流体注入诱发页岩断层失稳活化试验研究
作者：
刘建锋, 赵呈星, 代航宇, 魏进兵, 杨建雄
作者单位：
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摘要
为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因, 采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验, 分析了页岩断层失稳活化的过程与特征, 探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注水速率的影响, 揭示了断层失稳活化前后的渗透率演变规律, 讨论了流体注入激活断层机制及超压现象的触发成因。研究结果表明: 临界应力状态、法向应力和注水速率变化会对断层的失稳活化产生影响。剪切应力越接近抗剪强度, 断层对流体注入的敏感性越强, 较低的流体压力即可诱发断层失稳活化; 增大法向应力会降低断层对流体注入的敏感性, 提高注水速率会增强其敏感性, 两者的上升均会导致断层失稳活化更加剧烈。此外, 断层失稳活化后的渗透率显著增加, 这与瞬时剪切膨胀效应引起的有效水力孔径增大有关。流体超压现象主要源于断层面上流体压力的异质性分布, 当沿断层长度方向已形成完整水力通道时, 应优先考虑断层宽度方向上流体压力的异质性分布对流体超压现象的触发机制。本研究有助于揭示页岩气开采中流体注入诱发断层失稳活化机制, 并为降低地震风险的工程措施设计提供理论参考和科学依据。
图片
图 1 龙马溪页岩试样(单位: mm)
图 2 流体注入诱发断层活化试验装置
图 3 流体注入诱发断层活化试验加载流程示意
图 4 不同临界应力状态下流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化过程
图 5 页岩断层的激活注水压力Pi(E)、失稳注水压力Pi(F)、激活监测压力Po(E)及失稳监测压力Po(F)
图 6 实际激活流体压力Pf(E)和实际失稳流体压力Pf(F)随法向应力和注水速率的变化
图 7 龙马溪页岩断层在静水压力下及多次失稳活化前后的渗透率
图 8 渗透率变化幅度Ws和剪切滑移峰值速率 Vmax(Ds)间的关系
图 9 莫尔−库仑准则下页岩断层在激活前后的应力状态
图 10 页岩断层在不同临界应力状态下的流体超压比Rf
图 11 流体超压比Rf随法向应力和注水速率的变化
图 12 应力状态、法向应力及注水速率对流体压力分布的影响机制
作者简介
通讯作者简介：
赵呈星（1997—），重庆开州人，四川大学在读博士研究生。主要研究方向包括深部岩体力学、岩石多场耦合试验、断层摩擦滑动机制与稳定性评价等方面。参与国家自然科学基金（联合基金）项目、国家自然科学基金面上项目等。累计发表学术论文20余篇，授权发明/实用新型专利10余项。
本文引用格式
刘建锋, 赵呈星, 代航宇, 等. 流体注入诱发页岩断层失稳活化试验研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2025, 7(1): 013042. DOI: 10.13532/j.jmsce.cn10-1638/td.2024-1387
LIU Jianfeng, ZHAO Chengxing, DAI Hangyu, et al. Experimental study on shale fault instability and reactivation induced by fluid injection[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering, 2025, 7(1): 013042. DOI: 10.13532/j.jmsce.cn10-1638/td.2024-1387
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