CN116307683B - 一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，包括诱发地震评价单元划分、累计注入等效能量、断层类型诱发地震概率、断层距离诱发地震概率、水力压裂流体在压裂地层中的扩散能力、压裂后断层新有效应力、岩石流体压力变化率和累计释放等效能量确定，可求得评价单位水力压裂诱发地震概率。通过本发明能对各个评价单元或单口井等定量化的评价水力压裂施工不同阶段、不同施工注入方式和采出条件下的不同诱发地震可能性，提供一个定量化结果，为优化水力压裂施工和采出条件减少诱发地震灾害提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于安全生产工程技术和地震风险评价领域，具体为一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法。
背景技术
水力压裂是当前提高致密性储层渗透性的一项重要手段，它通过水力能量致裂岩石形成新通道或连通封闭通道来提高原地层渗透性，被广泛用于油气储层改造、地热资源开发和废水回注等领域。该项技术对提高生产效率起到了巨大帮助，但广泛推广的同时也带来了一系列问题。比如大量注入水在致裂岩石的同时也会提升岩石中孔隙压力，注入水也会流到新的通道中，使岩石发生大型破裂或者激活周围断层，从而诱发地震，给安全生产和社会稳定带来大量问题。
目前，国内外已有大量媒体和文献报道了水力压裂可能会诱发地震的事实，部分专利也公布了一些注水诱发地震的试验或评价方法。专利CN113376684B公开了一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，通过制作一种断层模型和实验方法，在双轴加载系统下向断层面进行注水实验，可以完全“看”到诱发地震从孕育到失稳破裂的全过程，研究不同注水条件下注水诱发地震特点。专利CN112461668A公布了研究水力压裂诱发断层活化的试验方法，通过在岩石试样中制作一条裂隙，在裂隙处充填材料，在真三轴围压条件下进行水力压裂试验。探讨不同的充填材料及不同的压裂参数对注水诱发地震的影响与机制。专利CN115201898A公布了三维的注采诱发地震断层破裂滑的数值模拟方法及系统。包括构建三维注水整体几何模型、三维水-力双向耦合数值模型、三维局部断层模型，计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数、剪应力，模拟三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程，对诱发断层地震进行评价。另外，专利CN109630011A、CN106971269A分别公布了一种注水或者注入二氧化碳的诱发地震预防和评价方法。但上述或者已经公布的关于水力压裂断层活化诱发地震的评价方法，只是从一点或者一个角度进行评价的技术，只代表着一类技术路线，有各自优点但也有其局限性，主要适合于室内实验评价。特别地，不太适合于生产中定量评价一个工作区块的水力压裂诱发地震风险性。另外，水力压裂诱发地震有多种原因，如岩石流体孔隙压力上升诱发地震、活化断层诱发地震、岩层突然泄压诱发地震等。
因此，针对水力压裂注入流体活化断层进而诱发地震，造成生产和安全风险，本发明提供了一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题和不足，提供了一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，可实现水力压裂施工对周围断层活化诱发地震风险性评价，获得定量和动态化风险性结果，指导安全生产和社会稳定防控。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于，包括：
步骤S1，根据地质构造类型、断层分布、断层大小、工作区块大小、注入井分布、采出井分布、注入与采出层位确定水力压裂活化断层诱发地震评价单元。
步骤S2，根据水力压裂流体注入方式、注入形式、注入排量、累计注入量确定水力压裂流体累计注入等效能量W。
步骤S3，根据断层类型确定断层类型因素引起的诱发地震概率P1，根据水力压裂井距断层距离确定水力压裂井距断层距离因素引起的诱发地震概率P2。
步骤S4，根据水力压裂地层岩石的孔隙度、综合渗透率、裂缝发育程度确定水力压裂流体在压裂地层中的扩散能力D。
步骤S5，水力压裂流体扩散到断层，弱化断层有效应力，根据断层处流体压力、断层新的力学特性确定新的有效应力τ。
步骤S6，以诱发地震评价单元为一整体，求取所有水力压裂注入井注入过程平均流体压力和注入流体前原始地层压力，获取水力压裂地层岩石流体压力变化率ε。
步骤S7，在诱发地震评价单元内，根据水力压裂开始后流体累计采出时间、采出方式和采出井分布，确定水力压裂累计释放等效能量E。
步骤S8，在诱发地震评价单元内，根据累计注入等效能量W、断层类型诱发地震概率P1、断层距离诱发地震概率P2、水力压裂流体扩散能力D、断层有效应力τ、地层岩石流体压力变化率ε、累计释放等效能量E获取诱发地震概率P。
进一步地，所述步骤S1包括：地质构造类型在中型构造及以下构造类型中选择背斜、向斜、断层构造；断层分布依据与水力压裂注入井和采出井相对位置关系确定；断层大小由断层等级确定；诱发地震评价单元不大于工作区块面积，主要分布在工作区块的二级和三级断层内；百分之九十及以上的水力压裂流体注入井和采出井分布在工作区块和诱发地震评价单元内；注入与采出层位为同一层位或者相邻连通层位。
进一步地，所述步骤S2包括：水力压裂流体累计注入方式包括连续性注入和间歇性注入；注入形式包括单井注入和多井同时注入；其累计注入等效能量计算公式为：
其中，W为累计注入等效能量，Wik为第i次注入流体动能，Wip为第i次注入流体弹性势能，mi为第i次注入流体质量，ki为第i次注入流体弹性势能系数。
进一步地，所述步骤S2包括：水力压裂流体为连续性注入的累计注入等效能量需乘以因子A，多井同时注入的累计注入等效能量需乘以因子B，因子A和B的计算公式为：
其中，d为连续注入天数，n为同时注入井数。
进一步的，所述步骤S3包括：断层类型因素引起诱发地震概率P1分成四类，为三类断层＞四类断层＞二类断层＞一类断层；水力压裂井距断层距离因素引起的诱发地震概率P2分成四类，为小于1km＞1-3km＞3-10km＞大于10km。
进一步地，所述步骤S4中，水力压裂流体在压裂地层中的扩散能力由以下公式确定：
其中D为扩散能力，Kf为注入流体体积模量，Kg岩石骨架体积模量，Kd岩石矿物颗粒体积模量，K为地层岩石渗透率，φ为地层岩石孔隙度，μd为地层岩石骨架剪切模量，μ1为注入流体粘度。
进一步地，所述步骤S5中，水力压裂流体扩散到断层，断层处流体压力增加、断层内摩擦因素和聚合强度降低，导致有效应力变化，新的有效应力τ由以下公式确定：
τ＝μ(σn-P)+τ0
其中，μ为断层内摩擦因素，σn断层垂向压力，P为断层处流体压力，τ0为断层聚合强度。
进一步地，所述步骤S7中，流体采出方式包括连续性采出和间歇性采出，以及水力压裂注入后快速采出和后续慢慢采出，采出位置包括在断层附近(小于3km)采出和远离断层(大于3km)采出，其累计释放等效能量E计算公式为：
其中，C1为采出方式校正系数，C2为采出速度校正系数，C3为采出位置校正系数，η为体积膨胀系数，KT为等温压缩系数，T为温度，P为流体压力。
进一步地，所述步骤S8中，结合多项因素，诱发地震概率可由以下公式确定：
P＝f1(P1,P2,ε)·f2(W-E,D,τ)
其中，f1(P1,P2,ε)＝ε·(P1+P2+P1·P2)，A1为等效能量修正系数，A2为水力压裂流体在地层岩石中扩散能量修正系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述的一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，提供了一种新的定量化评价水力压裂通过激活断层从而诱发地震的评价方法。能够对一个特定工作区块，划分若干诱发地震评价单元，对各个评价单元或者单口井定量化的评价水力压裂施工不同阶段、不同施工注入方式和采出条件下的不同诱发地震可能性，提供一个定量化结果。也可根据诱发地震控制要求，反推算出评价单元内水力压裂注入井和采出井注采方式、注采量、注采井分布，并提出断层活化诱发地震控制措施，从而为优化水力压裂施工和采出条件减少诱发地震灾害提供数据支撑。
附图说明
图1本发明水力压裂活化断层诱发地震的示意图；
图2本发明具体实施例中水力压裂中不同断层类型诱发地震概率示意图；
图3本发明具体实施例中水力压裂井距断层距离诱发地震概率示意图；
附图中，1—水力压裂注入井，2—流体流向，3—诱发地震事件，4—断层走向，5—断层，6—采出井。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
附图1为本发明实施例提供的水力压裂活化断层诱发地震的示意图，本实施例选用五峰-龙马溪组作为评价单元，一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，包括：
步骤S1，根据地质构造类型、断层分布、断层大小、工作区块大小、注入井分布、采出井分布、注入与采出层位把工作区块分成3个水力压裂活化断层诱发地震评价单元，如表1所示。
表1
步骤S2，评价单元1内水力压裂流体为连续注入，共65口井，长期保持3口井同时连续注入，单井注入平均排量18方/分钟，单井累计注入量5-15万方，已连续性注入280天。评价单元2内水力压裂流体为间歇性注入，共54口井，长期保持间歇性2口井同时注入，单井注入平均排量15方/分钟，单井累计注入量5-15万方，已间歇性注入370天。评价单元3内水力压裂流体为间歇性注入，共21口井，长期保持间歇性1口井注入，单井注入平均排量15方/分钟，单井累计注入量5-15万方，已间歇性注入320天。利用公式1和公式2，得到三个评价单元累计注入等效能量如表2所示。
其中，W为累计注入等效能量，Wik为第i次注入流体动能，Wip为第i次注入流体弹性势能，mi为第i次注入流体质量，ki为第i次注入流体弹性势能系数。
在计算累计注入等效能量时，连续性注入的累计注入等效能量需乘以因子A，多井同时注入的累计注入等效能量需乘以因子B。如本实施例中，评价单元1为连续性多井同时注入，在计算累计注入等效能量时要乘以因子A再乘以因子B；评价单元2为间歇性多井同时注入，在计算累计注入等效能量时要乘以因子B；评价单元3为间歇性1口井注入，不需要再乘因子A或B。
其中，d为连续注入天数，n为同时注入井数。
步骤S3，评价单元1、评价单元2和评价单位3内以及相邻的断层分布和断层大小如表1所示，断层类型因素引起诱发地震概率P1趋势如图2所示，水力压裂井距断层距离因素引起的诱发地震概率P2趋势如图3所示。评价单位1内水力压裂井共65口井，与四类断层间距为1-3km，与三类断层间距为3-10km。评价单位2内水力压裂井共54口井，46口井与四类断层间距为1-3km，8口井与四类断层间距小于1km，与三类断层间距都为3-10km。评价单位1内水力压裂井共21口井，与四类断层间距为1-3km，与三类断层间距都为3-10km。根据图2、图3，三个评价单元的断层类型和断层距离诱发地震概率P1和P2如表2所示。
步骤S4，评价单位1内的平均孔隙度4.5％，平均综合渗透率0.25mD，裂缝除水力压裂新生成裂缝外不发育。评价单位2内的平均孔隙度4.2％，平均综合渗透率0.21mD，裂缝除水力压裂新生成裂缝外不发育。评价单位3内的平均孔隙度5.6％，平均综合渗透率0.31mD，裂缝除水力压裂新生成裂缝外不发育。利用公式3得到三个评价单元的扩散能力D如表2所示。
其中D为扩散能力，Kf为注入流体体积模量，Kg岩石骨架体积模量，Kd岩石矿物颗粒体积模量，K为地层岩石渗透率，φ为地层岩石孔隙度，μd为地层岩石骨架剪切模量，μ1为注入流体粘度。
步骤S5，评价单位1、评价单元2和评价单位3内的流体都未渗流到三类断层中，只渗透影响四类断层，利用公式4得到三个评价单元水力压裂后新的有效应力τ如表2所示。
τ＝μ(σn-P)+τ0 (公式4)
其中，μ为断层内摩擦因素，σn断层垂向压力，P为断层处流体压力，τ0为断层聚合强度。
步骤S6，评价单位1内的注入井水力压裂施工注入流体平均压力为105MPa，注入流体平均原始地层压力为82MPa。评价单位2内的注入井水力压裂施工注入流体平均压力为104MPa，注入流体平均原始地层压力为85MPa。评价单位3内的注入井水力压裂施工注入流体平均压力为95MPa，注入流体平均原始地层压力为78MPa。三个评价单元的水力压裂后地层岩石流体压力变化率ε如表2所示。
步骤S7，评价单位1、评价单元2和评价单位3内的采出井都为前期注入井注入完成后转换为的采出井，即由注入井变为采出井。三个评价单元内的采出方式皆为连续性采出和慢慢采出，采出井都远离断层(大于3km)，采出流体包括地下气体和注入流体。
利用公式5得到三个评价单元的累计释放等效能量E如表2所示。
其中，C1为注入方式校正系数，C2为采出速度校正系数，C3为采出位置校正系数，η为体积膨胀系数，KT为等温压缩系数，T为温度，P为流体压力。
步骤S8，根据累计注入等效能量W、断层类型诱发地震概率P1、断层距离诱发地震概率P2、水力压裂流体扩散能力D、断层有效应力τ、地层岩石流体压力变化率ε、累计释放等效能量E，利用以下公式，得到诱发地震概率。利用公式6得到三个评价单元的当前水力压裂活化断层诱发地震概率P如表2所示。
P＝f1(P1,P2,ε)·f2(W-E,D,τ) (公式6)
其中，f1(P1,P2,ε)＝ε·(P1+P2+P1·P2)，A1为等效能量修正系数，A2为水力压裂流体在地层岩石中扩散能量修正系数。
表2
本实施案例为一个工作区块内的几个评价单元实施例，实施中也可单独评价一个工作单元或者一个特定区域、一口井或者几口井等，只需不在进行步骤S1评价单元划分，从步骤S2开始到步骤S8即可实现不同评价对象的水力压裂活化断层诱发地震概率。另外，在水力压裂或者采出的不同阶段实施评价，即可得到评价对象不同阶段动态的水力压裂活化断层诱发地震概率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于，包括：
步骤S1，根据地质构造类型、断层分布、断层大小、工作区块大小、注入井分布、采出井分布、注入与采出层位确定水力压裂活化断层诱发地震评价单元，
其中，地质构造类型在中型构造及以下构造类型中选择背斜、向斜、断层构造；断层分布依据与水力压裂注入井和采出井相对位置关系确定；断层大小由断层等级确定；诱发地震评价单元不大于工作区块面积，主要分布在工作区块的二级和三级断层内；百分之九十及以上的水力压裂流体注入井和采出井分布在工作区块和诱发地震评价单元内；注入与采出层位为同一层位或者相邻连通层位；
步骤S2，根据水力压裂流体注入方式、注入形式、注入排量、累计注入量确定水力压裂流体累计注入等效能量W，累计注入等效能量W计算公式为：
,
其中，W为累计注入等效能量，为第i次注入流体动能，/>为第i次注入流体弹性势能，/>为第i次注入流体质量，/>为第i次注入流体弹性势能系数；
水力压裂流体为连续性注入的累计注入等效能量需乘以因子A，多井同时注入的累计注入等效能量需乘以因子B，因子A和B的计算公式为：
,
其中，d为连续注入天数，n为同时注入井数；
步骤S3，根据断层类型确定断层类型因素引起的诱发地震概率P1，根据水力压裂井距断层距离确定水力压裂井距断层距离因素引起的诱发地震概率P2；
步骤S4，根据水力压裂地层岩石的孔隙度、综合渗透率、裂缝发育程度确定水力压裂流体在压裂地层中的扩散能力D，扩散能力D由以下公式确定：
,
其中 ，/>为扩散能力， />为注入流体体积模量， />岩石骨架体积模量， />岩石矿物颗粒体积模量，/>为地层岩石渗透率， 为地层岩石孔隙度， />为地层岩石骨架剪切模量， />为注入流体粘度；
步骤S5，水力压裂流体扩散到断层，弱化断层有效应力，根据断层处流体压力、断层新的力学特性确定新的有效应力，新的有效应力/>由以下公式确定：
,
其中，为断层内摩擦因素，/>断层垂向压力，/>为断层处流体压力，/>为断层聚合强度；
步骤S6，以诱发地震评价单元为一整体，求取所有水力压裂注入井注入过程平均流体压力和注入流体前原始地层压力，获取水力压裂地层岩石流体压力变化率；
步骤S7，在诱发地震评价单元内，根据水力压裂开始后流体累计采出时间、采出方式和采出井分布，确定水力压裂累计释放等效能量E，累计释放等效能量E计算公式为：
,
其中，为采出方式校正系数，/>为采出速度校正系数，/>为采出位置校正系数，/>为体积膨胀系数，/>为等温压缩系数，/>为温度，/>为流体压力；
步骤S8，在诱发地震评价单元内，根据累计注入等效能量W、断层类型诱发地震概率P1、断层距离诱发地震概率P2、水力压裂流体扩散能力D、断层有效应力、地层岩石流体压力变化率/>、累计释放等效能量E获取诱发地震概率P，诱发地震概率P由以下公式确定：
,
其中，/>为等效能量修正系数，/>为水力压裂流体在地层岩石中扩散能量修正系数。
2.如权利要求1所述一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于：
所述步骤S2中，水力压裂流体累计注入方式包括连续性注入和间歇性注入；注入形式包括单井注入和多井同时注入。
3.如权利要求1所述一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于：
所述步骤S3中，断层类型根据引起诱发地震概率P1由大到小依次分为三类断层、四类断层、二类断层、一类断层；水力压裂井距断层距离根据引起的诱发地震概率P2由大到小依次分为小于1km、1-3km、3-10km、大于10km。
4.如权利要求1所述一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于：
所述步骤S5中，水力压裂流体扩散到断层，断层处流体压力增加、断层内摩擦因素和聚合强度降低，导致有效应力变化。
5.如权利要求1所述一种水力压裂活化断层诱发地震的评价方法，其特征在于：
所述步骤S7中，流体采出方式包括连续性采出和间歇性采出，以及水力压裂注入后快速采出和后续慢慢采出，采出位置包括距离断层附近小于3km采出和距离断层大于3km采出。
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