文摘

能源过渡的时候,重要的是能够预测流体超压的影响在不同的地质情况,因为这些会导致水力压裂的发展和扩张多孔区。为了开发一个理解的复杂性产生的有效应力场、断裂和失效模式,和潜在的流体排水,我们研究过程与动态流体力学的数值模型。模型模拟的进化液压力增加,压裂,固体和流体之间的动态交互。三个不同的场景探索:在沉积盆地流体压力增加,垂直区域,在水平层,可能部分抵消的错。我们的研究结果表明,几何区域的流体压力不断增加一阶控制孔隙度变化的发展模式,在压裂,绝对的流体压力,持续的没有失败。如果流体超压发育在整个模型,有效的零差和平均应力的方法和有效主应力垂直和水平方向翻转。由此产生的裂缝发展在高地压的流体超压和semihorizontally保持一致,因此,液压角砾岩形式。如果高流体压力增加的面积是关在一个垂直区,平均有效压力降低而微分压力仍然几乎不变,故障发生在外延和剪切模式流体超压要低得多。水平流体密封层抵消显示了有效应力的复杂系统演化与层压裂最初的位置偏移层内水压角砾岩发展紧随其后。所有模拟显示相变孔隙度在最初随机孔隙度减少了对称和静态孔隙度波形式与内部扩张区和动态孔隙通道的存在在这个区。 Our results show that patterns of fractures, hence fluid release, that form due to high fluid overpressures can only be successfully predicted if the geometry of the geological system is known, including the fluid overpressure source and the position of seals and faults that offset source layers and seals.

1。介绍

压裂和矿化的发展,静脉和角砾岩是地壳的重要过程与流体流动和矿藏和有重要应用程序相关的能源转换与地热系统无功流动和碳捕获和存储(CCS)在含水层和退役的石油和天然气领域和能源存储在沉积盆地1- - - - - -6]。一方面,液体流在开放性骨折和运输材料,可以沉淀并关闭骨折形成矿物静脉(图1)。另一方面,流体压力直接参与压裂过程本身通过水力压裂的机理。这个过程是高度动态流体超压之间的反馈(流体压力超过静水压力)和固体材料包括孔隙度和渗透率的变化由于压裂过程和随后的打开和关闭的骨折7,8]。提高当地在岩石孔隙流体压力导致了外定向力,对固体,可以减少固体应力有效应力根据Terzaghi定律(9]: 与总法向应力,孔隙流体压力,克罗内克符号的符号惯例积极的压应力。

这种影响往往是莫尔图可视化的有效剪切法向应力,流体压力的上升会导致减少的平均应力,从而最终失败如果流体压力足够高。这种方法是基于假设和简化的固体和流体压力的影响有许多缺点,可能导致误解所指出的很多作者([10- - - - - -14];Cobbold罗德里格斯,2007;(15])。三个主要的假设如下:(a)液体是不可压缩的,(b)的液体是静止的,和(c)充分考虑流体压力,忽略流体超压和流体压力梯度(s)。然而,在自然地质的情况下,这些假设可能不合适;因此,基于这些假设可能是错误和误导性的结论。例如,液体通常是约一个数量级的可压缩比周围的固体。这对于初始压缩不一定是重要压裂过程但变得很重要,一旦系统动态演化和固体和流体相互作用导致打开和关闭通道,例如,在流化的沉积物16- - - - - -19]。假设流体是固定为一个动态的自然系统是不现实的。多孔或断裂系统,液体通常会导致流体压力的演化和流体压力梯度取决于源,水槽,系统的渗透性是Cobbold和罗德里格斯所示20.]。这并不一定意味着液体快速行动,但压力变化或当地的流体压力增加从源将最终导致进化压力梯度。通常,这个缺点的静止流体的假设是克服利用毕奥定律,线性孔隙流体因子是补充道,代表从一个孔隙流体的损失为围岩(21,22)根据 孔隙流体的因素代表孔隙流体压力的比率( )垂直压力( ), 多孔弹性系数,泊松比。

使用本法在三维空间中假定所有主要压力是流体压力的影响以同样的方式,这是一个简化,只在受限制的情况下(10,11,13,14]。使用流体压力只有在动态变化的环境,如一个通过一些动态过程的沉积盆地,如矿物反应或石油成熟,流体压力增加先后和断裂系统可能会发展是不合适的。这里,只有横向差异在流体压力或流体压力梯度会导致力量作用于固体和最终导致压裂与流体压力有关。因此,只能使用一个超压或压力梯度在有效应力法被Cobbold指出,罗德里格斯(20.]。有效应力的发展就是一个例子在下方的沉积盆地流体超压带密封,在希利斯(12)表明,在这种情况下,有效应力低于最低的密封与垂直压力和流体的压力。这意味着有效应力在水平和垂直方向将接近零,差和平均应力将降低,系统将使液化。通过使流体化,我们的系统是只由一个压力差,剪切或偏应力。这个有效应力模式的原因是流体压力增加近常数对于一个给定的深度在盆地这样没有水平流体压力梯度会发展。梯度开发只在垂直方向,为了让失败发生时,流体超压必须超过垂直压力。Cobbold和罗德里格斯20.)表明,有效应力水平低于密封在一个overpressurized沉积盆地 在哪里是当地的超压和无量纲弹性比例因子(小于1.0)。流体超压影响垂直和水平应力不同,导致减少微分压力和水平失败,这样的“牛肉”静脉(图发展1)。这个场景被Cobbold插图,罗德里格斯(20.在实验。首先,系统使流体化,有效应力接近零,然后水平水力压裂开发一旦流体压力的方法上覆岩层压力(图2)。甘尼et al。15,23)使用一个数值模型来说明构造裂缝之间的区别和纯水力压裂和得到类似的结果,Cobbold和罗德里格斯(20.在他们的实验。

在这个贡献,我们使用一个数值模型的高级版本甘尼et al。15,23],可以模拟大量压缩之间的动态相互作用,非平稳的体液,超压、流体压力梯度,压裂有关,这些因素之间的动态反馈;因此,该模型,可以模拟一个地质情况的动态演化流体压力可能会增加本地或均匀。我们研究不同层几何和弹性的影响有效应力的演变,压裂和overpressurized脱水系统。

2。数值设置

2.1。一般模型

数值模式中使用这个贡献是建立在甘尼的工作等。15,23用类似的方法,用于poroelasticity和流体颗粒媒体(24- - - - - -26],在水力压裂或aerofracture [27- - - - - -31日),挖层的剪切断层(32,33),期间不稳定沉降(16- - - - - -19]。模型是实现到微观结构建模环境中“她”[34,35]。

二维数值计算,流体和固体处理在两个不同的网格,用固体最初是由一个三角形的弹性弹簧网络和液体被表示为一个正方形连续网格(图2(一个))。模型代表一个垂直的横截面的地壳域表面覆盖沉积物的1000米。上层模型边界是由重力(边界)而双方和底部free-slip平行墙但不允许移动垂直于墙(图2(一个))。流体压力水平周期,包装在左边和右边模型和有一个恒定值的上下边界。初始流体压力条件和流体静压被插入到模型随着时间的推移,在不同的几何配置(图2)。我们第一次流体的控制方程,其次是固体和连接模型假设和场景建模。

2.2。控制方程

流体阶段所描述的流体压力单节点在一个方形网格。液体的惯性不考虑假设雷诺数较低。达西定律是用来描述流体运动的固体。流体压力的扩散方程推导出包含液体和固体之间的质量和动量守恒。然后组织液流表示为一个porosity-dependent压力梯度。固体和流体的连续性方程的规模一粒直径读(15] 在哪里和分别是固体和流体密度;和分别为固体和流体速度,,的局部孔隙度是固体。达西公式可以用来计算当地的渗流速度流体的压强变化根据当地渗透率单位面积: 在哪里流体粘度和吗P流体的压力。渗透从本地计算孔隙度(根据Kozeny-Carman关系36]: 与颗粒半径。流体状态方程被认为是使用流体压缩系数 ,作为一个流体密度的比例近似压力变化: 与压力是流体密度在参考。当和代入方程(5),是消除和下面的扩散方程推导出流体超压(15,32,33,37]: 左边的代表的拉格朗日微分方程流体压力,右边第一项的达西扩散流体压力,第三项源项处理压力改变粒子运动的函数。

2.3。固体

固体最初是由一个三角形的弹性弹簧网络与转换的节点的函数中固体和流体之间的动量交换单位体积细胞 ,固体的质量 ,和颗粒间的力量 ,流动的力量 ,和重力加载 ,这

正常的( )和剪切力( )作用于粒子的邻居从邻居的相对位移计算( )正常( )和切向( )连接弹簧的平衡位置的参考。对所有连接弹簧总力是38] 在哪里和是正常和剪切位移的弹簧常数,分别和资金运行在所有六个相邻的粒子。一旦弹簧模型中打破了删除和相应的节点只会经历一个排斥力。法向力的斥力计算从方程(11),但仅为压缩交互。在每个节点上,流体的作用力在弹性网格计算从邻近的流体压力之差细胞,然后应用于弹性节点代表的区域。 在哪里流体压力梯度,固体部分,运行在四流体网格节点附近的粒子,然后呢是一个平滑函数,满足粒子质量相对于其位置的加权分布(15]。重力垂直力是应用于弹性节点根据的深度上边界(代表上覆岩石)和引力从邻近的节点。单粒子的重力除了负载的计算上覆沉积物颗粒密度 ,重力加速度 ,真正的粒子的体积 ,和比例因子( ,(38):

失败在弹性网络会发生一次临界应变能剪切和拉伸断裂。为了模型两种失效模式之间的组合,一个椭圆的能源使用混合故障模型(39]。应变能( )在弹性网络 在哪里和分别是紧张的应变能量和剪切。临界应变能的失败和分别对紧张和剪切 在哪里是正常的压力,剪切应力,抗拉强度,是材料的剪切凝聚力。通常描述了椭圆方程空间(40]。

2.4。流体和固体之间的交互

在当前配置中,流体平方晶格细胞直径的两倍弹性三角网格的节点。这个配置是非常重要的,以确保可靠的分数计算每个流体单元精确确定大规模的孔隙度和渗透率。为了两个晶格之间的交流,帐篷一个线性加权函数是用来占弹性和流体节点间距离的差异(15,41]。固体晶格通过当地的孔隙度(或颗粒固体部分)和流体质点速度,和流体通过当地流体固体。粒子密度或固体在流体单元计算分数 和整体固体速度在一个流体细胞 在下标代表粒子数量和贯穿所有粒子和平滑函数满足的加权分布粒子质量相对于流体节点位置(15]。模拟输入和输出数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。基本的软件模拟可以找到和下载http://elle.ws,通讯作者将提供额外的代码。

2.4.1。假设

流体和固体之间的摩擦力在固体的表面宏观范围内不考虑,所以,只有压力梯度产生的阻力固体节点(的方向流)。这种压力梯度还是直接相关的流体摩擦受力分析的小规模沿着孔隙流体对固体边界,自实行力与压力梯度的液体完全传递给Darcian流中的孔隙边界流体惯性几乎可以忽略。液体被认为是纯粹的粘性;因此,不考虑热演化。我们假设Kozeny-Carman来源于密集的细粒度的媒体关系可以应用于与孔隙度和渗透率设置。当地的粮食半径Kozeny-Carman方程可以用来调整关系;然而,天然岩石中,孔隙度和渗透率之间的关系可能更复杂。在模型中,我们使用一个固定的网格几何形状和大小的固体固定节点。这个配置被选中,是因为它是唯一在2 d产生线性弹性配置大型(24]。固定配置网格的潜在不利影响。然而,一个强大的网格几何形状和粒径的变化在DEM模型产生nonreliant材料的行为,我们的目标是避免。为了减少电网的影响,断裂的空间分布的高斯变异的优点应用于弹簧。我们预计电网的影响下成为最大剪切压裂特别是面向网格的缺点是接近实际的裂缝方向。然而,该模型仍产生铲状断层弯曲,(39,41]。骨折模型中没有包装,导致边界效应在左边,右边和上、下边界。这导致高裂缝密度接近模型边界影响高达10%的模拟。

我们还假设达西流动模拟是有效的,因为流的雷诺数很小。在模拟中,流体的速度达西速度除以孔隙度:

在模拟流体的平均速度是10⁵-10年⁷m / s。可以计算雷诺数 与是典型的考虑和谷物或断裂通道大小动态水粘度。与流体密度1000公斤/米³,一个通道的大小10⁵米,和一个动态水粘度0.001 Pa的年代,在10的范围³到10⁵。因此,达西流仍然有效 。

2.5。模拟场景:设置、参数和地质意义

模拟从一个初始几何设置和引力的应用和静液压力。在每个时间步模型,流体压力的变化在一个细胞的数量。在每个时间步,流体压力演化计算的函数当地固体分数和固体节点速度,压力扩散,弹性网络放松(寻找新的平衡配置),应用和失败如果当地的临界应变能超过连续的步骤与中间放松,直到所有债券是稳定的(图2 (b))。模拟的分辨率 弹性固体和网格细胞 网格细胞的液体(图2)。模拟运行2小时和4周之间由于强烈的非线性过程。所有模拟都有以下设置:盒子的大小 模型尺寸(1.0),上覆岩层是1000 m,表土密度为2400公斤/米³泊松比为0.33,固体的内部摩擦角设置为30度(42),平均强度是7 MPa之间有一个高斯变异2 MPa的下界和上界20 MPa,流体密度孔隙度为0.1,是1000公斤/米³,流体粘度0.001 Pa·年代,流体压缩系数 ,和卡曼-科泽尼粒度是10μm。在所有的模型中,注入的流体压力输入给30随机节点中指定源区域(cf图2 (c))每个时间步长和时间步长代表1小时。这意味着模型中流体压力增加0.004 MPa /小时在整个盒子。这种液体输入调整规范化流体输入/流体单元的情况下高压区域小于整个盒子,例如,当流体进入水平层。重力边界条件是压力驱动和控制粒子的重量。应力计算模型中使用[平均应力张量模型领域24,43,44),使网格大小的强调独立。意味着压力模拟计算的最内层的80%的模拟框以避免边界效应。

我们模型三个主要场景。场景1代表一个沉积盆地流体压力在哪里增加下面一只海豹,例如,由于成岩反应或碳氢化合物的成熟。场景2代表流体压力增加横向限制区域。例如,这可能代表一个沉积盆地流体从下面进入到创建一个封闭区域或流体压力由于成岩反应在一个狭小的区域或细胞。这个场景也类似于三轴压缩实验,样本在压力下注入液体。场景3代表水平层流体压力增加,例如,由于成岩反应。场景3,我们还存在情况下,层是抵消之前(例如,通过断层)流体压力增加(注意,抵消区或故障没有特定的属性)。

3所示。结果

3.1。场景1和2的场景

场景1代表一个模拟的流体压力在整个模拟盒子模仿一个没完没了的系统在水平层,例如,一个高流体压力地区沉积盆地低于密封(图2)。图3(一个)显示了压力模式(平均模型)在场景1(图的时间2 (c)、表1),说明了在这种几何,微分有效应力的均值和垂直和水平的有效应力降低,直到他们都变成了零。因此,在这个时间点上,该系统使液化(剪切应力消失)在水平和垂直压力开关,垂直压力是最小的有效应力和微分压力增加。这将导致一个水平高孔隙度区中可以看到数据3 (b)和3 (c)和一个横向破裂带图保持一致3 (d)。多孔域名是在较低的地区高流体压力区(图3 (b)),它的几何形状相对粗糙和波浪。这种多孔的波浪特征域反映的断裂模式(图3 (d)),显示了一个breccia-like共生的骨折。密集的断裂模式在左边和右边边界代表工件和是一个边界的nonwrapping性质的影响。

场景2代表一个模拟流体压力的增加是集中在一个垂直区中心的模型以10%的模型在左边,右边有一个正常的静水压力和由此产生的有效的固体的压力 。作为一个实验,这个场景可以比作一个圆柱形岩石变形实验压力下的流体压力的增加。图3 (e)显示了生成的有效应力(平均模型)和场景2模型的方向以及均值和微分压力。微分压力模拟几乎保持不变,而平均应力几乎为零,垂直方向的有效应力减小,压力在水平方向拉伸。莫尔圆图,这个场景就说明了圆朝着左边没有显著改变其半径导致拉伸或混合拉伸/剪切失败取决于形状的曲线。数据3 (f),3 (g),3 (h)显示流体压力、孔隙率和平均应力骨折末期的模拟。流体压力高的中心部分模拟和减少向右边,左边以及向顶部。孔隙度显示增加局部模型的中心区域与fracture-like渠道非常高的孔隙度。多孔区域的中心有一个小得多的宽度比高流体压力区模型的宽度(25 - 30%比80%),周围被压实致密区。骨折在整个欧元区发展流体压力高的地方。两个截然不同的断裂模式可以区分:共轭剪切骨折是主导的左边和右边高流体压力区和树状水平垂直裂缝分支形成breccia-like模式和发展模型的核心部分。密集的断裂模式的上下边界模型代表一个工件和是一个边界的nonwrapping性质的影响。

图4显示了两个场景的断裂模式的演变与流体压力随着时间的背景。断裂演化在第一个场景中开始约一个数量级比,在场景2晚(图4(一))。在这里,一个初始裂缝发展水平在一个很粗略的模型和波浪时尚中间的高流体压力区域(红色区域图4(一))。连续裂缝发展逐渐低于初始裂缝和合并形成角砾岩带。我们使用术语角砾岩为任何的主岩有角形状和完全包围骨折。在场景2(图4 (b)),断裂模式比早些时候开始一个数量级,在场景1我第一骨折一样发育模式或混合模式I和II骨折高流体压力的边缘区左边和右边的模型。然后两边形成共轭剪切破裂集和传播对高压的中心地带。一旦骨折达到高压的中心地带,第二组骨折内发展中心和形式模式我和树状骨折,合并形成角砾岩。孔隙度演化的两个场景如图5。

场景是随机和的初始孔隙度成为双峰在连续压裂和通道开放。在场景1中,孔隙度是最初随机水平对齐的水力压裂开发和定位一次。裂缝打开,变成了一个通道的高孔隙度而周围的母岩是压缩与孔隙度相对较低。多孔通道然后向下的动作后的模拟连续裂缝发展对仿真而坚实的下部向上推动流体超压。在场景2中,孔隙度增加向内侧的中心向外高压区域,减少边界。同时,当从共轭剪切断裂模式切换到更多的树,breccia-like骨折的高孔隙度定位强烈的中心模型和旁边的两个压实区域开发多孔区(图5 (b))。固体运动而言,固体被按下向右,左手边的模型导致相反的指示增加孔隙度或创建一个固定孔隙度区或波的中心。

3.2。场景3:水平层、断层和杨氏模量的变化

在第三个场景中,一个水平层的流体压力增加。这个场景可以模仿生烃或脱水在成岩反应层或注入的液体层能量储存或CCS。图6(一个)显示了流体压力和压裂水平层的发展水平对齐的上部层分支断裂。分支骨折连接形成一个薄角砾区。骨折不是中间的层由于流体压差低于和高于层。数据6(b)和6(c)显示相同的水平对齐层与中间一个偏移量的模拟层图6(b)是抵消的一半的厚度层和一个图6(c)全厚度的层。水平层的偏移量,例如,是由一个错。但是要注意,在当前的设置中,这个潜在的“断层”没有其他抵消层截然不同的属性。断裂模式显著不同nonoffset水平层,两种类型的骨折开发:垂直或共轭剪切裂缝和水平裂缝。垂直或共轭剪切骨折早期发展在抵消的层,层内的潜在故障定位和在当地地方流体压力是非常变量。水平层内裂缝发展之后,变得更加不规则和不水平对齐比未断裂的层。层内的骨折图所示6(b)仍水平一致但分支比未断裂的层和连接的错。在图所示的骨折6(c)更加分支和角砾,只显示semihorizontal下层右边对齐。两个断裂层部分的骨折仍然连接在错。

图7显示骨折断裂层的逐步发展和差异,杨氏模量随图时发生7(一个)显示软材料和图7(b)艰难的材料(注意层和主岩有相同的杨氏模量)。进步裂缝发展显示骨折的错层结束发展第一,紧随其后的是semihorizontal压裂层本身的最后一层的角砾岩化作用。抵消层中的流体压力也会导致剪切破坏的逐步发展,传播到周围的矩阵位置的潜在故障。变量杨氏模量的差异主要是说明了压裂的发病的时间更早,因此在软物质的流体压力远低于在硬质材料。否则,发展中断裂模式非常相似,轻微的裂缝密度增加硬质材料。

图8显示了6模拟与偏移层中的孔隙度不同的杨氏模。在所有6例,水平层的多孔通道连接在故障和压缩密实区发展的悬挂和旁边的断层的下盘层。压缩区更明显的软的硬的材料。杨氏模量的变化的另一个变化是时机成熟的孔隙通道或波发展中在更早的时候软材料比硬的材料。另一个主要区别在于软材料开发进展的孔隙通道层的故障外,一个特性不能硬质材料。

4所示。讨论

4.1。流体超压带的几何的重要性

我们的模拟表明,水力压裂和有效应力领域的发展取决于流体超压带的几何形状和边界条件的模拟,通过推理实验和自然。场景2模仿经典有效应力莫尔圆模型,向左边,达到有效抗拉应力微分压力没有变化,因此莫尔圆半径。一些作者认为,这种模式是一种简化,不能应用在所有情况下地壳(10- - - - - -15,20.,23]。希利斯(12)和Cobbold罗德里格斯(20.场景1)描述我们与有效应力成为零和应力方向翻转,这样垂直应力变得最小的(23]。压力会发生翻转,因为垂直和水平应力有关,如果系统垂直没完没了的或密闭墙。这意味着流体超压降低垂直和水平应力在不同利率带来的整体垂直和水平方向的有效应力为零。后来,流体可以向上“推”,垂直有效应力变得最小主应力,和水平水力压裂或角砾区可以开发。这导致了所谓的牛肉静脉(图1 (b),(20.]),水平对齐。水平应力是一个函数的垂直压力和流体压力(方程(3),(20.]),一个场景,在沉积盆地海豹(以下12]。在这样一个系统,流体超压可以变得非常高的发展没有骨折(图3和4)。一旦发生岩石破裂,破裂区域是一致的水平,或subhorizontally模拟(图3)。为了准确地预测有效应力和断裂模式,流体超压或流体压力梯度差异需要考虑。下一个简单的流体压力上升一层密封或将产生场景1。图9说明了模式形成的差异与场景1图所示9(一个)(我)。在这里,流体压力在整个盆地或增加一层。梯度是垂直对齐的,固体的盆地是向上推,层是扩张。这将产生横向对齐水力压裂、角砾岩或牛肉静脉。在这种情况下,对称的系统只在一个方向由于发展水平一致的流体压力梯度。

场景2只会发展如果流体压力上升的区域有一个垂直或接近垂直的边界。压力梯度的影响还体现在场景2的初始裂缝发展当地流体超压梯度的函数在高压带的边缘,然后逐步传播到该模型的中心。然后高压区域扩张形成固定孔隙度波与当地移动孔隙通道,当地不同的水力压裂打开和关闭取决于流体压力变化。因为场景2代表一个高压带,打破对称,两个方向和梯度开发的高压区域(图9(一个)(2))。微分压力起着重要的作用,现在,欧元区将扩张更多的最小主应力的方向,从而形成最初的垂直对齐的骨折。此外,骨折导致该区域将形成两个原因:扩张,将产生一个中央断裂或角砾岩带内的流体压力梯度区环境(图9 (b))。如果梯度足够高,早期骨折将形成高压带钢圈的。

在场景1中,只断裂形式一旦扩张高流体压力区克服了静岩压力。这种扩张区向下的动作与超压的增加使更多的物质向上推。水力压裂的初始位置中间的高压区域被Cobbold分析预测,罗德里格斯(20.用以下方程: 与第一项代表液压流体压力(密度的函数 ,重力 ,和深度 ),下面第二项代表流体超压形成一个密封流体流入(的函数达西速度,流体的粘滞性,渗透率),最后一项代表源项,可以在一层液体代或带在我们的模拟(一样液体生产)。第二项的方程(19)代表一个线性流体压力梯度而源项二次,两项之间的比例决定了压力峰值的清晰度(20.]。方程(19)是一维的,因此只是部分适用于两到三维流体超压,即使第二和第三项的方程将类似的其他维度。

场景3中两个维度的重要性是显而易见的,说明了为什么了解当地超压梯度和扩张高压区域的相互作用是非常重要的。一旦fluid-generating层断裂,流体压力梯度和有效应力成为两个方向(图的变量9)。这导致骨折的初步发展的技巧层断裂,因为在这个方向,压力梯度作用最小主应力的方向,在当地非常高。这导致骨折早期发育由于压力梯度,这是后来后跟角砾岩化作用层本身的发生由于扩张(图9)。发展中骨折是由流体超压层但开发有效的固体应力的函数,当地流体压力梯度和扩张层。一个也可以解释裂缝和孔隙度由对称破坏模式。最初随机孔隙度最高的对称。一旦对称性被打破了一个方向,水平对齐的水力压裂和角砾岩区(图发展9)。如果两个方向的对称性被打破(层断裂或高压区域本地化),这个模式变得更加复杂和骨折安排在垂直和水平的组合模式和组合形成更大的角砾岩。

4.2。孔隙度相变

我们在孔隙度模拟显示过渡从随机分布固定孔隙度波的发展与扩张区压缩区域包围。这个开关在几何可以被看作是一个一阶相变的命令系统(随机孔隙度)减少了对称和形成驻波。这样的驻波被认为在沉积盆地形成,在那里他们可以形成斑马白云石山脉(45]。从随机准均匀孔隙度更多的局部孔隙度是众所周知的一系列场景在地球科学的发展压实方面或孔隙度波实验,模拟,和观察在多孔介质自然系统中,沉积物和粘弹性材料(例如,46- - - - - -50])。在扩张区在我们的案例中,流体力学的相互作用会导致当地孔隙通道,是动态的创建和移动。这些渠道代表连接水力压裂的开放,他们又可以关闭如果本地超压降低。孔隙通道与水力压裂,但并不是所有的水力压裂发展为开放渠道的发展也直接骨折与相变有关。骨折和孔隙通道之间的区别体现在场景2系统在早期骨折(图4),但孔隙度波只出现后一次高压区域扩张(图5)。与这个区别骨折和孔隙通道,场景1中裂缝和孔隙通道发展发生在同一时间。

4.3。断层作用和流体超压

缺点发挥重要作用通过改变层几何形状导致复杂的流体压力梯度,从而断裂的发展模式。水平层是否完好无损(场景3)或高流体压力区有一个简单的几何沉积盆地(情况1),然后使液化层或盆地,有效应力接近零,和水平骨折或角砾岩区发展。然而,如果一个错误扰乱这个几何(场景3 b和c),有效应力变得复杂和高压区域扩张不仅在垂直方向也在水平方向。这导致水力压裂开发layer-offsetting断层和断层的扩张至少旁边高流体压力层(图8)。故障很可能成为高流体压力、泄漏,甚至骨折会动态地打开一个密封的错。

4.4。物质的变化

提出了模拟表明,杨氏模量的变化导致了压裂早些时候在软的硬的材料。柔软的材料显示了硬质材料膨胀比,以便固定孔隙度波下的软材料发展低流体超压比硬质材料。这与构造裂缝(例如,在layer-parallel扩展)在硬质材料的早期发展。这种地质构造之间的行为差异等驱动和流体压力压裂可能被用作代理在分层流体超压系统。

5。结论

在这个贡献,可压缩流体的流体力学的数值模型被用来模拟水力压裂和孔隙度演化高流体压力区。我们模拟了以下结论:(1)区域的几何形状的高流体压力对岩石主要控制稳定,断裂模式,断裂演化、孔隙度通灵(2)水力压裂是由两个主要过程:扩张高压区域和高流体压力梯度(3)高流体压力代在沉积盆地或水平层会导致减少的微分和平均应力,其次是一个开关最低的有效应力从水平到垂直和水平水力压裂。这种情况下产生高水平孔隙流体超压和频道,逐渐向下移动(4)高流体压力产生在一个狭小的区域周围的岩石与静液压力导致减少的平均应力和早期压裂由于压力梯度紧随其后在最低有效应力的方向扩张。在后期,中央角砾岩带垂直对齐的动态孔隙通道(5)水平层的断层所抵消,开发内部高流体压力显示场景的组合与断层发展成早期水力压裂由于压力梯度层的膨胀紧随其后碎片导致layer-parallel和垂直骨折和角砾岩化作用。孔隙通道中形成缺陷层连接(6)所有模拟显示相变随机孔隙度平稳和非平稳的孔隙度波扩张和压缩区。此外,动态孔隙通道内发展扩张区水力压裂时打开和关闭(7)流体可以用垂直立式高压区域最好的逃脱指责层中的孔隙通道和情况下故障本身发展成一个孔隙通道(8)为了了解流体压力演化和地壳造成骨折和排水,流体压力梯度和海豹的准确几何图形,流体来源、和错误必须被考虑

数据可用性

模拟输入和输出数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。基本的软件模拟可以找到和下载http://elle.ws,通讯作者将提供额外的代码。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

RT承认的支持INSU阿列亚计划投资局France-Norway D-FFRACT,挪威的研究委员会通过其卓越中心资助计划(项目编号262644),和DK RT承认ITN FlowTrans的支持,资金从欧盟第七框架计划FP7研究根据授权协议之下。316889年。