三轴应力条件下原状黄土的渗气特性

用改装的三轴渗气仪,在三轴应力条件下对不同含水率原状黄土进行渗气试验,分析了平均应力、偏应力及含水率变化对渗气系数与饱和度关系的影响,提出了考虑三者影响的渗气函数。研究结果表明:偏应力、平均应力及含水率对渗气系数与饱和度关系皆有较大的影响。平均应力(应力比相同)或偏应力(平均应力相同)作用引起饱和度增大时,渗气系数线性减小,且减小程度与含水率的大小有关;含水率增大时渗气系数随饱和度增大而减小的速率比应力增大时的小。不同应力状态下,相对渗气系数与饱和度关系,渗气系数与修正气体饱和度关系皆可归一,且可分别用以总饱和度为参量的P-v G-M模型及本文提出的修正气体饱和度幂函数(MAPL)模型描述,但相比较而言,MAPL模型参数较少,更便于实际工程应用。MAPL模型对渗气系数的预测结果与试验结果吻合较好。     

考虑Klinkenberg效应的压实膨润土渗气特性研究

利用非饱和三轴渗气仪研究了压实高庙子膨润土的渗气特性。发现当渗气系数小于10~(-14) m~2时,压实膨润土中的Klinkenberg效应较为显著,渗气系数会随气压力的增大而降低;气体滑脱因子随Klinkenberg渗气系数与体积含气率之比的变化满足幂函数关系,试验得到的二者之间关系与干密度、含水率无关,并与Klinkenberg理论模型相近;Klinkenberg渗气系数与体积含气率在双对数坐标中呈线性关系,其斜率与含水率基本无关。基于试验规律,建立了考虑Klinkenberg效应的高庙子膨润土非饱和渗气系数的数学模型。     

三轴剪切应力条件下非饱和原状黄土的土水特征

采用非饱和土三轴仪,对不同含水率的西安非饱和原状黄土在不同静围压下进行了常含水率三轴剪切试验。用轴平移技术量测了无应力和有应力条件下黄土的基质吸力,分析了不同含水率、不同静围压条件下偏应力变化对基质吸力的影响规律,提出了常含水率三轴剪切条件下非饱和原状黄土土水特征曲线的表达式。研究结果表明:含水率一定时,偏应力变化对非饱和原状黄土基质吸力的影响与含水率的大小有关,对于不同的净围压,含水率小于等于23%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后增大;含水率大于等于28%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后减小;不同的含水率与不同的净围压条件下,偏应力变化对基质吸力的影响较小。应力对原状黄土基质吸力的影响规律与应力路径有关。在偏应力变化(含水率一定)及含水率变化(干密度一定)所对应的2种饱和度变化条件下,2类黄土的基质吸力与饱和度关系具有不同的变化特性,含水率变化对应的饱和度变化明显比偏应力变化对应的饱和度变化对基质吸力的影响要大。净围压小于等于400kPa时,偏应力变化对饱和度与基质吸力关系的影响皆较大,对含水率与基质吸力关系的影响皆较小。不同静围压及偏应力作用下,原状黄土的土水特征皆可用无应力条件下呈对数函数的含水率与基质吸力关系来近似地描述。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响EI北大核心CSCD

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

含水率及应力对原状黄土静止侧压力系数的影响

天然土层静止侧压力系数的确定是岩土工程中一个十分重要的问题。用可以测量侧向应力的K_0固结仪对不同含水率Q_3原状黄土进行侧限压缩试验,分析加载卸载路径、竖向应力及含水率对侧向应力及静止侧压力系数的影响,基于试验结果提出加载时静止土压力系数K_0与竖向应力及含水率关系的表达式。研究结果表明,原状黄土的静止土压力系数值不是常数,且不能用Jaky公式进行预测,而是与竖向应力、含水率及加卸载条件密切相关;加载时K_0随竖向应力的增大而增大且趋于稳定值,卸载时静止土压力系数K_(0OC)随竖向应力的减小而增大,且可能大于1;加载及卸载时静止土压力系数皆随含水率的增大而增大;含水率及竖向应力相同时,卸载时K_(0OC)值比加载时K_0值大。加载时不同含水率原状黄土的K_0与竖向应力关系皆可以用双曲线模式描述,用此模式可以较好地预测K_0值;卸载时K_(0OC)与超固结比间呈幂函数关系,但幂指数不等于前人的建议值。     

等向压缩应力条件下原状黄土的吸湿持水特性

用改装的非饱和土三轴剪切渗透仪,在不同等向压缩应力作用下对天然状态的原状黄土进行了分级浸水试验,分析了应力对吸湿持水曲线的影响,提出了可以直接考虑等向压缩应力影响,以饱和度及含水率与吸力关系表征的持水特性模型。研究结果表明:应力对饱和度与吸力关系的影响较大;对含水率与吸力间关系的影响与吸力大小有关,当吸力大于阈值时几乎没有影响,可近似归一,当吸力小于阈值时影响较大。随着应力增大,脱气吸力值增大,饱和含水率减小,且可分别用线性函数及对数函数描述之。不同应力下,饱和度及含水率比(含水率与饱和含水率之比)与吸力比(吸力与脱气吸力值之比)关系皆可以归一,且可用提出的模型描述。该模型直接把等向压缩应力作为变量,与以应力作用下孔隙比作为变量的持水曲线模型相比,更便于实际工程应用。模型对饱和度及含水率与吸力关系的预测结果与试验结果吻合较好。     

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明:孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比(吸力与脱气值之比)关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。     

侧限压缩条件下非饱和原状黄土的土水特征

 用非饱和土固结仪对不同初始含水率的西安原状黄土进行常含水率压缩试验,最大净竖向应力为1 600 kPa,采用轴平移法测定有、无竖向应力条件下黄土的吸力,探讨侧限压缩条件下应力变化对原状黄土吸力特性的影响。结果表明：含水率一定时,净竖向应力变化对非饱和原状黄土的吸力状态有一定的影响,且影响规律随初始含水率而异,影响程度与应力及初始含水量的大小有关;较低净竖向应力(≤400 kPa)时,应力变化对不同初始含水率原状黄土吸力的影响皆很小;初始含水率大于塑限时,应力的影响较小,小于塑限时,其影响较大。在与应力及含水率相关的二种饱和度变化条件下,吸力与饱和度关系呈现出不同的变化特性。净竖向应力对土水特征曲线的影响与其大小有关,净竖向应力较大(＞400 kPa)时,其影响较大,净竖向应力较低(≤400 kPa)时,其影响很小。为了工程应用简便起见,较低净竖向应力(≤400 kPa)时,原状黄土的土水特征可用无应力条件下含水率与吸力关系来描述,较大净竖向应力(＞400 kPa)时,应分别确定,不同应力作用下的土水特征曲线可用幂函数来描述。     

三轴应力条件下原状黄土的吸湿渗水特性

以原状黄土为研究对象,用改装的非饱和土三轴剪切渗透仪,在三轴应力条件下进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了相同净平均应力p下偏应力q变化、相同应力比η下净平均应力p变化及饱和度Sr变化时对渗水系数的影响。研究结果表明:偏应力q、净平均应力p及饱和度Sr对渗水系数皆有较大的影响,且影响程度存在差异性。p,q一定,随着Sr增大渗水系数呈先快速后缓慢增大的趋势。Sr一定,随着q增大(p相同)或p增大(η相同)渗水系数皆呈近似线性减小趋势,前者的斜率与p大小有关,而与Sr大小无关;后者的斜率与η大小无关,而与Sr大小有关,且皆小于前者。不同净平均应力下饱和渗水系数与应力比之间皆可用指数函数描述,且仅一个参数随着净平均应力而变化。不同应力状态下相对渗水系数与饱和度关系可近似归一,无法用VG-M模型来描述,但可用本文提出的模型描述。该模型直接把净平均应力与应力比作为变量,便于实际工程应用。模型预测与试验结果吻合较好。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

考虑干密度影响的人工压实非饱和黄土渗透系数的试验研究

首先室内配制不同干密度的压实黄土土样，采用水平土柱入渗法测得到不同干密度黄土水分扩散率与体积含水量的关系。结果显示：当含水量较大时，干密度对黄土扩散率的影响非常显著；当含水量较小时，土体水分主要以结合水形态存在，干密度对黄土扩散率几乎无影响。然后采用高速离心机法测试得到不同干密度黄土土-水特征曲线，并分析确定非饱和黄土比水容。进一步回归得到黄土水分扩散率与干密度的关系及考虑干密度影响的非饱和黄土渗透系数的确定方法。最后分析非饱和黄土渗透系数随干密度和含水量的变化规律，结果表明，渗透系数随着含水量的增大而单调加速增大，密实黄土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

煤层气储层含水率对煤层气渗流影响的试验研究

 以晋城煤业集团赵庄矿3#煤层无烟煤制备的成型煤样为研究对象,设计煤样含水率对甲烷渗流的影响试验方案,利用自行研制的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置”,较真实地模拟在煤层气开采中煤储层含水率的变化对煤层气渗流的影响规律。研究结果表明：恒定温度和有效应力、不同含水率条件下,随着煤样含水率的减小,甲烷有效渗透率增大。在本试验煤体含水率范围内,煤体含水率与甲烷有效渗透率关系可用线性函数表述。煤储层中的水通过占据煤储层渗流孔隙空间,使煤层气运移喉道减小,使其运移困难。根据对试验结果的分析,理论上论证可以把注水湿润煤体作为防治煤与瓦斯突出的措施之一。     

复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性变化规律研究

 通过含瓦斯煤渗透特性试验研究,系统分析复杂应力路径下含瓦斯煤渗透性的变化规律,建立含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压、瓦斯压力、围压升降、全应力–应变过程等之间的定性与定量关系,深入探讨各种不同应力路径下含瓦斯煤渗透性的控制机制和变化规律。结果表明,应力路径对含瓦斯煤的渗透率有重要影响：(1) 含瓦斯煤渗透率随着轴向压力和围压的增大而减小,随瓦斯压力的增大而增大。(2) 含瓦斯煤渗透率与轴向压力、围压和瓦斯压力均呈指数关系变化。(3) 围压升、降过程中,含瓦斯煤渗透率会受到一定程度的损害,其损害程度可以用最大渗透率损害率和渗透率损害率来表征。同时,三维压缩条件下含瓦斯煤会发生二次密实效应。(4) 三轴压缩下全应力–应变试验过程中,含瓦斯煤的渗透率呈“V”字型变化趋势;渗透率随煤样的应变先减小后增大,然后达到最大值,并且渗透率的增幅小于其减幅。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

非饱和Q3黄土渗气特性试验研究

 为研究非饱和原状和重塑Q3黄土渗气系数的变化规律及其两者的差异,以改进的三轴渗气仪为手段,进行一系列考虑干密度、含水率和各向异性等因素影响的渗气试验。研究结果表明：根据Fick定律和Darcy定律推导的渗气系数计算公式,在较低压力下两者计算结果差别不大,而在较高压力下,Darcy定律计算结果要优于Fick定律;非饱和原状黄土中气体流动遵循Darcy定律,原状黄土渗气系数随着干密度和含水率的增大而减小,且最优含水率以后变化较为明显;由于原状Q3黄土各向异性,竖向原状试样渗气系数始终大于同一埋深横向试样的渗气系数;相同干密度条件下,含水率对重塑黄土渗气系数的影响要比原状黄土大。根据试验结果提出考虑干密度、充气孔隙度(饱和度)和各向异性等因素影响的原状黄土渗气系数计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。