Callovo-Oxfordian黏土岩气体致裂行为的数值模拟研究：多团队耦合模型对比与现场试验验证

本研究针对放射性废物地质处置中气体迁移引发的黏土岩开裂问题，法国国家放射性废物管理局（Andra）等三家机构通过DECOVALEX-2023项目合作，采用CODE_BRIGHT、OpenGeoSys等数值模型模拟COx黏土岩气体压裂行为。研究揭示了不同力学本构模型对水力参数耦合的影响，成功复现了现场注入试验的破裂阈值压力（12.78-14.28 MPa），为深地质处置库安全评估提供了关键理论支撑。

　　

在深地质处置库的安全评估中，金属腐蚀和辐射分解产生的氢气可能引发黏土岩层开裂，这一过程关乎放射性废物长期封存的可靠性。法国工业地质处置中心（Cigéo）选定的Callovo-Oxfordian（COx）黏土岩具有极低渗透率（5×10^?20-5×10^?21 m²）和高气体进入压力（>5 MPa），但钻孔损伤带（BDZ）的存在显著改变了其水力力学特性。以往研究对COx在双相流条件下的场尺度气体致裂模拟存在明显空白，而现场观测显示破裂阈值压力（9.1-14 MPa）与最小主应力存在复杂关系。

为攻克这一难题，法国国家放射性废物管理局（Andra）联合国际团队在DECOVALEX-2023项目框架下，对Meuse/Haute-Marne地下实验室（MHM URL）的PGZ实验开展多尺度数值模拟。研究采用三种差异化技术路线：国际数值工程中心（CIMNE-UPC）开发了基于Mohr-Coulomb软化准则的粘塑性模型，通过断裂孔径动态调整渗透率；里尔大学Lamcube团队运用相场法建立损伤演化模型，引入Weibull分布表征微观非均质性；德国联邦地学与自然资源研究所（BGR/UFZ）则结合Drucker-Prager帽盖准则与应变相关渗透率（SDP）模型。

关键技术包括：1）建立考虑气液两相流动的孔隙介质水力耦合方程，采用Van Genuchten模型描述毛细压力-饱和度关系；2）通过平面应变基准测试（B1-B6）验证不同力学本构对破裂阈值的影响；3）基于PGZ1002/PGZ1003钻孔现场数据（注入速率500 mLn/min）进行三维场尺度模拟；4）采用多阶段模拟策略（钻孔开挖→封隔器安装→气体注入）还原真实实验流程。

4.1 平面应变基准测试结果
各向同性条件下（B2），CIMNE-UPC模型显示断裂呈45°发展；而各向异性应力场（B4）使断裂垂直最小主应力扩展。相场模型揭示损伤主要沿水平方向扩展，与BDZ椭圆形态（1.5r_b×2r_b）观测一致。渗透率变化对气体压力影响显著：当BDZ渗透率提高3个数量级时，峰值压力从15 MPa降至12 MPa。

4.2 现场注入试验模拟
PGZ1003模拟中，BGR/UFZ通过调整应变敏感参数b₃=1000，精确复现了12.5 MPa的拐点压力。Lamcube团队发现剪切损伤参数g_c^s越小，压力消散越快。三维模拟显示气体主要沿钻孔轴向迁移，仅约1%进入原始岩体，这与现场观测的封隔器压力传导现象（图2-3）相符。

5.2 结果讨论
研究突破性发现：1）力学本构选择显著影响破裂阈值预测，差异可达20%；2）钻孔损伤带的渗透率增强（K_matrix^dry增至133×10^?18 m²）和气体进入压力降低（p_VG=4.5 MPa）是控制气体运移的关键；3）注入速率敏感性源于BDZ内非饱和流动的动力学过程。该成果发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，为处置库设计提供了重要理论依据——通过优化钻孔方位与注入参数，可平衡气体释放与岩体完整性，确保万年尺度的安全屏障功能。未来研究需结合微震监测，进一步揭示速率依赖破裂的微观机制。