深层煤储层多簇裂缝竞争扩展与球堵剂暂堵压裂参数组合优化研究

《Processes》：Competitive Propagation of Multi-Cluster Fractures and Parameter Combination Optimization for Ball-Sealer Temporary-Plugging Fracturing in Deep Coal Seams

　　

多簇压裂中裂缝的竞争性扩展以及暂堵参数的选择是深层煤层水平井开发面临的重要挑战。研究人员采用三维离散晶格流固耦合模型，用以表征岩石破坏、裂缝流动、动态井筒-射孔-裂缝流量分配以及球堵剂诱导的转向效应。模型性能通过与圆盘形水力裂缝解析解及现场井底压力记录的对比进行了评估。通过参数对比和针对性暂堵时机检验，评价了暂堵时机、球堵剂投置比和簇间距的影响。结果表明，在总注入时间50%时实施暂堵，能够在裂缝面积与扩展均匀性之间取得良好平衡；球堵剂投置比存在合理范围，而过量暂堵可能导致过度转向并加剧裂缝分异；簇间距的影响呈显著非单调性。在固定50%暂堵时机下评估的20种投置比-簇间距组合中，50%球堵剂投置比与25 m簇间距组合获得总裂缝面积793.26 m2，裂缝面积分异系数为0.0896。额外的时机检验表明，在三个测试水平中50%暂堵时机更为优选。同一区块两口井的观测对比显示，优化井在前90天的平均日产气量高出54.7%，但该差异不能仅归因于所选的压裂参数。上述发现为所研究的代表性深层煤储层应力条件及简化煤岩假设下多簇暂堵压裂提供了条件性设计指导。

一、研究背景与问题

中国深层煤层气资源储量可观。随着勘探开发向更深层推进，高地应力、低渗透率和力学非均质性使得煤层储层有效改造愈发困难。水平井分段多簇压裂通过增加诱导裂缝数量和储层接触面积，成为深层煤层气开发的重要增产手段。然而，段内各射孔簇间裂缝非均匀生长现象普遍存在：多簇同时注入时，相邻裂缝间的应力干扰与射孔入口阻力差异共同控制簇间流量分配，导致部分裂缝占据主导地位而抑制其他裂缝，降低有效簇利用率和整体改造效率。

既有研究多聚焦于簇间距、射孔参数、施工排量和起裂顺序等因素，但裂缝持续扩展过程中簇入口压力和导流能力不断演化，簇间注入速率动态变化，仅考虑应力干扰或假定固定流量分配比的分析无法完整表征井筒-射孔-裂缝系统的动态竞争过程。暂堵转向技术通过封堵优势流体通道、增加局部流动阻力，可将压裂液重新分配至先前改造不足的区域。然而，已有研究大多关注暂堵材料、封堵性能或单一施工参数，对暂堵时机、球堵剂投置比和簇间距联合变化下多簇裂缝竞争扩展的系统研究仍较缺乏。

二、研究内容与结论

研究人员采用XSite 4.0.19构建三维离散晶格流固耦合模型，系统研究深层煤层水平井多簇球堵剂暂堵压裂中裂缝竞争扩展与暂堵诱导的簇间流量再分配。引入裂缝面积分异系数量化多簇裂缝扩展均匀性。通过模型验证后，依次分析暂堵时机、球堵剂投置比和簇间距对裂缝扩展规模与均匀性的影响，并在固定50%暂堵时机下对投置比与簇间距进行20种组合对比，最后通过现场井对评估优选参数的应用效果。

主要结论包括：暂堵时机、球堵剂投置比和簇间距均存在合理范围，且其对裂缝扩展的影响总体呈非单调性；在测试条件下，总注入时间50%时暂堵可兼顾扩展规模与均匀性；20种组合中，50%投置比与25 m簇间距组合获得最大总裂缝面积793.26 m²和最低分异系数0.0896；与不暂堵对照相比，优选暂堵方案使总裂缝面积增大39.40%，分异系数降低66.77%；晶格加密和扩大域检验表明25 m簇间距的相对优势在测试数值条件下保持稳定。现场观测对比中，优化井前90天平均日产气量较参考井高54.7%，但该差异不能仅归因于所选暂堵参数。

三、关键技术方法

研究人员采用XSite 4.0.19构建三维离散晶格流固耦合模型，模型尺寸为200 m×200 m×200 m，水平井筒沿煤层穿过模型中心，包含5个射孔簇，每簇12个射孔。模型采用Voronoi晶格表征岩石变形与破坏，通过水力网络表征裂缝内流体流动，采用动态井筒-射孔-裂缝流量分配算法实现簇间流量实时再分配，并以等效球座处理方式模拟球堵剂封堵射孔。模型参数基于研究区块地质力学与施工条件设定，最大水平主应力37.4 MPa，最小水平主应力36.1 MPa，垂向应力58.4 MPa，总注入速率20 m³/min。模型通过圆盘形水力裂缝解析解和现场井底压力记录进行验证。

四、研究结果

4.1 暂堵时机

固定投置比60%和簇间距20 m，对比33.3%、50%和66.7%三个暂堵时机。分异系数分别为0.1492、0.1144和0.1300，总裂缝面积分别为768.74、787.51和743.15 m²。50%时机具有最低分异系数和最大总裂缝面积。暂堵过早时簇间优势格局尚未充分发展，暂堵针对性差；暂堵过晚时竞争差异已累积，被抑制裂缝剩余扩展时间有限。

4.2 球堵剂投置比

固定暂堵时机50%和簇间距20 m，对比40%、50%、60%和70%投置比。分异系数分别为0.1138、0.1137、0.1144和0.1199，总裂缝面积分别为747.87、780.05、787.51和776.60 m²。总裂缝面积随投置比先增后减，50%时分异系数最低。过量暂堵可使流动重新集中并形成新的优势裂缝，50–60%为合理范围。

4.3 簇间距

固定暂堵时机50%和投置比40%，对比10、15、20、25和30 m簇间距。分异系数分别为0.1124、0.1898、0.1138、0.0971和0.2159，总裂缝面积分别为747.91、698.77、747.87、749.12和672.78 m²。响应呈明显非单调性，25 m时具有最低分异系数和最大总裂缝面积。间距过小时相邻裂缝应力干扰强烈，间距过大时动态流量分配仍可造成流量集中。

4.4 投置比与簇间距联合优化

在固定50%暂堵时机下，对4个投置比和5个簇间距进行20种组合对比。25 m簇间距与50%投置比组合获得最大总裂缝面积793.26 m²和最低分异系数0.0896。在该组合下额外检验33.3%和66.7%暂堵时机，总裂缝面积分别为764.69和742.46 m²，分异系数分别为0.1237和0.1132，50%时机仍为最优。与不暂堵对照相比，优选暂堵方案使总裂缝面积增大39.40%，分异系数降低66.77%，中间簇裂缝面积显著增长。

4.5 簇间距优化的数值稳健性

对15、25和30 m簇间距进行晶格加密和扩大域检验。晶格加密使总裂缝面积变化?0.39%、+0.54%和?0.21%，扩大域使变化+0.53%、?0.22%和+2.14%。三种数值设置下25 m簇间距的相对优势保持稳定，但30 m时边界邻近性可影响个别簇裂缝扩展，表明较大簇间距对边界效应更敏感。

五、讨论与结论

讨论部分指出，模拟采用代表性煤岩力学参数，其空间变异性与不确定性未独立表征；解析解和井底压力对比验证了裂缝扩展和整体压力响应的部分特征，但未直接验证局部损伤时空演化和单簇激活过程；推荐的50%投置比基于裂缝面积和扩展均匀性指标，而非作业安全或长期稳定性准则，现场实施需关注压力监测、设备压力限值和受控投球等安全事项，长期尺度上的裂缝闭合、应力重分布和渐进损伤也需单独评估。

研究结论为：模型能够描述多簇裂缝竞争扩展和暂堵后流量再分配，解析解和现场压力对比支持其用于比较分析；暂堵时机、投置比和簇间距均存在合理范围且影响非单调，50%暂堵时机、50–60%投置比和25 m簇间距在测试条件下表现最优；20种组合中50%投置比与25 m簇间距组合获得最大总裂缝面积793.26 m²和最低分异系数0.0896，数值稳健性检验支持该选择，但该组合应视为测试条件下的最优候选而非全局最优；现场对比中优化井前90天平均日产气量9.34×10⁴ m³/d，较参考井高54.7%，但储层性质、处理参数和详细生产条件的差异限制因果解释，该差异提供初步现场证据而非确定性结论。上述参数建议受等效均质煤岩表征、规定主应力条件、固定井筒几何和零基质滤失假设约束，其向其他储层的推广需额外的地质表征和场地专项评估。