近日,，中國石油大學（北京）肖立志教授團隊與哈佛大學Weitz實驗室的研究人員在《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等合作單位對該項成果進行了報道,。
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展及延伸裂縫傳播）發(fā)表在《Nature-Physics》上,，中國石油大學（北京）油氣資源與工程全國重點實驗室為第一作者和共同通訊作者單位,。
Laboratory Hydrofractures as Analogs to Tectonic Tremors（實驗室水力壓裂模擬地質構造震顫）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,。
由中國石油大學（北京）和美國哈佛大學科學家組成的跨學科研究團隊,，探索了裂紋開始、傳播及結束的整個生命周期。肖立志說,，這項階段性結果,，體現(xiàn)了實驗物理學家、材料科學家與地球物理學家及地震學家之間的密切合作,，可以增進我們對石油和天然氣開采過程及地熱能開發(fā),、材料科學、地震等一些基礎問題的理解,。正在進行的后續(xù)研究工作可能產生更多新的認識,。
2016年起，由肖立志和Weitz為合作導師的博士后研究員Thomas Cochard被帶領到一個全新領域,，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：“我們開始這項研究是為了探索其應用,，但我們很快意識到,，裂紋的力學和動力學遠比我們最初想象的要復雜得多。我們從工程和應用的角度來看待這個問題,，最終進行了對斷裂的基礎研究,。”
揭示裂縫擴展
肖立志介紹，水平井和水力壓裂是兩項顛覆性技術,，促成了本世紀初開始的頁巖油氣革命,。水力壓裂，簡稱壓裂,，是通過將加壓流體注入到地下從而在巖石中產生裂縫的過程,，以便生成連通的裂縫網(wǎng)絡，從而顯著增強地層中流體的可流動性,。這個過程,，已經廣泛應用于石油和天然氣的開采以及地熱能開發(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David A. Weitz和肖立志領導的油氣科學實驗室，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,。研究團隊包括來自中國石油大學（北京）,、英國諾丁漢大學、美國哈佛大學,、塔夫茨大學,、華盛頓大學、美國地質調查局及以色列耶路撒冷希伯來大學的科學家,。
為了增加對水力壓裂的認識,，肖立志和Weitz曾多次深入頁巖氣田考察壓裂作業(yè)現(xiàn)場。Weitz說：“在二維情況下，斷裂已經被充分理解,，但在三維空間中,，實際斷裂呈現(xiàn)出一系列復雜行為，這些行為雖然得到廣泛研究,，但在基礎層面仍然不為人所知,。”
為了理解三維空間中的斷裂，該團隊設計了獨特的實驗裝置和實驗流程,，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，通過先進的聲發(fā)射傳感器,，能夠可視化并聽到裂縫在材料中傳播時的動態(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,，而是走走停停,，從起源向外通過一系列高速跳躍傳播。
Cochard說：“這是一個非常動態(tài)的過程,。新裂縫在斷裂停滯前沿線的某個地方形成,，局部扭曲，導致裂縫以聲速在斷裂線方向上擴展,，然后液體跟進,。裂縫停止，夜體滲透,，引起斷裂前沿應變,，新的裂縫再次開始遵循相同的動力學過程。”各種流體粘度下水力壓裂實驗的原始圖像,，每秒捕獲100000幀,。內環(huán)和外環(huán)分別對應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)出停止和前進的抖動運動,。振幅和時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間取決于液體的粘度,。對于低粘度液體（如水），跳躍之間的時間很短,，因為流體幾乎瞬間就滲透到裂縫中,。對于高粘度液體（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）之間的滯后時間會增加,，因為高粘度流體需要更長的時間才能滲透到裂縫中并將其擴展,。
該團隊同時還開發(fā)了數(shù)值模型。團隊成員,、諾丁漢大學Gabriele Albertini說：“我們的數(shù)值模型基于相同的斷裂理論數(shù)學方程和假設,，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)實驗數(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生的裂縫,，而不僅僅是流體驅動裂縫的特定情況。”
破解地震機制
使用相同的實驗設置和流程,，團隊把注意力轉向天然地震——畢竟,，地震是由構造板塊中的斷裂引起的。團隊具體研究了慢滑和構造震動,，也稱為慢地震,。團隊成員、哈佛地球與行星科學系博士生,、AGU Advances論文的第一作者袁聰聰說：“慢地震非常重要,，因為它們可能會引發(fā)大地震，盡管與常規(guī)地震相比,，它們移動得很慢,。以前的研究觀察到，流體可以在調節(jié)慢滑及構造震動事件方面發(fā)揮作用,，但是水力裂縫如何調節(jié)流體流動并與剪切裂縫相互作用尚未被理解,。”
哈佛大學與來自中國石油大學（北京）、華盛頓大學及美國地質調查局的研究團隊發(fā)現(xiàn),，水力裂縫,，也稱為拉伸裂縫，在產生構造震動方面起著重要作用,。研究中通過在材料中注入流體并使用慢動作視頻和聲發(fā)射來映射裂縫的傳播,，模擬了慢地震。實驗觀察到的起停裂縫動力學,，“在美國卡斯卡迪亞地區(qū),，也可以在巖石露頭的地質記錄中找到水力壓裂的證據(jù)，這些巖石露頭位于構造震動的深度處,。以前人研究為基礎,，我們提出構造震動可能不僅僅是兩個板塊之間的剪切滑動,，還可能是由水力裂縫引起的，這些水力裂縫促進了流體輸運和整體剪切滑動”,。
袁聰聰?shù)牟┦空撐膶?、哈佛地球與行星科學系Marine Denolle說：“我們看到了地表觀測到的構造震動如何成為深部水力裂縫的新證據(jù)。作為地球物理學家,，我們只是假設構造運動是剪切的,，但現(xiàn)在通過實驗表明，水力裂縫與地質記錄一致,。這是第一篇全面的實驗室研究流體如何影響構造震動的論文,。”
兩篇論文反映了多個研究領域——應用物理、實驗物理及材料科學和地震科學的合作與進步,。
中國石油大學（北京）-哈佛大學油氣科學聯(lián)合實驗室創(chuàng)建于2016年,，2019年成為非常規(guī)油氣教育部國際合作聯(lián)合實驗室的主體。其科學目標是利用多尺度高分辨光電聲及核磁共振等觀測手段,，探索多孔介質結構,、流動及動力學等基礎問題，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,。
