Модель переходного течения и анализ влияния неоднородности для сетей трещин в горизонтальных скважинах сланцевого газа

Почему газ из плотных пород имеет значение

Большая часть будущего мирового природного газа может поступать из пород, которые на первый взгляд кажутся практически непроницаемыми. В Китае и других странах сланцевые толщины на глубине в тысячи метров содержат огромные запасы газа, но он заперт внутри плотной породы и едва заметных трещин. Инженеры применяют гидравлический разрыв для создания сложных сетей трещин, позволяющих газу выйти, однако предсказать, сколько газа даст скважина в течение лет или десятилетий, по‑прежнему сложно. В этой работе проблема решается путем построения детализированной математической модели движения газа по сетям трещин и окружающей породе и последующей проверки модели на реальных данных добычи из двух сланцевых скважин.

Взгляд внутрь пластов с трещинами

После выполнения горизонтальной скважины и проведения гидроразрыва она перестаёт вести себя как простая труба в однородной породе. Вместо этого возникает многоуровневая система: высокопроводимые гидроразрывы, непосредственно связанные с стволом скважины; стимулированный объём пласта (SRV), состоящий из множества мелких трещин и деформированной породы вокруг основных трещин; и нестимулированная матрица на удалении. Газ первоначально находится как в виде свободного газа в микропорах, так и в адсорбированном состоянии на органическом материале. С понижением давления адсорбированный газ высвобождается и перемещается из плотной матрицы в мелкие естественные трещины, затем в более крупные гидроразрывы и, в конечном счёте, в скважину. Авторы строят модель течения, которая отдельно описывает эти области, но связывает их между собой, чтобы отслеживать эволюцию давления и потока газа во времени.

Построение модели, учитывающей реальную сложность

Ранние модели часто рассматривали стимулированный объём и трещины как среды с однородными свойствами, что сглаживало беспорядочную реальность, наблюдаемую в полевых измерениях. На практике пути течения по трещинам сильно отличаются по своей способности проводить газ: проппанты распределены неравномерно, отдельные участки трещин могут пережиматься, а изменения напряжения способны частично закрывать трещины. Чтобы учесть это, исследователи позволяют проницаемости непрерывно изменяться вдоль трещин и внутри SRV вместо присвоения одной постоянной величины. Они используют продвинутые математические приёмы — включая псевдо‑давление, термины для чувствительной к напряжению проницаемости и методы возмущений — чтобы получить аналитические решения, при этом оставляющиеся вычислительно эффективными. В итоге получается «многошкальное, многозональное» описание, способное воспроизвести тонкие детали распространения волн давления и снижения добычи со временем.

Что определяет, насколько далеко истощается порода

Имея модель, команда исследует, какие свойства породы и трещин наиболее важны для долгосрочной добычи. Они обнаруживают, что проницаемость плотной матрицы — фонового сланца вдали от основной сети трещин — является ключевым фактором, определяющим, на какое расстояние распространяется изменение давления и сколько газа в итоге удастся извлечь. Более высокая проницаемость матрицы позволяет волнам давления проникать дальше, увеличивая эффективную зону дренирования и поддерживая добычу. Проницаемость в SRV также важна: при её увеличении зона дренирования расширяется, тогда как очень низкая проницаемость SRV задерживает начало притока из матрицы и уменьшает конечную дренированную область. В то же время простое увеличение длины трещин даёт убывающую отдачу: за пределами некоторой длины удлинение трещин мало влияет на объём породы, действительно способной дать газ.

Как повреждения и неравномерность трещин меняют отдачу

В работе также рассматривается, как «повреждения» вдоль гидроразрывов и неравномерные свойства в SRV влияют на кривые добычи. Если трещина заблокирована вблизи устья («повреждение у корня»), начальные дебиты газа резко падают, поскольку приток в скважину с самого начала ограничен. Если повреждение сконцентрировано ближе к концам трещин, ранняя добыча выглядит относительно хорошей, но затем падает быстрее, поскольку удалённые участки плохо связаны. Аналогично, области SRV с плавно меняющейся проницаемостью ведут себя похоже на однородную среду, но резкие снижения проницаемости вызывают заметные потери в средне‑ и поздней фазах добычи. Эти результаты указывают на то, что сохранение проводимости трещин вблизи ствола скважины и избегание сильных узких мест в стимулированной породе критичны как для высоких начальных дебитов, так и для стабильной долгосрочной отдачи.

Проверка модели на реальных скважинах

Чтобы проверить применимость теории на практике, авторы применяют свою модель к двум горизонтальным сланцевым скважинам в китайском бассейне Ордос. Они комбинируют аналитические решения с алгоритмами оптимизации, которые автоматически подбирают неопределённые параметры — такие как длина трещин, проницаемость SRV и степень повреждения трещин — до тех пор, пока смоделированные кривые добычи не совпадут с измеренными данными. Для обеих скважин модель воспроизводит суточную и накопительную добычу с высокой статистической сходимостью и даёт реалистичные оценки конечного извлечения газа: десятки миллионов кубометров на скважину. Это демонстрирует, что модель — не просто математическая конструкция, а практический инструмент для диагностики работы конкретной скважины и предположений о том, как устроена её сеть трещин под землёй.

Что это значит для будущих сланцевых скважин

Для неспециалистов главный вывод в том, что в добыче сланцевого газа важна не только численность созданных трещин, но и то, как эти трещины соединяют породу. Исследование показывает, что тонкие вариации в проводимости трещин и качестве стимулированной породы могут сильно влиять как на раннюю добычу, так и на долгосрочное восстановление, тогда как простое сооружение более длинных трещин может оказаться неэффективным. Предоставляя способ выводить скрытые свойства пласта из рутинных данных по добыче, новая модель может помочь операторам лучше проектировать работы по разрыву, разумнее выбирать интервалы между скважинами и прогнозировать скорость снижения дебита. Проще говоря, она предлагает более реалистичную картину пути газа от крайне плотной породы до магистрального трубопровода.

Цитирование: Xiong, W., Li, Y., Guo, W. et al. Transient Flow model and heterogeneity effect analysis for fracture networks in shale gas horizontal wells. Sci Rep 16, 11555 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40306-y

Ключевые слова: сланцевый газ, гидравлический разрыв пласта, сети трещин, имитация месторождения, неоднородная проницаемость