Review and prospect of coal rock hydraulic fracturing physical experimental research
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摘要:
水力压裂物理模拟是对压裂过程中裂隙演化及其动力学过程的近似再现，成为了煤岩压裂机理研究的重要手段。相似理论是现场原型与试验模型转换的理论基础，试验装置和相似材料是物理模拟试验的物质前提，监测方法及检测技术是评价水力压裂致裂效果的关键部分，从以上3点对水力压裂物理试验的相似理论发展、试验材料和装置的演变、常用监测检测方法的特点和适用范围等方面进行了总结。分析认为：水力压裂的相似准则已经初步成形，但需要结合煤岩物理力学特性进一步修正，并利用数值模拟手段探究相似准则推导中忽略的次要因素影响程度，提高经验方程的可靠性与适用性；针对煤岩的多种物理力学性质，现阶段已得出许多相似材料的经验配比方程，但仍需要一套详尽的配比试验规范及大量试验尝试，提升试验的可重复性，以建立更具普适化的相似材料配比经验方程数据库；压裂装置正向着模拟条件更多、模拟范围更广、模拟尺度更大的多场耦合方向发展，压裂方法也随着工程应用逐渐多样化，但压裂装置三轴加载精度有待进一步提高，以保证高应力条件下压裂试验的有效进行，降低试验操作对最终结果的影响；监测方法与检测技术对水力压裂致裂效果的评价各有优势，相似材料对监测方法与检测技术的有效性与准确性也影响显著，如何依据试验需求确定适合的相似材料、合理地选择和结合监测方法与检测技术，是应对微细观结构研究需求的关键。
Abstract:Physical simulation of hydraulic fracturing is an approximate representation of fracture evolution and its dynamic process, which represents an important direction of fracture evolution research. Similarity theory is the theoretical basis of the transformation between field prototype and experimental model. Test equipment and similar materials are the material premise of physical simulation experiment. Monitoring and detection technology is the key part to evaluate the fracturing effect of hydraulic fracturing. This paper summarizes the development of similarity theory of hydraulic fracturing physical experiments, the evolution of experimental materials and devices, and the characteristics and application scope of common monitoring and detection methods from the above three aspects. The analysis shows that: the similarity criterion of hydraulic fracturing has been preliminarily formed, but it needs to be further modified according to the physical and mechanical properties of coal and rock. Numerical simulation method can be used to explore the influence degree of minor factors ignored in the derivation of similarity criterion, so as to improve the reliability and applicability of the empirical equation. In view of various physical and mechanical properties of coal and rock, many empirical formula equations of similar materials have been obtained at present, but a set of detailed experimental specification and a large number of experimental attempts are still needed to improve the repeatability of the experiments, so as to establish a more universal database of empirical equations of similar material matching. Fracturing devices are developing towards the direction of multi-field coupling with more simulation conditions, larger simulation scale and wider simulation range, and fracturing methods are gradually diversified with engineering applications. However, the accuracy of triaxial loading of fracturing devices needs to be further improved to ensure effective fracturing experiments under high stress conditions, and reduce the impact of experimental operations on the final results. Monitoring methods and detection technologies have their own advantages in evaluating the fracturing effect of hydraulic fracturing, and similar materials also have a significant impact on the effectiveness and accuracy of monitoring methods and detection technologies. How to rationally select and combine monitoring methods and detection technologies based on experiments is the key to meet the research needs of micro-structures.
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图 1 真（假）三轴水力压裂试验系统示意
Figure 1. True (false) triaxial hydraulic fracturing experiment system
表 1 常见相似试验原材料及特性
Table 1 Common raw materials for similar experiments and their characteristics
组分 原料 共性 特性 骨料 煤粉 决定相似材料的密度、级配，主要影响材料强度 孔隙结构、容重、吸附性等与原煤相近 细沙 调节材料孔隙度 胶结物 水泥 影响相似材料的强度及
变形破坏特性提高强度，增大材料脆性 石膏 提高强度 腐植酸钠水溶液 吸附性能与原煤相近，能渗入煤的微孔结构，可调节孔隙率，提高强度 石灰 降低强度 碳酸钙 降低强度 辅料 硼砂溶液 调节相似材料特定性能 缓凝剂 磷酸二氢钠 缓凝剂 甘油 保湿剂 活性炭 减密剂，可调节孔隙率、吸附性 重晶石粉 增密剂 
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表 2 配制煤岩相似材料的经验方程
Table 2 Empirical equation for preparing coal rock similar materials
文献来源 材料 因素 指标 经验公式 [24] 水泥、石膏、
石英砂、硼砂、水砂胶比X1、
水膏比X2、
石英砂粒径X3吸水率Y1、
软化系数Y2、
渗透系数Y3Y1=0.126+0.010X1−0.045X2+0.039X3;
Y2=0.498−0.004X1+0.220X2−0.011X3;
Y3=−16.762+2.115X1−7.898X2+7.874$ {\mathrm{e}}^{0.548{X}_{3}} $[25] 煤粉、水泥、沙子、水 水泥比例X1、
沙子比例X2、
成型压力X3单轴抗压强度Y1、
弹性模量Y2、
CH4放散初速度Y3、
CO2放散初速度Y4、
孔隙率Y5X3=40.507−4.831Y5;
X1=1.22+2.755Y1−0.129X3或
X1=1.641+0.03Y2−0.078X3;
X2=94.675−0.739X1−2.959Y3或
X2=88.697−0.861X1−2.1Y4[26] 石膏、浮石、硅藻土、水 硅藻土水泥石膏比X1、
标准砂浮石比X2、
骨胶比X3、
重晶石骨料比X4单轴抗压强度Y1、
软化系数Y2、
密度Y3、
孔隙率Y4X1=6.08Y1−10.85Y2+0.086Y3+31.80Y4−26.64;
X2=2.29Y1−217.81Y2−0.372Y3+122.38Y4+361.99;
X3=50.31Y1−11.70Y2+0.206Y3−47.19Y4−101.15;
X4=10.56Y1+0.023Y2+0.003Y3−0.215Y4−16.47[27] 河沙、碳酸钙、水泥、
液压油、滑石粉、凡士林河沙骨料比A、
碳酸钙、滑石粉比B、
水泥凡士林比C、
液压油用量D密度ρ、
单轴抗压强度$ {\sigma }_{c} $、
单轴抗拉强度$ {\sigma }_{t} $、
渗透率系数Kρ=1.809 64-0.069 04A−0.004 56B+0.029 76C+0.009 24D;
$ {\sigma }_{\rm c} $=−2.045 62+3.276A−0.130 9B+0.469 3C−5.75D;
$ {\sigma }_{\rm t} $=−0.192 18+0.291A−0.007 8B+0.043C−0.424D;
K=0.000 314 41−0.000 255 5A−0.000 027 66B−
0.000 030 62C+0.000 279 41D
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表 3 水力压裂物理模拟试验装置统计
Table 3 Statistics of hydraulic fracturing physical simulation experimental device
三轴加
载排式压力 泵注类型，泵压范围/MPa，
最大泵流量/(mL·min−1)试件尺寸/mm 耦合性能 监测及检测 科研单位 拟三轴 轴压1 000 kN,
围压60 MPa泵压伺服增压器, 20, — ϕ50×100
ϕ100×200固, 液, 气, 温度 泵压, 流量, 温度, 气压,
轴向, 径向位移重庆大学 轴压480 kN,
围压8 MPa柱塞计量泵, 20, 66.67 100×100×100
150×150×150
200×200×200固, 液 泵压, 应变, 流量 安徽理工大学 轴压2 000 kN,
围压80 MPa伺服控制泵, 70, 600 ϕ100×200 固, 液 应变, 位移, 泵压, 流量 中科院武汉岩土力学研究所 真三轴 围压2 000 kN 脉动泵, 2, 40 000 100×100×100
200×200×200
300×300×300固, 液 泵压, 流量 中国矿业大学 围压13 MPa 电动恒压泵, 16, — 300×300×300 固, 液, 电 泵压, 超声, 电压 太原理工大学 围压25 MPa 手动试压泵, 30, 60 200×200×200 — 泵压, 流量 辽宁工程技术大学 围压20 MPa 高压水泵, 31.5, 200 300×300×300 固, 液, 气, 温度 应变, 气压, 流量, 泵压, 温度 重庆大学 围压3 000 kN 恒速恒压泵, 40, 200 400×400×400 固, 液, 气, 温度 泵压, 温度, 流量, 应力应变 太原理工大学 围压4 000 kN 液压稳压加载系统, 60, 2 500 300×300×300
500×500×500固, 液 RSM声波仪, 位移, 泵压, 流量 中国矿业大学 围压69 MPa 循环泵, 82, 180 762×762×914 固, 液 泵压, 流量, 应变片, 声波波速 中国石油勘探开发研究院 围压40 MPa 高压平流泵, 100, 60 400×400×400 固, 液 泵压, 流量 中国石油大学（北京） 围压3 000 kN 压裂泵伺服控制, 100, 9 000 800×800×800 固, 液 泵压, 流量 中科院武汉岩土力学研究所 围压40 MPa 气液增压泵, 100, — 400×400×400 固, 液 泵压, 红外监测, 高速图像采集 辽宁工程技术大学
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表 4 监测及检测技术对水力压裂的效果评价
Table 4 Effect evaluation of monitoring and testing technology on hydraulic fracturing
项目 信号来源 适用阶段 效果 要求 特点 声发射监测 试件破裂或变形产生的声波 实时动态、
全过程监测定位[48-49]、反映裂隙形成过程及严重程度 不受形状、大小及材料的限制 可提供缺陷随外参量变化的实时动态信息，
但噪声干扰会影响结果常规压裂
参数监测压力、应变、温度等环境因素的改变 实时动态、
全过程监测反映压裂过程中的压力、应变、温度等参数 不受试件限制 可实时采集、传输、显示、保存压裂过程中的
压裂、环境参量，但无法直接描述试件缺陷电阻率监测 电信号 实时动态、
全过程监测反映压裂过程裂隙扩展阶段及效果[50] 要求试件表面平整，不受材料限制 能高精度捕捉试样压裂过程的瞬态响应及水分
变化情况，但电信号与破坏特征的对应关系
较少，无法准确区分水力裂缝的详细扩展情况数字图像相关DIC 光学信号 实时动态、
全过程监测重现压裂试件表面全场应变及位移 不受试件限制 对试验环境要求宽松，抗干扰能力强、测量精
度高，但测量面不能有遮挡，无法施加围压分布式光纤声波传感技术 光学信号 实时动态、
全过程监测反映压裂液的分布、压裂过程微地震信号、应变信号[51- 52] 不受试件限制 无电子元件、不受电磁辐射的干扰、耐高温，
但数据量巨大，且缺乏成熟的分析模型CT检测 X射线
γ射线点检测，
压裂前后重现三维形态[53]
（包括位置、取向、大小、形状等）尺寸的限制较大 可无损检测试样内部特征，但分辨率与试样尺
寸成反比，金属成分会对图像产生干扰超声波检测 超声波 点检测，
压裂前后定位、检测表面裂纹深度[54] 材质均匀、晶粒较小，形状规则，表面平整 灵敏度高，可检测内部尺寸很小的缺陷，但难
以识别缺陷类型，且声束变向易造成信号误判扫描电镜 二次电子信号 点检测，
压裂前后获取裂缝表面颗粒组成、起伏状况等细微观信息[55] 尺寸限制极大，仅限于表面 图像分辨率高，可清晰测量微观结构，
放大率与扫描尺寸成反比三维扫描 激光 面检测，
压裂后复建破裂面三维
模型[56]不受形状、材料及大小的限制 高精度、高分辨率，但对破裂面的
检测需破坏试件
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