通常情況下，岩石裂隙的滲透率比完整岩石的滲透率高2至3個數量級。在非常規油氣儲層開發和二氧化碳地質封存過程中，裂隙滲透率影響地質能源的開發效率，並決定蓋層的泄露風險。根據以往實驗研究，裂隙滲透率大小受到有效法向應力、剪切變形及岩石類型的影響。另外，相較於平整的鋸切裂隙，通過巴西劈裂方式得到的張拉裂隙更能代表自然界中的岩石裂隙。然而，不同有效法向應力下張拉裂隙滲透率隨剪切位移的演化機理尚不明確，需要進一步實驗研究。
中國科學院武漢岩土力學研究所二氧化碳地質封存組以砂岩和頁岩張拉裂隙為代表，利用自主研發的L型剪切滲流試驗裝置，開展了不同有效法向應力條件下的剪切實驗，並在不同剪切位移處測量了裂隙的氣體滲透率。實驗結果表明：在峰值剪應力前，砂岩裂隙的氣體滲透率隨剪切應力的增大而降低，而頁岩裂隙的氣體滲透率在彈性加載階段幾乎保持不變，隨後增大（圖1）；當剪切應力幾乎保持不變時，砂岩和頁岩裂隙的氣體滲透率隨剪切位移的演化均表現出對有效正應力的依賴性（圖1）；砂岩和頁岩裂隙氣體滲透率隨剪切位移的不同演化趨勢或由裂隙面上不同的局部變形破壞模式所致。研究對實驗後的樣品進行CT掃描發現：所有測試樣品的最終裂隙體積與最終氣體滲透率呈正相關（圖2）；砂岩和頁岩裂隙面的局部粗糙度表現出相反的演化趨勢，且砂岩裂隙面的磨損面積大於頁岩裂隙面（圖3）。
相關研究成果以Comparison of shear-induced gas transmissivity of tensile fractures in sandstone and shale under varying effective normal stresses為題，發表在Journal of Natural Gas Science and Engineering上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中國博士後科學基金的資助。
圖1.剪應力、法向變形和裂隙滲透率隨剪切位移的演化關係
圖2.實驗後砂岩和頁岩裂隙的CT掃描圖
圖3.磨損面積比和有效法向應力的關係
來源：中國科學院武漢岩土力學研究所
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