非均质储层中流体诱导垂直裂缝动态演化的实验与数值模拟研究

针对页岩等非均质储层中水力裂缝(HF)垂向扩展预测难题，印度理工学院卡拉格普尔分校团队通过明胶模拟分层介质，结合相场模型(Phase-field)和有限元分析，揭示了层间模量差异对裂缝高度限制的调控机制，发现单轴载荷主导裂缝垂向扩展边界，为优化非常规储层压裂设计提供了理论依据。

　　

在能源需求持续增长的背景下，页岩气等非常规油气资源的开发成为全球焦点。然而，页岩储层特有的层状非均质性给水力压裂技术带来巨大挑战——裂缝在多层介质中的扩展行为难以预测，直接影响压裂效果和能源采收率。传统研究多聚焦均质岩石的裂缝形态，对层间力学性质差异如何调控裂缝动态演化的认知仍存在空白。更棘手的是，现有数值模型难以准确模拟分层介质中裂缝与层间界面的复杂相互作用，导致工程实践缺乏可靠的理论指导。

针对这一科学难题，印度理工学院卡拉格普尔分校的Tridib K Mondal团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，创新性地采用明胶模拟分层储层，结合相场损伤模型(Phase-field damage model)和有限元方法(FEM)，系统探究了流体诱导垂直裂缝的动态演化规律。研究通过控制层间弹性模量梯度(40-360 kPa)、采用油/水两种压裂液(1 ml/min流速)，在单轴载荷条件下捕捉裂缝跨层扩展行为，首次实现实验观测与数值模拟的精准互验。

关键技术包括：(1)明胶分层制备技术(含蔗糖增强透明度)模拟储层非均质性；(2)相场模型耦合Griffith断裂理论，避免预设裂缝路径；(3)有限元分析量化层间应力重分布；(4)可视化观测系统记录裂缝动态演变。样本为六层梯度模量明胶矩阵，涵盖软-硬交替(40→360 kPa)和硬-软反向(360→40 kPa)两种典型层序。

【Results】部分揭示：

1. 分层与均质介质的差异：裂缝高度在分层介质中降低23%，证实层间模量变化抑制垂向扩展。硬层(360 kPa)使裂缝顶端形成"鼓包"变形，而软层(40 kPa)促进局部膨胀。
2. 压裂液粘度影响：油基压裂液产生更窄的裂缝开度(减少37%)，但垂向扩展范围与水性流体无显著差异，表明流体类型主要调控裂缝宽度而非高度。
3. 单轴载荷效应：施加0.15 MPa轴向应力时，裂缝高度恒定在7.2±0.3 cm，证实外部载荷是垂向扩展的主要控制因素，超越流体特性的影响。
4. 层序结构调控：模量递减层序(360→40 kPa)中裂缝向上偏转18°，而递增层序(40→360 kPa)出现裂缝尖端分叉，硬层界面导致能量耗散增加42%。

【Discussion】指出相场模型成功复现了三种关键现象：(1)裂缝在软-硬界面处的"自相似扩展"行为；(2)硬层导致的应力屏蔽效应；(3)层间各向异性引发的裂缝转向角θ=15°-25°。这些发现修正了传统认知——层间界面并非简单阻碍裂缝，而是通过局部应力重构改变扩展路径。

该研究的重要意义在于：首次建立分层介质中流体驱动裂缝的动态演化理论框架，揭示层间模量梯度与外部载荷的协同调控机制。工程层面，指导压裂设计时需优先考虑储层力学分层特征，优化注入压力与层位选择；方法论层面，相场模型与明胶模拟的结合为复杂地质力学问题研究提供新范式。未来可拓展至CO₂
封存裂缝监测和地热储层改造等领域，推动非常规能源开发向精准化方向发展。