接触性粗糙断裂中流体性质的反常反转效应：来自实验室流动实验的见解

《Frontiers in Earth Science》：Anomalous inversion effect of hydraulic properties in contacted asperity fractures: insights from laboratory flow experiments

多物理场建模中接触比与围压对岩体裂隙渗透率的影响及新预测模型研究。

　　在地下岩石裂缝的研究中，传统的多物理场建模方法往往忽略了裂缝接触面的粗糙度，从而影响了裂缝渗透性的估算，特别是在地质流体迁移过程中。本研究提出了一种新型的接触型裂缝制备方法，通过随机放置技术重建具有不同接触比例的裂缝中随机分布的接触粗糙度。我们进一步探讨了在围压作用下，接触型裂缝的水力演变特性，揭示了渗透性随压力变化的敏感性与接触比例密切相关，接触比例较低的裂缝在压力增加时表现出显著的渗透性下降，而接触比例较高的裂缝则对压力变化的敏感性较低。传统基于接触比例的水力孔隙预测模型在低接触比例条件下并不适用。此外，我们首次观察到接触型裂缝的渗透性随接触比例增加出现反向效应，表现为在低接触比例下，渗透性与接触比例之间存在异常的正相关关系。我们开发了一个经验性的渗透性预测模型，该模型同时考虑了接触比例和围压的影响，准确捕捉了接触型裂缝渗透性的演变过程。这些发现为地下复杂裂缝网络中流体传输的表征、建模和预测提供了新的前景。

地下裂缝的存在对流体的迁移具有重要影响，它们是地下流体通道的主要组成部分，控制着流体的分布、流动方向和迁移速度。由于裂缝的异质性，流体在裂缝中的流动呈现出非均匀的通道化现象，即流体主要沿着裂缝中的某些局部路径流动，而并非均匀地分布在裂缝的整个空间。这种现象在实验、模拟和现场测试中均被观察到。为了更准确地描述地下裂缝中的流体流动，需要引入裂缝的接触比例和应力状态作为关键参数。传统的裂缝建模方法，如基于平行板的流体流动方程和立方定律，虽然在低速达西流条件下具有一定的适用性，但它们忽略了裂缝表面的不规则性，导致对裂缝渗透性的预测出现偏差。

本研究通过实验和建模相结合的方法，揭示了接触比例对裂缝渗透性的影响机制。首先，通过压力敏感膜技术测量了天然花岗岩裂缝的接触比例，获得了不同围压条件下的接触比例数据。随后，我们利用随机放置技术制备了具有不同接触比例的裂缝样本，并通过定制的渗流测试系统对其渗透性进行了实验测试。实验结果表明，裂缝的渗透性在不同接触比例和围压条件下表现出显著的变化。具体而言，接触比例较低的裂缝在围压增加时表现出更高的渗透性下降率，而接触比例较高的裂缝对围压的敏感性较低。此外，随着接触比例的增加，裂缝的渗透性出现了反向效应，即在低接触比例时，裂缝的渗透性与接触比例之间呈现正相关，而在高接触比例时，渗透性与接触比例之间呈现负相关。

本研究进一步提出了一个经验性的渗透性预测模型，该模型不仅考虑了接触比例，还引入了围压作为影响因子。该模型能够更准确地描述裂缝渗透性的演变过程，适用于不同接触比例和围压条件下的裂缝。此外，模型还能够捕捉到接触比例和围压之间的非线性关系，特别是在低接触比例条件下，模型的预测结果与实验数据表现出较高的匹配度。通过实验数据的拟合，我们发现该模型的预测误差较小，表明其在实际应用中具有较高的可靠性。

本研究的发现对地下裂缝网络的多物理场建模具有重要意义。传统的裂缝建模方法往往仅考虑围压的影响，而忽略了接触比例在裂缝渗透性中的作用。因此，现有的模型在低接触比例条件下可能无法准确预测裂缝的渗透性。通过引入接触比例作为关键参数，我们能够更全面地描述裂缝的渗透性变化，并为未来的高精度建模提供理论基础。此外，该模型还能够为地下裂缝网络中流体传输的优化和管理提供参考，特别是在核废料处置、地热工程、二氧化碳地质封存和油气工程等关键领域。

在实际应用中，获取地下裂缝的真实接触比例仍然面临挑战，这限制了经验模型的广泛应用。然而，随着深度学习和代理模型的发展，基于流体流动、突破曲线（BTC）和温度等数据快速估算裂缝接触比例已成为可能。未来的研究可以进一步探索裂缝孔隙场的变异性对渗透性异常演变的影响，并利用高精度3D打印技术制备可重复的裂缝样本，以提高模型的适用性和准确性。此外，研究还可以关注裂缝接触比例与孔隙结构之间的相互作用，以更全面地理解裂缝的渗透性变化机制。通过这些研究，我们可以更好地表征和预测地下裂缝网络中的流体传输行为，为地质工程和能源开发提供更科学的理论支持和技术手段。