中石大和哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)揭秘裂紋成核,、傳播及終止機(jī)理
發(fā)布時(shí)間:2024-02-06 | 來源：科學(xué)技術(shù)處 | 瀏覽量：
近日,，中國(guó)石油大學(xué)（北京）肖立志教授團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)Weitz實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《Nature-Physics》和《AGU Advances》上發(fā)表論文,，探索裂紋如何成核,、傳播及終止，多家媒體以及哈佛大學(xué)等合作單位對(duì)該項(xiàng)成果進(jìn)行了報(bào)道,。
Propagation of extended fractures by local nucleation and rapid transverse expansion of crack-front distortion（基于裂紋前端變形的局部成核和快速橫向擴(kuò)展及延伸裂縫傳播）發(fā)表在《Nature-Physics》上,，中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一作者和共同通訊作者單位。
Laboratory Hydrofractures as Analogs to Tectonic Tremors（實(shí)驗(yàn)室水力壓裂模擬地質(zhì)構(gòu)造震顫）發(fā)表在《AGU Advances》上,，作者包括Congcong Yuan,、Thomas Cochard、Marine Denolle,、Joan Gomberg,、Aaron Wech、Lizhi Xiao和David Weitz,。
由中國(guó)石油大學(xué)（北京）和美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家組成的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì),，探索了裂紋開始、傳播及結(jié)束的整個(gè)生命周期,。肖立志說,，這項(xiàng)階段性結(jié)果,，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,、材料科學(xué)家與地球物理學(xué)家及地震學(xué)家之間的密切合作，可以增進(jìn)我們對(duì)石油和天然氣開采過程及地?zé)崮荛_發(fā),、材料科學(xué),、地震等一些基礎(chǔ)問題的理解。正在進(jìn)行的后續(xù)研究工作可能產(chǎn)生更多新的認(rèn)識(shí),。
2016年起,，由肖立志和Weitz為合作導(dǎo)師的博士后研究員Thomas Cochard被帶領(lǐng)到一個(gè)全新領(lǐng)域，開始系統(tǒng)思考水力壓裂過程中的物理問題,。Cochard是這兩篇論文的作者之一,，他說：“我們開始這項(xiàng)研究是為了探索其應(yīng)用，但我們很快意識(shí)到,，裂紋的力學(xué)和動(dòng)力學(xué)遠(yuǎn)比我們最初想象的要復(fù)雜得多,。我們從工程和應(yīng)用的角度來看待這個(gè)問題，最終進(jìn)行了對(duì)斷裂的基礎(chǔ)研究,。”
揭示裂縫擴(kuò)展
肖立志介紹,，水平井和水力壓裂是兩項(xiàng)顛覆性技術(shù)，促成了本世紀(jì)初開始的頁巖油氣革命,。水力壓裂,，簡(jiǎn)稱壓裂,，是通過將加壓流體注入到地下從而在巖石中產(chǎn)生裂縫的過程，以便生成連通的裂縫網(wǎng)絡(luò),，從而顯著增強(qiáng)地層中流體的可流動(dòng)性,。這個(gè)過程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油和天然氣的開采以及地?zé)崮荛_發(fā),，也能夠在自然界中觀察到,，例如在巖漿巖脈的形成中。
由哈佛大學(xué)David A. Weitz和肖立志領(lǐng)導(dǎo)的油氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,，最初想要更好地了解水力壓裂過程中天然巖石的斷裂情況和規(guī)律,。研究團(tuán)隊(duì)包括來自中國(guó)石油大學(xué)（北京）、英國(guó)諾丁漢大學(xué),、美國(guó)哈佛大學(xué),、塔夫茨大學(xué)、華盛頓大學(xué),、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局及以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的科學(xué)家,。
為了增加對(duì)水力壓裂的認(rèn)識(shí)，肖立志和Weitz曾多次深入頁巖氣田考察壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),。Weitz說：“在二維情況下,，斷裂已經(jīng)被充分理解，但在三維空間中,，實(shí)際斷裂呈現(xiàn)出一系列復(fù)雜行為,，這些行為雖然得到廣泛研究，但在基礎(chǔ)層面仍然不為人所知,。”
為了理解三維空間中的斷裂,，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)流程，在透明材料中造出裂縫,，然后注入不同粘度的液體,，使用每秒可以捕獲100000張圖像、空間分辨率為數(shù)微米的高速相機(jī),，通過先進(jìn)的聲發(fā)射傳感器,，能夠可視化并聽到裂縫在材料中傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)過程。研究發(fā)現(xiàn),，裂縫并不像連續(xù)波那樣在材料中移動(dòng),，而是走走停停，從起源向外通過一系列高速跳躍傳播,。
Cochard說：“這是一個(gè)非常動(dòng)態(tài)的過程,。新裂縫在斷裂停滯前沿線的某個(gè)地方形成，局部扭曲,，導(dǎo)致裂縫以聲速在斷裂線方向上擴(kuò)展,，然后液體跟進(jìn),。裂縫停止，夜體滲透,，引起斷裂前沿應(yīng)變,，新的裂縫再次開始遵循相同的動(dòng)力學(xué)過程。”各種流體粘度下水力壓裂實(shí)驗(yàn)的原始圖像,，每秒捕獲100000幀,。內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別對(duì)應(yīng)于液體及斷裂前沿的位置。通過視頻,，可以看到裂縫前沿呈現(xiàn)出停止和前進(jìn)的抖動(dòng)運(yùn)動(dòng),。振幅和時(shí)間隨流體粘度而變化。研究發(fā)現(xiàn),，這些跳躍之間的振幅和時(shí)間取決于液體的粘度,。對(duì)于低粘度液體（如水），跳躍之間的時(shí)間很短,，因?yàn)榱黧w幾乎瞬間就滲透到裂縫中,。對(duì)于高粘度液體（如甘油，其粘度類似于蜂蜜）,，所謂的斷裂前沿（裂縫所在的位置）和流體前沿（液體尖端所在的位置）之間的滯后時(shí)間會(huì)增加,，因?yàn)楦哒扯攘黧w需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能滲透到裂縫中并將其擴(kuò)展。
該團(tuán)隊(duì)同時(shí)還開發(fā)了數(shù)值模型,。團(tuán)隊(duì)成員,、諾丁漢大學(xué)Gabriele Albertini說：“我們的數(shù)值模型基于相同的斷裂理論數(shù)學(xué)方程和假設(shè)，但完全是三維的,。我們發(fā)現(xiàn),，模擬能夠以定量的方式重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不需要新的擬合參數(shù),。這表明我們的發(fā)現(xiàn)具有普遍性，適用于在各種情況下產(chǎn)生的裂縫,，而不僅僅是流體驅(qū)動(dòng)裂縫的特定情況,。”
破解地震機(jī)制
使用相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和流程，團(tuán)隊(duì)把注意力轉(zhuǎn)向天然地震——畢竟,，地震是由構(gòu)造板塊中的斷裂引起的,。團(tuán)隊(duì)具體研究了慢滑和構(gòu)造震動(dòng)，也稱為慢地震,。團(tuán)隊(duì)成員,、哈佛地球與行星科學(xué)系博士生、AGU Advances論文的第一作者袁聰聰說：“慢地震非常重要,，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)引發(fā)大地震,，盡管與常規(guī)地震相比,，它們移動(dòng)得很慢。以前的研究觀察到,，流體可以在調(diào)節(jié)慢滑及構(gòu)造震動(dòng)事件方面發(fā)揮作用,，但是水力裂縫如何調(diào)節(jié)流體流動(dòng)并與剪切裂縫相互作用尚未被理解。”
哈佛大學(xué)與來自中國(guó)石油大學(xué)（北京）,、華盛頓大學(xué)及美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，水力裂縫，也稱為拉伸裂縫,，在產(chǎn)生構(gòu)造震動(dòng)方面起著重要作用,。研究中通過在材料中注入流體并使用慢動(dòng)作視頻和聲發(fā)射來映射裂縫的傳播，模擬了慢地震,。實(shí)驗(yàn)觀察到的起停裂縫動(dòng)力學(xué),，“在美國(guó)卡斯卡迪亞地區(qū)，也可以在巖石露頭的地質(zhì)記錄中找到水力壓裂的證據(jù),，這些巖石露頭位于構(gòu)造震動(dòng)的深度處,。以前人研究為基礎(chǔ)，我們提出構(gòu)造震動(dòng)可能不僅僅是兩個(gè)板塊之間的剪切滑動(dòng),，還可能是由水力裂縫引起的,，這些水力裂縫促進(jìn)了流體輸運(yùn)和整體剪切滑動(dòng)”。
袁聰聰?shù)牟┦空撐膶?dǎo)師,、哈佛地球與行星科學(xué)系Marine Denolle說：“我們看到了地表觀測(cè)到的構(gòu)造震動(dòng)如何成為深部水力裂縫的新證據(jù),。作為地球物理學(xué)家，我們只是假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是剪切的,，但現(xiàn)在通過實(shí)驗(yàn)表明,，水力裂縫與地質(zhì)記錄一致。這是第一篇全面的實(shí)驗(yàn)室研究流體如何影響構(gòu)造震動(dòng)的論文,。”
兩篇論文反映了多個(gè)研究領(lǐng)域——應(yīng)用物理,、實(shí)驗(yàn)物理及材料科學(xué)和地震科學(xué)的合作與進(jìn)步。
中國(guó)石油大學(xué)（北京）-哈佛大學(xué)油氣科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于2016年,，2019年成為非常規(guī)油氣教育部國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的主體,。其科學(xué)目標(biāo)是利用多尺度高分辨光電聲及核磁共振等觀測(cè)手段，探索多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),、流動(dòng)及動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)問題,，為地下潔凈能源的勘探開發(fā)及高效利用提供新理論和新方法。
（編輯 胡桂宇）
