通常情况下 ， 岩石裂隙的渗透率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 ， 裂隙渗透率影响地质能源的开发效率 ， 并决定盖层的泄露风险 。根据以往实验研究 ， 裂隙渗透率大小受到有效法向应力、剪切变形及岩石类型的影响 。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尚不明确 ， 需要进一步实验研究 。
中国科学院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存组以砂岩和页岩张拉裂隙为代表 ， 利用自主研发的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或由裂隙面上不同的局部变形破坏模式所致 。研究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）；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大于页岩裂隙面（图3） 。
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 ， 发表在 Journal of Natural Gas Science and Engineering 上 。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国博士后科学基金的资助 。


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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


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【砂岩和页岩张拉裂隙剪切诱导气体渗透率对比研究获进展】图2.实验后砂岩和页岩裂隙的CT扫描图


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图3.磨损面积比和有效法向应力的关系
来源：中国科学院武汉岩土力学研究所
来源：中科院之声

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