已有不连续面上流体驱动摩擦与张性破裂的三维模拟
地球物理
2026-05-15 v1 数值分析
数值分析
计算物理
流体动力学
摘要
我们提出了一种隐式全耦合水力学求解器，用于模拟已有不连续面上流体驱动破裂传播的三维过程。该求解器在线弹性且不透水的岩石基质中，同时处理沿任意相交裂缝和断层的摩擦滑动（剪切破坏）和张性张开（水力压裂）。空间离散化结合了用于准静态弹性的配点位移不连续边界元法和用于沿不连续面非线性孔隙流体扩散的Galerkin有限元法。摩擦和张性破坏由具有滑移弱化摩擦、剪胀和张拉强度退化的孔隙弹塑性内聚区类界面法则控制，并通过弹性预测-塑性校正方案进行积分。力学变形与裂缝渗透率之间的强非线性耦合通过自适应隐式时间步进处理。利用边界元算子的分层矩阵表示对耦合切线系统进行高效块预处理，对于在所有破裂行为范围内实现鲁棒性至关重要。通过一系列复杂度递增的解析和半解析解验证了准确性和收敛性：恒定和滑移弱化摩擦下的流体驱动摩擦破裂、伴随渗透率变化的剪胀破裂，以及跨越粘度至韧性过渡的硬币状水力裂缝。该求解器在两种多裂缝配置上进行了进一步评估：向三条相交裂缝中注入流体，以及与走滑断层相交的高度受限水力裂缝。所提出的框架同时捕捉了摩擦滑动、剪胀、渗透率演化与张性张开。
引用
@article{arxiv.2605.14397,
title = {Three dimensional simulation of fluid-driven frictional and tensile ruptures on existing discontinuities},
author = {Brice Lecampion and Sylvain Brisson and Antareep Sarma and Ankit Gupta and Alexis Sáez and Regina Fakhretdinova},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.14397},
year = {2026}
}