地下工程中广泛存在的结构面，显著增强了岩体结构的非均质性，并直接影响了岩体的物理力学性质。对地下结构面网络的表征及其在应力扰动下的动态演化进行研究，是地球科学的重要命题。

水力压裂技术是一个典型的强应力扰动过程，广泛应用于非常规储层（如页岩油气、煤层气开发）和清洁能源（如地热开发）等领域。这一过程通过产生复杂的高渗裂缝网络，来增强储层岩体的渗流性能。然而，水力压裂过程发生在地下深部储层，无法直接观察，尤其深层岩体通常会形成复杂的结构面网络，其对水力裂缝产生与扩展的影响过程尚不完全清晰。因此，系统地研究天然结构面网络对水力压裂过程的影响，并评估裂缝网络连通性的动态演化，是当前地球科学领域的研究热点与难点。

为解决这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所朱维伟特聘副研究员、祁生文研究员，联合清华大学王沫然教授、中国石化勘探开发研究院陈志强博士及沙特阿美首席专家Ali Yousef博士团队，提出了一种基于离散元法（DEM）与格子玻尔兹曼法（LBM）结合离散裂缝网络耦合的水力压裂模拟方法。该方法利用离散元法模拟固体颗粒的变形行为，同时结合格子玻尔兹曼法模拟流体的流动过程。通过朱维伟副研究员自主研发的离散裂缝网络建模软件 HatchFrac，可以生成不同形态的天然结构面网络（如图1c所示）。进一步通过与离散元颗粒面的相交检查，确定与结构面网络相交的颗粒面，并将其定义为结构面片段。每个结构面片段的联结强度通过Weibull分布进行描述，从而建立了含结构面网络的强非均质岩体模型，并考虑复杂的天然结构面网络对水力压裂的影响。

图1 (a) DEM-LBM数值模拟计算域；(b)含天然结构面网络的强非均质岩体；(c)利用自主开发的离散裂缝网络软件HatchFrac生成的天然结构面网络及其方向分布

水力压裂过程受到多种复杂因素的影响，包括地应力、岩体渗透率、岩体强度非均质性、注入速率、流体粘度等。他们假设岩体的非均质性完全通过天然结构面网络来表征，并重点考虑注入速率和流体粘度对水力压裂过程的影响。在天然结构面网络的建模中，主要考虑了结构面方向、集群效应以及强度非均质性对水力压裂过程的影响。通过Taguchi正交设计，共设计了18个水力压裂案例，以系统研究不同因素对裂缝网络演化的影响。

结果表明，天然结构面网络的强度非均质性对水力压裂过程具有重要影响：较弱的天然结构面使水力裂缝更容易沿弱面扩展，从而降低注入压力和能量；相反，强度较强的天然结构面则会阻碍裂缝扩展（如图2c所示），导致注入流体压力升高，直到压力足够大以破坏天然结构面或克服地应力，从而改变裂缝的扩展方向。因此，天然结构面的存在使得水力压裂过程中形成的裂缝网络更加复杂。由于孔隙压力和局部地应力变化，局部天然结构面可能被激活，形成局部集群。随着水力压裂的进行，不同结构面集群可能联结，形成更大的集群，最终降低注入压力。

图2 案例1中不同时间的水力裂缝扩展情况。当裂缝扩展路径遇到较强的联结时，如（c）放大图所示，需要更高的注入压力才能破坏这些联结并继续扩展。放大区域中的裂缝类型如（d1）所示，其中方框表示拉张裂缝，圆圈表示剪切裂缝，颜色渐变从红色到蓝色表示裂缝强度的递减。

水力裂缝中的流体压力较高，会改变其周围的应力状态，使得强度较低的天然结构面发生活化。如果应力影响范围波及到边界，会导致应力叠加增强，形成局部较大范围的裂缝集群（如图3所示）。自然界中存在不同类型的边界，如断层等，应力的叠加将引起复杂应力场的重分布，局部应力集中，可能会重新激活天然结构面，甚至诱发断层活动，引发地震。

图3 在案例3中不同时间的剪切力演化过程，单位为牛顿（N）。如（b）至（d）所示，主水力裂缝的附近区域剪切力增加。如（c）和（d）所示，主水力裂缝的影响扩展至角落区域，导致应力的叠加效应

由于岩体的非均质性，水力压裂过程中形成了复杂的裂缝网络，包括从流体注入口（射孔处）发育的水力裂缝和不与水力裂缝相连的局部天然裂缝，构成了一个复杂的多集群系统。通过自主提出的多集群裂缝网络连通性表征指标Ct，可以定量描述复杂多集群裂缝网络的连通性动态演化规律。

水力主裂缝所在的裂缝集群称为中心集群，与局部裂缝集群区分开来。裂缝集群中的大多数裂缝经历剪切破坏（剪切应变大于拉张应变），且随着强度非均质性的增强，剪切破坏的比例也增加。拉张破坏的裂缝主要存在于中心集群中，而局部裂缝集群则主要由强度较弱的天然结构面剪切破坏所形成。多集群裂缝网络的连通性由中心集群和局部集群的贡献共同决定。在非均质性较弱的算例中，中心集群的贡献可以超过80%。连通性最好的算例通常特征为较弱的裂缝强度非均质性、较高的注入速度和流体粘度；而连通性最差的算例则具有较强的裂缝强度非均质性、较小的注入速度和流体粘度。裂缝网络的连通性与流体产量之间存在正相关关系，但两者并不完全等价，相关系数为0.60。通过对典型算例进行气水两相流动模拟（图4所示）发现，产量与生产井直接或间接相连的裂缝总长度相关性最高。如果局部裂缝集群未与生产井相连，短期内由于基质的低渗透性，其对产量的影响较小。然而，从长期来看，局部裂缝仍能减少流体在低渗基质中的运移距离，并且在进一步的压裂过程中，有可能与其他裂缝集群联结，从而对产量的提高做出贡献。

图4 利用UNCONG软件进行典型案例（1,12,5,7）水气两相流动模拟的气体压力分布

研究成果发表于国际学术期刊JGR:Solid Earth(朱维伟，陈志强， Xupeng He， 刘婧瑶，郭松峰，郑博文，Ali Yousef，祁生文^*，王沫然^*. Numerical analysis of the dynamic mechanisms in hydraulic fracturing with a focus on natural fractures. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2024JB029487. DOI:10.1029/2024JB029487.)。研究受国家自然科学基金项目（No. 42141009, No. 2019YFA0708704）、中国科学院地质与地球物理研究所重点研究项目（No. IGGCAS‐202201)、中国科学院青促会项目（No.2023073）和第二次青藏高原科考项目（No. 2019QZKK0904）资助。

朱维伟副研究员