高温后花岗岩渗透性及其演变规律试验研究

高温处理对于花岗岩渗透性影响显著,高温后花岗岩的渗透性与其经历的温度、所处的应力状态密切相关。采用压力脉冲衰减法,对高温(100℃～600℃)后花岗岩不同应力状态下的渗透率进行试验研究,在此基础上分析花岗岩宏细观物理力学性质随温度的变化规律,以及高温后花岗岩渗透性随体积应力、孔隙压、有效应力的演变规律。研究结果表明:(1)高温处理后花岗岩渗透率随经历温度呈逐渐增大趋势,500℃以内渗透率增加幅度较小,500℃～600℃花岗岩渗透率会发生一个阶跃性变化;(2)相同高温处理后花岗岩的渗透率随体积应力增大呈现减小趋势,且减小幅度在逐渐变小,相同体积应力下,花岗岩的渗透率随着孔隙压增大而增大;(3)高温后花岗岩渗透率与有效应力呈负指数关系,且渗透率随着有效应力的增大而减小;(4)拟合获得了600℃内高温处理后花岗岩渗透率与温度、有效应力的关系式。研究结果可为干热岩地热人工热储建造提供理论依据和技术支持,丰富和发展了高温岩石力学内涵。     

含瓦斯煤渗透率理论分析与试验研究

 从孔隙率的基本定义出发,充分考虑煤基质吸附瓦斯膨胀、热弹性膨胀、受瓦斯压力压缩对其本体变形的影响,首先给出煤体孔隙率与体积应变、温度及瓦斯压力之间的函数关系,再以Kozeny-Carman方程为桥梁,建立扩容前压缩条件下综合考虑有效应力、温度及瓦斯压力共同影响的渗透率动态演化模型。相关试验数据验证表明,所建立的渗透率理论模型具有良好的适用性,能反映出一定条件下的渗透率演化趋势。试验研究表明：煤体孔隙发育程度与渗透率具有较好的一致性,渗透率随孔隙发育程度的增高而增大;当温度和瓦斯压力一定时,渗透率随有效应力的增大而减小,并且瓦斯压力越低减小趋势越明显;有效应力和瓦斯压力一定时,渗透率随温度升高而减小,但其减小幅度基本不受有效应力变化的影响;温度和有效应力一定时,渗透率随瓦斯压力的升高呈先急剧减小而后逐渐平缓的趋势。含瓦斯煤渗透率与有效应力、温度和瓦斯压力之间关系的研究,为有温度场参与的多场耦合问题的研究提供理论基础,也为高温矿井瓦斯抽放率的提高提供技术支持。     

三维应力下热破裂对花岗岩渗流规律影响的试验研究

 采用“20 MN高温高压岩体三轴试验机”,精心设计4块完整花岗岩岩样。在25和75 MPa静水应力条件下,实时测试花岗岩岩样在热破裂作用下的渗流规律,这是国内目前首次对花岗岩在高温三维应力作用下渗流规律的实时试验研究。试验结果表明：(1) 在三维应力条件下,花岗岩发生热破裂。在热破裂升温过程中,花岗岩岩样的渗透率随温度的升高而表现为正指数增大的规律。(2) 在热破裂作用初期,花岗岩岩样渗透率随温度的增加而缓慢增加。在热破裂作用的后期,花岗岩岩样渗透率随温度的升高而急剧升高直至达到渗透率峰值。(3) 在整个热破裂升温过程中,各花岗岩岩样渗透率随温度升高而不断增加,渗透率变化率随温度的升高而不断加速。(4) 在静水应力和热破裂作用下,花岗岩岩样的渗透率峰值和初始值的比值最高可达93倍,其渗透率的变化率最高达3.5×10－4 mD/℃,热破裂作用极大地增强花岗岩的渗透特性。试验得到的数据和结论对高温岩体地热开发、石油二次开采及煤炭地下气化具有重要的意义。     

煤岩渗透率对孔隙压力变化响应规律的试验研究

 利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同有效围压条件下分别充CH4与CO2气体时原煤的渗透率与孔隙压力之间关系的试验研究,以探讨在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率对孔隙压力变化响应的敏感性。研究结果表明：(1) 在低孔隙压力的环境下,煤岩渗透率随孔隙压力的增加呈幂函数递减趋势,其过程可分为渗透率加速变化阶段和稳定变化阶段;(2) 相同孔隙压力、有效围压条件下,充CH4气体的煤岩渗透率高于充CO2时的煤岩渗透率;(3) 采用渗透率变化率Dp以及孔隙压力敏感性系数Cp评价渗透率对孔隙压力的敏感性,得出孔隙压力小于1.0 MPa时,煤岩渗透率对孔隙压力的响应程度较为显著,并基于Cp推导出煤岩渗透率与孔隙压力的函数关系式。     

多期次应力变化对砂岩渗透率和孔隙结构影响的试验研究

二氧化碳地质储存注入过程的多期次、间断性引起储层应力反复变化,导致储层渗透率和孔隙结构改变,影响CO2的注入和储存。通过试验研究了鄂尔多斯CCS示范工程刘家沟组砂岩储层渗透率在围压和注入压多期次循环加、卸载条件下的变化规律,并分析了试验前后岩石微观孔隙结构特征变化。结果表明:(1)围压和注入压的多期次循环变化对岩石渗透率影响显著,且渗透率在低压区相对变化幅度和变化率均大于高压区;(2)分别构建了岩样渗透率随围压和注入压变化的数学模型,不同循环过程的数学模型相差较大;(3)在不同的应力作用方式下,间断期对渗透率变化影响程度不同。相比于变围压条件,变注入压条件下的渗透率在间断期可以更好的恢复;(4)多次应力循环变化对岩石的微观孔隙结构具有显著影响,微孔及孔径较小的中孔的增加和大孔的减少导致岩样的渗透能力明显下降。在CO2地质储存工程的储存潜力评价和CO2运移演化预测中应对岩石渗透率和孔隙结构受应力变化的影响给予重视。     

高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型

 温度是影响岩石物理性质的重要因素,为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律,利用压汞法测试25 ℃～1 200 ℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征,并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：(1) 随着温度的升高,岩石孔隙率呈指数增加,500 ℃～800 ℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间,500 ℃之前孔隙率增长较缓慢,增长幅度约50%,之后孔隙率大幅增加3～5倍;(2) 温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10 μm的中孔为主,低于500 ℃时中孔占15%左右,而后稳步上升,800 ℃时大幅增加至28.24%,1 000 ℃以后又增至40%以上,体积增长了11.8倍,这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱;(3) 各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性,孔隙分形维数在2.99～3.00范围,随温度升高,分形维数降低,且温度越高,降低幅度越大,表明孔隙均匀性增加;(4) 基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大,而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

北山花岗岩渗透特性试验研究与细观力学分析

甘肃北山是我国高放废物深地质处置的预选场址,其花岗岩具有完整性及均匀性好、孔隙率及渗透率低等重要特点。采用气体瞬态压力脉冲法测试不同围压下北山花岗岩在三轴压缩过程中的渗透率变化特征。结合花岗岩在偏应力演化过程中微裂纹的萌生、扩展机制以及应力-应变曲线的变化特征分析,采用细观力学方法研究北山花岗岩在三轴压缩过程中渗透率的演化机制。分析结果表明：(1)北山花岗岩的初始渗透率在10-19 m2量级,对应于应力-应变曲线,其渗透率曲线随着偏应力增加总体呈现出下降段、水平段、稳定增长段以及急剧上升段的变化特征;(2)初始微裂纹的压缩闭合可导致试样的渗透率下降约1个数量级,峰前破坏时渗透率的增幅可达2～3个数量级,围压从5 MPa增大至10 MPa可导致渗透率减小1个数量级;(3)细观力学模型的计算值与试验值吻合良好,北山花岗岩试样的宏观力学响应及渗透特性与试样内部微裂纹的细观结构特征及连通性的变化密切相关,岩石渗透率变化和损伤演化具有良好的一致性,且损伤的发育可导致渗透率呈现较弱的各向异性特征。研究成果对于我国高放废物深地质处置工程中围岩的开挖扰动机制、渗透特性演化规律以及处置库系统的性能评价具有重要意义。     

低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性影响研究

为了研究低孔隙水压力对砂岩卸荷力学特性的影响,在TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统上,设计进行不同围压(5,10,15,20 MPa)和不同孔隙水压力(0,0.3,0.6,0.9,1.2 MPa)下的砂岩三轴卸荷试验。重点分析孔隙水压力对砂岩卸荷强度及变形破坏特征的影响。研究结果表明:(1)随着孔隙水压力的增大,岩样加载阶段的弹性模量逐渐减小,而且围压越小,相同的孔隙水压力增量条件下,弹性模量减小趋势越明显;(2)在卸载过程中,岩样侧向变形的增大速率明显大于轴向变形,而且,孔隙水压力越大,围压越小,侧向扩容现象越明显,岩样越容易破坏;(3)在卸载过程中,岩样的变形模量呈现先缓后陡的劣化规律,而且围压越小、孔隙水压力越大,变形模量降低幅度越大;(4)随着孔隙水压力的增大,岩样破坏时对应的围压值逐渐增大,黏聚力和内摩擦角降低趋势明显,说明孔隙水压力加速了岩石破坏的进程;(5)水对砂岩矿物颗粒的软化和颗粒间连接的弱化作用,以及孔隙水压力的水楔效应,是导致砂岩卸荷力学特性劣化的根本原因。因此,在涉水工程岩体卸荷变形稳定分析中,孔隙水压力的作用效应不容忽视。     

尾矿细观结构变形演化非线性特征试验研究

 利用自行研制的尾矿细微观力学与形变观测试验装置,研究受载尾矿细观结构变形演化的非线性特征,包括尾矿内部应力的方向性、孔隙比的变化规律、细观孔隙结构的分形特征,以及荷载作用下孔隙结构变形演变规律等。研究结果表明：(1) 随着荷载的增加,尾矿试样内不同位置的垂直应力呈阶梯状增加,且略低于荷载,水平应力呈近线性增加,但增量微小,尾矿内部应力存在显著的方向性特征;(2) 受荷载作用,尾矿的孔隙比变化较大,随着荷载的增加,试样中不同高度的孔隙比呈非均匀减小,下层的变化滞后于上层,并有趋于一致的趋势;(3) 提出尾矿细观结构切面孔隙比的概念,对于同一切面,随着荷载的增加,切面孔隙比与同层孔隙比呈线性正相关;(4) 尾矿细观孔隙结构具有显著的周长–面积分形特征,分形维数为1.424～1.537,其值与切面孔隙比存在显著的对数负相关关系;(5) 在荷载不变的情况下,随着加载时间的增长,切面孔隙比降低,且有微小的反弹上升现象,而孔隙周长–面积分形维数呈阶段性增加,每一阶段有小幅回落现象。提出的表征尾矿细观结构特征的切面孔隙比与孔隙周长–面积分形维数2个参数,对定量研究尾矿坝体细观结构特征及其力学特性具有重要的实际意义。     

煤岩体孔隙裂隙双重介质逾渗机理研究

介绍了孔隙裂隙双重介质逾渗概率的研究方法,在此基础上研究了煤岩体的逾渗概率与渗透系数的关系,分析了裂隙、孔隙及二者共同作用对煤岩体逾渗概率的影响。结果表明:煤岩体这类孔隙裂隙双重介质的逾渗概率与其渗透系数呈指数规律;煤岩体的裂纹孔隙率决定孔洞孔隙率对其渗透性的影响程度;同时,裂隙还决定了孔隙裂隙介质的逾渗规律,使其与多孔介质的逾渗规律具有完全不同的形式。     

不同结构形式的后期热液充填裂隙花岗岩常温下物理力学性质研究

在干热岩开采的实际工程中,利用岩体结构面作为热交换通道将减小工程投入,并获得更好的工程效果。而在实际中花岗岩体中的结构面通常被热液充填,形成后期热液充填花岗岩体。研究后期热液填充裂隙花岗岩体的物理力学性质对实际地热开发中建设人工储留层具有重要指导意义。利用后期热液填充裂隙花岗岩体制备不同结构形式试样,在常温下对4种结构形式(上下结构、左右结构、母岩、充填体)的花岗岩试样进行纵波波速检测试验、抗压强度试验和对5种结构形式(边界充填体、母岩、充填体、左右结构、边界母岩)的花岗岩试样进行抗拉强度试验、渗透率测定试验。试验结果表明:(1)常温下4种结构形式的试样中,纵波传播速度vP大小关系为:上下结构、左右结构>母岩>充填体。在10 MPa围压下,4种花岗岩岩样峰值强度?c均值大小关系为:上下结构>左右结构>充填体>母岩,在相同围压下,5种花岗岩岩样渗透率k的大小关系为:充填体>母岩>边界充填体>左右结构花岗岩>边界母岩。在热液充填后,胶结面处花岗岩的孔隙度、渗透率减小,纵波波速、抗压强度增大;(2)在热液充填过程中,胶结面处母岩矿物颗粒发生熔蚀,且热液进入母岩孔隙裂隙,热液冷却结晶后对胶结面处的"黏合"和"愈合"作用是胶结面处花岗岩物理力学性质发生改变的原因。(3)常温下5种花岗岩岩样抗拉强度?t均值大小关系为:母岩>边界母岩>左右结构>边界充填体>充填体,后期热液充填裂隙花岗岩体中,充填体成为岩体的抗拉薄弱处,因此在"断层模式"的地热开发中,可对充填体处进行人工压裂建造人工储留层,大大节省其建造成本。     

温度与应力对原煤、型煤渗透特性影响的试验研究

 通过试验分析尺寸效应、温度和应力对原煤及型煤的渗流特性的影响,结果表明,对岩芯直径相同而高度不同的均质试样,尺寸效应对渗透率的测试值误差一般在10%以内;非均质煤样尺寸效应对渗透率的测试值误差范围为4%～40%,甚至可能更高;微裂缝的发育程度是导致煤样渗透率变化较大的主要因素。不同直径的煤样,直径相对较小的煤样在围压加压、卸压条件下渗透率变化比大尺寸煤样更为敏感,渗透率对应力的敏感性大于孔隙度。当煤体经历较高的围压后,孔隙结构将发生塑性变形,煤体会遭受永久性不可逆的损害,表现在孔隙度及渗透率的值无法恢复到初始值。煤在经历高温后,大孔被压缩,但微孔更加发育,比表面积增加,同时煤体的强度将有所降低,当围压增加时,存在一个围压临界点,当围压达到临界点,渗透率会大幅降低。原煤与型煤在加压、卸压条件下渗透率的变化规律一致,均与围压成指数关系。     

Effects of dry-wet cycles on three-dimensional pore structure and permeability characteristics of granite residual soil using X-ray micro computed tomography

Due to seasonal climate alterations, the microstructure and permeability of granite residual soil are easily affected by multiple dry-wet cycles. The X-ray micro computed tomography (micro-CT) acted as a non-destructive tool for characterizing the microstructure of soil samples exposed to a range of damage levels induced by dry-wet cycles. Subsequently, the variations of pore distribution and permeability due to dry-wet cycling effects were revealed based on three-dimensional (3D) pore distribution analysis and seepage simulations. According to the results, granite residual soils could be separated into four different components, namely, pores, clay, quartz, and hematite, from micro-CT images. The reconstructed 3D pore models dynamically demonstrated the expanding and connecting patterns of pore structures during dry-wet cycles. The values of porosity and connectivity are positively correlated with the number of dry-wet cycles, which were expressed by exponential and linear functions, respectively. The pore volume probability distribution curves of granite residual soil coincide with the χ² distribution curve, which verifies the effectiveness of the assumption of χ² distribution probability. The pore volume distribution curves suggest that the pores in soils were divided into four types based on their volumes, i.e. micropores, mesopores, macropores, and cracks. From a quantitative and visual perspective, considerable small pores are gradually transformed into cracks with a large volume and a high connectivity. Under the action of dry-wet cycles, the number of seepage flow streamlines which contribute to water permeation in seepage simulation increases distinctly, as well as the permeability and hydraulic conductivity. The calculated hydraulic conductivity is comparable with measured ones with an acceptable error margin in general, verifying the accuracy of seepage simulations based on micro-CT results.     

长焰煤热解过程中孔隙结构演化特征研究

随着煤热解温度的升高,煤孔隙结构和数量发生剧烈变化。为研究其变化规律,以长焰煤为研究对象,应用压汞法分别对300℃～600℃常规热解和600℃高温蒸气热解固体产物的孔隙结构参数进行测定和分析,计算不同热解温度下的孔隙分形维数,详细比较2种不同的热解方式下固体产物的孔隙特性。研究结果表明:(1)常规热解条件下,总孔隙体积和孔隙率随温度的演化表现为:黑岱沟煤先减小后增大,温度高于500℃后增长的速率较大,而子长煤先增大后减小再增大,增长速率最大的区段是300℃～400℃;比表面积随温度的演化表现为:黑岱沟煤一直增加,而子长煤持续减小。(2)常规热解条件下,长焰煤孔隙体积分布以中孔和大孔为主,温度超过300℃时,大孔占绝大多数;而比表面积的分布以微孔和过渡孔为主。(3)高温蒸气热解条件下,长焰煤热解固态产物的孔隙体积分布以中孔和大孔为主,大孔占主导地位,子长煤表现更为明显,大孔比例达99.91%;孔隙比表面积分布表现为:黑岱沟煤以微孔和过渡孔为主,而子长煤以大孔为主。(4)高温蒸气热解固体产物表现出更为优良的渗透性能,与注入惰性气体相比,注入高温蒸气是煤层原位热解工艺实施的最佳方法。在煤层原位热解工艺实施过程中,该研究可为煤体孔隙结构随温度变化问题提供科学依据和理论指导。     

地球物理场中煤层气渗流控制方程及其数值解

 为探索地球物理场中原地煤层气运移能力对煤层气储集和富集能力的影响,以地应力场、地温场中煤层气连续性方程、气体状态方程、吸附方程、渗流方程为基础,建立了应力、温度影响下的煤层气渗流控制方程。方程体现了地应力和地温对煤层气压力、含量、渗透率和孔隙率的影响,其中,应力和温度通过影响煤层气压力影响吸附量,通过影响煤层气压力和孔隙率影响游离量;温度还通过影响吸附常数b影响吸附量;不同的应力、温度组合条件下,渗透率的变化机制不同。通过Kaiser声发射原岩应力测试实验、不同温度下煤的甲烷等温吸附实验、不同温度及有效应力下煤体中甲烷渗流实验以及煤的孔隙率、工业分析等实验,研究应力、温度影响下的煤层气渗流特征。不同温度下煤的甲烷等温吸附实验表明,吸附常数a随温度变化不明显,b随温度升高而下降;不同温度、不同有效应力条件下煤的甲烷渗流实验表明,小有效应力条件下,煤体中甲烷渗透率随温度升高而升高;大有效应力条件下,渗透率随温度升高而下降。以实验数据和原始地质资料为基础,采用有限差分法,进行了地球物理场中原地煤层气渗流运移能力的一维、二维数值模拟。计算表明：研究区现今原地煤层气渗流运移导致的煤层气散失甚微,低渗煤层具有良好的储集和富集能力,但不利于后期开采,卸除地应力和升高温度是提高煤层气抽采率的有效途径。     

温度围压对低渗透砂岩孔隙度和渗透率的影响研究

 对低孔、高孔两组低渗透砂岩岩心孔隙度和渗透率在温度压力共同作用下的变化特征进行试验研究。在围压5 MPa、温度25 ℃的条件下,第一组砂岩的孔隙度变化范围为3.2%～4.6%,渗透率为0.098 8×10－3～0.191 9× 10－3 μm2;第二组砂岩的孔隙度变化范围为12.8%～14.2%,渗透率为0.176 7×10－3～0.301 3×10－3 μm2。研究结果表明,在试验采用的温度、压力变化范围(25 ℃～80 ℃,5～55 MPa)内,两组低渗透砂岩的孔隙度、渗透率都表现出了较强的压力、温度敏感性。随温度、围压升高,孔隙度、渗透率都减小,围压对渗透率的影响明显高于温度对渗透率的影响。总的趋势看,温度对孔隙度的影响高于围压对孔隙度的影响,恒定测量围压5 MPa,温度由25 ℃升高到80 ℃,低孔低渗砂岩孔隙度下降了34.7%,渗透率下降了75.1%;高孔低渗砂岩孔隙度降低了18.4%,渗透率下降了35.2%;恒定测量温度25 ℃,围压由5 MPa升高到55 MPa,低孔低渗砂岩孔隙度降低32.3%,渗透率下降了89.5%,高孔低渗砂岩孔隙度降低了4.6%、渗透率降低了77.4%。