高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台建设与应用_孙峰.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-03-16 基金项目:国家自然科学基金项目（42274155）；国家重点研发计划项目（2019YFC1509204）；教育部产学合作协同育人项目（202101263029）作者简介:孙峰（1979），男，山东荣成，博士，副教授，主要从事能源工程力学方向的教学与研究工作，。引文格式:孙峰，贾朋，张毅，等.高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台建设与应用J.实验技术与管理,2023,40(8):176-182.Cite this article:SUN F,JIA P,ZHANG Y,et al.Construction and Application of simulation experimental platform for fault instability induced by high pressure fluid injectionJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):176-182.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.026 高压流体注入诱发断层失稳模拟实验 平台建设与应用 孙 峰，贾 朋，张 毅，张旭东，薛世峰（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）摘 要：文章设计搭建了高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台，实现了地应力、高压流体的组合加载，同步监测采集了典型岩样应变、流体压力及声发射等物理量的协同响应数据。该平台还可用于深部能源开发多物理场耦合特征研究。该实验直观展示了高压流体影响下断层的活动响应特征，在此基础上结合数值仿真实验，进一步加深了学生对实验现象和工程问题的理解，训练了学生多物理场监测仪器操作、科学问题分析及实践创新综合能力，实现了教学内容与工程实践、学术研究的紧密结合。关键词：高压流体注入；断层失稳；多物理场耦合；岩石物理实验 中图分类号：P554 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)08-0176-07 Construction and application of simulation experimental platform for fault instability induced by high pressure fluid injection SUN Feng,JIA Peng,ZHANG Yi,ZHANG Xudong,XUE Shifeng(College of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)Abstract:The article designs and builds a simulation experimental platform for high-pressure fluid injection induced fault instability,achieving combined loading of in-situ stress and high-pressure fluid,and synchronously monitoring and collecting collaborative response data of physical quantities such as strain,fluid pressure,and acoustic emission of typical rock samples.The platform can also be used to study the coupling characteristics of multi-physical fields in deep energy development.The experiment intuitively displayed the active response characteristics of faults under the influence of high-pressure fluid.On this basis,combined with numerical simulation experiments,it further deepened the students understanding of experimental phenomena and engineering problems,trained students comprehensive abilities of multi-physical fields monitoring instrument operation,scientific problem analysis and practical innovation,and realized the close combination of teaching content with engineering practice and academic research.Key words:high pressure fluid injection;fault instability;multi-physics coupling;rock physical experiment 随着我国深部能源开发及地质工程建设的不断深入，对石油院校工程力学专业创新人才培养提出了更高要求1。教育部一流本科课程建设实施意见中要求突出创新性，教学内容要体现前沿性与时代性，要及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程2。将深部工程问题相关的科研成果转化为创新性实验资源，对于激发工程力学专业学生的创新意识、培养创新实践能力具有重要意义。地热、页岩油气等深部能源的开发利用过程中，随着高压流体的注入，地层流体压力及地应力发生变化，将显著改变岩层原本相对稳定的物理、力学环境，诱发断层失稳和地震活动等一系列地质灾害3。欧 孙 峰，等：高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台建设与应用 177 洲、美国等国家深井地热开发、大规模水力压裂都引发过系列微震破坏活动4-5，我国四川盆地也发生过多次与水平井压裂相关的地震活动6。上述科学问题涉及岩石力学、断裂力学、流体力学、地震学等多学科基础知识7，将其引入课堂教学后可拓宽学生视野，为他们日后从事相关工程领域的研究与设计工作奠定基础。目前，高压流体注入诱发断层活动问题研究主要以理论分析和数值模拟为主8-9，开展高压流体诱发断层失稳实验模拟，可充分发挥岩石物理实验在重复性和观测充分性上的优势，能够使学生通过实验设计和操作，掌握岩体力学性质、状态及破裂响应的动态变化特征，培养理论知识应用能力和实践动手创新能力。本文结合工程力学专业本科生“石油工程力学”课程教学，设计搭建了一套高压流体诱发断层失稳模拟实验系统，观测采集应力应变、流体压力及声发射等多物理场数据，并结合数值模拟仿真，分析深部环境下高压流体扰动与岩样结构应力应变及断层活动特征的协同响应规律，旨在加深学生对深部能源开发中地应力与流体压力之间耦合响应及可能引起相关灾害的物理力学机理的认识。1 高压流体注入诱发断层失稳实验设计 国内外深部地层活动实验研究的重点是关注地震前兆、同震破裂传播 10-11及致密储层水力压裂改造室内大尺寸三轴实验模拟等问题12-13，针对深部能源开发高压流体作用下断层活动特征的岩石物理实验相对缺乏。本文自主设计了高压流体注入诱发断层失稳实验平台，组合加载地应力和流体压力载荷，开展了花岗岩、砂岩两类大尺寸实验岩样应变、流体压力、声发射等多物理场数据联合观测，能够为进行深部能源开发中的多物理场耦合问题研究提供实验依据。1.1 实验装置介绍 高压流体诱发断层失稳实验平台如图 1 所示，由高压釜、地应力加载系统、高压流体加载系统、数据控制采集系统、应变检测仪及声发射系统组成。图 1 高压流体诱发断层失稳实验平台 高压釜外径 790 mm，内径 680 mm，高 650 mm，可适用于 300 mm300 mm300 mm 大尺寸实验岩样岩石物理实验。地应力加载系统由三套独立的伺服加载系统组成，可向大尺寸岩样加载空间方向的地应力载荷，三轴加载应力可单独控制也可同步控制，施加范围为 050 MPa。高压流体加载系统由高精度双缸恒速恒压泵组成，工作流量为 0100 mL/min，精度0.1 mL/min，工作压力 070 MPa。采用高频压力传感器采集控制注入流体压力，传感器精度为 0.1%FS、采集频率为 10 Hz。通过自主开发的数据控制采集系统进行地应力、流体压力载荷参数预置、自动测量、自动控制、数据处理等图形化控制采集工作。应变检测仪采用 DH3823 应变测量模块，每模块8 通道，应变量程为50 000，最小分辨率为 0.5。声发射采用北京软岛公司 DS5-8B 声发射系统，可提供 8 个通道全波形采集，自动进行实时、高效率、高精度声发射特征提取及处理，与设备配套的声发射监测分析软件可对声发射事件进行定位分析。声发射探头表面涂抹耦合剂，放置于预制刚性加载板的孔槽内，与岩样侧面接触，对实验过程中的声发射信息进178 实 验 技 术 与 管 理 行监测。1.2 大尺寸实验岩样制备 以花岗岩、砂岩等天然岩样为原材料，制备实验用大尺寸岩石物理实验岩样，如图 2 所示。岩样为 300 mm300 mm300 mm 的立方体，内部预设倾角为 60的断层，断层长度为 150 mm，宽度为 8 mm，断层内部填充取自研究区现场的断层泥，断层下部距试件底部 100 mm。高压流体通道位于岩石样品底部中心，预设外径为 16 mm 的注入井筒，通过高压管线与恒速恒压泵组相连，注入井筒长度 70 mm。图 2 实验岩样制备 1.3 实验步骤（1）岩样基础岩石力学参数测试。钻取实验岩样同批次小尺寸岩芯，对不同岩性岩样的弹性模量、泊松比、孔隙度、渗透率等基础数据进行测试，掌握不同岩样的岩石力学、渗流力学特征参数。（2）大尺寸岩样实验准备。在大尺寸岩样表面按设定位置粘贴电阻应变片，将岩样吊装入高压釜内；在刚性加载板设定位置安装八组声发射探头，并与岩样侧壁贴紧；连接三轴地应力加载管线、高压流体注入管线、应变检测仪及声发射仪数据线；启动地应力、高压流体数据控制采集软件和声发射数据监测处理软件。（3）加载地应力载荷。采用步进阶梯式加载，加载速率为 0.01 MPa/s、单个阶段加载增量为 0.5 MPa，加载后保持稳定 50 s 后进入下一个加载阶段，直至加载至 2.0 MPa。（4）加载高压流体载荷。保持 2.0 MPa 地应力载荷不变，采用设定注入压力方式阶梯式加载高压流体，单个加载增量为 0.5 MPa，完成后保持现有状态 50 s，直至加载至 2.0 MPa。（5）应变场数据采集。监测记录地应力载荷、高压流体载荷典型加载步对应的各监测点应变数据，分析不同物理场作用下岩样表面的应变场特征。（6）声发射数据采集。同步监测记录地应力及高压流体加载过程中的声发射信息数据，进行声发射响应定位，并分析声发射事件能量变化特征。（7）不同岩样响应特征分析。实验结束后，卸载高压流体、地应力载荷；更换测试岩样，重复步骤（2）（6），对不同岩性的大尺寸岩样断层失稳响应进行分析。2 实验结果与分析 2.1 实验岩样岩石物理参数测试 测试花岗岩、砂岩两类岩样 2.0 MPa 围压下岩石力学、渗流力学两类基础岩石物理参数如表 1 所示。花岗岩岩样为典型的火成岩，岩石的弹性模量达到34.97 GPa、泊松比为 0.26；岩石的渗透性能较差，测试样品 2.0 MPa 下的覆压渗透率仅为 0.371015 m2，孔隙度为 2.11%。砂岩岩样为沉积岩，测试岩样弹性模量较低，仅为 14.78 GPa，岩样泊松比为 0.32；样品的覆压渗透率为 12.631015 m2，孔隙度为 9.73%。表 1 测试岩样基础岩石物理参数对比 序号岩性密度/(gcm3)弹性模量/GPa 泊松比 渗透率/(1015 m2)孔隙度/%1 花岗岩2.57 34.97 0.26 0.37 2.11 2 砂岩2.26 14.78 0.32 12.63 9.73 2.2 地应力-高压流体作用下岩样表面变形特征 实验分为加载地应力载荷与高压流体载荷两个阶段，不同阶段花岗岩、砂岩两类大尺寸岩样表面应变特征如图 3 所示。在加载地应力载荷阶段，由于断层局部的应力集中效应，两类岩样断层局部 1、3 监测点应变变化高于断层中间部位 2、5 监测点及远离断层区域的 4 监测点。考虑实验岩样岩性的影响，花岗岩岩样弹性模量高、泊松比低，相同载荷条件下，其监测点挤压应变数据小于砂岩岩样测试结果。在高压流体加载阶段，花岗岩渗透率较低，高压流体对花岗岩表面的挤压应变影响较小，加载 2 MPa流体压力（800 s 时刻）时，各监测点挤压应变相对于单独加载地应力 2 MPa（400 s 时刻）时仅增大了 7.5%15.1%。而砂岩试样渗透率较高，高压流体对砂岩表面的挤压应变影响显著，变化率增大了 19.1%24.4%。此实验测试加深了学生对不同类型岩样固体变形及渗流力学特征的认识。孙 峰，等：高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台建设与应用 179 图 3 地应力-高压流体作用下岩样表面应变特征 2.3 多场耦合载荷作用下岩样声发射响应特征 声发射是岩石物理实验中的重要物理现象，携带了大量震源和介质速度信息。通过声发射累计能量变化及声发射事件定位，有助于在时间和空间上对地应力-高压流体耦合载荷作用效果进行评价，并深入探索高压流体诱发断层失稳机理。地应力-高压流体耦合载荷作用下，花岗岩、砂岩两类岩样声发射累计能量特征差异明显。如图 4 所示，0400 s 加载地应力阶段，两类岩样随地应力载荷的增大，声发射累计能量阶梯式上升，砂岩的声发射响应高于花岗岩。加载高压流体阶段，花岗岩岩样声发射响应呈阶梯状上升特征：初始 400600 s 时段，注入流体压力较低（01.0 MPa），花岗岩渗透性能差，渗流压力导致的瞬时声发射能量变化低于 1 000 mVms；600 800 s 时段，在高压流体扰动下，声发射响应显著上升，瞬时能量变化达到 2 0004 000 mVms，总累计能量变化达到 164 505 mVms。砂岩岩样渗透性能较高，加载高压流体阶段，声发射累计能量呈持续上升趋势。在 400600 s 时段，较低的流体压力载荷也会引起瞬时 5 0007 000 mVms 的瞬时能量变化；岩样总累计能量变化达到 280 458 mVms，远高于花岗岩声发射能量测试结果。花岗岩岩样声发射定位结果如图 5 所示，图中数字为布设发射探头的位置。对应 t=400 s 时刻（地应力2.0 MPa，流体压力 0.0 MPa），声发射事件由地应力变化引起，破裂点集中在预制断层斜截面周围。在600 s 时刻（地应力 2.0 MPa，流体压力 1.0 MPa），高压流体由岩样底部高压管线注入，注入点局部产生的流体压力变化导致多个新增声发射定位事件，断层斜面产生多个新增定位点。在800 s时刻（地应力2.0 MPa，流体压力 2.0 MPa），流体压力沿断层面向岩样顶部传递，断层面上部区域产生多个新增定位点。砂岩岩样声发射定位如图 6 所示。在 400 s 时刻，定位点分布于断层局部及岩样加载侧面。在 600 s 时刻，由于砂岩的高渗透性，实验岩样下部注入点及断层面局部均产生多个新增的声发射定位事件。随注入流体压力的增大，砂岩岩样应力-流体耦合效应增强，岩样内部及断层面的声发射定位点数量及声发射事件能量激增，形成多个较大尺寸的定位事件，断层接近临界失稳破裂状态。声发射定位事件反映了高压流体注入诱导不同岩性地层异常信息响应的时空迁移特征，有助于深入认识地质灾害形成的物理力学机理。通过实验操作，提高了学生对岩石变形破坏过程的认识，激发了他们学习相关知识的兴趣。图 4 多场耦合载荷下岩样声发射累计能量特征 180 实 验 技 术 与 管 理 图 5 花岗岩岩样声发射事件定位 图 6 砂岩岩样声发射事件定位 3 虚拟仿真实验教学拓展 虚拟仿真实验教学是推动实验教学升级重构和理论教学整体优化的重要方向14-15。通过花岗岩、砂岩两类大尺寸岩样断层稳定性岩石物理实验，学生对高压流体注入导致应力应变场、流体压力场、声发射场等多场耦合响应有了直观认识。进一步指导学生学习并利用多场耦合数值模拟软件，开展高压流体诱发断层失稳数值模拟仿真，能够加深他们对实验中观测现象的理解和深部岩层地应力-流体多场耦合知识的理解。建立与岩石物理实验相同尺度的有限元数值模拟模型，如图 7 所示。利用 Comsol Multiphysics 有限元软件平台，按实验加载载荷方案设定初始条件、图 7 高压流体诱发断层失稳有限元分析模型 载荷边界条件、位移边界条件；根据实验岩样测试的岩石物理参数对模型相关岩石力学、渗流力学参数进行赋值；开展固体力学-渗流力学耦合有限元模拟，获取模型应力应变、流体压力及断层库伦应力等多物理场动态演化数据，分析高压流体扰动下的断层失稳机理。提取岩样表面监测点处应变数值模拟分析结果如图 8 所示。仿真模拟花岗岩最大挤压应变为 152 106，与图 3(a)中花岗岩实验测试最大挤压应变 144 106相比，误差为 5.6%；模拟砂岩最大挤压应变为213106，与图 3(b)中砂岩实验测试最大挤压应变236106相比，误差为 9.7%。数值仿真模拟与岩石物理实验应变变化特征取得较好的一致。在加载地应力阶段，两类岩样表面挤压应变随地应力载荷的增大均呈阶梯状变化；在加载高压流体阶段，花岗岩岩样渗透率低，表面应变变化幅度较小；砂岩岩样渗透率较高，流体压力变化引起挤压应变持续增大。模拟花岗岩、砂岩两类岩样断层面库伦破坏应力的变化如图 9 所示。在加载地应力载荷阶段，两类岩样断层面库伦破坏应力与加载方式相对应，呈阶梯状变化；在加载高压流体阶段，库伦破坏应力受断层面高压流体渗流影响呈非线性增加趋势。两类岩样加载高压流体阶段的库伦破坏应力变化的增长幅度均显著高于加载地应力阶段。数值模拟断层面库仑破坏应力与实验监测岩样声发射累计能量的特征响应变化趋势一致。孙 峰，等：高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台建设与应用 181 图 8 岩样表面应变数值模拟特征 图 9 断层面库伦破坏应力变化 4 实践教学及效果 高压流体注入诱发断层失稳模拟实验共计 6 学时，分为基础理论及实验原理讲授、断层失稳实验、数值仿真实验模拟三个单元，每单元 2 学时。在基础理论及实验原理讲授单元，由指导教师向学生讲述高压流体注入诱发断层失稳工程问题背景、多物理场耦合机理、力学模型描述、高压流体注入诱发断层失稳实验流程及声发射测试原理等内容。在断层失稳实验教学单元，指导教师结合预制的大尺寸实验岩样演示应变片粘贴、焊接，应变检测仪电桥连接，声发射探头的安置、线路连接，控制采集系统中加载设置的使用等内容。在实验实施过程中，学生分工记录地应力、高压流体载荷、监测点应变及声发射响应数据，实验后小组内进行研讨交流。在数值仿真实验模拟单元，教师讲授针对高压流体注入诱发断层失稳模拟的几何模型建立、物理场选取、初始条件和边界条件设定等流程，介绍结果提取分析方法，课后布置学生提交实验测试和仿真模拟分析报告。高压流体注入诱发断层失稳模拟实验平台目前已应用于我校工程力学系石油工程力学实验教学和开放型实验，参与实验学生人数达到 50 人/学期，教学效果良好。结合教学反馈，还对实验教学模式进行了完善。通过该实验平台建设，能够将深层能源开发实际工程问题与石油工程力学多场耦合理论、岩石物理实验、数值模拟仿真等教学内容相联系，激发了学生的学习热情，提升了学生动手实践、提炼和解决科学问题等多方面的综合能力。在教师指导下，学生利用本系统可进一步开展与 CO2地质封存、非常规油气储层改造等深层能源开发问题相关的岩石物理实验探索，达到科教融合、以高水平科学研究助力学生创新实践能力提升的教学目标。5 结语 本文搭建的实验平台可用于高压流体诱发断层活动特征认识实验及石油工程力学多物理场耦合科学研究实验；直观体现深部能源开发过程中地应力、地层流体压力、不同岩样力学性质与断层失稳活动的协同响应特征；结合仿真模拟推动实验教学升级优化，提高了教学效果。该平台有助于加深学生对石油工程力学理论知识的理解，培养学生的实践能力和创新意识，提升学生多物理场监测仪器操作、科学问题分析及自主创新综合能力。参考文献(References)1 姚军，黄朝琴，刘文政，等.深层油气藏开发中的关键力学问题J.中国科学:物理学力学天文学，2018,48(4):531.2 教育部.关于一流本科课程建设的实施意见：教高20198号Z.2019.3 张东晓，杨婷云.美国页岩气水力压裂开发对环境的影响J.石油勘探与开发，2015,42(6):801807.4 GUGLIELMI Y,CAPPA F,AVOUAC J P,et al.Seismicity triggered by fluid injectioninduced aseismic slipJ.Science,2015,348(6240):12241226.5 ELSWORTH D,SPIERS C J,NIEMEIJER A R.Understanding induced seismicityJ.Science,2016,354(6318):13801381.6 雷兴林，苏金蓉，王志伟.四川盆地南部持续增长的地震活动及其与工业注水活动的关联J.中国科学：地球科学，2020,50(11):15051532.182 实 验 技 术 与 管 理 7 陈颙，黄庭芳，刘恩儒.岩石物理学M.合肥：中国科学技术大学出版社，2009.8 仝兴华，孙峰，周斌，等.油田注水诱发应力场演化及地层活动机制研究J.中国石油大学学报（自然科学版），2015,39(1):116121.9 惠钢，陈胜男，顾斐.流体-地质力学耦合建模表征水力压裂诱发地震：以加拿大 Fox Creek 地区为例J.地球物理学报，2021,64(3):864875.10 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