形状记忆合金在近井眼裂缝刺激中的潜力：地下能源开采的数值与实验研究

推荐：针对传统水力压裂在小型储层中裂缝控制困难的问题，研究人员创新性地利用形状记忆合金(SMA)的定向驱动特性，开发了可重复使用的机械预调节方法。通过NiTi50 SMA分离器的实验室测试和3DEC数值模拟，证实该方法能在砂岩和花岗岩中有效诱导裂缝，且硬岩中裂缝面积更大。研究为克服近井眼应力阴影效应提供了新思路，对增强地热系统(EGS)开发具有重要意义。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，地下能源开采与储存技术备受关注。然而，传统水力压裂技术在小型储层应用中面临严峻挑战——裂缝方向难以控制，且容易引发远场诱发地震。特别是在近井眼区域，应力各向异性和多级压裂造成的应力阴影效应，严重影响了裂缝的起裂方向控制。这些技术瓶颈制约着增强地热系统(EGS)等新型能源开发项目的推进。

针对这一难题，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)岩石物理与力学实验室的研究团队独辟蹊径，将航空航天领域成熟的形状记忆合金(SMA)技术引入地质工程领域。研究人员设计了一种基于镍钛合金(NiTi₅₀)的智能岩石分离器，通过其独特的热机械相变特性，为储层岩石的机械预调节提供了创新解决方案。

研究采用了多学科交叉的研究方法：首先通过等压训练获得SMA元件的特定功密度；利用3DEC离散元建模软件建立基于特定功的数值模型；在实验室尺度对砂岩和花岗岩岩心进行压裂实验，结合声发射(AE)监测和X射线CT扫描技术分析裂缝形态；最后将模型扩展至Bedretto地下实验室的真实地应力条件进行模拟验证。

在"SMA在软硬岩中的驱动性能"部分，研究发现花岗岩等硬岩表现出更优异的压裂效果。数值模拟显示，在相同驱动应变下，花岗岩的裂缝面积是砂岩的2倍。这归因于硬岩更高的脆性指数(25.37 vs 18.35)，使得更多能量用于驱动裂缝而非岩石塑性变形。

关于"近井眼应力场重定向"的模拟结果尤为引人注目。研究表明，当SMA沿最大水平应力(S_Hmax)方向驱动时，能产生垂直于S_Hmax的裂缝，这在传统压裂中极为罕见。这种独特的应力均衡效应，为克服多级压裂中的应力阴影现象提供了新途径。

在"功能稳定性与耐久性"方面，经过400°C时效处理的NiTi₅₀ SMA展现出优异的抗疲劳性能，预计功能疲劳阈值可达3500次循环。其在模拟地热流体中的耐腐蚀性也显著优于不锈钢，这得益于热处理形成的TiO₂保护层。

研究团队还前瞻性地设计了"自定位高温SMA分离器"原型，包含125W加热筒和温度控制系统，为后续真实地应力条件下的实验奠定了基础。这种创新设计仅需4Wh电能即可完成驱动，展现出良好的工程应用前景。

这项发表在《Journal of Cleaner Production》的研究具有多重重要意义：首先，提出的SMA机械预调节方法可精准控制裂缝起裂方向，弥补了水力压裂的技术短板；其次，23.1 MJ/m³的高能量密度使SMA分离器在有限井眼空间内能产生足够驱动力；最重要的是，这种可重复使用的绿色技术避免了化学药剂对环境的影响，符合可持续开发理念。

研究人员特别指出，该方法在硬岩储层中表现尤为突出，这与增强地热系统主要开发结晶岩储层的需求高度契合。未来通过开发高温SMA(HTSMA)变体，可将应用范围扩展至150°C以上的深部地热系统。这项研究为地下能源开采提供了一种变革性的技术路径，其"以机械调节辅助水力压裂"的创新思路，或将成为储层工程领域的重要突破。