基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

doi:10.11988/ckyyb.20230554

长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (8): 113-119.DOI: 10.11988/ckyyb.20230554

基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演

王锦国¹(), 韩智颖¹(), 程伟², 黄瑞瑞¹, 尤琳², 杨蕴¹

¹ 河海大学地球科学与工程学院,南京 211100
² 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,昆明 650051

收稿日期:2023-05-21 修回日期:2023-08-28 出版日期:2024-08-01 发布日期:2024-08-13
通讯作者: 韩智颖(2000-),男,江西抚州人,硕士研究生,研究方向为地下水渗流计算、多场耦合模拟。 E-mail:han_zhiying@hhu.edu.cn
作者简介:
王锦国(1974-),男,山西阳泉人,教授,博士,研究方向为地质工程、水文地质、地下水污染机理与评价等。 E-mail:wang_jinguo@hhu.edu.cn
基金资助:
江苏省自然科学基金项目(BK20221507)

Inversion of Permeability in High Pressure Packer Test under Hydro-Mechanical Coupling of Dual Media

WANG Jin-guo¹(), HAN Zhi-ying¹(), CHENG Wei², HUANG Rui-rui¹, YOU Lin², YANG Yun¹

¹ School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China
² Power China Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, China

Received:2023-05-21 Revised:2023-08-28 Published:2024-08-01 Online:2024-08-13

摘要/Abstract

摘要：

高压压水试验过程中岩体易发生水力劈裂产生裂隙,岩体内部孔隙、裂隙双重导水,渗流场和应力场相互作用,导致岩体渗透参数的时空变异性。基于高压压水试验反演渗透参数需考虑双重介质渗流-应力耦合作用下产生裂隙前后渗透系数的变化规律,利用渗流-应力耦合数值模型结合工程现场高压压水试验数据进行参数反演,计算得到不同压力阶段下灰岩岩体渗透率。主要结论如下:发生水力劈裂前,随着注液压力的增大,渗透率及孔隙水压力在不同压力阶段之间分界明显,渗透率反演值与规程公式计算值相近;发生水力劈裂后,岩体渗透率增大约2倍,孔隙介质渗透率和通过的流量出现陡减现象。

关键词: 高压压水试验, 双重介质, 渗流-应力耦合, 渗透率, 水力劈裂

Abstract:

Hydraulic fracturing easily occurs in rock masses under high-pressure packer tests, involving dual water conduction via pores and cracks. This interaction between the seepage and stress fields results in spatial-temporal variations in rock mass permeability parameters. For accurate permeability parameter inversion during high-pressure packer tests, it is recommended to consider the change in permeability coefficient before and after fracture occurrence under hydro-mechanical coupling of dual media. A hydro-mechanical coupling numerical model is employed to simulate high-pressure packer tests, and parameter inversion is conducted using on-site test data to calculate limestone permeability across different pressure stages. Key findings include: before hydraulic fracturing, as injection pressure increases, permeability and pore water pressure sees distinct boundaries among different pressure stages, with inverted permeability closely aligning with specified formula values. After hydraulic fracturing, rock mass permeability increases by about 2 times, accompanied by sharp declines in matrix pore medium permeability and flow rates.

Key words: high-pressure packer test, dual media, seepage-stress coupling, permeability, hydraulic fracturing

中图分类号:

P642.3

王锦国, 韩智颖, 程伟, 黄瑞瑞, 尤琳, 杨蕴. 基于双重介质渗流-应力耦合模型的高压压水试验渗透参数反演[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(8): 113-119.

WANG Jin-guo, HAN Zhi-ying, CHENG Wei, HUANG Rui-rui, YOU Lin, YANG Yun. Inversion of Permeability in High Pressure Packer Test under Hydro-Mechanical Coupling of Dual Media[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2024, 41(8): 113-119.

图/表 11

图1 双重介质渗流-应力耦合概念模型[15]

Fig.1 Conceptual model of hydro-mechanical coupling of dual media[15]

图2 测试岩体部分岩芯照片

Fig.2 Photos of test rock core samples

表1 ZK412钻孔部分试段现场试验数据

Table 1 Field test data of some test sections in ZK412 borehole

试段编号	埋深/ m	试验压力P/ MPa	流量Q/ (L·min^-1)	透水率/ Lu	按规程计算渗透率k/ (10^-15 m²)	曲线类型
ZK412-7	176.43~ 181.43	1.5	1.73	0.23	2.95	A(层流型)
		2.0	2.31	0.23	2.95
		2.5	2.77	0.22	2.83
		3.0	3.36	0.22	2.83
ZK412-10	161.97~ 166.97	1.5	0.36	0.05	0.55	C(扩张型)
		2.0	0.78	0.08	0.99
		2.5	1.85	0.15	1.79
		3.0	2.15	0.14	1.78
ZK412-12	152.43~ 157.43	1.5	0.47	0.06	0.78	C(扩张型)
		2.0	0.74	0.07	0.86
		2.5	1.50	0.12	1.49
		3.0	2.64	0.18	2.52
ZK412-13	147.60~ 152.60	1.5	0.36	0.39	5.02	A(层流型)
		2.0	0.78	0.38	4.84
		2.5	1.85	0.39	4.90
		3.0	2.15	0.40	4.94
ZK412-15	138.22~ 143.22	1.5	0.85	0.11	1.40	C(扩张型)
		2.0	1.34	0.13	1.57
		2.5	2.92	0.23	2.97
		3.0	3.75	0.25	3.15

图3 试段ZK412部分试段P-k、P-Q曲线

Fig.3 P-k and P-Q curves of some test sections in ZK412 borehole

图4 高压压水试验模型示意图

Fig.4 Schematic diagram of high-pressure packer test model

表2 参数取值统计

Table 2 Statistics of parameter values

孔隙率	动力黏滞系数/ (N·s·m^-2)	泊松比	弹性模量E/ GPa	岩体密度ρ/ (kg·m^-3)	流体压缩系数 X_f/Pa^-1	基质压缩系数 X_p/Pa^-1	Biot系数	岩体法向断裂刚度 k_n/(N·m^-3)
0.1	1×10^-3	0.25	60	2 600	4×10^-10	1×10^-4	1.0	8×10¹¹

图5 渗透率及压力水头变化曲线

Fig.5 Variation curves of permeability and pressure head

图6 未劈裂段模拟值P-Q曲线拟合情况

Fig.6 Fitting of P-Q curve of simulated values in unfractured section

表3 不同阶段注液压力下渗透率反演值

Table 3 Inversion values of permeability at different injection pressures

试段编号	不同注液压力下的渗透率/(10^-15m²)
试段编号	1.5 MPa	2.0 MPa	2.5 MPa	3.0 MPa
ZK412-10	0.409	0.420	0.567	0.795
ZK412-12	0.378	0.383	0.41	0.616
ZK412-15	0.600	0.615	0.69	1.246

图7 孔隙与裂隙渗透率、等效水力隙宽随注液压力变化曲线

Fig.7 Variation curves of pore/fracture permeability and equivalent hydraulic fracture width with injection pressure

图8 劈裂试段模拟值P-Q曲线拟合情况

Fig.8 Fitting of P-Q curve of simulated values in fractured section

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