ГРП: теоретические, лабораторные и численные подходы к моделированию и анализу процессов трещинообразования

Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, трещинообразование, геомеханика, численное моделирование, лабораторные исследования, взаимодействие трещин, FEM, DDM, DFN, phase-field, программные комплексы, FracPro, StimPlan, ResFrac, PyFrac.

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) — один из наиболее распространённых методов стимулирования нефтяных и газовых скважин, обеспечивающий создание и расширение трещин в продуктивном пласте за счёт закачки жидкости, состоящей из воды, песка и химических добавок под давлением, превышающим прочность пород в околоскважинной зоне. Этот процесс направлен на увеличение проницаемости коллектора и формирование высокопроводящих каналов фильтрации, что позволяет многократно повысить приток углеводородов.

По своей физической сущности ГРП представляет собой управляемое разрушение пород вдоль плоскостей минимального сопротивления, обусловленное действием нагнетаемой жидкости. Метод применяется в коллекторах различной литологии — песчаниках, известняках, доломитах, конгломератах — и используется как для добывающих, так и для нагнетательных скважин. Создание трещины вызывает перераспределение линий тока и изменение градиента давления, вследствие чего существенно изменяется фильтрационный режим в призабойной зоне.

Успешное применение ГРП на месторождениях в большинстве случаев приводит к резкому увеличению дебита добывающей скважины. Метод позволяет «оживить» простаивающие скважины, на которых добыча нефти или газа традиционными способами становится экономически невыгодной или трудноосуществимой. Также в настоящее время ГРП применяется и для разработки новых нефтегазовых пластов, извлечение углеводородов из которых традиционными методами нерентабельно ввиду низких получаемых дебитов, например, из-за низких показателей проницаемости горных пород [1].

Впервые экспериментальный ГРП на нефтяной скважине был произведен в США в 1947 г. компанией Halliburton. Жидкостью разрыва и расклинивающим агентом послужили техническая вода и речной песок соответственно. Хотя операция прошла неудачно, на основе опытных данных американский инженер Ж. Кларк годом позднее смог обобщенно описать технологические и теоретические аспекты ГРП, что позволило увеличить эффективность применения метода. 17 марта 1949 г. Halliburton выполнил первые два коммерческих ГРП в округе Стивенс (штат Оклахома) и округе Арчер (Техас).

Положительные эффекты проведения технологии привели к быстрому распространению метода на месторождениях — к 1955 г. количество операций в США превысило 100 тыс., а уже через 13 лет — 1 млн во всем мире. На рисунке 1 приведена информация по количеству ГРП, проведенных в США за 1949 – 2014 годы.

Как видно из рисунка 1, в середине XX века количество проведенных разрывов пластов увеличивалось, достигло пика в 1980-х годах, но затем пошло на спад. Однако, начиная с 2011 года, вновь наблюдается активное внедрение данной технологии в рамках так называемой «сланцевой революции» — начала крупномасштабной эксплуатации залежей сланцевых пород.

По мере того, как увеличивались знания о механизме процесса, открывались различные жидкости разрыва и расклинивающие материалы, совершенствовалось оборудование для проведения операции, успешность гидрораз- рыва постоянно увеличивалась и к концу XX века превысила 90 %.

Современная практика проектирования ГРП базируется на сочетании теоретических моделей и численных симуляторов, позволяющих рассчитать геометрию трещины и её проводимость. Теоретические основы метода изложены в классических работах по упругости, распределению напряжений, течению жидкости и динамике разрушения. Крупные нефтесервисные компании разработали специализированные программные комплексы — Fracpro, MFrac, GOHFER, StimPlan, Kinetix, FracMan — предназначенные для анализа и оптимизации параметров операции. Эти системы используют результаты геофизических исследований, лабораторных испытаний и данных мини-фракционных тестов для уточнения модели трещинообразования.

Выбор рабочей жидкости и проппанта является ключевым элементом технологии. Флюид должен обладать стабильностью к температуре и давлению, необходимой вязкостью для транспорта частиц, химической инертностью к минералам пласта и лёгкостью удаления после завершения операции. В последние годы активно исследуются новые полимерные и экологически безопасные системы, а также методы повторного использования воды [3].

Экспериментальные и численные исследования показывают, что на процесс образования трещин влияют тип коллектора, пористость, проницаемость, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и начальные напряжения. При моделировании учитываются взаимодействие потока жидкости с породой, турбулентность и перенос проппанта. Для сложных геометрий используются псевдо-3D-модели (P3D) и фаз-полевые подходы. Современные работы рассматривают также влияние природных трещин, анизотропии и гетерогенности коллектора.

Практическая эффективность ГРП подтверждена множеством промысловых примеров. Применение симуляторов, таких как Fracpro, позволяет оптимизировать расход жидкости, концентрацию проппанта и давление закачки, обеспечивая прогнозируемое увеличение дебита и снижение skin-фактора. В полевых испытаниях, выполненных на газовых и нефтяных месторождениях Румынии, применение проектных технологий ГРП позволило достичь прироста добычи и высокого экономического эффекта.

Таким образом, накопленный международный опыт и развитие численных методов открывают возможности для системного анализа гидроразрыва пласта как сложного геомеханического и гидродинамического процесса. Настоящий обзор обобщает современные представления о физико-технических механизмах ГРП, моделях распространения трещин, свойствах жидкостей и проппантов, а также о практических подходах к проектированию операций, представленных в последних научных публикациях [4].

Библиография и систематизация знаний о гидравлическом разрыве пласта

Теоретические основы и развитие метода

Фундаментальные представления о гидравлическом разрыве пласта сформировались в середине XX века и базируются на положениях механики разрушения и теории упругости. В классических трудахподробно изложены базовые принципы: распределение напряжений в околоскважинной зоне, критерии прочности пород, гидродинамика течения жидкости в трещине, а также влияние вязкости, давления и геометрии пласта на развитие раскрытия.

С начала 2000-х годов произошёл значительный рост теоретических и практических исследований, направленных на уточнение моделей трещинообразования и взаимодействия флюида с породой. Разработаны усовершенствованные двухмерные и трёхмерные модели (PKN, KGD, P3D), учитывающие неоднородность коллекторов, изменение напряжённого состояния и утечку жидкости в пласт [2]. Современные подходы основаны на решении совокупности уравнений упругости, баланса объёмов и фильтрации жидкости, сопряжённых с условиями распространения трещины. Турбулентный режим течения, как показано в [5], изменяет профиль давления и способствует более равномерному распределению проппанта, что важно при расчёте проводимости.

Для трудных коллекторов (плотные песчаники, карбонаты, угольные пласты) активно развиваются концепции двойной пористости и двухфазной фильтрации. Эти модели позволяют учитывать взаимодействие макропористых каналов трещин и микропористой матрицы, что обеспечивает более точное описание динамики притока после ГРП.

Свойства и состав жидкостей для ГРП

Жидкость для разрыва пласта должна отвечать ряду инженерных требований:

· сохранять вязкость при изменениях температуры и давления;

· обеспечивать транспорт проппанта на всю длину трещины;

· не взаимодействовать с минералами породы и пластовой водой, не образуя осадков;

· легко удаляться из пласта после завершения операции.

Традиционно используются вязкие гели на основе гуаровых и полимерных систем, однако в последние годы разрабатываются новые полимерные составы и экологически безопасные жидкости [6]. Исследование [6] показало, что в среднем при ГРП расход воды на одну скважину составляет от 1000 до 30 000 м³, причём доля рециркулированной воды составляет около 6,5 %, что подчеркивает значимость повторного использования воды и минимизации экологических рисков.

Гидроразрыв пласта в лабораторных условиях

Исследователи зафиксировали значительное количество естественных трещин в горных породах с помощью различных методов, включая каротажный телевизионный зонд, геологические разрезы и схемы, а также керновые исследования [6].

Наличие таких предсуществующих трещин оказывает существенное влияние на напряжённое состояние в породе. Локальное перераспределение напряжений, вызванное естественными нарушениями, определяет геометрию и характер распространения индуцированных трещин гидроразрыва [6].

На рисунке 2 показана схема напряжённого состояния индуцированной трещины гидроразрыва при её подходе к естественной трещине. Угол β характеризует угол сближения между фронтом гидравлической трещины и плоскостью естественной трещины; σₙ и τ — нормальные и касательные напряжения, действующие на плоскости последней.

Впервые Jeffery et al. (2009) [7] в полевых условиях наблюдали явление смещения (offsetting) между индуцированной трещиной и естественной системой разломов во время гидроразрыва, выполненного на угольном месторождении Central Colliery (рис. 3). В месте пересечения индуцированная трещина изменила направление и возобновила распространение с новой точки, что подтверждает сложную природу взаимодействия между искусственно инициированной и природной системой трещин.

В последующие годы проведено большое количество лабораторных экспериментов, направленных на детальное изучение механизма взаимодействия индуцированных и естественных трещин. Эти исследования позволили установить влияние угла подхода, дифференциальных напряжений, механических свойств пород и свойств жидкости на характер взаимодействия — от пересечения и раскрытия до остановки и отклонения фронта трещины.

Режимы взаимодействия индуцированной трещины гидроразрыва с одиночной естественной трещиной

Гидроразрыв пласта представляет собой сложный физический процесс, включающий элементы гидродинамики и механики горных пород. Для изучения влияния отдельных геологических параметров или технологических факторов ГРП на характер распространения трещины и режим её взаимодействия с существующими разломами обычно применяются образцы, содержащие одну заранее сформированную трещину.

В классических опытах Lamont и Jassen (1963) [8] исследовали влияние одиночной трещины на зарождение и распространение гидравлической трещины, изменяя ширину и ориентацию естественного дефекта. В качестве жидкости разрыва использовалась вода. Было установлено, что направление роста индуцированной трещины в первую очередь определяется направлением наименьшего главного сжимающего напряжения. При этом ширина и ориентация естественной трещины не изменяли характер взаимодействия — наблюдалось пересечение индуцированной трещины с существующей (рис. 4).

Однако результаты Lamont и Jassen (1963) [8] не совпали с последующими экспериментальными наблюдениями. Основная причина расхождений заключается, вероятно, в слишком высокой скорости закачки, использованной в экспериментах Lamont и Jassen (величина не указана в работе) [8]. Быстрое нагнетание приводит к такому росту трещины, при котором она не успевает отклоняться или останавливаться на естественном разломе.

Скорость закачки Q и вязкость жидкости χ напрямую связаны с раскрытием трещины wf. Согласно Valkó и Economides (1995) [9], а также Chuprakov et al. (2014) [10], зависимость выражается формулой:

где: l_f — полудлина индуцированной трещины; ν — коэффициент Пуассона; E — модуль Юнга; K_I​ — коэффициент интенсивности напряжений для трещины I-типа; l_op​ — параметр, характеризующий длину открытой зоны трещины.

Инициирование новой трещины напротив существующего дефекта возможно, если выполняется энергетический критерий роста трещины

где K_IC — критическая вязкость разрушения породы.
С увеличением скорости закачки Q и вязкости χ возрастают раскрытие w_f и коэффициент интенсивности K_I, что делает более вероятным пересечение (crossing) индуцированной трещины с естественной. Этот эффект был подтверждён рядом последующих исследований.

Установлено, что величина бокового (конфинирующего) давления и угол подхода β оказывают решающее влияние на режим взаимодействия индуцированной трещины с естественной. В экспериментах Blanton (1982) было показано, что при низком дифференциальном напряжении (σ₁ – σ₃) и малом угле подхода β индуцированная трещина, как правило, останавливается на границе естественного разлома (рис. 5а) либо вызывает его раскрытие (рис. 5b). Напротив, при высоком дифференциальном напряжении и большом угле β фронт индуцированной трещины склонен пересекать существующую трещину (рис. 5c).

В последующем ряде экспериментов [53-58] системно исследовалось влияние конфинирующего давления, угла β и механических свойств пород на поведение индуцированной трещины. На основании этих данных были выделены три характерных режима взаимодействия:

· Пересечение (crossing) — индуцированная трещина полностью проходит через естественную;

· Раскрытие (opening / dilation) — фронт вызывает раскрытие и расширение существующей трещины без потери целостности;

· Остановка (arrest / diversion) — фронт гидроразрыва прекращает развитие или отклоняется вблизи слабой зоны или концов естественной трещины.

Результаты наиболее известных лабораторных серий сведены в таблицу 1, где представлены условия испытаний (угол β, напряжения σ₁, σ₃, дифференциал σ₁–σ₃, коэффициент трения λ, предел прочности на растяжение σ_T, прочность на сдвиг σ_τ, тип породы, скорость закачки Q и вязкость жидкости χ).

Примечания: β — угол подхода индуцированной трещины; σ₁ и σ₃ — максимальное и минимальное всесторонние напряжения; λ — коэффициент трения по естественной трещине; σ_T — предел прочности на растяжение; σ_τ — прочность на сдвиг; Q — скорость закачки; χ — вязкость жидкости гидроразрыва.

Современная классификация режимов взаимодействия индуцированной и естественной трещины

Недавние исследования [11], основанные на обширном анализе опубликованных экспериментальных и численных данных, позволили уточнить существующие модели взаимодействия гидравлических трещин с естественными нарушениями. Авторы выделили восемь характерных типов взаимодействия, которые можно сгруппировать в два основных класса:

· режим пересечения и задержки (crossing/ arrested mode);

· режим взаимодействия до пересечения (pre-intersection mode).

В рамках первого класса выделяются три подвида режима пересечения — прямое пересечение без раскрытия естественной трещины (direct crossing without dilation), пересечение с раскрытием (direct crossing with dilation) и непрямое пересечение (indirect crossing) — когда индуцированная трещина огибает естественную в трёхмерном пространстве.

Режим задержки (arrested mode) включает четыре разновидности:

– задержка с дилатацией (раскрытием) естественной трещины,

– задержка сдвигом,

– задержка, вызванная сочетанием сдвига и дилатации,

– частичное расслоение вблизи вершины индуцированной трещины перед пересечением.

Эти типы взаимодействия определяются сочетанием дифференциального напряжения (σ₁ – σ₃), угла подхода β, скорости закачки Q, вязкости жидкости χ и прочности породы на сдвиг и растяжение. При высоком перепаде напряжений, больших углах β и увеличенной вязкости жидкости реализуется прямое пересечение трещины, тогда как низкое напряжённое состояние и малый угол подхода приводят к реактивации и раскрытию естественных трещин [12].

По механизму реактивации естественных нарушений выделяют три основные формы:

· Дилатация (dilation) — характерна для высоких напряжений и вязких жидкостей.

· Сдвиг (shear) — проявляется при низких углах β и широкой естественной трещине.

· Комбинированная дилатационно-сдвиговая реактивация, типичная для средних напряжений.

В последнем случае наблюдается дебондинг (частичное раскрытие) вблизи вершины индуцированной трещины, вызванный нормальными и касательными напряжениями, индуцированными процессом закачки. Gu и др. (2012) показали, что взаимодействие трещин происходит в две стадии:

· фронт гидравлической трещины достигает поверхности естественного нарушения, но жидкость ещё не проникает внутрь (фаза fluid lag);

· при последующем росте давления реализуются различные сценарии — от полного пересечения до сдвигового раскрытия.

Таким образом, дебондинг естественной трещины следует рассматривать как переходное явление, предшествующее взаимодействию, но не как самостоятельный режим.

Влияние угла подхода, напряжений и параметров закачки на режим взаимодействия трещин

К основным факторам, определяющим режим взаимодействия индуцированной и естественной трещин, относятся угол подхода β, дифференциальное напряжение (σ₁ − σ₃) и прочность естественной трещины.

Показано, что при высоких углах подхода, большом перепаде напряжений и высоком коэффициенте трения индуцированная гидравлическая трещина склонна пересекать естественные трещины, сохраняя направление распространения.

Наряду с геомеханическими условиями, значительное влияние оказывают технологические параметры процесса гидроразрыва пласта — скорость закачки (Q), время закачки и вязкость жидкости (χ). Как отмечается в исследованиях, высокая скорость закачки и повышенная вязкость жидкости способствуют формированию протяжённых магистральных трещин и облегчают процесс пересечения естественных нарушений. В этом случае поверхность трещины имеет упрощённую морфологию, что снижает вероятность образования разветвлённой сети.

При низкой скорости закачки и низкой вязкости жидкости повышается вероятность реактивации естественных трещин, что ведёт к формированию более сложной системы трещиноватости. Однако при этом основная гидравлическая трещина имеет меньшую длину, так как часть закачиваемой жидкости уходит в ранее существующие разломы [12]. Таким образом, можно заключить, что высокая скорость закачки и высокая вязкость жидкости способствуют формированию длинных и устойчивых гидравлических трещин, тогда как низкие значения этих параметров активируют естественную трещиноватость и увеличивают степень её участия в формировании сети каналов фильтрации.

Отдельное внимание уделено влиянию кислотных систем на морфологию гидравлических трещин [13]. В экспериментах сравнивались чистая кислота и гелеобразная кислота.

Чистая кислота, обладая низким коэффициентом трения и высокой коррозионной активностью, облегчает её проникновение в естественные трещины и способствует формированию грубых травлёных поверхностей. В то время как гелевая кислота, характеризующаяся высокой вязкостью и пониженной скоростью реакции с породой, обеспечивает равномерное травление каналов и уменьшает фильтрацию кислоты в поровое пространство [5].

Полученные результаты показали, что чистая кислота создаёт неровные и хаотичные структуры травления, а гелевая кислота формирует канальные равномерные узоры, что важно для контроля морфологии трещины и повышения эффективности обработки пласта.

Лабораторное моделирование и использование синтетических образцов в исследованиях гидроразрыва пласта

Получение достоверных экспериментальных данных при лабораторных исследованиях гидроразрыва пласта требует большого числа неповреждённых образцов породы, что на практике крайне затруднительно. Эти ограничения стимулировали развитие подходов по изготовлению синтетических образцов, в том числе с использованием 3D-печати или ручного прессования порошковых смесей. Одним из наиболее эффективных решений является имитация условий испытаний с применением специализированных лабораторных или численных симуляторов.

Синтетические песчаниковые образцы, как правило, состоят из кварцевого песка, цементирующего материала и воды, после чего подвергаются уплотнению под заданным давлением, что позволяет достичь требуемых значений пористости и проницаемости. В качестве связующего компонента нередко используется глинистая фракция. Аналогично, для моделирования коллекторов с низкой проницаемостью изготавливаются синтетические конгломератоподобные (глютенитовые) образцы.

Для воспроизведения естественных трещин в структуру образцов вводятся гипс, гидростон, а также тонкие бумажные прослойки, либо трещины формируются в результате резкого термического воздействия (нагрев–охлаждение).

Синтетические образцы различной геометрии, размеров и состава активно применяются для анализа различных аспектов гидроразрыва. Так, Deng и Lin [13] использовали кубические образцы из цементного раствора для исследования инициирования и распространения направленных трещин, сопоставив результаты с численным моделированием. Eshiet и Sheng [14] применили образцы из стеклянных шариков и гипса для анализа основных факторов, влияющих на проведение экспериментов ГРП. Изготовление образцов осуществлялось с учётом реальных диапазонов напряжений, характерных для условий пласта.

Работа Zhang и Si [15] расширила лабораторные исследования, объединив их с разработкой численного симулятора, предназначенного для анализа движения жидкости разрыва и индукции микросейсмических событий при ГРП в угольных пластах. Распределение и развитие трещин при одноосных испытаниях анализируется методами дискретных элементов (DEM), что позволяет учитывать различные геомеханические условия залежи.

В свою очередь, Shi и Zhang [16] использовали метод расширенных конечных элементов (XFEM) для численного моделирования цилиндрических кернов сланцев, исследуя влияние гидроразрыва на существующие трещины в условиях одноосного нагружения. Li и Tang [7917] реализовали сопряжённое конечно-элементное моделирование, учитывающее влияние фильтрации, разрушения и напряжённого состояния на процесс гидравлического повреждения породы (рис. 6).

Чжан [18] предложил новый подход к моделированию естественных трещин в неоднородных коллекторах без изменения сеточной структуры. Было установлено, что распространение трещин зависит от разрыва микросвязей (micro-bond rupture) при всех типах разрушения породы. После соответствующих модификаций модели VIB (Virtual Internal Bond) необходимость в отдельном критерии разрушения отпадает.

Чжан и Гассеми [19] разработали трёхмерную модель Virtual Multidimensional Internal Bond (VMIB), предназначенную для моделирования реалистического распространения трещин путём связывания микромеханических процессов разрушения с макроскопическим поведением трещины. Модель основана на трёхмерном методе конечных элементов и включает механизм контактного взаимодействия и трения между стенками трещины.

Численные расчёты, подтверждённые лабораторными экспериментами, показали высокую точность воспроизведения процессов распространения и слияния трещин.

Дискретная модель VIB представляет собой решётчатый (lattice-based) подход, в котором трёхмерные задачи фильтрации и механики сводятся к одномерным взаимодействиям в ячейках связей. Такой метод позволяет трещинам проходить сквозь узлы связей, внедряясь в фоновую сетку, и эффективно описывает гидромеханическое сопряжение в сложных резервуарах (см. рис. 7).

Модифицированная версия — дискретная модель DVIB — показала высокую эффективность при моделировании влияния скорости нагружения на процесс разрушения горных пород

Численное моделирование гидроразрыва пласта: программные средства

Современные технологии проектирования и анализа гидроразрыва пласта требуют применения специализированных программных комплексов, способных учитывать сложные физические взаимодействия: фильтрацию жидкости, механическое поведение породы, образование и развитие трещин, транспорт проппанта, тепловые эффекты и взаимодействие с естественными разломами. Такие симуляторы становятся неотъемлемым элементом как научных исследований, так и промышленного проектирования.

Существующие программные продукты можно условно разделить на три категории:

- Промышленные коммерческие симуляторы, к которым относятся FracPro, StimPlan, GOHFER, ResFrac, MFrac/MShale, Kinetix и др. Они оптимизированы для быстрого инженерного расчёта в условиях ограниченного времени и используют проверенные численные алгоритмы с акцентом на надёжность и производительность.

- Научно-исследовательские симуляторы, такие как FracMan, XSite, @Frac, PyFrac, которые используются преимущественно в университетах и НИЦ, и обеспечивают более детализированное физико-механическое моделирование, включая контактные взаимодействия, микросейсмику и рост трещин в анизотропных средах.

- Открытые и гибридные решения. Например, PyFrac — открытая исследовательская платформа с поддержкой сложных граничных условий и сопряжённых задач, распространяемая по лицензии GPL, активно используется в академической среде.

Полный сравнительный обзор с указанием характеристик, методов, учёта сопряжённых процессов и особенностей лицензирования приведён в таблице 2. В частности:

· ResFrac демонстрирует наибольшую комплексность, сочетая 3D-механизм трещинообразования с моделированием многокомпонентного флюида и прогнозом добычи;

· FracPro и StimPlan широко применяются на практике за счёт высокой скорости и доступных библиотек флюидов/проппантов;

· GOHFER выгоден для многозабойного моделирования с учётом упругой деформации пласта;

· FracMan и XSite позволяют моделировать взаимодействие гидроразрыва с детализированной сетью естественных трещин;

· PyFrac применим для верификации численных решений, включая уровень-разрез и моделирование в анизотропной среде.

Таким образом, выбор программного средства должен определяться задачами пользователя: для полевого инжиниринга важна скорость и надёжность, для научного анализа — физическая достоверность и гибкость математических моделей.

Выводы

· Комплексный анализ литературы показал, что гидравлический разрыв пласта представляет собой многофакторный геомеханико-гидродинамический процесс, зависящий от физических свойств породы, напряжённого состояния, характеристик жидкости и проппанта. Наиболее существенное влияние на морфологию и развитие трещины оказывают дифференциальное давление, угол подхода β и вязкость нагнетаемой жидкости.

· Историческая и теоретическая эволюция метода ГРП, начиная с первых экспериментов Halliburton (1947–1949 гг.), позволила сформировать фундаментальные модели (PKN, KGD, P3D), учитывающие фильтрацию, раскрытие и утечки жидкости. В дальнейшем развитие получили трёхмерные и фаз-полевые подходы, обеспечивающие сопряжённый учёт упругости, течения флюида и разрушения породы.

· Лабораторные исследования (Lamont & Jassen, Blanton, Gu и др.) подтвердили зависимость режима взаимодействия индуцированных и естественных трещин от геомеханических и технологических параметров. Выделены три базовых режима — пересечение (crossing), раскрытие (dilation) и остановка (arrested). Установлено, что при высоких перепадах напряжений и больших углах β реализуется прямое пересечение, тогда как при низких — реактивация и дилатация естественных трещин.

· Современные численные методы (FEM, FDM, DDM, DEM, DFN, XFEM, phase-field) позволяют моделировать процесс роста и взаимодействия трещин в трёхмерных неоднородных коллекторах. Показано, что сочетание упругих и вязких моделей обеспечивает более точное описание перехода от дарсианского течения в матрице к навье-стоксовскому потоку в трещине. Применение синтетических образцов и виртуальных микросвязей (VIB, VMIB, DVIB) повысило достоверность численных решений.

· Анализ программных комплексов моделирования ГРП показал, что промышленно-инженерные системы (FracPro, StimPlan, GOHFER, Kinetix, ResFrac) ориентированы на оперативное проектирование и оптимизацию операций, тогда как исследовательские (FracMan, XSite, PyFrac, @Frac) обеспечивают детализированное физико-механическое моделирование. Отечественные решения (РН-ГРИД, CyberFrac) демонстрируют развитие в направлении полносопряжённых моделей Planar3D и интеграции с геофизическими данными.

· Сравнительный анализ симуляторов подтвердил, что современные программные средства способны учитывать комплекс сопряжённых процессов — фильтрацию, геомеханику, перенос проппанта, тепловые и химические эффекты. При этом ключевыми критериями выбора симулятора являются требуемая физическая точность, наличие модулей для анализа продуктивности и доступность исходных данных.

· Систематизация экспериментальных, теоретических и численных данных позволила сформировать обобщённую классификацию режимов взаимодействия трещин и определить тенденции развития технологии ГРП. Современные направления включают применение трёхмерных фаз-полевых моделей, интеграцию с микросейсмическим мониторингом, разработку экологичных флюидов и цифровых двойников для оптимизации проектных решений.

Литература

1. ПАО «Газпром нефть»: официальный сайт компании. URL: http://www.gazprom-neft.ru/press-center/ sibneft-online/archive/2015-december/1110279/ (Дата об- ращения 15.03.2018).
2. Estévez, R.A.; Espinoza, V.; Ponce Oliva, R.D.; Vásquez-Lavín, F.; Gelcich, S. Multi-Criteria Decision Analysis for Renewable Energies: Research Trends, Gaps and the Challenge of Improving Participation. Sustainability 2021, 13, 3515.
3. Damjanac, B.; Cundall, P. Application of distinct element methods to simulation of hydraulic fracturing in naturally fractured reservoirs. Comput. Geotech. 2016, 71, 283–294.
4. Gale J.F.W., Reed R.M., Holder J. Natural fractures in the Barnett Shale and their importance for hydraulic fracture treatments // AAPG Bulletin. — 2014. — Vol. 98, No. 2. — P. 333–352. — DOI: 10.1306/08141312204.
5. Jeffery R.G., Zhang X., Bunger A.P., Thiercelin M. Hydraulic fracture offsetting in naturally fractured reservoirs: an in situ observation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2009. — Vol. 46, No. 7. — P. 1218–1224. — DOI: 10.1016/j.ijrmms.2009.03.013.
6. Sarmadivaleh M. Experimental investigation of hydraulic fracture interaction with pre-existing fractures. — PhD Thesis. — Perth: Curtin University, 2012. — 245 p.
7. Lamont N.A., Jessen F.W. The effects of existing fractures in rock on the propagation of hydraulic fractures // Society of Petroleum Engineers Journal. — 1963. — Vol. 3, No. 3. — P. 266–274. — DOI: 10.2118/426-PA.
8. Valkó P., Economides M.J. Hydraulic Fracture Mechanics. — Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 1995. — 336 p.
9. Chuprakov D.A., Akulich A.V., Siebrits E. Interactions between hydraulic fractures and natural fractures: field observations, experiments, and numerical simulations. // SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference Proceedings. — The Woodlands, TX, USA, 2013. — Paper 163825. — DOI: 10.2118/163825-MS.
10. Blanton T.L. An experimental study of interaction between hydraulically induced and pre-existing fractures // Society of Petroleum Engineers Journal. — 1982. — Vol. 22, No. 6. — P. 533–540. — DOI: 10.2118/9253-PA.
11. Nikam A., Taleghani A.D., Ouchi H. A numerical study of interaction between hydraulic and natural fractures in shale formations // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2016. — Vol. 146. — P. 419–430. — DOI: 10.1016/j.petrol.2016.05.046.
12. Zhang G.Q., Chen M., Jin Y., Tan P. Experimental study of acid fracturing in naturally fractured carbonate reservoirs: comparison between clean and gelled acids // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2020. — Vol. 187. — Art. 106804. — DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106804.
13. Deng J.Q., Lin C., Yang Q., Liu Y.R., Tao Z.F., Duan H.F. Investigation of directional hydraulic fracturing based on true tri-axial experiment and finite element modeling // Computers and Geotechnics. — 2016. — Vol. 75. — P. 28–47. — DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.01.018.
14. Eshiet K.I., Sheng Y. An overview of principles and designs of hydraulic fracturing experiments and an inquiry into the influence of rock permeability and strength on failure mode // Advances in Natural Gas Emerging Technologies. — London: IntechOpen, 2017. — Chapter 10. — DOI: 10.5772/intechopen.69732.
15. Zhang X., Si G., Bai Q., Xiang Z., Li X., Oh J., Zhang Z. Numerical simulation of hydraulic fracturing and associated seismicity in lab-scale coal samples: a new insight into the stress and aperture evolution // Computers and Geotechnics. — 2023. — Vol. 160. — Art. 105507. — DOI: 10.1016/j.compgeo.2023.105507.
16. Liu D., Shi X., Zhang X., Wang B., Tang T., Han W. Hydraulic fracturing test with prefabricated crack on anisotropic shale: laboratory testing and numerical simulation // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 2018. — Vol. 168. — P. 409–418. — DOI: 10.1016/j.petrol.2018.04.059.
17. Li L.C., Tang C.A., Li G., Wang S.Y., Liang Z.Z., Zhang Y.B. Numerical simulation of 3D hydraulic fracturing based on an improved flow–stress–damage model and a parallel FEM technique // Rock Mechanics and Rock Engineering. — 2012. — Vol. 45. — P. 801–818. — DOI: 10.1007/s00603-011-0170-2.
18. Zhang Z.N. Multiscale simulation of fracture propagation in heterogeneous materials using virtual multidimensional internal bonds // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. — 2008. — Vol. 49, No. 3. — P. 233–241. — DOI: 10.1016/j.tafmec.2008.02.001.
19. Zhang Z.Z., Ghassemi A.A. Three-dimensional fracture simulation using the virtual multidimensional internal bond // Proceedings of the 44th U.S. Rock Mechanics Symposium and 5th U.S.-Canada Rock Mechanics Symposium, Salt Lake City, Utah, USA, 27–30 June 2010. — Paper ARMA-10-523. — Salt Lake City: ARMA, 2010.
20. РН-ГРИД [Электронный ресурс] // ПАО «НК Роснефть». – Официальный сайт компании: https://www.rosneft.ru. – Внутрикорпоративное ПО, без открытого доступа.