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Fracture Propagation Analysis of Limited-Entry Perforation in Horizontal Multi-Cluster Fracturing Considering Thermal Effects

Cette étude établit un modèle numérique pour démontrer que les effets thermiques de l'injection de fluides à basse température intensifient considérablement la propagation hors équilibre des fractures multi-clusters dans les réservoirs de schiste profonds à haute température, tout en identifiant des stratégies de perforation et des débits de pompage optimisés pour atténuer ces impacts défavorables.

Auteurs originaux : Hao Jiang, Jianfeng Xiao, Wei Jiang, Liang Yang, Lan Ren, Cai Deng, Dengji Tang, Longqing Zou

Publié 2026-10-12

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Hao Jiang, Jianfeng Xiao, Wei Jiang, Liang Yang, Lan Ren, Cai Deng, Dengji Tang, Longqing Zou

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Bien en dessous de la surface de la Terre, dans le monde sombre et à haute pression de la roche de schiste, les entreprises énergétiques tentent de débloquer de vastes réserves de gaz naturel. Pour ce faire, elles forrent des puits horizontaux et injectent des quantités massives de fluide pour fracturer la roche, créant un réseau de fissures qui permet au gaz de s'écouler. Ce processus, connu sous le nom de fracturation hydraulique, implique souvent la création de nombreuses fissures simultanément le long d'un seul puits. Cependant, plus elles forent profondément, plus la roche devient chaude. Lorsque du fluide froid est injecté dans cet environnement brûlant, une bataille physique complexe commence. La roche et le fluide réagissent à ce changement soudain de température, créant des forces invisibles qui peuvent faire en sorte que certaines fissures s'élargissent et s'allongent, tandis que d'autres s'ouvrent à peine. Si les fissures ne croissent pas de manière uniforme, le puits produit bien moins de gaz que prévu, gaspillant ainsi de l'argent et des ressources. Comprendre comment la chaleur influence cette compétition chaotique est essentiel pour exploiter en toute sécurité et de manière efficace les vastes réserves d'énergie profondes du monde.

Des chercheurs de PetroChina Southwest Oil & Gas Field et de l'Université de Pétrole du Sud-Ouest se sont lancés dans la résolution de ce casse-tête spécifique. Ils ont construit une simulation informatique sophistiquée pour observer comment plusieurs fissures se comportent lorsque du fluide froid frappe une roche chaude. Contrairement aux études précédentes qui examinaient des fissures isolées ou ignoraient la température, ce modèle suivait un groupe entier de fissures croissant simultanément dans une formation de schiste profonde. L'équipe s'est concentrée sur une technique appelée perforation à entrée limitée, où les ingénieurs restreignent intentionnellement le nombre de trous dans le tuyau pour forcer le fluide à se distribuer plus uniformément parmi les fissures. En exécutant des milliers de simulations avec différentes propriétés de roche et températures, ils ont découvert que la chaleur est un perturbateur majeur. Dans leurs simulations, à mesure que la température souterraine augmentait, les fissures devenaient de plus en plus irrégulières. Lorsque la température de la roche passait de 60 degrés Celsius à 180 degrés Celsius, la différence de longueur entre la plus longue et la plus courte des fissures augmentait considérablement. La chaleur fait que le fluide s'amincit et s'échappe plus rapidement, tout en créant une contrainte thermique qui comprime la roche, rendant beaucoup plus difficile la croissance uniforme de toutes les fissures.

L'étude a révélé un seuil critique que les ingénieurs doivent surveiller. Lorsque la température souterraine reste inférieure à 60 degrés Celsius, les effets thermiques sont si faibles qu'ils peuvent être ignorés en toute sécurité lors de la conception du puits. Cependant, dès que la température dépasse 90 degrés Celsius, ce qui est courant dans les gisements de gaz de schiste profonds, la chaleur modifie fondamentalement le résultat. Les chercheurs ont constaté que pomper simplement plus de fluide aide, mais que ce n'est pas un remède complet. L'outil le plus efficace qu'ils ont identifié est l'ajustement du nombre de trous, ou perforations, dans le tuyau. En réduisant le nombre de trous, ils ont augmenté la friction du fluide lorsqu'il pénètre dans la roche. Cette résistance supplémentaire agit comme un poids d'équilibre, forçant le fluide à se répartir plus uniformément malgré la pression rocheuse inégale et les effets thermiques chaotiques. Dans leurs simulations, ils ont découvert que pour obtenir un ensemble de fissures véritablement équilibrées dans un environnement chaud, la friction créée par les perforations devait être maintenue entre 3,3 et 7,5 mégapascals. Ce niveau de friction est suffisamment élevé pour surmonter la tendance naturelle de la chaleur à faire en sorte que certaines fissures dominent tandis que d'autres sont affamées.

L'équipe a également examiné comment la rigidité de la roche, connue sous le nom de module de Young, et la vitesse de pompage interagissent avec ces forces thermiques. Ils ont découvert que dans des conditions plus chaudes, la rigidité de la roche importe plus que d'habitude, rendant la conception des trous plus sensible. Cependant, augmenter le débit de pompage peut aider à contrebalancer cette sensibilité. Lorsque le fluide est pompé plus rapidement, l'impact négatif de la chaleur sur l'équilibre des fissures est réduit, permettant un réseau plus uniforme. Les chercheurs ont conclu que pour les projets de gaz de schiste profond, ignorer la température n'est plus une option. En calculant soigneusement le nombre de trous et la vitesse de pompage en fonction de la température spécifique et de la rigidité de la roche du site, les ingénieurs peuvent s'assurer que chaque fissure du groupe croît comme prévu. Cette précision transforme un processus potentiellement gaspilleur en un processus hautement efficace, garantissant que l'énergie piégée profondément sous terre soit libérée efficacement.

Résumé technique : Analyse de la propagation des fractures lors de la perforation à entrée limitée dans le fracturage horizontal multi-clusters en considérant les effets thermiques

Énoncé du problème
Le développement des réservoirs de gaz de schiste profond, particulièrement dans des régions comme la formation Wufeng-Longmaxi dans le sud du Sichuan, repose fortement sur le fracturage hydraulique multi-clusters à longue étape. Cependant, ce processus est confronté à des défis importants concernant la propagation hors équilibre de multiples fractures. Bien que les mécanismes d'ombre de contrainte (stress shadows) et d'hétérogénéité des contraintes in situ soient compris, l'impact spécifique des effets thermiques reste flou. Les formations profondes présentent souvent des températures élevées (dépassant 90 °C), tandis que les fluides de fracturation injectés sont nettement plus froids. Ce différentiel de température induit une contrainte thermique et modifie les propriétés des fluides (viscosité et filtration), ce qui peut exacerber la compétition d'extension des clusters de fractures et conduire à une stimulation déséquilibrée. Les études précédentes ont traité les effets thermiques sur des fractures uniques ou des systèmes statiques, mais n'ont pas suffisamment élucidé les lois de compétition des fractures multi-clusters sous ces conditions couplées thermo-hydro-mécaniques.

Méthodologie
Pour combler cette lacune, les auteurs ont développé un modèle numérique de propagation de fractures non planes dans le cadre d'un fracturage multi-étapes et multi-clusters intégrant les effets thermiques. Le modèle intègre les composantes suivantes :

Écoulement des fluides : Régi par la conservation de la masse et l'équilibre de pression dans le puits, ainsi que par la loi de Poiseuille à l'intérieur des fractures. Le modèle prend en compte la filtration dynamique sensible à la température en utilisant une relation exponentielle viscosité-température.
Transfert de chaleur : Basé sur le modèle KDR, l'étude calcule les champs de température dans le fluide de fracture, les parois de la fracture et la roche de la formation. Elle suppose une indépendance mutuelle des distributions de température entre les fractures adjacentes, car l'espacement entre les clusters est supérieur à la zone de variation thermique proche de la fracture.
Déformation solide : La méthode de discontinuité de déplacement (DDM) est employée pour modéliser l'élasticité de la roche et la distribution des contraintes, incluant les calculs de contrainte thermique basés sur les coefficients de dilatation thermique de la roche.
Propagation de la fracture : Le critère F, applicable à la propagation en mode mixte, est utilisé pour déterminer l'extension de la fracture.
Solution numérique : Une approche implicite entièrement couplée résout le système thermo-hydro-mécanique (THM). La méthode des volumes finis discrétise les équations de fluide et d'énergie au sein des fractures, tandis qu'une grille de type boîte et le schéma de Crank-Nicolson gèrent l'échange thermique avec la formation.

Le modèle a été validé par rapport à des solutions analytiques pour la propagation de fractures KGD dominées par la viscosité (avec et sans contrainte thermique) et comparé à des résultats numériques existants pour la propagation synchrone de doubles fractures.

Résultats clés
Les simulations basées sur un puits de gaz de schiste profond dans le sud-est du Sichuan (température de formation ~115,6 °C) ont produit les résultats suivants :

Impact de la température sur la propagation : Les effets thermiques intensifient l'extension hors équilibre des fractures multi-clusters. À mesure que la température de formation augmente de 60 °C à 180 °C, le coefficient de variation de la longueur sans dimension ( $L_{cv}$ ) passe de 0,28 à 0,61, et l'écart-type du rapport d'apport transitoire ( $Q_{sd}$ ) augmente de 6,82 % à 12,29 %.
Mécanisme de changement : Des températures de formation plus élevées réduisent la viscosité du fluide, augmentant la perte de fluide et raccourcissant la longueur des fractures. Simultanément, l'échange de chaleur accru crée des chutes de température rapides près des fractures, générant une contrainte thermique de traction qui augmente la largeur de la fracture. Cette augmentation de la largeur amplifie les effets d'ombre de contrainte, entravant davantage l'apport équilibré de fluide.
Seuil des effets thermiques : L'étude indique que les effets thermiques sont négligeables pour les formations inférieures à 60 °C (profondeurs peu profondes). Cependant, lorsque les températures souterraines dépassent 90 °C, les effets thermiques deviennent un facteur critique dans la conception de la fracturation.
Optimisation de la perforation :
- Stratégie d'entrée limitée : Réduire le nombre de perforations augmente la friction de perforation, ce qui peut contrebalancer la propagation non uniforme causée par l'hétérogénéité des contraintes, les ombres de contrainte et les effets thermiques.
- Exigences de friction : Pour obtenir une propagation équilibrée, la friction de perforation doit être maintenue entre 3,3 MPa et 7,5 MPa. Sans effets thermiques, une friction de 1,6 MPa permet l'initiation contre une contrainte de compression supplémentaire de 1 MPa, mais 3,3 MPa sont nécessaires pour l'équilibre. Avec les effets thermiques, une friction encore plus élevée est nécessaire.
- Nombre de perforations optimal : Le nombre optimal de perforations diminue à mesure que le module de Young augmente et augmente avec le débit de pompage. Par exemple, sous une contrainte uniforme avec des effets thermiques à 12 m³/min, le compte optimal passe de 10 à 8 lorsque le module de Young passe de 25 à 45 GPa.
Atténuation via le débit de pompage : Augmenter le débit de pompage peut affaiblir relativement l'impact négatif des effets thermiques sur l'apport de fluide équilibré, aidant à stabiliser le nombre de perforations optimal à travers les variations de rigidité de la roche.

Signification et revendications
L'article affirme que sa recherche fournit une référence plus complète pour la conception des opérations de fracturation de schiste profond. En établissant un modèle de couplage THM validé, l'étude clarifie que les effets thermiques modifient de manière significative la compétition de propagation des fractures multi-clusters dans les environnements à haute température. Les auteurs soutiennent que négliger ces effets dans les réservoirs profonds (T > 90 °C) peut conduire à des conceptions de stimulation sous-optimales. L'étude offre des orientations d'ingénierie spécifiques, démontrant que l'optimisation du nombre de perforations et la gestion des débits de pompage sont des stratégies efficaces pour atténuer la non-uniformité induite par la thermique, améliorant ainsi l'efficacité du développement du gaz de schiste profond.

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