CN106971269B - Co2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法 - Google Patents

Co2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，包括以下步骤：S1、建立诱发地震物理预测模型，所述诱发地震物理预测模型每个维度分别是断层倾角φ、注入井距断层的距离D、断层埋深H；S2、将所述断层倾角平均分为N个水平，注入井距断层的距离平均分为M个水平，断层到地面的深度平均分为K个水平，其中，N、M、K均为正整数；S3、基于全因子实验设计计算断层滑动距离，将断层滑动距离计算结果离散化，并以断层倾角、注入井距断层距离和断层埋深为坐标轴，建立三维诱发地震统计预测模型；S4、设置震级安全阈值，根据所述震级安全阈值计算断层滑动安全阈值；S5、根据断层滑动安全阈值，预测地震活动风险。

Description

CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法
技术领域
本发明涉及风险评估和能源开采与地下储存技术领域，特别涉及一种CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法。
背景技术
CCUS(Carbon Capture，Utilization and Storage，CO2捕获、利用与封存技术)可以实现深度碳减排的同时提高地下资源的采收率，但大规模超临界CO2地中回注存在诱发封存场地内部隐伏断层活化和破坏性地震的风险，地震活动不仅危及注入系统，甚至会穿透上覆盖层，对盖层完整性构成威胁，增大CO2泄漏的风险，并且会导致项目被迫停止、失去投资者支持、甚至引发公众反对等一系列负面影响。随着CCUS工程的进一步推进，必将出现越来越多的流体注入诱发地震的事例，因而CCUS场地内部流体注入诱发地震危险性评估的研究愈发重要。
活动断层地震危险性评估是指利用反映断层长期活动特征的各种参数，结合其深部构造环境、现代运动状态和近断层应力-应变等资料，确定未来一定时段内发生中强以上地震的位置、震级上限和发震概率的过程。在涉及流体地中回注时，活动断层的危险性评估主要采用注前评估法和随注实时评估法。注前评估法基于先前案例研究中诱发地震的历史数据，建立预测模型定量评估活动断层的发震概率。随注实时评估法则在目标场地注入开始后，搜集原位储盖层参数及诱发地震事件的时空分布，建立预测模型，并通过上个时间节点模型的输出参数迭代对预测模型进行实时更新。由于随注实时评估法实现了断层危险性的动态评估，显著降低诱发地震风险，其应用范围更为广泛。
随注实时评估法使用统计预测模型和物理预测模型对场地内活动断层的地震危险性进行定量预测。统计预测模型基于场地的地震历史，通过地震学的基本定律(如大森-乌托定律或古登堡-里克特关系)预测诱发地震的规模和时空分布。尚处于发展的早期阶段，其实用性和预测结果的准确性受限于场地历史地震资料。而物理预测模型则基于对场地内多场耦合的深刻理解，预测流体注入的诱震响应，以期通过优化注入方案避免大规模诱发地震。但是由于地下环境的复杂性，隐伏断层的勘探和表征较为困难，断层带结构难以准确捕捉，深部储盖层及断层带的详细物性参数往往获取困难，导致物理预测模型过度简化，预测结果存在大量的不确定性。
综上，单一物理预测模型或统计预测模型尚难以有效指导封存场地选址。因此，综合物理预测模型和统计预测模型，建立系统的活动断层地震危险性评估方法，对防控诱发地震灾害和保证CCUS、地热开发以及页岩气开采等项目长期施工安全具有重要的应用实践价值。
发明内容
本发明在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够揭示CCUS场地内部断层带地震风险分布、并为注入井位选址和现场施工提供技术支持的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，包括以下步骤：
S1、建立诱发地震物理预测模型，所述诱发地震物理预测模型每个维度分别是断层倾角φ、注入井距断层的距离D、断层埋深H；
S2、将所述断层倾角平均分为N个水平，注入井距断层的距离平均分为M个水平，断层埋深H平均分为K个水平，其中，N、M、K均为正整数；
S3、基于全因子实验设计计算断层滑动距离，将断层滑动距离计算结果离散化，并以断层倾角、注入井距断层距离和断层埋深为坐标轴，建立三维诱发地震统计预测模型；
S4、设置震级安全阈值，根据所述震级安全阈值计算断层滑动安全阈值；
S5、根据断层滑动安全阈值，预测地震活动风险。
进一步地，所述断层埋深H变化范围为800m-3200m。
进一步地，所述断层倾角φ变化范围为10°-90°。
进一步地，所述注入井距断层的距离D为140m-700m。
进一步地，所述步骤S4具体包括，根据断层赋存的构造特征和几何特征，利用矩震级的定义计算断层滑动安全阈值。
进一步地，所述步骤S5具体包括，利用断层滑动安全阈值，在诱发地震统计预测模型中建立危险面，根据注入井距断层距离和诱发地震的概率，将诱发地震统计预测模型剖分为三个区域：不诱发地震区、可能诱发地震区、必然诱发地震区，以便有效评估CO2封存场地诱发地震风险。
与现有技术相比，本发明的有益效果
本发明采用数值模拟而非理论分析的方法来研究断层滑移量的可能大小。其具有以下优点：1、统计预测模型基于岩石力学，其实用性和预测结果的准确性不再受限于场地历史地震资料；2、物理预测模型中关键因素设置为多个水平，克服了参数的不确定性；3、在统计预测模型中根据安全阈值设置危险面，并将诱发地震统计预测模型剖分为三个区域：不诱发地震区、可能诱发地震区、必然诱发地震区，以有效评估CO2封存场地诱发地震风险。
附图说明
图1所示为本发明诱发地震物理预测模型参数示意图。
图2所示为本发明预测方法流程图。
图3所示为本发明的危险面示意图主视图。
图4所示为本发明的危险面示意图后视图。
图5所示为本发明的危险面示意图左视图。
图6所示为本发明的危险面示意图右视图。
图7所示为本发明的危险面示意图俯视图。
图8所示为本发明的危险面示意图仰视图。
图9所示为本发明的诱发地震概率分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：
参看图1与图2，图1所示为诱发地震物理预测模型，该模型包括储层，用于存储CO2，储层上层、下层的盖层和基岩，以及位于储层的注入井，其中，断层横跨盖层、储层、基岩，在本模型中，定义注入井到断层中部的水平距离为D，断层埋深H，断层与水平面请倾角为φ。此外，在本模型中，设置断层埋深H变化范围为800m-3200m，断层倾角φ变化范围为10°-90°，注入井距断层的距离D为140m-700m，断层长500m，模型的结合形状为矩形，长1500m，厚800m。而这样的数值设置目的是基于实际应用的考虑，在该范围内能够尽量减少模型复杂度且不会有太大误差，在不考虑计算量等因素时，上述范围还可以进行扩大。
本模型边界条件为：侧边界只固定水平方向位移，底边界同时固定水平和竖直方向的位移。地层视为弹性体，断层通过莫尔库仑模型视为弹塑性体。垂直应力通过上覆盖层的重力施加，密度为2600kg/m3，水平应力通过侧应力系数0.6施加，即Sh＝0.6Sv。模型中的物理力学参数值及注入压力值主要取自现有模型，不能直接获得的参数主要根据相似工程选取。本模型主要参数参看表1。
表1诱发地震物理预测模型中各材料物性参数
Figure GDA0002404935300000051
本发明为了方便模型计算将所述断层倾角平均分为N个水平，注入井距断层的距离平均分为M个水平，断层埋深H平均分为K个水平，其中，N、M、K均为正整数。在一个具体实施方式中，考虑到数值越大，计算量越大，而数值过小则误差较大，本发明综合取一个较优的参数，N＝9，M＝5，K＝5。
通过建立诱发地震物理预测模型、以及选取点值，本发明基于全因子实验设计计算断层滑动距离，将断层滑动距离计算结果离散化，并以断层倾角、注入井距断层距离和断层埋深H为坐标轴，建立三维诱发地震统计预测模型。
具体的，按照上述设置的参数N＝9，M＝5，K＝5，本发明依次计算每个排列组合下的断层滑动距离。具体列表如表2所示。
表2全因子实验设计及断层滑动距离
Figure GDA0002404935300000052
Figure GDA0002404935300000061
Figure GDA0002404935300000071
Figure GDA0002404935300000081
Figure GDA0002404935300000091
Figure GDA0002404935300000101
Figure GDA0002404935300000111
具体实施中，本发明采用有限元软件ABAQUS计算断层滑动距离，该计算属于现有技术，在此不再赘述。
进一步，对上述得到的全因子实验设计的断层滑动距离计算结果，以断层倾角、注入井-断层距离和断层埋深H为坐标轴，将断层滑动距离计算结果离散化，建立诱发地震统计预测模型。具体地，本发明采用三维数据可视化软件Golden Software Voxler对数据进行离散化，具体离散过程在此不再赘述。
设置震级安全阈值，根据所述震级安全阈值计算断层滑动安全阈值；根据断层滑动安全阈值，预测地震活动风险。
本发明的震级安全阈值以矩震级Mw来表示，矩震级表征地震释放能量的大小。矩震级的大小基于地震的震矩，等于地壳的刚度乘以断层的平均滑移量和滑移面的面积。震级Mw大于3.0的震级被视为有感地震，而小于4.5级的地震则被视为弱震或微震，几乎不会造成任何破坏。因此，在本实施例中，以震级Mw＝3.0作为安全阈值。
由地震矩的定义可知：
M0＝GAd
其中，G为断层刚度，A为断层滑动面积，d为断层滑动距离。假设断层滑动面积为常数，根据本发明模型中诱发地震物理预测模型中各材料物性参数和上述计算得到的断层滑动距离，可以根据矩震级Mw的定义计算特定矩震级对应的断层滑动距离。
Figure GDA0002404935300000112
当Mw＝3.0时，根据断层赋存的构造特征和几何特征，本实施例中其对应的断层滑移安全阈值为0.005m。
进一步地，利用断层滑动安全阈值，在诱发地震统计预测模型中建立危险面，根据注入井距断层距离和诱发地震的概率，将诱发地震统计预测模型剖分为三个区域：不诱发地震区、可能诱发地震区、必然诱发地震区，以便有效评估CO2封存场地诱发地震风险。
图3-图8是该三维图的六视图。从图可见，注入井到断层的水平距离D是避免过大诱发地震的关键因素，参看图9。具体地：
(1)由于远离注入井的储层孔隙水压力变化较小，因此断层滑移与注入井距断层距离之间存在负相关关系。
(2)注入诱发的断层滑移呈现相似的变化趋势，断层面上段部分向下滑移，下端部分向上滑移，并在180米和320米处活动剧烈，因此在断层中间部分(250m左右处)的形成挤压，使得该处的滑移量为零。
(3)当断层平缓或较陡时断层滑移均有明显的减小，但是当断层倾角在40°、50°、60°、70°和80°时滑移量与断层埋深H同样的关系变得复杂，具体表现为：埋深较浅时(800m-1400m)滑移量会随着埋深增加或多或少地减小，但是当埋深较大时(超过1400m)这种关系复杂化。另外，在一些倾角(40°、70°和80°)下，断层滑移量增加，并且当倾角60°，断层滑移量最大。
(4)注入井-断距离D是避免过大诱发地震的关键因素，当D大于350m时，在任何埋深和断层倾角下都不会产生破坏性诱发地震。同时，当D在230m和350m之间变化，由于在一些断层倾角(10°、20°、30°和90°)下诱发断层滑移的减小，大多数中等到深埋(H>1196m)储层中注入流体均是安全的。需要特别指出的是，在浅层储层(埋深H<1196m)中当注入井距离断层较小(D<230m)时，所有倾角下的断层均在危险区中。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施方式，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。

Claims (6)

1.一种CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立诱发地震物理预测模型，所述诱发地震物理预测模型每个维度分别是断层倾角φ、注入井距断层的距离D、断层埋深H；
S2、将所述断层倾角平均分为N个水平，注入井距断层的距离平均分为M个水平，所述断层埋深H平均分为K个水平，其中，N、M、K均为正整数；
S3、基于全因子实验设计计算断层滑动距离，将断层滑动距离计算结果离散化，并以断层倾角、注入井距断层距离和断层埋深为坐标轴，建立三维诱发地震统计预测模型；
S4、设置震级安全阈值，根据所述震级安全阈值计算断层滑动安全阈值；
S5、根据断层滑动安全阈值，预测地震活动风险。
2.根据权利要求1所述的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，所述断层埋深H变化范围为800m-3200m。
3.根据权利要求1所述的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，所述断层倾角φ变化范围为10°-90°。
4.根据权利要求1所述的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，所述注入井距断层的距离D为140m-700m。
5.根据权利要求1所述的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括，根据断层赋存的构造特征和几何特征，利用矩震级的定义计算断层滑动安全阈值。
6.根据权利要求1所述的CO2注入过程中基于概率分布的诱发地震风险评估方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括，利用断层滑动安全阈值，在诱发地震统计预测模型中建立危险面，根据注入井距断层距离和诱发地震的概率，将诱发地震统计预测模型剖分为三个区域：不诱发地震区、可能诱发地震区、必然诱发地震区，以便有效评估CO2封存场地诱发地震风险。
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