不同濾失面下砂巖定向壓裂聲發射響應特征研究

葉海隴，楊錄勝，劉正和，鄧瓊偉

（1.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.山西能源學院，山西 榆次 030600）

水力壓裂技術應用于煤礦井下圍巖控制[1]，使用該技術弱化煤礦堅硬頂板對防治沖擊災害以及保障煤礦安全生產有著重大的意義。目前傳統的水力壓裂技術實施鉆孔徑向機械切槽[2-3]，但是不能使其堅硬頂板在煤礦井下按照一定方向充分壓裂垮落，技術推廣應用受到一定限制[4]；針對傳統壓裂技術的缺點，垂直頂板軸向預制裂縫的定向水力壓裂技術發展而來，該技術首先垂直頂板鉆孔，孔內預制定向裂縫，在實施水力壓裂過程中，裂縫能夠沿著預制裂縫起裂以及擴展，使頂板在巷道一定范圍內破斷，實現垂直定向切頂[5]，由于該技術頂板巖層軸向鉆孔預制裂縫時采用裸孔壓裂，區別于傳統石油行業中所使用的套管水力壓裂增透技術的實施[6]，所以在實施過程中，壓裂液直接接觸堅硬頂板巖石表面，在注液壓力、地應力的作用下，壓裂液會沿著壁面原始孔隙滲透進周圍巖石的裂隙、空隙中，這就是濾失現象，通常用濾失量來描述這一現象[7]，當濾失量超過一定范圍，定向壓裂效果會受到一定程度上的影響，預制裂縫可能出現無法實現起裂擴展，最終導致定向水力壓裂實施失敗[8]。可見濾失是成功實施定向水力壓裂技術的1 個影響因素。

近幾年，關于通過三軸壓裂聲發射試驗研究濾失對軸向預制裂縫定向壓裂技術中裂縫起裂破壞規律的研究較少，王林均等[9]在實驗室通過對巖石試件進行單軸壓縮試驗，分析了巖石在單軸破壞下的聲發射特征信息；毛瑞彪等[10]研究了不同巖性的巖石在三軸壓力破壞下聲發射特征，都沒有涉及實施水力壓裂過程中巖石破壞的聲發射研究；鄧瓊偉等[11]、任曉凱等[12]分別研究了不同水平應力差、不同預制裂縫角下巖石在水力壓裂過程中聲發射特征，也都沒有涉及水力壓裂過程中其濾失現象對壓裂裂縫影響的研究。為此，選用砂巖試件的標準尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，制作出在壓裂過程中濾失面依次減小的未涂防水劑、裂縫面涂防水劑、孔壁涂防水劑、全涂防水劑4 組砂巖試件，然后對其開展真三軸水力壓裂聲發射試驗，通過分析定向水力壓裂過程中聲發射能量率、累積能量的顯現特征以及壓裂裂縫擴展形態，研究巖石在不同濾失面條件下，濾失對定向壓裂技術中預制裂縫起裂以及擴展的影響規律。

1 試驗部分

1.1 試驗系統

定向壓裂系統主要由3 部分組成：采用太原理工大學原位改性教育部重點實驗室定制的真三軸壓裂試驗臺、壓裂液泵注系統以及美國聲學物理公司生產的DISP-PCI2 型聲發射系統。其中聲發射系統由信號線、聲發射主機、聲發射探頭、信號記錄分析軟件及顯示器組成，能對壓裂試驗中，巖石產生的聲發射特征進行收集與分析。

1.2 試件制備

選取標準尺寸為300 mm×300 mm×300 mm 的砂巖試件，在試件中間鉆孔并預制裂縫，然后在其預制裂縫面和鉆孔孔壁面涂抹防水劑，防水面積越大濾失面積越小，實現壓裂過程中控制濾失面，從而達到控制濾失量的目的。具體加工步驟如下：

1）選取表面光滑、無破損的砂巖標準立方體試件。首先使用立式鉆機對砂巖試件中部鉆孔，其孔徑25 mm，孔深300 mm。

2）然后使用金剛石砂線工具對鉆孔試件定向預制裂縫，使其角度為60°，深度為10 mm，寬度2 mm。

3）最后使用防水材料對軸向鉆孔并且定向預制裂縫的砂巖試件孔壁和裂縫面進行防水涂抹處理。

1.3 試驗方案

根據試驗原理，砂巖加工成品試件防水面積越大，水力壓裂過程中，砂巖試件濾失表面積則越小，在相同試驗變量控制下砂巖試件濾失量會越小。通過砂巖加工成品試件防水表面積計算，防水面積的大小關系是：全涂防水劑試件D＞孔壁涂防水劑試件C＞裂縫面涂防水劑試件B＞未涂防水劑試件A，所以水力壓裂過程中濾失量大小排序為A＞B＞C＞D。不同濾失面砂巖試件壓裂聲發射試驗方案見表1。

表1 不同濾失面砂巖試件壓裂聲發射試驗方案Table 1 Fracturing acoustic emission test scheme of sandstone specimens with different filtration surfaces

壓裂試驗前，需對真三軸定向水力壓裂試驗系統設備展開先行調試，包括注液管路的排空、聲發射系統的頻率調試、泵注系統的初始注液壓力設置等，做好試驗充分準備。壓裂試驗進行時，首先連接聲發射儀器，固定聲發射探頭，將聲發射的4 個探頭黏結在試件表面，讓探頭和試件的完全接觸，然后啟動真三軸壓裂試驗臺、壓裂液泵注系統、聲發射系統，壓裂聲發射試驗由此開始。最后當在電腦上監測到注液壓力達到峰值并由此下降到1 個平穩數值階段時，關閉整個真三軸定向水力壓裂試驗系統包括其聲發射系統裝置，壓裂聲發射試驗到此完成。

2 不同濾失面下砂巖壓裂過程中的聲發射響應特征

聲發射是通過捕捉巖石在壓裂過程中所發出的物理破壞頻率特征，將其轉化成聲發射試驗系統中的信號密度強度，通過分析研究該壓裂過程中聲發射能量率、累積能量變化，即可以實現對巖石內部破裂過程即裂紋的起裂和擴展過程進行表征的試驗研究。不同濾失面下砂巖試件的聲發射能量率、累積能量與注液壓力呈現一致的變化趨勢，僅選取未涂防水劑試件、全涂防水劑試件的聲發射能量率、累積能量與注液壓力變化趨勢為例，聲發射能量率與注液壓力變化趨勢如圖1，聲發射累積能量與注液壓力變化趨勢如圖2。

圖1 聲發射能量率與注液壓力變化趨勢Fig.1 The changing trend of acoustic emission energy rate and liquid injection pressure

圖2 聲發射累積能量與注液壓力變化趨勢Fig.2 The changing trend of cumulative acoustic emission energy and liquid injection pressure

試驗初期，鉆孔及預制裂縫中的壓裂液逐漸填滿，巖石外部未有損傷的出現，此時，聲發射能量率和累積能量、注液壓力的變化幅度不大，只有少量聲發射事件，且聲發射的能量波動比較平穩；隨著壓裂試驗進一步泵注壓裂液，注液壓力逐漸升高，通過壓裂液傳遞到預制裂縫尖端的應力也會不斷增加，迫使砂巖內部疲勞損傷不斷累積，此時，開始出現微裂隙，聲發射系統監測到砂巖試件內部破裂活動強度波動明顯，聲發射信號密度強度即能量率、累積能量都呈現不斷上升的趨勢，當砂巖內部疲勞損傷達到一定程度，砂巖內部開始發育數量級微小裂隙，當注液系統不斷泵注壓裂液，注液壓力不斷上升并且達到砂巖試件的起裂壓力，其砂巖試件內部的數量級微小裂隙開始交叉合并，不斷匯集形成擴展延伸的主級裂縫，定向預制的裂縫也就會開始起裂，在巖樣外部開始形成裂縫，此時聲發射能量密度強度特征顯現明顯，即是能量率達到峰值，累計能量斜率急劇增加；隨著注液壓力進一步不斷增大，為砂巖試件起裂繼續提供能量，此時，蓄積的能量使其砂巖試件在起裂階段出現的主級裂紋能夠迅速延伸擴展，在該階段聲發射能量密度強度波動比較活躍，累積能量增大達到峰值，壓裂系統泵注的壓裂液陸續注入到不斷擴展延伸的主級裂縫中，所以注液壓力在該階段會呈現整體先上升達到峰值后再逐漸下降的趨勢，此時隨著砂巖試件壓裂過程持續進行而蓄積的能量不斷釋放，直至擴展延伸的主級裂縫擴展到砂巖試件的邊緣；之后，注液壓力將保持在一定值不在發生變化，此時，砂巖試件壓裂已經完成，裂縫已經形成，砂巖試件內部的劇烈結構運動已經停止，聲發射活動也平靜下來，其聲發射能量率保持基本平穩，累計能量也不再增加。

整體壓裂聲發射過程呈現4 個特征階段：①壓裂液注入初期階段；②裂縫起裂階段；③裂縫延伸擴展階段；④注液壓力平穩階段。本次僅選取A 未涂防水劑砂巖試件的聲發射能量率與注液壓力變化示意壓裂過程的4 個階段，未注防水劑砂巖水力壓裂過程聲發射特征階段劃分如圖3。

圖3 未注防水劑砂巖水力壓裂過程聲發射特征階段劃分Fig.3 Division of acoustic emission characteristic stages in hydraulic fracturing process

隨著巖石內部疲勞損傷不斷累積，裂縫定向起裂以及后續擴展所需要的能量和壓力都會不斷減小。為了進一步研究不同濾失面下砂巖試件進行壓裂聲發射的能量率峰值、累積能量之間存在的關系，對不同濾失面下砂巖試件壓裂聲發射的能量率峰值、累積能量進行統計分析，不同濾失面下聲發射信號能量密度強度變化趨勢如圖4。

圖4 不同濾失面下聲發射信號能量密度強度變化趨勢Fig.4 Change of energy density intensity of acoustic emission in different filtration surfaces

由圖4 可以看出，試件D 全涂防水劑，其濾失面最小也即是濾失最小，砂巖預制裂縫定向起裂所需的能量率為16 389（mV·μs）/s；孔壁涂防水劑試件C、裂縫面涂防水劑試件B 砂巖預制裂縫定向起裂所需的能量率隨著濾失增大分別減小到了15 715、15 241（mV·μs）/s；A 未涂防水劑試件，其濾失面最大也即是濾失最大，砂巖預制裂縫定向起裂所需的能量率減小到僅僅只需9 271（mV·μs）/s。4 個砂巖試件的能量率峰值由大到小依次為：全涂防水劑砂巖試件D、孔壁涂防水劑試件C、裂縫面涂防水劑試件B、未涂防水劑試件A，說明在水力壓裂過程中，濾失現象引起砂巖試件定向預制裂縫的尖端應力場有所改變，而且在不同濾失面下，濾失面越大即濾失越大所引起的應力場變化幅度也越大，這樣由于尖端應力場變化進而使砂巖試件的起裂壓力降低，能量率峰值也減小，所以濾失最大的未涂防水劑試件A的能量峰值低于濾失最小的全涂防水劑砂巖試件D。

累積能量反應了砂巖從注液開始階段到壓裂破壞完成其注液壓力平穩階段總共所需的能量。不同濾失面的砂巖試件其聲發射監測的信號能量密度強度即累積能量由大到小依次為：未涂防水劑試件A、裂縫面涂防水劑試件B、孔壁涂防水劑試件C、全涂防水劑砂巖試件D。其未涂防水劑試件的累計能量與裂縫面涂防水劑試件、孔壁涂防水劑試件和全涂防水劑試件的差值分別為：28 977、49 680、99 512 mV·μs。說明在水力壓裂過程中，濾失現象引起砂巖試件壓裂所蓄積的能量發生擴散，而且在不同濾失面下，濾失面越大即濾失越大時所引起的能量擴散也越明顯，這樣由于濾失引起能量擴散造成注液壓力所蓄積能量梯度損失，進而增大了試件壓裂所需的累積能量，所以濾失面最大即濾失最大的未涂防水劑試件A 其水力壓裂試驗過程破壞所需要的累積能量明顯高于濾失面最小即濾失最小的全涂防水劑砂巖試件D 破壞所需要的累積能量。

3 不同濾失面下壓裂裂縫擴展延伸響應規律

3.1 不同濾失面下壓裂裂縫擴展延伸形態

為了探尋在不同濾失面下壓裂裂縫擴展規律，對水力壓裂試驗后的砂巖試件展開分析，當預制裂縫角為60°，最小水平應力σh為4 MPa，最大水平應力σH為6 MPa 時，應力差為2 MPa。A、B、C、D 不同濾失面試件壓裂聲發射后裂縫局部形態如圖5。

圖5 不同濾失面試件壓裂聲發射后裂縫形態Fig.5 Fracture morphology of specimens after fracturing acoustic emission under different filtration surfaces

由圖5 可以看出，在砂巖試件表面可清晰觀察到壓裂裂縫從定向預制裂縫尖端延伸擴展到試件邊緣的路徑，即首先從砂巖試件預制裂縫尖端起裂形成壓裂裂縫，然后壓裂裂縫沿著預制裂縫60°方位角方向擴展延伸一段距離，最后壓裂裂縫向最大主應力σH方向偏轉直至擴展延伸到砂巖試件邊緣。在該水力壓裂過程中，壓裂裂縫整體擴展路徑比較單一，無交叉復雜裂縫產生，并且對稱貫穿整個砂巖試件。

3.2 不同濾失面下壓裂裂縫偏轉規律

為了比較不同濾失面下砂巖試件壓裂裂縫在擴展延伸過程中的偏轉規律，把圖5 中不同濾失面裂縫形態同時繪制到一張圖中進行比較分析，不同濾失面試件壓裂裂縫偏轉示意圖如圖6。

圖6 不同濾失面試件壓裂裂縫偏轉示意圖Fig.6 Schematic diagram of fracture deflection of specimens under different filtration surfaces

由圖6 可以看出，不同濾失面的砂巖試件其壓裂裂縫擴展延伸路徑形態有所不同，壓裂裂縫向最大主應力方向偏轉速度由快到慢依次為：未涂防水劑試件A、裂縫面涂防水劑試件B、孔壁涂防水劑試件C、全涂防水劑砂巖試件D。說明水力壓裂過程中，濾失現象造成砂巖試件能量擴散從而引起能量損失，而且濾失面越大即濾失越大，能量的損失梯度相對越強，相對能量損失越大，壓裂裂縫用于持續擴展延伸的相對能量越少，導致壓裂裂縫向最大水平主應力σH方向偏轉越快，所以濾失面最大即濾失最大的未涂防水劑砂巖試件A 最先偏向主應力σH方向，然而濾失面最小即濾失最小的全涂防水劑砂巖試件D，最后才向最大主應力σH方向偏轉。

壓裂裂縫擴展延伸路徑表征示意圖如圖7。使用壓裂裂縫偏轉角α，預制裂縫角θ，裂縫延伸長度L 等3 個特征變量，以此描述砂巖試件壓裂裂縫擴展延伸路徑形態，通過定量分析研究3 個特征變量之間關系，揭示砂巖試件壓裂裂縫偏轉規律。

圖7 壓裂裂縫擴展延伸路徑表征示意圖Fig.7 Characterization schematic diagram of fracture extension path of fracturing

由圖6、圖7 可以得出，每個砂巖試件的壓裂裂縫擴展整體趨勢一樣，即延伸長度L 都是隨著裂縫偏轉角增大而逐漸增大，但是在水力壓裂過程中，由于不同濾失面下砂巖試件濾失不一樣，裂縫偏轉規律也呈現不同，隨著砂巖試件濾失面增大即濾失增大，壓裂裂縫在相同偏轉角時，其延伸長度L 由小到大依次為：未涂防水劑試件A、裂縫面涂防水劑試件B、孔壁涂防水劑試件C、全涂防水劑砂巖試件D。說明在水力壓裂過程中，砂巖試件濾失面越大即濾失越大，注液壓力持續提供的能量在壓裂裂縫尖端由于濾失現象造成了能量損失，使其壓裂裂縫在不斷起裂、擴展、延伸的循環過程中，瞬間轉化的動能較小，無法擺脫應力對砂巖壓裂裂縫偏轉的束縛控制，進而造成裂縫向預制裂縫方向延伸的長度L越小，所以濾失最大的未涂防水劑試件A 壓裂裂縫在達到同一偏轉角時其延伸長度L 小于濾失最小的全涂防水劑砂巖試件D。

4 結 論

1）根據砂巖試件水力壓裂過程中聲發射響應特征研究，把整個砂巖試件水力壓裂過程分為4 個階段：①壓裂液注入初期階段；②裂縫起裂階段；③裂縫擴展延伸階段；④注液壓力平穩階段。隨著濾失面增大即濾失越大，預制裂縫定向水力壓裂的砂巖試件聲發射能量率峰值呈現逐漸下降的趨勢，而試件完成壓裂破壞過程所需的累積能量會逐漸升高。

2）根據預制裂縫定向水力壓裂的砂巖試件壓裂裂縫擴展延伸響應規律研究，隨著濾失面增大即濾失越大，壓裂裂縫向最大主應力σH方向偏轉越快；當砂巖試件壓裂裂縫擴展延伸達到相同偏轉角α時，延伸長度L 隨著濾失增大而逐漸減小。