三轴应力下砂岩孔隙-裂缝演化与渗流行为的实时CT成像研究

本文通过集成实时CT扫描、三维数字重建与数值模拟技术，创新性地实现了三轴应力条件下砂岩孔隙-裂缝网络动态演化及渗流行为的全过程捕捉。研究揭示了剪切膨胀导致孤立孔隙连通、裂缝网络形成漏斗状扩展模式等机理，建立了基于分形维数的渗透率半对数预测模型，为地下工程流体控制与灾害防控提供了重要的科学与工程启示。

　　

Highlight

力学行为

图2展示了不同围压下砂岩试样的完整应力-应变响应。一个明显的趋势是：随着围压增加，峰值强度（σ_p）及其对应的峰值轴向应变均显著增加。这表明更高的围压增强了岩石在破坏前承受应力和储存应变能的能力。如表2所示，当围压从3 MPa增加到12 MPa时，峰值强度从42.1 MPa显著提高到85.6 MPa，而对应的轴向应变从0.76%增加到1.12%。所有试样均表现出典型的脆性岩石变形特征，其过程可分为四个阶段：孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段以及峰值后破坏阶段。随着围压增加，峰后曲线变得更加平缓，表明岩石从脆性破坏向延性破坏转变。

变形阶段

图4a展示了不同偏应力水平下的CT重建模型及相应的物理参数。试样的孔隙率在整个加载过程中呈非单调演化。从初始值5.86%（0 MPa时）略微上升至6.70%（6 MPa时），急剧增加至峰值10.80%（10 MPa时），最终下降至7.40%（15 MPa时）。孔隙结构的分形维数也表现出相似的趋势，与孔隙率呈正相关。在压密和弹性阶段（0-6 MPa），孔隙率和分形维数仅有轻微增加，表明微观结构变化有限。在裂纹稳定扩展阶段（6-10 MPa），这两个参数均显著增长，反映了新孔隙的形成和原有孔隙的扩张。在峰后阶段（10-15 MPa），孔隙率和分形维数下降，表明裂缝闭合和孔隙塌陷。

裂缝网络的发展特征

图7显示了在10 MPa和15 MPa下重建的裂缝网络，裂缝编号与图4b对应。从侧视图分析可以看出，两种应力状态之间发生了显著的裂缝闭合。从侧视图1看，裂缝1和4的体积明显减小。类似地，侧视图2和3显示，最初较大的裂缝2和3被压缩成狭窄、不连续的段落。与这种闭合现象相反，顶视图清楚地表明，虽然预先存在的裂缝在压缩下闭合，但在试样中心区域形成了新的、更小的裂缝，最终形成了一个从试样端部向中心延伸的漏斗状裂缝网络模式。

相关性分析

为了探究演化中的孔隙结构与渗透率之间的关系，对从四个重建模型中提取的40个代表性孔隙网络子体积进行了相关性分析。使用皮尔逊相关矩阵（图8）量化了变量之间关系的显著性和可靠性。表3报告了相应的p值、95%置信区间（CI）和样本方差，以提供全面的统计评估。分析结果表明，渗透率与平均配位数（Z）和平均喉道尺寸（D）均呈强正相关关系（相关系数r分别为0.784和0.769，p < 0.001）。相比之下，渗透率与孔隙率（φ）和分形维数（D）的相关性较弱（r分别为0.432和0.395）。这些发现强调了孔隙连通性（通过配位数表征）和喉道尺寸在控制流体流动效率方面比总体孔隙率或结构复杂性（通过分形维数表征）更为关键。

样本量的敏感性分析

为了评估相关性趋势的统计可靠性，对样本单元数量（N）进行了敏感性分析，N从30变化到60（表6）。结果证实了本研究的主要结论具有高度稳健性。具体而言，在所有测试的样本量下，渗透率与平均配位数（Z）之间的强正相关性保持稳定（r = 0.774–0.793, p < 0.001）。类似地，与平均喉道尺寸（D）的强正相关性也保持稳定（r = 0.761–0.779, p < 0.001）。而渗透率与孔隙率（φ）和分形维数（D）之间的较弱相关性在不同样本量下也保持一致。这表明本研究的主要发现对样本量的变化不敏感，增强了结论的可靠性。

结论

本研究利用一种集成了实时CT扫描和三轴加载装置的新型实验系统，动态捕捉了砂岩的微观结构变化。与传统的静态成像相比，这种方法能够将应力状态与内部孔隙演化直接关联起来，为理解多孔岩石的应力依赖性渗透率和破坏机制提供了关键见解。这项综合研究整合了实验、计算和理论方法，系统地探讨了三轴压缩下孔隙-裂缝网络的演化及其对渗流行为的影响。研究结果揭示了微观结构演化与宏观渗流特性之间的内在联系，为预测实际应力条件下地下岩体的渗流行为提供了新的视角和方法。