Оценка и анализ ломкости и характеристик акустической эмиссии тугопористого песчаника под воздействием кислотной обработки

Почему ослабление породы может повысить добычу газа

В глубине недр природный газ часто удерживается в очень плотном песчанике — породе настолько прочной и герметичной, что она сопротивляется трещинообразованию даже при подаче высоконапорных флюидов. Чтобы заставить такие пласты течь, операторы обычно обрабатывают породу вблизи скважины кислотой перед гидравлическим разрывом. Эта обработка растворяет минералы и ослабляет породу, снижая давление, необходимое для образования трещин. Но если порода станет слишком мягкой, она может деформироваться вместо того чтобы внезапно лопнуть, и сеть трещин, необходимая для долговременной добычи газа, окажется слабой. В исследовании поставлен практический вопрос с большими экономическими последствиями: сколько времени должен песчаник находиться под действием кислоты, чтобы снизить давление разрыва, не лишив при этом способность ломаться четко и хрупко?

Как кислота меняет подземную породу

Исследователи работали с тугопористым песчаником из китайского газового месторождения, состоящим в основном из твердых зерен кварца и полевого шпата, связующихся минеральным «цементом», а также содержащим небольшое количество глины. Они погружали цилиндрические образцы породы в смесь соляной и плавиковой кислот на сроки от одного часа до семи дней, а затем сжимали их в прессовой камере до разрушения. Дифракционные рентгеновские тесты показали, что кислота частично растворяла основные каркасные минералы и цемент, тонко изменяя структуру породы. На ранних этапах реакция была энергичной: образцы быстро теряли массу, кислотность раствора падала, затем оба показателя постепенно выравнивались. При более длительных воздействиях удалялось больше минерала, увеличивалась пористость, и мелкие частицы отслаивались от зернового скелета.

От жесткой к хрупкой и затем слишком мягкой

Механические испытания показали, что прочность породы снижалась не монотонно. Одноосная прочность на сжатие — сколько нагрузки образцы выдерживали при сжатии — уменьшалась ступенчато по мере увеличения времени воздействия кислоты. Жёсткость (модуль упругости) сначала падала медленно, затем резко снизилась примерно после дня обработки, тогда как параметр, отражающий боковое расширение под нагрузкой (коэффициент Пуассона), снижался почти линейно после шести часов. Наиболее интересно то, что новый индекс ломкости, сосредоточенный на напряжениях и деформациях между первым ростом внутренних трещин и окончательным разрушением, достигал явного пика примерно через 12–24 часа воздействия кислоты, а затем снижался. Иными словами, существует окно, когда песчаник легче раскалывается, но при этом по-прежнему разрушается внезапно и энергично, а не разминается и деформируется пластично.

Слушая, как порода ломается

Чтобы «услышать», как порода разрушалась, команда регистрировала крошечные звуковые импульсы — акустическую эмиссию — которые возникают при формировании и росте микротрещин. В необработанных образцах вспышки сигналов появлялись рано при уплотнении пор, затем резко возрастали перед окончательным разрушением. После кратких кислотных обработок в начале возникало меньше интенсивных событий, вероятно потому, что растворённый цемент уменьшал трение между зернами. При обработке порядка 12–24 часов во время упругой стадии нагрузки чаще регистрировались высокоэнергетические акустические события, что соответствует множественному образованию острых микротрещин и их объединению перед внезапным разрушением. При очень длительных обработках (свыше примерно двух дней) активность акустической эмиссии смещалась в ранние стадии нагружения, а разрушение происходило более постепенно, что указывает на переход от хрупкого разрушения к скольжению зерен, обрушению пор и в целом более пластическому поведению.

Хранимая и расходуемая энергия

Авторы также отслеживали, какая часть механической работы пресса накапливается в породе в виде восстановимой упругой энергии и какая рассеивается как необратимое повреждение и трение. Для слабо обработанного или необработанного песчаника раннее нагружение преимущественно шло на закрытие пор и дефектов, поэтому доминировала рассеиваемая энергия. Но после продолжительной кислотной обработки изменённая порода пропорционально накапливала больше упругой энергии вплоть до разрушения — до тех пор, пока внутренние повреждения не стали настолько серьёзными, что в кривых напряжение–деформация появлялись внезапные обрушения и плато. Во всех образцах общая деформационная энергия, требуемая для разрушения породы, сначала уменьшалась, а затем увеличивалась с увеличением времени обработки, достигая минимума примерно в том же 12–24-часовом окне, где ломкость была наивысшей. Такой энергетический взгляд подтверждает идею, что умеренная кислотизация способствует эффективному, «взрывному» разрушению, тогда как перекислотизация поощряет более вялую, энергоёмкую деформацию.

Поиск оптимума для более безопасного и разумного разрыва пласта

Комбинируя минералогический анализ, механические измерения, обнаружение трещин по деформации и акустическое «прослушивание», исследование приходит к выводу, что у тугопористого песчаника есть оптимальная продолжительность кислотной обработки — примерно от полудня до полного дня — при которой порода одновременно легче раскалывается и остаётся резко хрупкой. Короткие обработки могут оставить давление разрыва слишком высоким, тогда как длительные замачивания разрушают зерновой каркас и способствуют мягкому, уплотняющемуся разрушению, которое мешает образованию длинных, связанных трещин. Новый индекс ломкости, фокусирующийся на важном интервале от инициирования трещин до пикового напряжения, даёт инженерам практический инструмент для подстройки графиков предобработки кислотой, чтобы глубокие тугие пласты можно было раскрывать при более низких давлениях без потери сложных сетей трещин, необходимых для устойчивой добычи газа.

Цитирование: Geng, W., Guo, S., Huang, G. et al. Evaluation and analysis of brittleness and acoustic emission characteristics of tight sandstone under the influence of acid-treatment. Sci Rep 16, 11693 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45184-y

Ключевые слова: тугопористый песчаник, кислотная обработка, ломкость горных пород, гидравлический разрыв пласта, акустическая эмиссия