粗粒页岩偏移断层的接触特性、损伤演变以及孔隙渗流响应在垂直压缩应力作用下的行为

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Contact characteristics, damage evolution and aperture-seepage response of rough shale offset fractures subjected to vertical compressive stress

　　

魏唐|陈宝义|翟成|魏??|??|徐繼照|??|???

中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市221116

摘要

水力压裂过程中产生的偏移裂缝以及随后的应力恢复对页岩储层的机械稳定性和流体输送能力起着关键作用。然而，裂缝粗糙度、偏移距离和垂直应力对裂缝行为的耦合效应仍不够清楚，尤其是在实际粗糙表面条件下。本研究通过结合三维扫描、实验室规模压缩试验和FLAC3D模拟，建立了一个综合的实验-数值框架，系统地研究了粗糙页岩偏移裂缝在垂直压缩应力下的接触演变、损伤机制和裂缝开口-渗流响应。结果表明，裂缝接触面积随垂直应力增加而单调增加，但随着表面粗糙度的增加而减少；而偏移距离主要控制着接触区域从分散模式向局部化模式的转变。偏移引起的应力集中显著加速了损伤演变，并在高应力条件下促进了从拉伸主导向剪切主导的破坏转变。此外，裂缝开口随应力增加而呈指数级减小，较大的偏移距离增强了裂缝的连通性。流体流动偏离线性达西行为，更准确地由Forchheimer非线性流动模型描述。

引言

非常规碳氢化合物资源（如页岩油和页岩气）的高效开采依赖于水力压裂在储层中产生的复杂裂缝网络。1, 2, 3 在水力压裂过程中，高压流体的注入会诱导初级裂缝和次级裂缝的形成。初级裂缝通常沿最大主应力方向扩展，而次级裂缝倾向于与天然裂缝相连，最终形成复杂的渗流网络。4, 5 为了防止水力裂缝在原位应力下的闭合，水力压裂作业中广泛使用了支撑剂。压裂液回流后，支撑剂留在水力裂缝中，提供机械支撑以抵抗原位应力，从而保持裂缝的导水性。6, 7, 8 然而，由于颗粒大小和输送能力的限制，支撑剂主要局限于初级裂缝，无法有效渗透到更广泛的次级裂缝网络中，导致这些裂缝的支持不足。

在水力压裂过程中，高压流体驱动的裂缝扩展会在裂缝表面引起剪切位移，这一过程被称为水力剪切。9, 10, 11 由于裂缝表面的固有粗糙度，这些偏移裂缝（OFs）在原位应力下无法完全闭合。因此，对于次级裂缝来说，剪切引起的位移是增强储层渗流能力的关键机制。12, 13, 14, 15 现场证据支持这一机制。Krietsch等人16, 17在瑞士的Grimsel试验场进行了原位试验，证实了水力裂缝的永久偏移，表明裂缝粗糙度阻碍了在应力下的完全闭合。此后有许多研究调查了粗糙裂缝的剪切行为。Wang等人18研究了页岩中的剪切滑移行为，并强调了矿物组成的影响。Boholi等人19使用直接剪切装置测量了剪切过程中的裂缝摩擦特性，并计算了不同实验阶段的裂缝摩擦系数。He等人20探讨了页岩与两种不同支撑剂之间的界面摩擦学行为，发现摩擦系数与法向载荷呈负相关。Huan等人21采用离散元方法分析了岩石剪切力学行为与裂缝粗糙度之间的关系。关于剪切裂缝的渗流特性，也进行了许多研究。Cheng等人和Rong等人22构建了人工偏移的粗糙裂缝模型，使用格子Boltzmann方法模拟裂缝内的流体流动，以阐明粗糙度与导水性之间的相关性。Peng等人23使用自主研发的实验系统对裂隙岩石进行了渗流实验，研究了剪切位移与渗流能力之间的关系。Sun等人24制备了偏移裂缝样品进行渗流试验，报告称特定的裂缝偏移可以使导水性提高6.4-12.8倍。Dong等人25建立了0-10毫米偏移的数值模型，并使用COMSOL分析了偏移模式对流体渗流行为的影响。总体而言，这些研究表明偏移裂缝可以显著增强裂缝的渗流能力。

然而，现有研究主要集中在粗糙裂缝的剪切过程及其剪切后的渗流能力上，而很大程度上忽略了实际压裂作业中的一个关键后续阶段。压裂液回流后，原位应力逐渐恢复，使偏移裂缝受到压缩载荷。这种应力重新分布改变了裂缝形态，直接影响了它们的长期机械稳定性和导水性。到目前为止，偏移裂缝在压缩应力下的机械响应仍知之甚少。特别是，考虑裂缝表面粗糙度、偏移距离和垂直应力的耦合效应，对偏移裂缝的接触演变、损伤发展和开口分布的系统性研究仍然缺乏。这一知识空白严重限制了长期储层生产力的准确预测和水力压裂设计的优化。为了克服这些限制并阐明应力恢复过程中偏移裂缝的内在机械行为，本研究对偏移裂缝进行了压缩分析。通过将实验室实验与FLAC3D数值模拟相结合，系统研究了裂缝表面粗糙度、偏移距离和垂直应力对接触特性、损伤演变和开口变化的影响。本研究旨在阐明偏移裂缝在垂直应力下的机械响应规律，建立影响因素与裂缝机械行为之间的定量关系，并为预测应力恢复过程中偏移裂缝的长期稳定性和导水性提供理论支持。

章节片段

裂缝表面制备

四川省长宁地区是中国主要的页岩气生产区。从该地区采集的页岩块被加工成φ50毫米×50毫米的圆柱形样品。如图1(a)所示，使用MTS试验机将样品分割以生成页岩裂缝表面，随后对其进行表面轮廓扫描。表面形态使用Keyence VR-5200轮廓仪进行表征，分辨率为0.1微米。

接触区域的分布和演变

由于裂缝表面的固有粗糙度，上部和下部偏移裂缝表面在应力恢复过程中不会完全重合。图8(a)显示了不同偏移距离和应力水平下A1裂缝表面接触区域的演变。图中，橙色表面代表上部裂缝表面，而深蓝色区域表示上下表面之间的接触区域。在给定偏移距离下，随着垂直应力的增加...

裂缝压缩后的数值模型建立

第3.3节的结果表明，裂缝开口分布受到应力、偏移距离和表面粗糙度的强烈影响，导致不同裂缝之间的接触模式不均匀。为了进一步评估这些裂缝的水力性能，进行了计算流体动力学（CFD）模拟，以分析其在不同应力条件下的渗流行为。

基于第3.3节获得的开口分布，进行了三维裂缝...

结论

本研究结合了实验测试和数值模拟，研究了垂直应力下页岩偏移裂缝的接触行为、损伤演变和开口分布。此外，基于A1裂缝表面的开口特性，进行了计算流体动力学模拟，以分析不同偏移距离下裂缝的渗透率演变。主要结论总结如下。

作者贡献声明

魏唐：撰写——原始草稿，可视化，监督，方法学，资金获取，概念化。陈宝义：调查，数据整理。翟成：监督，资金获取。魏??：撰写——原始草稿，验证。??：调查。徐繼照：验证。??：正式分析。???：验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国博士后科学基金会（2025M771795）、国家自然科学基金（U25B20138）的联合资助，第一作者感谢江苏省优秀博士后计划的资助。