李全貴，武曉斌，胡千庭，劉 樂，石佳林，宋明洋

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤巖結構面以各種形態(tài)廣泛地賦存于煤系中，形式多樣、結構復雜，為井下煤炭開采帶來更多的不確定性[1-3]。以煤層水力壓裂為例，水力裂縫延伸至泥化夾層、天然裂縫、煤巖交界面、煤矸交界面等結構面處時可能會沿原方向延伸，也可能轉向沿結構面進行延伸[4]。

由于天然含結構面煤巖存在取樣困難、難以進行重復實驗等問題[5]，實際科研常采用含結構面類煤巖材料開展試驗研究。結構面的制作方法主要包括：以云母粉模擬煤系模型中的自然分層界限[6]；利用豬油的疏水性、低熔點和易流動性等特性制作巖體邊坡模型時作為貫通層面的夾層材料，采用膠結物自然黏結形成強度略低于完整材料的非貫通層面[7]；以石膏與硅粉的混合材料構造出黏聚力58.9 kPa 的結構面，模擬巖體內的層理及節(jié)理界面[8]等。模型試驗中對結構面的處理形式多樣，簡單歸納為以下兩類：延時法[9]，通過調整上、下層澆筑的間隔時間，來改變結構面的強度；充填法，通過在交界面充填不同性質的材料以改變結構面的強度，如云母粉[10]、黏合劑[11]、A4 紙[12]等。然而，模型試驗中，對結構面的處理較為隨意，往往忽略結構面性狀對模型力學性質的影響。

關于含結構面煤巖水力壓裂的研究國內外已開展大量的理論和實驗探索。宋晨鵬等[13-14]基于二維模型分別探究了水力裂縫在煤巖結構面及天然裂縫處的延伸機制；T.Blanton[15]研究了頁巖中天然裂縫對水力裂縫的影響，發(fā)現(xiàn)水力裂縫在延伸至天然裂縫附近傾向于止裂或轉向；周健等[16]采用含天然裂縫的相似材料試件進行真三軸水力壓裂實驗，得到了天然裂縫干擾條件下影響水力裂縫延伸的宏觀因素和微觀因素。A.Daneshy[17]研究了多分層煤巖條件下水力裂縫的擴展與延伸規(guī)律，認為弱膠結面的地層中，層間煤巖物性差異對水力裂縫延伸的影響較小，而膠結面的強度占主導地位；G.Anderson[18]研究發(fā)現(xiàn)層間摩擦力較低的層面，水力裂縫更容易在膠結面止裂或繼續(xù)延伸。當前，對含結構面煤巖的水力壓裂實驗研究多著眼于結構面強度、水力裂縫與結構面的相遇角、地應力條件等因素，對水力裂縫在結構面處延伸狀況的影響，很少關注壓裂參數(shù)對于延伸狀況的影響。

筆者以不同類型含結構面類煤巖材料為對象，開展了水力壓裂物理相似實驗，分析結構面類型與注入流量對水力裂縫延伸的影響規(guī)律，探討其作用機制，為含結構面煤巖的水力壓裂參數(shù)設置提供理論指導。

1 實驗方案

1.1 試件制作

試件如圖1 所示，為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體含結構面類煤巖材料，結構面與表面平行，距底面30 mm，結構面以上部分為上層基質，結構面以下部分為下層基質。實驗的相似材料質量配比采用：砂膠比2∶1，水膏比為1∶1，用水量為試件質量的10%，其中上層基質配比中加入了少量藍色氧化鐵色粉使結構面顯著。結構面的處理方式見表1，分別采用延時法和充填法調節(jié)結構面制作的間隔時間和充填材料類型，得到不同強度的含無充填結構面的SP-D-1h 試件和SP-D-4h 試件，含有充填結構面的SP-M 試件和SP-C試件。在自然環(huán)境養(yǎng)護48 h 后脫模，恒溫恒濕養(yǎng)護21 d后達到設計強度。

圖1 試件Fig.1 Specimen

表1 試件制作方案Table 1 Specimen making scheme

相似材料的力學參數(shù)按照DZ/T 0276.25?2015《巖石物理力學性質試驗規(guī)程 第25 部分：巖石抗剪強度試驗》在實驗室測試獲取，結果(平均值)見表2。采用延時法制備出的不同試件在剪切條件下的強度曲線如圖2 所示，延時時間較長的試件剪切強度更低。

表2 試件物理力學參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of each specimen

圖2 不同間隔時間條件下試件剪切載荷曲線Fig.2 Shear load curves of specimens at different intervals

采用取心機沿垂直結構面的方向進行打孔，孔深50 mm，孔徑16 mm。打孔24 h 后，采用環(huán)氧樹脂AB 膠作為黏合劑進行封孔。環(huán)氧樹脂A、B 組分按照1∶1 混合均勻后，倒入壓裂管與鉆孔內壁的間隙直至與試件上表面平齊，24 h 后達到成型強度。壓裂管側壁設置橫向凹槽，嵌入環(huán)形橡膠片以防止封孔劑封堵壓裂管的出水孔，在壓裂管底部形成約9 mm 的裸眼段，作為壓裂段。

1.2 實驗系統(tǒng)與方案

實驗基于重慶大學自主研發(fā)的真三軸水力壓裂實驗裝置進行[19](圖3)，主要由三軸加載系統(tǒng)、泵注系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分組成。

圖3 真三軸水力壓裂實驗裝置系統(tǒng)Fig.3 True triaxial hydraulic fracturing experimental system

真三軸加載系統(tǒng)x、y、z方向的應力均采用伺服加載。泵注系統(tǒng)以兩缸交替工作的恒速恒壓伺服控制泵為主體，可實現(xiàn)的流量范圍為0.01～100 mL/min，流量測量精度1%，最大壓力為50 MPa。染色劑主要由清水和紅色氧化鐵粉末調制成，黏度近似清水的黏度，約為1.01 mPa·s (20℃時)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括泵注壓力傳感器和聲發(fā)射采集儀。壓力傳感器采用CY201 型高精度智能壓力傳感器，聲發(fā)射采用DS5 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，8 通道同步采集，連續(xù)數(shù)據(jù)通過率65.5 MB/s，采集速率3 MHz/s，外部觸發(fā)，外接前置放大器，增益40 dB。實驗采用8 個聲發(fā)射探頭，分別布置在4 個側向壓板的凹槽內，探頭沿側面對角線布置。

首先開展不同類型含結構面試件的水力壓裂實驗，注入流量Q=50 mL/min?；趧返萚19]對于試樣裂縫擴展的描述以及泵注系統(tǒng)的加載能力，繼續(xù)開展注入流量Q=75、90 mL/min 條件下含充填結構面試件的水力壓裂實驗，具體的實驗方案見表3。

表3 水力壓裂實驗方案Table 3 Hydraulic fracturing experimental scheme

2 結果分析

2.1 不同結構面裂縫擴展特征

圖4 為5 種試件注入流量Q=50 mL/min 時的泵注壓力(p)與聲發(fā)射振鈴計數(shù)(N)隨壓裂時間(t)的變化曲線圖。根據(jù)壓力曲線特點，將壓裂過程劃分為3 個階段：注水階段(Ⅰ)、壓力上升階段(Ⅱ)和泄壓階段(Ⅲ)。以聲發(fā)射振鈴計數(shù)的變化來反映壓裂過程中的聲發(fā)射特征，以泵注壓力的最大值為破裂壓力，即起裂壓力，破裂壓力對應時間為破裂時間。

圖4 不同結構面試件的壓力與振鈴計數(shù)變化規(guī)律Fig.4 Changes of pressure and AE count of different specimens

在注水階段(Ⅰ)，壓裂液逐漸充滿壓裂腔體。隨著壓裂液注入，壓力小幅上升，充滿壓裂段后，泵注壓力達到短時間平衡。各試件此階段持續(xù)時間均在10～20 s。壓裂液注入過程伴隨少量稀疏的聲發(fā)射振鈴計數(shù)信號。

PDCA是四個英文單詞首字母的縮寫，又叫戴明環(huán)（Deming Circle），是管理學的一種通用模型。1930年由美國現(xiàn)代質量管理的奠基者休哈特（Walter A.Shewhart）提出初步構想，1950年由美國質量管理專家戴明（Edwards Deming）博士再度深入挖掘，并加以廣泛宣傳和運用，成為全面質量管理所遵循的科學程序。

在壓力上升階段(Ⅱ)，泵注壓力快速上升達到破裂壓力。不斷升高的壓力逐漸引起越來越多的微裂縫，消耗大量水力能量，同時為壓裂液與試件提供了更大的接觸面積，此時伴隨少量的聲發(fā)射振鈴計數(shù)。隨著裂縫面增加，所消耗的水力能量也不斷增加，使得壓力上升速率逐漸減緩，隨即壓力達到峰值，聲發(fā)射振鈴計數(shù)信號的數(shù)量和幅度顯著提高。

各試件在此階段的持續(xù)時間、最大振鈴計數(shù)及破裂壓力存在一定差異，見表4。

由表4 可以看出，相同流量條件下，含結構面試件的破裂壓力一般低于PS-1 試件。無充填的SP-D-1h-1與SP-D-4h-1 試件破裂壓力相差較小，壓力上升階段的持續(xù)時間與純樣試件相近，均在100 s 左右。而SPC-1 試件的破裂壓力相較于SP-M-1 試件高0.74 MPa，這可能是由于不同充填材料本身的性質差異導致的。云母顆粒較小且膠結性差，在結構面制作過程中容易滲入附近的基質層中，導致結構面附近的基質層相對疏松，在圍壓加載條件下，更容易受到損傷，加速微裂縫貫通；同時，膠結性較差的云母結構面也更有利于壓裂液的水楔作用。而水泥具有很強的膠結性，更容易加強結構面附近基質抵抗破壞的能力，在圍壓加載階段或是水力壓裂階段都不利于微破裂的產生，大大延長水力微裂縫貫通的時間。

表4 實驗結果Table 4 Summary of experimental results

在泄壓階段(Ⅲ)，隨著微裂縫的不斷貫通，水力裂縫成形，壓力曲線快速跌落。由于壓裂液流經水力裂縫沿程阻力等因素的存在，壓力最終維持在一定水平。該階段由于裂縫延伸以及壓裂液沖刷等原因，振鈴計數(shù)仍保持一定的水平。

各試件在壓裂壓力達到峰值后的下降曲線有比較明顯的差異：PS-1、SP-D-4h-1 及SP-C-1 試件在破裂后壓力快速下降，而SP-D-1h-1 試件的壓力在大約350 s的時間內緩慢下降0.5 MPa 之后，才出現(xiàn)顯著下跌。圖5 為不同試件裂縫擴展形態(tài)，結合試件破裂后的裂縫形態(tài)進行分析，如圖5b 所示，裂縫起裂后沿最大主應力方向向下延伸至結構面附近，此時用于裂縫延伸的能量發(fā)生分散，其中一部分穿越結構面，另一部分控制向上延伸的水力裂縫貫通達到試件表面。而這一過程中3 個方向均不斷有微裂縫產生，但是還沒有成形的宏觀裂縫，在壓力曲線上表現(xiàn)為緩慢下降，振鈴計數(shù)信號也比壓力上升階段更豐富。SP-M-1 試件壓裂壓力達到峰值后140 s 內緩慢下降0.27 MPa，隨后壓裂壓力略有回升，沒有壓力下跌的現(xiàn)象。

圖5 不同試件裂縫擴展形態(tài)Fig.5 Hydraulic fracture morphology of different specimens

結合圖5d 分析，裂縫延伸至云母結構面時，遵循能量最低原則，水力裂縫優(yōu)先沿著結構面快速延伸。由于結構面自身的黏聚力和垂向應力σv的存在，裂縫的延伸仍受到一定的阻力。水力裂縫延伸達到試件邊緣，壓力曲線未出現(xiàn)明顯下跌，但振鈴計數(shù)信號密度和幅度卻達到峰值。隨后壓力回升可能是由于壓裂液的浸泡，云母粉脫離結構面進入壓裂液增大了流動阻力。

圖5 展示了試件破裂后的形態(tài)，PS-1 試件沿最大主應力方向發(fā)生破裂，裂縫向下延伸并貫穿；SP-D-1h-1試件同樣沿最大主應力方向延伸，水力裂縫同時向上、下兩個方向擴展，這一現(xiàn)象與圖4b 中試件壓力上升階段時間較長這一數(shù)據(jù)特征相符。SP-D-4h-1 試件裂縫沿最大主應力方向縱向擴展，水力裂縫向上延伸到試件邊界，向下延伸到結構面附近，并且結構面處存在裂縫延伸；SP-M-1 試件裂縫沿最大主應力方向向下延伸至結構面處，接著沿云母結構面延伸；SP-C-1 試件沿最大主應力方向向下貫穿試件，在3 個側面結構面附近有少量液體滲出，結合圖4e 進行分析，t=200 s 附近，壓裂壓力斜率短暫提高，這是由于微裂縫延伸至水泥結構面附近時無法穿過，不能產生新的微裂縫，導致壓裂壓力曲線斜率再次升高，沿最大主應力方向的水力裂縫突破結構面后發(fā)生貫通。

2.2 不同注入流量裂縫擴展特征

注入流量分別為75、90 mL/min 的各試件壓裂過程壓力(p)與聲發(fā)射振鈴計數(shù)(N)隨壓裂時間(t)的變化曲線如圖6 所示。

由圖6 可以看出，隨著注入流量的提高，水力壓裂曲線同樣經歷了注水階段、壓力上升階段及泄壓階段。注水階段的持續(xù)時間略有縮短，伴隨少量稀疏的振鈴計數(shù)。相對于Q=50 mL/min 的試件，在更大流量條件下的試件壓力升高持續(xù)時間更短。其中，SP-M-2 試件壓力升高的持續(xù)時間最長。這是由于較高的流量加強了水力能量的傳播，使水壓能在較短時間內達到試件的抗拉強度。在泄壓階段，隨著注入流量的提高，SPC-3 試件的壓力下降速度相較于SP-C-2 試件顯著加快。

圖6 不同試件的壓力、振鈴計數(shù)變化Fig.6 Changes of pressure and AE count of different specimens

圖7 為2 種含充填結構面試件的破裂壓力和最大振鈴計數(shù)隨注入流量的變化曲線，試件的破裂壓力和振鈴計數(shù)隨著注入流量增大明顯提高。并且，Q=75 mL/min 和Q=90 mL/min 時，充填材料為云母的試件破裂壓力相較于Q=50 mL/min 時分別升高68.52%和86.42%；而充填材料為水泥的試件破裂壓力分別升高30.50%和61.86%，充填材料為云母的試件破裂壓力上升幅度更快。

圖7 含充填結構面試件的破裂壓力和最大振鈴計數(shù)Fig.7 Fracture pressure and AE count of specimens with different filling structural planes

試件破裂后的形態(tài)如圖8 所示，裂隙均沿著最大主應力方向延伸，具體的延伸模式略有不同。SP-M-2試件在上層基質形成“人”字形裂縫，延伸進入下層基質但未至下表面，在結構面稍有分布，水力能量作用點較為分散導致試件壓力上升階段持續(xù)時間延長。SP-C-2試件的水力裂縫向下延伸并在水泥結構面較薄弱處穿層，最終延伸至下表面；SP-M-3 試件的水力裂縫縱向貫穿整個試件，在結構面處略有延伸；SP-C-3 試件的水力裂縫延伸至試件上、下表面。

圖8 不同試件裂縫擴展形態(tài)Fig.8 Hydraulic fracture morphology of different specimens

3 結構面類型與注入流量對水力裂縫的共同作用機制

3.1 結構面上水力裂縫的延伸分析

假設水力裂縫與結構面的交角為θ，最大主應力和最小主應力為σ1和σ3，天然裂隙與σ1的夾角為β，結構面兩側為同質材料，無顯著性質差異，如圖9 所示。

圖9 水力裂縫與結構面交叉關系Fig.9 Hydraulic fracture and structural plane cross

在地應力和水力裂縫的共同作用下，結構面上的應力[20]如下：

式中：r為離開裂縫尖端的距離，m；KⅠ為Ⅰ型裂縫應力強度因子，MPa·m0.5；σr和σθ均為結構面所受到的應力分量；τrθ為剪應力。Ⅰ型裂縫應力強度的計算模型見下式：

式中：L為裂縫半長，m；p(x)為凈壓力分布函數(shù)，MPa。

結構面上的最大主應力σz1、最小主應力σz2計算公式如下：

式中：τ0為黏聚力，MPa；μw為結構面內摩擦因數(shù)；St為材料抗拉強度，MPa。

當結構面上剪應力τrθ滿足式(7)時，達到水力裂縫沿結構面延伸的力學條件；當結構面上最大主應力σz1滿足式(8)時，達到水力裂縫繼續(xù)延伸的力學條件。結構面上應力狀況滿足式(7)不滿足式(8)時，水力裂縫沿結構面進行延伸；反之則水力裂縫穿過結構面繼續(xù)沿最大主應力方向延伸；若同時滿足，水力裂縫可能分流，沿結構面和最大主應力方向同時延伸。結構面與水力裂縫的夾角、地應力大小及煤巖的力學性質等因素都會影響水力裂縫在結構面處的延伸狀況。

3.2 不同結構面類型水力裂縫延伸分析

由于成型過程的差異，含不同類型結構面試件在受載條件下力學性質和變形破壞特征不同。無充填的結構面試件(圖5b、圖5c)在Q=50 mL/min 條件下，水力裂縫均沿最大主應力方向延伸至試件表面，未沿結構面大面積延伸，說明結構面上應力狀況滿足 σz1≥St且τrθ<τ0+μwσθ。

對于含充填的結構面試件，由于充填材料厚度大于結構面主力凸臺高度，結構面的剪切性質取決于充填材料的性質。充填材料為云母時(圖5d)，膠結性很差，結構面的抗剪能力低，Q=50 mL/min 時，水力裂縫延伸至結構面發(fā)生轉向，沿結構面向四周延伸，沒有向下層基質擴展，說明結構面上應力狀況滿足 σz1τrθ?(τ0+μwσθ)。

充填材料為水泥時，膠結性很強，且水泥層強度高，結構面抗剪能力較強。Q=50 mL/min 時，水力裂縫在結構面上部被阻隔，壓裂段的水力能量不足以穿過水泥結構面，由圖5e 可知，在結構面處無明顯水力裂縫擴展跡象，此時 σz1

3.3 不同注入流量水力裂縫延伸分析

對比不同注入流量條件下，含充填結構面試件的水力裂縫延伸至結構面時，隨著注入流量的提高，結構面上最大主應力不斷增大。結合式(3)和式(4)隨著注入流量的提高，凈壓力分布p(x)增大，τrθ也會升高。但是，σz1/τrθ>1 總是成立的，所以隨著注入流量的增大，結構面上的最大主應力和剪應力都會增大，但最大主應力變化量更顯著。

水力裂縫與結構面的交角、地應力條件、注入流量、煤巖的力學性質等因素都會影響水力裂縫在結構面處的延伸狀況。而現(xiàn)場這些參數(shù)往往是既定的，可以通過理論分析預測水力裂縫延伸至結構面時結構面上應力狀況，調節(jié)注入流量的大小控制水力裂縫在結構面處的延伸狀況[21-22]。水力裂縫延伸至結構面，結構面上應力滿足 σz1

4 結 論

a.不同的結構面類型使得試件的水力壓裂破裂特征表現(xiàn)出差異。注入流量為50 mL/min 條件下，含結構面的破裂壓力顯著低于純樣試件，調節(jié)延時結構面制備的間隔時間對試件破裂壓力的影響微弱，調節(jié)充填結構面的充填材料對試件破裂壓力的影響顯著。充填材料為云母時，破裂壓力低，水力裂縫延伸至結構面處主要沿結構面轉向，充填材料為水泥時，較高強度的結構面阻礙水力裂縫的延伸，水力裂縫主要沿最大主應力方向延伸，破裂壓力較高。

b.隨著注入流量的提高，充填材料為云母、水泥的試件破裂壓力、聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值不斷增加，壓力上升階段的持續(xù)時間顯著縮短。且充填材料為云母的試件破裂壓力增長速率更快。水力裂縫在結構面處的延伸模式由沿結構面延伸逐漸轉向沿最大主應力方向延伸；充填材料為水泥時，水力裂縫延伸至結構面處的現(xiàn)象逐漸消失。

c.結構面類型與注入流量對水力裂縫在結構面處延伸模式的影響，主要是由于改變了水力裂縫延伸至結構面時結構面上的應力狀況。在工程尺度條件下，應當實時摸清改造區(qū)域地層應力條件，使用合適的流量擊穿結構面從而控制裂縫傳播方向，達到有效增產的目的。