温度-应力耦合作用对花岗岩渗透性的影响

肖阳 张帆

摘要：为了研究高温热处理对花岗岩渗透性的影响，文章对巴西劈裂试验后的花岗岩试样进行渗透性试验。研究结果表明：高温处理后经过巴西劈裂试验的花岗岩试样渗透率呈大幅度减小趋势，25℃时花岗岩渗透率最大，高温导致花岗岩内部绝对孔隙压缩，内部结构致密度增大，600℃时花岗岩渗透率最小，在渗透压从2MPa加载至10MPa时花岗岩渗透率降低速率最快，当渗透压由10MPa加载至50MPa之后，各温度阶段花岗岩渗透率降低速率均减小，不同温度对花岗岩的渗透性有着不同程度的劣化作用，为实际工程概况提供參考。

Abstract： In order to study the effect of high temperature heat treatment on the permeability of granite， this paper conducts permeability tests on granite samples after Brazil splitting test. The research results show that the permeability of the granite samples subjected to the Brazilian split test after high temperature treatment shows a significant decrease trend. The permeability of granite is the largest at 25℃. The high temperature causes the absolute pore compression in the granite and the density of the internal structure increases， the permeability of granite is the smallest at 600℃， the permeability of granite decreases fastest when the seepage pressure is loaded from 2MPa to 10MPa. When the seepage pressure is loaded from 10MPa to 50MPa， the permeability of granite decreases at each temperature stage. Different temperatures have different degrees of deterioration of the permeability of granite， which provides a reference for the actual project overview.

关键词：热处理;渗透率;围压

Key words： heat treatment;permeability;confining pressure

中图分类号：U451.2                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）27-0228-02

0  引言

干热岩作为新能源有着极其重要的发展意义，不仅分布广泛，储存量丰富，而且属于清洁可再生能源。其开采原理是高压注入低温水于岩井，使岩体最小地应力方向薄弱处裂纹迅速扩展，吸收到的地热能再通过间距约0.4km处的另一个深井利用高温水蒸气存储到地面系统。不同温度对岩体结构有着不同的劣化损伤，对岩体渗透性影响直接影响到地热能存储率。因此为了探究不同高温热处理岩石的渗透率对实际工程有着重要指导意义。

李学成等[1]模拟研究了高压条件下不同温度热处理后砂岩的渗透率变化规律，得推演出应力与砂岩渗透率之间的关系。陈占清等[3]利用岩石渗透率结果的离散型模型，探究了试样渗透率变化的根本原因。周远田等[2]使用回归分析技术探究了岩样渗透率与应力的关系，引入一种伽马侧井有效提高试样渗透率的分辨值。冯子军等[5]利用高温高压三轴试验机对高温作用后的花岗岩进行渗透率试验，结果表明300℃为花岗岩渗透率变化的临界值，渗透率在该温度出发生量级式突变，且原生裂纹迅速扩展。彭苏萍等[4]利用三轴试验探究了全应力条件下砂岩的渗透性，结果表明弹性阶段岩石渗透率与应力呈反相关，弹塑性阶段新生裂纹急剧扩张，导致渗透率增大，不同数值的有效侧压是导致岩石孔隙率变化的一个重要因素。尹光志等[6]利用多孔介质压裂-渗流试验系统对砂岩进行常规三轴试验，推演出应力-温度等多场耦合条件下试验渗流机制的变化规律。梁冰等[7]基于热弹性理论推演出岩石渗透率与温度的关系，结果表明岩体渗透性变化存在一个临界温度点，超过临界温度岩样渗透率急剧上升，而低于临界温度时渗透率变化较缓慢。刘均荣等[8]分别对灰岩、砂岩、变质岩以及砾岩开展渗透性试验，探究温度作用下岩石渗透率的变化机理，结果表明随着温度增加试样渗透率呈增大趋势，达到某一个阈值温度渗透率发生突变，且阈值温度主要取决于岩样组成矿物成分。贺玉龙等[9]通过对砂岩进行渗透率试验和孔隙度测量，探究了温度作用对岩石渗透性的影响，研究表明基于某个临界温度内，砂岩孔隙率随与有效应力反相关，在有效应力一定时，温度越高对砂岩孔隙率影响越剧烈，但孔隙度变化不明显，推测砂岩渗透率变化主要是由于高温作用使砂岩黏土矿物受爱膨胀产生分散效应。

1  花岗岩渗透率测定试验

试验试样花岗岩加工来自湖南省岳阳市汨罗市川，其组成矿物成分主要为：黑云母、石英、钾长石以及斜长石等，将试样加工成符合国际岩石力学规范标准尺寸h=25mm，？准=50mm的圆盘状，外观呈灰色偏白，偏差率可忽略不计，岩体致密均匀，实验室测得其天然密度为2.68g/cm3，孔隙率约为0.71%。

本试验主要在湖北工业大学土木建筑与环境学院中法联合实验室完成。试验初期利用马弗炉加热设备TNX1200-30對试样进行加热，为保证试样受热均匀，设置升温速率为5℃/min，由常温加热至目标温度后设置设备保持恒温2h，然后采用分阶段降温的方式冷却试样，将降温速率设置为2℃/min，温度每降低100℃设置设备保持当前温度恒温2h，直至试样降至室温，分阶段降温方法能最大程度上减小温度差对试样内部结构产生劣化损伤，避免其他因素对试验结果造成偏差。

对进行巴西劈裂试验后的试样开展渗透试验，利用HDH-100高压伺服泵配备HGH100-4环压自动跟踪仪结合围压缸进行，将试样装入合适尺寸橡皮套内，两端用排气垫片压实，凹槽面朝向试样，然后将装有试样的橡皮套固定在围压缸压力室底座上，上端用带有进水孔管道钢块压实，用箍圈将橡皮套与围压缸箍紧，使用仪器将护筒安装在底座上，安装压力室上盖并拧紧6个固定螺栓，将管道安装在相对应的流通孔道上，开始像压力室注入压力油。先利用伺服泵注入压力油排尽压力室空气，待压力盖上孔道出油表示空气已排尽，此时用堵头封闭孔道。最后打开环压泵和伺服泵，环压泵设置为恒压模式，流量设置为5ml/min，伺服泵设置恒压控制，围压依次为2MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa。

2  实验结果及分析

本试验通过环压泵连接围压缸上孔道，以稳定10ml/min流量的速率向围压室注入水流，伺服泵通过围压管道连接围压缸底座孔道，先打开排液阀，以25ml/min速率向围压室排液压油，待围压室上盖孔道出油时关闭排液阀，此时伺服泵设置为恒压，控制各个围压变量计算下游水流的质量，水溶液粘度为0.001005pas，最后利用达西定律计算出试样渗透率 达西定律如下：

（1）

其中μ—水溶液粘度;Q—单位时间内流体通过岩石的流量（m3/s）;A—水流通过岩石的截面积（m2）;L—岩石的长度（m）;？驻P—水流通过岩石前后的压力差（MPa）。

图2为不同温度条件下花岗岩渗透率曲线，曲线显示花岗岩试样渗透率受温度作用呈明显弱化趋势，常温下试样在2MPa围压时渗透率为4.84×10-15mm2，相比于热处理温度200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，试样渗透率损伤变量分别为13.6%、20.3%、56.8%、67.2%、63.4%。伺服泵加载围压至50MPa时，试样渗透率分别弱化了74.8%、82.7%、95.1%、95.3%、95.8%。导致试样渗透率呈显著损伤劣化主要是因为经过热处理后试样内部结构温度急剧升高，岩体组成矿物结构发生膨胀，结晶体之间胶结物质粘结力不足以抵抗热应力带来的劣化效应，导致晶体相互挤压致使试样内部孔隙体积缩小，进而阻碍单位时间内通过裂隙孔道的流体，在达西定律中表现为Q值减小。随着温度的不断升高，花岗岩内部原生裂隙不断由于晶粒收缩发生闭合效应，导致流体流通孔道逐渐之间的原生裂隙逐渐压缩。由图1显示当加载围压达到40MPa时试样渗透率开始缓慢无限趋向阈值，此时围压室系统内高围压使试样横向应变急剧增大，孔隙裂纹开始相对位移，试样内部流体流通管道由贯通式发展为间断式，渗透率逐渐趋于阈值。

3  结论

本文以经过高温热处理巴西劈裂试验后的花岗岩为研究对象，利用渗流系统开展了渗流实验，分析了温度-应力耦合作用下花岗岩渗透性变化规律，主要得到以下结论：①不同温度热处理后花岗岩的渗透性大幅度降低，当加载围压相同时，试样热处理温度越高，渗透率越小;②当花岗岩热处理温度相同时，加载围压越大，渗透率越小，且从2MPa加载至10MPa过程中试样的渗透率变化最快，10MPa加载至50MPa时渗透率变化明显变缓。

参考文献：

[1]李学成，冯增朝，郭纪哲，梁源凯，白骏，王辰.温度和应力对砂岩渗透率影响规律研究[J].煤炭科学技术，2019，47（04）：96-100.

[2]周远田，陈亮，刘建锋，王春萍，等.压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（02）：287-295.

[3]陈占清，缪协兴.影响岩石渗透率的因素分析[J].矿山压力与顶板管理，2001（02）：83-84，86.

[4]彭苏萍，孟召平，王虎，马春丽，潘结南.不同围压下砂岩孔渗规律试验研究[J].岩石力学与工程学报，2003（05）：742-746.

[5]冯子军，赵阳升，张渊，万志军.热破裂花岗岩渗透率变化的临界温度[J].煤炭学报，2014，39（10）：1987-1992.

[6]尹光志，李文璞，许江，李铭辉，王维忠，李星，蒋长宝，邓博知.多场多相耦合下多孔介质压裂-渗流试验系统的研制与应用[J].岩石力学与工程学报，2016，35（S1）：2853-2861.

[7]梁冰，高红梅，兰永伟.岩石渗透率与温度关系的理论分析和试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（12）：2009-2012.

[8]刘均荣，秦积舜，吴晓东.温度对岩石渗透率影响的实验研究[J].石油大学学报（自然科学版），2001（04）：51-53，5.

[9]贺玉龙，杨立中.温度和有效应力对砂岩渗透率的影响机理研究[J].岩石力学与工程学报，2005（14）：2420-2427.