本發(fā)明屬于地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)，具體涉及一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速，能源需求持續(xù)攀升，水力壓裂、廢水注入等工業(yè)活動規(guī)模不斷擴(kuò)大。在這些活動中，大量高壓水被強(qiáng)制注入地下。地下復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中廣泛分布著斷層，當(dāng)高壓水注入后，可能打破斷層原有的力學(xué)平衡，致使斷層活化。斷層一旦活化，便可能發(fā)生不穩(wěn)定滑動，進(jìn)而引發(fā)地震活動。嚴(yán)重情況下，甚至?xí)?dǎo)致具有破壞性的地震，給人類生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境帶來巨大威脅。

2、為了深入理解地震孕育過程與發(fā)生機(jī)理，實(shí)驗(yàn)室誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。該實(shí)驗(yàn)憑借其成本相對較低、實(shí)驗(yàn)條件可控性高以及研究內(nèi)容全面等諸多優(yōu)勢，成為地球科學(xué)領(lǐng)域研究地震的重要手段，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注與深入研究。從實(shí)驗(yàn)加載方式的維度進(jìn)行分類，目前主要包括直剪注入實(shí)驗(yàn)、雙軸注入實(shí)驗(yàn)以及三軸注入實(shí)驗(yàn)等。

3、在眾多實(shí)驗(yàn)方式中，三軸注入實(shí)驗(yàn)由于其在模擬地下應(yīng)力環(huán)境方面具有一定優(yōu)勢，應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)有的三軸注入實(shí)驗(yàn)裝置大多是在傳統(tǒng)圍壓三軸裝置的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來。然而，實(shí)際地層中斷層所處的賦存環(huán)境呈現(xiàn)為真三軸應(yīng)力狀態(tài)，即三個方向的主應(yīng)力大小各不相等。顯然，現(xiàn)有的基于圍壓三軸的注入裝置及方法，無法準(zhǔn)確模擬斷層在真實(shí)地層中的受力狀態(tài)，存在明顯的局限性。相比之下，真三軸注入裝置能夠更貼近實(shí)際誘發(fā)地震的發(fā)生情況，在誘發(fā)地震相關(guān)研究中展現(xiàn)出更好的效果與更高的創(chuàng)新性，更有利于揭示注水誘發(fā)地震的內(nèi)在機(jī)制。但目前已有的真三軸注水裝置，主要聚焦于巖石滲流或斷層失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)，對于注水誘發(fā)地震這一復(fù)雜過程的模擬缺乏系統(tǒng)性和針對性，特別是在注水步驟的設(shè)計(jì)上，未能充分考慮實(shí)際工業(yè)活動中的多種注水方式以及地震發(fā)生的復(fù)雜物理過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的如何在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，精準(zhǔn)模擬真實(shí)地層中三向應(yīng)力均不相等的復(fù)雜條件下，注水操作引發(fā)斷層失穩(wěn)并最終誘發(fā)地震的完整過程的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

3、s1、采用巖石材料制作邊長為a?cm×a?cm×a?cm的正方體模型，沿對角線斜切形成斷層面，在斷層下盤中心從底部向斷層面鉆取注水孔，并沿?cái)鄬用婢鶆蛟O(shè)置水壓檢測孔；

4、s2、將高精度高壓水泵與注水孔連接，注水浸潤斷層面至飽和；

5、s3、使用真三軸裝置對斷層模型施加力，使其達(dá)到大、中、小主應(yīng)力均不相等的真三軸應(yīng)力狀態(tài)，并保持該狀態(tài)d?min；

6、s4、將真三軸裝置從力加載切換為位移加載，驅(qū)動斷層模型自發(fā)失穩(wěn)，計(jì)算震間失穩(wěn)周期t；

7、s5、通過設(shè)置循環(huán)次數(shù)n，以t/n為周期，采用e?ml/min的恒定注入速率和不注水交替進(jìn)行振蕩注水，或采用恒定速率f?ml/min以震間失穩(wěn)周期t?為間隔進(jìn)行注水，探究注水誘發(fā)地震的機(jī)制。

8、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述正方體模型邊長的制作精度控制在±m(xù)?cm，斷層面的切割角度誤差控制在±n°，以保證模型的準(zhǔn)確性。

9、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在注水浸潤斷層面過程中，注水速率控制在g?ml/min至hml/min之間，確保浸潤過程的穩(wěn)定性。

10、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，真三軸裝置加載力的精度控制在±xn，應(yīng)力加載速率控制在y?mpa/min，以確保加載過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

11、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在位移驅(qū)動斷層自發(fā)失穩(wěn)過程中，位移速率控制在z?cm/min至w?cm/min之間，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的斷層自發(fā)失穩(wěn)。

12、在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在注水誘發(fā)地震過程中，同步監(jiān)測水壓檢測孔的水壓變化、斷層位移、應(yīng)力變化等參數(shù)，并進(jìn)行聯(lián)合分析。

13、本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

14、該真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中高度逼真地模擬真實(shí)地層中三向應(yīng)力均不相等的復(fù)雜條件，以及注水操作引發(fā)斷層失穩(wěn)并誘發(fā)地震的全過程，通過精心設(shè)計(jì)的斷層模型加工、真三軸應(yīng)力加載以及多樣化的注水方案設(shè)置，克服了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)手段難以模擬真實(shí)地層應(yīng)力狀態(tài)的難題，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際情況，為深入研究注水誘發(fā)地震機(jī)制提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

15、通過系統(tǒng)地改變注水速率、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，以及結(jié)合位移驅(qū)動斷層自發(fā)失穩(wěn)過程，能夠全面深入地探究注水誘發(fā)地震的震源物理機(jī)制，該方法不僅能觀察到斷層失穩(wěn)的宏觀現(xiàn)象，還能借助同步監(jiān)測的水壓變化、斷層位移、應(yīng)力變化等多組數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，深入挖掘地震發(fā)生的內(nèi)在物理過程，填補(bǔ)了當(dāng)前對注水誘發(fā)地震震源機(jī)制理解的空白；

16、基于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科研人員和相關(guān)部門能夠更準(zhǔn)確地評估地下流體注入活動引發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)，制定更科學(xué)有效的地震預(yù)防和應(yīng)對策略，從而降低地震災(zāi)害對人類生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境的威脅；

17、本實(shí)驗(yàn)方法能夠?yàn)閮?yōu)化注水方案提供科學(xué)依據(jù)，通過模擬不同注水方式對斷層穩(wěn)定性的影響，工業(yè)從業(yè)者可以選擇更安全、合理的注水參數(shù)，避免因注水操作不當(dāng)引發(fā)地震活動，保障工業(yè)活動的安全開展，促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，該真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，能精準(zhǔn)模擬真實(shí)地層應(yīng)力及注水條件，為研究注水誘發(fā)地震提供可靠手段，對地震預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害防控及相關(guān)工業(yè)安全意義重大。

技術(shù)特征：

1.一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：所述正方體模型邊長的制作精度控制在±m(xù)?cm，斷層面（1）的切割角度誤差控制在±n°，以保證模型的準(zhǔn)確性。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：在注水浸潤斷層面（1）過程中，注水速率控制在g?ml/min至h?ml/min之間，確保浸潤過程的穩(wěn)定性。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：真三軸裝置加載力的精度控制在±xn，應(yīng)力加載速率控制在y?mpa/min，以確保加載過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：在位移驅(qū)動斷層自發(fā)失穩(wěn)過程中，位移速率控制在z?cm/min至w?cm/min之間，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的斷層自發(fā)失穩(wěn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于：在注水誘發(fā)地震過程中，同步監(jiān)測水壓檢測孔（5）的水壓變化、斷層位移、應(yīng)力變化等參數(shù)，并進(jìn)行聯(lián)合分析。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，該方法先制作含斷層的正方體巖石模型，斜切形成斷層面，布設(shè)注水及水壓檢測孔，注水浸潤斷層面至飽和后，利用真三軸裝置施加三向不等應(yīng)力并保持穩(wěn)定，隨后通過位移驅(qū)動斷層自發(fā)失穩(wěn)，計(jì)算震間失穩(wěn)周期，最后設(shè)置循環(huán)或恒定速率注水方案，模擬工業(yè)流體活動，探究注水誘發(fā)地震機(jī)制。該真三軸應(yīng)力條件下流體注入誘發(fā)地震實(shí)驗(yàn)方法，能精準(zhǔn)模擬真實(shí)地層應(yīng)力及注水條件，為研究注水誘發(fā)地震提供可靠手段，對地震預(yù)測、地質(zhì)災(zāi)害防控及相關(guān)工業(yè)安全意義重大。

技術(shù)研發(fā)人員：汪沖浪,夏開文,徐穎,王帥垚,董鵬,王高昂,吳幫標(biāo),姚偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15