不同滤失面下砂岩定向压裂声发射响应特征研究

叶海陇，杨录胜，刘正和，邓琼伟

（1.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室，山西 太原 030024；2.山西能源学院，山西 榆次 030600）

水力压裂技术应用于煤矿井下围岩控制[1]，使用该技术弱化煤矿坚硬顶板对防治冲击灾害以及保障煤矿安全生产有着重大的意义。目前传统的水力压裂技术实施钻孔径向机械切槽[2-3]，但是不能使其坚硬顶板在煤矿井下按照一定方向充分压裂垮落，技术推广应用受到一定限制[4]；针对传统压裂技术的缺点，垂直顶板轴向预制裂缝的定向水力压裂技术发展而来，该技术首先垂直顶板钻孔，孔内预制定向裂缝，在实施水力压裂过程中，裂缝能够沿着预制裂缝起裂以及扩展，使顶板在巷道一定范围内破断，实现垂直定向切顶[5]，由于该技术顶板岩层轴向钻孔预制裂缝时采用裸孔压裂，区别于传统石油行业中所使用的套管水力压裂增透技术的实施[6]，所以在实施过程中，压裂液直接接触坚硬顶板岩石表面，在注液压力、地应力的作用下，压裂液会沿着壁面原始孔隙渗透进周围岩石的裂隙、空隙中，这就是滤失现象，通常用滤失量来描述这一现象[7]，当滤失量超过一定范围，定向压裂效果会受到一定程度上的影响，预制裂缝可能出现无法实现起裂扩展，最终导致定向水力压裂实施失败[8]。可见滤失是成功实施定向水力压裂技术的1 个影响因素。

近几年，关于通过三轴压裂声发射试验研究滤失对轴向预制裂缝定向压裂技术中裂缝起裂破坏规律的研究较少，王林均等[9]在实验室通过对岩石试件进行单轴压缩试验，分析了岩石在单轴破坏下的声发射特征信息；毛瑞彪等[10]研究了不同岩性的岩石在三轴压力破坏下声发射特征，都没有涉及实施水力压裂过程中岩石破坏的声发射研究；邓琼伟等[11]、任晓凯等[12]分别研究了不同水平应力差、不同预制裂缝角下岩石在水力压裂过程中声发射特征，也都没有涉及水力压裂过程中其滤失现象对压裂裂缝影响的研究。为此，选用砂岩试件的标准尺寸为300 mm×300 mm×300 mm，制作出在压裂过程中滤失面依次减小的未涂防水剂、裂缝面涂防水剂、孔壁涂防水剂、全涂防水剂4 组砂岩试件，然后对其开展真三轴水力压裂声发射试验，通过分析定向水力压裂过程中声发射能量率、累积能量的显现特征以及压裂裂缝扩展形态，研究岩石在不同滤失面条件下，滤失对定向压裂技术中预制裂缝起裂以及扩展的影响规律。

1 试验部分

1.1 试验系统

定向压裂系统主要由3 部分组成：采用太原理工大学原位改性教育部重点实验室定制的真三轴压裂试验台、压裂液泵注系统以及美国声学物理公司生产的DISP-PCI2 型声发射系统。其中声发射系统由信号线、声发射主机、声发射探头、信号记录分析软件及显示器组成，能对压裂试验中，岩石产生的声发射特征进行收集与分析。

1.2 试件制备

选取标准尺寸为300 mm×300 mm×300 mm 的砂岩试件，在试件中间钻孔并预制裂缝，然后在其预制裂缝面和钻孔孔壁面涂抹防水剂，防水面积越大滤失面积越小，实现压裂过程中控制滤失面，从而达到控制滤失量的目的。具体加工步骤如下：

1）选取表面光滑、无破损的砂岩标准立方体试件。首先使用立式钻机对砂岩试件中部钻孔，其孔径25 mm，孔深300 mm。

2）然后使用金刚石砂线工具对钻孔试件定向预制裂缝，使其角度为60°，深度为10 mm，宽度2 mm。

3）最后使用防水材料对轴向钻孔并且定向预制裂缝的砂岩试件孔壁和裂缝面进行防水涂抹处理。

1.3 试验方案

根据试验原理，砂岩加工成品试件防水面积越大，水力压裂过程中，砂岩试件滤失表面积则越小，在相同试验变量控制下砂岩试件滤失量会越小。通过砂岩加工成品试件防水表面积计算，防水面积的大小关系是：全涂防水剂试件D＞孔壁涂防水剂试件C＞裂缝面涂防水剂试件B＞未涂防水剂试件A，所以水力压裂过程中滤失量大小排序为A＞B＞C＞D。不同滤失面砂岩试件压裂声发射试验方案见表1。

表1 不同滤失面砂岩试件压裂声发射试验方案Table 1 Fracturing acoustic emission test scheme of sandstone specimens with different filtration surfaces

压裂试验前，需对真三轴定向水力压裂试验系统设备展开先行调试，包括注液管路的排空、声发射系统的频率调试、泵注系统的初始注液压力设置等，做好试验充分准备。压裂试验进行时，首先连接声发射仪器，固定声发射探头，将声发射的4 个探头黏结在试件表面，让探头和试件的完全接触，然后启动真三轴压裂试验台、压裂液泵注系统、声发射系统，压裂声发射试验由此开始。最后当在电脑上监测到注液压力达到峰值并由此下降到1 个平稳数值阶段时，关闭整个真三轴定向水力压裂试验系统包括其声发射系统装置，压裂声发射试验到此完成。

2 不同滤失面下砂岩压裂过程中的声发射响应特征

声发射是通过捕捉岩石在压裂过程中所发出的物理破坏频率特征，将其转化成声发射试验系统中的信号密度强度，通过分析研究该压裂过程中声发射能量率、累积能量变化，即可以实现对岩石内部破裂过程即裂纹的起裂和扩展过程进行表征的试验研究。不同滤失面下砂岩试件的声发射能量率、累积能量与注液压力呈现一致的变化趋势，仅选取未涂防水剂试件、全涂防水剂试件的声发射能量率、累积能量与注液压力变化趋势为例，声发射能量率与注液压力变化趋势如图1，声发射累积能量与注液压力变化趋势如图2。

图1 声发射能量率与注液压力变化趋势Fig.1 The changing trend of acoustic emission energy rate and liquid injection pressure

图2 声发射累积能量与注液压力变化趋势Fig.2 The changing trend of cumulative acoustic emission energy and liquid injection pressure

试验初期，钻孔及预制裂缝中的压裂液逐渐填满，岩石外部未有损伤的出现，此时，声发射能量率和累积能量、注液压力的变化幅度不大，只有少量声发射事件，且声发射的能量波动比较平稳；随着压裂试验进一步泵注压裂液，注液压力逐渐升高，通过压裂液传递到预制裂缝尖端的应力也会不断增加，迫使砂岩内部疲劳损伤不断累积，此时，开始出现微裂隙，声发射系统监测到砂岩试件内部破裂活动强度波动明显，声发射信号密度强度即能量率、累积能量都呈现不断上升的趋势，当砂岩内部疲劳损伤达到一定程度，砂岩内部开始发育数量级微小裂隙，当注液系统不断泵注压裂液，注液压力不断上升并且达到砂岩试件的起裂压力，其砂岩试件内部的数量级微小裂隙开始交叉合并，不断汇集形成扩展延伸的主级裂缝，定向预制的裂缝也就会开始起裂，在岩样外部开始形成裂缝，此时声发射能量密度强度特征显现明显，即是能量率达到峰值，累计能量斜率急剧增加；随着注液压力进一步不断增大，为砂岩试件起裂继续提供能量，此时，蓄积的能量使其砂岩试件在起裂阶段出现的主级裂纹能够迅速延伸扩展，在该阶段声发射能量密度强度波动比较活跃，累积能量增大达到峰值，压裂系统泵注的压裂液陆续注入到不断扩展延伸的主级裂缝中，所以注液压力在该阶段会呈现整体先上升达到峰值后再逐渐下降的趋势，此时随着砂岩试件压裂过程持续进行而蓄积的能量不断释放，直至扩展延伸的主级裂缝扩展到砂岩试件的边缘；之后，注液压力将保持在一定值不在发生变化，此时，砂岩试件压裂已经完成，裂缝已经形成，砂岩试件内部的剧烈结构运动已经停止，声发射活动也平静下来，其声发射能量率保持基本平稳，累计能量也不再增加。

整体压裂声发射过程呈现4 个特征阶段：①压裂液注入初期阶段；②裂缝起裂阶段；③裂缝延伸扩展阶段；④注液压力平稳阶段。本次仅选取A 未涂防水剂砂岩试件的声发射能量率与注液压力变化示意压裂过程的4 个阶段，未注防水剂砂岩水力压裂过程声发射特征阶段划分如图3。

图3 未注防水剂砂岩水力压裂过程声发射特征阶段划分Fig.3 Division of acoustic emission characteristic stages in hydraulic fracturing process

随着岩石内部疲劳损伤不断累积，裂缝定向起裂以及后续扩展所需要的能量和压力都会不断减小。为了进一步研究不同滤失面下砂岩试件进行压裂声发射的能量率峰值、累积能量之间存在的关系，对不同滤失面下砂岩试件压裂声发射的能量率峰值、累积能量进行统计分析，不同滤失面下声发射信号能量密度强度变化趋势如图4。

图4 不同滤失面下声发射信号能量密度强度变化趋势Fig.4 Change of energy density intensity of acoustic emission in different filtration surfaces

由图4 可以看出，试件D 全涂防水剂，其滤失面最小也即是滤失最小，砂岩预制裂缝定向起裂所需的能量率为16 389（mV·μs）/s；孔壁涂防水剂试件C、裂缝面涂防水剂试件B 砂岩预制裂缝定向起裂所需的能量率随着滤失增大分别减小到了15 715、15 241（mV·μs）/s；A 未涂防水剂试件，其滤失面最大也即是滤失最大，砂岩预制裂缝定向起裂所需的能量率减小到仅仅只需9 271（mV·μs）/s。4 个砂岩试件的能量率峰值由大到小依次为：全涂防水剂砂岩试件D、孔壁涂防水剂试件C、裂缝面涂防水剂试件B、未涂防水剂试件A，说明在水力压裂过程中，滤失现象引起砂岩试件定向预制裂缝的尖端应力场有所改变，而且在不同滤失面下，滤失面越大即滤失越大所引起的应力场变化幅度也越大，这样由于尖端应力场变化进而使砂岩试件的起裂压力降低，能量率峰值也减小，所以滤失最大的未涂防水剂试件A的能量峰值低于滤失最小的全涂防水剂砂岩试件D。

累积能量反应了砂岩从注液开始阶段到压裂破坏完成其注液压力平稳阶段总共所需的能量。不同滤失面的砂岩试件其声发射监测的信号能量密度强度即累积能量由大到小依次为：未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D。其未涂防水剂试件的累计能量与裂缝面涂防水剂试件、孔壁涂防水剂试件和全涂防水剂试件的差值分别为：28 977、49 680、99 512 mV·μs。说明在水力压裂过程中，滤失现象引起砂岩试件压裂所蓄积的能量发生扩散，而且在不同滤失面下，滤失面越大即滤失越大时所引起的能量扩散也越明显，这样由于滤失引起能量扩散造成注液压力所蓄积能量梯度损失，进而增大了试件压裂所需的累积能量，所以滤失面最大即滤失最大的未涂防水剂试件A 其水力压裂试验过程破坏所需要的累积能量明显高于滤失面最小即滤失最小的全涂防水剂砂岩试件D 破坏所需要的累积能量。

3 不同滤失面下压裂裂缝扩展延伸响应规律

3.1 不同滤失面下压裂裂缝扩展延伸形态

为了探寻在不同滤失面下压裂裂缝扩展规律，对水力压裂试验后的砂岩试件展开分析，当预制裂缝角为60°，最小水平应力σh为4 MPa，最大水平应力σH为6 MPa 时，应力差为2 MPa。A、B、C、D 不同滤失面试件压裂声发射后裂缝局部形态如图5。

图5 不同滤失面试件压裂声发射后裂缝形态Fig.5 Fracture morphology of specimens after fracturing acoustic emission under different filtration surfaces

由图5 可以看出，在砂岩试件表面可清晰观察到压裂裂缝从定向预制裂缝尖端延伸扩展到试件边缘的路径，即首先从砂岩试件预制裂缝尖端起裂形成压裂裂缝，然后压裂裂缝沿着预制裂缝60°方位角方向扩展延伸一段距离，最后压裂裂缝向最大主应力σH方向偏转直至扩展延伸到砂岩试件边缘。在该水力压裂过程中，压裂裂缝整体扩展路径比较单一，无交叉复杂裂缝产生，并且对称贯穿整个砂岩试件。

3.2 不同滤失面下压裂裂缝偏转规律

为了比较不同滤失面下砂岩试件压裂裂缝在扩展延伸过程中的偏转规律，把图5 中不同滤失面裂缝形态同时绘制到一张图中进行比较分析，不同滤失面试件压裂裂缝偏转示意图如图6。

图6 不同滤失面试件压裂裂缝偏转示意图Fig.6 Schematic diagram of fracture deflection of specimens under different filtration surfaces

由图6 可以看出，不同滤失面的砂岩试件其压裂裂缝扩展延伸路径形态有所不同，压裂裂缝向最大主应力方向偏转速度由快到慢依次为：未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D。说明水力压裂过程中，滤失现象造成砂岩试件能量扩散从而引起能量损失，而且滤失面越大即滤失越大，能量的损失梯度相对越强，相对能量损失越大，压裂裂缝用于持续扩展延伸的相对能量越少，导致压裂裂缝向最大水平主应力σH方向偏转越快，所以滤失面最大即滤失最大的未涂防水剂砂岩试件A 最先偏向主应力σH方向，然而滤失面最小即滤失最小的全涂防水剂砂岩试件D，最后才向最大主应力σH方向偏转。

压裂裂缝扩展延伸路径表征示意图如图7。使用压裂裂缝偏转角α，预制裂缝角θ，裂缝延伸长度L 等3 个特征变量，以此描述砂岩试件压裂裂缝扩展延伸路径形态，通过定量分析研究3 个特征变量之间关系，揭示砂岩试件压裂裂缝偏转规律。

图7 压裂裂缝扩展延伸路径表征示意图Fig.7 Characterization schematic diagram of fracture extension path of fracturing

由图6、图7 可以得出，每个砂岩试件的压裂裂缝扩展整体趋势一样，即延伸长度L 都是随着裂缝偏转角增大而逐渐增大，但是在水力压裂过程中，由于不同滤失面下砂岩试件滤失不一样，裂缝偏转规律也呈现不同，随着砂岩试件滤失面增大即滤失增大，压裂裂缝在相同偏转角时，其延伸长度L 由小到大依次为：未涂防水剂试件A、裂缝面涂防水剂试件B、孔壁涂防水剂试件C、全涂防水剂砂岩试件D。说明在水力压裂过程中，砂岩试件滤失面越大即滤失越大，注液压力持续提供的能量在压裂裂缝尖端由于滤失现象造成了能量损失，使其压裂裂缝在不断起裂、扩展、延伸的循环过程中，瞬间转化的动能较小，无法摆脱应力对砂岩压裂裂缝偏转的束缚控制，进而造成裂缝向预制裂缝方向延伸的长度L越小，所以滤失最大的未涂防水剂试件A 压裂裂缝在达到同一偏转角时其延伸长度L 小于滤失最小的全涂防水剂砂岩试件D。

4 结 论

1）根据砂岩试件水力压裂过程中声发射响应特征研究，把整个砂岩试件水力压裂过程分为4 个阶段：①压裂液注入初期阶段；②裂缝起裂阶段；③裂缝扩展延伸阶段；④注液压力平稳阶段。随着滤失面增大即滤失越大，预制裂缝定向水力压裂的砂岩试件声发射能量率峰值呈现逐渐下降的趋势，而试件完成压裂破坏过程所需的累积能量会逐渐升高。

2）根据预制裂缝定向水力压裂的砂岩试件压裂裂缝扩展延伸响应规律研究，随着滤失面增大即滤失越大，压裂裂缝向最大主应力σH方向偏转越快；当砂岩试件压裂裂缝扩展延伸达到相同偏转角α时，延伸长度L 随着滤失增大而逐渐减小。