基于扩展有限元法的裂缝性碳酸盐岩储层酸液流动反应模拟与机理研究

针对裂缝性碳酸盐岩储层酸压改造中酸液流动反应不连续的科学难题，研究人员创新性地将扩展有限元法(XFEM)与迁移水平集方法结合，建立了基质-裂缝双介质酸流反应模型。通过全隐式离散求解，揭示了裂缝长度(20m时酸蚀缝宽达0.0015m)和方位角(25m时缝宽增加0.00025m)对酸流反应的关键影响，发现天然裂缝对复杂酸蚀缝网形成具有显著调控作用，为碳酸盐岩储层高效酸化提供了理论支撑。

　　

在油气田开发领域，碳酸盐岩储层的酸化压裂技术犹如一把"化学手术刀"，通过盐酸与岩层发生化学反应形成高导流能力的酸蚀通道。然而这把"手术刀"的应用效果却长期受制于两个关键瓶颈：一是天然裂缝与基质间的酸液流动反应存在不连续性，二是现有模型难以准确模拟大尺度人工裂缝与微尺度孔隙的跨尺度耦合作用。传统有限差分法(FDM)在模拟裂缝时需要精细网格划分，而将裂缝简化为高孔隙度基质的处理方法又会导致计算结果失真。这种技术局限使得工程师们难以预测酸蚀缝网的真实形态，严重制约了碳酸盐岩储层的高效开发。

中国国家自然科学基金资助项目(No. 51974264)支持下，研究人员在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究突破了这一技术壁垒。该团队创造性地将扩展有限元法(XFEM)这一"数学显微镜"引入碳酸盐岩酸化领域，结合迁移水平集方法精准刻画裂缝不连续面，建立了首个考虑裂缝宽度动态变化的基质-裂缝双尺度酸流反应模型。通过全隐式数值求解，系统揭示了从微米级孔隙到百米级人工裂缝的跨尺度酸流反应规律，为碳酸盐岩储层酸化设计提供了革命性的模拟工具。

关键技术方法包括：1) 基于XFEM的局部强化函数处理压力场导数不连续性；2) 双尺度模型耦合基质孔隙尺度反应与裂缝尺度流动；3) 水平集方法表征二维裂缝形态；4) 考虑渗透率各向异性的酸液滤失模拟。研究团队通过对比不同裂缝参数下的酸蚀动力学过程，建立了定量化的缝网演化预测模型。

裂缝长度对酸流反应的影响
模拟结果显示裂缝长度与酸蚀缝宽呈非线性关系。当裂缝长度从20m增至60m时，最大酸蚀缝宽从0.0015m降至0.00103m，表明长裂缝会显著降低单位长度的酸液滤失量。这种"尺寸效应"揭示了现场施工中短裂缝群比单一长裂缝更易形成复杂缝网的内在机理。

裂缝方位角的调控作用
对比90°和50°方位角条件下的酸蚀过程发现，当裂缝长度达25m时，斜交裂缝的缝宽增量比垂直裂缝高0.00025m。这一发现证实了裂缝走向与最大主应力方向的夹角会通过改变酸液流动路径而影响刻蚀效率。

基质渗透率各向异性的特殊效应
研究首次发现基质渗透率各向异性仅影响蚓孔扩展方向，而对最终缝宽影响甚微。这一反直觉现象说明在裂缝主导的流动体系中，基质的导流能力主要取决于裂缝网络结构而非基质本身的渗透性差异。

天然裂缝的缝网构建作用
模拟证实天然裂缝是形成复杂酸蚀缝网的关键因素。与连通主裂缝的情况相比，孤立天然裂缝需要消耗更多酸液才能形成有效缝网，这一发现为优化酸液用量提供了理论依据。

该研究建立的XFEM酸流反应模型实现了三个重要突破：首次实现了裂缝宽度动态变化的精确模拟，揭示了跨尺度酸流反应的耦合机制，开发了适用于复杂缝网的高效数值算法。这些成果不仅解决了传统方法无法处理裂缝不连续性的技术难题，更通过量化裂缝参数对酸蚀效果的影响，为碳酸盐岩储层"缝网压裂"设计提供了科学指导。研究团队特别指出，将XFEM与水平集方法结合的技术路线，可进一步推广至页岩气藏多级压裂、地热储层刺激等涉及流体-岩石相互作用的工程模拟领域，具有广阔的工业应用前景。