外力扰动液压岩石断裂研究

本项目针对高压CO2地质埋存中盖层安全评价，特别是地震载荷下盖层稳定评价的关键难题，开展外部载荷扰动触发含高压流体岩体的断裂与失稳裂隙扩展机制的研究。将以岩石断裂静、动力学实验研究为重点，并辅以工程地质力学和岩石断裂力学的理论与数值分析，研究地震等外力或边界扰动对含高压流体的盖层岩体的平衡可能造成的缓慢与突然破坏。将提出新的外力扰动下液压岩石断裂的试验方法，采用新设计的三轴非比例部分加、卸载液压致裂实验装置，并通过特定岩石和相似材料的动态断裂测试和分析，获取液压裂隙岩石，在模拟构造应力变化或地震荷载作用等典型外力扰动下，产生静态和动态断裂的实验数据，初步揭示外力扰动触发液压裂隙岩体静态与动态断裂的机制和规律，从而尝试建立外部载荷变化作用下液压岩体的断裂判据理论，探索地震载荷作用下液压岩体断裂失稳的动力学机制，为解决CO2地质埋存盖层安全稳定评价和地震滑坡机制分析中的难题，提供一种新的思路。

研究高应力岩体高压流体致裂的扰动荷载影响问题，对页岩气开发、CO2地质埋存以及地震触发滑坡等地质灾害过程，都具有重要的意义。页岩气开采的多级、多孔压裂，必然会造成互相的扰动，从而对原位页岩储层压裂改造产生重要的影响；如何控制CO2地质埋存的注入和封存压力，既长期保证盖层岩体的良好封闭性，又能最大限度的提高场地的封存量，必须考虑扰动载荷触发盖层岩石流体致裂问题。这就是本项目开展扰动荷载作用下岩体的基本力学特征和断裂力学特征研究的，重要科学意义和现实意义所在之处。.本项目研究了外扰液压岩石断裂试验方法与液压岩石断裂韧度测试方法，并进行相应的液压断裂试验装置研制。开展了三轴静、动加卸载液压岩石断裂实验，观察分析外力扰动下含裂隙液压岩石的断裂突破过程与动态响应过程及其临界条件。分析了静、动增量加载与部分卸载扰动导致液压岩石断裂的断口形态、裂纹扩展路径、裂纹扩展速率与能量释放率，揭示液压裂隙岩体在构造应力变化或地震荷载作用下的静态与动态断裂力学特性。模拟了室内体积压裂过程和原位储层环境下的储层压裂特征，探讨扰动载荷作用下液压岩体断裂失稳的动力学机制和断裂力学判据。.通过本项目的研究，可以得出以下主要结论：(1)获得了系列岩石断裂实验结果，建立了岩石可压裂性与岩石断裂韧度和裂纹容限的关系。（2）获得了真三轴加载页岩储层压裂扰动荷载作用实验结果：侧向压力差越大试件压裂缝越复杂，侧向压力相近但是与轴向压力差大更易形成单一主裂缝面；扰动荷载作用下真三轴状态下试件更易破裂，降压扰动荷载试件更易起裂。(3)针对大规模注入临界CO2到地质封存体中，提出了孔眼压裂力学模型，并建立了压裂过程中起裂压力表达式。CO2地质封存体会受到复杂地质构造运动以及人为工程的扰动作用，产生的扰动应力场对封存体中裂缝的起裂与扩展有重要影响。（4）通过有限元ABAQUS软件，数值模拟了地应力条件和孔眼角度（裂隙方向与水平最小主应力的夹角）对水压致裂的影响，发现最小水平主应力和水平应力差对盖层破裂的控制作用；当孔眼沿着水平最小主应力时，封存体最不稳定；水平应力差越大，越不利于盖层的稳定。