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喀斯特裂隙-空洞分布与水力裂缝相互作用的实验可视化与表征
Visualization and characterization of experimental hydraulic fractures interacting with karst fracture-cavity distributions
1. 主要摘要
本文通过真实三轴物理模拟实验研究了喀斯特裂隙-空洞分布对水力裂缝传播特性的影响。研究对象为四种不同类型的裂隙-空洞分布结构，实验中考虑了不同的应力差条件，采用3D扫描技术对裂缝形态进行可视化，结合应力场分析裂缝的传播路径及其与空洞的相互作用机制。研究结果表明，裂缝传播过程中，空洞周围的应力集中会抑制裂缝的前进，而与空洞较小角度（0°和30°）接近的自然裂隙则可以减轻应力集中并促进裂缝与空洞的连接。本文还基于水力裂缝的刺激储层面积（SRA）、裂缝曲折度（T）和空洞连接性指数（CI），提出了一种新的裂缝刺激效果评价指标。研究结果为碳酸盐岩储层的水力压裂设计提供了新的指导思路。
2. 引言
随着全球油气资源的不断开发，碳酸盐岩储层，尤其是喀斯特裂隙-空洞储层，因其复杂的地质结构，成为了重要的研究领域。这类储层的裂隙和空洞分布复杂，储层具有高度的非均质性，导致其开发难度较大。传统酸压法用于碳酸盐岩储层时，虽然可以增加储层的渗透性，但由于酸液与岩石反应过快，往往在井筒附近消耗大量酸液，从而降低了裂缝的延伸距离和有效作用范围。相比之下，支撑剂压裂法能够更有效地维持裂缝导流能力，创造更长的裂缝，从而提高采收率。然而，关于水力裂缝与裂隙-空洞结构的系统研究还比较少，特别是在裂缝与空洞相互作用机制方面。本文通过真实三轴物理模拟实验，研究不同裂隙-空洞分布对水力裂缝传播的影响，旨在为碳酸盐岩储层的水力压裂设计提供新的理论依据。
3. 主要内容
（1）实验方案设计与样本制备：本研究针对喀斯特裂隙-空洞储层的特点，选取了四种典型的裂隙-空洞分布类型：单空洞分布、0°裂隙与空洞分布、30°裂隙与空洞分布以及45°裂隙与空洞分布。
为模拟这些结构，实验采用了1:1比例的水泥与石英砂混合物作为人工样本材料，加入了外加剂以提升样本的密度和强度，同时在样本中预制裂隙和空洞，以再现天然裂隙-空洞储层的复杂几何结构。
实验使用高粘度压裂液进行裂缝传播模拟，通过3D光学扫描技术记录裂缝形态，并结合有限元模拟分析裂缝在应力场中的传播路径和相互作用。
（2）实验与分析方法：本文的实验采用真实三轴物理模拟设备，设置了不同的应力差条件（Kh分别为0.08、0.22、0.4、0.65），并通过控制裂缝传播的载荷速度和压裂液注入速率，模拟了水力裂缝在不同工况下的传播行为。通过引入高粘度压裂液，研究裂缝在复杂裂隙-空洞结构中的传播路径。
在裂缝形态可视化方面，实验通过光学扫描技术获取裂缝的三维形态数据，并结合应力场的数值模拟，对裂缝的传播路径及其与空洞、裂隙的相互作用进行综合分析。
（3）实验结果与分析：单空洞结构：实验结果显示，当应力差较小时（Kh=0.08），水力裂缝容易受到空洞周围应力集中的影响，裂缝传播路径发生较大偏转，裂缝被迫绕过空洞传播。然而，随着应力差增大，裂缝逐渐趋于沿主应力方向传播，最大偏转角逐渐减小，裂缝与空洞的连接性增强。
0°和30°裂隙与空洞结构：这两种结构中，由于裂隙的存在，裂缝传播路径受到裂隙的引导，裂隙附近的应力集中区域被裂隙分散，裂缝在裂隙和空洞之间传播更加顺畅，裂缝与空洞的连接性显著增强。特别是30°裂隙结构，裂缝在穿越裂隙后倾向于沿新方向传播，形成复杂的裂缝网络。
45°裂隙与空洞结构：在该结构下，随着应力差的增加，裂缝更倾向于绕过空洞传播，而不是与空洞直接连接。这表明，45°裂隙结构中，裂缝与空洞的连接性较弱，裂缝更容易在裂隙的引导下沿其他方向传播。
（4）定量评价与裂缝特征分析：为了定量评价裂缝的传播效果，本文引入了三项评价指标：裂缝的刺激储层面积（SRA）、裂缝的曲折度（T）和空洞的连接性指数（CI）。实验结果表明，不同裂隙-空洞结构的裂缝传播特性显著不同。例如，30°裂隙结构具有最大的SRA值，而0°裂隙结构则具有较小的曲折度（T），这意味着裂缝传播路径更加平直。
同时，结合应力差的变化，实验发现当应力差较小时（Kh=0.22），裂缝的非平面传播和分叉现象较为明显，刺激储层面积（SRA）达到最大，裂缝复杂性增加。
（5)裂缝刺激效果的综合评估：本文通过SRA、T和CI的加权组合，提出了综合裂缝刺激效果的评价指标。通过对不同裂隙-空洞结构的实验样本进行分析，研究发现裂隙角度对裂缝传播路径和效果的影响较大。当裂隙角度较小时（0°和30°），裂缝与空洞的连接性更强，裂缝刺激效果最佳；而45°裂隙结构则表现出较弱的裂缝与空洞连接性。
4. 主要结论
本文通过真实三轴物理模拟实验，系统研究了喀斯特裂隙-空洞分布对水力裂缝传播的影响，揭示了不同裂隙角度和应力差条件下裂缝传播路径的变化规律。研究表明，裂隙角度和应力差对裂缝传播路径的引导作用显著，0°和30°裂隙结构能够有效减轻空洞周围的应力集中，提高裂缝与空洞的连接性，而45°裂隙结构则容易导致裂缝绕过空洞传播。本文提出的定量评价指标（SRA、T和CI）为裂缝传播效果的综合评估提供了有力工具，未来可将该研究成果应用于碳酸盐岩储层的水力压裂设计与优化，进一步提升油气采收率。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
