断层及相关裂缝形成演化过程的断—损耦合机理研究

The evolution of the fault and related fracture will influence something，such as oil & gas or mineral resource exploration and development,large-scale geotechnical engineering construction, earthquake prediction, disaster prevention and other aspects. The mechanism of the evolution of the fault and related fracture need more in-depth. Therefore, based on fracture mechanics and damage mechanics, the project will focus on fault-damage coupling mechanism of the evolution of the fault and related fracture, and will mainly resolve the following three problems. Firstly, combining of description and analysis of geological process, the project will establish constitutive equation and evolution equations about the fault and related fracture. Secondly, the method of physical simulation and numerical simulation will be designed to simulate the state and the evolution process of the fault and related fracture. Thirdly, mutual control mechanism about the fault and related fracture will be study, and the fault-damage coupling mechanism will put forward. Finally an example about the distribution evaluation of one oil & gas field will be researched to verify the research results.

断层及相关裂缝的形成与演化关系到油气、矿产等资源勘探开发、大型岩土工程建设、地震预测、地灾预防等各个方面，而对断层及相关裂缝形成与演化这一过程的机理研究还有待于进一步深入。因此本项目就基于断裂力学、损伤力学相结合的基本思想，着眼于断层及相关裂缝形成演化过程中断—损耦合机理开展研究，着重解决三个方面的问题：一是结合地质过程描述和分析，从力学和数学上建立一组表征断层及相关裂缝形成状态及演化过程的本构方程与演化方程组；二是设计一套针对断层及附近相关裂缝形成演化过程研究的数值模拟和物理模拟方法，实现对该过程的动态模拟及任意状态下的断裂与损伤分布输出；三是将断层对附近相关裂缝演化的控制机理和断层相关裂缝对断层演化的控制机理耦合起来进行研究，提出该过程中的断—损耦合机理；最后结合一个油气藏内断层及相关裂缝的分布评价实例进行研究成果的应用和验证。

项目结合川西新场气田须二气田，通过断层相关裂缝的分布预测验证研究成果；将“断层影响下地应力方向的变化”等运用在彭州地区雷口坡组断层及裂缝发育特征项目和川西坳陷东坡侏罗系构造、断裂及成藏富集特征研究等项目。通过野外露头、钻井岩心和实验测试研究断裂体系的特征；通过标准柱样、大尺度物理模拟、沙箱模拟实验研究多尺度断-损耦合机理；基于断裂系统精细建模和有限元数值模拟研究断裂系统的力学特征；在认识断裂系统特征的基础上，结合物理、数值模拟和断裂体系理论推导其断-损耦合机理。表明：含裂缝地层内断层演化行为受地层内裂缝角度影响，角度较小时(α<45°)，翼裂纹萌生且在整个受压过程中裂纹均匀扩展，岩石主要以拉张模式破坏；角度较大时(α>45°)，翼裂纹难以萌生，当地应力达到特定数值后逐渐形成次生倾斜裂纹和共面裂纹，接近峰值强度时，裂纹快速扩展汇聚最终导致岩石以剪切和劈裂混合模式破坏；逼近角、地应力差控制了断裂体系后期断裂遭遇前期断裂选择“穿过”或“转向”的延伸规律。断层相关裂缝的发育程度和断层级别、远离断层的距离相关；正断层上盘位置的断层相关裂缝发育强度大于下盘；断层相关裂缝首先在断层中下部发育，然后沿横向扩展，同时随断层线在纵向继续扩展发育，最后逐步扩大控制范围致极限后不再扩大，地层应变能能量充足时或形成新的断层构造。断层及相关裂缝的断-损耦合机理：岩石中的微破裂随着构造载荷的增加产生运移集中和迁移现象，并与原有裂隙结合形成破裂线；在停止拓展的微破裂端部与主应力成较大角度的方向上再次萌生发育裂隙，使得微裂隙相互连接；岩石达到微破裂临界分布密度时发展成宏观可见的整体破裂。项目提出了一种通过实验测试、物理模拟和数值模拟综合研究断层及相关裂缝形成演化过程的方法；建立的断损耦合模型可应用于裂缝等油气藏的天然裂缝精细评价及页岩气水力压裂缝网延伸和分布预测工作；研究成果同样岩土工程施工设计和安全防护具有科学意义。