Właściwości mechaniczne łupków, do których zalicza się głównie współczynniki sprężystości oraz wytrzymałość kompresyjną i ekstensyjną, są w największym stopniu uzależnione od składu mineralnego skały.
Poszukiwanie węglowodorów ze złóż łupkowych wymaga wykonania bardziej wyrafinowanych badań geomechanicznych, niż przy złożach konwencjonalnych. Przyczyną tego jest konieczność stosowania zabiegów szczelinowania hydraulicznego w celu wzmożenia przypływu węglowodorów ze skał o znikomej przepuszczalności.
Głównymi elementami składającymi się na model geomechaniczny kompleksów łupkowych są:
- właściwości mechaniczne łupków i kompleksów z nimi sąsiadujących,
- struktura tektoniczna, a zwłaszcza sieć spękań,
- aktualny stan naprężeń tektonicznych.
Do właściwości mechanicznych szkieletu skalnego łupków zalicza się głównie:
- współczynniki sprężystości,
- wytrzymałość kompresyjną,
- wytrzymalość ekstensyjną.
Parametry te w największym stopniu zależą od składu mineralnego, powiązanego z rozkładem facji w skali basenu sedymentacyjnego.
Jedną z ważniejszych cech decydujących o właściwościach łupków jest zawartość substancji ilastej. Duża jej zawartość osłabia szkielet skalny przez uwydatnienie deformacji plastycznej, co prowadzi do obniżenia kruchości łupku. Zawartość substancji ilastej powyżej 40% jest uważana za problem technologiczny w zabiegach szczelinowania. Natomiast duża zawartość krzemionki i węglanów diagenetycznych wzmaga kruchość i ułatwia szczelinowanie.
Charakterystyczną cechą łupków jest ich anizotropia mechaniczna. Silniejsza anizotropia, związana głównie z rozwarstwieniem litologicznym i uporządkowaniem blaszek minerałów ilastych (laminacją), występuje w płaszczyźnie pionowej. Anizotropia w płaszczyźnie poziomej, mierzona in situ, osiąga mniejsze wartości, ale jest ważniejsza dla doboru optymalnej trajektorii otworu poziomego. Źródłem anizotropii poziomej są systematyczne spękania kompleksu łupkowego i dyferencjalne naprężenia poziome.
Parametry mechaniczne określa się za pomocą statycznych testów laboratoryjnych lub na podstawie prędkości i energii przenoszenia ultradźwięków w badaniach laboratoryjnych, fali akustycznej przy profilowaniu sondami otworowymi oraz fali sejsmicznej przy wykonywaniu zdjęć 3D i profilowań geofizycznych w wielu kierunkach.
Sposób propagowania się fal podłużnych i poprzecznych określa parametry dynamiczne skały, które są zależne od kierunku ich rejestracji. W ten sposób właściwości mechaniczne łupków są ściśle powiązane ze skalą obserwacji, tempem odkształcenia, długością propagującej się fali i kierunkiem jej rejestracji.
Głównymi problemami przy określaniu właściwości mechanicznych łupków jest dobór właściwej skali pomiaru parametrów mechanicznych dopasowanej do postawionego zadania (np. przewidywanie przebiegu szczelinowania lub szacowanie przepuszczalności) oraz określenie kierunków i stopnia anizotropii.
Właściwości geomechaniczne łupków są uzależnione w znacznym stopniu również ciśnieniem płynów porowych, które przeciwdziała obciążeniom litostatycznym i tektonicznym, decydując o wielkości naprężeń efektywnie oddziałujących na szkielet skalny.
Nadciśnienie porowe w łupkach występuje często ze względu na kompakcję mechaniczną, powodującą zmniejszenie przestrzeni porowej, kierunkowe uporządkowanie blaszek mineralnych powodujące redukcję przepuszczalności w kierunku pionowym, utrudniającą rozładowanie ciśnienia przez wypływ płynów ku powierzchni.
Inną przyczyną wzrostu ciśnienia w łupkach jest uwalnianie cieczy i gazów z minerałów skałotwórczych i substancji organicznej podczas pogrążania pod wpływem wzrastającej temperatury i ciśnienia, np. podczas generowania węglowodorów lub zmian faz mineralnych. Ciśnienie w skale może wzrastać do wielkości minimalnego naprężenia szkieletu skalnego, powiększonego o jego wytrzymałość na pękanie, która jest zwykle znikoma ze względu na występujące w skale inicjalne drobne uszkodzenia.
Gdy ciśnienie przekroczy wartość najmniejszego naprężenia w szkielecie skalnym, dochodzi do naturalnego pęknięcia skały, które może wypełnić się strącanymi z solanki minerałami (zwykle węglanami lub krzemionką).
Podwyższone ciśnienie zwiększa kruchość skały i ułatwia wypychanie węglowodorów w kierunku otworu eksploatacyjnego. W perspektywicznych łupkach w Polsce, na preferowanych głębokościach (do 3,5 km) nie występują znaczące nadciśnienia, co jest zjawiskiem niekorzystnym z punktu widzenia złożowego.
Kolejnym istotnym składnikiem modelu geomechanicznego jest struktura tektoniczna łupków. Jako niekonwencjonalne złoża węglowodorów preferowane są kompleksy poziomo warstwowane, w których łatwo można poprowadzić wiercenie poziome, oraz pozbawione dużych stref uskokowych, które mogłyby zniwelować efekty stymulacji hydraulicznej złoża, przechwytując płyn szczelinujący.
Optymalne miejsce na otwór jest wybierane na podstawie analizy zdjęcia sejsmicznego. Najlepsze efekty daje zdjęcie 3D, które oprócz precyzyjnego obrazu struktury kompleksu łupkowego dostarcza informacji o jego właściwościach sprężystych i mechanicznej anizotropii.
W kompleksie łupkowym pozbawionym deformacji widocznych w obrazie sejsmicznym znajdują się zwykle zespoły struktur tektonicznych mniejszej rangi, rejestrowane przez geofizyczne profilowania otworowe lub widoczne na rdzeniu wiertniczym. Rozpoznanie tych zespołów, a także seryjnie występujących drobnych uskoków jest kluczowe do zoptymalizowania zabiegu szczelinowania i drenażu węglowodorów do otworu indukowanymi szczelinami hydraulicznymi i spękaniami tektonicznymi.
Do rejestracji struktur tektonicznych najczęściej stosowanymi metodami geofizycznymi są profilowania skanerem akustycznym lub elektrooporowym, dzięki którym wyznaczyć można orientację struktur, a także jakościowo określić ich rozwarcie lub drożność hydrauliczną.
Z kolei dzięki obserwacjom na rdzeniu wiertniczym, interpretacje geofizyczne można wzbogacić o genezę i charakter kinematyczny struktur, a także wyznaczyć zespoły struktur o stałych parametrach, które są niezbędne do zbudowania przestrzennego modelu sieci spękań.
Do najczęściej występujących w łupkach struktur tektonicznych należą regularne i periodyczne spękania ciosowe, które układają się często w pionowe systemy ortogonalne (wzajemnie prostopadłe) i/lub diagonalne (wzajemnie skośne). Spękania i żyły mają prawidłową orientację uwarunkowaną kierunkami i reżimami naprężeń, jakie panowały w trakcie ich powstania.
W przypadku liczebnej dominacji któregoś zespołu w skale zaznacza się anizotropia strukturalna.
Współczesne naprężenia tektoniczne stanowią warunki brzegowe modelu geomechanicznego kompleksów łupkowych. Dzięki znajomości kierunków współczesnych naprężeń można odpowiednio skierować poziomy odcinek otworu poszukiwawczego lub eksploatacyjnego, tak żeby powstające podczas zabiegu spękania hydrauliczne, które z zasady propagują się w kierunku największego naprężenia poziomego, były prostopadłe do otworu.
W przypadku zwykle połogo zalegających kompleksów łupkowych, jedna z głównych osi naprężeń jest zorientowana prostopadle względem powierzchni ziemi.
Naprężenia horyzontalne można scharakteryzować dzięki kompresyjnym zniszczeniom ścian otworów wiertniczych (breakouts) lub pęknięciom hydraulicznym powstającym pod wpływem wysokiego ciśnienia ciężkiej płuczki. Zestawienie tych danych z wytrzymałością skały pozwala na oszacowanie reżimu naprężeń (relacji przestrzennych między powierzchnią ziemi a osiami naprężeń), a niekiedy również wielkości naprężeń.
Najczęściej stosowanym sposobem określania wielkości najmniejszego naprężenia jest interpretacja testów miniszczelinowania hydraulicznego ścian otworów, które poprzedzają duże szczelinowania przemysłowe.
Rozkład współczesnych naprężeń tektonicznych w Polsce został rozpoznany dzięki kilkunastoletnim pracom badawczym prowadzonym w Państwowym Instytucie Geologicznym – PIB. Synteza informacji o geomechanice łupków jest przedstawiana w postaci jedno- lub trójwymiarowych modeli matematycznych, uwzględniających wszystkie wyżej przedstawione elementy: mechaniczne, hydrodynamiczne, strukturalne i naprężeniowe.
Dzięki takiemu modelowi można prognozować efekty szczelinowania hydraulicznego, a zwłaszcza projektować optymalne sekwencje szczelinowania w kilku, kilkunastu sąsiadujących ze sobą poziomych otworach wiertniczych oraz interpretować ich wyniki.
autor: Marek Jarosiński
