苏里格致密气砂岩水平井分段多簇裂缝扩展数值模拟

《Processes》：Numerical Simulation of Segmented Multi-Cluster Fracture Propagation in Horizontal Wells of Sulige Tight Gas Sandstone

　　

苏里格气田致密砂岩储层的显著非均质性给水平井分段压裂中多簇水力裂缝的均匀扩展带来了巨大挑战，通常导致改造不均匀和产能受损。为解决这一问题，研究人员建立了一个基于位移不连续法（DDM）的流固耦合裂缝扩展模型，该模型结合了动态流体分配、岩石变形和临时封堵机制。该模型利用苏里格气田的微地震监测数据进行了验证，随后用于研究储层非均质性（包括孔隙度、渗透率和原地应力）对多簇裂缝生长的影响。结果表明，渗透率和应力非均质性对裂缝非均匀性影响最为显著，表现为裂缝长度变异系数增大。工程措施，如使用高粘度瓜尔胶压裂液、可变射孔策略（例如每簇6、10和16个孔）以及优化的临时封堵参数（时机0.5，使用12个球）被证明能有效减轻这些影响并促进更均衡的裂缝扩展。本研究为在非均质致密气藏中优化压裂设计提供了定量框架，并为提高苏里格气田的改造均匀性和气体采收效率提供了实用指导。

论文发表于《Processes》期刊，针对苏里格气田致密砂岩储层强非均质性导致水平井分段多簇压裂中裂缝扩展不均匀、改造效率低下的问题，研究人员基于位移不连续法（DDM）构建了流固耦合裂缝扩展模型，结合动态流体分配、岩石变形与临时封堵机制，并利用苏里格气田微地震监测数据验证模型精度（误差0.4%），系统研究了孔隙度、渗透率及原地应力非均质性对多簇裂缝均匀性的影响，进而优化压裂液类型、射孔参数和临时封堵方案。研究背景方面，苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北部，储层孔隙度范围为5%–10%，自然产能低，水平井分段多簇压裂是增产关键，但储层非均质性导致优势裂缝过度扩展，抑制弱势簇裂缝生长，以往理论分析、实验和数值模拟多关注单一参数或均匀介质，对多簇同时扩展受非均质性的综合影响研究不足，因此有必要建立定量模型指导优化设计。

关键技术方法包括：① 基于DDM的岩石弹性变形方程，计算裂缝诱导应力场，描述应力阴影效应；② 流体流动方程，结合井筒流动（Kirchhoff定律）和缝内流动（Poiseuille方程），计算流体分配与压力降；③ 临时封堵模型，基于质量动量守恒及Hertz-Mindlin接触理论模拟封堵球运动与堵塞行为；④ 模型验证采用苏里格气田Su5-8-13H2井微地震监测数据（第三段，长度234 m），模拟半缝长234.9 m，误差0.4%。忽略具体试剂与实验操作步骤，样本数据来源于苏里格项目部门提供的实际场参数。

研究结果保留原文小标题如下：

**4. 储层非均质性对多簇裂缝扩展的影响**
**4.1 地应力非均质性**：通过设置簇间闭合应力差为0、1、2、4 MPa进行模拟，发现应力差较小时裂缝扩展均匀、宽度分布一致；应力差增大时，低应力簇优先扩展，高应力簇受抑制，裂缝长度变异系数非线性增长，超过2 MPa后增速加快，最高超过0.5。
**4.2 孔隙度–渗透率非均质性**
**4.2.1 孔隙度非均质性**：设置三簇孔隙度分别为0.01、0.04、0.07，与均质情况对比，发现孔隙度非均质性导致裂缝长度变异系数显著增加，低孔隙度区域流动阻力大、抑制起裂，高孔隙度区域利于储集和扩展。
**4.2.2 渗透率非均质性**：设置三簇渗透率分别为0.04 mD、0.4 mD、4 mD，结果渗透率非均质性使变异系数急剧增大，高渗透率区域形成优势通道，低渗透率区域受限，且影响程度远大于孔隙度非均质性。

**5. 工艺参数优化**
**5.1 压裂液类型优化**：在孔隙度、渗透率、应力非均质性下分别使用瓜尔胶、滑溜水、变粘压裂液模拟，结果表明增加粘度可降低变异系数；孔隙度非均质性下变粘压裂液效果最优，渗透率与应力非均质性下瓜尔胶效果最优，综合考虑推荐瓜尔胶。
**5.2 射孔参数优化**：对比均匀射孔与可变射孔方案（如6、8、8孔/簇，6、10、16孔/簇等），发现在高渗透率/低应力区减少孔数、低渗透率/高应力区增加孔数可降低变异系数，推荐6、10、16孔/簇方案。
**5.3 临时封堵参数优化**：临时封堵通过阻断优势裂缝、提高净压力，迫使流体转向至弱势簇；评估不同封堵时机（0.5等）与球数（12个等），发现时机0.5、12个球时变异系数最低，降幅约40%。

讨论部分指出，渗透率与应力非均质性通过调节局部流动阻力与应力阴影作用主导裂缝非均匀性，孔隙度影响较弱且滞后；高粘度压裂液降低流度对比，射孔优化引入可控入口摩擦，临时封堵利用净压力实现转向，三者协同可有效抑制非均匀扩展。研究结论部分翻译如下：
（1）减少簇间闭合应力差可促进裂缝均匀扩展，表现为裂缝长度差异减小和变异系数降低。
（2）孔隙度和渗透率非均质性加剧裂缝扩展不均匀性，增加裂缝长度变异系数，其中渗透率非均质性影响更为显著。
（3）增加压裂液粘度在不同非均质性条件下均降低变异系数，推荐使用瓜尔胶基压裂液。
（4）在非均质条件下实施每簇定制射孔设计（每簇6、10、16个孔）可有效提高扩展均匀性。
（5）储层非均质性导致裂缝生长不均匀，降低改造效率；临时封堵通过阻断优势裂缝、提高净压力，将流体转向至低效簇，促进均匀扩展并最小化裂缝长度变异。