真三轴液压压裂实验与基于FDEM的煤系地层断裂模拟研究

为何岩石破裂关系到能源与安全

液压压裂被广泛用于抽采煤层气及其它深部烃类资源，但地下地层很少是均质的。煤层常与较硬或较软的岩石交叠，并由天然弱面分隔。当加压流体注入地下时，产生的裂缝并不总是沿着工程师预期的方向传播。本研究探讨裂缝在这种层状煤系中的真实行为，有助于在提高气体产量的同时降低不期望的水涌或矿井顶板坍塌等风险。

团队如何在实验室重建深部地层

研究人员用野外采集的煤和砂岩制成块状样本，按不同强度叠置三层，并按若干常见煤田地质组合排列：硬/中等砂岩、较软粉砂岩和煤的组合。中央钻孔模拟井眼。然后将试块置于真三轴压力装置中，该装置可在三个方向施加应力以重现地下数公里处的应力状态，同时以受控流量注水以诱发裂缝。

观察裂缝如何穿越层状岩石

每次试验后，研究团队检查试块表面以确定流体充注裂缝的传播路径。结果显示裂缝形态在上下方向上高度不均匀。样品并非只有单一整齐的垂直裂缝，而表现出七种主要形态：简单直裂缝、相交的十字、T形与加号形，以及更复杂的图样。裂缝是穿越界面、在界面处停止，还是沿界面转向横向延伸，主要受两方面影响：原位应力的方向与差值，以及相邻两层之间的强度对比。

将压力信号与隐藏裂缝网络关联

试验过程中实时记录了注入压力。岩石初次破裂时压力会快速上升到峰值，随后下降并在一定水平上波动，停止注入时压力再次下降。当生长中的裂缝遇到天然弱面或层界时，压力曲线会出现明显的陡降或额外扰动。研究发现，大而干净的压力降多与较简单的裂缝形态相对应，而嘈杂且强烈波动的压力曲线则表明存在更复杂的分支裂缝网络，这些裂缝要么沿界面爬行要么穿越界面。

用数值模拟窥见岩体内部

为了看清表面之下的情况，作者采用了一种结合有限元与离散元特点的数值方法。简言之，他们将岩体划分为许多小块，并允许虚拟裂缝在这些块之间的接触面上随流体压力增加而开启或滑移。通过调节输入参数以匹配实验结果，模拟再现了裂缝在某层内起始、与界面互动并选择穿越、转向或分支的过程。团队提出了一个单一指标——岩性强度差系数，用以量化每个界面两侧在刚度和抗拉抗裂方面的差异。

什么决定裂缝是穿越还是转向

实验与模拟的结合表明，应力和岩性对比共同引导裂缝路径。当垂直应力为最大主应力且与水平应力差值较大时，裂缝更容易向上或向下穿越界面。如果裂缝始于较软岩层并遇到较硬层，通常会减速或转向，沿界面扩展。相反，当裂缝始于较硬岩并朝向较软岩时，较大的强度差更可能使其直接穿透，常形成T形或类似结构。脆弱的界面则促使沿界面侧向扩展，产生T形或梳状图样，而非高耸的贯穿裂缝。

对能源开采与采矿的意义

对非专业读者来说，关键结论是：地下地层的层理与应力状态与注入能量同样重要，决定了液压裂缝的走向。通过测定不同岩层及其界面的强度，并选择在硬层或软层起裂，工程师可以更好地引导裂缝留在煤层内或按需连接多个层位。作业中实时读取压力曲线也可为判断隐藏裂缝网络复杂程度提供线索。这些见解有助于更安全、更高效地改造煤层气与其它层状储层。

引用: Ma, J., Dong, G., Wang, H. et al. True triaxial hydraulic fracturing experiments and FDEM simulation study of coal-measure rock strata. Sci Rep 16, 15372 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46948-2

关键词: 液压压裂, 煤层气, 层状地层, 裂缝扩展, 岩石力学