在剪切流条件下，填充有支撑剂的裂缝/断层的摩擦特性及其对地质能源开采过程中裂缝/断层稳定性的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Frictional properties of proppant-filled fractures/faults under a shear-flow condition and the implication for fracture/fault stability during geoenergy extraction

本研究通过双直剪实验模拟地热开采中支撑剂填充的裂缝，系统分析正应力（1-4 MPa）、水力裂缝流速（3-7 ml/min）及剪切速率对摩擦强度与稳定性的影响规律。结果表明：正应力增大导致摩擦系数下降，高流速下摩擦稳定性参数（a?b）呈非线性变化，正应力≥2 MPa时均保持正值，揭示了支撑剂对断层剪切行为的关键调控机制，为复杂地质条件下的地热开发提供理论支撑。

　　在当今全球能源需求不断上升的背景下，地质能源的开采技术正在迅速发展。特别是在非常规油气资源、增强地热系统以及废水处理等工程领域，水力压裂技术的应用越来越广泛。随着这一技术的推广，人们开始更加关注其对地质结构稳定性的影响，尤其是裂缝或断层在开采过程中的剪切行为。水力压裂过程中，压裂液通常会携带支撑剂注入裂缝中，以保持裂缝的开启状态和高渗透性。然而，支撑剂如何影响裂缝的摩擦行为，尤其是在剪切过程中，仍然是一个尚未完全解决的问题。这一现象可能改变断层的剪切运动状态，进而影响整个地质结构的稳定性。

为了更深入地理解支撑剂对断层摩擦稳定性的影响，本研究选择花岗岩作为实验材料，模拟裂缝，并使用陶瓷砂（粒径小于106微米）作为裂缝填充介质。通过双向直接剪切实验，研究人员探讨了在不同正应力、水流动速率和剪切速度条件下，含有支撑剂的裂缝摩擦强度和摩擦稳定性如何演变。实验结果表明，随着正应力的增加，摩擦系数呈现出持续下降的趋势，这种现象被称为正应力弱化。在较高正应力条件下，水流动速率的增加也会导致摩擦系数的降低。此外，当正应力较低时，摩擦稳定性（a - b）的值也会随着正应力的增加而上升。然而，当正应力达到2 MPa时，所有（a - b）值均变为正值，表明此时裂缝的摩擦稳定性显著增强。

在相同正应力条件下，水流动速率对（a - b）值的影响呈现出非线性特征。这一发现表明，支撑剂的填充过程并非简单的物理堆积，而是涉及复杂的力学和流体力学相互作用。研究人员还观察到，摩擦强度的瞬时变化趋势与剪切速率的阶跃变化保持一致，进一步支持了支撑剂在裂缝中的动态作用。这些结果为理解支撑剂在地质能源开采过程中对断层摩擦稳定性的影响提供了新的视角，同时也为优化压裂设计、减少地质灾害风险提供了理论依据。

水力压裂技术自20世纪40年代以来，一直是石油工业中重要的技术手段，用于提高油井的产量。通过人工创建工程化的裂缝网络，该技术能够显著增强储层的渗透性，促进油气的迁移。近年来，支撑剂被广泛添加到压裂液中，以维持裂缝的开启状态和高渗透性。常见的支撑剂包括石英砂、天然砂或合成陶瓷材料。这些支撑剂在力学上起到关键作用，能够有效支撑裂缝，防止其在压力释放后闭合，从而保持储层的长期渗透性。

现代水力压裂作业通常与水平钻井技术相结合，利用高压泵送系统将含有支撑剂的压裂液注入深层储层，形成多尺度的裂缝网络。在压裂液注入之后，由于压力的下降，压裂液会部分回流，而支撑剂则会被选择性地保留在新形成的裂缝中，以抵抗闭合应力并维持裂缝的导流能力。此外，人工裂缝与天然裂缝之间的相互作用可能会形成复杂的裂缝网络，这在非常规储层中尤为明显。非常规储层由于其高渗透性差异，往往面临更高的断层或裂缝失效风险。

与常规储层相比，非常规储层中的裂缝网络更为密集且不对称，这使得在水力压裂过程中诱发地震的可能性大大增加。这种风险主要来自于多个耦合过程。首先，当注入压力超过岩石的最小主应力和张应力阈值时，水力裂缝会形成异质裂缝系统。其次，高渗透性裂缝网络会加速孔隙压力的传播，降低有效正应力，从而促进断层的重新激活。第三，如果水力裂缝与已有断层相连，压裂液会直接提升断层带的孔隙压力，减少正向约束，导致剪切应力接近库仑失效标准，进而引发断层破裂。第四，将流体重新注入已开采的井中会改变局部应力张量，重塑断层的应力场，并增加地震活动的可能性。第五，大量实验研究表明，支撑剂与天然裂缝之间的相互作用受到三个关键力学参数的影响：差应力Δσ = σ? - σ?、裂缝交角θ以及摩擦强度τ = c + σ?tanφ。在初始压裂阶段，支撑剂摩擦强度的变化可能会显著影响后续压裂操作中裂缝的传播行为。

在非常规资源开采过程中，虽然诱发地震的可能性较高，但其潜在的地震活动仍然受到一定限制。这是因为支撑剂的填充过程可能改变裂缝的摩擦行为，从而影响其稳定性。此外，支撑剂的填充还可以通过改变裂缝内的应力分布，间接影响断层的剪切运动状态。因此，理解支撑剂在裂缝中的作用机制对于优化压裂设计、降低地质灾害风险具有重要意义。

本研究通过双向直接剪切实验，系统分析了支撑剂对裂缝摩擦强度和摩擦稳定性的影响。实验中使用的花岗岩样品来自中国中部河南省的驻马店地区，其直径为50毫米，长度为130毫米，经过切割后形成三个部分，其中两个部分被加工成半圆柱形，用于模拟裂缝。实验过程中，研究人员在不同正应力（1、2、4 MPa）和水流动速率（3、5、7 ml/min）条件下，对含有支撑剂的裂缝进行了测试，并分析了剪切速度变化（36-6-1-6-36-6-1-6-36 μm/s）对摩擦行为的影响。通过这些实验，研究人员能够更全面地了解支撑剂在不同工况下的摩擦特性，以及其对裂缝稳定性的影响机制。

实验结果表明，支撑剂的摩擦强度在不同正应力和水流动速率条件下呈现出不同的演变趋势。在较低水流动速率下，随着正应力的增加，摩擦强度呈现出下降的趋势，而在较高水流动速率下，摩擦强度的变化则更为复杂。此外，摩擦稳定性（a - b）的值在不同正应力条件下也表现出显著的变化。当正应力较低时，（a - b）值为负，表明裂缝的摩擦行为处于不稳定状态；而当正应力增加到2 MPa时，所有（a - b）值均变为正值，表明裂缝的摩擦稳定性得到了显著提升。这些发现对于理解支撑剂在裂缝中的作用机制具有重要意义，同时也为优化压裂设计、提高储层渗透性提供了理论支持。

此外，研究还指出，支撑剂的填充过程可能会对裂缝的传播行为产生重要影响。在初始压裂阶段，支撑剂的摩擦强度变化可能会改变裂缝的传播路径和速度，从而影响后续压裂操作的效果。因此，理解支撑剂在裂缝中的动态行为，不仅有助于提高压裂效率，还能有效降低地质灾害的风险。通过系统的实验分析，研究人员能够更准确地预测支撑剂在不同工况下的摩擦特性，并为实际工程应用提供科学依据。

综上所述，本研究通过双向直接剪切实验，深入探讨了支撑剂对裂缝摩擦强度和摩擦稳定性的影响。实验结果表明，正应力和水流动速率是影响支撑剂摩擦行为的两个关键因素。随着正应力的增加，摩擦系数呈现出持续下降的趋势，而在较高水流动速率下，摩擦系数的变化则更为复杂。摩擦稳定性（a - b）的值在不同正应力条件下也表现出显著的变化，表明支撑剂的填充过程可能对裂缝的稳定性产生重要影响。这些发现不仅有助于理解支撑剂在裂缝中的作用机制，也为优化压裂设计、提高储层渗透性提供了新的思路。此外，研究还强调了在非常规资源开采过程中，诱发地震的风险可能来自于多个耦合过程，包括裂缝的传播、压力的释放以及支撑剂的填充。因此，未来的研究应进一步关注这些过程的相互作用，以更好地预测和控制地质灾害的发生。