Точные и поддающиеся проверке прогнозы характера трещин в горных породах необходимы для понимания многих социально значимых процессов на Земле и эффективного управления инженерными работами в недрах.
Разрывы сильно влияют на направления, величины и неоднородности потока жидкости и прочности породы. Следовательно, они имеют контроль первого порядка над:
- производством воды, углеводородов и геотермальной энергии;
- потоком загрязнителей в недрах;
- безопасным хранением CO2 и сточных вод;
- сейсмичностью, как естественной, так и искусственной.
Понимание роли подкритического гидроразрыва пласта с химической поддержкой в деформации горных пород имеет важное значение для эксплуатации углеводородов, геотермальных ресурсов и долгосрочной стабильности геологических пластов для секвестрации CO2 и ядерных отходов. Как природные, так и наведенные трещины влияют на добычу нетрадиционных ресурсов, которые в последнее время находятся в центре внимания при исследовании и разработке месторождений углеводородов.
Понимание существовавших ранее трещин является ключом к прогнозированию и контролю над техническими трещинами.
Поскольку данные о грунтовых переломах трудно получить и интерпретировать, структура грунтовых переломов остается нечеткой и непредсказуемой, несмотря на более чем столетний прогресс в ряде важных областей, включая обнаружение, сложные подходы, основанные на механике и статистическом моделировании, и дорогостоящие кампании по бурению и проверке скважин в частном и государственном секторах.
Обзор проблем показывает, что, несмотря на новый цикл бурения и революцию в описании схемы грунтовых переломов, основанную на дистанционной визуализации, остаются серьезные ограничения.
Эти ограничения сохраняются, поскольку структура недр, особенно в масштабах метра и более, не может быть надежно определена на основе проб, взятых из скважин, поскольку они в настоящее время анализируются, и модели трудно поддаются валидации.
Таким образом, одной из наиболее важных и сложных проблем в геонауках является выявление и понимание ключевых факторов, влияющих на развитие структуры трещин, и того, как распознать эти факторы при наличии ограниченных образцов, которые, как правило, имеются в наличии.
В диагенетических условиях химия является ключевым недостающим ингредиентом для точного прогнозирования структуры трещин и осмысленной интерпретации. Механика является незаменимым инструментом для расшифровки того, как образуются образцы трещин в горной породе.
Но достаточна ли механика?
Разрыв представляет собой физико-химический процесс, который подразумевает разрыв связей. Считается, что информация о химических реакциях может помочь лучше понять сложные процессы разрушения. Роль химии, вероятно, будет ценной в некоторых случаях и в меньшей степени влиять на другие механические процессы.
Химические изменения пород Земли в зависимости от температуры называются диагенезом (до ~200 °C) или метаморфизмом или метазоматизмом (для более высоких температур). Хотя многочисленные свидетельства указывают на то, что химические реакции в горных породах оказывают глубокое влияние на развитие систем естественных трещин, их роль в формировании структуры трещин не изучалась на систематической основе.
В пределах температурного диапазона диагноза химические реакции влияют на развитие трещин по крайней мере двумя способами: через химически обусловленный рост трещин и через реакции растворения/осаждения, которые изменяют механические свойства породы-хозяина и зоны трещин по мере образования трещин.
В качестве примера химико-механического взаимодействия рассматриваются данные, свидетельствующие о том, что размер трещин и расстояние между ними коррелируют с характером накопления цемента в трещинах. Этот пример иллюстрирует широкие возможности для дальнейшего изучения процесса разработки моделей и необходимость новых экспериментальных и теоретических методов лечения.
Химические составы и текстуры естественных цементов в трещинах также содержат недоиспользованные данные о темпах и сроках формирования структуры. Эти данные могут быть использованы для тестирования прогностических моделей.
Необходимо исследовать проблемы интерпретации модели трещин и новые свидетельства реакций в трещинах и их возможного влияния на развитие модели трещин. Основное внимание стоит уделить диагенетической среде, которая обычно представляет собой верхние ~ 10 км подповерхностной части Земли.
Недавние исследования показывают, что закономерности природных трещин могут эволюционировать в геологических временных рамках.
Эта эволюция в значительной степени зависит от ряда химических процессов. Эти взаимодействия мало изучены. Хотя роль существующих трещин в транспортировке реактивных жидкостей и жидкостей, модифицирующих трещины, была рассмотрена, эти предыдущие работы не охватывают последних разработок о роли химии в интерпретации и развитии естественной структуры трещин.
К ним относятся прорывы и возможности использования химических данных для определения сроков разрушения, развития закономерностей и изменения механических свойств горной породы.
Задача состоит в том, чтобы распространить нынешние методы моделирования и экспериментальные подходы на геологические временные рамки.
Множество экспериментальных и модельных инструментов современной химии еще предстоит применить для понимания того, как развиваются модели разрушения.