DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-25823-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41714665
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Cao Zhengzheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: ميكانيكا الصخور والنمذجة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث القضية الحرجة للتفاعلات بين السوائل والصلب في الكتل الصخرية المتصدعة، لا سيما في سياق الهندسة تحت الأرض واستغلال النفط والغاز. يستكشف المؤلفون الآليات المعقدة للترابط بين السوائل والهياكل الصلبة تحت تأثير كل من الإجهاد وحقول التسرب. يقومون بإنشاء صيغة إجهاد فعالة تأخذ في الاعتبار المسامية وتطوير معادلات حاكمة للاقتران المرن بين السوائل والصلب، مع الأخذ في الاعتبار تشوه الهيكل الصلب.
علاوة على ذلك، من خلال دمج صيغة تسرب غير دارسي مع مبادئ الاستمرارية، يستنتج المؤلفون معادلات تحكم لحقول التسرب. تكشف النتائج أن تفرع تقاطع السرج يحدث عندما يبقى إجهاد الحدود ثابتًا على مر الزمن. على العكس، عندما يتغير إجهاد الحدود مع الزمن، فإنه يؤثر بشكل كبير على نظام التسرب المترابط. على مدى فترات زمنية ممتدة، يقترب النظام تدريجياً من حالة مستقرة، مع تغييرات بطيئة في إجهاد الحجم وتأثيرات ملحوظة من إجهاد الحدود. تسهم هذه الدراسة في تقديم رؤى نظرية قيمة حول التفاعلات بين تدفق السوائل وتشوه الصلب في الكتل الصخرية المتصدعة، مما يعزز الفهم للاستقرار والسلامة في التطبيقات الهندسية.
مقدمة
في مجال الهندسة الجيولوجية، لا سيما فيما يتعلق بالهندسة تحت الأرض وهندسة التعدين، حظيت العلاقة بين ديناميات السوائل والهياكل الصلبة في الكتل الصخرية المتصدعة باهتمام أكاديمي كبير. تتناول هذه الدراسة قضايا تسرب متنوعة، بما في ذلك هبوط الأرض، والزلازل الناتجة عن الخزانات، والاقتران بين السوائل والصلب أثناء استخراج النفط. تتطلب الطبيعة الديناميكية لقنوات المسام، والمسامية، والنفاذية في الكتل الصخرية، المتأثرة بالضغوط الخارجية وقوى السوائل الداخلية، نهجًا تحليليًا ديناميكيًا لفهم تأثيرات الاقتران بين مجالات الإجهاد والتسرب.
تاريخيًا، منذ عام 1923، كان الاقتران بين السوائل والصلب في التسرب نقطة محورية للبحث، مع إجراء دراسات واسعة من خلال طرق تجريبية ونظرية ورقمية. تشمل المساهمات البارزة إنشاء نماذج تسرب نظرية الفراكتال، وتطوير نماذج الحمل الديناميكي للكتل الصخرية المتصدعة، وإنشاء معادلات نفاذية تأخذ في الاعتبار مسارات الإجهاد. ومع ذلك، تميل معظم النماذج الحالية إلى التركيز على الظروف الثابتة أو شبه الثابتة، وغالبًا ما تتجاهل الديناميات المعقدة وغير الخطية التي تميز عملية التسرب في الكتل الصخرية المتصدعة. تهدف هذه الورقة إلى استكشاف تأثيرات الاقتران بين السوائل والصلب تحت ظروف إجهاد وتسرب متغيرة، مع معالجة قيود النماذج الخطية التقليدية والتأكيد على الحاجة إلى فهم أكثر دقة للتفاعلات الديناميكية التي تؤثر على استقرار الكتل الصخرية ومنع الكوارث.
مناقشة
في هذا القسم، يقوم المؤلفون بتطوير إطار شامل لفهم الاقتران بين السوائل والصلب في الكتل الصخرية المتصدعة، مع التركيز على مبدأ الإجهاد الفعال وتطبيقه على النماذج الديناميكية غير الخطية. يستنتجون معادلات حاكمة تأخذ في الاعتبار تشوه الهيكل الصلب ويقدمون صيغة تسرب غير دارسي لوصف التحكم في حقل التسرب. الإجهاد الفعال، الذي يُعرف بأنه $\sigma’_{ij} = \sigma_{ij} + p \delta_{ij} \phi$، حيث $\sigma’_{ij}$ هو الإجهاد الفعال، و$p$ هو ضغط السائل في المسام، و$\phi$ هو المسامية، هو أمر حاسم لنمذجة الاستجابة الميكانيكية للوسائط المسامية. تسلط الدراسة الضوء على أهمية المسامية في تمييز سلوك الكتل الصخرية المتصدعة وتؤسس مجموعة من المعادلات التي تربط بين ديناميات السوائل وميكانيكا الصلب.
يستكشف المؤلفون أيضًا تعقيدات النموذج الديناميكي غير الخطي، كاشفين عن ظواهر مثل تفرعات عقدة السرج وحالات التوازن المتعددة. يظهرون أن استقرار النظام المترابط بين السوائل والصلب يتأثر بالتكيف البطيء لهيكل الهيكل الصلب، مما يؤثر على النفاذية والاستجابة العامة للنظام للضغوط الخارجية. تؤكد النتائج على مزايا التحليل غير الخطي مقارنة بالنماذج الخطية التقليدية، لا سيما في التنبؤ بالسلوك الديناميكي والاحتمالية المحتملة لعدم الاستقرار في التسرب في الكتل الصخرية المتصدعة، وهو أمر حاسم لسلامة الهندسة ومنع الكوارث.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-25823-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41714665
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Cao Zhengzheng et al.
Primary Topic: Rock Mechanics and Modeling
Overview
This section of the research paper addresses the critical issue of fluid-solid interactions in fractured rock masses, particularly in the context of underground engineering and oil and gas exploitation. The authors explore the complex coupling mechanisms between the fluid and solid skeletons under the influence of both stress and seepage fields. They construct an effective stress formula that incorporates porosity and develop governing equations for elastic fluid-solid coupling, taking into account the deformation of the solid skeleton.
Furthermore, by integrating a non-Darcy seepage formula with continuity principles, the authors derive control equations for the seepage field. The findings reveal that a saddle-junction bifurcation occurs when boundary stress remains constant over time. Conversely, when boundary stress varies with time, it significantly impacts the coupled seepage system. Over extended time scales, the system gradually approaches a stable state, with slow changes in volume strain and notable effects from boundary stress. This research contributes valuable theoretical insights into the interactions between fluid flow and solid deformation in fractured rock masses, enhancing the understanding of stability and safety in engineering applications.
Introduction
In the realm of geological engineering, particularly concerning underground and mining engineering, the interplay between fluid dynamics and solid frameworks in fractured rock masses has garnered significant scholarly attention. This research addresses various seepage issues, including ground subsidence, reservoir-induced earthquakes, and fluid-solid coupling during oil extraction. The dynamic nature of pore channels, porosity, and permeability in rock masses, influenced by external pressures and internal fluid forces, necessitates a dynamic analytical approach to understand the coupling effects between stress and seepage fields.
Historically, since 1923, fluid-solid coupling in seepage has been a focal point of research, with extensive studies conducted through experimental, theoretical, and numerical methods. Notable contributions include the establishment of fractal theory seepage models, the development of dynamic load models for fractured rock masses, and the creation of permeability equations that account for stress paths. However, most existing models tend to focus on static or quasi-static conditions, often overlooking the complex, nonlinear dynamics that characterize the seepage process in fractured rock masses. This paper aims to explore the fluid-solid coupling effects under varying stress and seepage conditions, addressing the limitations of traditional linear models and emphasizing the need for a more nuanced understanding of the dynamic interactions that influence rock mass stability and disaster prevention.
Discussion
In this section, the authors develop a comprehensive framework for understanding fluid-solid coupling in fractured rock masses, emphasizing the effective stress principle and its application to nonlinear dynamic models. They derive governing equations that account for the deformation of the solid skeleton and introduce a non-Darcy seepage formula to describe the control of the seepage field. The effective stress, defined as $\sigma’_{ij} = \sigma_{ij} + p \delta_{ij} \phi$, where $\sigma’_{ij}$ is the effective stress, $p$ is the pore fluid pressure, and $\phi$ is the porosity, is crucial for modeling the mechanical response of porous media. The study highlights the significance of porosity in characterizing the behavior of fractured rock masses and establishes a set of equations that link fluid dynamics and solid mechanics.
The authors further explore the complexities of the nonlinear dynamic model, revealing phenomena such as saddle-node bifurcations and multiple equilibrium states. They demonstrate that the stability of the fluid-solid coupled system is influenced by the slow adjustment of the solid skeleton structure, which affects permeability and the overall response of the system to external stresses. The findings underscore the advantages of nonlinear analysis over traditional linear models, particularly in predicting the dynamic behavior and potential instability of seepage in fractured rock masses, which is critical for engineering safety and disaster prevention.