含X型共轭裂隙重塑砂岩的渗透特性研究

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我国西部鄂尔多斯地区白垩系地层广泛分布X型共轭裂隙,裂隙的存在使得该地区水文地质条件变得十分复杂,矿业建井开挖扰动引起地下水平衡遭到破坏,使得地下水在岩体及裂隙岩体中的渗透流动加剧,对井筒建设安全施工造成严重影响,因此含X型共轭裂隙砂岩的渗透特性是影响井筒安全的关键因素。本文以鄂尔多斯地区白垩系砂岩地层中X型共轭裂隙及充填裂隙为研究对象,通过重塑制样获得含X型裂隙重塑砂岩试样,然后利用室内试验和数值模拟两种研究手段对X型裂隙试样的渗透性变化规律进行研究。设计加工岩芯重塑制样模具,基于压力和温度控制的重塑方法获得了不含裂隙的重塑砂岩试样,然后通过3因素3水平的正交试验进行了砂岩基质颗粒重塑配合比的确定,获得了与原状砂岩孔隙特征接近的重塑砂岩。在此基础上,通过含X型芯模的裂隙制样模具,提出了一种含X型共轭裂隙的重塑砂岩制备方法。利用自行研制的裂隙岩石渗透性测试试验系统对不充填裂隙试样进行渗透试验,结果表明:随围压增加,渗流量呈现“快速降低后逐渐稳定”的规律,围压2MPa是渗流量大小变化规律的转折点。其它因素相同的情况下,渗流量大小随隙宽的增加近似线性增加,但增加的幅度逐渐减小,同样地,渗流量大小随渗透压力增加近似呈线性增加。围压不变时,随着渗透压力的增大,渗流量随隙宽变化曲线呈“台阶式”增长,但增长的幅度逐渐减小。考虑围压、隙宽、充填粒径及充填体积质量的影响,进行充填裂隙试样的渗透试验。试验结果表明:围压加载过程中,渗流量大小随围压的增加近似呈线性减小的趋势发展,而围压卸载过程中,渗流量随围压的减小变化不大。通过控制变量法,其它因素不变的情况下,单位渗流量大小随隙宽的增加而线性增加,随充填粒径范围及体积质量的增加而减少。利用COMSOL Multiphysics软件对不同充填裂隙试样的渗透性进行了数值模拟并与部分试验结果进行对比。结果表明:岩样出口单位时间渗流量大小随渗透压力、隙宽以及L/D值的增加而线性增加,而随交叉角度的增加变化不大。随渗透压力和隙宽变化规律与各围压裂隙渗流试验结果平均值的变化规律具有一致性,但随渗透压力增加模拟渗流量的增加幅度大于不充填裂隙渗流试验的结果。而随隙宽增加,充填裂隙模拟渗流量大于不充填裂隙试验渗流量,充填裂隙试验渗流量最小;从增长速率来看,不充填裂隙试验渗流量增长速率大于充填裂隙渗流试验渗流量增长速率,充填裂隙模拟渗流量的增长速率最小。该论文有图59幅,表36个,参考文献106篇。
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