《Engineering Fracture Mechanics》：Hydraulic fracture propagation characteristics of deep coal based on acoustic emission and distributed optical fiber sensing
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•集成声发射（AE）和分布式光纤传感器（DOFS）技术用于捕捉深部煤层中水力裂缝的演变过程。•较大的水平应力差简化了水力裂缝网络的形成。•较高的注入速率促进了裂缝在两侧以及垂直于煤层层面的扩展。•高粘度流体使得主裂缝更加宽大且对称。•自悬浮支撑剂显示出提高裂缝导流能力的潜力。引言
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集成声发射（AE）和分布式光纤传感器（DOFS）技术用于捕捉深部煤层中水力裂缝的演变过程。
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较大的水平应力差简化了水力裂缝网络的形成。
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较高的注入速率促进了裂缝在两侧以及垂直于煤层层面的扩展。
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高粘度流体使得主裂缝更加宽大且对称。
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自悬浮支撑剂显示出提高裂缝导流能力的潜力。
引言
深部煤层气（CBM）储层已成为非常规天然气开发的重要目标[1]。其高效开发在很大程度上取决于通过水力压裂形成的连通流动通道。与浅层和中等深度的煤层储层相比，深部煤层储层通常承受更高的原位应力，并且应力状态更为复杂[2]。煤层中还常见层理面、裂隙以及预先存在的裂缝。这些地质和力学特性使得水力裂缝的形成和扩展变得更加复杂。水力裂缝可能会发生偏转、分叉，在遇到自然不连续性时局部停止扩展。这些行为会限制裂缝的延伸范围，从而降低储层的有效 stimulation 容量[3]。因此，明确深部高应力条件下水力裂缝的形成、扩展以及垂直于煤层层面的特性对于优化压裂参数和提高储层 stimulation 效果至关重要。
实验室物理模拟为煤层及其他非常规储层岩石中的水力裂缝扩展提供了重要见解。先前的研究表明，原位应力各向异性在控制水力裂缝宏观扩展方向中起着重要作用。层理面、裂隙以及预先存在的裂缝可能会改变局部裂缝路径，导致裂缝偏转、弱层面激活或局部停止[4], [5], [6]。流体注入参数（包括注入速率和流体粘度）也会影响压力积累、流体渗漏和裂缝开口[7], [8]。因此，应力条件、注入速率和流体粘度的影响已经得到了一定程度的研究。然而，许多现有的实验室研究主要集中在人工模拟材料、页岩或浅层煤层上[9], [10], [11]。在高应力条件下，具有发达裂缝的深部天然煤层中的水力裂缝扩展情况仍缺乏足够的了解。此外，裂缝演变通常主要通过压裂后的宏观形态来推断。因此，需要进一步研究深部高应力条件下大型天然煤层样品中水力裂缝的动态扩展特性。
对水力裂缝扩展的动态监测对于有效评估储层 stimulation 效果非常重要。近年来，现场规模的水力压裂诊断逐渐从单一方法监测转向了多源综合监测[12]。如图 1 所示，微地震监测和分布式光纤监测可以提供关于水力压裂过程中与裂缝相关的地震活动和变形响应的互补信息[13], [14], [15]。然而，现场解释往往受到地质复杂性、传感器覆盖范围有限以及将监测信号与实际裂缝几何结构关联不确定性等因素的影响[16], [17]。因此，需要通过受控的实验室实验来更好地阐明监测响应与水力裂缝演变之间的关系。
在实验室尺度上，声发射（AE）监测和分布式光纤传感（DOFS）技术被越来越多地应用于研究水力裂缝扩展[18], [19], [20]。AE 监测可以检测由微裂纹产生和扩展的瞬态弹性波，从而提供关于裂缝活动和事件位置的信息[21]。DOFS 可以连续记录沿光纤路径的应变变化，并能识别由接近或相交裂缝引起的局部变形[22]。因此，AE 和 DOFS 从不同的角度表征水力裂缝的演变过程。AE 反映了微裂纹活动的空间和时间演变，而 DOFS 则捕捉了沿光纤路径的连续局部变形。它们的结合使用为表征水力裂缝的形成和扩展提供了互补信息。然而，在深部高应力条件下的大型天然煤层样品中进行真正的三轴水力压裂实验时，AE 和 DOFS 的联合应用仍然有限。
为了解决这些研究空白，研究人员在相关的高应力条件下对大型天然煤层样品进行了真正的三轴水力压裂实验。同时使用了 AE 监测和 DOFS 技术来表征水力裂缝的形成和扩展。研究了水平应力差、注入速率和压裂液粘度对破裂压力、裂缝扩展、与层理面的相互作用以及裂缝网络发展的影响。压裂后，进行了裂缝重建和分形维度分析，以表征最终的裂缝形态和复杂性。还进行了裂缝开口反转和再注入测试，以评估裂缝开口度和相对导流能力。通过结合动态监测和压裂后的定量分析，本研究提供了对深部煤层中水力裂缝扩展的更全面理解。这些发现也为优化深部煤层储层的水力压裂参数提供了实验指导。
部分摘要
实验系统
物理模拟平台包括一个真正的三轴水力压裂系统、一个 AE 监测系统和一个 DOFS 系统（图 2）。该三轴装置具有独立的应力加载、高压流体注入和数据采集与控制子系统[23]，能够在每个主方向上施加高达 8000 kN 的载荷，并为 300 mm 的立方样品生成高达 80 MPa 的三轴应力，从而能够模拟深部储层的应力条件。
裂缝扩展形态
根据上述实验方案，在深部煤层样品上进行了六次水力压裂测试。在压裂过程中同步记录了泵压曲线、DOFS 应变响应和 AE 信号。压裂后，沿主要裂缝表面机械切割样品以表征最终的裂缝形态。通过绿色荧光示踪剂的分布识别裂缝路径。
基于 COD 的裂缝开口度定量表征
裂缝开口位移（COD）是评估水力裂缝开口程度和潜在导流能力的一个重要指标。与裂缝长度和形态相比，COD 更直接地反映了两个裂缝表面之间的相对位移以及压裂液在裂缝内的填充情况。为了量化不同测试条件下主裂缝的开口特性，根据剪切滞后理论估算了 COD[46]。
结论
在深部高应力煤层储层中，水力裂缝的扩展常受到层理面和天然裂缝的干扰，导致有效扩展范围受限。在大型天然煤层样品上进行了真正的三轴水力压裂测试。系统研究了水平应力差、注入速率和压裂液粘度对水力裂缝形成和扩展形态的影响。主要发现如下：
作者贡献声明
陈文天：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿撰写，数据可视化，方法学研究，数据管理。常欣：撰写 – 初稿撰写，资源协调，项目管理工作，资金获取，概念构思。侯振坤：项目管理工作，方法学研究，数据管理。郭银通：数据可视化，结果验证，软件开发。王杏毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿撰写，方法学研究。王善祺：方法学研究，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了 国家自然科学基金（项目编号 52574059，U25D9018）的支持。
陈文天|常欣|侯振坤|郭银通|王杏毅|王善祺
