Физическое моделирование истинно триосного горного дела для дилатации водонапорной добычи в шельфовых месторождениях нефти

Почему это важно для шельфовой нефтегазовой отрасли

Большая часть легкодобываемой нефти на шельфе уже извлечена. То, что осталось, часто находится в тугих породах, через которые жидкости почти не проходят. В этой работе рассматривается перспективный способ мягко «растянуть» такую плотную породу вокруг нагнетательных скважин посредством контролируемой закачки воды, чтобы нефть легче текла без громоздкого наземного оборудования, требуемого классическим гидравлическим разрывом. Для читателей, которым интересны тонкие физические подходы и лабораторные эксперименты, позволяющие без большого следа открывать труднодоступные ресурсы, исследование предлагает подробный анализ.

Проблема тугой шельфовой породы

Шельфовые месторождения в западной части Южно-Китайского моря всё ещё содержат большие запасы нефти, но значительная часть залегает в малопроницаемом песчанике. В таких породах крошечные и слабо связанные поры, многочисленные внутренние пластовые слои и повреждения вблизи существующих скважин затрудняют движение воды и вынос нефти к добывающим скважинам. Традиционный гидроразрыв мог бы улучшить приток, но он требует крупных насосных установок с высоким давлением и площадей, которых часто нет на морских платформах. Авторы поэтому изучают «дилатацию при водонапоре» — более деликатный подход, при котором контролируемая закачка воды стимулирует появление множества мелких трещин и раскрытий пор вместо нескольких крупных разрывов.

Изучение поведения породы под нагрузкой

Чтобы спроектировать такой процесс, команда сначала должна была понять, как пласт реагирует на напряжения на большой глубине. Они протестировали керновые образцы из целевого месторождения, чтобы измерить прочность и жёсткость песчаника и степень бокового расширения под сжатием. Порода оказалась умеренно прочной, но относительно хрупкой, с ограниченной боковой деформацией. Такая комбинация означает, что она может аккумулировать напряжение, а затем внезапно разрушаться, что способствует образованию мелких трещин при давлении от закачки воды. Они также использовали акустический метод, фиксирующий слабые звуковые сигналы внутри образца при его нагружении — эти сигналы показывают уровни напряжений на глубине пласта, включая вертикальную тяжесть вышележащих пород и два основных горизонтальных напряжения. Совмещение этих условий в лаборатории было важно для реалистичного моделирования пластовых условий.

Воссоздание пласта в кубе породы

Сердцем работы стала серия экспериментов в режиме «истинно триосного» сжатия. Вместо обычных цилиндрических образцов, сжимаемых одинаково по двум осям, исследователи использовали кубы породы размером 10 сантиметров, в которых можно независимо задавать нагрузки в трёх направлениях, имитируя реальную разницу между вертикальными и горизонтальными силами в недрах. В каждом кубе был центральный ствол, подключённый к насосной системе. Команда создавала напряжения, соответствующие измеренным полевым значениям, и проводила восемь разных программ закачки. Они различались по тому, была ли предварительно повышена поровая давление, была ли закачиваемая жидкость горячей или холодной, был ли поток постоянным или колеблющимся, и была ли это простая вода или более вязкий полимерный раствор. Поддерживая максимальное давление чуть ниже предела прочности породы, они стремились вызвать распределённую дилатацию, а не образование единой протяжённой трещины.

Как разные режимы закачки меняют внутреннюю структуру породы

В ходе каждого теста исследователи отслеживали скорость закачки, давление и общий объём введённой жидкости, а также визуально проверяли, не вытекали ли жидкости с граней куба — признак того, что трещины связались с поверхностью. Кроме того, вводили цветной трассер, чтобы показать, где проходила вода. После испытаний кубы сканировали с помощью КТ-томографии и преобразовывали в трёхмерные цифровые модели. С помощью анализа изображений они вычисляли, как меняется доля объёма пор в каждой из ситуаций. Хотя абсолютные приросты пористости были скромными — порядка долей процента — они были измеримы и постоянно больше в случаях поэтапного повышения порового давления, при использовании более холодной воды или при чередовании низких и высоких расходов. Более вязкий полимер, хотя и труднее продвигался по породе, казалось, помогал поддерживать и стабилизировать очень тонкие трещины вблизи ствола.

Что это значит для реальных шельфовых скважин

Суммируя результаты, авторы приходят к выводу, что дилатация при водонапоре может тонко, но эффективно раскрывать тугой шельфовый песчаник вокруг нагнетательных скважин при благоприятных пластовых напряжениях, особенно там, где горизонтальные напряжения значительно различаются. Наиболее эффективные подходы включают поэтапное предварительное повышение порового давления, более низкие скорости закачки, добавление колебаний потока и в некоторых случаях использование более прохладных или слегка более вязких жидкостей. Вместо применения «жёстких» фраков операторы могут воспользоваться этими выводами для проектирования более мягких и компактных программ закачки воды, которые создают плотные сети микротрещин, улучшают локальную проницаемость и потенциально продлевают продуктивный срок службы шельфовых залежей.

Цитирование: Li, D., Chen, H., Liang, X. et al. Physical simulation test of true triaxial rock mechanics for waterflood dilation in offshore oilfields. Sci Rep 16, 13736 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42750-2

Ключевые слова: дилатация при водонапоре, шельфовый песчаник, триосная механика горных пород, сети микротрещин, повышенное извлечение нефти