疲劳水力压裂中裂缝网络演化、渗透性与诱发地震活动的机制研究

本研究通过建立时间与应力相关的损伤模型，结合离散元法（DEM）揭示了循环水力压裂（CHF）在降低诱发地震风险的同时提升储层渗透性的关键机制。研究证实CHF通过疲劳裂纹扩展降低破裂压力（Pb），并以剪切破裂为主逐步释放能量，为优化能源开采提供了重要理论依据。

　　

Highlight

离散元法

采用二维离散元法（DEM）模拟岩石在连续和循环水力注入下的响应。通过Voronoi镶嵌生成非均质分布的单元块（图1a），其边界迭代生成受平均边长l和迭代参数n控制。设定l与模型长度比为2×10^?2（无量纲），n=200以平衡计算效率与精度。

Results

我们在实验室尺度（3.1 & 3.2）和区块尺度（3.3 & 3.4）完成建模。实验室实验详细研究两种不同应力的影响，并将模型结果与大量实验数据匹配。区块尺度模拟探索1.17和1.40的应力比对力学与水力响应的作用。

Key mechanisms controlling outcomes of CHF

疲劳损伤在CHF中作为控制地震活动的关键机制长期未被明确。我们通过新开发的损伤模型，成功验证了水力耦合条件下亚临界裂纹扩展的关键作用，既证实了模型有效性，又揭示了CHF区别于传统HF的核心机制。

Conclusion

新开发的时间与应力相关水力损伤模型成功模拟了CHF中的疲劳损伤过程，揭示了裂缝扩展、流体流动和诱发地震的演化机制。实验室尺度以循环拉伸破坏为主，而区块尺度因原位应力下的剪切再激活变得更为复杂。