页岩是CO2地质封存和高放核废料储存等工程的主要盖层，也是页岩气的天然储层。页岩中发育的诸多裂隙是流体的主要渗流通道，页岩储层的产能表现以及地下流体储存库的安全性能都依赖于裂隙对流体的渗透能力。页岩裂隙在应力作用下会随时间发生变形，然而其渗透特性在变形过程中的演化规律尚不清楚。
针对上述科学问题，我校水资源与环境学院博士生朱宁，在导师于青春教授的指导下，开展了一系列水渗流实验和气体突破实验，通过连续测量裂隙样品的渗透率以及突破压力随时间的变化，研究了页岩裂隙渗透性在长期应力作用下的时间演化过程，取得了以下创新性认识：
（1）阐明了裂隙渗透性在应力作用下的时间演化过程，并将其划分为三个阶段：显著下降阶段、稳定下降阶段和相对恒定阶段。在此过程中，裂隙页岩的水渗透率下降了两个数量级左右，突破压力增长了约一个数量级。虽然裂隙在长期应力压实作用下表现出一定的自密封趋势，显著降低了对流体的渗透能力，但其难以完全闭合，残存的裂隙空间仍可以主导流体流动。（图1）
（2）揭示了裂隙渗透性在长期应力作用下的变化机理。页岩裂隙在应力作用下会被逐渐压实，内部流动通道变窄甚至部分闭合，有效流动面积减小。将主要流动通道上能够控制流体流动的位置定义为瓶颈点，这些位置的隙宽较小，并且在应力作用下会随时间下降至微纳米级别，使得裂隙渗透性在实验结束时降至较低水平。（图2图3）
（3）通过比较裂隙的水渗透率和气体突破压力的时间演化规律发现，长期应力作用对裂隙内水渗流的抑制效果要高于对气体突破的抑制。地下封存的气体在渗透性较低的裂隙页岩中可能依旧容易发生逃逸。为保证地下工程的长期安全实施，应同时考虑渗透率和突破压力随时间的演化过程。
该研究提高了对地下裂隙岩体渗透性演化的认识，对于保障地下工程的长期有效运行具有重要意义。
图1 裂隙页岩样品的水渗透率和气体突破压力随时间的演化图
图2 裂隙隙宽初始分布特征以及不同时刻裂隙内流动路径分布图
图3 裂隙内主要流动通道上的流体压力演化图以及隙宽分布，图中灰色箭头和黑色圆圈为瓶颈点位置
上述研究受国家自然科学基金（42377061，41877196和U1612441）的资助，发表于工程地质领域国际权威期刊《Engineering Geology》上：Ning Zhu, Qingchun Yu*. Temporal evolution of fracture transport properties of fractured shales during long-term stress compaction. Engineering Geology, 2024. 339: 107663. [IF 2023=6.9]。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107663
