裂缝渗流条件下页岩相似材料的电化学试验研究

胡江春 鲁家濠 孙光林 王红芳 孙路革

（1.中原工学院建筑工程学院，河南 郑州 450007；2.河南省环境岩土工程与地下工程灾害控制工程研究中心，河南 郑州 450007；3.中原工学院材料与化工学院，河南 郑州 450007）

0 引 言

页岩气是全球重要的非常规天然气资源［1］，页岩气的开采涉及到页岩多相介质裂缝发育、流体固体相互作用，以及裂缝的时间、空间跨越因素［2］。页岩致密性条件约束下的渗流特性也是当前研究的重要内容［3］。宋付权等［4-5］做页岩薄片实验时观察到水会优先沿着页岩裂缝流动，水的渗流作用也会促使页岩产生裂缝，产生的裂缝也会进一步提高页岩的渗流能力，压力作用下页岩饱水度越高，页岩裂缝发育和渗流作用越强。李亚龙等［6］采用等效缝网模型及改进渗流模型很好地预测了页岩气产能。亓倩等［7-8］认为微裂缝的几何尺寸和渗透性质与页岩气产量密切相关。吴明录等［9］应用分形理论方法研究了页岩裂缝空间几何性态与渗流特征的关系。

电化学交流阻抗谱结构特征可以用于表征岩石特性状态，交流电信号也可以反映物理性质［10］，电化学测试手段不仅在岩石隐性裂纹研究方面取得进展［11］，还可对不同损伤状态下砂岩阻抗谱曲线进行参数分析［12］。王东等［13］应用直流电场研究了电化学作用对蒙脱石膨胀性的作用规律。柴肇云等［14-15］基于泥岩相似材料开展了电极材料的电化学改性试验，得出其实质是微观结构的动电效应，电化学作用也会对泥岩的孔隙和力学性质产生影响。

电化学能很好地监测页岩内部致裂和渗流状态，因此，本项目采用岩石电化学试验的方法，针对页岩相似材料爆破裂缝渗流阻抗值进行测试，研究4种不同炸药剂量致裂发育条件下渗流阻抗值的变化特性，以期获得裂缝渗流对页岩相似材料的作用规律。

1 试验设计

1.1 试样制作

采用河砂、水泥、石膏粉和水，分别以质量2∶1∶0.36∶0.36进行配比来模拟页岩材料［16］，搅拌均匀后，倒入涂有脱模剂的模具内，模具长×宽×高=150 mm×150 mm×150 mm。制作页岩相似材料时，预埋导电极，预留爆破孔、入水管和出水管（图1），预留爆破孔尺寸为20 mm×20 mm×150 mm。

1.2 试验方案

首先，取A、B、C、D共4组养护好的页岩相似材料，在页岩相似材料表面涂抹防水胶并用塑料罩将页岩相似材料包裹严密。其次，在爆破孔内放置4种不同剂量的炸药，A～D放置炸药量依次为1个单位、2个单位、3个单位和4个单位。安放好爆破防护罩后对页岩相似材料进行爆破，在爆破动力作用下页岩相似材料裂纹发育。然后，如图2所示，对相似材料从入水管加压注水，水流从出水管流出，水流也沿着爆破裂纹渗透流动。最后，试验采用CHI660E电化学工作站实时测试页岩相似材料的交流阻抗谱。

2 试验结果及分析

对渗流试验前和渗流试验2 h、4 h、6 h、8 h共5种情况，分别对4组爆破后的页岩相似材料进行电化学测试，分析得出所对应的Nyquist图和Bode图。

2.1 页岩相似材料的Nyquist图变化规律

对于试验中不同频率下所得到的阻抗结果，就可以在坐标轴中绘出不同频率下页岩相似材料的阻抗实部Z'和阻抗虚部Z"。图3（a）所示，在爆破完成渗流试验前，A、C、D 3组页岩相似材料随着频率的变化大致处于一个相似的阶段，B组Nyquist曲线与其他3组存在差异性的原因，在于页岩模型爆破强度不同导致A～D组页岩相似材料之间的不同。图3（b）所示，渗流试验2 h，4组页岩相似材料的阻抗开始出现差异性变化，随着频率的增加，各组岩石模型的阻抗值之间的差距也开始加大，阻抗值大小关系表现为A＞B＞C＞D。图3（c）所示，渗流试验4 h，D组页岩相似材料与其他3组模型表现出明显差异性，即在低频段，D组阻抗的实部小于6 kΩ，远低于其他3组页岩模型。图3（d）所示，渗流试验6 h，C组页岩相似材料也发生了较为明显的变化，即各频段内的阻抗实部值和阻抗虚部值均有减小；此时，C组和D组阻抗随频率变化趋势一致，A组和B组阻抗随变频变化趋势一致。图3（e）所示，渗流试验8 h，随着渗流时间的延长，与渗流开始前相比，A～D 4组页岩模拟材料均发生了明显变化。从图3（e）可见，B、C和D组阻抗曲线性态更为相似，A组与其他3组不同，低频段A组阻抗也大于其他3组页岩模型阻抗值，各频段D组模型阻抗最小。

2.2 页岩相似材料的Bode图变化规律

记Z为阻抗，F为频率，将lgF作为横坐标，再分别将lgZ、相位角φ作为纵坐标绘制出Bode图。图4（a）所示，在爆破完成渗流试验前，除B组的lgZ—lgF、φ—lgF曲线外，A、C和D的lgZ—lgF、φ—lgF曲线是一致的。图4（b）所示，在渗流试验2 h，随着频率的增加，相位角曲线的变化趋势是一致的，4组页岩相似材料lgZ的大小关系为A＞B＞C＞D。图4（c）所示，在渗流试验4 h，低频段，D组页岩相似材料的相位角大于其他3组页岩相似材料的相位角，在中高频段4组相位角又趋于一致。图4（d）所示，在渗流试验6 h，A、B 2组材料的相位角性态一致，C、D 2组材料的相位角性态一致。图4（e）所示，在渗流试验8 h，随着频率的变化，A～D组相位角曲线性态一致，在低频段各组相位角差距较大，随着频率的增加，相位角的差距逐渐减小。渗流试验持续的时间内，4组页岩相似材料的lgZ—lgF曲线性态基本一致。

2.3 阻抗模值变化规律特征

图5中，A、B、C、D 4组页岩相似材料的阻抗模值均随着渗透时间的延长而减小，表明随着渗透时间的延长，页岩相似材料的阻抗模值是减小的。相同时间渗透时，各组阻抗模值的大小关系为A＞B＞C＞D。由于炸药使用量关系为A＜B＜C＜D，导致4组页岩相似材料裂缝发育关系为A＜B＜C＜D，也表明了裂缝越是发育，阻抗幅值越小的规律。从阻抗模值曲线性态来看，各组页岩相似材料阻抗模值减小过程中也表现出差异性，主要体现在相同渗透时间内，各组阻抗模值的减小值大小是不同的，也表明了阻抗模值与裂缝发育状况的非线性关系。

3 结 论

（1）页岩相似材料爆破后渗流试验前，4组页岩相似材料的阻抗模值、Nyquist图和Bode图具有一定的一致性。

（2）渗流试验开始后，爆破所产生的裂缝和水体渗流作用会对页岩相似材料的Nyquist图和Bode图产生影响，且影响强度随着渗流时间的增长和裂纹发育的程度有关。