Разрушение под действием флюида. Гидравлический разрыв

Если в среде действует давление флюида, то центр круга Мора, представляющего ранее напряженное состояние без флюида, смещается влево по оси нормального напряжения на величину P_f (рис. 3.7). В результате круг Мора может касаться огибающей Мора, т. е. под влиянием флюида происходит разрушение материала. Это чисто физический эффект жидкости, не зависящий от ее химической природы (разд. 3.3.2).

Рис. 3.7. Влияние парциального давления флюида Р_f на разрушение, a-большое напряжение (круг большого радиуса) и малое Р_f : разрушение путем скалывания; б низкое напряжение (круг малого радиуса) и большое Р_f : разрушение путем растяжения

При достаточно большом начальном девиаторном напряжении (радиус круга Мора) слабого увеличения давления флюида достаточно для сдвига круга Мора в положение контакта с огибающей Мора, где наклон последней к горизонтальной оси мал (рис. 3.7, а). Соответствующий угол а велик, и разрушение происходит путем образования трещин скалывания. Напротив, когда девиаторное напряжение мало (рис. 3.7, 6), давление флюида при разрушении приближается к давлению в твердой среде (всестороннему давлению).

Тогда смещение круга напряжений будет существенным: при разрушении он касается огибающей Мора вблизи ее начала, где она имеет большой наклон. Угол а здесь мал, и разрушение происходит путем растяжения.

Образующиеся разрывы могут на время раскрывать подземные каналы, из которых флюид выталкивается. После этого давление флюида в пористой среде падает, и разрывы закрываются. Раскрытие и закрытие разрывов, через которые выбрасываются порции флюида, могут действовать периодически подобно клапану.

Таким образом, породы, в которых реакции дегидратации или частичное плавление создают давление флюида, достигающее давления в твердом каркасе, благодаря трещинообразованию могут становиться пористыми на большой глубине. Влияние давления флюидов на трещинообразование не ограничивается малыми глубинами.

Гидравлический разрыв. Если давление флюида в непроницаемых породах превысит их прочность, последние разрушаются (рис. 3.8). Эта ситуация возникает, когда область избыточного флюидного давления окружена непроницаемыми породами или перекрыта ими. К причинам, порождающим избыточное давление, относятся некоторые реакции дегидратации и частичное плавление, сопровождающееся увеличением объема (рис. 3.8, а), а также гравитационные силы, действующие в кровле столба флюида, менее плотного по сравнению с окружающей его твердой средой (рис. 3.8, 6).

Рис. 3.8. Принцип гидравлического разрыва. Избыточное давление флюида вызывает разрушение в непроницаемой среде, а - избыточное давление вызвано увеличением объема вследствие реакций дегидратации и плавления, происходящих в затененной области; б - избыточное давление вызвано столбом флюида (р, < р2)

Непроницаемый слой, препятствуя течению флюида к поверхности, также приводит к достижению или превышению давления флюида по сравнению с давлением в твердой среде. Подстилающий материал может размельчаться вследствие трещинообразования и превращаться в суспензию твердых частиц в жидком матриксе, если доля флюида превышает 35%. В таком случае материал разуплотняется.

При этом среда теряет механическую прочность и по вязкости приближается к жидкости. Такая разжиженная масса способствует образованию срывов, создающих тектонические покровы. В процессе перемещения породы покрова освобождаются от флюидов, и зона срыва консолидируется в виде тектонической брекчии, как, например, в формации Каргнойлес в альпийских покровах.

Инъекция жидкости под давлением, превышающим сопротивление пород, используется при бурении, чтобы раздробить породы in situ (гидравлический разрыв). Этот метод эффективно применяется для искусственной генерации или увеличения локальной проницаемости пород в нефтедобыче и для реализации геотермальных проектов, когда требуется усилить теплообмен между флюидами и твердыми породами.