通常情况下，岩石裂隙的渗透率要比完整岩石的渗透率高2至3个数量级。在非常规油气储层开发和二氧化碳地质封存过程中，裂隙渗透率不仅会影响地质能源的开发效率，还决定了盖层的泄露风险。根据以往的实验研究，裂隙渗透率的大小受有效法向应力、剪切变形以及岩石类型的影响。另外，相较于平整的锯切裂隙，通过巴西劈裂方式得到的张拉裂隙更能代表自然界中的岩石裂隙。然而，不同有效法向应力下张拉裂隙渗透率随剪切位移的演化机理仍不明确，需要进一步的实验研究。
针对这一问题，中国科学院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存组研究人员以砂岩和页岩张拉裂隙为代表，利用自行研发的L型剪切渗流试验装置，开展了不同有效法向应力条件下的剪切实验，并在不同剪切位移处测量了裂隙的气体渗透率。实验结果表明：在峰值剪应力前，砂岩裂隙的气体渗透率随剪切应力的增大而降低，而页岩裂隙的气体渗透率在弹性加载阶段几乎保持不变，随后增大（图1）；当剪切应力几乎保持不变时，砂岩和页岩裂隙的气体渗透率随剪切位移的演化均表现出对有效正应力的依赖性（图1）；砂岩和页岩裂隙气体渗透率随剪切位移的不同演化趋势可能是由裂隙面上不同的局部变形破坏模式导致的。通过对实验后的样品进行CT扫描，发现所有测试样品的最终裂隙体积与最终气体渗透率呈正相关（图2）；另外，砂岩和页岩裂隙面的局部粗糙度表现出相反的演化趋势，且砂岩裂隙面的磨损面积要大于页岩裂隙面（图3）。
该研究工作得到了国家重点研发计划项目（2019YFE0100100）、国家自然科学基金项目（41972316）及中国博士后科学基金项目（2020M671675）的共同资助。相关研究成果以“Comparison of shear-induced gas transmissivity of tensile fractures in sandstone and shale under varying effective normal stresses”为题发表于Journal of Natural Gas Science and Engineering。
论文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1875510021004170
图1 剪应力、法向变形和裂隙渗透率随剪切位移的演化关系
图2 实验后砂岩和页岩裂隙的CT扫描图
图3 磨损面积比和有效法向应力的关系
（文/图 二氧化碳地质封存组）
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