基于离散裂缝网络的热-流-固-化耦合模型评价碳酸盐岩地热储层酸压改造效果

针对碳酸盐岩地热储层酸压改造中多物理场耦合机制不清的问题，研究人员建立了考虑离散裂缝网络（DFN）的热-流-固-化（THMC）耦合模型，揭示了酸液渗流路径受DFN连通性调控、化学缝宽与初始缝宽负相关等规律，为优化酸压工艺提供了科学依据。

　　

碳酸盐岩地热储层是全球清洁能源开发的重要靶区，但天然低渗透性制约其开发效率。传统酸压技术通过酸液溶蚀裂缝壁面提升导流能力，但这一过程涉及酸液运移（Hydro）、热传递（Thermo）、岩石变形（Mechanical）与化学反应（Chemical）的复杂耦合（THMC），尤其天然裂缝网络（DFN）的空间异质性会显著影响酸液分布。现有模型多忽略应力耦合或简化裂缝结构，难以准确预测储层改造效果。

针对这一难题，西安科技大学团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表研究，创新性地构建了考虑DFN的THMC全耦合模型。该模型通过薄弹性层假设同步刻画裂缝溶蚀与变形，追踪酸液对基岩/裂缝面的差异化腐蚀，并量化缝宽与基质孔隙度的动态演化。基于COMSOL软件平台，团队采用有限元法（FEM）结合随机生成的DFN（长度服从幂律分布、走向符合Fisher分布），实现了多物理场耦合的数值求解。

理论建模
研究建立了包含四个核心模块的耦合框架：酸液在DFN中的非达西渗流遵循Forchheimer方程，溶质传输耦合对流-扩散效应；酸岩反应采用二阶动力学模型，反应速率受温度（Arrhenius方程）及缝面粗糙度调控；热场计算考虑对流换热与反应放热；力学模块引入双弹性层表征裂缝变形，化学缝宽变化通过溶蚀深度积分获得。

模型验证
通过对比经典解析解与实验室数据，验证了压力传播、酸浓度衰减等关键参数的模拟精度，误差控制在5%以内。典型案例显示，DFN连通性差异会导致酸液优先沿主裂缝窜流，低连通区域出现"溶蚀盲区"。

计算结果
敏感性分析揭示：1）注入速率与浓度对酸化效果呈非线性正相关，但高浓度会加速缝端钝化；2）初始缝宽>100μm时，化学缝宽增幅随初始值增大而递减；3）储层温度（50-120°C）对最终导流能力影响<8%，因温度对反应速率的正效应与酸液消耗的负效应相互抵消；4）DFN各向异性指数>0.7时，酸液横向扩散能力提升40%。

结论与意义
该研究首次在THMC框架下量化了DFN结构对酸压改造的控制机制，证实裂缝网络拓扑特征是优化注酸参数的关键指标。提出的耦合模型为碳酸盐岩地热储层的靶向改造提供了决策工具，其方法论可拓展至非常规油气开采及CO₂地质封存领域。基金支持来自国家自然科学基金（12202353、52274096）和陕西省重点研发计划。