Физика Земли, 2020, № 6, стр. 86-105

Флюидная инициация разрушения в сухих и водонасыщенных горных породах

В. Б. Смирнов 12*, А. В. Пономарев 2, А. В. Исаева 1, Н. Б. Бондаренко 12, А. В. Патонин 23, П. А. Казначеев 2, С. М. Строганова 2, М. Г. Потанина 12, R. K. Chadha 4, K. Arora 4

1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет
г. Москва, Россия

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидра РАН
г. Москва, Россия

3 Геофизическая обсерватория “Борок”, ИФЗ РАН
п. Борок, Россия

4 CSIR-National Geophysical Research Institute
Hyderabad, India

* E-mail: vs60@mail.ru

Поступила в редакцию 10.04.2020
После доработки 28.06.2020
Принята к публикации 04.07.2020

Аннотация

Представлены результаты лабораторных исследований флюидной инициации разрушения в пористо-трещиноватых образцах горных пород при их первичном насыщении флюидом, инжектируемым в породу под давлением, и при последующем повышении давления флюида в насыщенных породах. Эксперименты проводились в Геофизической обсерватории “Борок” ИФЗ РАН. Лаборатория оснащена электрогидравлическим прессом INOVA-1000. Эксперименты проводились на образцах горных пород, существенно различающихся по величине пористости. Были использованы песчаники Буффало, граниты из скважины в сейсмически активном районе, граниты из скважины в Воронежском кристаллическом массиве. Для варьирования проницаемости гранитных образцов применялась методика их искусственного контролируемого растрескивания посредством последовательного нагрева и охлаждения. Опыты проводились по следующей схеме: высушенный заранее образец вначале подвергался одноосному нагружению в условиях всестороннего сжатия. Нагружение проводилось с постоянной скоростью деформации до момента ускорения нарастания активности акустической эмиссии, соответствующего приближению напряжения к пределу прочности. Далее скорость нагружения уменьшалась на порядок, и с верхнего торца в образец подавалась вода. Нижний торец был наглухо закрыт и непроницаем для воды. После этого в уже насыщенном водой образце скачками увеличивалось поровое давление, величины скачков варьировались. Полученные результаты лабораторных исследований свидетельствуют, что характер и величина флюидной инициации разрушения значительно различаются при первом внедрении жидкости в пористо-трещиноватые образцы и последующих увеличениях порового давления в насыщенных образцах. Задержка отклика относительно момента флюидной инициации и его величина оказались больше в случае обводнения сухих образцов по сравнению с повышением порового давления в насыщенных образцах. Также обнаружен отклик акустической эмиссии на уменьшение порового давления. Теоретический анализ движения жидкости в поровом пространстве образца, заполненном воздухом, на основе модели, разработанной в предположении поршневого характера вытеснения воздуха, показал, что при обводнении сухого образца распространение фронта давления жидкости происходит медленнее, чем в случае насыщенного образца.

Ключевые слова: флюидные инициации, песчанники Буффало, акустическая эмиссия.

DOI: 10.31857/S0002333720060095

Список литературы

  1. Азиз Х., Сеттари Э. Математическое моделирование пластовых систем. Москва-Ижевск: ИКИ. 2004. 416 с.

  2. Барышников Н.А., Зенченко Е.В., Турунтаев С.Б. Изменение проницаемости ультранизкопроницаемого известнякового образца под воздействием сжимающего давления в ходе цикла нагружения – разгрузки // Динамические процессы в геосферах. 2019. № 11. С. 10–17. https://doi.org/10.26006/IDG.2019.11.38471

  3. Гасеми М.Ф. Баюк И.О. Граничные значения параметров строения пустотного пространства петроупругих моделей карбонатных пород // Физика Земли. 2020. № 2. С. 69–88.

  4. Исаева А.В., Сердобольская М.Л. Решение уравнения Бакли–Леверетта со случайным коэффициентом пористости // Вычислительные методы и программирование. 2012. Т. 13. Вып. 4. С. 517–524.

  5. Казначеев П.А., Майбук З.Ю., Пономарев А.В. Оборудование и методика исследования термоакустоэмиссионных эффектов памяти в горных породах // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55. № 1. С. 29–45. https://doi.org/10.21455/si2019.1-2

  6. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. М.: изд-во МГГУ. 2004. 262 с.

  7. Михайлов В.О., Арора К., Пономарев А.В., Шринагеш Д., Смирнов В.Б., Чадда Р. Наведенная сейсмичность в районе водохранилищ Койна и Варна, Индия: обзор современных данных и гипотез // Физика Земли. 2017. № 4. С. 28–39. https://doi.org/10.7868/S0002333717030048

  8. Патонин А.В., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49. № 1. С. 19–34.

  9. Патонин А.В., Шихова Н.М., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Модульная система непрерывной регистрации акустической эмиссии для лабораторных исследований разрушения горных пород // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54. № 3. С. 35–55.

  10. Пономарев В.С. Зонная релаксация напряжений при разгрузке массивов горных пород // Докл. АН СССР. 1981. Т. 259. № 6. С. 1337–1339.

  11. Пономарев В.С. Энергонасыщенность геологической среды. Труды Геологического института РАН. 2008. Вып. 582. 379 с.

  12. Пономарев В.С., Стрижков С.А., Терентьев В.А. Исследования акустической эмиссии образцов горных пород в условиях разгрузки // Докл. АН СССР. 1991. Т. 317. № 5. С. 1112.

  13. Потанина М.Г., Смирнов В.Б., Пономарев А., Бернар П., Любушин А., Шозиеев Ш. Особенности акустической эмиссии при флюидной инициации разрушения по данным лабораторного моделирования // Физика Земли. 2015. № 2. С. 126–138.

  14. Смирнов В., Пономарев А., Станчиц С., Потанина М., Патонин А., Dresen G., Narteau C., Bernard P., Строганова С. Лабораторное моделирование афтершоковых последовательностей: зависимость параметров Омори и Гутенберга–Рихтера от напряжений // Физика Земли. 2019. № 1. С. 149–165. https://doi.org/10.31857/S0002-333720191149-165

  15. Смирнов В.Б., Михайлов В.О., Пономарев А.В., Arora K., Chadha R.K., Srinagesh D., Потанина М.Г. О динамике сезонных компонент наведенной сейсмичности в области Койна–Варна, западная Индия // Физика Земли. 2018а. № 4. С. 100–109.

  16. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Карцева Т.И., Михайлов В.О., Chadha R.K., Айдаров Ф. Динамика наведенной сейсмичности при заполнении Нурекского водохранилища // Физика Земли. 2018б. № 4. С. 110–120.

  17. Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Бернар П., Патонин А.В. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли. 2010. № 2. С. 17–49.

  18. Соболев Г.А. и др. Динамика акустической эмиссии при инициировании водой // Физика Земли. 2010. № 2. С. 50–67.

  19. Соболев Г.А., Пономарев А.В. Динамика разрушения моделей геологической среды при триггерном влиянии жидкости // Физика Земли. 2011. № 10. С. 48–63.

  20. Соболев Г.А., Пономарев А.В., Кольцов А.В., Круглов А.А., Луцкий В.А., Цывинская Ю.В. Влияние инжекции воды на акустическую эмиссию при долговременном эксперименте // Геология и геофизика. 2006. Т. 47. С. 608–621.

  21. Шкуратник В.Л., Новиков Е.А., Вознесенский А.С., Винников В.А. Термостимулированная акустическая эмиссия в геоматериалах. М.: Горная книга. 2015. 241 с.

  22. Bell M.L., Nur A. Strength changes due to reservoir-induced pore pressure and stresses and application to Lake Oroville // Journ. Geoph. Res. 1978. V. 83. P. 4469–4483. https://doi.org/10.1029/JB083iB09p04469

  23. Benson P.M., Austria D.C., Gehne S. et al. Laboratory simulations of fluid-induced seismicity, hydraulic fracture, and fluid flow // Geomechanics for Energy and the Environment. 2019. 100169. https://doi.org/10.1016/j.gete.2019.100169

  24. Burlini L., Di Toro G., Meredith P. Seismic tremor in subduction zones: Rock physics evidence // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. L08305. https://doi.org/10.1029/2009GL037735

  25. Da Silva B.G., Einstein H. Physical processes involved in the laboratory hydraulic fracturing of granite: Visual observations and interpretation // Engineering Fracture Mechanics. 2018. V. 191. P. 125–142.

  26. Fang Y., Elsworth D., Wang C., Ishibashi T., Fitts J.P. Frictional stability-permeability relationships for fractures in shales // J. Geophysical Research: Solid Earth. 2017. V. 122(3). P. 1760–1776. https://doi.org/10.1002/2016JB013435

  27. Faoro I., Vinciguerra S., Marone C., Elsworth D., Schubnel A. Linking permeability to crack density evolution in thermally stressed rocks under cyclic loading // Geophysical Research Letters. V. 40. № 11. P. 2590–2595. https://doi.org/10.1002/grl.50436

  28. Fazio M., Benson P.M., Vinciguerra S. On the generation mechanisms of fluid-driven seismic signals related to volcano tectonics // Geophysical Research Letters. 2017. V. 44. P. 734–742.

  29. French M. E., Wenlu Z., Jeremy B. Fault slip controlled by stress path and fluid pressurization rate // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43(9). P. 4330–4339. https://doi.org/10.1002/2016GL068893

  30. Gahalaut K., Tuan T.A., Purnachandra R.N. Rapid and Delayed Earthquake Triggering by the Song Tranh 2 Reservoir, Vietnam // Bulletin of the Seismological Society of America. 2016. V. 106. № 5. P. 2389–2394. https://doi.org/10.1785/0120160106

  31. Gehne S., Benson P.M. Permeability enhancement through hydraulic fracturing: laboratory measurements combining a 3D printed jacket and pore fluid over-pressure // Sci. Rep. 2019. V. 9. 12573. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49093-1

  32. Gehne S., Benson P.M., Koor N., Dobson K.J., Enfield M., Barber A. Seismo-mechanical response of anisotropic rocks under hydraulic fracture conditions: New experimental insights // J. Geophysical Research: Solid Earth. 2019. V. 124. № 9. P. 9562–9579. https://doi.org/10.1029/2019JB017342

  33. Goswami Deepjyoti, Akkiraju Vyasulu V., Misra Surajit, Roy Sukanta, Singh Santosh K., Sinha Amalendu, Gupta Harsh, Bansal B.K., Nayak Shailesh. Rock strength measurements on Archaean basement granitoids recovered from scientific drilling in the active Koyna seismogenic zone, western India // Tectonophysics. 2017. V. 712–713. P. 182–192.

  34. Gupta H.K. Short-term earthquake forecasting may be feasible at Koyna, India // Tectonophysics. 2001. V. 338. P. 353–357.

  35. Gupta H.K., Arora K., Purnachandra R.N. et al. Investigations of continued reservoir triggered seismicity at Koyna, India / Mukherjee S., Misra A.A., Calvès G., Nemčok M. (eds) Tectonics of the Deccan Large Igneous Province. Geological Society. London: Special Publications. 2016. V. 445. https://doi.org/10.1144/SP445.1110.1144/SP445.11

  36. Huang R.Q., Huang D. Evolution of Rock Cracks Under Unloading Condition // Rock Mech Rock Eng. 2014. V. 47. P. 453–466. https://doi.org/10.1007/s00603-013-0429-0

  37. Ingebritsen S.E., Manning C.E. Permeability of the continental crust: dynamic variations inferred from seismicity and metamorphism // Geofluids. 2010. V. 10(1–2). P. 193–205. https://doi.org/10.1111/j.1468-8123.2010.00278.x

  38. Jayasinghe S., Darmofal D.L., Galbraith M.C., Burgess N.K., Allmaras S.R. Adjoint analysis of Buckley-Leverett and two-phase flow equations // Computational Geosciences. 2018. V. 22. № 2. P. 527–542.

  39. Jones C., Keaney G., Meredith P.G., Murrell S.A.F. Acoustic emission and fluid permeability meas-urements on thermal cracked rocks // Phys. Chem. Earth. 1997. V. 22. № 1–2. P. 13–17.

  40. Lei X., Funatsu T., Ma S., Liu L. A laboratory acoustic emission experiment and numerical simulation of rock fracture driven by a high-pressure fluid source // J. Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2016. V. 8(1). P. 27–34. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2015.02.010

  41. Li N., Zhang S., Yushi Z., Xinfang M., Zhaopeng Z., Sihai L., Ming C., Yueyue S. Acoustic Emission Response of Laboratory Hydraulic Fracturing in Layered Shale // Rock Mech Rock Eng. 2018. V. 51. P. 3395–3406. https://doi.org/10.1007/s00603-018-1547-5

  42. Mayr S.I., Stanchits S., Langenbruch C., Shapiro S. Acoustic emission induced by pore-pressure changes in sandstone samples // Geophysics. 2011. V. 76(3). MA21–MA32.

  43. Molenda M., Stöckhert F., Brenne S., Alber M. Acoustic Emission monitoring of laboratory scale hydraulic fracturing experiments. 49th US Rock Mechanics. Geomechanics Symposium. American Rock Mechanics Association. 2015. ARMA 15–69.

  44. Morrow C.A., Moore D.E., Lockner D.A., Permeability reduction in granite under hydrothermal conditions // J. Geophysical Research. 2001. V. 106. № B12. P. 30551–30560.

  45. Nasseri M.H.B., Schubnel A., Benson P.M., Young R.P. Common evolution of mechanical and trans-port properties in thermally cracked Westerly granite at elevated hydrostatic pressure // Pure Appl. Geophys. 2009. V. 166. P. 927–948. https://doi.org/10.1007/s00024-009-0485-2

  46. Passelègue F.X., Brantut N., Mitchell T.M. Fault Reactivation by Fluid Injection: Controls From Stress State and Injection Rate // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45(23). P. 12837–12846. https://doi.org/10.1029/2018gl080470

  47. Rubinstein J., Vidale J.E., Gomberg J., Bodin P., Creager K.C., Malone S.D. Nonvolcanic tremor driven by large transient shear stresses // Nature. 2007. V. 448. P. 579–582.

  48. Schön J.H. Physical Properties of Rocks. A Workbook. Elsevier. 2011. 494 p.

  49. Shapiro S.A. Fluid-induced seismicity. Cambridge Univ. Press. 2015. 276 p.

  50. Simpson D.W., Leith W.S., Scholz C.H. Two types of reservoir induced seismicity // Bull. Seism. Soc. Am. 1988. V. 78. P. 2025–2040.

  51. Simpson D.W., Stachnik J.C., Negmatoullaev S.K. Rate of Change in Lake Level and Its Impact on Reservoir Triggered Seismicity // Bulletin of the Seismological Society of America. 2018. V. 108(5B). P. 2943–2954. https://doi.org/10.1785/0120180026

  52. Stanchits S., Mayr S., Shapiro S., Dresen G. Fracturing of porous rock induced by fluid injection // Tectonophysics. 2011. V. 503. P. 129–145. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2010.09.022

  53. Ye Z., Ghassemi A. Injection-induced Propagation and Coalescence of Pre-existing Fractures in Granite under Triaxial Stress // J. Geophysical Research: Solid Earth. V. 124. № 8. P. 7806-7821. https://doi.org/10.1029/2019jb017400

  54. Yeh T.-Ch.J., Khaleel R., Carroll K.C. Flow through heterogeneous geologic media. Cambridge Univ. Press. 2015. 343 p.

  55. Zhou H.W., Wang Z.H., Wang C.S., Liu J.F. On Acoustic Emission and Post-peak Energy Evolution in Beishan Granite Under Cyclic Loading // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018. V. 54(2). https://doi.org/10.1007/s00603-018-1614-y

Дополнительные материалы отсутствуют.