水力裂缝与煤岩界面相互作用行为影响因素的实验研究：应力、界面与射孔

1. 创新的煤岩组合试样制备方法： 

本研究建立了一种用于射孔压裂的煤岩组合试样制备方法，通过在岩石中直接钻取与压裂管相交的射孔，更接近工程实际条件。采用环氧树脂和白乳胶制作不同强度的人工界面，实现了界面强度的可控性，为系统研究多因素耦合作用下的水力裂缝扩展行为奠定了实验基础。

2. 揭示了射孔导向压裂的临界条件： 

研究明确提出了射孔有效导向的临界条件——当应力差Δσ<4 MPa且射孔角度θ<60°时，水力裂缝可从射孔处起裂并突破最大主应力的限制。这一发现为倾斜煤层的间接压裂设计提供了重要的参数依据，有助于优化井眼布置和射孔方案。

3. 发现了裂缝扩展路径与破裂类型的关联规律：

 研究首次系统揭示了沿非优势面进入煤层的水力裂缝会显著增加剪切裂缝比例（最高可达优势面的5.3倍）这一重要规律。这一发现为采用井下微震监测技术判断裂缝扩展方向提供了新的理论依据，对于实时监测压裂效果具有重要的工程指导意义。

1.1 试样制备

原煤样品取自沁水盆地某煤矿2-2号煤层，砂岩样品取自该煤层顶板。现有实验通常采用水力/机械切槽和嵌入带射孔的压裂管来模拟射孔后压裂。前者切槽只能沿压裂管直径方向进行，而后者可以产生不同倾角的射孔，但与工程现场差异较大。本文在岩石中直接钻取与压裂管相交且具有一定长度和角度的射孔。为充分利用真实样品，砂岩和原煤的尺寸分别约为100×100×100 mm和100×100×50 mm。胶结前，两者之间的接触面经过打磨，其他面允许不规则。裸眼井直径为12 mm，而射孔和压裂管直径为6 mm。环空和多余射孔用环氧树脂密封。射孔方向与最大主应力之间的夹角（射孔角度）记为θ，射孔底部与界面之间的距离记为D，如图1a所示，两者均为实验变量。

煤层与顶板之间的界面属于沉积结构面，两侧岩性差异明显（见表1）。界面的切向刚度小于法向刚度，容易发生剪切变形和破坏。在实际钻探中获取包含界面的岩样是一项挑战，特别是对于软煤层。因此，本文人工制作了煤岩界面。选用环氧树脂和白乳胶胶结煤和岩石，它们能够形成极薄的胶结层（亚毫米级），具有可控的胶结区域尺寸并提供适当的强度。作为对比，设置了非胶结界面，即纯摩擦界面。由于实验所用真三轴加载装置的限制，图1b所示的样品用相似材料包裹制成200×200×200 mm的标准试样，见图1c。

1.2 试样测试

为获得第2.1.1节中三种胶结方法的强度，用原煤和岩石制作了组合测试块（尺寸为50×50×50 mm），并在加载-剪切试验机上进行测试。结果如图2和表2所示。图2c显示了界面发生相对滑移时临界剪切应力与法向应力的关系。随着法向应力的增加，三种界面的临界剪切应力均呈线性增加。在相同法向应力下，环氧树脂界面表现出最高的剪切强度，其次是白乳胶。拟合结果表明，两种界面的黏聚力分别为3.09 MPa和2.13 MPa。在纯摩擦接触中，黏聚力约为0。

第2.1.1节中使用的相似材料为水泥砂浆，由42.5R普通硅酸盐水、石英砂（粒径0.42-0.85 mm）和水组成，质量比为1:1:0.5。实验中使用的原煤、砂岩和相似材料的力学参数如表3所示。

地层的均质性对水力压裂结果有显著影响。P波速度在一定程度上反映了岩石的均质性。我们选择了三个样品，在压裂前用声发射（AE）系统测量了P波速度，如图2b所示。结果表明同类型样品的波速变化较小，汇总于表4。煤是典型的非均质岩石，具有不可避免的复杂层理系统，实验中使用的所有煤样均来自同一采煤工作面，制备时层理角度为0°，见图2c。

2 实验设备与方案

采用真三轴水力压裂物理模拟装置进行实验，如图3a所示。该系统可在三个方向独立加载，以模拟地层中的远场应力。实验采用的压裂液为纯水，通过注入泵以30 ml/min的恒定注入流量注入。采用DS5-8A声发射系统监测裂缝起裂和扩展过程中的声发射事件，系统采样频率为3 MHz。声发射是指材料内部微裂缝形成时产生的弹性波，与岩石的动态破裂直接相关。声发射信号包含丰富的内部损伤信息，可以实时动态跟踪裂缝的起裂和扩展。6个声发射传感器安装在加载板的预留孔中以定位声发射事件，传感器布置如图3b所示。声发射的典型特征参数包括声发射累积计数、声发射能量、裂缝分类和声发射事件定位。裂缝分类可通过计算波形的上升角（RA）和平均频率（AF）获得，如图4所示。通道阈值和峰值定义时间是影响声发射信号精度的重要参数，前者设置为100 mV，后者为50 μS。值得注意的是，拉伸裂缝和剪切裂缝之间边界K的斜率（图4b中的虚线）为500，即AF=500 RA。RA和AF的计算方法由公式(1)和(2)给出。

RA = 上升时间/振幅  (1)

AF = 声发射计数/持续时间  (2)

在水力压裂实验中，考虑了四个变量，包括射孔角度θ、地应力σ、界面强度C和射孔长度D。共进行了九组实验，如表5所示。当变量为界面强度时，射孔与最大主应力对齐；否则，射孔与最大主应力之间存在特定角度。θ值基于实际地层中煤层的倾角。煤层可根据其倾角分为四类：近水平（<8°）、缓倾斜（8-25°）、倾斜（25-45°）和急倾斜（>45°）煤层，见图1a。当θ=70°时，表示煤层倾角为20°，对应于缓倾斜煤层。地应力差的配置参考了Jiang等人（2019）的研究并进行了修改。实验过程中，岩样首先在高水压下破裂并产生声发射信号。压裂结束后，卸除三轴应力，用染料替换压裂液继续注入，以确保裂缝充分张开。表征压裂后岩石内部的最终裂缝形态至关重要。近年来，计算机断层扫描（CT）已成为重建岩石内部裂缝网络的新方法。通过CT扫描仪获得的二维（2D）横截面图像进一步重建为三维图像，可以揭示样品内部水力裂缝的空间分布。因此，最后取出样品进行CT扫描，为提高扫描精度，预先切除包裹在真实样品外部的相似材料。

1. 水力裂缝（HFs）与煤岩界面之间的相互作用模式被确定为：A—直接穿透，B—转向加穿透，C—转向加偏转，D—转向加偏转加穿透。当裂缝过程区（FPZ）内以拉伸微裂缝为主时，裂缝模式趋向于表现为A和B。相反，当界面处的剪切微裂缝占主导时，C更为常见。模式D表明裂缝尖端存在复杂的应力状态，导致拉伸-剪切混合微裂缝的产生。

2. 界面强度显著影响裂缝过程区内微裂缝的类型。即使在裂缝重新定向过程中，高剪切强度也能阻止界面处剪切裂缝的形成。因此，当界面强度足够高时，裂缝穿越界面的应力状态条件并不苛刻。相反，对于纯摩擦界面，必须考虑应力条件对裂缝形态的影响。

3. 水力裂缝的起裂方向受射孔和地应力的共同影响。当最大和最小主应力差Δσ<4 MPa且射孔与最大主应力的夹角θ<60°时，水力裂缝可以克服最大主应力的限制，大致沿射孔方向扩展，但这会导致起裂压力升高。随着射孔长度增加至界面，起裂压力显著降低。

4. 岩层中的水力压裂仍遵循以I型裂缝（拉伸）为主的破裂模式，本研究中其比例最高可达92.48%。当水力裂缝在岩石中起裂并沿非应力优势面进入煤层时，压裂过程中II型裂缝（剪切）的比例增加。值得注意的是，当以45°角进入时，II型裂缝的比例最高，达到40.01%。这一信息可用于大致判断地层中水力裂缝的扩展方向。