李志鵬，卜麗俠

（1.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015；2.中國(guó)石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東 東營(yíng) 257015）

0 引言

斷層封堵性一直是油氣藏地質(zhì)研究的熱點(diǎn)［1］。存在3個(gè)特點(diǎn)：1）針對(duì)斷層側(cè)向封堵性的研究方法較多，從不同角度反映了斷層的側(cè)向封堵能力［2-8］；2）針對(duì)斷層垂向封堵性雖已有一些研究方法［9-12］，但以定性或半定量為主；3）注重?cái)鄬臃舛滦詫?duì)油氣成藏的影響分析［13-15］，忽視了其對(duì)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程的控制及影響。油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中受注入井注入壓力等擾動(dòng)的影響，斷層的縱向封堵?tīng)顟B(tài)會(huì)發(fā)生一定變化，可能由原來(lái)封堵斷層轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)啟斷層，油藏內(nèi)流體（氣體）沿?cái)鄬酉蛏闲孤?，造成油氣藏破壞，甚至引發(fā)一些安全事故或隱患。從目前文獻(xiàn)中可查的，開(kāi)發(fā)擾動(dòng)造成斷層活動(dòng)，導(dǎo)致注入劑等外泄的情況在各國(guó)油氣田都有出現(xiàn)［16-19］。目前應(yīng)用較多的斷層封閉系數(shù)［20］、斷層緊閉指數(shù)［21］及斷層剪切指數(shù)［9］等斷層垂向封堵性評(píng)價(jià)方法，難以直接指導(dǎo)油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的壓力控制。本文從斷層結(jié)構(gòu)特征分析控制斷層垂向封堵性的因素，基于滲流力學(xué)及地質(zhì)力學(xué)理論，推導(dǎo)斷層所能承受的最大壓力，利用壓力值大小表征斷層的縱向封堵能力，依據(jù)斷層與注入井的距離，結(jié)合滲流理論得出注入井井底流壓的安全界限，便于現(xiàn)場(chǎng)注入井的壓力調(diào)控。利用以上方法對(duì)高89地區(qū)CO2驅(qū)油及封存實(shí)驗(yàn)區(qū)的注入井進(jìn)行了安全性分析，為其他地區(qū)油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中斷層安全性評(píng)價(jià)提供了方法及指導(dǎo)。

1 控制因素分析

1.1 斷層結(jié)構(gòu)

不同規(guī)模斷層內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在明顯差異，組成斷層的結(jié)構(gòu)要素也不盡相同。對(duì)于大規(guī)模斷層來(lái)說(shuō)，斷層帶是斷層兩盤(pán)正常地層之間的充填物，由斷層兩盤(pán)的掉落物組成，在后期的壓實(shí)成巖作用下形成斷層帶內(nèi)的斷層巖。大規(guī)模斷層的斷層面是斷層帶（斷層巖）與正常地層的接觸面，發(fā)育2個(gè)（見(jiàn)圖1a）。小規(guī)模斷層對(duì)地層的破壞作用弱，斷層帶不發(fā)育，只發(fā)育斷層面，為斷層兩盤(pán)錯(cuò)斷地層的接觸面，只發(fā)育1個(gè)（見(jiàn)圖1b）。受后期成巖流體的影響，有時(shí)在斷層面附近形成鈣化嚴(yán)重的封堵層。對(duì)野外23條不同規(guī)模斷層的測(cè)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，斷層帶發(fā)育程度及規(guī)模與斷層規(guī)模存在明顯相關(guān)性，一般斷層斷距大于30 m時(shí)，斷層帶發(fā)育，斷層規(guī)模越大，斷層帶的規(guī)模相應(yīng)越大（見(jiàn)圖1c）。

圖1 斷層結(jié)構(gòu)

1.2 斷層縱向封堵性控制因素

油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，受壓力擾動(dòng)作用影響，會(huì)造成整個(gè)斷層縱向封堵性的喪失。

1）斷層巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的封堵能力。斷層巖是斷層活動(dòng)時(shí)兩邊正常地層掉落的顆粒、碎塊填充到斷層帶內(nèi)，活動(dòng)結(jié)束后，在上覆壓力及地層溫度作用下，發(fā)生壓實(shí)成巖作用形成的一類巖石。斷層巖由大小不一的顆粒組成，也具有微觀孔隙結(jié)構(gòu)、一定的孔隙性及滲透性，但較斷層兩邊正常砂巖要差，這從實(shí)踐中大量斷層兩盤(pán)砂巖對(duì)接時(shí)仍能側(cè)向封堵一定的油氣柱高度得到證實(shí)。斷層巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)的封堵能力可用斷層巖封堵壓力表示，斷層巖封堵壓力是假設(shè)斷層巖不發(fā)生破裂的地層條件下依靠斷層巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)及厚度等所能封堵的最大流體壓力，主要受斷層巖巖性、孔隙性、滲透性、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、厚度等斷層巖本身巖石物理性質(zhì)的影響。當(dāng)斷層巖頂?shù)讐翰畛^(guò)斷層巖封堵壓力時(shí)，油藏內(nèi)的流體在壓差驅(qū)動(dòng)下，會(huì)以滲流方式通過(guò)斷層巖孔隙結(jié)構(gòu)滲流出油藏，發(fā)生泄漏，斷層縱向封堵性喪失。

2）斷層巖的破裂性。油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，受注入井井底流壓影響，斷層巖的流體壓力可能會(huì)不斷增加，當(dāng)流體壓力超過(guò)斷層巖的破裂壓力時(shí)，斷層巖發(fā)生破裂，產(chǎn)生破裂裂縫。油藏內(nèi)流體在凈浮力及油藏壓力作用下，沿?cái)鄬訋r新生裂縫泄漏，造成斷層縱向封堵性喪失。

3）斷層面的應(yīng)力穩(wěn)定性。穩(wěn)定地應(yīng)力條件下，油藏?cái)鄬犹幱诜€(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生活動(dòng)，油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中受生產(chǎn)活動(dòng)等的干擾，可能使斷層失去穩(wěn)定性，呈現(xiàn)出易于活動(dòng)的狀態(tài)，這種狀態(tài)將其定義為斷層面的重開(kāi)啟。根據(jù)二維Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則（油藏?cái)鄬犹幱趫D2a狀態(tài)），斷層Mohr圓距破壞包絡(luò)線有一定距離，斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著斷層內(nèi)孔隙流體壓力的不斷增加，斷層Mohr圓大小不發(fā)生變化，Mohr圓整體向左平移，即斷層所受正應(yīng)力不斷變小，剪切應(yīng)力不變，當(dāng)斷層巖孔隙流體壓力達(dá)到pp2時(shí)，斷層Mohr圓與破壞包絡(luò)線相切（見(jiàn)圖2b），此時(shí)斷層面所受剪切應(yīng)力等于摩擦阻力，斷層面失去了應(yīng)力穩(wěn)定性，再次發(fā)生活動(dòng)。油藏內(nèi)流體在凈浮力及油藏壓力作用下，沿重開(kāi)啟的斷層面泄漏，造成斷層縱向封堵性喪失。圖2中：S1為垂向主應(yīng)力，S3為圍壓，S1＞S3，pp為孔隙流體壓力，pp1＜pp2，τ為剪切應(yīng)力，σn為有效正應(yīng)力，β為斷層面法線與S1的夾角，μ為斷層巖摩擦因數(shù)。

綜上所述，斷層面重開(kāi)啟與斷層巖破裂是不同的概念，是斷層不封閉呈現(xiàn)出的不同狀態(tài)。斷層面重開(kāi)啟與斷層巖性質(zhì)沒(méi)有本質(zhì)關(guān)系，主要與油藏應(yīng)力環(huán)境和孔隙流體壓力有關(guān)，是斷層面所受外力恰好達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài)，再稍加一點(diǎn)外力，斷層將發(fā)生滑動(dòng)。斷層巖破裂主要受斷層巖自身力學(xué)性質(zhì)的影響，受斷層巖破裂壓力的控制。斷層面重開(kāi)啟壓力與斷層巖破裂壓力不同，在一定外在條件的干擾下，可以出現(xiàn)斷層巖破裂但斷層仍然應(yīng)力穩(wěn)定的情況，也可以出現(xiàn)斷層面開(kāi)啟而斷層巖未破壞的情況，取決于具體油藏、具體斷層的斷層面重開(kāi)啟壓力與斷層巖破裂壓力的大小。

斷層巖封堵壓力反映的是在假定斷層巖未破裂條件下，斷層巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)與斷層巖厚度的加和效應(yīng)對(duì)油藏流體的封堵能力。斷層巖封堵壓力、斷層巖破裂壓力及斷層面重開(kāi)啟壓力是3個(gè)互不干擾、相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)斷層縱向封堵性的參數(shù)。當(dāng)斷層內(nèi)孔隙流體壓力達(dá)到以上3個(gè)參數(shù)最小者時(shí)，斷層對(duì)油藏的封堵性就會(huì)喪失，斷層縱向封堵性受以上3個(gè)定量參數(shù)最小者的控制。

圖2 油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中流體壓力對(duì)斷層面應(yīng)力穩(wěn)定性的影響

2 斷層封堵性關(guān)鍵參數(shù)解析方法

2.1 斷層面重開(kāi)啟壓力

斷層面是斷層巖與正常地層的接觸面或斷層兩盤(pán)正常地層的接觸面，根據(jù)M.D.Zoback等［22］提出的臨界應(yīng)力斷層及摩擦定律，斷層面失去穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)可以表示為

由有效應(yīng)力理論可知：

式中：Sn為斷層面上正應(yīng)力，MPa。

聯(lián)合式（1）和式（2）可得斷層面重開(kāi)啟壓力pR：

斷層面重開(kāi)啟壓力計(jì)算的關(guān)鍵是斷層面正應(yīng)力、剪切合力及摩擦因數(shù)的獲取。獲取應(yīng)力值最直觀、最準(zhǔn)確的方法是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力的測(cè)試，受取心及費(fèi)用的限制，難以得到整個(gè)區(qū)域地應(yīng)力的展布特征。以有限元分析為基礎(chǔ)的地應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)可以在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及少量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地應(yīng)力的約束下，得到地應(yīng)力場(chǎng)的三維展布，通過(guò)三維應(yīng)力場(chǎng)展布特征結(jié)合斷層產(chǎn)狀，可得出斷層不同位置的斷層面正應(yīng)力、剪切應(yīng)力的大?。?］。Byerlee［23］總結(jié)了不同類型巖石和斷層的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮了不同粗糙程度的天然裂縫、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)引起的斷層和人工斷層，指出在較高的有效正應(yīng)力作用下（不小于10 MPa），斷層面摩擦因數(shù)與表面粗糙程度、正應(yīng)力、滾動(dòng)速度等無(wú)關(guān)，摩擦因數(shù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)（0.6≤μ≤1.0）浮動(dòng)，被稱為Byerlee定律。出于安全考慮，斷層面重開(kāi)啟壓力的計(jì)算中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)未取得斷層巖的摩擦因數(shù)時(shí)，建議摩擦因數(shù)選用0.6，這樣得出的斷層面重開(kāi)啟壓力更加安全。

2.2 斷層巖封堵壓力

對(duì)于一個(gè)油藏（見(jiàn)圖3），根據(jù)滲流力學(xué)理論，忽略斷層寬度，油藏流體自A點(diǎn)通過(guò)斷層巖滲流到B點(diǎn)的滲流動(dòng)力主要有A的壓力和流體浮力，需要克服的阻力有4個(gè)（斷層巖孔隙流體壓力、黏滯力、吸附阻力和毛細(xì)管壓力），流體到達(dá)B點(diǎn)靜止是流體泄漏出油藏的臨界狀態(tài)，自A點(diǎn)到B點(diǎn)滲流過(guò)程的動(dòng)力項(xiàng)等于阻力項(xiàng)：

式中：p′為A點(diǎn)孔隙壓力，MPa；pc為斷層巖排替壓力，MPa；Δρ為油藏條件下流體與地層水的密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為斷層巖厚度，m；vF為斷層巖內(nèi)的滲流速度，m/s；KF為斷層巖滲透率，μm2；δ為流體黏度，Pa·s；λF為斷層巖啟動(dòng)壓力梯度，MPa/m。

圖3 斷層巖封堵壓力模式示意

變換式（4）可以得出斷層巖封堵壓力ps：

2.3 斷層巖破裂壓力

巖石破裂壓力可以通過(guò)巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂資料來(lái)獲取，但油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，幾乎不在斷層巖段取心或射孔，這愿種方式都難以直接獲取斷層巖的破裂壓力。斷層巖相較于正常地層是發(fā)生過(guò)破裂的巖石，可以認(rèn)為斷層巖較正常地層損失了巖石的抗張強(qiáng)度。斷層巖的破裂壓力可以根據(jù)正常地層的破裂壓力及抗張強(qiáng)度進(jìn)行估算：

式中：pFf為斷層巖的破裂壓力，MPa；pf為與斷層巖相同埋深的正常地層破裂壓力，MPa；T0為與斷層巖相同埋深的正常地層抗張強(qiáng)度，MPa。

正常地層破裂壓力及抗張強(qiáng)度可以通過(guò)巖心室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂資料來(lái)獲取。水力壓裂法是目前使用最多的獲取油藏巖石破裂壓力及抗張強(qiáng)度的直接方法，它是根據(jù)水力壓力施工曲線得到的特征點(diǎn)壓力，確定地層破裂壓力及抗張強(qiáng)度（見(jiàn)圖4）。

圖4 水力壓裂施工井底壓力

3 注入井井底流壓界限

以上討論的斷層面重開(kāi)啟壓力、斷層巖封堵壓力、斷層巖破裂壓力針對(duì)的是斷層巖孔隙流體壓力，油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中注入井一般要距斷層一定的距離，特別是低滲透油藏，受壓降漏斗影響，從注入井到斷層會(huì)發(fā)生一定的壓降。油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，斷層不喪失縱向封堵性的注入井井底流壓界限，受注入井到斷層的距離及斷層的斷層面重開(kāi)啟壓力、斷層巖封堵壓力、斷層巖破裂壓力三者最小者的共同控制，則注入井的井底流壓安全界限可以表示為

式中：pis為注入井安全井底流壓，MPa；L為注入井距離斷層的距離，m；pf為地層破裂壓裂，MPa。

4 實(shí)例應(yīng)用

勝利油區(qū)正理莊油田沙四上油藏計(jì)劃實(shí)施年消化量100×104t CO2的大型CO2捕集、驅(qū)油及封存（簡(jiǎn)稱CCUS）項(xiàng)目，既利用CO2混相驅(qū)提高油藏采收率，又實(shí)現(xiàn)CO2的大量埋存，治理大氣污染。該油藏埋藏深度2 700～13 200 m，儲(chǔ)層平均孔隙度13.1%，平均滲透率2.1×10-3μm2，屬低孔、特低滲儲(chǔ)層。油藏最大特點(diǎn)是斷層發(fā)育，共發(fā)育34條不同規(guī)模斷層。

CO2注入及封存過(guò)程中，受注入井等壓力擾動(dòng)的影響，如果斷層縱向封堵能力喪失，發(fā)生CO2泄漏，會(huì)對(duì)沙三下油藏開(kāi)發(fā)造成影響，甚至污染淺層地下水及地表自然環(huán)境。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中控制注入井井底流壓，保證斷層的封堵性是高89地區(qū)CCUS項(xiàng)目安全實(shí)施的關(guān)鍵。針對(duì)高89地區(qū)2個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)（見(jiàn)圖5），利用解析方法計(jì)算了各斷層的斷層面重開(kāi)啟壓力、斷層巖縱向封堵壓力、斷層巖破裂壓力，根據(jù)三者最小者結(jié)合注入井到斷層距離，以及地層破裂壓力，提出了各注入井井底流壓的安全界限。按照工程實(shí)施過(guò)程中預(yù)留10%安全容忍度的常規(guī)，得出了工程實(shí)施安全井底流壓不超過(guò)pis的90%。目前各注入井的井底流壓都嚴(yán)格控制在工程實(shí)施安全井底流壓之內(nèi)（見(jiàn)表1）。根據(jù)對(duì)地面微變形、空氣中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)，目前并未發(fā)生斷層活動(dòng)及CO2泄漏的現(xiàn)象，說(shuō)明依據(jù)上述方法得出的工程實(shí)施安全井底流壓符合高89地區(qū)的斷層特征，方法是可行的。

圖5 高89地區(qū)CO2驅(qū)油及封存實(shí)驗(yàn)區(qū)

表1 高89地區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)注入井安全井底流壓 MPa

5 結(jié)論

1）斷層縱向封堵性主要受斷層面應(yīng)力穩(wěn)定性、斷層巖的破裂性及斷層巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)封堵能力的影響，受斷層面重開(kāi)啟壓力、斷層巖破裂壓力、斷層巖封堵壓力三者最小者的控制。

2）斷層面重開(kāi)啟與斷層巖破裂是斷層不封閉呈現(xiàn)出的不同狀態(tài)。斷層面重開(kāi)啟與油藏應(yīng)力環(huán)境和孔隙流體壓力有關(guān)，是斷層面所受外力恰好達(dá)到平衡時(shí)的狀態(tài)；斷層巖破裂主要受斷層巖自身力學(xué)性質(zhì)的影響，受斷層巖脆性控制。

3）斷層面重開(kāi)啟壓力與斷層面所受正應(yīng)力、剪切應(yīng)力及摩擦因數(shù)相關(guān)，斷層巖封堵壓力與斷層巖滲流阻力、斷層巖孔隙流體壓力、斷層巖流體凈浮力有關(guān)，斷層巖破裂壓力可以利用水力壓裂施工曲線根據(jù)地層破裂壓力及抗張強(qiáng)度估算，斷層安全流體壓力為以上3個(gè)壓力中的最小者。

4）注入井安全井底流壓主要受地層破裂壓力、注入井到斷層的壓力損失、斷層安全流體壓力的共同控制。截至目前，高89地區(qū)CCUS項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)區(qū)注入井的井底流壓都嚴(yán)格控制在工程實(shí)施安全井底流壓之內(nèi)，并未發(fā)生斷層縱向封堵能力喪失的現(xiàn)象。

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