断层岩气体渗透率及Klinkenberg效应.pdf

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1、第36卷第4期地震地质Vo1．36．NO．42014年12月SEISMOLOGYANDGEOLOGYDec．．2014doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2014．04．003断层岩气体渗透率及Klinkenberg效应段庆宝杨晓松陈建业(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室100029)摘要在围压2～40MPa变化范围内，以恒流法多次变化上游压力测量了以断层岩为主的样品的气体(N，)渗透率，将实验结果进行了Klinkenberg效应校正。对实验数据的拟合分析表明，滑脱因子b值与绝对渗透率k，

2、存在b：AI-d形式的幂律关系，断层岩符合b=0．0046k，的变化关系。与沉积岩相比，断层岩的气体滑脱效应更强，采用气体测量渗透率时，其滑脱效应不能忽略。断层岩气体渗透率和绝对渗透率与测量所用的孔隙压力问的关系为k／k=1+(0．0092k。)／(P+P)。结果表明样品渗透率越低，滑脱效应越强，提高孔隙压力，滑脱效应逐渐减小；对于高渗(10m～10‘。m)的样品，高孔隙压力下(4MPa以上)的气体渗透率与绝对渗透率基本一致，对于超低渗(10m一10。m)的样品，即使提高孔隙压力亦很难避免滑脱效应。在40MPa有效压力下断层

3、泥样品的绝对渗透率为4．54x10m2．43×10m，角砾岩的绝对渗透率较断层泥高出1—2个数量级，为2．25×10m7．94x10。m，表明汶川I地震断层带具有核部低、破碎带高的渗透结构，断层带核部具备热压作用发生所要求的低渗条件。关键词断层岩Klinkenberg效应气体渗透率绝对渗透率汶川地震中图分类号：P313文献标识码：A文章编号：0253—4967(2014)04—0964—120引言近年来一系列研究表明，流体在地震的孕育、发生及震后断层愈合等过程中均扮演着重要角色(Morroweta1．，1981；Sibson

4、，1992；Rice，1992；Byerlee，1993；Caineeta1．，1996；Evanseta1．，1997：Bernab6eta1．，1982；Faulknereta1．，2003；陈建业等，2012)。而断层带岩石的渗透率是理解流体与地震活动关系的主要物性参数(Millereta1．，2002)，是定量化研究地壳深部流体输运特性的基础。因此，精确测量断层岩渗透率在地震研究方面具有重要意义；并且在构造断层相关的地质资源、地质环境、地质工程等方面具有实际应用意义(陈颐等，2009)。野外钻孔注水和实验室内测量是获

5、取渗透率的两种主要方式。在实验室测量岩石渗透率通常是以气体(主要是氮气)或水为测量流体。相对于水而言，采用气体测量渗透率具有化学性质稳定、对环境因素敏感程度低、测量时间短等一系列优点(Freemaneta1．，1983)，因此，实验室测量渗透率通常采用气体。而采用液体进行渗透率测量则容易受环境条件所影响，尤其是渗透率很低的样品，采用液体测量会延长测量周期，继而使得环境因素的影响更加显著。另[收稿日期]2013-03—19收稿，2014—09—11改回。(基金项目]地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2010A03)、

6、国家科技支撑计戈4“汶川地震断裂带科学钻探”(WFSD09)课题和中国地震局地震行业科研专项(200808012)共同资助。通讯作者：杨晓松，研究员，E—mail：xsyang@ies．ac．cn。4期段庆宝等：断层岩气体渗透率及Klinkenberg效应965外大量有关砂岩的实验结果表明，岩石的气体渗透率普遍高于液体渗透率(Heideta1．，1950；Jones，1972，1987；Faulknereta1．，2000；Tanikawaeta1．，2009)。这主要是由于气体存在压缩性，其在多孔介质中的流动出现偏离Dar

7、cy渗流的现象所导致的。Darcy定律主要考虑了分子之间的碰撞，而忽略了分子和孔隙壁之问的碰撞。然而，当气体的平均分子自由程和岩石孔隙尺寸相当时，气体分子与孑L隙管壁之间的碰撞频率显著地增加，孔隙管壁上的气体分子速度不再是0，这相当于给连续流附加了一项作用力。这种气体分子与孔隙管壁间的碰撞滑动称为滑脱效应，Klinkenberg在1941年首先实验研究了这种现象，因此亦被称为Klinkenberg效应，其气体渗透率公式为z(+_4e1)(-+b)(+2b)式(1)中：为气体渗透率；k为绝对渗透率(或本征渗透率)，其定义为多孔

8、介质在单相饱和条件下的渗透率，其值与测量采用的孔隙流体性质无关而仅与岩石骨架相关；c为常数因子(一般取0．9)；z为气体的平均分子自由程；r为平均孑L隙半径；P为孔隙压力，近似为上下游压力的平均值；b为滑脱因子(Pa)。从式(1)中可以看出，当孔隙半径r接近或小于气体的平均分子自由程Z时，