應(yīng)用滑動(dòng)準(zhǔn)則判斷斷層穩(wěn)定性

胡光義，范廷恩，宋來明，侯亞偉

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津 300452）

應(yīng)用滑動(dòng)準(zhǔn)則判斷斷層穩(wěn)定性

胡光義1，范廷恩1，宋來明1，侯亞偉2

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津 300452）

中國(guó)海上某油田鉆井少，缺乏足夠的毛管壓力數(shù)據(jù)，無斷層巖樣品，淺層斷層多處于未膠結(jié)成巖狀態(tài)，應(yīng)用目前常用的SGR方法和斷層巖排替壓力方法判斷斷層封閉性具有一定的局限性。為此，文中采用Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則，從三軸應(yīng)力的角度計(jì)算了斷層臨界失穩(wěn)壓力。研究認(rèn)為，在類似斷裂帶填充物飽含水、未成巖的狀況下，用Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則判斷斷層穩(wěn)定性時(shí)，摩擦系數(shù)的選取應(yīng)該不同于其常規(guī)工業(yè)取值范圍（0.6～1.0），在本油田推薦取值為0.4～0.5，相應(yīng)斷層臨界失穩(wěn)壓力為2.74～4.26 MPa。計(jì)算結(jié)果對(duì)工區(qū)油田注水開采具有重要的借鑒意義。

斷層穩(wěn)定性；Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則；摩擦系數(shù)；臨界失穩(wěn)壓力

隨著油田開發(fā)程度的加深，一些淺、薄、稠油層越來越多地被動(dòng)用，強(qiáng)注、強(qiáng)采、注聚、注蒸汽等措施在這些油田越來越強(qiáng)化。同樣，海上油田在開發(fā)初期甚至地質(zhì)特征不清楚的情況下，也加大了特殊開采方式的使用力度。在迅速提高儲(chǔ)、產(chǎn)量的同時(shí)，一些新的問題也集中暴露出來，斷層封堵性變化導(dǎo)致的一系列生產(chǎn)、環(huán)境問題就是其中之一。已經(jīng)證實(shí)，國(guó)內(nèi)一些老油田出現(xiàn)的大量、成批次套損現(xiàn)象［1-4］，即是地層沿軟弱層滑動(dòng)以及斷層失穩(wěn)所致。Wilmington油田由于斷層開啟，導(dǎo)致油藏壓力衰竭、產(chǎn)量驟降［5］。井樓油田發(fā)生了因?yàn)閿鄬臃忾]性變化而導(dǎo)致的地面冒鉆井液、漏油等問題［6］。

關(guān)于斷層側(cè)向、垂向封閉性的研究，目前從理論到技術(shù)都很成熟，相關(guān)文獻(xiàn)也很多，但是主要是基于斷層巖排替壓力、泥巖涂抹等，很少涉及注采行為對(duì)斷層應(yīng)力所帶來的變化、乃至對(duì)斷層封閉性變化的影響。本文從地質(zhì)力學(xué)的角度，對(duì)海上油田斷層失穩(wěn)行為進(jìn)行探索性研究。

1 滑動(dòng)準(zhǔn)則介紹

針對(duì)巨型地質(zhì)體（即巖體）穩(wěn)定性的計(jì)算，目前在工程地質(zhì)上應(yīng)用較多，但在石油地質(zhì)領(lǐng)域，對(duì)斷層穩(wěn)定性研究很少涉及，為此，借鑒巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行初步分析。常用的有庫(kù)侖公式及巴頓準(zhǔn)則，而當(dāng)內(nèi)聚力為0時(shí)，巴頓準(zhǔn)則即簡(jiǎn)化為庫(kù)侖準(zhǔn)則，因而認(rèn)為，庫(kù)侖準(zhǔn)則可以用于工區(qū)斷層穩(wěn)定性的分析。

斷層形成過程中，一般受到正應(yīng)力和剪應(yīng)力2種作用。根據(jù)庫(kù)侖準(zhǔn)則：

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；c為巖石內(nèi)聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，°；σ為正應(yīng)力，MPa。

若f（x）＝τ－（c+σtan φ），當(dāng)f（x）＜0時(shí)，斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)有效應(yīng)力（Sn-p0）（Sn為正應(yīng)力，p0為臨界地層壓力）與凈剪應(yīng)力（τ-c）相等時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生破壞，形成斷層，即所謂的庫(kù)侖-莫爾破壞準(zhǔn)則。

巖石所受正應(yīng)力σn和剪應(yīng)力τ計(jì)算公式如下：

式中：σn為正應(yīng)力，MPa；σ1，σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa；α為斷面傾角，rad。

Byerlee在室內(nèi)利用彈簧-滑塊實(shí)驗(yàn)對(duì)庫(kù)侖-莫爾準(zhǔn)則進(jìn)行補(bǔ)充，獲得了關(guān)于滑動(dòng)摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。依據(jù)Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則：

式中：Sn為正應(yīng)力，MPa。

則臨界失穩(wěn)壓力

式中：pp為地層壓力，MPa。

在地區(qū)主應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)關(guān)系一定的情況下，摩擦系數(shù)的確定就成為計(jì)算斷層臨界失穩(wěn)壓力的關(guān)鍵。本文重點(diǎn)探討現(xiàn)行工業(yè)推薦的摩擦系數(shù)取值范圍是否合理。

2 斷層臨界失穩(wěn)壓力計(jì)算

中國(guó)海上某油田鉆井少，缺乏足夠的毛細(xì)管壓力數(shù)據(jù)，無斷層巖樣品。在該工區(qū)應(yīng)用目前常用的SGR法［7-9］和斷層巖排替壓力方法［10-12］具有一定的局限性，為了多角度客觀評(píng)價(jià)工區(qū)關(guān)鍵斷層的封閉性，本文從巖體力學(xué)的角度進(jìn)行了初步探索。

工區(qū)主體斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，最新解釋成果顯示，油田主要含油范圍內(nèi)斷層延伸長(zhǎng)度0.1～4.5km，斷距5～300 m。本區(qū)構(gòu)造主體應(yīng)力拉張斷層呈雁行式展布特征，垂向上斷層上部呈高角度直立狀，下部略呈鏟狀（見圖1）。斷層最大垂直斷距20～75 m，其中，淺、中、深層略有不同，淺層最大垂直斷距主要分布于20～40 m，中層最大垂直斷距主要分布于25～75 m，而深層最大垂直斷距主要分布于20～40 m。總的說來，該區(qū)最大垂直斷距峰值分布于20～40 m；斷層延伸長(zhǎng)度各層有所區(qū)別，但基本分布于1～2 km。淺層斷層延伸長(zhǎng)度基本集中于1～2 km，中、深層斷層延伸長(zhǎng)度峰值為1 km；正斷層傾角40～80°，絕大部分為55～60°。其中，淺層傾角主要分布于60～65°，中層主要分布于50～70°，而深層主要分布于50～65°，可見傾角有向深層變緩的規(guī)律。

圖1 工區(qū)主要剖面斷裂特征

依據(jù)Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則，計(jì)算了工區(qū)一條主要斷層的臨界失穩(wěn)壓力，因不能確定摩擦系數(shù)的合理取值，本次對(duì)摩擦系數(shù)從0.3～0.7進(jìn)行試算（見表1）。

3 摩擦系數(shù)確定方法

該油田實(shí)際生產(chǎn)情況表明，S3層斷層附近注水井的注入壓力達(dá)5.25 MPa時(shí)，注入量驟升，壓力驟降；而關(guān)閉注水井甚至返排幾天，即可明顯見到壓力恢復(fù)。因此，推測(cè)5.25 MPa略大于流體作用于斷層的極限附加壓力，井底注入壓力超過這個(gè)值時(shí)，斷層將出現(xiàn)失穩(wěn)。Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則在工業(yè)應(yīng)用中，摩擦系數(shù)取值一般為0.6～1.0，但即使是Byerlee準(zhǔn)則推薦的最低值，也超過了工區(qū)斷層穩(wěn)定的極限。為此，對(duì)Byerlee準(zhǔn)則摩擦系數(shù)合理取值方法及范圍進(jìn)行了探索。

據(jù)研究［13］，一般當(dāng)斷層斷距超過5 m時(shí)，即可形成連續(xù)、穩(wěn)定的斷層核。因此推測(cè)工區(qū)斷裂帶內(nèi)形成了斷層核。據(jù)此提出疑問，以塊體在硬表面滑動(dòng)為基礎(chǔ)的Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則測(cè)定的摩擦系數(shù)取值范圍［14］是否適用于本工區(qū)。

中國(guó)地震局曾以內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)輝長(zhǎng)巖為圍巖，以四川攀枝花輝長(zhǎng)巖為礦物樣本做過一個(gè)滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)［15］。該實(shí)驗(yàn)（見圖2a）與Byerlee滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)（見圖2b）最大的區(qū)別是：1）在2塊巖樣上涂上1 mm厚的斷層泥；2）考慮了水對(duì)巖樣摩擦性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：1）摩擦性質(zhì)會(huì)隨著條件變化而發(fā)生相應(yīng)改變；2）摩擦系數(shù)取值為0.2～0.8，在位移很小（小于0.5mm）的情況下，摩擦系數(shù)為0.2～0.5。分析原因，Byerlee滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)是假設(shè)巖樣在剛性平面上滑動(dòng)而進(jìn)行的，而在中國(guó)地震局實(shí)驗(yàn)中斷層泥起到了潤(rùn)滑作用。工區(qū)斷層斷裂帶內(nèi)部填充物疏松，斷層泥飽含水，與后者實(shí)驗(yàn)環(huán)境更為接近，由此推薦Byerlee滑動(dòng)摩擦系數(shù)取值最大為0.6。結(jié)合試算法結(jié)果，認(rèn)為工區(qū)摩擦系數(shù)為0.4～0.5。

表1 不同摩擦系數(shù)時(shí)斷層的臨界及失穩(wěn)壓力MPa

綜上所述，斷面所受壓力是斷面埋深、傾角、上覆巖層密度、區(qū)域水平應(yīng)力及其與斷層走向交角的函數(shù)。

圖2 滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)示意

4 結(jié)束語

中國(guó)海上某油田斷層臨界失穩(wěn)壓力計(jì)算及工區(qū)實(shí)際情況表明，以庫(kù)侖-莫爾破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的Byerlee滑動(dòng)準(zhǔn)則適用于油田斷層失穩(wěn)條件分析。但是，依據(jù)彈簧-滑塊實(shí)驗(yàn)確定的摩擦系數(shù)取值范圍（0.6～1.0）可能不適合工區(qū)實(shí)際情況。在斷層泥飽含水、未成巖狀態(tài)下，摩擦系數(shù)的取值范圍需要根據(jù)具體情況重新確定。初步分析認(rèn)為，摩擦系數(shù)取0.4～0.5更符合油田實(shí)際情況。依此確定工區(qū)斷層臨界失穩(wěn)壓力為2.74～4.26MPa。

［1］ 高合明，劉建東，沈露禾，等.大慶油田取換套管井壁力學(xué)穩(wěn)定性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（增刊1）：1721-1724.

［2］ 張志全，伍家忠，羅躍.港西油田套管變形原因分析及對(duì)策［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（4）：83-85.

［3］ 劉典濤，李林祥，杜樹禮，等.孤東油田四區(qū)油水井套管損壞規(guī)律及其對(duì)策研究［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，23（4）：71-74.

［4］ 楊建華，劉鴻方，張慧，等.濮城油田油水井套管損壞原因分析［J］.小型油氣藏，2001，6（4）：60-62.

［5］ Linji Y A.Paleochannel sands as conduits for hydrocarbon leakage across faults：An example from the Wilmington Oilfield，California［J］. AAPG Bulletin，2009，93（10）：1263-1279.

［6］ 周文，鄧虎成，單鈺銘，等.斷裂（裂縫）面的開啟及閉合壓力實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2008，29（2）：277-283.

［7］ 賀向陽，Bretan P，Yielding G.SGR斷層封堵性分析方法［J］.小型油氣藏，2006，11（1）：12-16.

［8］ 尹志軍，譚建財(cái)，婁國(guó)泉，等.高郵凹陷真武—吳堡斷裂帶斷層封閉性綜合評(píng)價(jià)［J］.斷塊油氣田，2012，19（1）：32-34，43.

［9］ 陳中紅，查明.準(zhǔn)噶爾盆地陸梁隆起斷層側(cè)向封閉性研究［J］.斷塊油氣田，2003，10（5）：17-19.

［10］呂延防，沙子萱，付曉飛，等.斷層垂向封閉性定量評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28（5）：34-38.

［11］王志萍，秦啟榮.斷層垂向封閉性研究現(xiàn)狀［J］.斷塊油氣田，2008，15（4）：5-7.

［12］付廣，袁大偉.斷層垂向封閉性演化的定量研究［J］.斷塊油氣田，2009，16（1）：1-5.

［13］Micarelli L，Benedicto A，Wibberley C A J.Structural evaluation and permeability of normal fault zones in highly porous carbonate rocks［J］. Journal of Structural Geology，2006，28（12）：1214-1227.

［14］Byerlee J.Friction of rocks［J］.Pure and Applied Geophysics，1978，116（4/5）：615-626.

［15］羅麗，何昌榮.熱水條件下斜長(zhǎng)石和輝石斷層泥的摩擦滑動(dòng)研究［J］.地震地質(zhì)，2009，31（1）：84-96.

（編輯 趙旭亞）

Study on fault stability with sliding criterion

Hu Guangyi1,Fan Ting′en1,Song Laiming1,Hou Yawei2
(1.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China;2.Research Institute of Exploration and Development of Bohai Oilfield, Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin 300452,China)

There are few drilling,insufficient capillary pressure data and no fault rock sample in an offshore oilfield in china.And the shallow faults mostly present the uncemented diagenetic state.There are great limitations to study the fault sealing with the methods of SGR and displacement pressure of fault rock.Therefore the critical unstable pressure is calculated with Byerlee sliding criteria from the angle of triaxial stress.It is believed that the selection of frictional coefficient should be different from the conventional industry span(0.6-1.0)when Byerlee sliding criterion is adopted to judge the fault stability,with infill water saturated and no lithogeneous condition in similar fault zone.Recommended frictional coefficient is 0.4-0.5 in this oilfield and relevant critical unstable pressure of fault is 2.74-4.26 MPa.The calculated result provides an important reference for flooding development of oilfield.

fault stability;Byerlee sliding criteria;frictional coefficient;critical unstable pressure

TE347

A

10.6056/dkyqt201204011

2012-01-08；改回日期：2012-05-15。

胡光義，男，1961年生，1983年畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)海洋地質(zhì)專業(yè)，主要從事勘探開發(fā)不同階段的油氣田詳細(xì)描述工作。E-mail：hugy@cnooc.com.cn。

胡光義，范廷恩，宋來明，等.應(yīng)用滑動(dòng)準(zhǔn)則判斷斷層穩(wěn)定性［J］.斷塊油氣田，2012，19（4）：450-452.

Hu Guangyi，F(xiàn)an Ting′en，Song Laiming，et al.Study on fault stability with sliding criterion［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（4）：450-452.