ГРП и залеченные трещины

Могут ли залеченные трещины открываться при ГРП?

Текст написан для канала Записки петрофизика

После некоторого поиска нашел два интересных исследования: от наших китайских коллег [1,2,3] и британских ученых [4]. Выводы в них схожи, но китайские коллеги выполнили более масштабную работу (да еще и с пруфами), поэтому картинки будут от них.

Для начала что они сделали

Они численно замоделировали воздействие трещины на горную породу 3х3 см с пористостью 1.85%, и находящуюся под разным горизонтальным давлением: максимальное Sн и минимальное Sh. В модели находилась залеченная трещина и под углом от 30 до 90 градусов к максимальному напряжению.

Причем результаты математического расчета были проверены на реальных моделях (не реальных образцах) из спрессованного песка

Основной результат работы

На возможность раскрытия залеченной естественной трещины (ЕТ) влияет соотношение плотности залечивающего материала к плотности матрицы (Cementation Strength Ratio, CSR) и угол, под которым гидравлическая трещина (ГТ) гидроразрыва встречает естественную трещину.

Сначала рассмотрим соотношение плотностей

Для венд-кембрийских отложений Восточной Сибири характерно заполнение трещин:

• галитом CSR ≈ 0.2–0.4
• кальцитом CSR ≈ 0.6–0.8

Далее смотрим куда эти значения попадают.

Было смоделировано распространение трещины гидроразрыва (ГТ) и малоугловой (30º) естественной трещины с различными коэффициентами прочности цементации. Красные линии обозначают трещины, образовавшиеся в результате разрушения при гидроразрыве, а зеленые линии – трещины, образовавшиеся в результате раскрытия естественной трещины (ЕТ).

CSR > 1.0 - цемент прочнее матрицы, и гидравлическая трещина попросту пересекает залеченную трещину как сплошное препятствие, практически не изменяя траекторию.

CSR = 0.5–1.0 (кальцит) - гидравлическая трещина пересекает естественную с локальным смещением направления распространения

CSR = 0.3–0.4 - происходит остановка (arrest) гидравлической трещины непосредственно на залеченной трещине, за которой следует интенсивное раскрытие естественной под давлением жидкости ГРП, затем гидравлическая трещина отклоняется к кончику естественной трещины и продолжает распространяться.

CSR < 0.3 (галит) - помимо остановки и раскрытия развивается наблюдается дополнительно растрескивание горной породы (bifurcation) – гидравлическая трещина генерирует множественные отрезвления, коммуницирующие с кончиками естественной трещины.

Во времени механизм образования дополнительных трещин выглядит следующим образом:

1. ГТ не может механически преодолеть раздел между слабым цементом и матрицей, поскольку энергия распространения окачиваемой жидкости становится недостаточной для разрушения.
2. Вместо проникновения сквозь границу фронт ГТ останавливается, а давление жидкости непрерывно нарастает, так как жидкость уже не может двигаться вперёд в направлении главного горизонтального напряжения.
3. Нарастающее давление инициирует раскрытие ЕТ, но это раскрытие носит комбинированный характер – оно не ограничивается простым растяжением, а сопровождается выраженным сдвигом.
4. На верхней и нижней поверхностях ЕТ возникают интенсивные сдвиговые напряжения, которые инициируют систему вторичных сдвиговых микротрещин, выходящих из плоскости залеченной трещины в окружающую матрицу.

Теперь про угол

Когда угол наклона естественной трещины небольшой - происходит именно, то что мы рассмотрели - трещина гидроразрыва останавливается естественной трещиной и создает дополнительные (бифуркационные) трещины, которые сообщаются с кончиком естественной трещины.

Но когда угол наклона естественной трещины меньше или равен 60º - трещина гидроразрыва раскрывает естественную трещину без создания дополнительной трещиноватости.

Таким образом

Трещины, залеченные галитом, в процессе гидроразрыва пласта должны раскрываться и создавать дополнительную трещиноватость, а трещины, залеченные кальцитом, не оказывают значительного влияния.

Литература

1. Wang H., Xiao P., Zhou D., Wang Q. Numerical modelling of interaction of cemented natural fractures and hydraulic fractures // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Art. 32050. DOI: 10.1038/s41598-024-83632-9.
2. Zhang H., Chen J., Zhao Z., Li Z., Nie X. The propagation behavior of hydraulic fracture network in a reservoir with cemented natural fractures // Energy Science & Engineering. 2023. Vol. 11. P. 1643–1661. DOI: 10.1002/ese3.1410.
3. Zhou J., Chen M., Jin Y., Zhang G. Analysis of fracture propagation behavior and fracture geometry using a tri-axial fracturing system in naturally fractured reservoirs // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2008. Vol. 45, no. 7. P. 1143–1152. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2008.01.001.
4. Sarmadi N., Nezhad M. M., Fisher Q. J. 2D Phase‑Field Modelling of Hydraulic Fracturing Affected by Cemented Natural Fractures Embedded in Saturated Poroelastic Rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2024. Vol. 57. P. 2539–2566. DOI: 10.1007/s00603-023-03621-8.