Физико-математическое моделирование процессов механического разрушения пород-коллекторов в микро- и нано-масштабах

Надежный прогноз распространения трещин в ходе гидравлического разрыва пласта (ГРП) в нетрадиционных коллекторах является сложной задачей, которая требует изучения механических параметров, микроструктуры, упругих и прочностных характеристик горных пород. Цель данной работы заключается в исследовании механических параметров коллекторов в микромасштабе и оценке условий, которые необходимо создать в нетрадиционных коллекторах для получения разветвленной сети трещин. Создание такой сети трещин позволяет повысить эффективность воздействия на пласт и обеспечить добычу из изолированных ранее пор. Для достижения цели предложен метод, включающий подготовку набора данных, содержащих петрофизические и геомеханические характеристики и сведения о минеральном составе, подготовку и инициализацию двумерных и трехмерных микромасштабных цифровых моделей горных пород, численное моделирование их напряженно-деформированного состояния и распространения в них трещин. В статье проводятся результаты экспериментальных исследований по определению механических параметров образцов горных пород, компьютерной томографии (3D КТ) до и после образования трещин, сканирования электронным микроскопом (2D QEMSCAN) и определения минерального состава горных пород. Выполнены мультимодальная сегментация и обработка данных 2D QEMSCAN и 3D micro-CT для построения трехмерных цифровых моделей горных пород. Затем на трехмерной сегментированной цифровой модели породы построена расчетная сетка, которая была загружена в механический симулятор, где матрице породы были присвоены определенные ранее механические свойства. В результате численного моделирования определено напряженно-деформированное состояние горных пород для различных условий нагружения и выбраны условия, при которых происходит наибольшее трещинообразование. Приведен пример использования предложенного метода для исследования наиболее перспективного российского нетрадиционного газового коллектора с размером пор до десятков нанометров.

1. Submicron-Pore Characterization of Shale Gas Plays / M. Elgmati [et al.] // SPE-144050-MS. – 2011.

2. Чугунов С.С., Черемисин А.Н. Модель цифрового керна баженовской свиты для проведения гидродинамических и геомеханических расчетов // EAGE Геомодель. 2015. – DOI: 10.3997/2214-4609.201413999.

3. Holt R.M., Li L., Larsen I. Digital Rock Mechanics: A Discrete Way of Approaching Failure. – 51st U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, San Francisco, California, USA, 2017/8/28/, 2017.

4. Tan X., Konietzky H., Chen W. Numerical Simulation of Heterogeneous Rock Using Discrete Element Model Based on Digital Image Processing // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2016. – Т. 49. – № 12. – С. 4957-4964. –https://doi.org/10.1007/s00603-016-1030-0.

5. Агалаков С.Е., Бакуев О.В. Новые объекты поисков углеводородов в надсеноманских отложениях Западной Сибири // Геология нефти и газа. 1992. – № 11. – С. 25–28. – http://geolib.ru/OilGasGeo/1992/11/content.html.

6. Нетрадиционные газы севера Западной Сибири / В.Л. Бондарев [и др.] // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. 2008. № 10. – С. 4–17. – http://www.npcgeo.ru/files/page/page26-file-netradgazy.pdf http://vniioeng.mcn.ru/inform/geolog/sod5.

7. Нежданов А.А., Огибенин В.В., Скрылев С.А. Строение и перспективы газоносности сенонских отложений севера Западной Сибири // Газовая промышленность. – 2012. – № 676. – С. 32–37. – http://gasoilpress.ru/gij/gij_detailed_work.php?GIJ_ELEMENT_ID=51714&WORK_ELEMENT_ID=51735.

8. Integration of Large-Area SEM Imaging and Automated Mineralogy-Petrography Data for Justified Decision on Nano-Scale Pore-Space Characterization Sites, as a Part of Multiscale Digital Rock Modeling Workflow / A. Kazak [et al.] // Proceedings of SPE/AAPG/SEG Unconventional Resources Technology Conference, 24-26 July 2017, Austin, Texas, USA, https://doi.org/10.15530/URTEC-2017-2697437.

9. ASTM D2936-08. Standard Test Method for Direct Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens. – West Conshohocken, PA : ASTM International, 2008.

10. ASTM D3967-05. Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens. – West Conshohocken, PA : ASTM International, 2005.

11. Development of an integrated model of rock fracturing at nano/microscale / V. Nachev [et al.] // Skoltech & MIT Conference «Shaping the Future: Big Data, Biomedicine and Frontier Technologies», 25-26 April, 2017.