煤田地质与勘探

作者：郭晓东, 张士诚, 张景臣, 周长静, 张成生, 邱士鑫, 袭祥瑞,

关键词：深层煤层气, 裂缝扩展, 支撑剂铺置, 真三轴, 水力压裂,

目的和方法深层煤层气储层普遍具有层理发育、力学非均质性强和地应力梯度高等特征，其压裂裂缝呈现出显著的非线性扩展行为和多场耦合效应。针对传统裂缝力学模型难以刻画深层煤储层裂缝复杂化机理的问题，基于2.0 m × 2.0 m × 1.0 m 超大型真三轴水力压裂物理模拟系统，开展不同排量与黏度条件下的水力压裂物理模拟实验，结合断裂力学与能量守恒理论，建立了裂缝扩展能量平衡方程、支撑剂迁移−沉积对流扩散方程及 “排量−黏度−复杂度”耦合模型，系统揭示了裂缝演化的动力学机制与裂缝网络复杂化规律。结果 (1) 裂缝扩展过程受地应力场、流体压力场及层理结构共同作用，为非稳态能量转换过程，裂缝扩展速率与能量释放率满足幂律关系。(2) 排量主要决定能量输入速率与裂缝传播速度，高排量导致能量集中于主缝前缘，裂缝趋于贯通但分支数量减少，裂缝复杂度降低；低排量条件下能量分布更均匀，增强能量蓄积与横向扩散，利于多点起裂与分支形成，裂缝复杂度提升25%~35%。(3) 压裂液黏度影响流体–固体间能量传递与支撑剂沉降行为，高黏度(45 mPa·s)条件下支撑剂沉降速度显著减小，与低黏度(15 mPa·s)条件相比，高黏度下携砂性能提高约40%，促进支撑剂向远井段均匀铺置，有利于形成连续导流通道。结论实验拟合获得的经验关系表明，裂缝复杂度与排量及黏度呈幂律耦合关系,低排量–高黏度组合更有利于形成立体裂缝网络，其分形维数可达1.46。建立的理论与实验耦合框架揭示了深层煤储层裂缝扩展–支撑剂运移的内在能量传递规律，为深层非常规储层压裂参数优化及裂缝复杂度预测提供了定量化理论基础。

来源：2026年第3期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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