酸性环境下碳酸盐岩亚临界裂纹对合并过程的化学-力学耦合机制研究

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Coalescence of a subcritical crack pair in carbonate rocks upon acidizing

本研究针对致密低渗透碳酸盐岩储层酸化压裂过程中裂纹扩展与合并的复杂耦合机制，通过建立反应性化学-力学全耦合模型，揭示了内部增压与酸性环境共同作用下相邻裂纹尖端塑性区合并的三阶段演化规律。研究发现酸度增强和岩石微裂纹敏感性可显著加速损伤演化与化学溶解的正反馈，为优化非常规油气藏增产方案提供了理论依据。

　　

随着全球能源危机加剧和清洁能源需求增长，非常规油气藏的开发已成为能源领域的焦点。致密低渗透碳酸盐岩储层需要通过酸化压裂等增产措施才能实现经济开采，其中裂纹网络的生成与扩展是关键。然而，在应力重分布、矿物溶解、弹粘塑性变形等多物理场耦合作用下，相邻裂纹如何通过尖端过程区相互作用并最终合并的机理尚不明确。

南京航空航天大学民航学院的研究团队在《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》发表论文，建立了反应性化学-弹粘塑性本构框架，通过MOOSE多物理场有限元平台实现了对双钝头共线裂纹合并过程的数值模拟。研究首次系统揭示了酸性环境和内部增压共同驱动下裂纹合并的多阶段发展规律。

研究采用的关键技术包括：反应性弹粘塑性本构模型构建（耦合质子扩散、溶解诱导刚度退化、损伤演化等过程）、基于Perzyna过应力模型的率相关屈服描述、微裂纹增强溶解效应的量化表征方法，以及多场耦合方程组的无量纲化处理技术。

4.1 酸化和内部增压联合作用下化学场和力学场的演化

通过分析pH值分布发现，在约30小时酸暴露后裂纹间区域质子浓度趋于稳态。裂纹尖端归一化偏应力q/c₀先线性增长至屈服点（约36小时），随后因质量迁移导致的软化效应而加速下降。当累计质量迁移量ξ^REV达到阈值后，损伤区扩展导致塑性区前沿相遇（150小时），在韧带中心形成局部化损伤带。

4.2 酸性环境和微裂纹过程在裂纹合并中的作用

比较不同pH边界条件（5.3/6.0/7.0）表明，酸度增强显著加速裂纹扩展。当η=4×10⁴时，微裂纹-溶解耦合效应使裂纹扩展呈现指数增长，塑性区合并引发的二次加速现象更为平滑。

4.3 材料本征非均质性和环境扰动的影响

引入初始质量迁移随机场（ξ_ini∈[0,0.05]）后，局部弱化区域更早屈服，形成自组织的正交微变形带网络。非均质案例在t=130小时即出现塑性区合并，比均匀案例提前20小时，且裂纹尖端应力分布呈现剧烈波动。

研究结论表明：碳酸盐岩中亚临界裂纹合并经历力学主导孵化期、溶解软化期和塑性区合并加速期三阶段；酸强度提升和微裂纹敏感性增强会放大损伤-溶解正反馈；材料非均质性通过微变形带网络加速过程区相互作用。该研究为深层碳酸盐岩储层酸化压裂设计提供了微观机制支撑，对优化增产方案和评估环境风险具有重要意义。