Optimization and Field Evaluation of Multi-Cluster Hydraulic Fracturing Using Surface L-Shaped Well in Soft Low-Permeability Coal Seam
本研究表明，通过优化永春煤矿软低渗透煤层中水平L型井多簇水力压裂的注入速率、砂液比和簇间距，可以显著提高裂缝均匀性和排采效率，并已通过模拟和现场监测得到了验证。
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在地球深处，煤层往往蕴藏着大量的天然气，这是一种可以为城市供电或为工业提供燃料的资源。然而，在许多地方，这些气体被困在极其致密且柔软的岩石中，导致气体无法自由流向井口。这就像试图通过一根被泥浆堵塞的吸管来喝浓稠的奶昔；液体就在那里，但它就是无法流动。为了解决这个问题，工程师们使用了一种叫做水力压裂的技术。他们向地下注入强力流体以撑开岩石，从而创造出让气体逃逸的新路径。然而，当岩石非常柔软且脆弱时（正如在中国西南部煤矿中常见的情况），这个过程会变得非常棘手。如果压力过高或裂缝间距过近，流体可能会涌入其中一两个裂缝，导致其余部分的岩石保持原样，气体依然被困在其中。寻找一个完美的平衡点，既能打开整个区域，又不浪费能量，是矿井安全和能源生产面临的一大挑战。
贵州大学及其他机构的研究人员致力于为永春煤矿中被称为“7号煤层”的这种困难煤层解决这一特定的难题。该煤层以其极高的柔软度、极低的天然渗透率以及引发突然剧烈气体爆炸的高风险而闻名。为了应对这一问题，研究团队设计了一项结合了实验室测试、先进计算机模拟和实地现场实验的研究。他们专注于一种称为“多簇水力压裂”的方法，即在一条水平井的长度方向上设置多个入口点，即“簇”。目标是弄清楚究竟该以多快的速度泵送流体、混合多少比例的砂石以保持裂缝开启，以及这些入口点之间应该间隔多远，从而确保每一个裂缝都能均匀地开启，而不是仅仅由少数几个占主导地位的裂缝“霸占”了所有的流体。
团队首先测试了矿区岩石和煤炭的物理特性，以了解它们在应力下的表现。随后，他们构建了一个详细的三维计算机模型，模拟地下环境。该模型允许他们在不钻探新井的情况下，模拟不同条件下的压裂过程。他们运行了数十种方案，每次只改变一个变量：流体注入速度、混合物中的砂石浓度以及入口点之间的距离。在这些模拟中，他们观察了裂缝是如何生长、每个裂缝吸收了多少流体，以及裂缝是均匀展开的，还是其中一个裂缝长得比其他裂缝大得多。他们开发了一种评分方法来评估每种方案，不仅看裂缝的总面积，还要看流体在各裂缝之间的分配是否公平。一个好的结果意味着拥有一个巨大的、可供气体流动的裂缝总面积，同时也要确保没有单个裂缝在掠夺其邻近裂缝的资源。
模拟结果显示，实现这种平衡是非常微妙的。提高泵送速度确实会产生更大的裂缝总面积，这很好，但也加剧了裂缝对流体的激烈竞争，导致一个裂缝长得比其他裂缝大得多。同样，在流体中加入更多的砂石会增加裂缝的总尺寸，但如果砂石过多，同样会导致一个裂缝占据主导地位，而其他裂缝则难以生长。入口点之间的距离也至关重要；间距过近会导致它们相互干扰，而间距过远则意味着裂缝无法很好地连接，无法形成有效的网络。在测试了许多组合后，研究人员确定了一组能够提供最佳整体性能的具体参数：泵送速度为每分钟12立方米，砂石浓度为8%，入口点间距为5米。这一组合产生了一个巨大且连接良好的裂缝网络，同时确保了流体在所有入口点之间得到了相对均匀的分配。
为了证明这些计算机研究结果在现实世界中行之有效，团队在永春煤矿将其付诸实践。他们钻探了一口新的水平井，并按照建议的设置进行操作，将流体和砂石注入煤层，其方式完全遵循模拟实验的建议。他们还在附近钻探了第二口类似的井，但不对其进行压裂，将其作为对照组，以观察压裂井的表现提升了多少。在120天的监测过程中，他们观察了两口井排出的气体情况。结果令人瞩目。经过压裂的井产出的气体浓度更高，平均达到65.68%，而未经过压裂的井则表现逊色。更重要的是，压裂井排出的气体总量几乎是对照井的两倍，累计体积达到了261,948.77立方米。而那口仅依靠自然、有限路径的未压裂井，产量明显较低。
这次现场测试证实了这种优化方法是有效的。通过仔细调整泵送速度、砂石量以及入口点之间的间距，工程师们成功创建了一个更高效的气体流动网络。这项研究表明，即使是在柔软、困难的岩石中，通过工程手段也是可以实现最大化气体回收并维持安全的。研究人员指出，虽然他们的计算机模型在预测不同设置的相对成功方面非常有效，但现实世界总有其复杂性。然而，模拟预测与实际现场结果之间的高度一致性，为工程师们提供了一个改进类似煤矿中气体排采的可靠蓝图。这项工作表明，通过科学与工程的正确结合，是可以解锁那些此前难以触及的资源的，从而将一个危险且富含气体的煤层转变为一个更安全、更高效的矿区组成部分。
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