水力压裂裂缝空间转向特征三维数值模拟研究

赵凯凯^1,2,3，王  磊⁴，姜鹏飞^1,2，孙晓冬^1,2，冯彦军^1,2，郑仰发^1,2

1. 中煤科工开采研究院有限公司

2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

3. Engineering Geology and Resource Geotechnics Group，Simon Fraser University

4. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室

摘  要：水力压裂技术广泛应用于煤矿坚硬顶板控制、冲击地压防治和低渗煤层增透等领域，而岩体水力压裂裂缝空间转向规律尚未完全厘清。为探究岩体水力裂缝空间转向扩展特征，采用三维数值模拟手段研究地应力、排量、流体黏度、天然裂缝、缝间诱导应力的影响效应。结果表明：裂缝转向主要发生在最大主应力法平面，随着中间主应力与最小主应力之差增加，裂缝朝中间主应力方向转向，且偏转程度逐渐加剧；提高排量或流体黏度将促使裂缝沿初始方向扩展；水力裂缝穿越天然裂缝呈绕道穿越和直接穿越两种典型模式，天然裂缝仅在局部范围内阻碍水力裂缝扩展，相交后水力裂缝仍沿最大主应力方向继续扩展。多条裂缝同时压裂时，裂缝易受诱导应力的干扰发生空间扭转，中间裂缝偏转程度最为剧烈；多条裂缝分段压裂时流体返排，诱导应力干扰效应显著降低。地应力场主导水力裂缝三维扩展方位，其他因素仅在局部范围内产生次级效应。研究结论可为煤矿井下水力压裂工程提供借鉴。

关键词：水力压裂；转向扩展；三维展布特征；地应力；流固耦合；格点法

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774186)；中煤科工开采研究院有限公司科技创新创业资金专项资助项目(TDKC-2022-ZD-02，KJ-2021-KCMS-03)

赵凯凯，王磊，姜鹏飞，等. 水力压裂裂缝空间转向特征三维数值模拟研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报，2023，5(3)：033022.

ZHAO Kaikai，WANG Lei，JIANG Pengfei，et al. Three-dimensional numerical simulation of hydraulic fracture spatial steering[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering，2023，5(3)：033022.

水力压裂裂缝空间转向特征三维数值模拟研究

作者简介：赵凯凯（1993—），男，安徽淮北人，博士后，主要从事煤岩体水力压裂与巷道围岩控制方面的研究工作。

煤炭科学研究总院与加拿大西门菲沙大学联合培养博士、中国科学院地质与地球物理研究所博士后、中煤科工开采研究院有限公司助理研究员。

作为核心骨干参与国家重点研发计划2项、省部级科研项目4项。获中国煤炭科工集团有限公司科技成果奖特等奖1项，中国煤炭工业协会科学技术奖二等奖1项。以第一作者身份发表SCI/EI论文5篇。

获北京市优秀毕业生、煤炭科学研究总院优秀毕业生等荣誉称号。