文丨小奇有点怪

编辑丨小奇有点怪

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【资料图】

前言

通过脆性地壳的流体流动主要受裂缝网络为流体传输提供通道的能力控制。裂隙岩体中的主要渗透方向一直与裂隙相交的发展相关，在中区域尺度上也进行了一项观察。尽管裂缝交叉点在促进流体流动方面很重要，但它们对裂缝岩石渗透率的增强程度尚未量化。

流体主要通过由相互连接的裂缝组成的网络在浅层地壳内输送。许多实际应用都需要准确预测通过裂缝网络的流体流量和方向。尽管已经广泛研究了单个裂缝的水力特性及其在深度增加下的行为，但裂缝之间交叉点的传输特性尚未量化。

低孔隙率岩石内的流体传输主要取决于裂缝提供可用作流体通道的通道的能力。断层-裂缝网形成大量流体流动的潜在通道，这些网络的水力特性控制着流体通过脆性地壳传输的速率和方向。

在裂缝控制系统中，最高的流体通量出现在裂缝的孔径、密度和连通性最大的地方，是最早提出断裂面和断层面之间的交叉点通过在复合结构网络中添加管状管道来增强岩体渗透性的人之一。

在中区域尺度上，断层交汇点已被认为是矿床形成的高效、长期和集中的流体管道，地热储层位置和碳氢化合物泄漏，尽管裂缝交叉点在促进流体流过脆性地壳并控制其方向方面具有明确和隐含的相关性，但交叉点的传输特性迄今为止很少受到关注。

随着有效压力的增加，裂缝闭合和流体流量减少的问题对于通过地下流体流动的精确模型至关重要。已经进行了广泛的研究来表征个体骨折的物理特性及其对应力的反应，这导致了对裂缝的耦合流体力学行为的定性理解。

预测模型仍然难以捉摸，寻找应力、正常位移和通过单个裂缝的流体流动之间的直接关系一直没有成功，因为应力似乎不是岩石裂缝的水力和机械特性之间的联系。相反裂缝几何形状和顺应性似乎是接触面积和空隙空间之间相互关系的关键，这反过来又分别控制裂缝刚度和流体流动。

除了外部施加的应力外，裂缝内的内部流体压力也会对流体流动产生影响。有效应力的概念有助于在单个量中捕获所有施加的围压和孔隙压力的组合，这些组合对感兴趣的材料特性产生相同的影响，而不管个体pc和pp的大小。

我们的目标是表征和量化裂缝交叉点的水力和力学特性。这是通过在低孔隙率结晶岩石中使用巴西测试技术产生的两个正交拉伸裂缝之间生成合成交叉点来实现的。然后测量交叉点渗透率作为压差pc−pp的函数,并与在同一样品上测量的单裂缝和完整岩石渗透率进行比较。

当样品经受循环加载路径时，还测量了渗透率，这使我们能够确定单个宏观裂缝和裂缝交叉点的ESL。然后我们通过假设交叉点的总渗透率对应于两个独立的正交裂缝加上具有由其几何形状确定的弹性可压缩性的管状空腔的贡献，提出了交叉点渗透率作为压差函数的模型。

在获得单个直的径向裂缝的情况下，将样品引入静压渗透仪中进行裂缝“调味”。使岩石裂缝经受多次加压-减压循环以最小化非弹性滞后效应的做法，这些样品经历了三个加载-卸载循环，其中围压以10MPa的步长增加，从10到90MPa，然后在每个循环中降低回10MPa。

在所有老化循环期间，孔隙压力保持恒定在5MPa，并在此过程中的每个步骤进行渗透率测量。然后将样品从渗透计中取出并重新引入巴西测试装置，旋转90°并以相同的方式重新加载以产生与第一个正交的第二个断裂。

从两个径向裂缝中产生一个轴向交叉点，然后将具有两个相交裂缝的样品重新引入渗透计，小心确保裂缝完全匹配，没有剪切偏移。然后对它们进行前面描述的老化过程，并用于随后的交叉路口渗透率测量。

渗透率测量

渗透仪由一个钢制压力容器组成，其中橡胶夹套岩石样品可以承受高达200MPa的静水压，由通过压缩空气系统泵入容器的硅油驱动，样品放置在两个钢制端盖之间，连接到独立的单作用伺服控制流体增压器，能够将孔隙流体压力提高到70MPa。

实验中检测到的应力历史依赖性表明，第一个加载周期高估了裂缝渗透率，而卸载和随后的加载路径代表可逆的、弹性的、裂缝闭合。我们使用这些加载路径的结果来比较单裂缝和交叉裂缝的渗透率，以确保弹性变形过程是流体流动减少的主要机制。

当在包含单个裂缝的样本中引入第二条交叉裂缝时，我们观察到渗透率显著增加。这种差异在更高的压差下更大。在两个加压循环以最小化不可逆影响之后，在卸载期间测量的渗透率对压差的依赖性也发生变化并且变得不那么明显。

岩石裂缝的水力和力学行为之间的联系是复杂和间接的，因为流体流动是由空隙空间的大小和空间分布控制的，而裂缝的机械变形是由粗糙度的强度和数量。

交叉点在维持深度流体流动中的作用

交叉裂缝不仅比单个宏观裂缝的渗透率明显更高，而且在增加围压的条件下也能够保持这种较高的渗透率，我们提出的结果是相交空腔的顺应性低于宏观裂纹。这一发现对于通过地下裂缝系统的流体流动的理解、量化和可预测性具有重要意义。

通过考虑岩石密度，将单个裂缝和相交裂缝的渗透率绘制为深度的函数. 可以看出宏观裂缝和交叉口渗透率均在地壳深度一公里内呈快速下降趋势，之后在更深处逐渐趋近于残余渗透率值。

有趣的是，根据我们这里考虑的单裂缝渗透率模型，添加更多但不连通的宏观裂缝会显著增加裂缝系统在低围压下的渗透率，但这种增加在较高围压下会迅速下降. 发生这种情况是因为低纵横比的宏观裂缝随着围压的增加而容易闭合，并且渗透率随着裂缝孔径的立方而降低。

他还测量了SB裂缝样品的渗透率,观察到在低围压下,三个不连通宏观裂缝样品的渗透率明显高于单个宏观裂缝样品,但相对差异变得小得多压力超过约40MPa。

Seljadalur玄武岩的渗透率，具有两个交叉裂缝、三个不连通的宏观裂缝、一个宏观裂缝和一个完整的样品，所有这些都是在不同的样品中测量的。

交叉口渗透率对放大和裂缝网络流体流动建模的影响

单个裂缝的水力特性是通过裂缝系统的真实流体流动模型的基本构建块，因为它们是通过地下裂缝网络进行流体流动模拟的关键输入。将单个裂缝的属性升级为储层级裂缝系统的一种方法是通过，其中裂缝网络的几何属性被统计评估来自钻孔数据集，以便可以预测特定深度的裂缝网络配置。

ESL定义了围压和孔隙压力的组合，无论pc和pp的大小如何，它们对感兴趣的材料特性产生相同的影响。有效应力表达式的形式取决于所考虑的属性。

因为我们处理的是各向同性应力，所以对于产生相同体积流体通道的应力状态，可以认为流速相等。这个假设允许我们认为裂缝渗透率ESL等于弹性孔隙体积变化的渗透率，之前已经推导出分析表达式。

由于存在相交空腔，流体流过宏观裂缝的ESC应该不同于相交裂缝，相交空腔显示出比窄裂缝更高的纵横比。表明α断裂范围为0.-84至1，平均值为0.91，而α交点范围为0.77至0.86，平均值为0.81。

确定裂缝岩石渗透率ESL的表达式，或者更确切地说，确定它是否与Terzaghi的ESL pe=pc−pp不同，与许多实际应用相关，即孔隙压力周期性变化的任何情况通过将流体注入储层而改变。

结论

在循环加压和减压测量期间检测到的裂缝渗透率的应力路径依赖性以前已被广泛观察到。在这里，我们表明对于具有两个相交裂缝的样本，可以预期相同的应力路径依赖行为。在第一个加压循环期间，单条裂缝和裂缝交叉点的渗透率始终较高并且对压力更敏感。

在减压过程中，渗透率不会恢复到其初始大小，需要几个加载-卸载循环才能使裂缝渗透率曲线变得完全弹性和可重现。这种应力路径依赖性与非弹性变形机制有关，由于这种机制，一部分孔隙和裂缝在卸载过程中不会完全重新打开，从而导致第一次和后续加载循环之间的渗透率降低。

循环静水压力前后断裂表面形貌的测量和模拟在法向应力下接触的粗糙表面已经揭示了断裂表面的永久变形表现为表面粗糙的顶点高度的减少。这种永久性损伤不会影响高度分布，因此不会影响颗粒尺度以上的自亲和力和断裂粗糙度指数，但它会改变孔径分布，导致永久孔径减小。

通过在SB的两个样品中的两个连续形成的拉伸裂缝之间产生交叉点，然后测量它们的渗透率作为压差的函数，并将其与独立的裂缝渗透率进行比较来实现的。交叉渗透率作为压差函数的模型，假设交叉系统的总渗透率对应于两个不相连的裂缝加上具有由其几何形状确定的弹性压缩性的空腔的贡献。

参考文献

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