自然裂缝引发分支裂缝的示意图。(A)水在高压条件下泵入地层，流经损伤带和薄弱层;(B)分支裂缝开始产生;(C)分支裂缝向各个方向发展。
《美国国家科学院院刊》杂志1月7日报道，美国麦考密克研究所和洛斯阿拉莫斯国家实验室等机构的研究人员，开发了一种用于油气藏压裂作业的新计算模型。它不仅可以更好地预测此前“神秘的”岩层断裂压裂力学，还能准确地计算出压裂过程释放的天然气产量，从而提高天然气生产的效率和利润。麦考密克研究所教授扎登克·巴恩特说：“我们开发的模型比目前业界使用的模型更贴近现实情况。这对油气行业提高生产效率、降低成本大有帮助。”
尽管压裂行业一直在高速发展，但大部分压裂过程仍然很神秘——水力压裂大多发生在地下深处，研究人员无法准确判断页岩释放天然气过程中的断裂机制。洛斯阿拉莫斯国家实验室的计算地球科学家哈利·维斯瓦纳罕说：“这项成果可以赋予研究人员更好的预测能力，从而在更好控制产量的同时，减少压裂液的使用，进而减少压裂施工对环境的影响。通过优化泵注速率以及压裂液性质等，可提高深层页岩储层的天然气产量。现在的深层产量很低，仅5%~15%。”通过分析闭合原有裂缝引发的构造事件和流体渗流力学,研究人员开发的数学模型展示了压裂过程中，裂缝分支形成垂直裂缝的情况。该模型不仅首次预测了新的裂缝分支模型，其预测值还与已知产量基本一致。
使用水力压裂开采天然气，一般会向页岩层垂直钻进，然后再水平钻进数英里。接着，压裂液被高压泵入地层，挤压产生裂缝，天然气就能从压裂产生的纳米尺寸的孔隙中释放出来了。经典的岩层断裂力学预测，垂直于水平钻孔的裂缝不存在分支。然而，这不能解释天然气的实际释放量——实际产气量往往高出实验室基于页岩岩心渗透率得到的计算值上万倍。有研究人员曾假设，水力压裂产生的裂缝与页岩中原有裂缝存在相关性，会使其更具渗透性。但巴恩特等却发现，这些构造裂缝大约有1亿年的历史，只是因为在应力作用下的页岩粘性流动而封闭了。因此，巴恩特等提出了新的假设，即页岩层沿着已闭合的裂缝有很薄的微裂缝层，这些微裂缝层导致了主裂缝分支的形成。并且，他们还考虑了水在多孔页岩中扩散时的渗流力。根据新设想开发的模拟过程，计算值与实际值基本匹配。巴恩特说：“我们首次证明了裂缝可以横向发展。如果页岩不具有多孔性，这是不可能发生的。”接下来，研究人员希望进行更大规模的建模以进一步验证其理论。
编译：雷鑫宇
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