泥岩和砂岩的渗透率随围压变化特性的对比

曾志姣,李小春,石 露,白 冰

(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室,湖北 武汉 430071)

泥岩和砂岩的渗透率随围压变化特性的对比

曾志姣,李小春,石 露,白 冰

(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室,湖北 武汉 430071)

通过试验,研究了围压升、降过程中泥岩和砂岩渗透率的变化特性。采用瞬态压力脉冲法测试泥岩的渗透率,采用定压法测试砂岩的渗透率。试验结果表明:围压加载过程中,泥岩和砂岩试样的渗透率均呈非线性减小,但泥岩的渗透率对有效围压的敏感程度远大于砂岩的;围压卸载过程中,泥岩和砂岩的渗透率发生不同程度的回升,但都不能恢复到原始值,砂岩渗透率的恢复程度大于泥岩的。

渗透率;围压;泥岩;砂岩

在外界应力场的作用下,岩土介质发生变形。应力场的变化会使岩土介质的孔隙结构(孔隙大小、形状及裂隙的连通情况等)发生改变,从而引起其渗透性的改变[1]。

在实际工程中,岩土介质中的孔隙压力是不断变化的。例如:在石油和天然气等流体矿藏开采工程、核废料和温室气体等废弃物的地下封存处置工程中,流体的注人都会导致岩土介质中的孔隙压力发生变化,从而引起其有效应力的变化,而且这种变化通常并非是单调的。那么,当有效应力非单调变化时,需考虑孔隙介质骨架或裂隙变形的不可逆性对岩体渗透性的影响。也就是说,岩体的渗透性不仅仅取决于当前所处的应力状态,同时也与其经历的应力历史有关。

许多学者[2—13]曾采用不同的试验手段,研究岩石渗透率随有效应力的变化情况。黄远智[7]等人对采自长庆油田的砂岩岩样进行了流固藕合渗流实验,试验发现,岩石的渗透率与有效围压之间的关系可采用一元二次多项式来拟合。贺玉龙[10]等人对砂岩和人工裂隙花岗岩2种岩样进行了围压升、降过程渗透率的试验研究,发现2种岩石的渗透率均随有效应力增加而呈负指数规律减小,但单裂隙花岗岩的渗透率对有效应力的敏感程度远大于砂岩的,而砂岩渗透率的恢复程度则远大于单裂隙花岗岩的,可知有效应力的变化对裂隙岩体渗透性的影响远大于孔隙岩体的。Dong[4]等人对取自地下2 000 m深处的砂岩和页岩2种沉积岩石在围压升、降过程中的渗透率变化特性进行了研究,发现:与砂岩相比,页岩渗透率对围压更为敏感;渗透率与围压之间的关系可采用幂律函数式来拟合。但这些研究绝大部分都是针对砂岩开展的,而关于泥岩的研究较少。一方面是由于砂岩从取样到试验样品制备都相对容易,而泥岩样品的获取和制备则相对比较困难;另一方面,泥岩大部分属特低渗类岩石,且在加、卸载过程中,其渗透率变化范围较大,可达几个数量级,要准确测量其渗透率有很大难度。鉴于泥岩等盖层岩石的渗透特性对于地质封存等工程的有效性和安全性具有重要的意义,作者拟通过围压加、卸载循环试验测试泥岩和砂岩的渗透率,研究不同岩体在围压升、降过程中的渗透率变化特性。

1 测试材料及试验方法

1.1 岩样制备

泥岩岩样取自湖北省当阳市,外观呈黄褐色;砂岩岩样取自内蒙古鄂尔多斯,外观呈棕红色。把2种岩石均制成直径50 mm、高度100 mm的圆柱体岩样,如图1所示。

1.2 测试方法

采用瞬态压力脉冲法测试泥岩的渗透率,渗透介质为氮气;采用定压法测试砂岩的渗透率,渗透介质为水。

瞬态压力脉冲法是在被测试件两端分别连接一个封闭容器(如图2所示),当系统在初始压力P0下达到平衡后,对试样一端施加一个微小的脉冲压力△P,使上、下游之间形成压力差△P,试件内部发生一维渗流,导致上游容器内压力逐渐下降,而下游容器内压力逐渐上升,压差不断衰减,直至系统达到新的平衡状态Pf,上、下游之间的压差衰减为零[14]。根据压差衰减曲线公式,求解试样的渗透率。

图1 加工好的圆柱样品Fig.1 Prepared cylinder specimens

式中:△P(t)为上、下游容器压差实测值;△Pi为初始压差;t为时间;k为渗透率;A为试件截面积;μ为流体粘滞系数;L为试件长度;Su和Sd分别为上、下游容器的容水量。

该方法监测的是非稳态流的压力,渗流无需达到稳定状态,大大缩短了测试时间,尤其适合测量泥岩等低渗透性试件的渗透率。

图2 瞬态压力脉冲法简化原理示意Fig.2 Sketch of transient pulse method

定压法是在试样两端施加稳定压差,通过监测试样的稳定流量,按达西定律计算岩石的渗透率。

式中:Q为单位时间通过岩心的体积流量;△p为试样两端的压力差。

1.3 试验仪器

在TPM—6型脉冲法渗透仪(如图3所示)上测试渗透率。包括:岩芯夹持器、计量泵、压力计、差压计、管路、阀门、接头及数据采集卡等。

图3 脉冲法渗透仪结构示意Fig.3 Sketch of the transient pulse testing system

由于所采用的ISCO计量泵既可以精确控制压力(恒压工作模式),又可以精确控制流量(恒流工作模式),使得该渗透装置不仅可以采用瞬态压力脉冲法测试试样的渗透率,还可以采用定压法和定流量法来测量试样的渗透率。

1.4 试验流程

将事先加工好的岩样放在干燥箱内烘干后,取出,稍稍冷却。在试样侧壁涂上薄薄的一层硅橡胶,并在试样、多孔垫片和堵头外围包裹一层热收缩管,然后将岩芯放人岩芯夹持器,加热恒温水浴锅至30℃,连接好整个系统并对系统抽真空。使用计量泵对试样施加围压和孔压至预定压力,静置一段时间,使系统稳定。缓慢关闭上、下游联通阀门,使上、下游断开。若是瞬态压力脉冲渗透测试,调节上游计量泵压力,对上游施加一个较小的脉冲压力。待上、下游之间的压差衰减完成后,即完成第一级围压下的渗透率测试。若是定压法渗透测试,使用下游计量泵,改变下游压力至另一恒定值,使上、下游产生一个恒定压差,通过上、下游计量泵的泵体剩余体积来计量渗透流量。待流量稳定后,即完成第一级围压下的渗透率测试。然后,打开上、下游联通阀门,调整围压计量泵压力,按步骤分别完成围压上升过程中7级预定围压水平下试样的渗透率测试工作。从围压上升过程中最后一个围压点开始,通过调整计量泵压力降低围压,分别完成围压下降过程中6级预定围压水平下试样的渗透率测试工作。

为了验证采用压力脉冲法和该渗透仪来测试低渗岩石渗透率的可靠性和有效性,对泥岩试样在第一级围压水平(10 MPa)下进行了渗透率的重复性测试试验。在不同脉冲压力下,测试共10次,测试结果如图4所示。10次重复测试的偏差为士3%,说明渗透率测试的重复性和精度较高。

图4 渗透率重复性测试结果Fig.4 Testing results of the permeability under different pulse pressures

2 试验结果

各级围压水平下,绘出泥岩和砂岩渗透率随有效围压的变化曲线,分别如图5,6所示。

3 结果分析

图5 泥岩的渗透率随有效围压的变化曲线Fig.5 Variational curve of the permeability of mudstone sample in the process of loading-unloading

从图5,6中可以看出,围压升、降过程中泥岩和砂岩渗透率的变化存在着一些共同的特征:围压上升过程中,试样的渗透率呈非线性减小,围压较小时,渗透率下降较快,随后,下降速度逐渐减小,渗透率慢慢趋于稳定;围压下降过程中,岩石的渗透率回升,但不能恢复到初始值。当有效围压从5 MPa增加至25 MPa时,泥岩的渗透率下降了99.94%,砂岩的渗透率下降了54.31%;当围压恢复至初始值时,砂岩的渗透率为其初始渗透率的55.62%,而泥岩的渗透率仅为其初始渗透率的0.33%。泥岩的渗透率比砂岩的渗透率小3～5个数量级。围压升降过程中,泥岩渗透率的变化范围达3个数量级。相比之下,围压加载过程中,泥岩渗透率下降的程度远大于砂岩的,说明泥岩的渗透率对有效应力更加敏感;而围压卸载过程中,砂岩渗透率的恢复程度则远大于泥岩的。

图6 砂岩的渗透率随有效围压的变化曲线Fig.6 Variational curve of the permeability of sandstone samples in the process of loading-unloading

泥岩和砂岩的渗透率对应力敏感性的差异是因为它们不同的孔隙结构。对于砂岩来说,大孔道较多,其渗流是沿着颗粒堆积的孔隙连成的通道。根据Berea砂岩CT扫描结果[14]可知,围压上升过程中渗透率的降低是因为应力作用下颗粒发生相对移动,造成平均空隙半径和平均孔喉半径的减少,以及迂曲度增大。而对于泥岩来说,大孔道相对较少,对渗透率起作用的是一些小孔与小孔之间的喉道和内部的微裂隙,如图7所示。在有效应力的作用下,闭合的首先是小孔喉和微裂隙。一旦这些小孔喉和微裂隙被压缩,则岩心的渗透率就会显著下降。显然,在围压升高的情况下,泥岩中小孔喉和微裂隙的闭合要更易于砂岩的颗粒移动,因此泥岩的渗透率对有效应力的敏感程度更大。

此外,泥岩中孔喉和微裂隙的闭合相对于砂岩中的颗粒移动和重新排列而言更难于恢复。可以说,孔喉和微裂隙的闭合是不可逆的,也就是说,它们在加载过程中发生闭合以后不能在卸载过程中重新开启。因此,在围压卸载过程中,砂岩渗透率的恢复程度远大于泥岩的。

图7 泥岩电镜扫描(SEM)照片Fig.7 SEM image of mudstone sample

4 结语

1)围压上升过程中,渗透率降低,加载初期渗透率下降较快,随后,下降速度减缓,渗透率逐渐稳定。围压上升过程中渗透率降低是因为围压的增加导致岩样逐渐产生压缩变形。

2)围压下降过程中,渗透率不能恢复到原始值是因为围压加载过程中岩样发生了塑性变形,这部分变形在围压卸载过程中不能恢复,变形的不可完全恢复性导致渗透率的不可完全恢复性。

3)泥岩的渗透率随围压增加而下降的程度大于砂岩的,而砂岩的渗透率随围压减少而恢复的程度则远大于泥岩的。这主要源于应力作用下不同的岩石变形机理:泥岩在应力作用下产生压缩变形是因为内部小孔喉和微裂隙的闭合,而砂岩则是因为颗粒发生相对移动和重新排列造成大孔的压缩。

[1] 徐德敏.高渗压下岩石(体)渗透及力学特性试验研究[D].成都:成都理工大学,2008.(XU De-min.Permeability and mechanics characteristics test on rock or rockmass under high seepage pressure[D].Chengdu: Chengdu University of Technology,2008.(in Chinese))

[2] Darot M,ReuschléT.Acoustic wave velocity and permeability evolution during pressure cycles on a thermally cracked granite[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2000,37: 1019—1026.

[3] David C,Wong T F,Zhu W,et al.Laboratory measurement of compaction-induced permeability change in porous rocks:Implications for the generation and maintenance of pore pressure excess in the crust[J]. Pure and Applied Geophysics,1994,143:425—456.

[4] Dong J J,Hsu J Y,Wu W J,et al.Stress-dependence of the permeability and porosity of sandstone and shale from TCDP Hole-A[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2010,47: 1141—1157.

[5] Gangi A F.Variation of whole and fractured porous rock permeability with confining pressure[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts,1978,15:249—257.

[6] Gavrilenko P,Gueguen Y.Pressure dependence of permeability:A model for cracked rocks[J].Geophysical Journal International,1989,98:159—172.

[7] 黄远智,王恩志.低渗透岩石渗透率与有效围压关系的实验研究[J].清华大学学报:自然科学版,2007, 47(3):340—343.(HUANG Yuan-zhi,WANG Enzhi.Experimental study of the laws between the effective confirming pressure and rock permeability[J]. Journal of Tsinghua University:Science&Technology,2007,47(3):340—343.(in Chinese))

[8] Jasinge D,Ranjith P G,Choi S K.Effects of effective stress changes on the permeability of latrobe valley brown coal[J].Fuel,2011,90:1292—1300.

[9] Zisser N,Nover G.Anisotropy of permeability and complex resistivity of tight sandstones subjected to hydrostatic pressure[J].Journal of Applied Geophysics,2009,68:356—370.

[10] 贺玉龙,杨立中.围压升降过程中岩体渗透率变化特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004, 23(3):415—419.(HE Yu-long,YANG Li-zhong. Testing study on variational characteristics of rock mass permeability under loading-unloading of confining pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(3):415—419.(in Chinese))

[11] 景眠雪,袁小玲.碳酸盐岩岩心应力敏感性实验研究[J].天然气工业,2002,22(增刊):114—117.(JING Min-xue,YUAN Xiao-ling.Experimental research on core stress sensitivity of carbonate rock[J].Natural Gas Industry,2002,22(z):114—117.(in Chinese))

[12] 薛永超,程林松.微裂缝低渗透岩石渗透率随围压变化实验研究[J].石油实验地质,2007,29(1):108—110.(XUE Yong-chao,CHENG Lin-song.Experimental study on permeability variation with confining pressure in micro-fracture and low-permeability rock[J].Petroleum Geologyxperiment&Experiment,2007,29(1):108—110.(in Chinese))

[13] 王颖.变容压力脉冲渗透系数测量方法研究[D].武汉:中国科学院研究生院武汉岩土力学研究所, 2009.(WANG Ying.Study on measuring method of the permeability by using storage-variable transient pulse method[D].Wuhan:Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics Graduate University of Chinese Academy of Sciences,2009.(in Chinese))

[14] 李小春,曾志妓,石露,等.用于岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用[J].岩石力学与工程学报, 2015,34(6):1128—1134.(LI Xiao-chun,ZENG Zhijiao,SHI Lu,et al.Triaxial apparatus for micro-focus CT scan of rock and its preliminary application [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(6):1128—1134.(in Chinese))

Testing study on variational characteristics of the permeability for mudstone and sandstone with the change of confining pressure

ZENG Zhi-jiao,LI Xiao-chun,SHI Lu,BAI Bing
(State key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Science,Wuhan 430071,China)

Based on permeability tests,the variational characteristics of the permeability for mudstone and sandstone under loading-unloading of confining pressure were studied. The permeability of mudstone was measured by transient pulse technique,and the permeability of sandstone was measured by constant pressure method.The test results reveal that both the permeability of mudstone and sandstone decreased nonlinearly with the increase of effective pressures.But the permeability sensitivity of mudstone to effective confining pressure was much stronger than that of sandstone.Both the permeability of mudstone and sandstone recovered when the pressure was reduced,but did not return to the original value even when the pressure was completely released.The recovery capability of permeability of sandstone was much stronger than that of mudstone.

permeability;confining pressure;mudstone;sandstone

TU441+.33

A

1674—599X(2015)04—0001—05

2015—04—30

国家自然科学基金项目(41172285)

曾志妓(1982—),女,中国科学院武汉岩土研究所博士生。