随着全球能源转型和碳减排的迫切需求, 煤层气作为一种清洁高效的非常规能源, 在优化能源结构、减少碳排放方面具有重要的战略意义。目前, 随着资源勘探与开发不断深入, 低渗储层中煤层气的开采逐渐变得重要, 其极低的渗透率和微小复杂的孔隙结构, 极大地限制了煤层气的开采效率。水力压裂技术作为提高煤层气开采效率的关键技术, 通过向煤岩储层内部注入压裂液, 使煤层内部形成裂缝, 为煤层气开采提供通道。因此, 通过研究不同条件下水力裂缝的扩展规律对优化水力压裂工艺参数具有重要意义。 

近年来, 为优化压裂设计以提高气井的经济效益, 许多学者对水力压裂过程中裂缝扩展规律进行了研究。SONG等基于断裂力学理论, 推导了应力强度因子与裂缝扩展之间的关系, 并通过物理试验研究了孔隙压力对裂缝扩展方向的影响。ZHANG等研究发现, 在低水平应力差和高注液速率下, 水力压裂裂缝更加复杂且较容易产生分支裂缝。RUI等通过真三轴物理试验发现, 水平应力差对裂缝的挠度影响显著, 压裂液排量增大时裂缝更容易偏转。侯公羽等基于断裂力学理论构建钻孔水力压裂力学模型, 推导不同断裂准则下的起裂角和临界水压计算公式, 并指出预制裂纹长度与倾角是影响裂缝扩展的关键因素。梁鑫等通过建立岩石预制裂纹定向水力压裂相场模型, 探讨不同工程因素和地质因素下裂缝定向扩展的方向与形态, 强调压裂液黏度、水平应力差和注液速率对裂缝扩展起决定性作用。陆泳鑫等开展不同加载应力下的煤体水力压裂试验, 结合裂缝扩展过程中的声发射信号, 分析损伤与裂缝起裂扩展规律的关系。刘正和等通过物理试验发现, 注液速率的增加有助于提升裂缝的扩展能力, 而水平应力差异系数的增加则会削弱这一能力。董卓等在数值模拟和理论的基础上分析发现, 水平地应力差增大会增加裂缝的起裂压力, 减小裂缝的偏转角度。 

上述研究系统揭示了地层应力场、流体流变特性及岩石力学参数对水力裂缝扩展的调控机制, 但多聚焦于高滤失条件下水力缝网的形成机制, 对低滤失条件的水力裂缝扩展规律研究不足。针对低渗储层(渗透率10-4D < K < 10-3D)特有的低滤失压裂工况, 现有研究仍存在以下问题: ①低滤失条件下主裂缝的起裂-扩展动力学机制(形态/长度/宽度演化)尚未明晰; ②与低渗砂岩储层相比, 需要抑制低渗煤岩储层中裂缝的过度分支来保证主裂缝的扩展延伸; ③经典的帕金斯-科恩-诺德格伦模型(PKN模型)与赫里斯季安诺维奇- 吉尔兹马-德克勒克模型(KGD模型)虽假设滤失可忽略, 但其二维平面应变框架难以表征真三轴应力场中裂缝三维形态(如非对称偏转)的动态演化。 

综上所述, 为了探究注液速率和水平应力差对低渗煤岩储层裂缝扩展的影响, 文中基于断裂力学和弹性力学理论, 考虑水力裂缝Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子, 构建了低滤失条件下导向水力压裂裂缝尖端周向应力计算理论模型; 采用相似材料浇筑的低渗岩样, 在真三轴条件下开展水力压裂试验; 通过控制水平应力差和注液速率, 获取了注入压力-时间曲线及水力裂缝扩展形态特征, 系统分析了水力裂缝起裂-扩展的转变行为模式。研究成果可为深部低渗煤系储层的导向水力压裂技术实施, 提供理论基础与技术支撑。