杜昀宸， 張肖肖， 盛金昌， 吳彥青， 周 慶， 劉星星

(河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

我國西部水電資源的開發(fā)促進了深埋巖體工程在高水壓、高應力、水化學等復雜地質環(huán)境下工作狀況的研究，對這種特殊環(huán)境中多因素之間相互作用的研究是巖石滲透特性領域的一個重要課題[1]，對于巖體工程具有很大的科學意義和應用價值。由于耦合過程非常復雜，近年來國內外學者一直對侵蝕性流體滲透過程中巖石滲透特性的演變規(guī)律進行著不懈探索。

Elsworth等[2]探討了反應流體的流動如何影響密閉的碳酸鹽巖裂縫滲透率發(fā)展的問題，定量得出了裂縫張開和斷裂閉合模式之間的轉變模式；Yasuhara等[3]觀察研究了在碳酸鹽巖裂縫中主要進行的機械和化學過程，發(fā)現(xiàn)孔隙中流體溶解的物質質量濃度隨應力、溫度和pH值而改變，并能在一定程度上反映裂縫滲透的演化；Khather等[4]觀測到地質封存中溶質和主巖之間發(fā)生化學反應后，大多數(shù)樣品的孔隙度和滲透率有所增加但少數(shù)樣品以上兩項指標數(shù)值減小，這是由于礦物沉淀和機械壓實機制的綜合效應產生的結果；Lisabeth等[5]通過在CO2飽和水溶液中浸泡碳酸鹽樣品后進行流體靜力學和三軸變形實驗，分析其應力、應變、滲透特性，結果表明經過處理的樣品中所出現(xiàn)的碳化溶解和碳酸鹽礦物沉淀作用會導致其剛度、強度和滲透率的降低；Liu等[6]模擬了在水動力壓力和溫度改變作用下的石灰石溶解過程，發(fā)現(xiàn)溫度的升高會增大溶解速率，同時水動力壓力增強了化學溶解作用，并影響巖石的礦物形態(tài)和內部孔隙結構；盛金昌等[7]設計了滲透液為碳酸溶液的不同滲透壓力下裂隙巖石滲透實驗，建立了裂隙開度變化率與滲出液中鈣離子濃度值之間的關系式，理論上描述了裂隙巖體在滲流-應力-化學耦合作用下的滲透特性演化規(guī)律；楊金保等[8]開展了在以硫酸鈉為介質的酸性或堿性溶液條件下的單裂隙花崗巖恒定三軸壓應力滲透試驗，得出裂隙接觸面礦物溶解、自由面礦物溶解以及礦物沉淀3種作用影響下裂隙開度的演化規(guī)律；姚華彥[9]研究了在不同pH值的0.1mol/L硫酸鈉和氯化鈣溶液水化學溶液浸泡后灰?guī)r的宏細觀力學特性，結果表明化學腐蝕作用對裂紋巖石破裂過程的影響主要表現(xiàn)在弱化力學參數(shù)和增大巖石非均質性兩個方面；申林方等[10]對單裂隙巖石在應力-滲流-化學耦合環(huán)境下的綜合響應機制進行了研究，提出了水巖化學反應及水力通道貫通兩種因素的相互耦合會導致不同滲透溶液滲流情況下水力開度變化趨勢不同的觀點；郭慧[11]探討了煤體浸泡于CO2水溶液中發(fā)生的相互作用反應機理和影響因素，得到滲透率隨時間的變化規(guī)律，分析了不同參數(shù)對滲透率變化的影響。

綜上所述，多年來國內外學者開展了巖石介質受到滲透作用、應力作用和化學侵蝕作用的現(xiàn)場或室內實驗，從實驗現(xiàn)象到理論說明探索了巖體發(fā)生的力學性質或滲透性質的變化，取得了一些有價值的研究成果。但是這些實驗主要是為了研究裂隙巖石在化學滲透和壓力作用下的變形損傷過程或完整巖石經過化學溶液浸泡處理后的力學和滲透性質的變化，然而自然狀況或工程施工中的耦合條件更加復雜，巖石的完整或破碎程度各不相同，且受到的應力作用、流體的侵蝕和滲透作用是同時進行的，所以實驗的施加條件與工程實際還有一定距離，在侵蝕性流體滲透作用下較完整巖石滲透性的演化機理研究，仍有大量工作需要開展。

本文借助河海大學滲流實驗室的高應力、高水壓、變溫、大梯度等復雜條件下的多因素耦合滲透實驗平臺，選取完整低滲石灰?guī)r作為實驗巖芯，在軸壓、圍壓、滲透壓的作用下加入不同化學作用，設計多組工況進行滲透實驗。在實驗過程中收集滲出液，對其流量、離子濃度進行測量，通過不同指標的數(shù)值變化趨勢，定性分析完整石灰?guī)r滲透特性的主要影響因素和演化機理。

2 實驗介紹

2.1 實驗工況設計

本文實驗目的是為了研究不同侵蝕性滲透溶液和應力作用下完整石灰?guī)r滲透性的變化規(guī)律。根據實驗目的，確定實驗任務如下：

(1)改變實驗中的溶液侵蝕條件和應力條件，測定巖樣滲流量，對比研究巖石滲透特性的演變規(guī)律；

(2)測定滲出液中的離子濃度，探討不同化學溶液侵蝕條件對巖石中礦物質溶解的影響；

(3)通過巖芯滲透率的變化和滲出液中離子濃度的變化，分析滲透侵蝕、應力的共同作用對巖石滲透特性的影響。

實驗中各影響因素的指標確定如下：為了減小應力對于滲透實驗的影響，軸壓選擇實驗儀器保持穩(wěn)定需要的最小值6.5 MPa；根據巖石力學試驗的相關規(guī)范，圍壓需要比滲透壓高0.2～0.5 MPa[12]，本文實驗中的圍壓統(tǒng)一高于滲透壓0.5 MPa；選取強酸中揮發(fā)性較小的硫酸調節(jié)溶液的酸性，并要控制溶液中的SO42-濃度不產生硫酸鈣難溶沉淀，每調節(jié)1 L pH=6的硫酸溶液需要1 mol/L濃硫酸約0.001 mL，其中的SO42-可忽略不計；選擇Na2SO4溶液添加Na+以促進其與巖石中礦物質的反應效率，實驗中0.01 mol/L Na2SO4最多會產生1.36 g/L硫酸鈣微溶物，小于其溶解度0.264 g/100 g，所以兩種有化學溶液的工況都可以看作宏觀總體不產生沉淀[13]。根據以上對壓力作用及滲透溶液的考慮，結合實驗目的和實驗任務，得到設計實驗工況如表1所示。

表1 實驗工況

2.2 實驗裝置簡介

實驗中使用的儀器設備為河海大學滲流實驗室設計的高應力、高水壓、變溫、大梯度等復雜條件下巖石耦合滲透實驗平臺。實驗需要使用的部分是計算機伺服系統(tǒng)、高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺、油源、油泵、壓力系統(tǒng)、油水壓力轉換系統(tǒng)等。

各子系統(tǒng)之間的關系如圖1所示，實驗臺示意如圖2所示，實驗設備的工作簡要步驟為：將設計的實驗工況輸入到計算機中，計算機輸出工作信號到高精度液壓控制臺，使壓力系統(tǒng)通過油源和油泵直接將軸壓和圍壓以油壓的形式加載到壓力室中的巖芯上；滲透壓力通過油—水轉換裝置把油壓轉換為水壓將滲透水箱里的指定溶液流經滲流通道施加到巖芯中；最后，由測量系統(tǒng)返回數(shù)據給計算機伺服系統(tǒng)以實時監(jiān)控實驗平臺的工作狀態(tài)，使實驗能在無人值守條件下長期平穩(wěn)連續(xù)運行。

圖1 實驗設備系統(tǒng)原理圖

2.3 實驗巖芯試樣

實驗采用的巖芯取自山東省嘉祥市的石灰?guī)r，鉆芯得到的底面直徑5 cm、高10 cm的低滲完整致密石灰?guī)r圓柱體，分析得到其主要成分為碳酸鈣90.37%、碳酸鎂5.56%、二氧化硅2.40%，還有其他成分占比例不到2%，試樣的強度指標為壓縮強度127.7 MPa、干燥彎曲強度14.1 MPa與水飽和彎曲強度17.3 MPa；選取同批次試樣6個，使用核磁共振的方法[14]得到其孔隙率均在 0.7%左右，孔隙半徑主要分布在 0.01～1 μm范圍內，其平均孔隙半徑為0.07 μm。

2.4 實驗步驟

(1)實驗巖芯處理：將實驗所用巖芯在蒸餾水中分4次加水浸泡，每次靜置2 h；然后放入真空飽和儀中進行飽水，直至巖芯表面無氣泡逸出后解除真空。在已飽水的巖芯外套上長于試件的熱縮管套，并用熱風槍使其縮緊包裹在巖芯上，熱縮管外面用鐵箍將試件與滲透壓頭接觸的位置箍緊后裝入壓力室腔體內，如圖3所示。

(2)實驗加載過程：啟動實驗裝置加載軸壓至目標值后，圍壓注油加載指定圍壓；將滲透通道內空氣排出，向滲透壓水箱中注入調配好的指定溶液；輸入滲透壓數(shù)值，溶液沿滲流通道進入壓力室，對巖芯施加水化學作用。

(3)獲得實驗數(shù)據：收集滲出溶液，計算巖芯滲透率；將收集的滲出溶液進行雜質過濾和酸化處理，使用中國科學院南京土壤研究所的電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(如圖4所示)進行Ca2+、Mg2+離子的濃度測量，并記錄和分析相關數(shù)據。

圖2實驗平臺示意圖圖3安裝于實驗臺上的巖芯試樣圖4電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀

3 實驗成果分析

巖石滲透率的實驗室測量方法可以歸納為瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法兩大類，其中穩(wěn)態(tài)法實驗需要時間較長，但可以保證較高的精度[15]。本文研究內容主要針對低滲石灰?guī)r在侵蝕性流體滲透過程中滲流特性隨時間演化規(guī)律，實驗工況中應力、滲透壓等條件長時間保持不變，因此采取穩(wěn)態(tài)法對巖石滲透率進行研究。

穩(wěn)態(tài)法通過孔隙水壓控制系統(tǒng)在巖石試樣的兩端提供穩(wěn)定的滲透壓差，記錄滲流穩(wěn)定時的滲透流量，基于經典的達西定律，利用下式可計算滲透率k的值。

(1)

式中：Q為滲透流量，cm3/s；μ為滲透流體介質的動力黏滯系數(shù)，Pa·s，根據每日測量的溫度查取相應值；L為試樣長度，cm；A為試樣斷面面積，cm2；Δp為滲透壓力差，Pa。

3.1 侵蝕性流體滲透過程中石灰?guī)r芯滲透率演化對比

圖5為3種工況下巖芯歸一化滲透率k′隨時間的變化曲線圖。從圖5中可以看出，3種工況的k′在前50 h都急劇下降至約20%，變化規(guī)律相似，但是50 h后3種工況下k′的變化趨勢產生差異，工況I的k′值趨于穩(wěn)定，最終歸一化滲透率k′約為10%；工況II和工況III實驗進行到400 h,k′不能達到穩(wěn)定仍不斷下降，兩條曲線在100 h到工況III二次加壓前基本重合，加壓瞬間工況III的k′值突變增大后再次下降與工況II曲線重合。分別繪制前50 h和50 h后的歸一化滲透率變化速率曲線圖以進一步統(tǒng)計歸一化滲透率k′的變化規(guī)律，如圖6、圖7所示。

圖6中3種溶液滲透作用下前50 h歸一化滲透率k′變化速率曲線相似，都是先快速下降然后在小數(shù)值范圍內波動。實驗進行到50 h后，從圖7(a)中看出工況I的k′變化速率的平均值貼近坐標軸，在零點附近進行比較對稱的振動；圖7 (b) 工況II的k′變化速率曲線的振動幅度逐漸減小，但大部分數(shù)值小于零，平均值為-0.065%/h；圖7(c)為工況III的k′ 速率演化曲線圖(排除了加壓瞬間k′的變化速率3.5%/h)，平均值約為-0.043%/h，可以看出加壓前后的工況III的k′變化速率規(guī)律無太大變化，雖然在-0.7%/h～0.3%/h附近振動，但是其下降速率普遍大于上升速率，所以工況III的k′演變曲線在圖5中呈不斷下降的趨勢。

3.2 侵蝕性流體滲透過程中石灰?guī)r芯滲出液離子濃度變化對比

低滲石灰?guī)r巖芯在侵蝕性流體滲透作用下，孔隙上的礦物質與滲透溶液發(fā)生反應，固體物質被沖刷，溶解于滲透溶液中以離子形式跟隨溶液移動；另一方面，隨著礦物質的溶解，滲透溶液中離子濃度逐漸增加，在孔隙中某些位置集聚沉淀。礦物質的溶解和沉淀兩種作用會引起孔隙的擴大或堵塞從而導致巖芯滲透性的變化。實驗中使用的石灰?guī)r試樣的主要化學成分是碳酸鈣(CaCO3)、碳酸鎂(MgCO3)、少量二氧化硅(SiO2)和其他成分，所以均勻選取實驗滲透溶液樣本，通過測試Ca2+、Mg2+濃度對比不同侵蝕性流體滲透過程產生的效果。

圖8、9分別為3種工況條件下滲出溶液Ca2+、Mg2+濃度演變曲線圖，圖10為滲出溶液Ca2+濃度與Mg2+濃度的比值演變曲線圖。從圖中可以看出，3種化學條件下0～50 h的離子濃度有劇烈變化，50 h之后趨于平穩(wěn)，本文主要分析后半部分的離子濃度變化規(guī)律。3種不同化學溶液條件下收集的滲出液Ca2+、Mg2+濃度在50 h后都緩慢下降，但Ca2+、Mg2+濃度比值都基本穩(wěn)定于定值。工況I滲出液中兩種離子濃度和離子濃度比都低于其他工況；工況II滲出液中Ca2+濃度和離子濃度比為3種工況中最高，Mg2+濃度處于其他兩種工況之間；而工況III的Mg2+濃度最高，其他兩項指標的穩(wěn)定值都是第2位。

圖5 3種工況溶液滲透作用下k′演變曲線圖圖6 3種工況溶液滲透作用下前50 h變化速率演變曲線圖

圖7 3種工況溶液滲透作用下50 h后 變化速率演變曲線圖

圖8不同化學條件下滲了溶液Ca2+濃度演變曲線圖圖9不同化學條件下滲出溶液Mg2+濃度演變曲線圖圖10不同化學條件下滲出溶液兩種離子濃度比值演變曲線圖

4 石灰?guī)r巖石滲透性演變機理探討

在設計的3種工況條件下，在侵蝕性流體滲透實驗中的完整石灰?guī)r于實驗進行的前50 h時，歸一化滲透率和變化速率演變趨勢相似，但隨著時間的增加，兩種滲透性指標的演變產生了不同，且不同侵蝕性滲透條件對于巖石內礦物質溶解的效果有所差別。以下是根據實驗成果分析應力、侵蝕性流體滲透以及離子沉淀對巖芯的滲透率和物質溶解產生的影響。

4.1 應力條件對巖石產生的作用

上述侵蝕性流體滲透作用下石灰?guī)r滲透實驗的3種工況的初始軸壓、圍壓和滲透壓力的條件是相同的，在前50 h中呈現(xiàn)相似急劇下降的趨勢。由于滲透率低的巖石其孔喉相對較細小，隨著加壓時間延長孔隙喉道相繼閉合，滲透率逐漸降低。而初始滲透率低特別是低于4.6 mD的巖芯歸一化滲透率隨時間的下降幅度較大，在實驗進行的前期下降明顯而后變緩[16]，本文實驗中選取的巖芯滲透性很弱，其初始滲透率分別為1.201、3.184和1.362 mD，屬于應力敏感性較強的低滲透性巖芯，故實驗中前50 h 3種工況的歸一化滲透率急速下降是由于加壓時間對于巖石的滲透率的時效性引起的。

隨著時間的增加，在穩(wěn)定應力作用下巖芯內孔喉的閉合逐漸完成，滲透液為蒸餾水的工況I滲透率達到穩(wěn)定，而滲透溶液為化學溶液的工況II和工況III滲透率持續(xù)下降，實驗后期巖芯的滲透率在增大應力條件的瞬間增加，但是經過前期的實驗加載容易變形的孔喉已經閉合，應力條件對巖芯滲透性的影響減弱，所以巖芯滲透率馬上恢復到加壓前的滲透率變化規(guī)律繼續(xù)下降；219 h時工況III的滲透壓和圍壓同時增加了0.3 MPa，從圖8～10中曲線可知，壓力的增加沒有影響離子濃度的變化趨勢。

在侵蝕性流體滲透作用下完整石灰?guī)r石的滲透性演化實驗中，應力條件對于巖石性質的影響主要在于對其滲透率的影響，且隨時間逐漸減弱，而對巖石內礦物質的溶解影響較小。

4.2 不同侵蝕性流體對巖石產生的作用

化學條件的不同能夠影響巖芯的滲透性質。實驗的前50 h中，3種溶液條件下巖芯的歸一化滲透率和變化速率趨勢相似，在后續(xù)階段，侵蝕性流體的存在會改變巖芯的滲透性質，對巖芯滲透率的影響逐漸顯現(xiàn)出來，滲透液為蒸餾水的滲透率能夠穩(wěn)定，但是滲透液為侵蝕性流體的其他兩種工況的滲透率不斷降低。

化學條件的不同還能夠影響巖芯中礦物質的溶解效果。滲透溶液為蒸餾水的工況I在實驗進行時間超過50 h后，由圖10看出滲出液的Ca2+、Mg2+濃度比值約為4并保持不變，與巖芯試樣中Ca2+、Mg2+的質量比值22.75有差別，這是因孔隙壁與整體礦物質組成不同引起的；當滲透溶液為pH=6的0.01mol/L硫酸鈉溶液時，由于Na+可以置換Ca2+、Mg2+和其他多種離子[17]，且對于Ca2+的置換作用大于Mg2+，導致滲出液中Ca2+、Mg2+濃度都有所增大而且兩種離子濃度比值的最終穩(wěn)定值最大，約為10；工況III的滲透溶液為pH=6的硫酸溶液，H+會與巖芯中的碳酸鈣與碳酸鎂反應加速離子的溶出，所以其滲透液中的Ca2+、Mg2+濃度都高于工況I，離子濃度比值的穩(wěn)定值與工況I相近。

綜上所述，在本次3種工況的在侵蝕性流體滲透作用下完整石灰?guī)r石的滲透性演化實驗中，化學條件的不同會影響巖石的滲透性質，并且會在實驗的后期逐漸體現(xiàn)；巖芯中礦物質的溶解主要與化學條件有關，從滲出液的離子濃度對比可知，溶液的酸性條件能夠加強低滲石灰?guī)r中的溶解作用，而Na+的存在會加速Mg2+特別是Ca2+的溶出。

4.3 離子沉淀對巖石產生的作用

3種化學條件下都有離子不斷溶解到滲透溶液中，但是當滲透溶液中有其他離子存在時，巖芯的歸一化滲透率沒有隨著物質的溶解增大，反而呈不斷下降的趨勢。根據Luquot等[18]的研究，化學滲透對低滲石灰?guī)r的作用效果與滲透壓力有關，當滲透壓力較高(6～10 MPa)時，化學溶液對巖石的溶解效果較強，使巖石孔隙增大進而增加其滲透性；但是隨著滲透壓力的降低至0.7 MPa時，巖石中礦物質溶解后離子濃度逐漸增加并在滲徑后半段形成沉淀，從而造成巖石的孔隙率降低，滲透性減小。本文實驗中的3種工況的初始滲透壓力都為0.5 MPa，僅工況III于實驗后期加大滲透壓力至0.8 MPa，因滲透壓力較小，離子在滲透通道中沉淀，從而產生實驗中礦物質不斷溶解而巖芯的歸一化滲透率不斷下降的現(xiàn)象。

由以上分析可知，因實驗中加載的滲透壓力較小，滲透溶液中具有促進巖芯溶解反應的物質使溶液中離子濃度顯著增加，離子無法及時運移出巖芯產生的沉淀導致了巖芯滲透率的下降。

5 結 論

根據對3組不同工況條件下長期進行的完整石灰?guī)r石在侵蝕性流體滲透作用下的滲透性演化實驗成果的整理探討，可得到如下結論：

(1)在應力條件相同的條件下，前50 h 3種化學溶液作用下巖石的滲透率變化率都快速降低而后又在小數(shù)值波動，滲透率急劇下降，而滲透溶液為pH=6的硫酸溶液(工況III)在實驗進行到219 h時實施了一次應力條件的提升，滲透率在加壓瞬間有明顯突變之后馬上恢復到原有狀態(tài)，但是巖芯中礦物質的溶解沒有因應力條件的改變發(fā)生變化，應力條件由于加壓時間對于巖石的滲透率具有時效性，在實驗進行前期(前50 h)是影響巖石滲透率的主要因素，隨著實驗的進行對巖石滲透率的影響力逐漸減弱，但是其對于巖芯礦物成分溶解的促進作用較小。

(2)3種實驗工況的滲出液中始終有Ca2+、Mg2+溶解，Ca2+、Mg2+的濃度都隨時間緩慢減小，但是兩者比值會逐漸穩(wěn)定到某一定值，巖芯中礦物質的溶解主要與滲透溶液的成分有關，溶液中H+的存在能夠增強低滲石灰?guī)r中Ca2+和Mg2+的溶解作用，溶液的Na+會導致Ca2+和Mg2+濃度比值增大，溶液侵蝕性條件是影響巖石中礦物質溶解的主導因素，增加酸性條件可以加速礦物質的溶解，增加Na+能夠促進巖石中Mg2+特別是Ca2+的溶出，隨著實驗時間的延長對巖石滲透性質的影響逐漸顯現(xiàn)。

(3)實驗過程中始終有礦物成分溶解于滲透溶液并以離子的形式流出，滲透溶液為蒸餾水時，滲透率可維持定值，但是在酸性條件(pH=6的硫酸鈉溶液或硫酸溶液)下巖石的滲透率隨著實驗的進行逐漸降低無法保持穩(wěn)定，巖芯滲透率的下降是由于當滲透溶液中具有侵蝕性成分存在時離子濃度顯著增加，但是滲透壓力較小使離子無法及時運移至巖芯外產生沉淀堵塞滲透孔隙所導致。

(4)本文根據3種不同工況的實驗成果探討了應力作用、侵蝕性流體滲透作用和離子的沉淀作用對低滲石灰?guī)r芯的滲透率和物質溶解的影響，但是設計的滲透壓力和應力較小，且滲透溶液呈中性或酸性，還需進一步加大應力條件以及選擇其他侵蝕性溶液進行研究。

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