致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究.pdf

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1、第33卷第4期地震Vo1．33，NO．42013年1O月EARTHQUAKEOct．，2013致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究朱伯靖，刘旭耀。，程惠红，柳畅，刘善琪，任天翔，李永兵，石耀霖(1．中国科学院计算地球动力学重点实验室，北京100049；2．中国国科学院大学地球科学学院，北京100049；3．RockMechanicsLaboratory，DepartmentofEarthSciences，UniversityofDurham，DurhamDH13IE，UK：4．IaboratoireDeGeologie，EcoleNormale

2、Sup6rieure，Paris，France)摘要：水压瞬态致裂液化在地应力测量、地震破坏评估和机理研究、油气(天然气、页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值。自20世纪6O年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果，但鉴于问题复杂性，瞬态致裂液化机理至今尚不清楚。本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孑L介质流固耦合物理模型，对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。首先，以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例，利用x射线CT断层成像技术，应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法，建立致密砂岩数字岩芯模型

3、。进而，推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式，建立致密砂岩水压致裂液化物理模型。最后，应用地震波载荷边界和初始条件，模拟瞬态致裂液化流固耦合过程，讨论了地震波载荷幅值、频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、致密砂岩破裂最大主应力之间关系，得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则。关键词：致密砂岩水压致裂液化；地震波；X射线CT断层成像分辨率；格子波尔兹曼及有限元模型；并行CPUGPU计算中图分类号：P315文献标识码：A文章编号：1000—3274(2013)04—0071-13引言水压致裂液化作为地应力测量，石油、天然气、页岩

4、气、地热等资源开发的基本技术手段，具有重要的应用价值；同时作为地震破坏评估及地震机理研究重要观测途径之一，具有重要的理论意义。自20世纪6O年代至今，在水压致裂液化理论和实际应用领域都取*收稿日期：20130111；修改回日期：20130530基金项目：地壳深部探测项目(SinoProbe07)；国家自然基金面上项目(DO4O8／4O974O9)；中国科学院研究生院院长基金A(Y15101KY00)作者简介：朱伯靖(1974)，男，河北永清人，副教授，博士，主要从事断裂力学及固体地球物理学等研究。72地震得了一些奠基性和开创性的成果l_】]，但鉴于水压致裂问题

5、本身复杂性(破坏为动态瞬态过程，且伴随岩石本身物性变化)、相关学科发展局限性(塑性力学体系虽已建立，但仍处于发展完善阶段；塑性断裂力学，特别是动态断裂力学理论体系尚处于建立阶段；水压致裂液化破坏过程力学模型应变、应力、时间、材料属性间定量关系处于经验公式水平)，客观上大大限制了对该问题进一步的研究，致使研究水平停留在静态／准静态假设基础上的岩石弹性破坏最大主应力大小与方向确定上；对于随着水压增加，破坏临界点是否存在非浸润过程、塑性破坏过程是如何发生的、水压增大到临界点以波形式如何影响、破坏过程伴随岩石物性变化等问题都没有进行研究，随着高性能计算技术，特别是高性

6、能计算硬件迅猛发展，应用数值方法对水压致裂液化机理进行深入研究成为可能；相关学科理论发展，特别是动态断裂力学理论发展，为该问题解决提供了相关理论支持；而近年来地震液化现象观测资料积累及相关研究为该问题的解决提供了实验对比资料。本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型，对地震波载荷作用下鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。首先，利用X射线CT断层成像技术，应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法，建立致密砂岩数字岩芯模型。进而，推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式，建立对应致密砂岩水压致裂液化物理

7、模型。最后，应用地震波载荷边界和初始条件，模拟瞬态致裂液化流固耦合过程，首次定量讨论了地震波载荷幅值、频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、致密砂岩破裂最大主应力之间关系，得到了地震波载荷作用下致密砂岩致裂液化准则。1基本公式本文中如无特别说明，公式中小写下标变化范围为1～3；大写下标变化范围为1～7；对于致密岩石需要考虑固体骨架、固体与流体接触面(boundliquidfilm)、静态孔隙压(自由态水)、动态孔隙压I(流体运动的自由态水作用)、动态孔隙压II(流体运动的超临界水作用)、动态孑L隙压III(流体运动的结构水作用)六部分作用；致

8、密岩石磁电热力多场耦合控制方程可表示为