问题——流体注入引发的地层破裂如何演化，长期是能源开发与地下工程中的关键科学问题；按经典断裂力学的认识，均质材料中裂纹以缓慢的准静态方式扩展时，通常在局部对称性原理约束下保持直线推进；只有当裂尖速度接近材料的瑞利波速、惯性效应明显增强时，裂纹才更容易出现振荡或分叉。但近年的多项实验发现，即使在流体驱动的准静态破裂过程中，裂纹也会出现波状轨迹等不稳定现象。这不仅冲击了传统判断，也让工程上在“裂缝走向是否可控”“何时会分叉成缝网”等问题上缺少统一的定量标准。 原因——研究团队把重点放在多孔介质中渗流与断裂的耦合效应上，认为裂纹路径的变化不只由材料力学响应决定，还与流体在孔隙中的侵入、扩散和压力传递密切涉及的。团队结合相场断裂模拟与渐近稳定性分析，推导出流体驱动裂纹尖端应力场的解析表达，并据此识别出裂尖附近“偏离—回归”的竞争机制：一上，渗流引起的压力与应力再分配会推动裂尖偏离原方向；另一方面，材料的力学约束及局部对称性又倾向于把裂纹拉回主扩展方向。两种效应在特定条件下相互拉扯，可能诱发裂纹路径的周期性偏转，形成波状振荡扩展；在不稳定更强时，还可能继续触发分叉。 影响——为把上述机制从定性解释推进到可预测、可对照的工程工具，研究提出无量纲Péclet数，用于刻画裂纹扩展速度与流体侵入速度之间的竞争关系。该参数使不同材料、不同注入条件下的断裂演化能够在统一标度下比较。基于此，团队建立了流体驱动断裂的稳定性相图，对直线扩展、周期振荡、分叉等模式进行系统划分并给出边界，从而实现对复杂裂缝形貌演化的定量描述。业内人士认为，该进展为解释准静态条件下裂纹为何会“走波浪线”提供了更完整的力学图景，也为水力压裂理论补充了新的模式类型，使相关理论不再局限于直线扩展（I型）和偏折分叉（I+II型混合）两类传统描述。 对策——面向碳封存、油气开采等应用场景，这项成果的意义在于把“裂缝形貌能否调控”转化为可量化的判据。以页岩油气压裂为例，压裂液注入会改变地层应力状态并形成渗流通道，裂缝是否保持直线、是否形成缝网，直接影响改造体积、连通效率与采收率。依据研究给出的稳定性相图与无量纲参数框架，工程上可将泵注压力、流体黏度、排量等施工参数与裂纹模式建立对应关系：当目标是提升穿层能力、延长裂缝延伸距离时，可通过参数组合将系统调控到“稳定直线扩展”区域；当目标是扩大改造范围、增加连通通道时，则可引导系统进入更易分叉或形成复杂裂缝网络的区域，从而减少对经验法的依赖，提高设计的可解释性与可复制性。 前景——地层流体注入技术自20世纪40年代水力压裂应用以来不断发展，但对“裂纹路径如何在渗流作用下自发改变”的理论认识仍不充分。此次研究将多孔介质渗流效应纳入裂纹稳定性分析框架，并以理论与模拟结合的方式系统提出准静态波状振荡模式，为开展更接近真实地层条件的研究奠定基础。随着地下储能、二氧化碳封存与非常规油气开发对安全性、效率与可控性的要求提高，围绕该判据体系开展多尺度验证、现场监测反演与参数优化，有望进一步形成闭环，推动“可预测、可设计、可控制”的裂缝工程走向常态化应用。相关成果已发表于国际权威期刊。
这项来自中国实验室的研究进展，为理解流体驱动下准静态裂纹的不稳定扩展提供了新的理论框架，并为对应的工程的参数设计与路径调控提供了可量化依据。随着成果深入验证并用于现场实践，有望提升非常规能源开发与地下工程的设计可靠性与效率，为能源安全与低碳技术应用提供支撑。