Fracture Propagation Analysis of Limited-Entry Perforation in Horizontal Multi-Cluster Fracturing Considering Thermal Effects
本研究建立了一个数值模型，旨在证明深部高温页岩储层中，低温流体注入产生的热效应会显著加剧多簇裂缝的非平衡扩展，同时确定了优化射孔策略和泵注速率以减轻这些不利影响。
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在地球深处，在页岩层那黑暗、高压的世界里，能源公司正试图开采巨大的天然气储量。为此，他们钻取水平井，并注入大量流体以撑开岩石，从而创造出一个允许气体流出的裂缝网络。这一过程被称为水力压裂，通常涉及沿着单口井筒同时制造许多裂缝。然而，钻得越深，岩石就变得越热。当冷流体被注入这种炽热的环境时，一场复杂的物理博弈便开始了。岩石与流体对这种突然的温度变化做出反应，产生了一些无形的力，导致有些裂缝变得又宽又长，而另一些裂缝则几乎没有张开。如果裂缝生长不均匀，井的产量将远低于预期，造成资金和资源的浪费。了解热量如何影响这场混乱的竞争，对于安全且高效地开发深层能源储备至关重要。
来自中国石油西南油气田和西南石油大学的研究人员致力于解决这个特定的难题。他们构建了一个复杂的计算机模拟系统，用以观察当冷流体撞击热岩石时，多个裂缝是如何表现的。与以往关注单个裂缝或忽略温度的研究不同，该模型追踪了一组在深层页岩地层中同时生长的裂缝。团队重点研究了一种称为“限孔射孔”（limited-entry perforation）的技术，即工程师通过有意限制管内孔的数量，来迫使流体在裂缝之间分布得更加均匀。通过利用不同的岩石属性和温度进行数千次模拟，他们发现热量是一个主要的干扰因素。随着地下温度升高，裂缝变得越来越不均匀。在他们的模拟中，当岩石温度从60摄氏度跃升至180摄氏度时，最长裂缝与最短裂缝之间的长度差异显著增大。热量导致流体变薄并更快地渗漏，同时也产生了挤压岩石的热应力，使得所有裂缝难以保持同步生长。
研究揭示了一个工程师需要密切关注的关键阈值。当地下温度保持在60摄氏度以下时，热效应非常微小，在设计井时可以安全地忽略。然而，一旦温度超过90摄氏度（这在深层页岩气田很常见），热量就会从根本上改变结果。研究人员发现，仅仅增加泵送流体量虽有帮助，但并非彻底的解决方案。他们确定的最有效工具是调整管内的孔数（即射孔数）。通过减少孔的数量，他们增加了流体进入岩石时的摩擦力。这种额外的阻力就像一个平衡砝码，迫使流体尽管面对不均匀的岩石压力和混乱的热效应，仍能分布得更加均匀。在模拟中，他们发现要在高温环境下实现真正平衡的裂缝集，射孔产生的摩擦力需要维持在3.3到7.5兆帕之间。这一水平的摩擦力足以克服热量导致某些裂缝占据主导地位而另一些则无法获得养分的自然倾向。
团队还研究了岩石的刚度（即杨氏模量）以及泵送速度如何与这些热力相互作用。他们发现，在更热的条件下，岩石的刚度比平时更为重要，使得射孔设计变得更加敏感。然而，提高泵送速率可以帮助抵消这种敏感性。当流体泵送得更快时，热量对裂缝平衡的负面影响会减弱，从而实现更均匀的网络。研究人员得出结论：对于深层页岩气项目，忽视温度已不再是一个选项。通过根据现场的具体温度和岩石刚度，仔细计算射孔数量和泵送速度，工程师可以确保裂缝簇中的每一条裂缝都能按预期生长。这种精准性将一个可能造成浪费的过程转变为一个高度高效的过程，确保深埋地下的能量得以有效地释放。
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