
:	特定的渗透率(mD)
:	动态粘度(mpa·s)
:	孔隙度
:	平均孔喉半径(μ米)
:	修正系数。

数据可用性

的数据支持本研究的发现提供的补充材料。

的利益冲突

没有利益冲突声明。

确认

作者承认金融支持中国的国家基础研究计划(973)资助项目(批准号2013 cb227900)和中国国家重点研发项目(批准号2017 yfc0804101)。作者也承认的共同基金国家自然科学基金(U1710258)和中国国家自然科学基金(批准号。51574172,41902180)。

补充材料

补充材料包括本研究的技术方法和导水率曲线。(补充材料)

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