李浩哲，姜在炳，范 耀,2

(1.中煤科工集团西安研究院 资源勘探开发与瓦斯防治技术研发中心，陕西 西安 710077； 2.煤炭科学研究总院，北京 100013)

引 言

对于水力压裂裂缝在地层界面处的延伸行为，国内外专家学者已经开展了一定的物理模拟研究和数值模拟研究[1-13]。现有的水力压裂裂缝扩展分析中，常用欧文(Irwin)裂缝扩展准则判别裂缝是否延伸[14]，即当裂缝尖端应力强度因子大于地层的断裂韧性时，裂缝发生扩展。因此，研究裂缝穿层扩展过程中应力强度因子的变化对于分析裂缝的穿层行为具有十分重要的意义。而目前的研究主要是对裂缝穿层延伸影响因素的定性分析，对于裂缝穿层过程中裂缝尖端应力强度因子的变化规律则研究较少。本文基于应力强度因子理论，分析了界面处裂缝尖端应力强度因子的变化规律；应用数值模拟，研究裂缝在砂岩-泥岩界面和粉砂岩-煤层界面处的穿层延伸行为，探讨了界面两侧岩石力学性质对裂缝穿层行为的影响，并应用研究成果开展案例分析。

1 界面处裂缝尖端应力强度因子分析

1.1 层状地层模型与基本假设

裂缝在层状地层界面处的扩展模型如图1所示。假设裂缝尖端距离地层界面距离为a，界面两侧岩石力学性质不同，以μi,νi(i=1,2)表示界面两侧材料的剪切模量和泊松比。为适当简化计算，假设界面两侧为弹性均质材料，岩石的断裂行为满足线弹性断裂力学，并且岩石断裂形式为Ⅰ型断裂。目前对于层间界面的研究包括两类[13-14]，即非胶结界面(界面的上下两层只是接触关系，中间不存在胶结物)和胶结界面(上下两层界面之间存在着胶结物，将上下两岩层胶结在一起)。……