部分胶结花岗岩裂隙注水诱发剪切滑移的实验与数值研究

《Processes》：Experimental and Numerical Investigation of Injection-Induced Shear Slip in Granite Fractures

　　

界面性质与加载条件影响流体注入过程中的裂隙再活化，但其作用必须结合界面制备方式与加载历史加以解读。本研究通过含部分胶结界面花岗岩试样的室内试验以及一个独立的摩擦界面数值模型，考察注水诱发剪切滑移。试验比较了不同表面粗糙度、围压与差应力条件下的响应。数值模拟评估了指定压力历史、岩石–水温度差与外加应力的影响。试验位移经历突然增量、较慢累积与再次滑动的演化过程。较粗糙界面与较高围压对应较高的表观摩擦系数（apparent friction coefficient），而两种差应力情形下该系数相近。模拟中，45 °C 温差较 0 °C 情形产生更大滑移与更高峰值速度。较高的最大压力增大滑移，而较低增压速率与较长保压时段在 300 s 时产生更大的累积位移。该时刻位移随剪应力增大而增大，并随正应力呈非线性减小。研究结果刻画了界面依赖的试验响应与加载依赖的数值趋势，后者代表在 300 s 时滑动仍在继续的瞬态位移。

研究背景：增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems, EGS）中的水力刺激旨在改善热储中低渗透岩石的流体循环。流体注入可通过降低有效正应力产生新裂隙并再活化既有不连续面。剪切位移可能通过剪胀与自支撑作用提高裂隙渗透性，但水力响应取决于裂隙特征与加载条件；近期试验亦表明注水诱发滑移可降低渗透性。因此理解裂隙再活化需将力学响应与其水力后果加以区分。已有花岗岩试验记录了准静态与动态滑移区间、无震–地震–无震序列以及由不稳定黏滑向稳定滑动的转变，表明界面性质影响滑移演化，而滑移机制的识别依赖于可获得的测量。压力历史亦引入变异性：有研究发现最高增压速率产生最大滑移速度与显著渗透性提升，而另有研究在花岗闪长岩剪切裂隙中观察到渗透性降低。热条件同样影响裂隙再活化，稳态高温影响压力分布与断层愈合，而注入较周围岩石更冷的水则涉及瞬态热传递与热变形，冷却诱发的断层再活化已通过热–水–力耦合模拟加以考察。本研究从两个相关方面考察注水诱发滑移：室内试验表征含人工制备部分胶结界面的花岗岩试样位移响应，并比较不同粗糙度、围压与差应力下的响应；独立的简化数值模型评估指定压力历史、温差与外加应力对摩擦界面的影响。该模型提供参数化分析而非对胶结试样的直接再现，两部分从不同视角处理注水诱发界面位移这一共同问题。研究人员开展的研究与结论：试验方面，研究人员采用 GCTS-RTR 1500 三轴岩石试验系统，对取自中国山东的山东白花岗岩制备直径 50 mm、长 100 mm 的圆柱试样，沿与纵轴成 45° 的平面切割，用磨料粗糙化两切面并以白光干涉术测量形貌，以面积粗糙度参数（areal roughness parameter）量化地形差异；从试样上端钻直径 3.0 mm 钻孔至倾斜界面作为注入通道，在界面涂覆环氧粘结剂并留出直径 10–20 mm 的中心圆形未胶结区与钻孔连通，室温固化 24 h，形成部分胶结界面。试验中试样以乳胶膜与热缩管包裹，施加轴向应力 σ1 与围压 σ3，以恒定流量注入蒸馏水，注入期间维持轴向应力与围压使差应力近似恒定，界面推断位移限制在 3.5 mm 以内以降低护套损坏风险。以入口压力近似裂隙压力 pf，按式（1）与式（2）估算名义有效正应力与外加剪应力，按式（3）由轴向与横向相对位移分量经几何投影计算表观剪切位移。四种试验条件中 S1 为基线，S2 面积粗糙度较低，S3 在相同差应力下围压较高，S4 差应力较低；每个条件使用一个独立试样且无重复试验，因此比较描述的是单个试样响应而非重复估计的参数效应。数值方面，研究人员建立两个岩块间摩擦界面的简化模型，上、下块体分别为 30 m × 10 m 与 50 m × 10 m，接触长度 30 m，上块施加恒定法向荷载并于后缘施加剪切荷载，下块按固定位移与滚轴支承约束；界面流体压力均匀指定，加载历史包括压力上升、恒压保持与压力降低阶段，并变化最大压力、增压速率与保持时段；水与裂隙面间对流换热以边界热流 q = h(Tw ? Ts) 表示，计入岩石内热传导与各向同性热膨胀，但不显式求解沿裂隙的平流热输运与流体流动引起的压力再分布；界面附近网格尺寸设为 1.2 m，界面采用摩擦接触并以罚函数法控制接触穿透，采用时间相关求解器与自动自适应时间步进。模拟使用 COMSOL Multiphysics 6.4 版，将指定压力加载、传热与力学变形相组合，压力作为裂隙面上的法向荷载，传热产生岩石内温度变化并将热应变纳入弹性本构关系，不显式表征热冲击诱发的微裂纹及界面性质变化，裂隙变形不反馈至指定压力。网格无关性验证采用界面附近 1.0、1.5、2.0、2.5 与 3.0 m 五种网格尺寸并以峰值滑移速度作为评价指标，网格由 3.0 m 减小至 1.0 m 时峰值滑移速度依次由 50.6 降至 41.2、33.6、28.7 与 28.5 μm/s，由 1.5 m 细化至 1.0 m 峰值滑移速度仅变化 0.70%，而 2.0 m 网格结果较 1.0 m 高 17.89%，支持界面附近网格尺寸不大于 1.5 m，本研究采用 1.2 m 满足该准则。临界滑移压力验证采用无粘聚力摩擦界面的等温解析基准，法向压应力 27.5 MPa、外加剪应力 5.5 MPa、摩擦系数 0.6，由有效应力关系与库仑摩擦（Coulomb friction）得滑移起始条件 σ′n = σn ? p 与 τ0 = μσ′n = μ(σn ? pcr)，整理得解析基准表达式并经代数推导给出 pcr = 27.5 ? 5.5/0.6 = 18.333 MPa，对应有效正应力 9.167 MPa，解析阈值出现在界面仍处受压状态时；数值临界滑移压力为 17.56 MPa，较解析预测低约 0.77 MPa，相对差异 4.22%，支持压力相关摩擦接触实现的准确性。研究结果：（1）试验滑移响应特征：代表性试验中注入压力、估算有效正应力、外加剪应力、表观摩擦系数与表观剪切位移的演化显示位移记录包括四个阶段，初始压力升高而位移很小，随后为突然位移增量、较慢位移累积，之后位移速率再次增大，构成制备界面的阶梯式响应；压力与位移记录不能独立区分脱粘、受压面积变化与摩擦滑动，图右侧示意为对界面演化的一种可能解读而非直接观测。通过比较不同表面粗糙度、围压与差应力下的响应得出，较粗糙界面在滑动期间表观摩擦系数较高，较高围压下试验的试样亦然，而两种差应力情形下表观摩擦系数相近，各试验的压力历史以及位移时序与量值亦不同；这些观察描述所呈现的比较，归因于单个参数需考虑完整试样与加载条件。通过以两个滑移区间的平均速度 ν1 与 ν2 及中间限滑区间持续时间 thold 进一步表征阶梯式响应得出，各平均速度按位移增量除以相应区间时长计算，thold 期间位移继续缓慢累积，所示比较中 ν1 大于 ν2 但差异因试验而异，这些量描述区间尺度变形而不能分辨短时速度峰值。（2）岩石–水温度差效应：在相同指定压力历史与力学加载下比较 0 与 45 °C 岩石–水温度差得出，45 °C 情形产生更大累积滑移与更高峰值滑移速度，两种情形速度均向零衰减且位移在绘图区间结束前趋于平台；由于指定压力历史与力学加载不变，45 °C 情形更大滑移表明热加载的影响，冷却引起的收缩可在力学约束下改变界面应力与接触条件从而影响滑动，该解释与冷却相关热弹应力变化可增大断层滑移趋势的研究一致，热收缩与接触应力再分布因此可能是相互关联而非相互排斥的过程，但仅凭位移与速度历史无法分别量化其局部贡献。（3）指定压力历史效应：比较最大裂隙压力 22.5、24.75 与 27 MPa 得出，增大最大压力导致更大累积滑移与更高峰值滑移速度，随后速度向零衰减且位移在绘图区间内趋于平台，在界面保持接触时该趋势与压力引起的压缩接触应力及摩擦阻力降低一致。比较五种增压速率情形得出，较低速率在 300 s 时产生更大累积位移且绘图区间内峰值速度更高，若干情形在 300 s 时仍在滑动，故位移比较代表瞬态响应；改变指定增压速率同时改变达到最大压力所需时间以及压力加载相对于热演化的时序，所得差异代表指定边界条件下的压力历史效应而非孤立的注入流量效应，与室内试验中流体增压速率影响断层滑移行为的报道一致，但有花岗岩裂隙试验观察到最高速率下最大滑移速度，趋势差异强调在推广速率依赖行为前需比较加载条件。比较不同压力保持时段得出，位移历史初期重叠而于加载序列后段分叉，较长保持时段在 300 s 时产生更大累积位移且绘图区间内峰值速度更高，若干情形在记录结束时仍保持非零滑移速度；较长保持时段延迟压力降低并在传热持续时延长 elevated pressure（高压状态），响应因此反映力学加载历史及其相对于热演化时序的双重变化，仅凭这些比较无法量化各自贡献，保持时段结果应解释为对压力与热加载组合序列的响应。（4）外加剪应力与正应力效应：增大外加剪应力在 300 s 时产生更大累积位移与更高峰值滑移速度，该响应与驱动界面运动的切向荷载增大一致，部分情形在评价时刻仍在滑动。比较 22 至 33 MPa 正应力得出，300 s 时累积位移与峰值滑移速度随正应力增大而减小，在所考察范围内呈非线性位移–应力关系，30.25 与 33 MPa 情形位移相对较低正应力情形很小。讨论部分总结：试验与数值两部分通过流体压力与力学加载对界面位移的影响相联系，试验记录部分胶结花岗岩试样在恒流注入期间的响应，模拟则分离指定压力历史、热条件与外加应力对理想化摩擦接触的影响，其互补作用在于将界面依赖的试验行为与加载依赖的数值响应并置考察。较大面积粗糙度试样观察到较高表观摩擦系数与表面微凸体相关阻力增大一致，该解释针对本文测试的制备界面，同时应考虑微凸体几何与表面匹配的贡献；然而该系数以入口压力估算有效正应力计算，不应解释为直接测量的局部摩擦参数，压力非均质性可影响裂隙活化且入口压力可能不同于界面内部压力，在固定外加剪应力下当 σ′n 趋近零时 μapp 对该差异愈发敏感，压力传感器精度不能量化未解析压力分布带来的附加不确定性，所计算系数因此支持对测试试样的描述性比较而不应解释为独立确定的局部摩擦系数，粗糙度与围压比较需结合压力历史与试样制备一并考虑；同样，两种差应力情形下系数相近并不能确立差应力不影响滑移，因每个条件仅用一个试样测试，试样间变异性无法量化或与粗糙度、围压及差应力效应分离，观察到的差异应解释为对测试试样的描述性比较而非统计确立的参数效应。部分胶结在试验响应中引入额外过程，已有研究记录了花岗岩裂隙的剪切诱发剪胀与流体压力非均质性对裂隙活化的影响，这些发现为考虑相互作用过程提供背景但未确立其在本文部分胶结试样中的相对贡献；突然位移增量可能涉及脱粘、摩擦滑动或暴露于流体压力的面积变化，随后的限滑区间与再次滑动同样可能反映不止一种过程，由于这些贡献未被分别测量，四个阶段仅由其位移特征定义，尤其突然增量不能确立为摩擦主导事件，也不能排除脱粘的主导贡献，区间平均速度描述变形的时间模式但不能分辨短时峰值或确立地震学分类。数值结果表明压力加载序列与压力量值同样重要，较高最大压力产生更大滑移，而改变增压速率或保持时段改变压力加载相对于热演化的时序，较低速率情形在 300 s 时更大位移因此反映指定的加载历史，并非较慢注入产生更大滑移的一般性预测，该区分与室内研究报道的速率依赖响应差异一致；由于未计算裂隙流动，所施加压力速率也不能直接转换为注入流量。热与力学加载在建模约束内影响界面响应，45 °C 岩石–水温度差下更大滑移与冷却诱发热弹影响界面稳定性一致，在施加约束下热收缩可能通过接触应力与开度变化影响滑动，尽管这些局部变化未被报道的历史独立分辨；增大剪应力增大切向驱动荷载，而增大正应力减小计算滑移，在较低正应力下流体压力与热变形可能改变接触状态，因此在将全部位移响应归因于摩擦滑动前需检查接触是否保持。冷却还可能产生超出本文所表征热弹响应的热冲击效应，快速温度变化可产生温度梯度与应力从而起裂或扩展微裂纹，取决于岩石特征与热历史；近裂隙面处这些过程可能损伤微凸体并改变接触条件与摩擦阻力，进而影响滑移位移与速度，仅 45 °C 岩石–水温度差不足以确立此类损伤的程度，本文模型不显式模拟微裂纹或损伤依赖的界面性质，其结果因此描述所采用公式内的热响应，而实际岩石中额外的热冲击效应仍可能存在。300 s 的比较在共同观测期内表征界面响应，若干情形在该时刻仍保持非零滑移速度，故其报道位移不代表完成的滑移事件，因此与增压速率、保持时段及外加应力相关的排序适用于 300 s 时位移，在滑动停止后未必保持不变。对地热刺激而言，这些发现有助于解释裂隙再活化但不能直接量化水力改善，注水诱发滑移可依裂隙特征与加载条件提高或降低渗透性，仅凭滑移位移不能确立渗透性提升，因为水力响应还取决于裂隙开度与连通性变化；本研究未量化渗透性演化或采热，因此观察与模拟的位移响应不应解释为水力性能改善的直接证据，地震响应亦需单独评估，因现场观测表明无震滑移可触发地震活动；试验与数值结果因此应在其各自的界面与加载条件内应用，评估刺激效果需接触状态与水力信息。试验在人工制备部分胶结花岗岩界面上进行，数值模型代表指定加载条件下单一理想化摩擦接触，结论应分别在上述设定内解释而非作为地热刺激的现场尺度示范，应用于天然裂隙网络需考虑网络几何、水力连通与现场加载条件。研究结论翻译：本研究通过部分胶结花岗岩界面室内试验与独立摩擦界面数值分析，考察界面性质与加载条件对注水诱发剪切滑移的影响，主要发现如下：（1）室内试样表现出阶梯式位移响应，包括初始有限滑移、突然增量、较慢累积与再次滑动；较粗糙界面与较高围压对应较高表观摩擦系数，两种差应力情形下系数相近，尽管压力与位移历史不同。（2）在建模边界条件下，45 °C 岩石–水温度差较 0 °C 情形产生更大累积滑移与更高峰值速度，该比较表明热加载对计算界面响应的影响。（3）较高最大指定压力增大滑移位移与峰值速度；较低增压速率与较长保持时段在 300 s 时产生更大累积位移，这些趋势刻画指定压力历史及其相对于热演化的时序。（4）300 s 时累积位移随外加剪应力增大而增大并随正应力非线性减小，在所考察区间内 30.25 与 33 MPa 正应力情形位移保持很小；其他若干情形在 300 s 时仍在滑动，故报道值为瞬态而非最终位移。试验表征制备花岗岩界面沿界面的表观剪切位移，模拟评估理想化摩擦界面对所考察加载条件的敏感性；将这些发现推广至地热刺激需评估界面接触、渗透性演化与代表性现场加载历史。