文摘

地下岩体工程的稳定与安全密切相关的渗透过程流体和岩石的渗透率属性。揭示热破坏岩石中流体的流动行为,首先,岩石渗流测试系统应用于研究红色砂岩的渗透率属性标本不同高温处理后从200年到800°C的不同围压下10到30 MPa。同时,红色砂岩样品的微观结构特征是水银入侵porosimetry (MIP)和扫描电镜(SEM)。然后,孔隙水压力的渗透过程,流体的流动形式也进行了数值建模方法。结果表明,红色砂岩的渗透率性质标本后高温暴露遵循线性达西定律,和围岩压力和等效渗透系数之间的关系( )可以由一个幂函数的数学描述。此外,微观结构恶化加剧的现象随着温度和平均孔隙尺寸和孔隙度的红色砂岩标本都是幂函数相关的等效渗透系数。此外,数值模拟的结果表明,影响范围内的流场的压力逐渐变得稳定和有序的障碍,和流动的液体变得光滑连续,并垂直于等值面孔隙水压力随着时间的流逝。此外,非线性孔隙水压力和渗流路径长度变化之间的相关性线性相关,这与线性达西定律是一致的。

1。介绍

开发地热能源,煤炭开采、核废料处理、和地下煤炭气化,以及恢复地下防护工程,各种问题越来越突出(1- - - - - -4]。的一个问题是围岩的物理和机械性能的变化引起的热损伤,尤其是高温后岩石的渗透率特征的进化过程暴露已成为一个热点话题在岩石热力学和液压5- - - - - -11]。岩石的渗透率属性是岩石水力学的基本参数(12]。

研究表明,高温导致岩石的微观结构变化诱导热损伤现象如启动、传播、微裂隙和聚结,直接影响岩石的渗透率属性(13- - - - - -18]。为了解决这个问题,已经受理等。19]总结五个主要力学参数后的花岗岩高温暴露通过研究各种印度花岗岩在高温下的热力学行为,提供信息的热力学机理研究花岗岩。格里菲思et al。20.)和Freire-Lista et al。21)用各种方法来研究花岗岩的裂纹增长高温暴露后,结果表明,当温度低于400°C,砂岩的渗透性下降缓慢的增加温度,当温度从400增加到600°C,砂岩的渗透性增加温度迅速增加。Chaki et al。22]。马等。23)认为,总孔隙度、渗透率大大影响了有效孔隙度和临界孔隙大小的标本。陈等人。24]研究了花岗岩的渗透率特性和温度之间的关系,结果表明,当温度小于300°C,渗透略有变化,当温度从300增加到500°C,渗透率逐渐增加,当温度大于500°C,渗透率显著增加。高et al。25)进行渗透和入侵porosimetry汞(MIP)测试,然后使用样品的孔隙的分形维数特征捕捉运输特征和孔隙结构之间的关系,以预测的permeability-related特征标本。这些研究主要集中在微观形态的变化和接触高温后岩石的渗透率属性。然而,围压下岩石的渗透过程是很少报道。高温诱导裂缝岩石的生成和传播,因此,影响岩石的渗透率属性。与此同时,围压也会影响岩石的渗透率属性。此外,岩石的渗透率和孔隙度之间的关系也一直在研究[22,26- - - - - -30.]。Chaki et al。22]研究了热损伤花岗岩的孔隙度和渗透率的演进,和结果表明,渗透率和孔隙度的测量可以更好地描述连接试件的孔隙度。江et al。26)建立了一个新浪潮velocity-permeability花岗岩受到不同温度模型根据修改后的波velocity-porosity公式和Kozeny-Carman公式。贾et al。27和郑et al。28)研究的有效孔隙率和渗透率stress-dependent低渗透性岩石,和结果表明,幂律形式可以用来描述孔隙率和渗透率的相关性。

这些研究有助于了解岩石的渗透率特征。然而,很少有研究在微观物理性质之间的关系和不同围压下宏观渗透率特征描述热损坏的红色砂岩的特点从汞的角度入侵porosimetry和扫描电子显微镜(SEM)。因此,揭示热损坏的红色砂岩的渗透率特征之间的相关性和围压,首先,红色砂岩的渗透率性质标本200年高温暴露之后,300年,400年,500年,600年和800°C,研究了不同围压下10、15、20、25、30 MPa。然后,红色砂岩样品的微观结构特征的汞入侵porosimetry和扫描电镜。此外,渗透过程中孔隙水压力和流体的流动形式是通过数值模拟的方法进一步研究。

2。方法

2.1。样品制备

自然的红色砂岩在这项研究中都来自莱州矿区,山东,中国。没有可见的表面纹理和裂缝,结构完整。在自然状态下,岩石是红棕色的。主要成分是石英、长石和伊利石,平均密度为2.47 g·厘米³。完整的红色砂岩块空心,切割,抛光到一个标准的圆柱试样直径50毫米和100毫米的高度推荐的国际岩石力学学会(ISRM) [31日]。标本的高度偏差在±0.05毫米,和不平行度的容许偏差的两个终端面临±0.02毫米。标本的意思是单轴抗压强度为58.63 MPa通过电液伺服试验机。红色砂岩标本被高温热处理炉,如图1(一)。

陶醉了温度对红砂岩的特性的影响,目标温度设定在200年,300年,400年,500年,600年,和800°C,分别和升温速率是10°C·分钟¹(32]。当温度达到设计温度,保持高温150分钟,热火可以完全标本内的传播。然后,标本取出自然冷却。冷却标本用塑料薄膜包裹以防止空气中湿度的影响。高温暴露后的红砂岩标本被显示在图1 (b)。

2.2。实验过程

全自动渗透测试系统的地质力学与地下工程国家重点实验室,中国矿业大学和技术被用来进行高温暴露后对红色砂岩渗透率测试标本。测试系统的原理图如图2。测试系统主要由进水口子系统、三轴渗透试验子系统、数据采集子系统,60的最大围压MPa可以应用到标本。测试过程中的数据自动保存的数据采集子系统。

首先,标本浸入蒸馏水,标本是恒定的重量时,测试前的标本被认为是饱和。然后,标本用3毫米防水胶带,防水胶带是光滑和标本的表面覆盖,以防止水溢出造成的测试误差和围压的不均匀分布。包装样品的容器放入三轴渗透试验子系统沿轴向水平方向。确保水压力的均匀分布,多孔金属垫片放置两端轴向的标本。同时,应用低围压,一组初始水入口压力是防止测试误差。当出口流速稳定,围压设为10,15日,20、25和30 MPa,分别。封闭压力达到预定值时,错流泵的出口压力控制,逐步增加。进口和出口压力可通过压力计记录并保存在电脑上的精度0.01 MPa。当流量通过标本是稳定的,可以通过实时数据,计算渗透系数,定量评估围压和温度对渗透特性的影响的红色砂岩试样。

3所示。结果与讨论

3.1。渗透率属性

轴向水力梯度和体积速度之间的关系如图3。很明显,随着体积速度,轴向水力梯度的增加,在相同围压和轴向水力梯度与体积速度,线性相关,相关系数大于0.99,表明高温暴露后红色砂岩的渗透性可以表现为线性的达西定律。与围压增加,此外,陡坡拟合线变化,表明高围压使得渗流通道逐渐缩小,增加流体的阻力迁移到阻碍液体的流动。它还可以看到从温度对拟合直线斜率的影响同一围压下,温度有很大的影响的渗透特性的标本。

考虑到等效渗透系数是一个重要的参数评估岩石的渗透率(4,25,33,34,认为水是一种不可压缩的液体,等效渗透系数可以被描述为一个线性函数的零拦截在线性达西定律(35]。 在哪里是等效渗透系数,液压粘度系数和10吗³Pa·s本文标本和截面尺寸的吗 在这篇文章中,进口和出口之间的压力差是水,然后呢样品的长度是0.1米。红色砂岩标本的等效渗透系数与不同温度水平和围岩压力进行了计算和分析,如表所示1。

表1显示了等效渗透系数的变化在不同的温度和围压压力。显然,高温可以提高等效渗透系数的标本,以及等效渗透系数与增加温度增加好几倍,这是类似于花岗岩的渗透性特征后高温暴露了陈et al。24]。等效渗透系数是最小的在同一围压在200°C。当温度为800°C时,等效渗透系数达到最大值和远高于其他的温度。当温度增加从200年到800°C,等效渗透系数增加 。此外,当围压增加从10到30 MPa,等效渗透系数降低52.5至-84.5%。图4进一步显示了等效渗透系数和围压。当温度为200°C时,拟合变量是0.27。当温度为800°C时,拟合变量为56.24,比200年增加207倍°C,这表明温度越高渗透性增加。

3.2。孔隙结构特征

岩石的渗透率性质密切相关的组织如孔隙大小、分布和连通性。因此,采用压汞porosimetry测试高温暴露后红色砂岩的孔隙结构。测试结果如表所示2。累积汞摄入量之间的关系在不同孔隙尺寸和孔隙结构的孔隙分布如图所示5。

从图我们可以看出5(一个),温度增加,累积汞摄入量增加。温度为200°C时,汞含量,平均孔径,孔隙度的标本是最低的。然而,当温度从200增加到800°C,水银含量,平均孔径和孔隙率的标本增加2.7,1.6,和2.8倍,分别。特别是,累积汞摄入量的曲线在300和400°C远,表明当温度从300增加到400°C,标本的孔隙结构发生了巨大变化。此外,当孔径小于1.6μ标本的m,累积汞摄入量400°C达到最大值,和孔隙直径大于1.6μ标本的m,累积汞摄入量800°C达到最大。此外,很明显在图5 (b)有两个明显的孔隙大小分布曲线峰值,最高峰出现在孔隙直径是1μm。高温后,红色砂岩的孔隙大小主要分布在-10 - 0.1的范围μm,主要是因为热膨胀失配的不同的矿物质和各向异性所产生的温度应力。热断裂发生在红色砂岩,导致主孔的直径的增加骨折和新出现的毛孔。另一个峰值发生在孔隙直径100μm,最大峰值温度400°C,表明红色砂岩样品在400°C有更多的毛孔和更大的平均孔隙直径在这个孔径范围。

为了更好地理解红色砂岩的等效渗透系数的影响高温暴露后,平均孔隙尺寸和孔隙度之间的关系和等效渗透系数如图6。可以看出等效渗透系数的关系,平均孔隙尺寸和孔隙度可以由幂函数描述。此外,拟合优度在不同围压下0.8009 - -0.9998,表明孔隙率和孔径分布是重要的影响因素水的渗透。

红色砂岩样品在室温(25°C)和高温(400°C, 800°C)被扫描电子显微镜观察,如图7。当温度是25°C,红色砂岩样品的表面是相对平坦,没有可见的裂缝和大孔(图7(一))。当温度上升到400°C,毛孔逐渐出现。主要原因是疲软的粘土矿物开始在400°C扩展强烈,导致急剧增加,微观缺陷。此外,裂缝和孔隙的影响下的发展高温导致明显的异质性,晶体颗粒开始溶解和打破,显示不规则形状和标本的表面(图7 (b))。当温度上升到800°C时,晶体颗粒表面的标本片状剥落,毛孔继续发展和增加,微裂隙和microdefects增加(图7 (c))。

3.3。渗透孔隙水压力的过程

近年来,随着计算机技术的发展,数值模拟方法已广泛应用于岩土工程的研究(36,37]。COMSOL多重物理量作为有限元数值模拟方法在许多领域有广泛的应用,包括结构力学、流体力学、岩土力学。高温后,红色砂岩的孔隙和裂缝的增加,直接影响渗透率的红色砂岩标本。因此,COMSOL多重物理量采用数值模拟软件模拟高温暴露后红色砂岩的渗透过程。

本文选择流体模块,以及建模过程可以概括为五个步骤:(1)质量守恒原理的选择的渗流模型,(2)渗流物理领域的假设,(3)初始模型的建立基于实验结果,(4)的分配模型边界条件,和(5)数据的监控模型渗流过程(38]。

质量守恒原理的渗流模型表示为: 在哪里液体的密度,达西速度矢量,压力梯度,是动态粘度系数,渗透系数,孔隙度。根据质量守恒原理,质量的进口水等于出口水。液体的压力梯度的渗透系数和孔隙度的影响。

此外,围绕着气缸壁的边界设置为不流和不滑。此外,达西定律被选为物理场,假设(1)样例是一个均匀,各向同性线性弹性体,(2)流体的行为是线性的,可以由达西定律描述,和(3)流体密度和粘度系数是常数,以1000公斤·m³分别和0.001 Pa·s。

红色砂岩标本的基本物理参数与800°C的温度和围压20 MPa被用于建模。等效渗透系数设置 ,进水口设置4.67 MPa,出口压力是0,孔隙度是12.06%。在交互界面,通过输入特定的值COMSOL上面的公式可以自动将相应的数据转换成基于流体模块内置的编程语言。为了更好地观察进气压力梯度对渗透率的影响行为,围压梯度的影响没有考虑。标准圆柱模型直径50毫米和100毫米的高度建立了如图8(一个)。

孔隙水压力和流场之间的关系随着时间的推移图所示9。当时 ,孔隙水压力表面聚集在进水口,和内部的流场模型是无序的,因为没有转移到孔隙水压力模型的内部。当时 ,孔隙水压力表面向前进一步沿着 - - - - - -轴方向,孔隙水压力表面之间的距离逐渐扩大。同时,压力梯度逐渐形成在进水口附近,和流体压力的影响范围内的流线逐渐变得有序。当时 , ,和 ,孔隙水压力表面之间的空间进一步扩大,和压力范围内的流体的流线逐渐变得光滑,直和垂直于孔隙水压力等值面。当时 ,模型内的流场变得稳定和有序。简化已经垂直于表面孔隙压力,表面和孔隙水压力提供了一个等距分布,符合线性达西定律。

进一步探讨了孔隙水压力和渗流路径长度之间的关系,渗流路径划分每隔20毫米的长度 - - - - - -轴方向如图8 (b)。从图可以看出10在模型达到稳态时,压力和渗流路径长度表现出非线性关系,和整体形状是凹的。出口的距离越近,孔隙水压力越小。当时 ,孔隙水压力出现瞬态负压状态时在4到10毫米的范围。然而,随着时间的推移,孔隙水压力逐渐增加,和流型达到稳定后( ),孔隙水压力的线性关系与渗流路径的长度,这是符合线性达西定律。

4所示。结论

红色砂岩的渗透率性质标本在不同围压下的高温可以由达西定律描述。等效渗透系数与温度呈正相关,与围压负相关。特别是,等效渗透系数之间的关系和围压是一个幂函数,当围压从10增加到30 MPa,等效渗透系数下降了-84.5%至52.5,而等效渗透系数增加 随着温度的增加,从200年到800°C。

之间存在幂函数关系的平均孔隙大小、孔隙度、等效渗透系数,以及汞摄入量,平均孔隙直径、孔隙度增加了2.7,1.6,和2.8倍,分别,当温度从200增加到800°C。此外,红色砂岩的孔隙结构可以改变通过高温,使红色砂岩表面有更多的微裂隙和孔隙,并提供流体运移的通道。

在初始时刻,孔隙水压力表面聚集在进口,无序的流场模型。随着时间的推移,孔隙水压力表面沿着出口方向扩展,孔隙水压力之间的间距表面逐渐扩大,和压力影响范围内的流线变得有序。这时,孔隙水压力和渗流路径长度提出了一个非线性的关系。当内部流场模型的稳定和有序,流体流动线是垂直于表面孔隙水压力,孔隙水压力表面提供了一个等距分布。在这种情况下,孔隙水压力和渗流路径长度的线性关系,这是符合线性达西定律。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突的报告对于本研究。

作者的贡献

手稿是所有作者的贡献。所有作者都批准的最终版本修改的手稿。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(格兰特数字51734009、52074259和51904290)和江苏省自然科学基金、中国(批准号BK20180663)。作者感激地感谢这些支持。