Эксперименты по гидравлическому расколу при истинном трехосном сжатии и моделирование методом FDEM для пластов угольносодержащих пород

Почему трещины в породе важны для энергетики и безопасности

Гидравлический разрыв широко применяется для добычи газа из угольных пластов и других глубоких пород, но подземные слои редко бывают однородными. Угли чередуются с более твердыми и более мягкими породами, разделенными естественными плоскостями слабости. Когда под землей нагнетают жидкость под давлением, образующиеся трещины не всегда идут в тех направлениях, которые рассчитывают инженеры. В этой работе исследуется реальное поведение трещин в подобных слоистых угольных пластах — это помогает повысить добычу газа и снизить риски, такие как нежелательный приток воды или обрушение кровли в шахтах.

Как команда воссоздала глубокие породы в лаборатории

Исследователи изготовили блочные образцы из реального угля и песчаника, собранных в поле. Они сложили три слоя разной прочности, расположив их в нескольких схемах, имитирующих типичную геологию угольных месторождений: сочетания твердого и среднего песчаника, более мягкого алевролита и угля. В центральной части проделали отверстие, имитирующее ствол скважины. Блоки поместили в пресс для истинного трехосного сжатия, который может сжимать образцы по трем направлениям, воспроизводя напряжения, характерные для глубин в километрах, а насос нагнетал воду с контролируемой скоростью, вызывая образование трещин.

Наблюдение за распространением трещин через слоистые породы

После каждого испытания поверхности блоков осматривали, чтобы выявить, где прошли трещины, заполненные жидкостью. Команда обнаружила, что рисунок трещин был сильно неоднородным по высоте. Вместо одной аккуратной вертикальной трещины образцы показали семь основных форм: простые прямые трещины, пересекающиеся кресты, Т‑образные и «плюс»-образные фигуры и более сложные схемы. Пересекала ли трещина границу слоя, останавливалась на ней или поворачивала вдоль интерфейса, в значительной степени зависело от двух факторов: направления и величины напряжений на месте и от того, насколько прочнее один слой по сравнению с соседом.

Связь сигналов давления с скрытыми сетями трещин

Во время каждого эксперимента давление на входе регистрировали в реальном времени. Давление всегда быстро возрастало до пика при первичном разрушении породы, затем падало и устанавливалось на флуктуирующем уровне, после чего снова снижалось при остановке нагнетания. Когда растущая трещина достигала естественной плоскости слабости или границы слоя, кривая давления показывала резкие падения или дополнительные колебания. Исследование выявило, что большие чистые провалы давления обычно соответствовали более простым формам трещин, тогда как шумные, сильно флуктуирующие трассы давления сигнализировали о более сложных ответвляющихся сетях трещин, которые либо «прижимались» к интерфейсам, либо пересекали их.

Моделирование трещин для изучения внутренней структуры породы

Чтобы заглянуть за пределы поверхностей, авторы использовали численный метод, совмещающий элементы конечного и дискретного методов. Проще говоря, они разделили породу на множество небольших блоков и позволили виртуальным трещинам открываться или скользить вдоль контактов между ними по мере роста давления жидкости. Подбирая входные параметры в соответствии с лабораторными испытаниями, моделирование воспроизводило, как трещины зарождаются в конкретном слое, взаимодействуют с интерфейсами и либо проходят через границу, либо поворачивают, либо ветвятся. Команда ввела единый показатель — коэффициент разницы литологической прочности — чтобы учесть, насколько отличаются по жесткости и сопротивлению расхождению две стороны каждой границы.

Что определяет, пересекает ли трещина границу или поворачивает

Сопоставление экспериментов и моделирования показывает, что маршрут трещины определяется как напряжениями, так и контрастом пород. Когда вертикальное напряжение является наибольшим и сильно превосходит горизонтальное, трещины легче прорастают вверх или вниз через границы. Если трещина начинается в более мягкой породе и упирается в более твёрдый слой, она, как правило, замедляется или поворачивает и распространяется вдоль границы. Если же она зарождается в твердой породе и движется в сторону более мягкого материала, большой контраст прочности повышает вероятность того, что трещина пробьется прямо через границу, часто образуя Т‑ или схожие формы. Слабые интерфейсы поощряют боковой рост вдоль границы, давая Т‑ и гребенчатые узоры вместо высоких трещин.

Что это значит для добычи энергии и горного дела

Для неспециалиста основной вывод таков: слоистость подземных пород и распределение напряжений так же важны, как и мощность нагнетания, при определении направления гидравлических трещин. Измеряя прочность разных слоев и их интерфейсов и выбирая, в каком слое начинать разрыв — в твердом или мягком — инженеры могут лучше направлять трещины так, чтобы они оставались в угольном пласте или, при необходимости, соединяли несколько слоев. Анализ кривой давления во время работ также дает подсказки о том, насколько сложной стала скрытая сеть трещин. В совокупности эти знания помогают проектировать более безопасную и эффективную стимуляцию метана из угольных пластов и других слоистых коллекторов.

Цитирование: Ma, J., Dong, G., Wang, H. et al. True triaxial hydraulic fracturing experiments and FDEM simulation study of coal-measure rock strata. Sci Rep 16, 15372 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46948-2

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, метан из угольных пластов, слоистые породы, распространение трещин, горная инженерия