郑凯歌
作者简介
郑凯歌，博士，副研究员，硕士研究生导师。现任中煤科工西安研究院（集团）有限公司地质瓦斯所副所长，长期致力于煤矿矿压（冲击）动力灾害防治和瓦斯区域增透抽采关键技术与装备方面研究，先后主持（主参）国家重点研发计划、国家科技重大专项、煤矿技术服务等项目60余项，中煤科工集团“菁英双百行动”青年拔尖人才，山东煤炭学会煤田地质专业委员会副主任。入选国家矿山安监局、陕西局、河南局等专家库专家，《煤田地质与勘探》、《中国煤炭》等期刊审稿专家及青年编委。获得绿色矿山科学技术一等奖、中国安全生产协会科学技术一等奖、内蒙古自治区科学技术二等奖等省部级奖项14项，在核心以上期刊发表论文50余篇，其中SCI/EI级28篇；授权发明专利30余项，实用新型8项，获软件著作权8项，出版专著1部。入选2024年度CNKI高被引（TOP1%）学者，3篇文章入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000。
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摘要
采用三轴围压条件下水力压裂模拟系统，构建了不同地质因素和施工因素条件下的压裂裂缝扩展模型，通过压裂数据和模型剖切等方法分析了分段压裂裂缝扩展特征，并对压裂裂缝扩展影响因素进行了探讨。结果表明：水平应力差、覆岩结构主要影响分段压裂裂缝扩展形态，对压裂裂缝扩展规模影响较小；结构面胶结强度为压裂裂缝最敏感的因素之一。胶结强度小于0.50 MPa时，裂缝扩展沿层理面延伸，无法穿层发育；胶结强度大于0.75 MPa时，压裂裂缝可穿过结构面发育。施工排量及压裂段间距等施工因素对压裂裂缝影响敏感度高，随着注液排量的增大，裂缝扩展延伸越平直，压裂段间距较小时，受“应力阴影”效应影响明显，适当增大压裂段间距，有利于压裂裂缝发育。研究成果可为坚硬顶板分段压裂弱化改造提供技术支撑。
主要内容
通过搭建真三轴压裂物理试验模型，采用多因素分析方法，明确不同地质与施工因素对裂缝扩展的影响规律，筛选出关键影响因素，并掌握不同条件下分段压裂裂缝扩展特征。研究结果可为复杂地质条件下定向长钻孔压裂参数优选提供可借鉴的理论基础。
1. 物理模拟试验装置
图 2 高应力水力压裂模拟设备
图 3 室内真三轴分段水力压裂模拟系统
2. 试验方案及过程
2.1 物理模拟试验方案
表 1 物理模拟压裂试验方案
2.2 物理模型搭建
试件用水泥、石膏、石英砂、水在不同质量配比下分3层浇筑而成。井筒分两段事先预制好，埋入水泥试件中。试件标准尺寸为300 mm×300 mm×300 mm。在预制试件时，首先将2段井筒和声发射槽预先埋入模具中，待分层浇筑水泥砂浆后位置固定，试件见图 4。
图 4 模具预制分层试件效果
3. 水力压裂物理模拟试验结果分析
3.1 覆岩结构对裂缝扩展的影响
图 5 不同覆岩结构下压裂模型图
图 6 不同覆岩结构裂缝扩展规律
图 7 不同覆岩结构压裂曲线
3.2 结构面胶结强度对裂缝扩展的影响
图 8 不同胶结强度裂缝扩展规律
图 9 不同胶结强度压裂曲线
3.3 压裂段间距对裂缝扩展的影响
图 10 不同压裂段间距压裂模型图
图 11 不同压裂段间距裂缝扩展规律
图 12 不同压裂段间距压裂曲线
3.4 排量对裂缝扩展的影响
图 13 不同压裂排量裂缝扩展规律
图 14 不同压裂排量压裂及声发射曲线
3.5 水平应力差对裂缝扩展的影响
图 15 不同应力差裂缝扩展规律
图 16 不同应力差压裂曲线
4. 讨论
通过分析不同因素条件下裂缝扩展特征可知，在水平应力差小于0.5 MPa时，裂缝实现了穿层扩展，但两级裂缝在层理面位置发生弯曲变向。伴随水平应力差增大，裂缝穿层且平直发育。裂缝长度变化低于5%，水平应力差对裂缝扩展影响不明显。在覆岩结构非对称条件下，裂缝穿过砂-泥界面困难，在泥岩层裂缝发生偏转。当覆岩对称时，压裂裂缝较为平直。在“双软”覆岩结构下，因压裂目标层与围岩强度差异较大，第一段裂缝长度变化率达28%以上，但整体上第二段裂缝长度变化率在5%左右，敏感性较水平应力差低。
当结构面胶结强度为0.50 MPa时，压裂裂缝扩展至界面后无法继续延伸，仅沿着层间延伸。当结构面胶结强度大于0.75 MPa时，裂缝可以穿过覆岩结构面。胶结强度对裂缝长度影响敏感性强，尤其对于第一段裂缝长度增长可达2倍以上，长度最大变化率达38%以上，为敏感因素之一。在低注液排量(≤3 mL/min)条件下，压裂裂缝从砂岩起裂后弯曲扩展; 在高注液排量(4 mL/min)条件下，压裂裂缝平直扩展。泵注排量直接影响了第一段和第二段裂缝长度变化，变化率达30%以上，是裂缝扩展最敏感因素。当压裂段间距设置较小(3 cm)时，2条压裂裂缝间形成应力干扰，裂缝扩展长度变短；当压裂段间距设置较大(4 cm或5 cm)时，应力干扰的影响程度降低，压裂裂缝平直扩展。该因素对第二段裂缝长度相对敏感，最大变化率近20%。
5. 结论
1) 水平应力差、覆岩结构对压裂裂缝扩展的影响相对较小。水平应力差较小时，裂缝延伸易发生转向，当水平应力差增大至1~2 MPa时，裂缝平直扩展。当上下覆岩结构对称时，压裂裂缝延伸形态较为平直；当上下覆岩结构非对称时，由于岩性差异较大，压裂裂缝在泥岩内易弯曲扩展，形态不易控制。
2) 结构面胶结强度为压裂裂缝敏感影响因素之一。胶结强度为0.50 MPa时，压裂裂缝扩展至界面后无法继续延伸，仅沿着层间延伸；当结构面胶结强度大于0.75 MPa时，压裂裂缝可以穿过覆岩结构面，更易扩展。
3) 施工排量及压裂段间距等因素对压裂裂缝影响敏感度高。排量较小时，裂缝起裂后易弯曲扩展；随着注液排量的增大，裂缝扩展延伸形态较为平直。当压裂段间距较小时，相邻裂缝间“应力阴影”效应较大，导致多段裂缝之间因吸引或排斥发生转向；适当增大压裂段间距，有利于压裂裂缝穿层后平直扩展。
4) 水平应力差、覆岩结构主要影响压裂裂缝扩展形态。结构面胶结强度和泵注排量是决定裂缝扩展规模的重要影响因素。结构面胶结强度越低，越不容易实现裂缝扩展；泵注排量越高，越容易实现压裂裂缝平直形态扩展。压裂段间距为次敏感影响因素，主要在“应力阴影”效应下影响压裂裂缝形态和规模。
郑凯歌. 坚硬顶板分段压裂裂缝扩展控制因素物理试验研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(6): 96-105.
ZHENG Kaige. Physical experimental study on controlling factors of fracture propagation in staged fracturing of hard roof[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(6): 96-105.
供稿：陈玉涛
审核：熊云威
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