与弱面相遇时页岩水力裂缝转向扩展条件的理论解
页岩油气的高效开发对保证能源供应具有重要意义。高效开采的关键依赖于复杂裂缝网络的产生：层理等弱面与水力裂缝相互作用形成的复杂裂隙提供页岩油气的生产通道，正如人体中多层次的复杂血管体系将营养输送到身体的各个部分。力学上，水力裂缝转向扩展临界条件是开启缝网形成之谜的一把钥匙。该条件的给出使得工程师可在理论指导下进行压裂工程优化设计，形成更加合理的裂缝通道。
来自中国科学院力学研究所的科研人员基于能释放率最小化原理，给出了考虑地应力、摩擦力等因素时水力裂纹沿任意方向扩展的应变能释放率的显式表达式，并推导出水力裂缝转向扩展条件的理论解。这些结果解决了长期存在的压裂地质力学悖论：即水力压裂直观上为扩张型裂纹破坏模式而实验观察显示破坏模式主要为剪切型。
图：与弱面相遇时水力裂缝的扩展路径选择模型(左侧图);理论结果揭示随着水压力增加，页岩储层将依次经历摩擦锁定阶段、II型(剪切)断裂阶段和混合断裂阶段，而在II型(剪切)断裂阶段，裂缝面摩擦和地应力之差对应变能释放率之比，即裂缝转向没有影响(右侧图)。
该理论工作揭示了以下重要工程规律：
· 随着水压力增加，页岩储层将依次经历摩擦锁定阶段、II型(剪切)断裂阶段和混合断裂阶段，而沿弱面II型(剪切)断裂是页岩水力压裂时的主要断裂模式;
· 裂缝面摩擦系数越小或者地应力差越大，水力裂缝沿页岩弱面或基质扩展所需的压裂压力越小，页岩储层越容易压裂;
· 在II型(剪切)断裂阶段，裂缝面摩擦力和地应力之差不影响裂缝扩展方向，而裂缝与弱面之间的入射角是裂缝转向行为的决定因素。
该工作获得了国家自然科学基金委的支持(魏宇杰，基金号11425211)，发表于力学期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。
文章链接：http://dx.doi.org/10.1016/j.jmps.2016.12.012
来源：非线性力学国家重点实验室
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