交通流路径的实验测量孔径在热破碎花岗岩和孔隙结构和渗透率之间的关系

文摘

流体在岩石在许多地质过程有关键的作用,比如在地热水库和地壳形变。渗透率是依赖于孔隙度和孔径流路径,但是直接量化的孔隙结构比直接估算渗透率更加困难。气体突破方法可用于确定运输半径毛孔用的气体压力气体突破被水浸透的样本( )。在这项研究中,我们应用气体突破方法在围压下受损的花岗岩,为了评价渗透率和孔隙特征(即之间的关系。、孔隙度和交通流路径孔径)30 MPa的压力。交通流路径孔径、渗透率和孔隙度的热破碎花岗岩随着围压降低。我们量化渗透率和孔隙特征之间的关系,它提供了一个更好的估计考虑渗透率的水力裂缝连接的部分。

1。介绍

流体在岩石在各种地质过程具有关键作用,包括地壳形变(1,2和流体诱发地震活动3,4]。实验室实验岩石样本已经产生了广泛的渗透率(10^-12年到10^-23年米²),控制的岩性、孔隙度和孔隙几何形状(Gueguen Palciauskas, 1994)。压力差、脆性变形可以迅速改变渗透和影响流体流动过程由于膨胀与微裂纹成核和生长5,6]。相比之下,静水压力的增加会降低渗透率通过逐步关闭毛孔内的岩石7,8]。裂缝孔隙度和渗透率是敏感光圈,和孔隙结构和渗透率之间的关系提出了基于多孔弹性介质理论(9- - - - - -11]。

岩石的临界孔隙喉道半径可以与实验性地确定气突破法(12- - - - - -15]。在这种方法中,气体压力注入的一端被水浸透的样本是增加。当压力克服阻力由于水的表面张力,孔隙喉道半径从气体获得突破的压力(Δ )毛细现象由以下方程: 在哪里气-水界面的表面张力和吗接触角。这种方法被应用到各种材料包括多孔火山岩、砂岩和泥岩为了确定密封完整性或评估permeability-pore结构关系但尚未应用于结晶岩石评价热裂解的影响。在这项研究中,围压下的气突破法被用来确定渗透率之间的关系,孔隙度、孔径和流动路径在静水条件下的热破裂这个花岗岩。

2。样品描述

在我们的实验中,我们使用细粒度的花岗岩样品从这个地方,日本。花岗岩的平均晶粒尺寸是0.3毫米,包括30 vol. %石英,37 vol. %斜长石,24 vol. %钾长石,8 vol. %黑云母(16]。样品的体积密度2.66克/厘米³和一个明显的初始孔隙度0.62%17]。基于弹性波速度测量,在这个地方花岗岩材质接近各向同性(18]。在我们的实验中,每个样本切成一个圆柱体直径20毫米和20毫米的长度(小于±0.05毫米)的不确定性。

这个地方花岗岩样品热处理在房间压力高达400°C, 600°C, 800°C的升温速率5°C /分钟。样本保存在烤箱在每个温度为2 h,然后关掉烤箱样品留给一夜之间慢慢冷却。因此,裂缝是由热强调由于不同的相邻的谷物和热扩张α-β石英过渡温度> 550°C (19]。反向散射电子图像表明,晶间裂纹形成550°C以上;颗粒内的裂缝也观察(图1)。

3所示。实验仪器和方法

在这项研究中,渗透率、流动路径孔径和孔隙率进行了测量在室温下静水压力下使用一个intravessel变形和流体设备(图2广岛大学、广岛、日本(20.]。聚烯烃的圆柱形样本封闭管,防止与围油的交互。实验方法测定孔隙率和渗透率(i)和(ii)交通流路径孔径(气体突破方法)在以下部分中给出。

3.1。渗透率和孔隙度测量

磁导率测量的方法使用水作为孔隙流体流动,上游孔隙压力是保持一个常数( )。稳态流体孔隙压力梯度驱动整个样本监控使用注射泵每10 s。磁导率( )确定测量的流量如下: 在哪里孔隙流体的粘度,上游孔隙压力,是下游孔隙压力(大气压),和样品的横截面积和长度,分别和平均流量测量是通过注射泵的体积变化。流体体积测量的误差< 16.63×10⁹在每个时间步L。

我们确定花岗岩热裂缝的孔隙度在400°C, 600°C, 800°C气体孔隙度仪使用氮气作为孔隙流体(20.]。样本第一套比重瓶,和颗粒体积测量大气压力使用气体膨胀方法基于波义耳定律(表1)。然后我们把样品测量压力容器和围压下的孔隙体积( )使用气体孔隙度仪连接到设备。孔隙度误差是ca。±0.01%。

3.2。道路交通流孔径测量(气体突破方法)

气体突破方法用于确定孔隙喉道半径(例如,15])。当气体注入的底部被水浸透的样本,气体压力推动气水界面而表面张力作为抵抗气体压力。气-水界面和空气之间的压差与流量路径孔径(小半径)由以下方程毛细现象和假设流动路径椭圆截面: 在哪里椭圆的周长,可以表示如下: 在哪里(N / m)是表面张力,岩石和水之间的接触角,(Pa)的压差气-水界面,是椭圆的烈度衰减长度(主要半径),然后呢(=/)是长宽比横截面流的路径。气体流过时样品气体压力克服表面张力最小光圈的位置在最优先流路径。特征流路径孔径可以确定从第一个气体流的压差发生(突破压力 )。在实验中,样品被第一次与水饱和(在渗透率测量阶段),如图2 (b),然后,氮气注入从样品的底部以恒定流量使用注射泵2.5毫升/分钟。的上游部分样本被连接到一个水箱。当第一个泡沫出现在水箱,我们记录了气体压力(图2 (c))。的接触角之间的岩石和水被认为是52°,一直以西风花岗岩水气系统(21]。我们使用nitrogen-water界面张力为0.075 -0.072 N / m (22),这取决于测量室温(10到25°C)。流程上的错误孔径是0.000072 - -0.26μ米对我们样品孔径为0.13 -8.0%,基于气体压力测量的不确定性的注射泵。

4所示。实验结果

实验结果为交通流路径孔径,渗透率和孔隙度表中列出2。图3(一个)显示的变化与围压倾向于增加与围压系统。图3 (b)显示了流程孔径计算围压的函数。流路径对所有样品孔径随围压增大而减小,虽然光阑的流动路径是相对较小的样本在400°C。这表明,由于热损伤α-β石英过渡导致明显的裂纹张开。

图4表明,渗透率随围压增加而降低。在水压加载过程中,渗透率下降了一个数量级为所有样本。样品加热在400°C, 600°C,和800°C显示降低渗透率与有效压力增加,从 , ,和 在5 MPa , ,和 分别为30 MPa,。孔隙度测量显示系统与应用围压变化(图5)。孔隙度显示一个大的变化在5 MPa(1.4% - -2.6%),随围压在30 MPa (1.0% - -1.5%)。

5。讨论

5.1。基于渗流理论分析

渗流理论预测孔隙度和渗透率之间的幂律关系以下方程的形式(例如,9): 在哪里(m²)是一个常数项,确定渗透率的大小,是一个关键指数,然后呢的孔隙渗流阈值,即流体流动的最小孔隙度发生跨样本( 为 和 为 )。 和在渗流理论和重要参数依赖于孔隙结构的几何模型中的假设。对于我们的样品,孔隙度之间的关系和磁导率可以用方程近似 ,基于渗流理论(图6)。图7渗透率与孔隙度的显示了一个阴谋,包括公布的数据为砂岩,热压材料,和花岗岩(23- - - - - -27]。获得的数据分布在之前报道回归砂岩和花岗岩。

为介质的渗透通过互联和随机分布的细裂缝发生,下面的模型已经使用(28,29日]: 在哪里裂缝半径和吗纵横比( ),这被认为是常数 。常数是无量纲的,取决于裂纹的弯曲度网络和形状因子如下(30.,31日]: 。弯曲度被插入的测量值计算和在情商。6),评估的相关性来 。弯曲度和降低渗透率降低,从17到3(图8)。孔隙连通性与弯曲度的平方的倒数(32]。因此,减少弯曲度对应增加裂缝网络连接。我们的研究结果表明,连接增加而减少由于关闭裂缝孔隙度。在下一小节中给出详细的计算。

5.2。渗透率之间的关系,孔隙度、孔径和流动路径

几个模型被用来预测渗透率的岩石从微观结构参数11,32,33]。通过假设裂缝是可变长度的薄圆盘,渗透脆性变形期间可以使用裂缝参数估计如下: 在哪里裂缝孔隙度,计算如下: 在2裂纹长度,是裂纹孔径,裂缝间距(32]。方程(7)表明,渗透率敏感裂纹光圈。检查情商的适用性。7),我们的研究结果,我们调查了渗透率之间的关系和(图9)。尽管情商。7)表明,和有一个线性关系,重对数坐标图的数据显示,非常近似的数据吗 而不是分布在一条直线的斜率。这表明,不是一个简单的线性函数的 。他和Yokoyama14)还显示,许多细粒度的媒体与幂函数( )(图10),孔隙半径(= w)是至关重要的。之间的非线性关系和表明,另一个因素需要考虑渗透率演化在静水压力升高。

Gueguen和二烯烃32)表明,磁导率可以表示如下: 在哪里是裂缝导致流的一部分,这是零当裂缝相交的概率低于渗滤阈值(34]。请注意,不同于前一节中描述的裂缝网络连接。如果减少,网络连接总是减少,但是可以增加降低多 。 的比例是相互关联的总裂缝和裂缝可以表示如下: 在哪里的概率是一个路径从一个站点通过相邻站点将被打断(Gueguen Palciauskas, 1994)。这表明,连接因素代表无限流路径属于集群和在各个方向传播。然而,我们确定了渗透流量在轴向方向上的示例(图11)。因此,在这项研究中获得的磁导率需要表达的是不同的连接因素 。

在这项研究中,被定义为一个新的因素,代表了部分裂缝导致样品的轴向流动。我们可以修改情商。9)使用而不是如下:

被插入的测量值计算和在情商。11),以评估的相关性来 。的一块与显示,增加而减少(图12)。之间的关系和下面的方程来近似:

这表明尽管流路径网络的连通性与降低渗透率显著降低,导致裂缝流的一部分样品的轴向增加;因此,流体主要是由一个特定的路径在一个相对不透水介质(图13)。优先流路径的存在提出了基于二维异构系统的数值模拟,已被用作模拟多孔岩石的孔隙几何形状(35,36]。我们的实验结果为热破碎花岗岩表明,渗透性不仅依赖孔隙度和流动路径孔径也导致裂缝流的一部分。

我们研究了渗透率和孔隙特征之间的关系,考虑到部分连接的水力裂缝导致在围压下的轴向流动。的变量似乎情况所需的流体在地下发生在一个特定的方向(例如,地热能源的生产进口和出口之间的流体流动的方向井)。

6。结论

我们已经介绍了实验数据的渗透率、孔隙度、孔径和流动路径在静水条件下热破碎花岗岩。使用气体突破方法,我们测量了裂纹样品孔受到压力升高。在所有的实验中,围压增加,渗透率降低,由于裂缝的闭合。基于渗透性之间的关系、孔隙度、孔径和流动路径,渗透率是推断控制主要由裂缝孔径的变化如下: 。获得方程的比较与渗透率模型(32]表明,流体更集中在一个特定的路径与降低渗透率。获得更详细的渗透率模型,定量分析的几何因素的影响,如裂缝网络和孔径,在静水压力是必需的。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们感谢y Shibata进行反向散射电子图像分析。我们感谢n .他讨论这方面的研究。我们感谢伊恩·杰克逊和乔尔Sarout他们深思熟虑的和建设性的评论。本研究部分支持的日本促进社会科学(授予18 h01321和18 h03733)。

引用

1. j·d·Byerlee,”韦伯砂岩的断裂强度和摩擦强度,”国际岩石力学和采矿科学和地质力学学报文摘,12卷,不。1、1 - 4,1975页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 事务部门主管r·h·Sibson“结构性的渗透性fluid-driven断层裂缝网格,”《构造地质学,18卷,不。8,1031 - 1042年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. p . Talwani和美国安克瑞孔隙压力扩散和水库诱发地震的机理,“纯粹与应用地球物理学PAGEOPH,卷122,不。6,947 - 965年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. h . Velcin j . Dautriat j . Sarout l . Esteban b·哥德尔,“实验复活shear-fractured贝雷砂岩和博伊西由盐水或液体有限公司₂在深度注射。”地球物理学研究杂志:固体地球,卷125,不。2,页1 - 25,2020。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. t·m·米切尔和d·r·福克纳“实验测量渗透率演化的三轴压缩过程中最初完整的结晶岩石和流体的断层的影响,“地球物理学研究杂志:固体地球,卷113,不。B11,硕士论文,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. m·d·Zoback和j . d . Byerlee”微裂纹的影响膨胀的渗透率西风花岗岩,”地球物理研究杂志》,卷80,不。5,752 - 755年,1975页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. w·f·撑、j·b·沃尔什和w·t·Frangos这样“花岗岩在高压下,渗透性”地球物理研究杂志》,卷73,不。6,2225 - 2236年,1968页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. j·福丁,s . Stanchits s文奇盖拉和y Gueguen“热力和机械裂纹对渗透率的影响,弹性波速度从太埃特纳火山玄武岩受到压力升高,”构造物理学,卷503,不。1 - 2日,60 - 74、2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. m . Sahini和m . Sahimi应用渗流理论,CRC出版社,伦敦,1994年。视图:出版商的网站
10. 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。B3, 3999 - 4016年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. j·b·沃尔什和w·f·撑”压力的影响孔隙度和岩石的交通特性,”地球物理研究杂志》,卷89,不。B11, 9425 - 9431年,1984页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. t .藤井裕久、s i Uehara和m . Sorai“有效压力对阈值的影响压力Kazusa组泥岩为有限公司₂地质封存。”材料交易卷,56号4、519 - 528年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a . Hildenbrand s Schlomer b·m·克洛斯和r . Littke”气体突破泥质岩石实验:比较研究与N2、CO2和CH4,”Geofluids,4卷,不。1,p。80年,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 西山英彦和t . n . Yokoyama“多孔介质的渗透率:临界孔隙大小的作用,“地球物理学研究杂志:固体地球,卷122,不。9日,第6971 - 6955页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. t . Yokoyama和竹内美国Porosimetry water-expulsion水泡火山的产品的方法和孔隙特征渗透率之间的关系,“地球物理研究杂志》,卷114,不。B2, B02201条,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. Sano y奖赏,o . n . Murashige Mizuta y,和k .中川”压力诱导裂纹路径这个花岗岩在拉应力下,“纯粹与应用地球物理学PAGEOPH,卷138,不。4、641 - 656年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. h . Yukutake“压裂过程测量的花岗岩推断在三轴变形速度的时空变化特征,“地球物理研究杂志》,卷94,不。B11, 15639 - 15651年,1989页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. t .渡边和a . Higuchi”同时测量弹性波速度和导电性brine-saturated花岗质岩石下围压力及其含义的解释地球物理观测,”地球和行星科学的进展,卷2,不。1,2015。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. p·w·j·格洛弗·波特m . Darot等。”Α/Β相变在石英监控使用声学排放,”国际地球物理杂志,卷120,不。3、775 - 782年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. 野田k冈崎,h, s . Uehara, t . Shimamoto”渗透率、孔隙度和孔隙几何形状演化在新第三纪沉积岩压实,”《构造地质学卷,62年,页1 - 12,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. c·h·盖茨,大肠完美,b . s . Lokitz j . w . Brabazon l·d·麦凯和j·s . Tyner”前进接触角测量的瞬态分析在抛光的岩石表面,”水资源的进步卷,119年,第149 - 142页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 日本化学学会,化学手册(基本)如何Maruzen,第五版,2004年版。
23. y Bernabe、w·f·撑和b·埃文斯“热压方解石的渗透率、孔隙度和孔隙几何形状,”材料力学,1卷,不。3、173 - 183年,1982页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 下午老前辈,”磁导率、电导率和砂岩的孔隙几何形状,”地球物理研究杂志》,卷93,不。B7, 7729 - 7740年,1988页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. p·g .梅雷迪思。g .主要o . c .克林特·l·李,“自然岩石流在一个严格的门槛,“《地球物理研究快报,39卷,不。4、1 - 5,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. a . Revil p Kessouri, c . Torres-Verdin”导电性、激发极化和枫丹白露的渗透性砂岩,”地球物理学,卷79,不。5,D301-D318, 2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. s, m . s .帕特森,s·f·考克斯,“孔隙度和渗透率演化方解石聚集在热等静压过程中,“地球物理研究杂志》,卷99,不。B8, 15741 - 15760年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. j . Sarout e . caz c Delle Piane, a .舞台和l·埃斯特万”Stress-dependent紧了岩石渗透率和波色散:简单有效介质模型的实验验证,”地球物理学研究杂志:固体地球,卷122,不。8,6180 - 6201年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. j . Sarout“孔隙空间拓扑结构对渗透率的影响,截止频率和波传播理论的有效性,“国际地球物理杂志,卷189,不。1,第492 - 481页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. y Bernabe”,孔隙体积和运输自行车几个结晶岩石属性变化压力,”材料力学,5卷,不。3、235 - 249年,1986页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
31. m . s .帕特森,渗透性和电阻率的等效信道模型的流体方面的有力依据,“材料力学,卷2,不。4、345 - 352年,1983页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
32. 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
33. 答:哥,”Permeability-porosity关系:重新审视Kozeny-Carman方程的基于分形孔隙空间几何假设,”《地球物理研究快报,33卷,不。2、1 - 5,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
34. m . Ravalee和y Gueguen加热饱和火成岩岩石渗透率模型,”地球物理研究杂志》,卷99,不。B12, 24251 - 24261年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
35. y Bernabe”的裂缝和孔隙网络的传输特性,”地球物理学研究杂志:固体地球,卷100,不。B3, 4231 - 4241年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
36. c .大卫,“几何流流体运输路径的岩石,“地球物理研究杂志》,卷98,不。B7, 12267 - 12278年,1993页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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