將流體注入到地下是許多能源工程中不可或缺的一項重要操作，例如二氧化碳地質(zhì)利用與封存、非常規(guī)儲層壓裂開采、地下儲能、地?zé)衢_采等。流體與巖石的相互作用涉及復(fù)雜的水力耦合過程，在提高目標(biāo)儲層滲透率的同時，也存在著激活附近隱伏斷層進而誘發(fā)有感地震的潛在風(fēng)險。地應(yīng)力的相對大小和方向是影響巖石水力耦合行為的重要因素，充分理解不同地應(yīng)力狀態(tài)下流體注入巖石引起的水力耦合響應(yīng)對于工業(yè)活動的高效、安全運行十分關(guān)鍵。相關(guān)領(lǐng)域科研人員在室內(nèi)開展了大量的巖石注水實驗，主要集中于靜水壓力和三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下巖石的強度弱化及破裂行為，但對于巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)，特別是三軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下滲透率演化規(guī)律及剪切失效潛力的對比研究關(guān)注較少，這與目前實驗技術(shù)的局限性有關(guān)。

　　針對這一問題，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所二氧化碳地質(zhì)封存研究團隊以地球上常見的安山巖為例，采用數(shù)值模擬的方法對不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石的注水水力耦合特性開展了系統(tǒng)的研究。首先，通過與三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下安山巖室內(nèi)注水試驗的對比，驗證了數(shù)值模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地考慮了不同應(yīng)力狀態(tài)的影響，揭示了在三軸壓縮和三軸拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，流體注入巖石的水力耦合特性差異。最后分析總結(jié)了含不同傾角裂隙面的巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的剪切失效潛力。結(jié)果表明，孔隙壓力在靜水應(yīng)力狀態(tài)和三軸應(yīng)力狀態(tài)下分布不均勻，局部孔隙壓力隨著靠近上游壓力增大，這與耦合過程中應(yīng)力誘發(fā)的滲透率變化密切相關(guān)。差應(yīng)力的變化會影響巖石的水力耦合特性，盡管巖石在兩種三軸應(yīng)力狀態(tài)下的水力耦合行為受到差應(yīng)力的影響，但無論是三軸壓縮還是三軸拉伸，其對水力耦合變化的影響是有限的。此外，即使在相同的差應(yīng)力下，應(yīng)力狀態(tài)的差異也會影響巖石的水力耦合行為，在固定的差應(yīng)力下，三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下的水力耦合參數(shù)一般大于拉伸狀態(tài)，但兩者之間的差異也隨著差應(yīng)力的增大而減小，說明差應(yīng)力的增大會減弱應(yīng)力狀態(tài)的影響。不同應(yīng)力狀態(tài)下，裂隙面的有利破壞傾角也不相同。因此，在實際的工業(yè)活動中，工程師們應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工現(xiàn)場的構(gòu)造應(yīng)力場來設(shè)計合適的注入方案以減少誘發(fā)地震活動的風(fēng)險。

　　相關(guān)研究成果以“Hydromechanical behaviors of andesite under different stress states during fluid injection”為題，發(fā)表在領(lǐng)軍期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering上。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金（41872210和41902297）、巖土力學(xué)與巖土工程國家重點實驗室開放基金（Z018004）和中德1+1創(chuàng)新基金的共同資助。 

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775521000585 

圖1 （a）巖石注水?dāng)?shù)值模擬的加載路徑；（b）巖石注水?dāng)?shù)值模擬的水力耦合過程。

圖2 三軸壓縮和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下不同位置處巖石滲透率增量隨差應(yīng)力變化的趨勢：（a）觀察點OP-1; （b）觀察點OP-2; （c）觀察點OP-3。

圖3 （a）三軸壓縮和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下巖石平均有效應(yīng)力減小量隨差應(yīng)力變化的趨勢；（b）三軸壓縮和拉伸應(yīng)力狀態(tài)下巖石庫侖破壞應(yīng)力隨傾角變化的趨勢。

（文/圖 二氧化碳地質(zhì)封存組）