Характеристики распространения трещин по плоскостям напластования сланцев в структурно сложных зонах

Трещины, выбирающие собственный путь

Когда инженеры создают трещины в глубоких сланцах, чтобы освободить природный газ, они рассчитывают, что трещины разовьются в высокие чистые пластины, открывая как можно больше породы. Но во многих реальных месторождениях, особенно в крупном фулинском сланце в Китае, трещины изгибаются, замирают и уходят вбок вдоль тонких внутренних слоев пород. В этой статье исследуется, почему трещины ведут себя так непослушно, и как понимание их скрытых путей может помочь добывать больше газа с меньшим числом скважин и меньшими потерями воды.

Слоистые породы со скрытыми слабостями

Сланец — это не однородный кусок камня. Он сложен из бесчисленных тонких плоскостей напластования — микроскопических слоёв, отложенных за миллионы лет — переплетённых с более твёрдыми и более мягкими прослойками. В структурно сложных зонах эти тонкие слои взаимодействуют с толще́ми прослоями, образуя геологический лабиринт. Авторы сосредотачиваются на отложениях формации Лунмаси на юго-западе Китая, где такие особенности особенно выражены. В местах, подобных газовому месторождению Фулин, прочные межслои и плоскости напластования могут останавливать вертикальный рост трещин, ограничивая объём породы, которую одна скважина может эффективно откачать. Центральный вопрос таков: при каких условиях гидроразрыв проходит сквозь этот лабиринт, а когда трещины вместо этого уводят вбок по слабым плоскостям?

Наблюдая рост трещин в лаборатории

Чтобы изучить поведение трещин вблизи, команда провела контролируемые трёхточечные испытания на изгиб на полукруглых образцах сланца, вырезанных из обнажений. Каждый образец содержал небольшой начальный надлом и плоскости напластования, установленные под углами 0°, 30°, 60° или 90° относительно направления нагрузки. С помощью высокоскоростной камеры и метода цифровой корреляции изображений они отслеживали перемещения мелких поверхностных пятен по мере деформации породы и образования трещины. Испытания показали, что сопротивление распространению трещины в сланце — его хрупкостью трещиностойкость — может меняться примерно в 2,4 раза в зависимости от ориентации напластования. Когда плоскости напластования ориентированы как слабые поверхности (90°), трещины склонны сдвигаться по ним сдвигом; при менее благоприятной ориентации напластования порода сильнее сопротивляется образованию трещины и разрушается более прямо, в основном за счёт растяжения.

Углы, которые задают направление трещины

Эксперименты также показали, что угол напластования действует как руль направления для пути трещины. В образцах с 0° (слои горизонтальны, нагрузка вертикальна) трещины имели небольшие зигзаги, но оставались примерно прямыми. При 30° трещины многократно искривлялись в плоскости напластования, затем снова поворачивались в сторону направления нагрузки, образуя сложные локальные обходы, но только умеренное общее отклонение. При 60° плоскости напластования оказывали максимальное направляющее влияние: трещины в основном шли вдоль направления слоя, давая наибольшее суммарное отклонение от вертикали. При 90°, когда нагрузка параллельна напластованию, трещины снова шли почти прямо. Эти поведения были количественно охарактеризованы с помощью отдельных мер максимального локального отклонения и общего изменения направления, что подтвердило: напластование между примерно 30° и 60° даёт наиболее сильное влияние на направление трещины.

Моделирование трещин в реальных коллекторах

Лабораторные испытания фиксируют поведение на малом масштабе, но инженерам важно знать, что происходит в реальных горизонтах высотой в десятки метров. Поэтому исследователи построили численную модель слоистого сланцевого массива, включая тонкие межслои, более жёсткие барьерные пласты сверху и снизу, а также плоскости напластования, представленные специальными «сцепными» элементами, которые могут раскрываться, скользить и передавать давление жидкости. Модель связывает напряжённое состояние породы, течение жидкости внутри трещин и утечку в окружающую породу. Систематически варьируя угол напластования и ключевые напряжения in-situ, они смоделировали, как гидротрещина инициируется в точке закачки, растёт вертикально, а затем либо пересекает слои, либо поворачивает и идёт вдоль плоскостей напластования.

Напряжённые различия — помощь или помеха

Симуляции показывают, что угол напластования и контрасты напряжений совместно контролируют высоту трещины и её отклонение. Когда напластование почти горизонтально (0°), трещины могут достигать полной высоты пласта с небольшим отклонением. По мере наклона напластования к 45°–75° трещины сильно уводятся вдоль слоёв, и их вертикальный охват уменьшается, то есть меньше породы оказывается связанным с трещиной. Увеличение разницы вертикального напряжения между пластом и межслоем, как правило, выпрямляет трещины, подавляет сдвиг по срезу и упрощает их форму. Напротив, усиление контраста горизонтальных напряжений затрудняет пересечение межслоёв: трещины сужаются, легче застревают и часто распространяются вбок вдоль напластования вместо подъёма вверх. Также важны изменения жёсткости межслоёв — умеренно более жёсткие пласты помогают трещинам подниматься выше, но очень жёсткие слои накапливают давление и сопротивляются дальнейшему росту.

Практические выводы для добычи газа

Для неспециалистов главное заключение в том, что гидравлические трещины в сланце не просто идут по линии наименьшего сопротивления: они тонко реагируют на углы внутренних слоёв и на различия напряжений между породными телами. В формации Лунмаси и подобных коллекторах углы напластования около 45°–60° вместе с сильными горизонтальными контрастами напряжений особенно эффективно удерживают трещины внутри узких вертикальных зон. Понимая эти условия и корректируя размещение скважин, режимы закачки и схемы обработки, инженеры могут лучше прогнозировать путь трещин, избегать затрат на пласты, которые не раскроются, и эффективнее извлекать сланцевый газ из сложных слоистых пород.

Цитирование: Liu, X., Zhao, L., Li, S. et al. Fracture propagation characteristics in shale bedding planes within structurally complex zones. Sci Rep 16, 7593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38432-8

Ключевые слова: сланцевый газ, гидравлический разрыв, плоскости напластования, распространение трещин, пластовые коллектора