水力压裂 (Hydraulic Fracturing，也译作“水压致裂”或“水力劈裂”) 是油、气井增产增注的主要措施，在低渗透油和气田的开发中发挥着重要作用。然而，水力压裂对水利土木工程却有着破坏作用，比如高压引水隧洞衬砌和土石坝心墙的劈裂等。水力压裂是裂隙内渗流与岩体应力场、岩体强度等多因素复杂的相互作用与影响的结果，是裂隙岩体流固耦合研究的一个重要方向。建立严格的数学力学模型来研究岩体水力压裂过程中的力学反应和裂缝空间扩展问题一直是岩石力学与工程领域的热点与难点问题。

在国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金(51428902)、中煤科工集团重庆研究院、中国矿业大学、中国石油大学等单位的相关项目资助下，经过多年的努力，王涛副教授课题组在岩石水力压裂领域已经取得了可喜的成绩，研究成果涉及水力压裂的理论、模拟和工程应用等方面。基于颗粒离散元数值理论，采用颗粒间管道流与断裂力学结合的方法，提出了水力压裂中破裂压力公式，根据该方法可以得出注入流体压力随着注入时间变化的完整曲线，如图1所示。利用该研究成果，可以部分代替高成本现场地应力测试，同时可以预测煤层气压裂工程压裂影响半径。相关研究成果应用到了重庆渝阳煤矿西瓦斯巷(下)的7号煤层工作面和山西赵庄煤矿1307工作面水力压裂工程中，计算结果与现场获取的数据吻合度很好。在此基础上，研究了层状裂隙、正交裂隙和随机裂隙等对压裂效果的影响，如图2所示。基于块体离散单元理论计算了裂隙扩展宽度及注水井流体压力，并与Emmanuel Detournay院士推导的FMO(first order approximation of the zero-toughness solution)理论解(Kristianovic–Geerstma–de Klerk型断裂与Penny-shaped型断裂)进行了对比验证，提出了压裂裂缝宽度和裂缝流体压力的计算方法，论证了不同岩体自然裂隙对压裂模式的控制，如图3所示。

2014年在International Journal of Coal Geology上发表关于完整岩体水力压裂的模拟及机理问题，目前该论文在Web of Science核心合集中被引频次为47。2017年和2018年又与美国工程院院士Derek Elsworth教授合作，连续在Journal of Petroleum Science and Engineering上发表了两篇关于自然裂隙对压裂效果影响的论文。

图1 水力压裂破裂压力及在完整岩体中裂缝扩展规律模拟效果(引自：Wang et al. ,2014)

图2 水力压裂产生的水平和垂直裂缝扩展规律及与现场情况对比(引自：Wang et al. ,2017)

图3 不同初始地应力条件下，压裂裂缝随自然裂隙扩展规律(引自：Zhao et al. ,2018)

部分论文成果：

Wang, T.*, Zhou, W., Chen, J., Xiao, X., Li, Y. and Zhao, X., 2014. Simulation of hydraulic fracturing using particle flow method and application in a coal mine.International Journal of Coal Geology, 121: 1-13.https://doi.org/10.1016/j.coal.2013.10.012

Wang, T.*, Hu, W., Elsworth, D., Zhou, W., Zhou, W., Zhao, X. and Zhao, L., 2017. The effect of natural fractures on hydraulic fracturing propagation in coal seams.Journal of Petroleum Science and Engineering, 150: 180-190.https://doi.org/10.1016/j.petrol.2016.12.009

Zhao, X.,Wang, T.*, Elsworth, D., He, Y., Zhou, W., Zhuang, L., Zeng, J. and Wang, S., 2018. Controls of natural fractures on the texture of hydraulic fractures in rock.Journal of Petroleum Science and Engineering, 165: 616-626.https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.02.047

（编辑：陈欢）