致密砂岩射孔压裂过程中井筒附近裂缝扩展的离散元模拟与无量纲参数优化

《Scientific Reports》：Discrete element simulation and dimensionless parameter-based optimization of near-wellbore fracture propagation during perforation fracturing of tight sandstone

　　

摘要

射孔压裂对于激发页岩和致密砂岩等非常规储层至关重要。然而，现场监测表明，许多射孔簇对压裂后的产量提升作用有限，这说明压裂启动效率不高，刺激效果不佳。本研究基于离散格子法对射孔压裂的关键控制工程参数进行了敏感性分析，并引入了通过理论推导得到的无量纲参数，以弥补数值模拟与多参数工程优化之间的差距。研究建立了不同射孔模式下单簇简化射孔压裂模型，用于描述压裂启动和扩展过程中的介观尺度流体-固体耦合现象，并通过井筒附近模拟结果及实验观测对模型进行了验证。在模型验证之后，基于已验证的模型构建了单阶段多簇压裂模型，用以揭示多条裂缝的竞争性扩展机制及几何演化规律。研究发现，与定向射孔和固定平面射孔相比，螺旋形射孔能够产生更高的破裂压力以及更大体积的初始裂纹。增大螺旋射孔的直径和深度同时降低射孔密度，可降低破裂压力、增加受刺激储层体积，并降低其标准差。在固定阶段长度的情况下，簇长、簇间距和簇数对破裂压力的影响较为有限，而增大簇间距和簇长则可降低受刺激储层体积的标准差。通过模拟结果的定量统计与理论分析，本研究阐明了目标砂岩储层各无量纲工程参数之间的关系，制定了优化设计方案，为致密砂岩水平井的射孔压裂提供了技术指导与理论支持。