基于异质性全耦合模型的液氮压裂煤储层损伤与渗透率响应机制研究

针对煤层气(CBM)开采中低渗透率难题，山西科研团队创新性地建立了考虑储层异质性的热-流-力-损伤(THMD)全耦合模型，系统研究了液氮(LN2)压裂过程中温度场-应力场-损伤场-渗流场的多场耦合机制。研究发现初始储层温度升高至95℃可使渗透率提升13.81%，最大水平/垂直应力比(H/V)为1.5时压裂效果最佳，为液氮压裂工程参数优化提供了理论依据。

　　

随着全球能源结构转型加速，煤层气(CBM)作为重要的非常规天然气资源，其开发兼具能源供给与温室气体减排双重价值。然而煤层极低的原生渗透率严重制约商业化开采，传统水力压裂又面临水资源浪费和环境污染等问题。液氮(LN₂)凭借其超低温(-196℃)、环保无毒等优势成为新型无水压裂技术的代表，但现有研究对压裂过程中损伤裂纹扩展与渗透率演化的动态关联机制认识不足，缺乏考虑储层非均质性的多物理场耦合模型。

山西某研究团队在《Fuel》发表的研究中，首次构建了融合Weibull分布异质性特征的THMD(热-流-力-损伤)全耦合模型，揭示了LN₂压裂煤储层的三阶段损伤演化规律。通过数值模拟与实验验证相结合，发现初始温度升高通过促进热应力累积使起裂压力降低21.35%，而H/V应力比1.5时形成的网状裂缝使渗透率达峰值0.197mD。弹性模量、热膨胀系数等关键参数被证实主导着损伤-渗透率的协同演化过程。

研究采用MATLAB重构Weibull分布的非均质煤体，通过COMSOL实现THMD四场耦合求解。主要技术包括：1)基于CT扫描数据的数字岩心建模；2)考虑损伤阈值的Drucker-Prager准则；3)温度-渗透率动态关联方程；4)三轴应力边界条件下的相场断裂模拟。

【模型假设】将煤体简化为微观各向同性的连续介质，引入热平衡假设与损伤依赖的弹性模量修正，显著提升了计算收敛效率。

【参数演化】模拟显示LN₂接触煤体10秒即形成低温区，60秒时热应力引发放射状主裂纹，300秒后次生裂纹网络使渗透率提升2个数量级。温度梯度驱动下，孔隙压力呈现"中心低压-外围高压"的独特分布。

【影响因素】初始温度25-95℃范围内，渗透率增幅与温度呈正相关；H/V比1.5时裂纹扩展最充分；弹性模量降低35%可使损伤区域扩大1.8倍，而热导率变化主要影响裂纹分形维数。

该研究创新性地建立了首个融合损伤-渗透率动态关联的异质性THMD模型，证实LN₂压裂可通过"热冲击-相变膨胀-脆化损伤"多机制协同提升CBM采收率。工程意义上，提出的H/V比1.5优化参数已应用于山西沁水盆地压裂设计，单井产能提升达19%。理论层面，发展的多场耦合框架为非常规储层改造提供了普适性研究方法，其相场-损伤耦合算法更被推广至干热岩(EGS)开发领域。未来研究需进一步考虑天然裂隙与层理结构的影响，并开发基于机器学习的参数反演方法以提升模型工程适用性。