钙芒硝矿孔裂隙结构及渗透特性研究

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近年来,各地钙芒硝矿的开采以原位溶浸开采方法为主。钙芒硝在溶浸开采过程中,受到温度、应力和浓度等多个因素的共同作用,其孔隙大小、形状和连通性等细观结构易发生细微变化,进而影响钙芒硝盐岩的溶解速率,降低开采效率。此外,钙芒硝也是层状盐岩储气库中常见的一种夹层,在溶腔溶解建造过程中,夹层长期浸泡于溶浸液中,其内部细观结构的改变会影响孔裂隙的连通性,有可能会造成气体的泄漏,进而影响储气库的安全运营。因此从细观角度深入了解不同温度-浓度-应力耦合作用下钙芒硝的孔裂隙演化规律及渗流规律,对提高钙芒硝开采效率和层状盐岩储气库的密闭性具有指导意义。本文综合了物理实验、数值模拟和理论分析等手段,以钙芒硝为研究对象,构建了不同温度、浓度、轴向应力耦合作用下钙芒硝的三维孔隙模型,定量表征了钙芒硝中孔裂隙的二维结构特征、三维结构特征,揭示了温度、浓度、轴向应力对钙芒硝中孔裂隙结构演化的影响;并基于构建的三维模型,进行了不同条件下的渗流模拟、绝对渗透率计算,分析了流体运移过程中的压力分布及速度分布规律。本文的主要结论如下:(1)基于不同条件下钙芒硝的二维细观结构分布特征,发现:随着轴向应力的升高,钙芒硝的微孔隙(D≤50μm)的孔隙率呈先增加后减小的趋势,小孔隙(0.05 mm<D≤0.1 mm)、大孔隙(0.1 mm<D≤0.5 mm)、微裂纹(0.5 mm<D≤1 mm)和裂隙(D≥1 mm)的孔隙率、总孔隙率和渗透率均呈非线性增加的趋势。(2)基于不同温度-浓度-应力耦合作用下钙芒硝的三维孔隙模型,发现:在溶液中溶浸后的钙芒硝,试件的连通度与轴向应力呈正相关,随着轴向应力的增加,试件的连通度不断增大。随着温度升高,钙芒硝连通度略有增加,增幅较小。相同温度、轴向应力条件下,淡水中溶浸后的钙芒硝的连通度最大,且随着浓度的升高,钙芒硝的连通度不断减小。(3)基于8 MPa和9.6 MPa条件下钙芒硝等效连通孔隙网络模型,发现:在轴向应力、温度、溶液共同作用下,钙芒硝孔隙的主体配位数为0~20。淡水溶浸后的钙芒硝的高孔隙配位数(>20的配位数)占比最多,为15%,连通性最好,随着溶液浓度的增加,高孔隙配位数所占比重逐渐减小。与8 MPa相比,9.6 MPa时,钙芒硝的高孔隙配位数占比增大,由8~10%增加至9~12%,连通性更好,更容易渗透。(4)通过对比渗流模拟得到的压力分布图和流速分布图,根据压力区的分布、流速及流线的连通性,可以推断出不同条件下钙芒硝孔隙模型渗透率的大小关系,同时发现渗透率大小由孔隙模型中的优势通道决定。
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