[论文解读] Permeability, compressibility, and friction coefficient measurements under confining pressure and strain, Leg 190, Nankai Trough

S. Bourlange, Laurence Jouniaux+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2006

Rock Mechanics and ModelingEngineering参考文献 17被引用 16

一句话总结

本研究通过三轴试验，在围压和应变条件下测量了南海海槽沉积物的渗透率、压缩性和摩擦系数。结果表明，渗透率在有效压力达到1.5 MPa之前随压力增加而降低，超过1.5 MPa后稳定在1–4×10⁻¹⁹ m²，仅在破坏过程中低有效压力下出现渗透率增加，滑动面上的摩擦系数约为0.4。

ABSTRACT

Permeability measured on three samples in a triaxial cell under effective confining pressure from 0.2 to 2.5 MPa ranges from 10E-18 to 10E-19m2. Overall, results indicate that permeability decreases with effective confining pressure up to 1.5 MPa; however, measurements at low effec-tive pressure are too dispersed to yield a precise general relationship between permeability and pressure. When the effective pressure is increased from 1.5 to 2.5 MPa, permeability is roughly constant (~1-4 x 10E-19 m2). Samples deformed in the triaxial cell developed slickenlined fractures, and permeability measurements were performed before and after failure. A permeability increase is observed when the sample fails under low effective confining pressure (0.2 MPa), but not under effective pressure corresponding to the overburden stress. Under isotropic stress conditions, permeability decrease related to fracture closure occurs at a relatively high effective pressure of ~1.5 MPa. Coefficients of friction on the fractures formed in the triaxial cell are ~0.4.

研究动机与目标

• 量化南海海槽沉积物在不同有效围压和应变条件下的渗透率响应。
• 评估三轴变形和破坏过程中压缩性和摩擦系数的变化。
• 评估不同应力条件下破裂发育对流体运移特性的影响。
• 确定有效压力与俯冲带沉积物中渗透率演化之间的关系。
• 在受控应力条件下测量实验形成的擦痕面上的摩擦系数。

提出的方法

• 对大洋钻探计划190航次的三个沉积物样品进行了三轴压缩试验。
• 施加0.2至2.5 MPa范围内的有效围压，以模拟原位应力条件。
• 在样品破坏前后进行渗透率测量，以评估流体流动特性在动态过程中的变化。
• 采用应变控制变形以诱导局部破裂，并记录擦痕面上的摩擦行为。
• 通过有效压力增加下的体积应变响应测量压缩性。
• 根据破坏事件期间获得的剪切应力和正应力数据计算摩擦系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 南海海槽沉积物的渗透率如何随有效围压的增加而变化？
• RQ2 在低与高有效围压条件下，样品破坏对渗透率有何影响？
• RQ3 在何种有效围压下，破裂闭合会显著降低渗透率？
• RQ4 这些沉积物中实验诱导的擦痕面的摩擦系数是多少？
• RQ5 沉积物的压缩性如何与有效围压和变形状态相关？

主要发现

• 在0.2–2.5 MPa的有效围压下，渗透率范围为10⁻¹⁸至10⁻¹⁹ m²。
• 渗透率随有效围压增加而降低，直至约1.5 MPa，此后稳定在1–4×10⁻¹⁹ m²。
• 仅在低有效围压（0.2 MPa）下破坏过程中观察到显著的渗透率增加，表明在低覆盖应力下具有应变软化行为。
• 在约1.5 MPa的相对较高有效围压下，各向同性应力作用下的破裂闭合显著降低了渗透率。
• 三轴变形过程中形成的擦痕面上的摩擦系数始终稳定在约0.4。
• 低有效围压下的渗透率测量值分散度较高，无法在这些条件下建立渗透率与压力之间的精确普遍关系。