《Water》：Study on Hydraulic Fracture Propagation in Rock with a Coupled Hydro-Mechanical Phase-Field Model
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水力裂缝扩展直接影响低渗透非常规储层的增产效率，且受地应力、流体注入速率及层理结构共同影响。本研究通过耦合固体力学、多孔介质流动与相场断裂理论，建立了流固耦合相场模型（coupled hydro-mechanical phase-field model）。层理
水力裂缝扩展直接影响低渗透非常规储层的增产效率，且受地应力、流体注入速率及层理结构共同影响。本研究通过耦合固体力学、多孔介质流动与相场断裂理论，建立了流固耦合相场模型（coupled hydro-mechanical phase-field model）。层理面以低维界面表征。利用该模型研究了不同应力比、流体注入速率及层理角度条件下的裂缝起裂与扩展规律。结果表明：在非均质地应力条件下，裂缝主要沿最大主应力方向扩展；在等应力条件下，裂缝起裂及后续扩展均未呈现一致的优势方向。提高流体注入速率会增大起裂压力并提前起裂时间，但对最终裂缝形态影响甚微。对于层状岩石，识别出三种典型裂缝扩展模式：层理主导型、应力主导型及混合控制型扩展。在等双轴应力条件下，无论层理角度如何，均发生层理主导型扩展。上述结果表明，最终裂缝形态主要受地应力场与层理界面的相对作用控制，而流体注入速率主要影响裂缝起裂压力与起裂时间。
一、研究背景与问题
页岩油、页岩气及煤层气是保障能源安全的关键非常规油气资源。在低渗透储层中，水力压裂通过高压注入流体在井筒周围诱发裂缝，提升储层渗透率与产能。水力压裂模拟建立在多孔介质流固耦合理论之上，Terzaghi建立了有效应力原理，Biot随后发展了三维固结理论并推广至各向异性介质，为现代流体驱动断裂分析奠定基础。损伤变量用于量化宏观裂缝形成前的微裂纹萌生、累积及刚度强度退化，多种流固耦合损伤模型已被提出。相场模型无需显式追踪尖锐裂缝即可模拟起裂、扩展、分叉与合并，适用于水力压裂模拟。页岩为层状沉积岩，其压裂响应强烈依赖层理结构，层理可引导、偏转或阻滞裂缝扩展。地应力是控制裂缝方向与形态的另一关键因素。然而，现有研究大多孤立考察应力或层理的影响，二者对裂缝扩展的竞争控制机制尚缺乏深入理解。当前多数相场模型聚焦于体正则化、预制裂缝或有限宽度弱层表征，鲜有模型将低维导流层理界面与完整岩石起裂相结合。为此，研究人员开发了整合多孔介质流动、固体力学与相场断裂理论的流固耦合相场模型，将层理面表征为低维界面，专门考察应力场与层理界面的竞争关系。
二、研究内容与意义
该研究在COMSOL Multiphysics 6.3中实现模型，首先进行网格敏感性分析以确定空间离散方案，随后以公开发表的水力压裂实验验证裂缝形态与起裂压力。完整岩石模拟探讨应力比与流体注入速率的影响，层状岩石模拟考察地应力与层理相互作用。研究分析了起裂压力与起裂时间、扩展方向、损伤面积、层理穿越、裂缝偏转及沿层理扩展等特征，旨在识别层状岩石中的控制机制。研究结果可为不同地应力与层理条件下水力裂缝倾向于穿越还是沿层理扩展提供预判依据，并区分地质条件与注入速率在裂缝轨迹及起裂中的不同作用，对层状地层水力压裂作业设计与解释具有参考价值。
三、关键技术方法
研究人员建立了耦合流固相场模型，融合了以下关键方法：基于Francfort和Marigo变分原理及Miehe等拉压分裂方法的相场断裂理论，通过历史场变量强制裂缝演化的不可逆性；基于Biot孔隙弹性理论的多孔介质流动方程，采用指示函数区分基质、裂缝及过渡区的渗透率差异；层理面采用Martin等提出的低维界面模型，实现与周围岩石基质的流固耦合；模型通过COMSOL Multiphysics的固体力学、达西定律及亥姆霍兹方程接口实现，采用交错求解方案依次求解位移场、压力场与相场。模型验证采用Hou等报道的页岩水力压裂实验，试样为长100 mm、直径50 mm的圆柱形页岩，含直径5 mm、深60 mm的轴向钻孔。
四、研究结果
4.1 地应力对水力裂缝演化的影响
在完整岩石模拟中，裂缝在井筒周围应力集中区成核并向周围岩石扩展，以拉伸破坏为主。应力比为0.5和2时，最大主应力方向控制裂缝起裂方向；应力比为1时，远场应力不产生特定起裂方向。主成分分析（PCA）计算得到应力比0.5、1.0和2.0下的扩展角分别为87.27°、10.86°和3.01°，表明裂缝扩展路径与最大主应力方向密切相关。非均质地应力下理论扩展角与模拟值仅相差2.73°和3.01°。注入压力曲线呈现快速上升、峰值后骤降、随后趋于准稳态的典型特征。
4.2 流体注入速率对水力裂缝演化的影响
注入速率5、10、15、20和25 kg/(m3·s)对应的起裂压力分别为39.82、40.60、41.68、42.05和42.92 MPa，起裂压力随注入速率单调增加。较高注入速率下初始压力上升更陡峭、峰值出现更早，这是因为流体在井筒附近快速积聚，起裂前向基质扩散时间更短，导致起裂更早但压力更高。注入速率对最终裂缝形态影响甚微。损伤面积演化曲线呈现先平缓、后快速增加、最终趋于平台的特征。
4.3 层状岩石中的水力裂缝演化
对12种层理角度与应力比组合的模拟表明，裂缝路径可定性分为三种类型：应力主导型、层理主导型和混合控制型扩展。层理角度为0°时，应力比0.5下裂缝近乎垂直穿越水平层理，属应力主导型；应力比1和2下裂缝沿水平层理扩展，属层理主导型。层理角度30°时，应力比0.5下裂缝保持近垂直仅轻微偏转，应力比1和2下沿倾斜层理稳定扩展。层理角度60°时，应力比0.5和1下裂缝一般沿层理扩展，应力比2下裂缝在井筒附近强烈偏转形成分段路径，表明应力场与层理面均未完全主导。层理角度90°时，应力比0.5和1下裂缝沿垂直层理扩展，应力比2下转向水平应力优势方向并穿越层理，转向应力主导型扩展。损伤面积方面，多数层理角度下应力比0.5诱发最早损伤和最大最终面积，层理角度30°时响应最强，最终损伤面积约16.4 m2。破裂压力与起裂压力随应力比从0.5增至1而升高、在应力比2时降低，等双轴应力工况均值最高。
五、结论
研究建立了耦合流固相场模型模拟完整及层状岩石中水力裂缝的起裂与扩展，层理面以低维界面表征。主要结论如下：应力比控制完整岩石裂缝方向，非均质地应力使裂缝沿最大主应力方向扩展，等应力条件下远场应力场不诱导特定优势方向；较高流体注入速率导致较高起裂压力和较早起裂，但对最终裂缝形态影响甚微；层状岩石中裂缝路径反映远场应力方向与层理面的相对作用，应力影响较强时裂缝趋向应力优势方向，层理影响较强时产生沿层理扩展，两者影响相近时出现偏转或分段路径；等应力条件下，各层理角度下裂缝均沿层理面扩展，此时等双轴远场应力不施加唯一优势扩展方向。研究聚焦于地应力比与层理角度的竞争效应，保持层理界面性质固定，未来将考虑层理黏结强度、断裂韧性等界面性质变化。裂缝形态比较以定性为主，将数值结果推广至现场尺度时需注意这些局限，需更多覆盖不同层理方向与应力条件的水力压裂实验以进行更广泛验证。
