考虑真三维应力影响的高压流体激活断层研究

Abstract: Humans caused a large number of high-pressure fluid to enter the ground while the underground resources were being developed, and the high-pressure fluid entered the fault and caused fault slippage to generate earthquakes. At present, scholars generally use conventional triaxial （σ1>σ2=σ3）experiments to study the activation process of underground faults, ignoring the effect of intermediate principal stress. Reservoirs (rock stratum and faults) are often in a true three-dimensional stress state （σ1>σ2>σ3）, and intermediate principal stress has significant effects on the strength, deformation, and permeability of the reservoir. In this project, the true triaxial fluid-solid coupling system is used to study the influence of 3D principal stress on the anisotropy of the reservoir seepage field. And a reservoir permeability model considering the effect of the true 3D stress field is established. At the same time, the study of the influence of intermediate and minimum principal stresses on the fluid-activated fault process under different injection conditions is conducted, and the rate- and state-dependent friction law considering the effect of the true 3D stress field is established. Based on the permeability models and rate- and state-dependent friction law, the finite-discrete element (FDEM) numerical method is used to simulate pore pressure diffusion and fault slip in the reservoir. The characteristics of pore pressure diffusion and fault velocity transition are obtained. And the mechanism of the effect of the 3D stress field on the sliding characteristics of faults is revealed, which will provide a theoretical basis for disaster prevention and mitigation in the process of natural resource development.

人类在地下资源开发的同时造成了大量高压流体进入地下，并侵入断层造成断层滑动产生地震，目前学者普遍利用常规三轴（σ1>σ2=σ3）试验研究地下断层的激活过程，忽略了中间主应力的影响。而储层（岩层和断层）往往处于真三维应力状态下（σ1>σ2>σ3），中间主应力对储层的强度、变形和渗透特征等都有显著的影响。本项目利用真三轴流固耦合系统开展三维主应力对储层渗流场各向异性影响研究，建立考虑真三维应力场影响的储层渗透率模型。同时，开展不同注入条件下中、小主应力对流体激活断层过程的影响研究，建立考虑真三维应力场影响的断层速度状态摩擦准则；结合实验获得的渗透率模型和速度状态摩擦准则，利用有限-离散元（FDEM）数值方法模拟储层内孔隙压力扩散和断层滑动过程，得到储层孔隙压力扩散规律和断层速度转换特征，从而揭示高压流体作用下真三维地应力对断层滑动特征的影响机理，为地下资源开发中的防灾减灾工作提供指导。

随着地下资源开采强度不断增大，水、二氧化碳和泡沫等流体注入地下的活动逐渐增多，部分流体进入断层后诱发断层滑动产生地震，对人类的生命和财产安全造成威胁。然而，流体在地下的流动过程是一个复杂的流固耦合过程，尤其是在真三维应力作用下流体的流动表现出显著的各向异性，真三维应力场中的中间主应力对断层的滑动过程也能产生显著的影响，而对真三维应力场和各向异性渗流场作用下断层滑动特征的研究还鲜有报道。.本项目运用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的研究方法，对储层岩石在真三维应力和不同流体压力条件下开展了一系列断层滑动实验研究，并取得了多项研究成果：基于真三维应力场下的储层岩石渗流实验，本项目量化了储层岩石层理对渗流的作用程度，揭示了储层岩石真三轴应力和自身结构对渗流作用的耦合机理，建立了考虑岩石真三维应力场和储层岩石结构的渗透率模型；开展了一系列不同真三维应力条件、应力加载速率和流体压力条件下的断层滑移实验，分析了不同条件下的断层启动压力以及滑动规律，总结了真三维应力条件下断层在不同应力、速度和流体压力下的滑动规律，以及滑动前后断层面的粗糙度变化；开展了一系列基于FDEM模拟方法的断层诱发实验和和室内实验室断层诱发实验，分析了断层在真三维应力环境下流体注入诱发断层滑动的动态演化过程。实验研究发现诱发破裂并不是某一个时间点突然发生的，而是在流体注入的过程中已经对断层产生了较大的影响，断层已经处于滑动的临界状态，该临界状态可能会被多种方式打破，如卸压、增大流体压力等。本项目的研究获得了高压流体作用下真三维地应力对断层滑动特征的影响规律，为地下资源开发中的防震减灾工作提供理论基础。

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