南科大张东晓课题组在地壳内多尺度裂缝扩展研究领域发表系列成果
2021年04月22日 科研新闻 浏览量 :1726

近期,南方科技大学副校长兼教务长、环境科学与工程学院讲席教授、美国国家工程院院士张东晓课题组针对自然界广泛存在的力学非连续结构面的演化这一古老但富有挑战的力学问题,通过自主构建新的计算力学模型,阐明多尺度裂缝扩展及相互作用力学机理,相关系列成果发表在地球科学领域顶级期刊Journal of Geophysical Research-Solid EarthGeophysical Research Letters上。

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图1 页岩生烃诱导的复杂三维非平面裂缝网络仿真结果 

长期以来,地壳内流体驱动的裂缝扩展力学机理备受地球科学、能源、矿业等领域学者关注。与之密切相关的自然现象包括冰川融水诱导冰架坍塌、岩浆入侵引起岩墙的扩展、雁列型断层及裂缝的演化、烃源岩自然生烃导致的裂纹扩展等。与能源、矿业产生密切联系缘于水力压裂技术的广泛采用,大规模水平井分段压裂技术促成了美国页岩气革命,改变了美国的能源格局。该技术在我国四川涪陵、威远、焦石坝等国家页岩气主力产区获得成功实践,有利于缓解我国能源供需矛盾并有效保障我国能源安全。此外,深层地热和天然气水合物的开采、二氧化碳地质封存潜力评估、深部金属矿床开发等均涉及裂缝扩展问题。因此,研究流体驱动的裂缝扩展对于理解地壳内多尺度力学结构面的演化规律、高效清洁开发非常规能源具有重要意义。

基于断裂力学、岩石力学、渗流力学等力学原理,推导并构建全新的复杂裂缝扩展计算力学模型,该模型对于简单币形裂缝在断裂韧性主导和粘性主导区域,获得了与经典解析解相一致的预测结果,主要的特色在于实现了对具有复杂形态裂缝(任意三维曲面裂缝)扩展过程的精确追踪,同时体现流体流动、岩体变形、裂缝起裂与扩展、裂缝应力干扰等多物理场的耦合控制作用。相关成果以“Hydromechanical Modeling of Nonplanar Three‐Dimensional Fracture Propagation Using an Iteratively Coupled Approach”为题,发表于Journal of Geophysical Research-Solid Earth

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图2三维非平面裂缝扩展计算力学模型示意图及模型验证结果

以烃源岩生烃诱发裂缝扩展为研究对象,通过数值模拟手段系统研究多条裂缝扩展过程。回答了生烃过程中为什么会产生三维非平面交叉裂缝网络,发现了三维曲面裂缝力学相互作用的不同表现形式,阐明了多条三维裂缝扩展过程中出现交替式、差异性、扩展速度渐变性等扩展行为背后的力学机理。该成果为深入理解烃源岩内部复杂力学结构面的形成过程、高速渗流通道的空间拓扑结构特征提供了新方法和新思路。相关成果以“Development of 3-D Curved Fracture Swarms in Shale Rock Driven by Rapid Fluid Pressure Buildup: Insights From Numerical Modeling”为题,发表于Geophysical Research Letters

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图3 烃源岩生烃过程不同初始裂缝形态下的三维缝网扩展数值模拟结果

环境学院研究副教授李三百为系列论文的第一作者,张东晓为系列论文的通讯和共同通讯作者,美国莱斯大学教授、美国国家工程院院士Abbas Firoozabadi为第一项成果的共同通讯作者。南科大为该论文的第一单位。该系列成果的开展和完成得到了国家自然科学基金项目的支持。

 

JGR: Solid Earth论文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JB020115

 

GRL论文链接:

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL092638

供稿:环境科学与工程学院

通讯员:晏梓添

编辑:劳湘雯

 


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