近日，中國石油大學(xué)（北京）肖立志教授團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)Weitz實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《Nature-Physics》和《AGU Advances》上發(fā)表論文，探索裂紋如何成核、傳播及終止，多家媒體以及哈佛大學(xué)等合作單位對該項(xiàng)成果進(jìn)行了報(bào)道。

Propagation of extended fractures by local nucleation and rapid transverse expansion of crack-front distortion（基于裂紋前端變形的局部成核和快速橫向擴(kuò)展及延伸裂縫傳播）發(fā)表在《Nature-Physics》上，中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一作者和共同通訊作者單位。

Laboratory Hydrofractures as Analogs to Tectonic Tremors（實(shí)驗(yàn)室水力壓裂模擬地質(zhì)構(gòu)造震顫）發(fā)表在《AGU Advances》上，作者包括Congcong Yuan、Thomas Cochard、Marine Denolle、Joan Gomberg、Aaron Wech、Lizhi Xiao和David Weitz。

由中國石油大學(xué)（北京）和美國哈佛大學(xué)科學(xué)家組成的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，探索了裂紋開始、傳播及結(jié)束的整個(gè)生命周期。肖立志說，這項(xiàng)階段性結(jié)果，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、材料科學(xué)家與地球物理學(xué)家及地震學(xué)家之間的密切合作，可以增進(jìn)我們對石油和天然氣開采過程及地?zé)崮荛_發(fā)、材料科學(xué)、地震等一些基礎(chǔ)問題的理解。正在進(jìn)行的后續(xù)研究工作可能產(chǎn)生更多新的認(rèn)識。

2016年起，由肖立志和Weitz為合作導(dǎo)師的博士后研究員Thomas Cochard被帶領(lǐng)到一個(gè)全新領(lǐng)域，開始系統(tǒng)思考水力壓裂過程中的物理問題。Cochard是這兩篇論文的作者之一，他說：“我們開始這項(xiàng)研究是為了探索其應(yīng)用，但我們很快意識到，裂紋的力學(xué)和動力學(xué)遠(yuǎn)比我們最初想象的要復(fù)雜得多。我們從工程和應(yīng)用的角度來看待這個(gè)問題，最終進(jìn)行了對斷裂的基礎(chǔ)研究。”

揭示裂縫擴(kuò)展

肖立志介紹，水平井和水力壓裂是兩項(xiàng)顛覆性技術(shù)，促成了本世紀(jì)初開始的頁巖油氣革命。水力壓裂，簡稱壓裂，是通過將加壓流體注入到地下從而在巖石中產(chǎn)生裂縫的過程，以便生成連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而顯著增強(qiáng)地層中流體的可流動性。這個(gè)過程，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油和天然氣的開采以及地?zé)崮荛_發(fā)，也能夠在自然界中觀察到，例如在巖漿巖脈的形成中。

由哈佛大學(xué)David A. Weitz和肖立志領(lǐng)導(dǎo)的油氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，最初想要更好地了解水力壓裂過程中天然巖石的斷裂情況和規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)包括來自中國石油大學(xué)（北京）、英國諾丁漢大學(xué)、美國哈佛大學(xué)、塔夫茨大學(xué)、華盛頓大學(xué)、美國地質(zhì)調(diào)查局及以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的科學(xué)家。

為了增加對水力壓裂的認(rèn)識，肖立志和Weitz曾多次深入頁巖氣田考察壓裂作業(yè)現(xiàn)場。Weitz說：“在二維情況下，斷裂已經(jīng)被充分理解，但在三維空間中，實(shí)際斷裂呈現(xiàn)出一系列復(fù)雜行為，這些行為雖然得到廣泛研究，但在基礎(chǔ)層面仍然不為人所知。”

為了理解三維空間中的斷裂，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)流程，在透明材料中造出裂縫，然后注入不同粘度的液體，使用每秒可以捕獲100000張圖像、空間分辨率為數(shù)微米的高速相機(jī)，通過先進(jìn)的聲發(fā)射傳感器，能夠可視化并聽到裂縫在材料中傳播時(shí)的動態(tài)過程。研究發(fā)現(xiàn)，裂縫并不像連續(xù)波那樣在材料中移動，而是走走停停，從起源向外通過一系列高速跳躍傳播。

Cochard說：“這是一個(gè)非常動態(tài)的過程。新裂縫在斷裂停滯前沿線的某個(gè)地方形成，局部扭曲，導(dǎo)致裂縫以聲速在斷裂線方向上擴(kuò)展，然后液體跟進(jìn)。裂縫停止，夜體滲透，引起斷裂前沿應(yīng)變，新的裂縫再次開始遵循相同的動力學(xué)過程。”各種流體粘度下水力壓裂實(shí)驗(yàn)的原始圖像，每秒捕獲100000幀。內(nèi)環(huán)和外環(huán)分別對應(yīng)于液體及斷裂前沿的位置。通過視頻，可以看到裂縫前沿呈現(xiàn)出停止和前進(jìn)的抖動運(yùn)動。振幅和時(shí)間隨流體粘度而變化。研究發(fā)現(xiàn)，這些跳躍之間的振幅和時(shí)間取決于液體的粘度。對于低粘度液體（如水），跳躍之間的時(shí)間很短，因?yàn)榱黧w幾乎瞬間就滲透到裂縫中。對于高粘度液體（如甘油，其粘度類似于蜂蜜），所謂的斷裂前沿（裂縫所在的位置）和流體前沿（液體尖端所在的位置）之間的滯后時(shí)間會增加，因?yàn)楦哒扯攘黧w需要更長的時(shí)間才能滲透到裂縫中并將其擴(kuò)展。

該團(tuán)隊(duì)同時(shí)還開發(fā)了數(shù)值模型。團(tuán)隊(duì)成員、諾丁漢大學(xué)Gabriele Albertini說：“我們的數(shù)值模型基于相同的斷裂理論數(shù)學(xué)方程和假設(shè)，但完全是三維的。我們發(fā)現(xiàn)，模擬能夠以定量的方式重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不需要新的擬合參數(shù)。這表明我們的發(fā)現(xiàn)具有普遍性，適用于在各種情況下產(chǎn)生的裂縫，而不僅僅是流體驅(qū)動裂縫的特定情況。”

破解地震機(jī)制

使用相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和流程，團(tuán)隊(duì)把注意力轉(zhuǎn)向天然地震——畢竟，地震是由構(gòu)造板塊中的斷裂引起的。團(tuán)隊(duì)具體研究了慢滑和構(gòu)造震動，也稱為慢地震。團(tuán)隊(duì)成員、哈佛地球與行星科學(xué)系博士生、AGU Advances論文的第一作者袁聰聰說：“慢地震非常重要，因?yàn)樗鼈兛赡軙l(fā)大地震，盡管與常規(guī)地震相比，它們移動得很慢。以前的研究觀察到，流體可以在調(diào)節(jié)慢滑及構(gòu)造震動事件方面發(fā)揮作用，但是水力裂縫如何調(diào)節(jié)流體流動并與剪切裂縫相互作用尚未被理解。”

哈佛大學(xué)與來自中國石油大學(xué)（北京）、華盛頓大學(xué)及美國地質(zhì)調(diào)查局的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，水力裂縫，也稱為拉伸裂縫，在產(chǎn)生構(gòu)造震動方面起著重要作用。研究中通過在材料中注入流體并使用慢動作視頻和聲發(fā)射來映射裂縫的傳播，模擬了慢地震。實(shí)驗(yàn)觀察到的起停裂縫動力學(xué)，“在美國卡斯卡迪亞地區(qū)，也可以在巖石露頭的地質(zhì)記錄中找到水力壓裂的證據(jù)，這些巖石露頭位于構(gòu)造震動的深度處。以前人研究為基礎(chǔ)，我們提出構(gòu)造震動可能不僅僅是兩個(gè)板塊之間的剪切滑動，還可能是由水力裂縫引起的，這些水力裂縫促進(jìn)了流體輸運(yùn)和整體剪切滑動”。

袁聰聰?shù)牟┦空撐膶?dǎo)師、哈佛地球與行星科學(xué)系Marine Denolle說：“我們看到了地表觀測到的構(gòu)造震動如何成為深部水力裂縫的新證據(jù)。作為地球物理學(xué)家，我們只是假設(shè)構(gòu)造運(yùn)動是剪切的，但現(xiàn)在通過實(shí)驗(yàn)表明，水力裂縫與地質(zhì)記錄一致。這是第一篇全面的實(shí)驗(yàn)室研究流體如何影響構(gòu)造震動的論文。”

兩篇論文反映了多個(gè)研究領(lǐng)域——應(yīng)用物理、實(shí)驗(yàn)物理及材料科學(xué)和地震科學(xué)的合作與進(jìn)步。

中國石油大學(xué)（北京）-哈佛大學(xué)油氣科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于2016年，2019年成為非常規(guī)油氣教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的主體。其科學(xué)目標(biāo)是利用多尺度高分辨光電聲及核磁共振等觀測手段，探索多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)、流動及動力學(xué)等基礎(chǔ)問題，為地下潔凈能源的勘探開發(fā)及高效利用提供新理論和新方法。

（編輯  胡桂宇）