DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.023

损伤层状盐岩蠕变-渗透的流固耦合实验研究

万文^{1, 2}，王敏²，赵延林²

(1. 湖南科技大学 土木工程学院，岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201；

2. 湖南科技大学 能源与安全工程学院，煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201)

摘要：以湖北云应盐矿地下600~700 m含泥岩夹层的氯化钠盐岩试件为研究对象，进行层状盐岩的蠕变-渗透试验。研究结果表明：单轴压缩条件下层状盐岩的衰减蠕变、定常蠕变阶段显现，定常蠕变率保持在7.05×10^-6 /d左右；在定常蠕变阶段，盐岩层微裂隙稳定扩展，盐岩层与泥岩夹层蠕变特性的差异诱发盐岩-泥岩夹层出现剪切损伤破裂，这种层状盐岩的蠕变破裂为渗流提供了通道；未扰动的层状盐岩致密，渗透性差，而蠕变损伤状态下的层状岩盐透气系数呈数量级增加，而且渗透性能的流固耦合效应十分显著，渗透系数随体积应力与渗透压的变化而发生变化，定常蠕变阶段损伤层状岩盐的渗透系数k与有效体积应力Θ_e遵循负指数函数规律，其流固耦合方程为：k=2.046 2×10^-10exp(-0.061Θ_e)，这可对层状盐岩油气储库的渗漏安全评价提供参考。

关键词：层状岩盐；流固耦合；蠕变损伤；渗透实验

中图分类号：TU452；O357.3          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)07-2341-06

Fluid-solid coupling experimental study on damage bedded rock salt

WAN Wen^{1, 2}, WANG Min², ZHAO Yanlin²

(1. Key Laboratory of Geotechnical Engineering Stability Control and Health Monitoring of Hunan Province,

School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

2. Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines of Hunan Province,

School of Energy and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Abstract: Taking the sodium chloride rock salt specimens containing mudstone located at -600-700 m level of Yunying salt-mine in Hubei Province as the research object, uniaxial compression creep tests and permeability tests on bedded rock salt were performed. The results show that the decay creep and steady creep appear under unixial compression, and steady creep rate is kept at about 7.05×10^-6/d. During the steady creep phase, microfissures stably propagate, and the differences in creep characteristics of the interlayer and that of rock salt make alternating beds of mudstone and rock salt shear fracture, creep rupture of bedded rock salt provides channel for seepage through permeability tests of bedded rock salt specimens at steady creep stage. Undisturbed bedded rock salt is compact, and its permeability is very small. The orders of magnitude increase in the permeability coefficient of bedded rock salt at creep damage state. Fluid-solid coupling effect of permeability coefficient bedded rock salt at creep damage state is quite obvious. Permeability coefficients changes with volumetric stress and seepage pressure. Permeability coefficient k and volumetric stressΘ_e of bedded salt rock at steady creep stage follows negative exponential function law, and its fluid-solid coupling formula is k=2.046 2×10^-10exp(-0.061Θ_e), which can provide reference for leakage safety evaluation of oil and gas storage cavern in bedded salt rock.

Key words: bedded rock salt; fluid-solid coupling; creep damage; permeability test

能源地下储存一般放置在盐岩、大理岩等密实、非渗透性的深层地下岩层中。盐岩具有良好的蠕变、低渗透率及损伤自我恢复特性，因而被认为作为能源储存和高放射核废料永久处置的最理想介质^[1-3]。正因为盐岩在环境工程和能源工业具有重要大的研究价值和应用背景，许多发达国家已建大量的盐岩地下储气(油)库，用于国家战略能源储备和商业油气储备，并建立了一整套能源地下储存、成熟的关键技术和指标规范。我国的地下盐岩资源十分丰富，分布范围广，但我国盐岩储层条件比较特殊，我国盐岩矿层的基本特点是盐岩层数多、单层厚度薄、不可溶性夹层众多^[4-6]。层状盐岩中内建造盐穴油气储库一项艰巨的岩石工程，它比厚盐丘内建造油气储库涉及的力学和技术问题更复杂^[7-16]，不仅要考虑岩盐矿体温度敏感的流变性、溶腔的蠕变收敛性、矿柱及盖层的稳定性，而且要充分考虑层状盐岩的渗透性。层状盐岩的渗透率以及渗透性随温度、压力状态的变化是评价储库长期稳定性的前提。人们对层状盐岩的短期与长期力学特性进行了大量的研究，如：卻保平^[17]对层状盐岩温度应力耦合作用蠕变特性进行了研究；杨春和等^[18]进行了层状盐岩力学特性试验研究及其理论分析。目前人们对层状盐岩的渗透特性研究很少。层状盐岩油气储库在运行过程中，围岩处于定常蠕变阶段，对定常蠕变状态的层状盐岩的渗透性能需进行深入研究。本文作者对湖北云应盐矿地下600~700 m 的层状盐岩试件进行层状盐岩的蠕变-渗透试验，并得到定常蠕变状态下层状盐岩透气系数与有效体积应力相关的流固耦合方程。

1  层状岩盐蠕变试验

层状盐岩试样全部采自湖北云应盐矿地下600~700 m的盐岩矿床，采用地质钻机套取岩芯，试样为盐岩试样中含有不同厚度的水平泥岩夹层，云应盐矿岩盐中的夹层自然产状近似为水平。所取岩芯为圆柱形，直径为90 mm，试样的长度×直径根据规范控制为(1:20)~(1:2.5)。由于盐岩和泥岩具有遇水溶解的特点，采用干式锯磨法对全部试样进行加工。先切割两端面，然后对两切割端面进行手工打磨到符合实验要求的标准DLJ 204—81“水利水电工程岩石试验规程”，对试件的环表面仅进行加工打磨。分不同应力批次对层状盐岩试件进行单轴蠕变试验。蠕变试验在长春朝阳公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪进行，并选用先进的日本松下数字交流伺服高速系统控制。

图1所示为在13.4 MPa应力下，蠕变时间t=125 d时，层状盐岩3号试件的蠕变试验曲线，在此应力水平下，层状盐岩的衰减蠕变阶段、定常蠕变阶段显现。衰减蠕变阶段历时约为17 d，定常蠕变阶段持续较长，定常蠕变率保持在7.05×10^-6/d左右。从图1可看出：层状盐岩的衰减蠕变阶段较短，而蠕应变主要发生在此阶段，定常蠕变阶段较长。受时间限制，未对加速蠕变阶段进行实验。

图1  层状盐岩3号试件蠕变曲线

Fig. 1  Creep curve of No. 3 bedded salt rock specimen

层状盐岩的轴向蠕变应变来自2部分：一部分为纯盐岩部分的蠕变，另一部分为泥岩夹层蠕变。纯盐岩蠕变率高于泥岩夹层的蠕变率，同时横向应变大于泥岩夹层的横向应变。因此，层状盐岩的蠕变应变、蠕变率介于纯盐岩与泥岩夹层之间；层状盐岩的蠕变呈明显的非线性关系。

盐岩是一种典型的晶质软岩，盐岩晶粒粒度为3~10 mm，为晶粒形状组构。岩盐晶粒在形态上呈不规则的、分裂的、粗糙的锯齿状。图2(a)所示为氯化钠盐岩的光学干磨像。从由图2(a)可以看出：岩盐晶粒致密，晶粒间存在晶间弱面，但未见明显的节理裂隙发育。这是盐岩低渗透性的物理原因。

岩盐晶体中存在易于劈裂的解理面，在外力作用下很容易沿平行于解理面的平面裂开成立方体，氯化钠岩盐一般在蠕变初期就能形成微裂隙，逐渐发展，在稳态蠕变阶段微裂隙稳定扩展。由于盐岩层与夹层蠕变特性的差异导致盐岩与夹层互层产生剪切破裂。图2(b)所示为蠕变损伤后层状盐岩的局部放大像。由于在层状盐岩内部，纯盐岩与泥岩夹层之间变形不协调，产生剪应力，使纯盐岩和泥岩夹层之间产生剪切破坏；随着时间增加，剪切破坏越来越剧烈，从而导致整个盐岩体出现多重剪切破坏，使盐岩体内裂隙增多，剪切破坏的网格大量增加。蠕变导致层状盐岩裂隙发育、层间破裂，进而为流体渗流提供了通道。

图2  蠕变前后层状盐岩试件细部对比

Fig. 2  Detailed comparison of bedded rock salt specimen before and after creep

蠕变持持续时间t=125 d后，卸去轴压，试件静置7 d，将试件的环表面重新加工打磨，进行蠕变损伤状态的层状盐岩气测渗透实验。

2  蠕变损伤层状岩盐气测渗透试验

岩盐渗透率极低，GIRAUD等^[19-20]进行了大量研究，结果表明未扰动态下纯质岩盐的渗透率为10^-16~ 10^{-20 m2}，而在下列2种情况下渗透率会提高：1) 岩盐发生了力学损伤(如体积扩容，矿体开采)，由于应力偏量造成微裂纹张开，晶体颗粒位错；2) 盐岩层中的存在泥岩等非盐质夹层。STORMONT^[21]发现在溶腔壁附近岩盐和泥质石膏岩的互层处的渗透率比岩盐的渗透率要高若干个数量级。本试验的目的是研究经历蠕变损伤后层状盐岩的气测渗透系数。

2.1  气测渗透试验

为研究蠕变损伤状态层状盐岩的渗透性能，在三轴渗透仪MDS-200上开展蠕变损伤状态层状盐岩气测渗透实验^[22]。图3所示为三轴渗透仪MDS-200装置示意图，实验气体采用N₂，实验步骤如下：

1) 将蠕变损伤状态层状岩盐岩样置入三轴应力渗透仪内，施加轴压；保持轴压不变，施加围压。

2) 打开气源，在进口压力的高压条件下气驱岩心，保持注入气压恒定。出口气压为大气压p₂=  0.1 MPa。施加气压时保持围压大于孔隙压，且p≤以满足胶套侧壁的侧向密封。

3) 保持一定时间，利用排水法反复测量流量，记下流量和压力。

4) 逐步改变轴压和围压，重复上述步骤。

图3  三轴渗透仪MDS-200装置示意图

Fig. 3  Device schematic of triaxial permeameter of MDS-200

2.2  实验结果及分析

以进口压力p=4.5 MPa，轴压=13 MPa，围压分别为6.0，7.5，9.0，10.5 MPa这4种情况为例研究蠕变损伤层状岩盐渗透特性的流固耦合效应。表1所示为上述4种情况下不同时段内出口气体流量统计结果。不同围压下气体渗透蠕变损伤层状盐层的流量见图4。从表1可以看出：各时段内气体流量上下波动。对出口气体流量求平均，得到不同围压下气体渗过层状盐岩(蠕变损伤状态下)的流量Q。表1和图4都显示了在一定轴压下，随着围压的增加，气体流量呈非线性减少。

2.3  渗透系数计算

表1  不同围压下不同时段出口气体流量

Table 1  Export gas flow under different confining pressures mL

图4  不同围压下气体渗透蠕变损伤层状盐岩的流量

Fig. 4  Flow diagram of gas penetrating bedded rock salt at creep damage state under different confining pressures

由于气体的可压缩性，在岩芯中沿长度L方向，每个断面的压力不同，因此，进入岩芯的气体体积流量在岩芯上是变化的，与出口气量也不相等，而是沿着压降的方向不断膨胀、增大，此时需要采用达西公式的微分形式来计算。假定气体在岩心所发生的膨胀是等温过程，按达西定律，其透气系数计算公式为

                (1)

式中：q为流速；k为渗透系数；p为孔隙压力；x为试件长度。当气体以流速q通过一定面积A时，得到一定时间内的流量：

            (2)

式中：Q为孔隙压时的流量。在式(2)中，令

             (3)

得到气体渗过岩芯的流量为

         (4)

设Q₀为p₀=1×10⁵ Pa时的流量，有

             (5)

比较式(4)和式(5)，得渗透系数为

              (6)

式中：p₁为试件入口压力；p₂为试件出口压力；A为试件截面面积；L为试件长度。表2所示为不同应力状态、不同孔隙压下，蠕变损伤层状岩盐岩芯的渗透系数实验结果。

表2表明：1) 在一定体积应力Θ下，随着孔隙压p增加，渗透系数k随之增大；2) 在一定孔隙压p下，随体积应力Θ增加，渗透系数k增大。图5所示为Θ=18 MPa时，渗透系数k随着孔隙压p的变化曲线；图6所示为p=4.5 MPa时，渗透系数k随体积应力Θ的变化曲线。

表2  不同应力状态、不同孔隙压下渗透系数实验结果

Table 2  Experimental results of permeability coefficient at different stresses states and different pore pressures

图5  渗透系数k随孔隙压力p的变化曲线

Fig. 5  Change curve of permeability coefficient k along with pore pressure p

图6  渗透系数k随着体积应力Θ的变化曲线

Fig. 6  Change curve of permeability coefficient k along with volume stress Θ

未扰动的层状盐岩是致密的，其孔隙度特别小，渗透性差。但蠕变损伤状态层状盐岩不再致密，蠕变导致其内部产生许多细小劈裂裂隙，这些裂隙构成了流体渗流通道，它们在外部荷载作用下会发生改变。在孔隙压不变的情况下，随着体积应力的增大，岩体发生收缩变形，其内部的孔隙和裂隙张开度会减小，有的孔隙、裂隙会闭合，使层状盐岩的微观结构发生变化，导致流体的渗流通道减少，渗透系数随之减小； 当体积应力不变时，随着孔隙压增大，岩体内的孔隙扩张，裂隙张开度增大，流体流通增多，流体单位时间内的流量增大，其渗透系数随之增大；当体积应力和孔隙压都改变时，其渗透系数就是这2种应力综合作用的体现，渗透系数k与有效体积应力Θ可按指数规律拟合：

              (7)

式中：k₀为有效应力Θ_e=0时的渗透率；Θ_e为有效体积应力；为拟合常数。有效体积应力由下式给出：

               (8)

式中：Θ_c为体积应力；为等效孔隙压系数。COSENZA等^[2]研究发现在岩盐扰动区(DRZ)损伤的岩盐中=0.5~0.7。本次实验拟合的结果为

       (9)

图7所示为蠕变损伤层状岩盐的渗透系数k与有效体积应力Θ_e的关系拟合曲线。

图7  蠕变损伤层状岩盐渗透系数k-有效体积应力Θ_e关系曲线

Fig. 7  Relation curve of permeability coefficient and effective volume stress for bedded salt rock at creep damage state

3  结论

1) 单轴压缩条件下层状盐岩的衰减蠕变、定常蠕变阶段显现，定常蠕变率保持在7.05×10^-6/d左右。在定常蠕变阶段，盐岩微裂隙稳定扩展，盐岩层与泥岩夹层蠕变特性的差异诱发盐岩-泥岩夹层出现剪切损伤破裂，进而为流体渗流提供了通道。

2) 蠕变损伤状态下层状盐岩渗透性能的流固耦合效应十分显著，其渗透系数随体积应力与渗透压的变化而发生改变。本次实验耦合结果为：k=2.046 2× 10^-10exp(-0.061Θ_e)。

3) 未扰动的层状盐岩致密，渗透性差。而蠕变损伤状态下的层状岩盐渗透系数呈数量级增加。这一实验现象对层状盐岩油气储库的渗漏安全评价有参考 价值。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2015-07-21；修回日期：2015-09-26

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51174088，51274097)；湖南省教育厅科研项目(13A020) (Projects(51174088, 51274097) supported by the National Natural Science Foundation of China, Project(13A020) supported by the Scientific Research Fund of Education Department of Hunan Province)

通信作者：万文，博士，教授，从事矿山岩石力学研究；E-mail: wanwenhn@163.com