文摘

北山花岗岩是一个潜在的主岩为高水平放射性废物(HLW)库。理解的流体力学(HM)行为和渗透率演化北山花岗岩HLW库安全是很重要的。因此,研究了甘肃北山花岗岩。HM耦合测试进行北山花岗岩在不同孔隙压力。结果表明,初始压差对渗透率测量膨胀开始前几乎没有影响。然而,出现膨胀后,渗透率随初始压差增大而增大。北山花岗岩的初始渗透率围压下的20 MPa。在初始加载阶段,磁导率显示了一个相对大的减少。然后,渗透率几乎保持不变,直到开始膨胀。从膨胀点达到峰值压力、渗透率与体积应变线性增加。拟议中的渗透率演化规则是实现成一个数值代码执行HM耦合模拟。仿真结果表明,受损区域首先出现在模型边界,然后延伸到内部,形成高体积应变的区域。它提供了流体渗流通道。宏观断裂模式表明,岩石孔隙压力加速退化在HM耦合。结果有助于理解花岗岩的破坏机制引起的孔隙压力和对安全的重视HLW库。

1。介绍

高放射性核废料的处理(HLW)地下岩石工程中最具挑战性的研究课题之一。最大的困难是安全的证明和长期隔离的HLW生物圈。花岗岩,其特点是高强度、低渗透率,是首选主机岩石地质处置HLW。中国计划建造一个HLW库北山花岗岩地层中,甘肃省(1,2]。因此,流体力学(HM)耦合行为的理解和渗透率北山花岗岩的演化具有重要意义,以确保长期的安全HLW库。

岩石非均质物质,包含微裂隙。岩石的破坏过程与裂纹扩展已经深入研究[3- - - - - -8]。另一方面,裂缝提供流体的渗流通道。流体在裂缝网络将加速岩石破裂过程,影响岩石强度和变形(9- - - - - -12]。因此,在多年的研究之后,在岩石破裂过程中渗透性演化逐渐吸引了研究人员的注意。撑et al。13)和Zoback et al。14研究了西风花岗岩的渗透率。他们的研究结果表明,渗透率有很强的依赖有效的压力和膨胀阀值后逐渐增加。流体静力学进行了压缩和三轴压缩试验在Inada花岗岩Kiyama et al。15]。结果表明,磁导率随的增加而成正比增加膨胀膨胀的发病和峰值强度之间的关系。刘等人。16)调查的渗透率演化花岗片麻岩在三轴蠕变试验。他们证明稳定蠕变阶段的渗透率仍然稳定,增加迅速加速蠕变阶段。为花岗岩,陈17)透露,渗透率降低,当围压较大时,增加压应力条件下的孔隙水压力更大。易et al。18),海兰德,拉布19),阿拉姆et al。20.张,et al。21)研究不同岩石类型的渗透率演化下的压缩。结果显示类似的渗透率演化趋势,渗透率的降低体积压实阶段,增加体积膨胀的阶段。

另一方面,已经取得了重要进展在岩石HM耦合的数值模拟过程中,特别是在DECOVALEX项目(22,23]。flow-stress-damage (FSD)耦合模型,提出了考虑渗透率演化由唐et al。24]。这FSD模型用于研究流体流动的行为和水力条件下损伤演化。Rutqvist et al。25两个codes-TOUGH2和FLAC)相关^{3 d}——THM耦合过程的分析,包含非线性应力与渗透率的耦合模块功能考虑。谭和Konietzky26)提出了一种细观数值模型来模拟HM耦合力学行为的花岗岩在粒度级别。它揭示了拉伸为增强微裂缝渗透率的重要性,和线性相关性体积应变与渗透率之间观察到的数值模拟。陆et al。27)提出了一种耦合continuum-based HM建模方法使用双刻度代表现实的含裂隙岩石材料概念模型。这个模型是验证失败在压缩和复制典型AE和渗透率演化特征。

介绍了HM耦合测试进行北山花岗岩在不同孔隙压力。初始压差的影响( )在渗透率进行瞬态脉冲方法进行了探讨。北山花岗岩的渗透率演化下的压缩。此外,建立异构数值模型来模拟HM耦合下的变形与破坏过程考虑体积应变与渗透率演化。

2。磁导率测量的瞬态脉冲的方法

在大多数情况下,渗透率可以通过使用常数测量头的方法(28,29日)或瞬态脉冲方法(30.- - - - - -33]。然而,由于花岗岩的低渗透性,它将需要很长时间达到一个稳定的液流使用常数方法。与常水头法相比,液体不需要实现稳流利用瞬态脉冲的方法。因此,它将消耗更少的时间。和瞬态方法具有更高的准确性对低渗透岩石。因此,在这项研究中,使用瞬态脉冲的方法。

瞬态脉冲法的测试原理图所示1。起初,孔隙压力恒定在样例和相邻的上、下流体储层。然后,上游水库是瞬间的压力增加,压力衰减在水库监控。压差可以被描述 与渗透率(米²),粘度的流体(水20°C: 10³Pa·s),为流体的压缩系数(水: ), 横截面积的样品(m²),样本(m)的高度,上水库的体积(m³),水库(m低的体积³),持续时间(s),上部储层的孔隙压力(MPa),的孔隙压力降低储层在时间(MPa)和上部和下部之间的初始压差流体储层(MPa)。一般来说,= ;因此,方程(1)可以写成 与作为最后的上部和下部之间的差压流体水库(MPa)。

3所示。实验室测试设置

3.1。制备的岩石标本

北山地区的花岗岩采集标本,甘肃省,中国。标本,直径50毫米和100毫米的长度,准备根据ISRM建议(34]。如果读者想知道北山花岗岩的基本性质和组件,请参阅文献[35,36]。

3.2。测试设备

HM耦合进行了测试与MTS815 Flex测试GT(见图2)岩石力学试验机。这台机器最大荷载量4700 kN,可以供应140 MPa的最大围压37]。轴向和横向压力由伸长计测量。

3.3。测试过程

四个标本准备HM耦合测试。在测试之前,标本在水中浸泡72小时的真空吸尘装置达到饱和状态(38]。对于HM耦合测试,首先,垂直荷载约2 kN应用以解决样品的位置。然后,所需的围压(20 MPa在所有HM耦合测试)达成了一个常数加载速率为0.05 MPa / s,以确保统一的静水压力下的标本是(39]。孔隙压力设置为2,4,6,8 MPa,镜子的最大潜在的水压力在不同埋深处北山地区(38]。达成所需的孔隙压力的恒定速率1 MPa /分钟。后来,轴向应力增加的常数加载速率30 kN /分钟。加载过程中,瞬态脉冲法测量北山花岗岩的渗透率在不同应变水平。应力和应变都在渗透测试期间保持不变。

此外,为了研究初始压差的影响( )瞬态脉冲的方法,三个初始压力差异用来测量磁导率在相同应变水平加载。初始压力差异设置为3.4,5.4,和7.4 MPa,接近潜在的水压力在不同埋深处在北山地区。如果初始压差小,不利于监控压力衰减北山花岗岩因为低渗透。两个标本(BSS-1和BSS-2)被用于这一任务。

4所示。测试结果

4.1。初始压差的影响( )瞬态脉冲测量结果的方法

渗透率测量不同初始压力差异相同应变水平下表所示1和2和图3。的围压20 MPa,初始渗透率值来衡量不同初始压力差异非常相似。因为独特的每个样本的异质性,测量渗透率总是表现出一些细微的差别。

在加载的初始阶段,由于关闭微裂缝渗透率降低。出现膨胀之前,渗透率变化小。出现膨胀后,渗透性增加。此外,渗透率随初始压差增大而增大。例如,以下示例BSS-2渗透率测量的初始压差7.4 MPa ( )在峰值应力的2.64倍,测量的初始压差下3.4 MPa ( )。峰值应力后,渗透率会变得不稳定,由于宏观裂缝在示例。失败后地区的渗透率不是在本研究讨论。

4.2。HM耦合测试的应力应变曲线

图4显示了北山花岗岩的应力-应变曲线在不同孔隙压力。随着孔隙压力增加,最大轴向应变和峰值应力降低。

4.3。渗透率的演化HM耦合测试

渗透率测量在HM耦合测试如表所示3和图5。它可以得出结论,北山花岗岩的初始渗透率是在维护的围压下20 MPa。首先从整体来看,渗透率下降缓慢,然后加载期间逐渐增加。渗透性演化的总体趋势是相同的不同的孔隙压力。

以8 MPa的孔隙压力为例,结合体积应变发展,北山花岗岩加载下的渗透率演化大致可以分为以下几个阶段。在第一阶段(即。,the initial stage of loading), micro cracks begin to close, which leads to a decrease of sample volume and loss of some seepage channels. Therefore, the decrease of permeability is relatively large compared to the initial permeability (for instance, reduction by 40% under pore pressure of 4 MPa). In the second stage, as the axial stress continues to increase, the volume of the specimen decreases. But there is possibility that new micro cracks are generated. Thus, the permeability almost keeps constant. After the dilatancy point, micro cracks are reactivated gradually and interact with each other, which leads to crack coalescence and provides new seepage channels. The permeability increases gradually with increasing volumetric strain. It can be concluded from Figures5 (b),5 (d),5 (f),5 (h)磁导率之间存在线性关系和膨胀体积应变峰值应力。在峰值应力,渗透率可以增加一个数量级与初始渗透率(参见示例HM-3)。峰值应力后,渗流行为变化从多孔介质渗流介质渗流骨折。在这个阶段,渗透率变化很大,超出了本研究的范围。

根据测试结果,北山花岗岩的渗透率演化对体积应变大致可以分为两个阶段在到达峰值应力之前,如图6。裂缝介质渗流的高峰阶段,不可能预测渗透率的体积应变。在膨胀阀值 ,渗透率降低和减少体积应变。它可以近似表示为线性关系,线性系数设置为 。从膨胀阀值峰值压力 ,渗透率增加线性增加体积应变。相关系数(见图5)确认线性拟合的正确性和线性系数设置为 。可以表达的关系 在哪里初始渗透率(米²),体积应变。它可以从测试数据,推导出远远大于 。

5。HM耦合模拟

5.1。模型描述和设置

为了研究试样内的应力应变状态,非均匀圆柱模型直径50毫米和100毫米长度显式有限差分程序FLAC建立^{3 d}如图7。该模型有96000个区和100521现。HM耦合模拟,围压设置为20 MPa。5的压缩位移速率e-8 m /步骤分配模型的顶部和底部脸上。透水边界应用模型的顶部和底部。孔隙压力是固定在顶部和底部的模型来模拟流体压力恒定。应变软化模型用于力学,和达西各向同性模型用于流体流动。在表中列出所有输入参数4和5。的参数表4和5与HM耦合测试一致。

5.2。线性相关系数的测定

根据节4.3,磁导率与体积应变的线性关系。和体积应变FLAC的元素可以直接获得^{3 d}。因此,渗透率数值模拟中更新。然而,线性关系不能用于直接描述元素的渗透率演化。因此,线性系数由几个数值模拟[需要校准41]。

首先,模拟的常规三轴压缩(CTC)试验围压下20 MPa进行。一个压缩的数值模型(见图8(一个))在膨胀之前选择阈值来确定线性系数 ,和损坏膨胀阈值(参见图以外的数值模型8 (b))选择确定线性系数 。设置为初始渗透率 。这两个模型是用来模拟稳定流与不同的线性系数,结果如图所示9。根据流量, 和 适合实验室的结果。

5.3。HM耦合仿真结果

拟议中的渗透率演化规则(方程(3)到FLAC实现^{3 d}。孔隙压力对应HM耦合测试。图10显示了从模拟实验获得的应力-应变曲线。以8 MPa的孔隙压力为例,不同观测点的变形和渗透率演化(标记在图11)所示的数据12- - - - - -15。

从数值模拟可以得出一些结论。在准弹性阶段(点a和b),几乎是均匀的应力状态;体积应变与轴向应力增加,减少和所有元素被压缩;渗透率降低,流体流动受到限制。总之,在这一阶段没有损害。在峰值应力(c点),应力分布不再是统一的;体积应变增加,特别是接近模型边界;因此,模型边界附近的渗透率和流量增加。在应力降(e)、局部拉应力出现;体积应变增加迅速,形式薮猫剪切带、内部开发的模型边界。 And it provides several seepage channels with high permeability for fluid flow. In the residual stage (point e), the tensile stress area expands; the volumetric strain bands become wider and interact with each other.

宏观断裂模式样本在不同孔隙压力如图16。与孔隙压力的增加,体积应变带渠道增加。换句话说,宏观裂缝成为明显的孔隙压力增加。它表明,岩石孔隙压力加速退化在HM耦合。

6。结论

HM耦合测试进行北山花岗岩在不同孔隙压力。渗透率演化进行了研究。和数值模拟进行研究应力状态和变形过程。根据结果,可以得出以下结论。

在膨胀之前,初始压差( )几乎没有影响渗透率的测量采用瞬态脉冲的方法。然而,膨胀后,渗透率随初始压差增大而增大。总的来说,渗透率演化趋势是相同的。

初始渗透率的北山花岗岩维护秩序围压下20 MPa。在初始加载阶段,磁导率显示了一个相对大的减少。然后,渗透率几乎保持不变。从膨胀的峰值应力,与体积应变渗透率线性增加。一个规则提出了体积应变的渗透率演化有关。

仿真结果表明,受损区域首次出现接近模型的边界,然后延伸到内部,形成局部高体积应变的区域。它提供了流体渗流通道。宏观断裂模式表明,岩石孔隙压力加速退化在HM耦合。

在未来,更多的测试需要进一步调查渗透率演化和压裂北山花岗岩的特点受到不同的围岩应力和孔隙压力。

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

作者宣称他们没有竞争的经济利益或人际关系,影响了工作报告。

确认

这项工作是支持的重大项目的山东省自然科学基金(ZR2018ZA0603)和中国国家自然科学基金(51674266)。