地应力对低渗透性岩体的渗透率影响分析
2024-06-25
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Journal ofEngineering Geology 工程地质学报 1004—9665/2015/23(4)一0641.05 DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2015.04.008 地应力对低渗透性岩体的渗透率影响分析 :{: 胡继华 宋勇超 杨球玉 王旭宏 杨立建 (中国核电工程有限公司总图地质所北京 100840) 摘要近年来,水电站库区渗漏、核废料深地质处置、CO:地质储存、输油管道渗漏、垃圾填埋造成的地下水灾害及污染等倍 受关注,而这些工程的安全性、可靠性与低渗透性岩体关系密切。针对这一问题,本文采用水压致裂法测地应力、压水试验测 岩体渗透率的方法,对低渗透性页岩进行了试验研究,结果表明:(1)研究区地应力值随着孔深呈递增趋势,符合地应力的一 般分布规律;(2)研究区低渗透性岩体的透水率随深度的增加而逐渐减小,且0~lOOm,透水率变化较大,100~400m,透水率 变化较小,而400~600m时,岩体透水率则基本保持在一个相对稳定的数量级上,回归分析知研究区岩体透水率与孔深具有较 好的负冥指数关系;(3)研究区低渗透性岩体渗透率与地应力总体上服从负指数关系,但不同点的地应力对岩体渗透率的影 响具有一定差异性。这与国内外其他学者的研究结果一致,这为该地区进一步研究低渗透性裂隙岩体渗流规律奠定了基础。 关键词 渗透率水压致裂地应力 压水试验 中图分类号:TU452 文献标识码:A EFFECTS oF GEo.STRESSES To PERMEABILITY RATE oF LoW PERMEABLE RoCK AT DIFFERENT DEPTHS HU Jihua SONG Yongchao YANG Qiuyu WANG Xuhong YANG Lijian (Department ofPlane Layout and Geologic,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840) Abstract In recent years,groundwater contamination can be caused by deep geological disposal of nuclear waste, CO2 deep geological disposal,landfills,hydroelectric reservoir leakage,oil pipeline leakage,which is attracted much attentions.The safety and reliability of these projects are closely related with the low—permeability rock.For this problem,the low permeability of shale is studied with hydraulic fracturing method to measure stress and water pressure test method for measuring rock permeability.The results show that:(1)Stress value of the study area shows an increasing trend with the depth of the hole,in line with the general distirbution of stress;(2)Rock permeability decreases with depth.From 0 to 100m deep,water permeability changes greatly.From 100 to 400m deep,water permeability changes little.From 400 to 600m deep,the rock permeability rate remains at a relatively stable order of magnitude.According to regression analysis,the rock permeability rate and depth of the hole have a good negative exponential relationship.(3)Rock permeability and geo-stress have a negative exponential relationship.The impact of geo—stress on the rock permeability is a certain difference at different regions.This is consistent with the findings of other scholars.It forms the foundation for future research on seepage of low- permeability rock. Key words Permeability,Hydro-fracturing,Geo—stresses,Water pressure test {收稿日期:2015—04—30;收到修改稿日期:2015一O6—02. 第一作者简介:胡继华(1983一),男,硕士,工程师,主要从事岩土工程及水文地质领域的勘察设计工作.Email:hujh@cnpe.ca 642 0引 言 近年来,核废料地质处置、CO:地质储存、水电 站库区渗漏、输油管道渗漏、垃圾填埋场渗滤液下渗 造成的地下水污染等问题越来越受到社会关注,而 对裂隙岩体的地下水渗流问题研究目前已成为裂隙 岩体研究领域的一项重要热点。常宗旭等(2004), 殷黎明等(2005)先后分析了裂隙岩体渗流运动的 基本规律,研究了应力对渗流作用影响的机理。李 金轩等(2004)通过一维迁移模型的线性叠加,提出 了基于裂隙参数随机分布的多途径裂隙核素迁移模 型,并将其应用于高放废物地质处置库安全性能评 价中。任长吉等(2004)研究裂隙岩体中应力场改 变对地下水渗流场的影响机理,建立了裂隙岩体中 应力场与渗流场耦合作用研究工作程式和具“点荷 载”特征的等效连续介质耦合数学模型。黄远智等 (2007)建立了低渗透岩石敏感系数与有效应力之 间的函数关系,据此推导岩样渗透率与有效应力的 函数关系。张巍等(2008)以渗透体力来考虑渗流 场的力学效应,建立了应力一损伤一渗透系数关系方 程来考虑应力和损伤对渗流场的影响,结合岩体结 构的三维弹塑性损伤有限元分析,建立了大型地下 洞室开挖围岩应力一损伤一渗流耦合的计算模型。 尹光志等(2008)利用地应力对突出煤瓦斯渗流影 响开展了试验研究。王媛等(2008)对裂隙岩体渗 流场与应力场进行动态全耦合参数反演。沈振中等 (2009)利用无单元法追踪裂纹扩展的优势研究模 拟岩体水力劈裂的数值分析模型。张文杰等 (2005),祝云华等(2008)等简要综述了国内外裂隙 岩体渗流特性研究成果,并做了相应的分析和讨论。 根据研究,流体在裂隙岩体中的渗流过程,存在 着复杂的相互作用,一方面岩体应力变化可改变地 下水渗流特性,另一方面渗流特性变化又进一步改 造岩体应力场,岩体与渗流之间这种相互联系、相互 制约被称为渗流场与应力场的耦合效应。由立方定 理可知,裂隙开度对渗流的影响很大,而应力会直接 引起裂隙开度的变化。因此,对裂隙岩体流固耦合 研究具有重要意义。 本文采用水压致裂法测地应力、压水试验测渗 透率的方法,对低渗透性页岩进行原位试验研究,以 确定低渗透岩体渗透率对地应力的敏感性。 Journal of Engineering Geology工程地质学报2015 1 岩体渗透性与地应力的耦合关系 裂隙作为构成裂隙岩体的基本元素,研究其渗 流基本规律是岩体水力学的基本任务。目前对该问 题的研究主要以平行板问的定常层流为基础,假定 裂隙流体不可压缩、黏性及水流为层流;同时,模拟 时考虑岩体裂隙为两片光滑、平直、无限长的平行板 构成,即可推导出裂隙岩体渗流基本理论一立方定 理。具体表达式如下: 3 pq= t, (1) 1 式中,g为单宽流量;g为重力加速度;e为裂隙宽 度; 为水流运动黏滞系数;J为水力比降。 式(1)表明,裂隙面单宽流量与裂隙宽度的3 次方成正比。同时,式(1)中渗流与应力关系的建 立为裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析研究提供了 重要基础。 Louis C.(1969)、殷黎明等(2005)对单裂隙面 渗流与应力的关系进行的探索性试验研究,并结合 一些钻孔压水试验成果提出了相关的经验公式: :Koe (2) 式中, 为裂隙岩体的渗透系数;Ko为初始渗透系 数;。为耦合参数。 式(2)表明岩体的渗透系数随压应力的增加而 减少,随拉应力的增大而增大。耦合参数OL越大, 应力对渗透系数的影响越大,该参数反映了岩体结 构的固有属性。 Jones F 0(1975)通过对碳酸盐类岩体相关试 验研究,总结出碳酸盐类岩石渗透系数与正应力关 系: (K )=Q。(P 一 ) (3) 式中, 为过水面积;P 为总压力; 为内部孔隙 压力;凡为常数。 Nelson(1975)通过对砂岩的试验研究,提出砂 岩裂隙渗透系数经验公式为: = + P (4) 式中,P为有效压力;A、B、n为常数。 式(2)~式(4)均表明,应力对渗流具有一定影 响,且不同岩性的岩体渗流受应力影响具有明显的 差异性。 2现场试验研究 目前,国内外学者对地应力与渗流耦合关系的 23(4) 胡继华等:地应力对低渗透性岩体的渗透率影响分析 研究已开展了大量试验及工作,鉴于耦合机理本身 的复杂性,为了更好地研究地应力对低渗透性岩体 渗透性的影响,开展适当的现场试验研究非常必要。 本文结合某场地低渗透性页岩的现场水压致裂法测 地应力试验及压水试验测渗透率,分析研究了地应 力对低渗透性岩体渗透率的影响。 2.1水压致裂法测量地应力 水压致裂法是20世纪70年代发展起来的一种 地应力测量方法,该方法以弹性力学为基础,利用一 对可膨胀的橡胶封隔器在预定的测试深度封隔一段 钻孔,然后泵人流体对该试验段(压裂段)增压,同 时,利用记录仪记录压力随时间的变化,进而计算试 验段的平面主应力等参数。 试验在某低渗透性页岩场地的两个钻孔中进 行,试验深度100—600m,共计测量22个试验段。 图1为地应力随孔深变化曲线。式(5),式(6)分别 为钻孔ZK10—5、ZK10—11地应力随深度变化的线性 关系式。结果表明该地区地应力值随孔深呈递增趋 势,这符合地应力一般的分布规律。 f =0.0277 h+9.0023,R =0.8719… 【 i =0.0204 h+4.4468,R =0.9496 f、l 』 max=0・035 +7・80 4, 0・8922 (6) 【 j =0.0271 h+3.4243,R =0.9153 2.2压水试验测量岩体渗透率 岩体渗透率测量方法采用目前低渗透性岩体常 规的压水试验,结合《水利水电工程钻孑L压水试验 规程》(SL 31-2003),进而获取研究区不同深度的 岩体透水率。图2为研究区岩体透水率随孔深的变 化曲线。 如图2所示,随深度的增加,研究区岩体透水率 逐渐减小,且0~100m,透水率变化较大,为1.5— 0.3Lu,100~400m,透水率变化较小,为0.3— 0.1Lu,而400 ̄600m时,岩体透水率则基本保持在 一个相对稳定的数量级,即小于0.1 Lu。根据回归 分析,研究区岩体透水率与孔深具有较好的负冥指 数关系,岩体透水率与孔深的关系式如式(7)。 q=202.95h ∞,R =0.7121 (7) 2.3岩体渗透性与应力场耦合分析 根据岩体地应力与透水率随地层埋深变化关系 分析,研究区岩体地应力、透水率与地层埋深均存在 0 10o 20o 吕 \300 盈 40O 5o0 600 /MPa 0 5 10 15 20 25 3O 0 100 200 吕 \300 雹 40O 500 600 图1地应力随孔深变化曲线 Fig.1 Curve of geo—stress with borehole depth a.ZK10-5;b.ZK10-11 0 100 200 30o 4OO 500 600 H/m 图2透水率随孔深变化曲线 Fig.2 Curve of absorption rate with borehole depth 显著关系。基于此,笔者对钻孔不同深度的地应力 值及岩体透水率进行了综合统计,进而研究该区地 应力与渗流场之间的耦合关系。图3为钻孔ZK10— 5及ZK10—11的岩体透水率与地应力的关系曲线, 式(8),式(9)分别为各个钻孔对应的岩体透水率与 地应力关系式。 Journal of Engineering Geology工程地质学报r口=0.4079e-O,0870"…2015 { R =0.3757 (8):0.3955e-0,137O-min 尺 :0,.4640 3结论 r口=0.1566e一。・。 inifxR。=03283 ,.1q:0.1J 415e-0,089 m。R =0.3894 f、9 本文基于水压致裂法测地应力及压水试验测岩 根据式(8),式(9),研究区岩体渗透率与地应 力呈负指数相关,且相关性较好。可用如下表达式 统一表示: q:Ae (10) 式中,A、日为常数。 图3透水率随地应力变化曲线 Fig.3 Curve of absorption rate VS.geo・stress a.ZK10—5;b.ZK10—11 另外,根据式(8)、式(9),不同试验点A、B值不 同,这说明该地区岩体渗透率与地应力总体上服从 负指数关系,但不同点的地应力对岩体渗透率的影 响具有一定的差异性。推测原因,主要为地应力随 深度增加而递增,地应力的增加引起岩体裂隙张开 度的减小,进而造成岩体透水率的降低,但同时地应 力又受区域构造等控制而具有差异性,这就造成其 对岩体渗透率影响的差异性;另外,现场原位试验 具有一定局限性,试验数据获取受人为干扰较大等, 这些都是造成A、B值差异性的原因。 体渗透率的现场试验获得了大量数据,通过对数据 的回归分析,得出以下结论: (1)研究区地应力值随着孔深呈递增趋势,符 合地应力的一般分布规律。 (2)研究区低渗透性岩体的透水率随深度的增 加而逐渐减小,且0~100m,透水率变化较大,1.5~ 0.3Lu,100~400m,透水率变化较小,为0.3~ 0.1Lu,而400—600m时,岩体透水率则基本保持在 一个相对稳定的数量级上,基本小于0.1 Lu,回归分 析知研究区岩体透水率与孔深具有较好的负冥指数 关系。 (3)研究区低渗透性岩体渗透率与地应力总体 上服从负指数关系,但不同点地应力对岩体渗透率 的影响具有一定差异性,这与国内外学者的研究结 果吻合。 本次低渗透性页岩地应力与渗透率关系研究是 对研究区低渗透性裂隙岩体渗流规律研究的一次有 益尝试,笔者接下来计划结合温度场等因素对该区 热一水一应力耦合做出进一步的试验及数值分析研 究 参考文献 Chang Z X,Zhao Y S,Hu Y Q,et a1.2004.Theoretical and experimental studies of the coupling of seepage flow and 3D stresses in fractured rock masses[J1.Chinese Jouma1 of Rock Mechanics and Engineering,23(s2):4907~491 1. 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