反应流体渗透和压力作用下碳酸盐岩微观非均匀渗流特性研究

Reactive fluid penetrating through carbonate rocks can change the pore structure, permeability characteristics and mechanical properties by strongly dissolving process, which may have significant impacts on efficiency and security of the underground projects. The permeability evolution of rock fractures in coupled hydrological-mechanical-chemical (HMC) processes has been investigated in our previous research supported by NFSC, and the results show that two important mechanisms called pressure dissolution and free-face dissolution in rock fracture have critical effects on the pore geometric configuration of fractured rock masses, which eventually determine the permeability evolution. However, the meso mechanisms of Hydrochemical process and its coupling effects with thermal-hydrologic-mechanical processes on permeability evolution of fractured rocks are still unclear. The effects of fluid penetration and pressure on permeability characteristics of carbonate rocks will be focused on in this proposal. A series of experiments of fluid penetrating through carbonate rocks under variable pressure will be performed to revise the permeability model based on porosity variation, Damköhler number and effective stress. Inhomogeneous evolution of permeability in carbonate rocks will be investigated in detail by using mesoscopic method to establish the multi-scale space-time model of permeability evolution. Three dimensional rock pore structure model will be built by non-destructive testing technologies, such as scanning electron microscopy (SEM), X-ray computed tomography (CT) scan. Analytical methods for permeability evolution of space-time multiscale will be studied and the evolution patterns and criterion for inhomogeneous penetration path in carbonate rocks will be proposed. All the research achievements and experiment methods can provide theoretical foundations and application technologies for water and electricity engineering design and the CO2 geological sequestration.

渗透流体对岩石具有很强的溶解作用，不断改变岩石孔隙结构、渗透特性和力学特性，对岩石工程的效率及工程安全产生重要影响。我们前期研究了应力－渗流－化学耦合作用下岩石裂隙的渗透特性，发现了压力溶解和表面溶解相互竞争的作用机制，但反应流体渗透和压力对碳酸盐岩渗透特性和孔隙结构的微观作用机理尚不清楚。本项目从实验出发，系统开展反应流体渗透和压力作用下碳酸盐岩渗透特性实验研究，建立以孔隙率改变量、Damköhler数、有效应力等为基础的渗透率修正模型；采用细观方法研究碳酸盐岩渗透特性演化的非均质性，建立时空多尺度的碳酸盐岩渗透特性演化数学模型；采用电镜扫描、X-CT扫描等无损探测技术构建三维岩石孔隙结构模型，开展时空多尺度岩石渗透特性演化分析方法研究，提出碳酸盐岩非均匀渗透路径发展模式和判别条件。研究成果和实验手段可为水电工程设计、CO2地质封存等提供理论基础及测试技术。

本项目重点研究了应力、渗流、水化学侵蚀等多因素耦合作用下碳酸盐岩渗流特性的演化规律，系统研究了应力腐蚀、水化学侵蚀、溶质运移扩散等耦合作用过程对碳酸盐岩渗流特性的影响，揭示了多物理化学耦合过程下碳酸盐岩渗流特性的非均匀演化机理，主要成果如下：.（1）通过反应流体渗透和压力作用下碳酸盐岩渗流特性试验，获得了耦合作用下碳酸盐岩渗流特性变化规律，具体结果如下：①渗透流体的酸性增强，碳酸盐岩渗透率变大，酸性条件稳定后，渗透率随时间变小，其变幅减缓；②围压增大，碳酸盐岩渗透率减小，围压条件稳定后，渗透率随时间变小，其变幅减缓；③渗透压增加，碳酸盐岩渗透率变大，渗压条件稳定后，渗透率随时间变小，其变幅减缓。.（2）通过对试验后的岩样沿渗径方向上中下三部分，分别进行了核磁共振测试， SEM/TEM测试，获取渗流试验前后的岩石切片的表面形态，结果表明：试验后岩样的孔径大小、孔喉形状、孔隙连通性发生不均匀变化，表面产生了很多次生溶蚀孔，岩样表面的溶蚀痕迹很明显，岩样部分基质被溶蚀的较为彻底，形成连通的状态，也有少部分基质和胶结物溶解，岩样表面仍然很致密。.（3）基于试验成果和细观孔隙分析，建立了修正了Carman-Kozeny的渗透率-孔隙度的幂定律关系；并基于达西尺度和孔隙尺度双尺度概念，构建了包括运动方程、溶质运移方程和溶解控制方程的碳酸盐岩渗透率演化细观数学模型，从孔隙度随时间的变化过程可以看出，渗流溶解模式是非均质，上游溶解快偏于均质，沿渗径溶解模式变化很大，随时间的增加，溶解逐渐向中游推进过渡为非均质，下游基本不溶解。 .多物理化学耦合过程对岩石的孔隙度和渗透率演化有很大影响，而岩石这种性质的改变也会影响工程储层系统的性能。由反应诱发的渗透率的变化对水利水电工程、CO2地质封存、油气藏开发、核废料处理等实际工程和碳酸盐岩储层的采油量具有十分重要的影响。研究成果和试验手段可为水电工程设计、CO2地质封存等提供理论基础及测试技术。

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