Исследование закономерностей распространения гидравлических трещин и механизмов влияния в трещиноватых пластах на основе численной модели гидромеханического сопряжения

Почему разрушение пород важно для энергетики

Современная добыча нефти и газа всё больше опирается на гидравлический разрыв пласта — закачку жидкости в глубокие породы, чтобы их раскрыть и обеспечить поток углеводородов. Но реальные породы уже пронизаны естественными микротрещинами и слоями, и инженерам по‑прежнему сложно предсказать, как новые, искусственные трещины пройдут через этот скрытый лабиринт. В этом исследовании с помощью продвинутых компьютерных симуляций показано, как растут, изгибаются и соединяются искусственные трещины в трещиноватых пластах, и как изменение параметров на месторождении может привести либо к плотной сети трещин, эффективнее дренирующей пласт, либо к нескольким длинным простым трещинам.

Создание цифровой породы под давлением

Исследователи построили детальную численную модель, связывающую деформирование породы и движение жидкости в ней. В их виртуальном пласте порода представлена двумя взаимодействующими компонентами: твёрдым массивом и сетью заранее существующих трещин, которые механически слабее и обладают большей проницаемостью. Модель учитывает накопление напряжений, инициирование и рост трещин при превышении прочности породы, а также то, как давление жидкости подталкивает это распространение. Модель реализована методом конечных элементов в сочетании с дискретным описанием трещин и верифицирована лабораторными экспериментами на образцах песчаника: траектории трещин и изменения давления в симуляциях хорошо согласуются с реальными испытаниями.

Наблюдая, как трещины прокладывают путь

С имеющейся моделью команда исследовала, как гидравлическая трещина распространяется в квадратном блоке породы, заселённом множеством естественных трещин под разными углами. В симуляциях жидкость закачивается через центральную скважину, и новая трещина изначально растёт вдоль направления наибольшего сжатия. По мере приближения к естественным трещинам её путь усложняется: поток может переключаться в эти уже существующие трещины, временно изменяя направление, прежде чем общий рост снова выровняется по доминирующему напряжению. Этот процесс объединяет ранее изолированные трещины в большую сеть, эффективно увеличивая объём породы, который можно дренировать.

Как прочность породы и подземные напряжения направляют трещины

Модель показывает, что контраст жёсткости между неизменённой породой и её естественными трещинами сильно определяет схемы распространения. Когда окружающая порода значительно жёстче естественных трещин, новая гидравлическая трещина предпочитает поворачивать и идти вдоль этих более слабых плоскостей, активируя больше существующей сети и создавая более сложную паутину трещин. Напротив, поле напряжений имеет выравнивающее действие. По мере роста разницы между наибольшим и наименьшим горизонтальными напряжениями гидравлическая трещина с большей вероятностью прорежет естественные трещины прямо, вместо того чтобы отклоняться, что даёт более простую, длинную и непрерывную основную трещину. Одновременно большая разница напряжений снижает давление, необходимое для разрушения породы, и ускоряет начало разрастания трещины.

Что приносит сама закачиваемая жидкость

Свойства закачиваемой жидкости дополнительно смещают баланс между сложностью и простотой. Более вязкие жидкости несут больше энергии и могут переносить больше твёрдых частиц, которые поддерживают раскрытие трещин, помогая основной трещине пробиваться через естественные трещины вместо того, чтобы изгибаться вдоль них. Аналогично, более высокие скорости закачки сильнее подталкивают жидкость в породу, способствуя более прямым и длинным трещинам, минующим большую часть сети естественных трещин. Низкая вязкость и более мягкие режимы закачки, наоборот, позволяют жидкости легче проникать в существующие трещины, способствуя ветвлению и более плотной сети трещин, охватывающей большую часть пласта.

Проектирование лучших способов добычи из породы

Для широкой аудитории ключевая мысль такова: подземная порода не ломается по простой прямой, и инженеры могут целенаправленно смещать схему трещинообразования в сторону либо тонкой сетки, либо нескольких длинных трещин, настраивая параметры, независимые от свойств породы. Симуляции этого исследования показывают, что в пластах с обильной естественной трещиноватостью использование умеренно низкой вязкости жидкости и умеренных скоростей закачки способствует соединению искусственной трещины с природной сетью, увеличивая эффективно дренируемый объём. Напротив, высокий контраст напряжений, более вязкие жидкости и агрессивная закачка склонны формировать чистые, ровные трещины, оставляя большую часть естественной сети не задействованной. Эти выводы дают физически обоснованные рекомендации по адаптации работ по гидроразрыву, чтобы извлекать больше энергии из той же породы и при этом потенциально снижать потери усилий и затраты.

Цитирование: Liu, Y., Gong, X. & Ma, X. Investigation of the propagation behavior of hydraulic fractures and its influencing mechanisms in fractured reservoirs based on a hydromechanical coupling numerical model. Sci Rep 16, 11984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43148-w

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, натуральные трещины, трещиноватые пласты, численное моделирование, оптимизация схем гидроразрыва