ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2019, том 20, № 4, с. 5-24. https://doi.org/10.21455/gr2019.4-1

УДК 539.219.2

Аннотация Литература  Полный текст

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ КРИТИЧЕСКИ НАПРЯЖЕННЫХ ТРЕЩИН НА РАЗНЫХ ГЛУБИНАХ

© 2019 г. Н.В. Дубиня(1,2)

(1) Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), г. Долгопрудный, Московская обл., Россия

(2) Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

Работа посвящена анализу поведения критически напряженных трещин, существующих в горных породах, слагающих верхние слои земной коры. Основное внимание уделено пространственной ориентации таких трещин, в частности, азимутам и углам падения, под которыми естественные сдвиговые трещины могут находиться в критическом напряженном состоянии на разных глубинах; рассмотрены глубины до 3 км. Представлено аналитическое выражение, позволяющее определять границы возможных значений углов падения критически напряженных трещин для известной глубины и соотношения между главными напряжениями. Описано использование стереограмм для исследования пространственной ориентации критически напряженных трещин с построением их серий, позволяющих определять основные тенденции изменения свойств зон трещиноватости с глубиной. Рассмотрена зависимость углов падения и азимутов критически напряженных трещин на разных глубинах от эффективного коэффициента внутреннего трения горных пород. Определены граничные значения глубин, на которых могут возникать критически напряженные трещины при разных тектонических режимах. Найдена максимальная глубина, на которой может находиться критически напряженная трещина, существующая во взбросовом режиме, и минимальная глубина, на которой трещина может быть критически напряженной, если в регионе преобладает сбросовый тектонический режим. Показано, что область критически напряженных трещин может быть построена на стереограмме, характеризующей некоторый представительный объем трещиноватой горной породы при известных компонентах тензора напряжений, действующих в нем. Если при этом выполняется предположение о субвертикальности одной из главных осей тензора напряжений, то для построения стереограммы критически напряженных трещин достаточно данных о глубине объекта исследования и соотношении между действующими в регионе горизонтальными напряжениями. Полученные результаты могут быть использованы для предварительного анализа зон трещиноватости, развивающейся в массивах горных пород.

Ключевые слова: геомеханика, напряжение, критически напряженные трещины, коэффициент внутреннего трения.

Литература

Гарагаш И.А., Дубиня Н.В., Русина О.А., Тихоцкий С.А., Фокин И.В. Определение прочностных свойств горных пород по данным трехосных испытаний // Геофизические исследования. 2018. Т. 19, № 3. С.57–72.

Иноземцев А.Н., Ольнева Т.В., Ежов К.А., Семин Д.Г., Богатырев И.Ю. Оценка информативности векторных анизотропных карт на основе комплексирования сейсмических, скважинных и региональных данных // Геофизика. 2017. № 4. С.53–61.

Каменев П.А., Богомолов Л.М. О распределении по глубине коэффициента внутреннего трения и сцепления в массивах осадочных пород о. Сахалин // Геофизические исследования. 2017. Т. 18, № 1. С.5–19.

Осокина Д.Н. Исследование механизмов деформирования массива в зоне разрыва на основе изучения трехмерного поля напряжений (математическое моделирование) // М.В. Гзовский и развитие тектонофизики. М.: Наука, 2000. С.220–245.

Расцветаев Л.М. Структурные рисунки трещиноватости и их геомеханическая интерпретация // Докл. АН СССР. 1982. Т. 267, № 4. С.904–909.

Родионов В.Н., Сизов И.А., Цветков В.М. Основы геомеханики. М.: Недра, 1986. 304 с.

Сим Л.А. Изучение тектонических напряжений по геологическим индикаторам (методы, результаты, рекомендации) // Известия вузов. Геология и разведка. 1991. № 10. С.3–22.

Стефанов Ю.П., Бакеев Р.А. Формирование цветковых структур нарушений в слое геосреды при разрывном горизонтальном сдвиге основания // Физика Земли. 2015. № 4. С.81–93.

Стефанов Ю.П., Бакеев Р.А., Ребецкий Ю.Л., Конторович В.А. Структура и стадии формирования разломной зоны в слое геосреды при разрывном горизонтальном сдвиге основания // Физическая мезомеханика. 2013. Т. 16, № 5. С.41–52.

Allmendinger R.W., Cardozo N., Fisher D.M. Structural Geology Algorithms Vectors and Tensors. Cambridge: Cambridge University Press, 2012. 303 p.

Barton C.A., Zoback M.D., Moos D. Fluid flow along potentially active faults in crystalline rocks // Geology. 1995. V. 23, N 8. P.683–686.

Bayuk I.O., Dubinya N.V., Garagash I.A., Tikhotskiy S.A., Tikhotskaya O.A. Multiscale Rock-Physics Modeling of Effective Elastic Properties of Fractured Reservoir Rocks // ARMA 19–415 presented at the 53rd US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium held in New York, USA, 23-26 June 2019. 9 p.

Biot M.A. Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media // Journal of Applied Physics. 1962. V. 33, N 4. P.1482–1498.

Bisdom K., Bertotti G., Nick H.M. The impact of different aperture distribution models and critical stress criteria on equivalent permeability in fractured rocks // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2016. V. 121, N 5. P.4045–4063.

Bruno G., Kachanov M., Sevostianov I., Shyam A. Micromechanical modeling of non-linear stress-strain behavior of polycrystalline microcracked materials under tension // Acta Materialia. 2018. V. 164. P.50–59.

Cerfontaine B., Collin F. Cyclic and fatigue behaviour of rock materials: review, interpretation and research perspectives // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018. V. 51, N 2. P.391–414.

Chan A.W., Brem A.G., Abd Rahim M.H. Lost Circulations Due to Fault Reactivation and the Implications on Stress Characterization // ARMA 19–492 presented at the 53rd US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium held in New York, USA, 23-26 June 2019. 10 p.

David E.C., Brantut N., Schubnel A., Zimmerman R.W. Sliding crack model for nonlinearity and hysteresis in the uniaxial stress-strain curve of rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2012. V. 52. P.9–17.

Dubinya N. Stress state estimation based on local variations of effective elastic moduli caused by presence of critically stressed fractures // ARMA 19–139 presented at the 53rd US Rock Mechanics/Geomechanics Symposium held in New York, USA, 23-26 June 2019. 10 p.

Dubinya N. Patterns of hydraulically conductive fractures’ positions and spatial orientations near large faults // SPE 196900 presented at SPE Russian Petroleum Technology Conference held in Moscow, Russia, 22-24 October 2019. 21 p.

Fan J., Chen J., Jiang D., Chemenda A., Chen J., Ambre J. Discontinuous cyclic loading tests of salt with acoustic emission monitoring // International Journal of Fatigue. 2017. V. 94. P.140–144.

Fisher Q.J., Casey M., Harris S.D., Knipe R.J. Fluid-flow properties of faults in sandstone: The importance of temperature history // Geology. 2003. V. 31, N 11. P.965–968.

Gao Z., Zimmerman J.W., Kachanov M. On microstructural mechanisms causing non-linear stress-strain behavior of porous ceramics under tension // Int. J. Fract. 2013. V. 183. P.283–288.

Hickman S.H., Barton C.A., Zoback M.D., Morin R., Sass J., Benoit R. In situ stress and fracture permeability along the Stillwater fault zone, Dixie Valley, Nevada // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 1997. V. 34. P.3–4.

Hoek E., Brown E.T. Underground Excavations in Rock. London: Champan & Hall, 1980. 532 p.

Ito T., Zoback M.D. Fracture permeability and in situ stress to 7 km depth in the KTB scientific drillhole // Geophysical Research Letters. 2000. V. 27, N 7. P.1045–1048.

Kolditz O., Gorke U.J., Shao H., Wang W. Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical Processes in Porous Media: Benchmarks and Examples. Switzerland: Springer International Publishing Switzerland, 2016. 243 p.

Ligtenberg J.H. Detection of fluid migration pathways in seismic data: implications for fault seal analysis // Basin Research. 2005. V. 17. P.141–153.

Mas D., Chemenda A.I. An experimentally constrained constitutive model for geomaterials with simple friction–dilatancy relation in brittle to ductile domains // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2015. V. 77. P.257–264.

Mattila J., Follin S. Does In Situ State of Stress Affect Fracture Flow in Crystalline Settings? // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2019. V. 124, N 5. P.5241–5253.

Rogers S. Critical stress-related permeability in fractured rocks. Fracture and in situ stress characterization of hydrocarbon reservoirs // Geological Society, London, Special Publications. 2002. V. 209. P.7–16.

Sathar S., Reeves H.J., Cuss R.J., Harrington J.F. The role of stress history on the flow of fluids through fractures // Mineralogical Magazine. 2012. V. 76, N 8. P.3165–3177.

Schwab D.R., Bidgoli T.S., Taylor M.H. Characterizing the potential for injection-induced fault reactivation through subsurface structural mapping and stress field analysis, Wellington Field, Sumner County, Kansas // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. V. 122. P.10,132–10,154.

Sheorey P.R. A theory for in situ stresses in isotropic and transversely isotropic rock // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 1994. V. 31, N 1. P.23–34.

Snyder J.P. Map Projections – A Working Manual. Washington D.C.: U.S. Government Printing Office, 1987. 397 p.

Townend J., Zoback M.D. How faulting keeps the crust strong // Geology. 2000. V. 28, N 5. P.399–402.

Zhigulskiy S., Rotaru A., Kurbanov V., Zadvornov D., Maximov D., Eremeev A., Rijikov P. The Analysis of Critically Stressed Fractures with Reconstruction of Tectonic Stresses for Ranging the Area by Production Rates via Example of Riphean Carbonate Fractured Reservoir. SPE 176637-18RPTC presented at SPE Russian Petroleum Technology Conference held in Moscow, Russia, 15-17 October 2018. 14 p.

Zhu H., Jin X., Guo J., An F., Wang Y., Lai X. Coupled flow, stress and damage modelling of interactions between hydraulic fractures and natural fractures in shale gas reservoirs // Int. J. Oil Gas Coal T. 2016. V. 13, N 4. P.359–390.

Zoback M.D. Reservoir Geomechanics. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 505 p.