0 引 言
近年来，随着核废料处置、地下煤层气开发、地热资源的开采利用等领域的蓬勃发展，高温处理后岩石物理力学性质和渗透特征演化规律备受关注[1-3]。国内外众多学者对高温处理后岩石物理力学特性进行了一系列的试验研究和探索。KILIC[4]对600 ～1 050 ℃高温处理后石灰岩的物理性质进行了试验研究，发现石灰岩质量和波速随着温度的升高逐渐减小。SUN等[5]研究了高温处理后砂岩物理力学性质变化特征，发现当温度由25 ℃增加至900 ℃，砂岩平均质量损失率提高了2.97%。文献[7-9]也通过试验及模拟手段研究了不同高温处理后花岗岩的物理力学性质。上述研究成果对揭示岩石材料的热损伤作用机理有着重要意义。岩石渗透特性是岩石水力学研究中的基本参量，高温热应力作用会导致岩石内部结构发生变化，诱发微裂纹的萌生、扩展，进而直接影响岩石的渗透特性。针对这一问题，CHAKI等[10]研究了高温处理后岩体微观特征，发现热损伤会导致岩体内部微观特征比如孔隙率，空隙连通率的变化，进而直接影响岩石的渗透特性。文献[11-13]均采用了不同的手段对高温处理后花岗岩微裂纹发育情况进行了监测和量化。文献[14-15]研究了高温处理后砂岩的渗透特征，CHEN等[15]研究了花岗岩渗透率随温度的变化，结论均为温度升高渗透率增大。研究高温处理后岩石渗透特征对完善水力学理论和指导工程实践意义重大，然而纵观国内外文献，关于考虑围压作用下岩石渗透特性及其高温热损伤响应特征尚未完全揭示。鉴于此，通过对200～800 ℃中 6种高温作用后花岗岩进行围压10、15、20、25、30 MPa下的渗透试验研究，以揭示高温处理后花岗岩渗透特性与温度及围压之间的相关性。
1 岩石渗透率测试试验过程
1.1 试样准备
试验所用细粒花岗岩岩块采自河南春水矿区，主要矿物成分为石英、长石和方解石，平均密度2.61 g/cm3。采用MTS815.02获得了自然状态下的花岗岩试样单轴抗压强度为120 MPa，根据ISRM标准[16]，将12块试样加工成直径50 mm，高度100 mm的标准圆柱体试样，并将试样上下表面打磨光滑。
选用GWD-02A型高温炉对加工好的花岗岩试样进行高温加热，温度分别为200、300、400、500、600和800℃，升温速率10 ℃/min，达到指定温度后保持120 min以保证试样内部受热均匀，最后自然冷却至室温。高温处理后花岗岩试样如图1所示，可以看出，试样表面颜色会随温度的升高发生变化。
图1 高温处理后花岗岩试样
Fig.1 Tested granite samples after high temperature exposure
1.2 试验方案
采用全自动岩石渗透率测试系统对高温处理后花岗岩试样开展一系列渗透试验，如图2所示。
图2 岩石渗透率测试系统
Fig.2 Rock permeability test system
该设备可施加的最大围压为60 MPa，主要由以下3个单元组成：①进水系统，由水源G、恒流泵F以及恒温水浴箱D组成；②三轴渗流试验系统，由三轴试样容器C、用于施加围压和轴压的箱体内部压力泵、泵压水源I、操作面板A以及显示面板B组成；③液体称重系统，包括智能电子天平E及收集液体装置的烧杯。试验所用参数以及天平读数，可采用计算机同步读取并保存。
试验前，将试样放进厚度3 mm的橡皮套H内，然后将试样连同橡皮套沿着轴向水平放入三轴试样容器C中，试样两端各放置1个多孔金属垫片以保证水压均匀分布。
试验过程中，首先施加较低的压力差，直至出水口流速稳定后开始设置试验工况并读取保存数据。对任意1个试样，围压σ3分别设置为10、15、20、25和30 MPa。当围压恒定时，通过恒流泵控制进水口压力在低于相应围压下逐渐增大，进出水口压力可通过压力表实时记录在计算机上，精度为0.01 MPa。当通过试样的流速稳定后，可以通过实时采集的流速等数据计算渗透系数，进而定量评价围压和温度对岩石试样渗透特性的影响。
2 高温处理后花岗岩密度和波速的变化
分别对不同温度作用后花岗岩试样进行直径、高度以及质量的测量，由此计算得到花岗岩的密度。同时采用PDS-SW声波检测仪对不同高温处理后花岗岩纵波波速进行测试，最后得到波速与密度随温度变化情况，如图3所示。
图3 高温对花岗岩密度和波速的影响
Fig.3 Effect of temperature on decrement ratio of density and P-wave velocity of tested granites
密度减小率Δρ和纵波波速减小率Δv可以采用以下公式计算：
(1)
(2)
式中：ρ和ρ′分别为自然状态下25 ℃以及高温作用后花岗岩试样的密度；v和v′为相应纵波波速。
由图3可知，温度从25 ℃增加到300 ℃，花岗岩试样密度和波速降低幅度相对较小，主要原因是该阶段花岗岩内部矿物颗粒发生自由水和结合水的脱离，但自然冷却后部分过程是可逆的，所以该阶段密度和波速变化幅度不大。当温度从300 ℃增加到800 ℃，密度和波速变化幅度较大，其中Δρ从0.16%增加到1.02%，Δv从12.0%增加到60.0%。其原因是随着温度的升高，结合水和自由水损失，组成花岗岩的矿物成分也发生了变化[17-18]。XI[19]发现热应力会使得高温处理后花岗岩内部产生大量的穿晶裂纹和沿晶裂纹，内部各向异性的扩张与石英的α/β相变，导致石英体积增长5%。张卫强[20]采用压汞试验对高温处理后花岗岩孔隙率进行了研究，结果表明，试样内部孔隙率随温度升高而升高，当温度从25 ℃升高到800 ℃时，孔隙率增加了2.83倍。
3 高温处理后花岗岩渗透特性
试验结果显示，通过花岗岩试样轴向的压力梯度dPs/dL与出口处体积流速Q之间的相关性可以用零截距线性方程进行较好地描述，如图4所示。其中：Ps为进水口压力与出水口压力的差，MPa；L为试样的轴向长度，m。对于每一温度热处理后花岗岩试样，随着压力梯度dPs/dL增加，通过试样内部的流体体积流速Q呈现线性增长趋势，且随着围压的增大，增长的幅度越小。
由图4可知，线性方程对试验结果进行拟合，得到的相关系数R2均大于0.99，可以认为，高温处理后花岗岩试样的渗透特性可以用线性达西定律进行描述。此外，围压σ3的变化并没有改变流体通过试样的线性流动行为，但随着围压σ3的增大，dPs/dL-Q拟合曲线的斜率逐渐增大，这主要是由于岩石试样内部缺陷闭合导致的。
在岩石水力学中，渗透系数常用来定量描述岩石的渗透特性，通过线性达西定律，可以得到高温T处理后花岗岩试样等效渗透系数K0，见表1。
(3)
式中：μ为水力粘滞系数，mPa·S，假设水为不可压缩流体；A0为试样横截面面积，m2。
花岗岩不同围压作用下等效渗透系数K0随温度T的变化特征如图5所示。
图4 高温处理后花岗岩试样体积流速与压力梯度的关系
Fig.4 Volume flow rate Q as function of pressure gradient dPs/dL of granite samples after high temperature exposure
表1 不同围压花岗岩等效渗透系数
Table 1 Effective permeability coefficient of granite with different confining pressure
T/℃不同围压等效渗透系数/(10-19m2)10MPa15MPa20MPa25MPa30MPa1001.380.740.510.310.162004.052.491.551.060.6830011.206.854.352.681.7040030.2719.9012.919.236.17500108.2468.3246.3829.6120.52600408.47230.70152.9899.6656.658002638.761303.82816.62532.46398.13
图5 花岗岩等效渗透系数随温度变化规律
Fig.5 Variations in equivalent permeability coefficient of granite samples with increase of temperature
由图5知，当围压一定时，随着温度的增加，等效渗透系数呈现非线性增长的趋势，其变化过程可分为2个阶段。温度由100 ℃增加到400 ℃，等效渗透系数增长较缓，当温度为100 ℃时，等效渗透系数分别为1.37×10-19(σ3=10 MPa)，7.43×10-20(σ3=15 MPa)，5.08×10-20(σ3=20 MPa)，3.09×10-20(σ3=25 MPa)和1.64×10-20 m2(σ3=30 MPa)，当温度400 ℃时，等效渗透系数分别增加至3.03×10-18(σ3=10 MPa)，1.99×10-18(σ3=15 MPa)，1.29×10-18(σ3=20 MPa)，9.23×10-19(σ3=25 MPa)和6.17×10-19 m2(σ3=30 MPa)，与温度100 ℃相比，分别增加了20.62，26.06，24.89，29.55和37.41倍。
当温度从400 ℃增加到800 ℃，等效渗透系数增长幅度逐渐增大，当温度800 ℃时，花岗岩试样等效渗透系数分别为2.64×10-16(σ3=10 MPa)，1.30×10-16(σ3=15 MPa)，8.17×10-17(σ3=20 MPa)，5.32×10-17(σ3=25 MPa)和3.98×10-17 m2(σ3=30 MPa)，与温度400 ℃相比分别增大了87.16、65.52、63.26、57.70和64.55倍。其原因是当温度从400 ℃增加到800 ℃时，花岗岩试样内部热破裂显著，微裂纹发育并扩展贯通形成宏观裂隙，导致试样渗透特性大幅度增强。
根据上述讨论结果，随着温度从200 ℃增加到800 ℃，等效渗透系数K0随温度T的关系可以用式(4)表示。
K0=A1.01T
(4)
式中：A为拟合系数，m2。
CHEN等[21]对北山花岗岩进行了热破裂演化及渗透特性的研究，发现在围压5 MPa下花岗岩等效渗透系数随温度的关系(图6)，该结果与本研究结果相近。
图6 渗透系数与温度的关系[21]
Fig.6 Evolution of permeability versus heat treatment temperature [21]
图7 拟合系数随围压变化
Fig.7 Variations in coefficients with confining pressure
K0-T拟合函数中拟合系数A随围压的变化特征如图7所示。由图7可得，在围压从10 MPa增加到30 MPa的过程中，拟合系数A从1.13×10-17减小到1.53×10-18，减小了86.40%，可见A可表示为围压对花岗岩渗透系数的敏感程度，这与其他学者的研究结果一致[22-23]。
为进一步评价流体在裂隙孔隙介质中的运移规律，ZHANG等[24]还提出了导水系数Ta，m4。
(5)
综合式(3)和式(5)可以得到式(6)：
Ta=K0A0
(6)
图8表示不同温度热处理后花岗岩试样导水系数随围压的变化特征，由图8知，导水系数Ta随围压的增加逐渐减小，且减小幅度逐渐降低，这主要是由于应力作用下试样内部孔隙/裂隙逐渐闭合引起的。
图8 导水系数与围压的关系
Fig.8 Relationship between conductivity and confining pressure
4 结 论
1)高温处理后不同围压作用下的花岗岩渗透特性试验发现，随着压力梯度增加，体积流速线性增大，高温处理后花岗岩渗透特性可以用达西定律进行评价，当围压升高时，压力梯度与体积流速之间的比值逐渐增大，即试样的过流能力逐渐减弱。
2)当温度小于400 ℃时，花岗岩渗透系数缓慢增大，而400 ℃以后，渗透系数变化显著。
3)等效渗透系数随温度的增长规律可以用指数函数进行描述。随着围压的增加，热破裂产生的孔隙裂隙逐渐闭合，花岗岩导水系数逐渐降低。
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