武汉岩土所在不同应力状态下岩石注水诱导水力

向地下注入流体是二氧化碳地质利用与封存、非常规油藏压裂、地下储能、地热开发等众多能源项目中不可或缺的重要操作。流体与岩石之间的相互作用涉及复杂的水力耦合过程。在提高目标储层渗透率的同时，也存在激活附近隐蔽断层、诱发感震的潜在风险。地应力的相对大小和方向是影响岩石水力耦合行为的重要因素。充分了解在不同地应力状态下流体注入岩石引起的水力耦合响应对于工业活动的高效和安全运行至关重要。相关领域的研究人员在室内开展了大量的岩石注水实验，主要研究岩石在静水压力和三轴压应力作用下的强度减弱和断裂行为，但对于处于不同应力状态，特别是三轴拉应力状态的岩石。对低渗透率演化规律与剪切破坏潜力的对比研究关注较少，这与目前实验技术的局限性有关。

针对这一问题，中科院武汉岩土力学研究所二氧化碳地质封存研究组以普通安山岩为例，采用数值模拟方法进行研究不同应力状态下岩石注水与水压耦合特性[J].系统研究。研究通过与三轴压缩应力状态下安山岩室内注水试验对比，验证了数值模型的可靠性；在此基础上，系统地考虑了不同应力状态的影响，揭示了在三轴压缩和三轴拉伸应力状态下，注入岩石的流体的水力耦合特性不同；分析总结了不同倾角断面岩石在不同应力状态下的剪切破坏潜力。结果表明，静水应力状态和三轴应力状态下孔隙压力分布不均匀，局部孔隙压力随着压力接近上游而增大，这与耦合过程中应力引起的渗透率变化密切相关。过程。微分应力的变化会影响岩石的水力耦合特性。尽管岩石在两种三轴应力状态下的水力耦合行为受微分应力的影响，但无论是三轴压缩还是三轴拉伸，都会影响水力耦合的变化。影响是有限的。此外，即使在相同的微分应力下，应力状态的不同也会影响岩石的水力耦合行为。在固定微分应力下，三轴压应力状态下的水力耦合参数一般大于拉伸状态下的水力耦合参数，但两者的差值也随着微分应力的增加而减小，说明增加微分应力会减弱应力状态的影响。在不同的应力状态下，断裂面的有利破坏倾角也不同。因此，在实际工业活动中，工程师应根据施工现场的构造应力场设计合适的注入方案，以降低诱发地震活动的风险。

相关研究成果以流体注入过程中不同应力状态下安山岩的流体力学行为发??表在Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering上。研究工作得到国家自然科学基金、岩土力学与岩土工程国家重点实验室开放基金、中德1+1创新基金的资助。

图1(a)注岩注水数值模拟加载路径； (b) 岩石注水数值模拟水力耦合过程

图2 三轴压缩和拉伸 应力状态下不同位置岩石渗透率增量随应力差的变化趋势： (a) 观测点OP-1； (b) 观察点 OP-2； (c) 观察点OP-3

图3（a）平均有效三轴压拉应力作用下岩石的应力折减随差应力的变化趋势而变化； (b) 三轴压拉应力下岩石库仑破坏应力随倾角变化趋势。