孔隙流體對脆性巖石的破壞特征具有明顯影響。在諸多涉及到流體注入儲層巖石的地質工程項目中，例如二氧化碳地質利用與封存、儲層壓裂、地熱開采等，充分了解孔隙流體對巖石物理力學特征的影響非常必要。巖石與流體的相互作用受到礦物成分、應力環(huán)境、流體類型、構造條件等多種因素的影響。科研人員之前開展了大量干燥和飽和巖石的物理力學特征對比研究，但主要集中在強度弱化及本構模型的轉變，對于孔隙流體對微裂紋萌生及擴展規(guī)律的認識報道相對較少。

　　針對這一問題，中國科學院武漢巖土力學研究所二氧化碳地質封存組科研人員開展了致密砂巖分別在干燥、水飽和巖石條件下的三軸壓縮破壞實驗。對于水飽和巖石，通過高精度柱塞泵精確控制巖石上下兩端的排水條件，巖石上下兩端分別處于不排水及排水條件。實驗過程中，通過超聲波測速、聲發(fā)射監(jiān)測、應力—應變響應等多手段聯(lián)合監(jiān)測巖石的破裂成核過程。結果表明，干燥、水飽和兩種條件下巖石在力學行為、聲發(fā)射活動特征、超聲波速度及斷層成核過程均存在顯著差異。飽和巖石存在水弱化影響，其峰值強度及彈性模量均低于干燥巖石，但存在明顯的非彈性軸向變形和應變軟化現(xiàn)象。超聲波速度降低與裂紋誘發(fā)的膨脹有關，但在飽和巖石中，水的存在會抵消這一影響。不同的排水條件影響巖石的破壞特征，膨脹硬化及孔隙流體擴散的競爭機制是影響巖石斷層成核的主要因素。相對于干燥巖石，飽和巖石延長了破裂成核過程，降低了破裂速度。巖石動態(tài)破裂特征可通過應變軟化、加速的聲發(fā)射速率、減小的b值和孔隙壓力（不排水條件）或增大的注水速率（排水條件）等參數(shù)捕捉到前兆信息，這為相關地質工程的風險管理提供了技術支撐。 

　　本研究成果得到國家自然科學基金（41902297和41872210）、巖土力學與巖土工程國家重點實驗室開放基金（Z017006）和湖北省自然科學青年基金（2018CFB292）的共同資助。 

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795221002659

圖1 干燥巖石的破裂特征。（a）巖石三軸壓縮破壞過程的應力—應變曲線；（b）巖石破裂成核過程的應力響應；（c）巖石破裂成核過程的聲發(fā)射速率及聲發(fā)射數(shù)；（d）巖石破裂成核過程的b值變化；（e）不同階段聲發(fā)射定位結果；（f）破壞后樣本照片；（g）破壞后樣本的CT掃描結果。 

圖2 飽和巖石的破裂特征。（a）巖石破裂成核過程應力的軸向應力、孔隙壓力變化；（b）排水端的注水速率及泵內剩余體積；（c）巖石破裂成核過程的聲發(fā)射速率及聲發(fā)射數(shù)；（d）巖石破裂成核過程的b值變化；（e）不同階段聲發(fā)射定位結果。 

圖3 （a）干燥巖石成核階段的軸向應力及b值隨時間的變化；（b）飽和巖石成核階段的軸向應力及b值隨時間的變化；（c）飽和巖石不排水端孔隙壓力及排水端注水速率隨時間的變化。 

（文/圖 二氧化碳地質封存組）