不同应力条件下粗糙表面裂隙岩体渗透性试验

抽象的

为研究地震动、静应力作用下裂隙岩石的渗透性变化及机理，在MTS815岩石力学试验系统上进行了轴向动、静应力作用下粗糙表面裂隙岩石的渗透性试验。通过对测试前后试样表面的扫描研究表面粗糙度。结果表明:当轴向位移不足以引起裂隙岩体滑移时，裂隙面粗糙度对渗透率影响较大;此外，裂缝表面越粗糙，产生的刨齿越多，导致的表面损伤越严重。断层泥材料在较大粗糙度的裂缝表面的积累导致渗透率缓慢下降。在轴向动应力测试下，断口表面发生较大的退化，但断口表面的泥晶材料质量较小。这是由于在动载过程中容易发生铲料的输送和机动。因此，轴向动应力的渗透率降大于轴向静应力的渗透率降。

1.介绍

岩石骨折的渗透性是控制流体过滤速率和颗粒摩托[1及裂隙岩体安全特性的主要参数[2］.渗透率随粗糙度的变化而变化[3.]刨刺材料的生产[4]，当断裂在应力作用下发生变形时[5- - - - - -7］.众所周知，破碎的岩石经常受到地震产生的巨大的动、静态应力的影响[8- - - - - -19］.因此，研究动应力和静应力作用下裂隙岩石的渗透性变化及其机制对预测地震活动具有重要意义。

在静应力作用下，裂缝的疏通和堵塞、裂缝孔径的变化和颗粒的移动等多种机制引起了渗透率的变化。有研究者发现裂缝渗透率随有效静应力的增加而降低[20.- - - - - -26.］.Vogler等人发现，泥状物质的产生可能造成了主要流体流动通道的堵塞，导致渗透率降低高达一个数量级[4］.赵等人。调查渗透性随着骨折孔的有效应激的降低而降低，并且裂缝粗糙度对渗透性的影响与有效应力的大小有关[27.］.Wu等人。测量有效应力的粗糙度和渗透率下降。自然裂缝的渗透率仅在有效应力返回到初始值后部分恢复，并且由于产生的凿孔流体流动途径而减少3.］.

有研究认为，即使在应力水平明显低于静强度的情况下，动态应力也会导致岩石的严重疲劳损伤或破坏[28.- - - - - -31.并能改变渗透性。布罗德斯基(32.和Elkhoury等人[33.]发现，遥远的地震甚至可以通过解开现场的裂缝来增加故障的渗透性。薛等人。[34.史和王[35]研究发现汶川地震大地震后，由于地震在破坏断层上产生裂缝，断裂带的渗透性暂时增加。Faoro等人[36.的结果表明，在实验室尺度下，流体压力作用下，裂隙孔径扩张导致岩体有效渗透率瞬态增加。Candela等[37.]研究表明，裂隙岩石中的瞬态流体压力通常会导致渗透率增加，并在实验室实验中归因于细颗粒的移动。此外，一些研究发现地震会降低渗透率[38.- - - - - -40]例如，Shi等人发现地震引起的断层带渗透性降低减少了深层热水的补给[39.］.考虑到远处地震的方位角分布，观测到的渗透率降低可归因于地震波引起的裂缝堵塞，这些裂缝构成了地壳浅层的流动通道[40］.Shmonov等[8在高围压和高温下对未破裂的岩心施加振荡应力，发现渗透率更有可能增加。刘及漫画[41.[已经饱和去离子水饱和的已经破碎的砂岩芯进行了类似的实验，并表明裂缝砂岩中的渗透性可能在动态应力的影响下降低。已经尝试了各种机制来解释由地震波通过的动态应力引起的渗透性增加[40］.然而，这些机理尚不清楚，因此很难预测动应力和静应力下渗透率的增减。

在MTS815岩石力学试验系统上进行了轴向动应力和静应力对渗透率的影响试验。通过对试样表面的扫描，研究了试样在测试前后的断裂粗糙度变化情况。分析了轴向动应力和轴向静应力作用下的渗透率特征，并考虑了裂缝表面的粗糙面退化和泥质材料。这提供了动态应力下泥浆材料的生产、运输和流动动员对渗透率变化的影响信息。

2.测试准备

2．1．样品制备

本研究使用的岩石材料是取自中国云南昆明西北部的一种细粒砂岩。对标准岩样进行了一系列的初步试验，确定了砂岩的关键力学参数，如杨氏模量(34 GPa)、泊松比(0.3)和单轴抗压强度(86 MPa)。

所有样品均从单个砂岩板中提取，以尽量减少性质的变化[42.］.然后，将样品制成直径为50毫米、长度为100毫米的圆柱形几何形状。每个样品相对于轴线以30度角进行劈裂，形成一个断口面，如图所示1(一)．随后，沿轴向平行方向钻一个直径3mm的井眼，在每半段的拐角处，以促进流体从岩心支架流入裂缝(图)1 (b))．之后，通过在水中浸泡饱和样品超过12小时。

2.2。表面粗糙度测量

采用GOM公司生产的光学三维扫描仪(ATOS III TRIPLE SCAN)对裂缝表面特征进行扫描。ATOS核心传感器将边缘图案投射到物体表面，由两个摄像机记录下来。这些图案形成了基于正弦强度分布的相移，使人们能够计算三维(3D)表面。摄影测量扫描器通过两个测试进行校准。用摄影测量扫描仪测量安装在平板上的球体的直径和形状以及两个球体之间的距离，得出校准误差和精度。所有用于校准的设备都是由生产扫描仪的GOM公司专门开发的。在扫描范围内，整体扫描精度小于0.01 mm ，长度偏差误差在0.009 ~ 0.027 mm之间。测量分辨率为 像素的优化校准偏差 像素。此外，拉伸断口的制备过程较为仔细，断口匹配度较高;因此，裂缝的节理匹配系数接近1.0。所以我们在测试前后的扫描轮廓中只使用每个样品的一个断口面。三维扫描后，数字化数据以xyz文件格式导出以估计断裂粗糙度。表面粗糙度参数， ，二维剖面斜率的均方根，被广泛用于与JRC值相关[43.- - - - - -46.］.对于2D剖面图，是（谁）给的 在哪里是给定二维剖面斜率的均方根，为二维剖面上的数据点个数，为数据点之间的间隔，在点处的粗糙度的值 ，JRC为节理粗糙度系数。

如在许多先前的研究中，选择0.5mm的间隔选择，以估计粗糙度[43.- - - - - -46.］.利用式(2)计算各断面在断口上的JRC，计算JRC的平均值来表征断口的粗糙度，如表所示1．它们是一组10个典型的粗糙度轮廓，如图所示2．Ss-1和Sd-1样品的JRC均值属于粗糙度剖面类型4,Ss-2和Sd-2样品的JRC均值属于粗糙度剖面类型5,Ss-3和Sd-3样品的JRC均值属于粗糙度剖面类型10。测试结束后，对损伤表面重复同样的过程，分析实验过程中表面发生的变化，并与实验过程中渗透率的变化进行对比。

2．3.实验设置和步骤

所有实验都是在中南大学高级研究中心的伺服控制岩石力学测试系统(MTS815)上进行的。该系统由五个主要单元组成:三轴单元、加载单元、供水单元、变形和压力监测单元和数据采集单元。系统最大承载能力可达4600 kN。最大围压和孔隙水压力均为140 MPa。用一对线性变量位移传感器(LVDTs)测量样品的轴向变形。该系统配置了一个用于圆柱形岩石试件渗透率测试的瞬态脉冲装置。渗透率测量采用压力脉冲衰减技术测试方法，如图所示3.．

对裂隙岩体进行了两组渗透试验。在“轴向动态试验”组实验中，设计了三组(Sd-1、Sd-2、Sd-3)试验。实验过程包括以下几个步骤:（1）每个样品用聚四氟乙烯胶带包裹，以避免施加围压应力和轴前静应力时开口裂缝中的滑动。然后，将样品用热收缩塑料膜周向密封，以将样品与围压流体分离。然后，将岩石样品放置在三轴细胞填充物上用液压油润滑（2）围压( ）和静态轴向应力( ）连续地以0.1MPa / s的恒定加载速率增加到所设计的水平。它们分别在所有测试中设置为5MPa和10MPa，在整个测试过程中保持恒定（3）五分钟后，样品和装载系统变得稳定。通过刚性装载杆将连续的轴向正弦波施加到样品的顶部。实际的轴向应力是静态预应力和循环应力的叠加 在哪里是叠加的轴向应力，为静态轴向应力，是动态轴向应力的幅度，是频率，和是时间。对断裂岩石样品的初步压缩试验表明，在5的围压下，样品滑动的临界轴向应力 兆帕是15 因此，叠加轴向应力应限制在临界应力以下。在本研究中，轴向应力是表中列出的自变量1．根据动应力幅值设计了三组试验，分别为0.25、1.25、2.5、3.75和5 MPa。图中绘制了频率为1hz的加载路径4(4)经过100个循环的动力扰动后，试样停止循环加载，围压和静轴向应力仍维持在5 MPa和10 MPa。然后，对上游和下游水库均施加初始水压力，加载速率为0.2 MPa/min。接下来，上游储层的水压力突然升高，形成压差(即初始脉冲压力)，使水通过裂缝从顶部流向底部，如图所示3.．时间脉冲压力（ ）随着时间减少，直到达到平衡。它由水箱中的两个压力表自动监测和记录。因此，可以得到裂缝试样的渗透率(见节)2．4）

在“轴向静态试验”组实验中，还设计了三组(Ss-1、Ss-2、Ss-3)试验。在每次试验中，轴向应力在2.5 MPa步长由5 MPa提高到15 MPa，围压保持在5 MPa，详见表1．在每个轴向载荷下测量裂缝岩的渗透率。

2.4。渗透率测量

岩石渗透性可以用稳态法测量，在稳态法中，流体通过样品的流速是根据已知的水力压力梯度测量的。然而，当渗透率较低时，可能需要很长时间才能建立稳定的状态。这种方法是基于对施加在试件一端的压力的小步变化的衰减分析。在本研究中，测量了实现压力阶跃后沿断层面的压差;则渗透率计算为3.］ 在哪里的平均值是和 ， 和为上游和下游压力，水的粘度是多少( )， 是沿着故障平面的两个钻孔孔之间的距离，是骨折的横截面积，和是否为上游和下游水库容积( 对于MTS实验设置，如图所示3.),为时间脉冲压力随时间的变化率，可根据时间脉冲压力的演化来确定( )．Brace等人。[47.和Jang等人[48.表示时间脉冲压力随时间呈指数衰减，为 在哪里是此时的初始脉冲压力 和为拟合常数。数字5给出了脉冲压力随时间的变化规律。可以看出，时间脉冲压力的衰减模型(式(5))与测试数据的趋势吻合良好。显然，这个系数是0.0021。

3.结果和讨论

我们的数据表明：（1）渗透率变化与轴向应力呈负相关，（2）渗透率变化受裂缝表面粗糙度的影响，以及（3）动态应力断裂与静态应力断裂相比，渗透率略有下降，考虑了瞬态渗透率变化的三个影响因素：（1）JRC的初始平均值；（II）粗糙度退化和泥质材料；（III）颗粒迁移。

3.1. 渗透率变化

数字6描述了在轴向动应力作用下渗透率的演变和轴向位移。图形6结果表明，Sd-1和Sd-2的渗透率变化速率相近，而Sd-1和Sd-2的轴向位移速率相近。Sd-3渗透率下降较慢，轴向位移上升较快。总体来看，在轴向动应力作用下，3组渗透率随幅值的增大而明显降低，轴向位移随幅值的增大而增大。这种现象与早期研究中观察到的渗透率随着滑动位移的增加而急剧下降的现象不符[3.，4，49.，50.］.数字7表征了轴向动应力和轴向静应力作用下渗透率测试前后的变化。发现Sd-1和Sd-2渗透率分别下降35%和37%，Sd-3渗透率下降44%，如图所示7．而属于粗糙度剖面类型4和5的样品Sd-1和Sd-2的JRC均值低于表中样品Sd-3的JRC均值1．

在静应力下也会出现类似的现象。Ss-1和Ss-2的渗透率和轴向位移变化相似，而Ss-3的渗透率下降缓慢，轴向位移大幅增加，如图所示8．在轴向静应力作用下，Ss-1和Ss-2的断口表面粗糙度均小于Ss-31)．图中Ss-1、Ss-2和Ss-3的渗透率分别以13%、14%和20%的速率递减9．数据7和8结果表明，所有轴向位移均小于1 两组渗透率实验均未破坏裂隙岩体，表明在相同应力条件下，当轴向位移不足以引起裂隙岩体滑移时，裂隙面粗糙度对渗透率影响较大。

3．2.裂缝表面的地形变化

由于轴向力大，在样品的断裂面上期望显着的表面变形。为了详细分析，裂缝样品的摄影测量表面扫描和JRC的平均值在两种渗透性实验之前和之后产生，如图所示10- - - - - -13．摄影测量扫描产生的表面轮廓，这是根据一个最佳拟合平面在坐标。为了可视化和比较，一个0毫米的粗糙高度被分配到图形表面的最低点10和12。请注意，使用了相同的色标。动态应力和静态应力下测试前后JRC平均值的变化分别如图所示13．

数据10和11在轴向动态应力下测试之前和之后，显示表面扫描和样品SD-1，SD-2和SD-3的平均值的平均值的变化。比较测试前后的断裂表面，SD-1，SD-2和SD-3的最大表面浮雕，分别为3.635毫米至3.406mm，8.897毫米至6.625 mm，5.448毫米至4.835mm粗糙度高度（图10)．数字11表明Sd-1和Sd-2的JRC均值分别从6.26降至3.45和9.26降至4.01，分别降低了2.81和5.25，而Sd-3的JRC均值则从19.35降至6.42，降低了12.93。因此，Sd-3的断裂韧性越大，断裂韧性降低的幅度越大。这意味着，在测试过程中，具有高起伏度和大JRC变异性均值的断裂面会经历更多的退化。

在轴向静应力作用下，Ss-1、Ss-2和Ss-3的初始最大表面起伏度分别为4.413 mm、9.688 mm和5.443 mm, Ss-1、Ss-2和Ss-3的JRC初始平均值分别为7.03、9.14和20，如图所示12和13.测试后，JRC的平均值分别为4.75、5.67和13.15。这意味着在静态应力下，断裂面上的JRC降解分别为2.28、3.47和6.85。

3．3.凿料分析

由于实验设置的原因，在实验的流出端并没有收集到刮泥料，而是收集了测试后留在断口面上的刮泥料。然后将凿料从表面刷掉并称重。试验后收集到的凿料重量如图所示14和15．动态应力作用下Sd-1、Sd-2、Sd-3试样断口处的泥质重量分别为1.20 g、1.23 g、1.44 g，静应力作用下Ss-1、Ss-2、Ss-3试样断口处的泥质重量分别为2.07 g、2.11 g、2.24 g。

对比动应力作用下JRC的平均降值和生成的刨削材料的重量，如图所示14．Sd-1的JRC初始均值小于Sd-2, Sd-1和Sd-2的JRC初始均值小于Sd-3(表2)1)动态加载时，Sd-1和Sd-2产生的JRC平均值下降和裂缝泥重量低于Sd-3。

图中在静应力下也会出现同样的现象15．SS-1和SS-2 JRC的初始平均值小于轴向静态应力下的SS-3的平均值（表1)．JRC的平均值和SS-1和SS-3产生的裂缝罩的重量低于SS-2期间的静载荷。这意味着裂缝表面JRC的较大平均值导致更大的表面损坏，如粗糙的制造所示。这种观察到的凿凿材料产生可能会通过随后堵塞流动路径引起滞后行为，从而降低裂缝渗透性并引起不规则渗透率值[4］.这有助于解释SD-2的渗透率比动态应力下的SD-1和SD-2的渗透率慢（图6).Ss-1和Ss-2的渗透率变化相似，而Ss-3的渗透率在静应力下缓慢下降（图8)．通常，在相同的应力条件下，凿凿材料在较大的粗糙度断裂表面上的积聚导致渗透性较慢。

3．4．动应力与静应力的比较

对比动、静应力条件下测试前后渗透率变化情况，渗透率降、JRC均值降、凿料重量如图所示16．在JRC的类似粗糙度型型下，在轴向动态应力下，SD-1，SD-2和SD-3的断裂表面的渗透性落物大于35％，大于轴向静态应力下小于20％的渗透率．SD-1，SD-2和SD-3的JRC的平均值下降大于SS-1，SS-2和SS-3的断裂表面。这表明动态应力下断裂表面的渗透率落在静态应力下的骨折表面，并且动态应力下的粗糙度降解大于静态应力下的粗糙度降解。然而，在轴向动态应力下测试后碎屑表面对裂缝表面的重量小于轴向静态应力下的裂缝表面，其与具有较大粗糙降解的粗糙材料不同。总的来说，在类似的粗糙表面下，通过较大的粗糙度降解，通过动态应力易引起骨折表面的渗透率降低。但是，在动态应力条件下，较少的粗糙材料仍然存在于断裂表面。

这些观测到的响应可以用一个建议的概念模型来总结，该模型考虑了泥质运移和流动动员的渗透率演化模式，如图所示17．数字17（a）表明在静应力作用下，断层泥材料更容易粘附在断口表面。当力增大时，压实的凿石材料会封闭缝隙，从而减缓岩石裂缝的渗透率降低速率(图)17（c）)．然而，如图所示，肠梯材料在动态应力下骨折粗糙度（或孔喉部）之间逐渐迁移17（b）．在动态应力的幅度增加期间，刷新痕迹材料在骨折（或孔喉部）之间填充，在动态应力下产生渗透性降低增强，而不是我们实验中观察到的静态应力（图17日(d))．一般情况下，在较强的多次动态冲击作用下，粗糙的裂隙表面发生破碎时，动应力作用下往往会发生泥质物质的输送和流动动员，导致轴向动应力的渗透率下降大于轴向静应力的渗透率下降。

4.结论

研究了在轴向动应力和静应力作用下，天然岩石裂缝在试验前后的渗透率变化，模拟了裂隙岩石工程中动应力作用下原裂缝渗透率变化的机理。在不同的循环轴力幅值和不同的轴向静力作用下进行了六组实验;通过测试前后对试样表面进行扫描，研究表面粗糙度的影响;在此基础上，分析了断层泥的物质运移和岩石裂隙的流动动员。本文的主要研究成果总结如下:（1）SD-1和SD-2的轴向位移低于动力应力的SD-3的轴向位移，但SD-1和SD-2的渗透率大于SD-3的渗透性。实际上，SD-1和SD-2的裂缝表面的JRC的初始最大值和平均值小于SD-3的裂缝表面。这表明当轴向位移不足以使骨折岩石滑动时，裂缝表面的粗糙度对渗透性有很大影响（2）动态加载时，Sd-1和Sd-2的JRC初始均值下降小于Sd-3, Sd-1和Sd-2产生的断裂泥重量小于Sd-3。这意味着更大的粗糙度断裂表面导致更大的表面损伤，这表明更多的刨槽生产。断层泥材料在较大粗糙度的裂缝表面的积累导致渗透率缓慢下降（3）考虑泥质运移和流动动员的渗透性演化模式表明，在动应力作用下，泥质运移和流动动员倾向于发生。在较强的多次动态冲击作用下，粗糙裂缝表面发生破碎时，轴向动应力的渗透率降大于轴向静应力的渗透率降。这说明在轴向动应力下试验后，断口表面的粗糙面退化程度要大于轴向静应力下的粗糙面退化程度。而在轴向动应力下试验后，断口上的泥质材料重量小于轴向静应力下试验后的泥质材料重量

数据可用性

资料包括在手稿中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究得到中国国家自然科学基金（41772313）、湖南科技计划项目（第2019RS300 1）、湖南省市大学生科研创新基金项目（CX2019135和2019ZZTS079）的支持。

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