李 鵬

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

目前,每年都有大量城際鐵路工程建設(shè),這些工程部分位于油田開(kāi)采區(qū)[1-2],由于一般石油開(kāi)采較深,僅靠理論分析并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的油井開(kāi)采是否會(huì)引起地表地面沉降[3-5]。 國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)石油開(kāi)采誘發(fā)地面沉降開(kāi)展相關(guān)研究,甄慶廷等以大慶地區(qū)地面變形對(duì)哈齊高鐵的影響為例,在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,建立地下水開(kāi)采、采油注水、地面變形的耦合模型,預(yù)測(cè)地面變形發(fā)生、發(fā)展趨勢(shì)[6];馬傳廣等以盤營(yíng)高鐵為例,通過(guò)分析地下油氣的開(kāi)采誘發(fā)地面變形的原因,結(jié)合遼河油田地質(zhì)條件、開(kāi)采方式,推測(cè)遼河油田目前的開(kāi)采方式不利于地面穩(wěn)定[7];劉建軍等根據(jù)油田的注采特點(diǎn),分析地表變形的規(guī)律,同時(shí)也提出了相應(yīng)的控制方法措施[8];石永高等對(duì)大慶油田地面形變進(jìn)行了監(jiān)測(cè),明確了沉降區(qū)域范圍[9];田紅等對(duì)石油開(kāi)采引起的油藏壓實(shí)與地面沉陷預(yù)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究[10];李國(guó)和等根據(jù)地面沉降對(duì)高速鐵路橋梁工程的影響進(jìn)行了研究,并給出了相應(yīng)的對(duì)策[11]。

以下通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、InSAR 地面沉降監(jiān)測(cè)等綜合勘察技術(shù)手段,綜合分析華北油田石油開(kāi)采對(duì)北京至雄安城際鐵路的影響,以期為實(shí)現(xiàn)國(guó)家資源有效利用和城際鐵路工程建設(shè)安全提供部分經(jīng)驗(yàn)。

1 城際鐵路概況

北京至雄安城際鐵路途經(jīng)北京市大興區(qū),河北省廊坊市廣陽(yáng)區(qū)、固安縣、永清縣和霸州市,雄安新區(qū)雄縣,線路全長(zhǎng)91 km。 全線共設(shè)置黃村、新機(jī)場(chǎng)、固安東、霸州北、雄安5 座車站。 線路位于華北沖積平原,地形平坦,地勢(shì)開(kāi)闊。 植被主要為耕地,局部林地、苗圃地,村莊分布密集,沿線耕地主要種植小麥、玉米、紅薯。 本段跨越多條等級(jí)道路及鐵路、河流及灌溉溝渠、輸水及輸油管道。 沿線經(jīng)過(guò)的地層主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂,第四系厚度大于300 m。 沿線經(jīng)過(guò)地區(qū)屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,四季變化明顯,春季干旱多風(fēng),冷暖多變;夏季氣溫高、濕度大、雨水集中;秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥、少雨雪。 降雨量多集中在6 ～8 月,約占全年的70%,大風(fēng)多集中在3、4 月。 按照對(duì)鐵路工程影響氣候分區(qū)為溫暖氣候區(qū)。 本段經(jīng)過(guò)的河流主要為牤牛河、虹江河和雄固霸新河。

本區(qū)含油層主要位于寒武系下統(tǒng)饅頭組、君山組、毛莊組、奧陶系等,為一層狀油藏。 該區(qū)儲(chǔ)層主要有第三系碎屑巖和潛山碳酸鹽巖兩種類型。 其中潛山儲(chǔ)層以海相白云巖和灰?guī)r為主,儲(chǔ)集空間有縫、洞、孔,為高孔中滲透儲(chǔ)層。 第三系碎屑巖儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖為主,為中孔中滲透儲(chǔ)層。

本線李營(yíng)至黃村段利用既有京九線地段維持既有線標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度不低于120 km/h;黃村至雄安段鐵路等級(jí)為雙線高速鐵路,黃村至大興機(jī)場(chǎng)段設(shè)計(jì)速度為250 km/h,大興機(jī)場(chǎng)至雄安段為350 km/h。 黃村至新機(jī)場(chǎng)段正線線間距為4.6 m,新機(jī)場(chǎng)至雄安段為5.0 m。 黃村至新機(jī)場(chǎng)段最小曲線半徑一般3 200 m,困難2 800 m;新機(jī)場(chǎng)至雄安段最小曲線半徑一般7 000 m,困難5 500 m。 最大坡度為一般20‰,困難30‰。

2 油田開(kāi)采情況

2.1 油田現(xiàn)狀

京雄城際鐵路貫通方案經(jīng)過(guò)華北油田的3 個(gè)采區(qū),分別為岔河集油田、南孟油田及龍虎莊油田,見(jiàn)圖1。

圖1 京雄城際鐵路沿線油氣勘探分布

岔河集油田位于冀中坳陷霸縣凹陷西部,牛東大斷裂下降盤的寬緩斷面上,為大型凹中隆的背斜構(gòu)造?？v向上發(fā)育7 套含油層系,主要開(kāi)采層位為東營(yíng)組和沙河街組。 探明面積58 km2,儲(chǔ)量7 833×104t,是一個(gè)受構(gòu)造和巖性雙重控制的中滲透復(fù)雜斷塊油田。 根據(jù)勘探資料,第四系覆蓋層厚約340 m,下部基巖以泥巖、砂巖為主,鉆至3 495 m 未見(jiàn)底。 含油層位于東營(yíng)組和沙河街組砂巖層中,深度大于1 800 m。 根據(jù)開(kāi)發(fā)調(diào)整方式及產(chǎn)量變化特點(diǎn),劃分為4 個(gè)開(kāi)發(fā)階段,即全面投產(chǎn)注水開(kāi)發(fā)階段、加密井網(wǎng)開(kāi)發(fā)調(diào)整階段、以注采結(jié)構(gòu)調(diào)整為中心的調(diào)水增油階段、綜合治理穩(wěn)產(chǎn)階段。岔河集油田為華北最大的復(fù)雜斷塊砂巖油田,已開(kāi)發(fā)15 個(gè)斷塊。 油田經(jīng)歷40 年的開(kāi)發(fā)歷程,目前已進(jìn)入中高含水、低效開(kāi)發(fā)階段。 累計(jì)產(chǎn)油1 663 萬(wàn)t,累計(jì)產(chǎn)氣184 902 萬(wàn)m3, 綜合含水89.58%, 采出程度21.2%。

南孟油田位于霸縣凹陷的北部,共有南孟府君山組、奧陶系饅頭組、龍山組、沙四段4 套層系,為一層狀油藏。 該區(qū)儲(chǔ)層主要有第三系碎屑巖和潛山碳酸鹽巖兩種類型。 潛山寒武、奧陶儲(chǔ)層則以海相白云巖和灰?guī)r為主,儲(chǔ)集空間有縫、洞、孔,為高孔中滲透儲(chǔ)層。 沙四段碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)層巖性以長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖為主,為中孔中滲透儲(chǔ)層。 油田含油面積3.4 km2,上報(bào)地質(zhì)儲(chǔ)量415.93×104t,可采儲(chǔ)量98.44×104t。 根據(jù)勘探資料顯示,第四系覆蓋層厚約300 m,下部基巖以泥巖、砂巖、灰?guī)r和白云巖為主,鉆至3 495 m 未見(jiàn)底。 含油層位于寒武系饅頭組和府君山組中,油藏深度大于1 780 m。 南孟油田于1976 年10 月投入開(kāi)發(fā),現(xiàn)有油井19 口,開(kāi)井16 口,日產(chǎn)液218 m3,日產(chǎn)油34t,綜合含水84%。 累積產(chǎn)油99.67 萬(wàn)t。 累產(chǎn)水190.94萬(wàn)m3。 采出程度 23.96%, 可采儲(chǔ)量采出程度83.33%。 府君山、饅頭組采出程度均較高,儲(chǔ)量動(dòng)用程度較低的層系是南孟奧陶系。 已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期,處于高采出程度、高含水開(kāi)發(fā)階段。

龍虎莊油田位于霸縣凹陷的北部,儲(chǔ)層有奧陶系、府君山組, 含油面積3.85 km2, 上報(bào)地質(zhì)儲(chǔ)量1150.66 萬(wàn)t,可采儲(chǔ)量337.7 萬(wàn)t。 主要為儲(chǔ)層巖性為一套厚層塊狀灰?guī)r及白云巖,由于長(zhǎng)期風(fēng)化及溶蝕作用,縫洞發(fā)育,裂縫縱橫交錯(cuò),油層連通好,滲透性好。 根據(jù)勘探資料顯示,第四系覆蓋層厚約300 m,最厚可達(dá)600 m,下部基巖以泥巖、砂巖、灰?guī)r和白云巖為主。 主力開(kāi)采層為奧陶系,油藏深度大于2 000 m。龍莊油田現(xiàn)有油井18 口,開(kāi)井15 口,日產(chǎn)液98 m3,日產(chǎn)油26 t,綜合含水73%。 累積產(chǎn)油253 萬(wàn)t。 累產(chǎn)水111.6 萬(wàn)m3。 采出程度22.02%,可采儲(chǔ)量采出程度75.02%。 油井主要采用間開(kāi)壓錐的生產(chǎn)方式生產(chǎn)。處于高采出程度、高含水開(kāi)發(fā)階段。

2.2 油井開(kāi)采方式

油田投入開(kāi)發(fā)以后,隨著開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng),會(huì)不斷地消耗油層本身能量,油層壓力就會(huì)不斷下降,使地下原油大量脫氣,黏度增加,油井產(chǎn)量大大減少,甚至?xí)娡．a(chǎn),造成地下殘留大量死油無(wú)法采出。 為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空,保持或提高油層壓力,實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),并獲得較高的采收率,必須對(duì)油田進(jìn)行注水。

注水采油是利用注水設(shè)備把質(zhì)量合乎要求的水從注水井注入油層,保持油層壓力,驅(qū)替地下原油至油井,是一種人為地將水注人儲(chǔ)油層孔隙中,以水作為驅(qū)替劑將更多的原油從油層中驅(qū)替出來(lái)的一種采油技術(shù),注水可以提高油田開(kāi)發(fā)速度和采收率,而且經(jīng)濟(jì)效益好,因此注水開(kāi)采已成為眾多油田開(kāi)發(fā)的主要方式。

一般在油田天然水體不發(fā)育的情況下,為維持油藏總體壓力,達(dá)到注入量與采出量的平衡(注采平衡),累積注入水量與累計(jì)產(chǎn)出液體量接近。 在正常油藏的注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,當(dāng)累計(jì)注入水量與累計(jì)產(chǎn)出量近似相等的情況下,油藏地層壓力應(yīng)保持在原始地層壓力附近。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)油井調(diào)查

華北油田集中開(kāi)采區(qū)距離線位較近,一般350 ～1 500 m,最近為霸107 號(hào)井距離線位DK83+505.7 左線中心僅10.3 m,其次為霸105 號(hào)井距離線位DK83+764.6 左線中心僅70.4 m,霸100 號(hào)井距離線位DK86+316.5 左線中心僅161.7 m;其余油井均在300 m 以外。 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,霸107 號(hào)井仍在正常采油。采油二廠南孟鎮(zhèn)、岔河集鎮(zhèn)等區(qū)塊油井分布與線位的關(guān)系見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 南孟鎮(zhèn)油井與鐵路線路平面位置關(guān)系

開(kāi)采油井距離線位最近約10 m,井深約3 000 m,開(kāi)采深度2 700～3 000 m;該區(qū)日開(kāi)采量400 ～650 m3,鐵路附近采油井共63 口,注水井共4 口,目前均正常開(kāi)采;油井采用注水開(kāi)采的方式,對(duì)開(kāi)采出的水油進(jìn)行分離后,將水通過(guò)注水井注入地下。

3 變形分析

3.1 油井開(kāi)采導(dǎo)致地表變形機(jī)理分析

(1)油藏壓實(shí)是巖石所受壓應(yīng)力超過(guò)了巖石的抗壓強(qiáng)度并發(fā)生塑性變形的過(guò)程,它會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化。 隨著石油的不斷開(kāi)采,必然造成儲(chǔ)層孔隙壓力的降低,使得巖石骨架的有效應(yīng)力增大。 同時(shí),上部巖層的荷重大部分轉(zhuǎn)移到巖石骨架上,這樣將導(dǎo)致儲(chǔ)層的壓實(shí)和表面的沉降, 并在垂直和水平方向上產(chǎn)生位移。 當(dāng)油層壓實(shí)產(chǎn)生變形較大時(shí),會(huì)導(dǎo)致地面沉降。

(2)注水開(kāi)采主要有以下幾方面的影響。 ①在油田開(kāi)采過(guò)程中,高壓注水提高了地層壓力,使得有足夠的能量將原油驅(qū)動(dòng)出來(lái),但當(dāng)?shù)貙訅毫Ω哂谠級(jí)毫蜉^大時(shí),可能導(dǎo)致油層次生裂縫,引起油層破裂。 當(dāng)壓力超過(guò)一定界限后,巖石將產(chǎn)生裂縫,上覆巖層將被“舉起”,造成地面上升。 ②油層富集區(qū)多構(gòu)造發(fā)育,由于構(gòu)造部位透水性強(qiáng),穩(wěn)定性差,高壓注水將改變?cè)嫉貞?yīng)力,引起地應(yīng)力不平衡,同時(shí)使裂縫擴(kuò)張,注水沿裂縫進(jìn)入構(gòu)造接觸面,加劇構(gòu)造復(fù)活。

(3)油田注水需要大量的水,而其中一部分來(lái)自油田邊緣的水源井,由于地下水被集中開(kāi)采,導(dǎo)致地下水位急劇下降,土體重度增大,土顆粒間有效應(yīng)力增大,最終引起地面沉降。 另外,由于注水井附近的地層應(yīng)力一般總高于采油井附近的地層應(yīng)力,引起地面形變的潛在因素仍存在。

3.2 地面變形理論分析

人為注采壓力與地面變形有著密切聯(lián)系,地層壓力的變化量與地面垂向變形的回歸方程為

式中,ΔH為地面垂向變形量;Δp為地層壓力增量,掌握地層壓力就可以預(yù)測(cè)地面變形量。 同時(shí),地表變形會(huì)使油、水井套管承受拉伸應(yīng)力作用,造成套管被拉斷或變形。 根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),注入壓力宜控制在原始地層壓力以下0.5 ～0.8 MPa,壓力變化范圍控制在±0.19 MPa 之內(nèi)。 對(duì)于明顯的高壓注水區(qū),設(shè)法分步驟、分井網(wǎng)以合適的壓力遞減率(絕對(duì)值一般不高于0.3 MPa)降低注入壓力,達(dá)到穩(wěn)定的壓力范圍,同時(shí)重視注采平衡,達(dá)到采油控水目的。

3.3 油田開(kāi)采與地面沉降分析

(1)鐵路建設(shè)區(qū)地表地裂縫調(diào)查分析

擬建京雄城際鐵路沿線穿越各地市現(xiàn)有地裂縫共2 條,距離評(píng)估區(qū)分別為2.9 km 和6.6 km。

①西坨村地裂縫

位于霸州南孟鎮(zhèn)西坨村東永金渠渠底,距離京雄城際鐵路正線DK77+500 樁號(hào)東南3.9 km。 該處地裂縫始發(fā)于2006 年,走向20°,傾向108°,傾角75°,長(zhǎng)90 m,寬1.2 m,深0.3 m,耕植土和樹(shù)葉部分填充。 該處地裂縫主要破壞林地,未造成明顯人員財(cái)產(chǎn)損失。

②曹莊地裂縫

位于霸州岔河集鄉(xiāng)曹莊村北1 000 m 路西的林地內(nèi),距離京雄城際鐵路正線DK87+000 樁號(hào)東南7.1 km。 該處地裂縫始發(fā)于2005 年,共有兩條地裂縫組成,呈“人”字形分布,其中1 號(hào)地裂縫于2005 年6 月16 日出現(xiàn),走向5°,傾向90°,傾角80°,長(zhǎng)16 m,寬0.9 m,深0.5 m,耕植土和樹(shù)葉部分填充;2 號(hào)地裂縫于2005 年7 月23 日出現(xiàn),走向75°,傾向335°,傾角79°,長(zhǎng)9.8 m,寬1 m,深0.4 m,耕植土和樹(shù)葉部分填充。 該處地裂縫主要破壞林地,未造成其他財(cái)產(chǎn)損失。

(2)鐵路建設(shè)區(qū)地面沉降現(xiàn)狀

沿線區(qū)域累計(jì)沉降量均在300 ～700 mm 內(nèi),總體呈現(xiàn)東北、西南大,中部較小的特征;沿線區(qū)域沉降速率變化較大,總體趨勢(shì)由東北向西南逐漸遞增,根據(jù)地面沉降發(fā)育程度分級(jí),京雄城際鐵路沿線地面沉降發(fā)育程度均為中等,按照沉降速率,沉降發(fā)育程度多為中等、強(qiáng)發(fā)育。 沿線各段地面沉降發(fā)育程度見(jiàn)表1。

表1 京雄城際鐵路沿線各段沉降速率特征

(3)InSAR 地面沉降監(jiān)測(cè)

對(duì)京雄城際鐵路沿線范圍歷史沉降情況及現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測(cè),并采集歐空局Sentinel-1A/1B 數(shù)據(jù)作為緩慢地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),基于外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),采用TSDI InSARpro 軟件,將相對(duì)沉降量結(jié)果校正為絕對(duì)沉降量,評(píng)價(jià)InSAR 結(jié)果的精度。 提取鐵路沿線特定緩沖區(qū)范圍內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果、沿線位方向沉降縱斷面以及垂直線位方向沉降縱斷面。 本次監(jiān)測(cè)范圍為北京至雄安城際鐵路DK48+000 ～DK113+400,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)47 景。 為了更完整地描述形變區(qū)域的范圍和形變中心,對(duì)PS 點(diǎn)采用克里金插值,然后生成等值線,等值線疊加顯示結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果,沉降區(qū)域位于雄縣北部和固安縣南部,沉降速率范圍為:30 ～119 mm/a,為大范圍區(qū)域沉降,存在幾處漏斗形沉降。 線位在DK86 ～DK113+400 段落穿過(guò)該沉降區(qū),線位穿過(guò)處地面沉降速率范圍為30～83 mm/a。

(4)油田開(kāi)采與地面沉降對(duì)比分析

經(jīng)對(duì)比分析,沉降漏斗中心呈北東-南西向串珠狀分布于線位北西側(cè),而大部分采油井分布于線位南東側(cè),離沉降中心大于2 km,且采油井分布地點(diǎn)均為沉降緩慢區(qū)域,見(jiàn)圖5。

圖5 油田開(kāi)采與地面沉降對(duì)比分析

由岔河集、南孟、龍虎莊油田地層綜合柱狀圖可知,第四系覆蓋層一般厚度300 ～400 m,最深可達(dá)600 m,松散堆積層以下為基巖層,主要巖性為泥巖、砂巖、白云巖和灰?guī)r,采油層位于砂泥巖及灰?guī)r中,深1 000 ～3 500 m,油藏以上基巖厚500 ～2 500 m 不等,采油注水壓力20～30 MPa,石油承壓小于注水壓力,表明基巖的骨架支撐好,且石油主要存在于基巖裂隙和細(xì)小孔洞中,不存在大面積承壓現(xiàn)象,不同于松散堆積物的固結(jié)沉降。 由于注水開(kāi)采淺層地下水和深層地下水都不會(huì)補(bǔ)給基巖裂隙水,因此表層第四系松散堆積物也不會(huì)受采油影響產(chǎn)生固結(jié)沉降。 綜上所述,油田開(kāi)采不會(huì)引起地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)論

(1)本區(qū)含油層位于含油層主要位于寒武系下統(tǒng)府君山組、饅頭組、毛莊組、奧陶系和沙四段四套層系,為一層狀油藏,儲(chǔ)層主要有第三系碎屑巖和潛山碳酸鹽巖兩種類型,一般開(kāi)采深度在2 700 ～3 000 m;開(kāi)采方式為注水開(kāi)采,不同于采煤等存在采空問(wèn)題,采油是液體置換,不存在類似采空導(dǎo)致油藏地層失去支撐引起地層彎曲變形;且由于注采平衡,深部采油不會(huì)導(dǎo)致油藏層系間壓力變化,并沒(méi)有改變液體(油水)環(huán)境,故可以不考慮深部采油對(duì)地表的不利影響。

(2)華北油田采油對(duì)京雄城際鐵路基本無(wú)影響,但個(gè)別采油井距線路較近,須根據(jù)相關(guān)要求進(jìn)行搬遷。同時(shí)密切關(guān)注和了解油田注水采油范圍、壓力及變化趨勢(shì),研究注水壓力的變化對(duì)地面隆起程度、范圍的影響。