水热力耦合作用下砂岩力学与渗透特性研究

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随着我国对资源与空间需求量的增加,对地球资源的开采和利用逐渐向深部发展。在深部能源开发和工程建设中,岩体都处在高地应力、高温和高渗透压共同作用的复杂地质力学环境中,研究岩石在水热力耦合下的力学特性与渗透特性对地热能与深部油气藏的开采、保障深部岩石工程的安全稳定性均具有重要意义。本文围绕该问题,以黄砂岩作为试验材料,进行不同围压、不同渗透压和不同温度下的实验室三轴试验,结合声学探测技术对试样加载的全过程进行实时监测分析,并采用颗粒流数值软件对试验进行模拟。从强度变形特征,损伤破坏特征和渗透特征方面深入探究了应力、渗透压和温度三者共同作用的效果和机理,旨在为深部能源的开采和深部工程的建设提供理论依据。主要研究内容及结论如下:(1)测试黄砂岩的基础物理力学性质,为后续研究提供基础。通过XRD物相分析发现黄砂岩主要由两种黏土矿物组成,其中伊利石占比72%,伊利石-蒙脱石混层占比28%。通过SEM扫描电镜技术可观察到黄砂岩质地均匀,是过渡支撑碎屑结构的沉积岩,同时具有明显的孔隙结构,具备渗流试验的基础。(2)对黄砂岩进行了不同围压、不同渗透压梯度和不同温度下实验室三轴试验,采用岩石超声成像观测系统和多通道声发射系统同步记载砂岩加载过程中的波速与声发射特征演变,以反演试样的破坏过程。对不同耦合条件对砂岩强度特征、损伤破坏特征和渗透特征的变化进行了研究。结果表明,试样的整体损伤模式为剪切;试样在加载过程中波速呈现先增大后减小的趋势;围压增大会使试样强度增大,渗透率减小;渗透压与温度对岩石结构影响较小,因此对强度和渗透率影响规律不显著,影响程度小于试样本身差异性。(3)采用颗粒流数值模拟软件进行了双轴温度渗流模拟。改进了耦合算法:遍历颗粒温度以赋值与温度相关流体参数;加入开裂系数加速破裂后渗流;实现试样渗透率的实时监测。采用矩张量声发射算法对声发射事件进行了记录和分类。后处理模拟结果获得应力云图、声发射震源类型分布图和孔隙率云图。结果表明,试样强度随围压增大而增大,随渗透压和温度的增大而减小,泊松比与之恰好相反;试样宏观呈现剪切破坏,不同条件会对裂纹数量和破裂方向产生影响;试样渗透率随围压增大而减小,随渗透压增大而增大;温度通过影响剪切带方向影响渗透率,但对初期渗透率几乎无影响。(4)对水热力耦合的作用机理进行了分析。渗流水、温度和压力对砂岩的作用是复杂多向的,根据耦合实现的方式可分为“力学耦合”和“参数耦合”。岩石在应力作用下内部结构发生变化,从而影响流体的渗流;渗流场反作用于岩石影响其内部应力场,最终影响岩体的整体稳定性。此外,温度场还将影响岩石内部孔隙变形和流体的粘滞性等,从而影响岩石变形和流体渗流。
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