基于耦合有限离散元方法的热干岩中超临界CO2压裂效率研究

《Scientific Reports》：A study on the efficiency of supercritical CO2 fracturing in hot dry rocks using coupled finite-discrete element method

　　

摘要

尽管水力压裂技术被广泛应用，但它也存在一些弊端，尤其是在水资源短缺的地区。为了解决与水力压裂相关的难题，人们提出了超临界二氧化碳压裂作为一种替代方案，以解决水资源使用问题。超临界二氧化碳的主要特点是其在该状态下的粘度较低，这一特性使其非常适合作为用于压裂和形成裂缝的工作流体。本研究采用了基于有限离散元法开发的二维全耦合热-水-力模型，来分析在干热岩中的流体注入情况。研究中考虑了两种不同的模型：连续体模型以及具有离散裂缝网络的裂缝模型。首先，通过一些现有的理论和实验数据对所采用的方法进行验证，以确认其在该领域的适用性。验证通过后，进一步分析了这些模型，并研究了三个影响因素：地应力、流体粘度以及流体流速。研究结果表明，超临界二氧化碳的注入效果在很大程度上取决于地应力的大小及其差异。在各向异性应力场中，超临界二氧化碳的表现更好，而在各向同性应力场中的效率则较低。此外，超临界二氧化碳粘度的变化对裂缝的发展模式和破裂压力影响甚微。流体流速则在破裂压力以及最终形成的裂缝模式中起着关键作用——流速越高，由流体驱动形成的裂缝越多，破裂压力越高，达到破裂压力所需的时间也越短。不过研究显示，提高流体流速并不可取，因为这并不能有效提升流体流动效果。在已有裂缝的储层中，共发现了超临界二氧化碳与原有裂缝之间的12种相互作用类型，其中有一些是新发现的，比如裂缝尖端的分支和重新分支现象，这些特性使得超临界二氧化碳比其他工作流体更具优势。同时，研究还对比了超临界二氧化碳与水注入的效果。结果显示，超临界二氧化碳能够形成更多的裂缝，裂缝长度更长，破裂压力更低，且破裂后的高压状态持续时间更久。更长的高压状态意味着裂缝中的流体流动更为稳定，流体浸没区域也更广，进而可使刺激范围更大。