对大庆油田人工控震实验的分析

本文从 Byerlee 定律出发,对大庆油田的人工控震实验进行了分析和讨论。得出,孔隙压力的大小对微震的发生有控制作用,注水一旦超过临界注水压力,应力条件满足断层相对滑动条件,微震频度将增加。大庆油田的断层运动复活,是高压注水的结果。目前,大庆油田的断层活动可能以走滑错动为主。在注水压力不超过80巴时,不会发生断层相对滑动,套管变形速度将会大幅度降低,该结果和大庆油田的控震实验及多年的观测结果比较一致。     

试论大庆油田高压注水所起的作用

本文以大庆油田为例,从应力场的角度指出,高压注水不仅引起有效应力的降低,导致断层复活;也会引起水平应力增大,使断层趋于稳定。现场的绝对应力测量表明,大庆油田原受正断层控制的应力场,最大主应力已改为水平向。近一年来,深1000米的地层张开压力已增大了3MPa。现已出现注采井套管变形与损坏减少的迹象。表明断层稳定性开始有所恢复。油田注水与水库地震的发展趋势有类似之处,从稳定到不稳定甚至加剧,然后再逐渐恢复稳定状态,这是一个相当长的过程,以十年为单位。为了油田的高产与稳产,采取适应客观规律的办法,是可以减少损失的。     

注水诱发地震的研究进展

研究注水诱发地震的特征、发生机理和最大可能震级等对开展诱发地震的预防、危险性评价、减灾策略制定等方面的工作具有重要意义。文章系统地梳理了国内外关于注水诱发地震研究的主要认识和分歧。结果表明：(1)诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定,受注水压力和累积注水量等参数的影响;(2)识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注水之间的时空相关性,统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条;(3)当断层与流体储层之间存在水力连接时,孔隙压力扰动是诱发地震的主要发生机制,反之岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化主导了诱发地震的过程。此外,注水诱发的稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也可能在注水诱发地震中发挥重要的作用。研究结果将为注水诱发地震机理研究和减轻破坏性诱发地震灾害提供一定的科学参考。     

濮城油田注水驱油引起的地震活动特征分析

利用孔隙压力扩散机制,分析了濮城油田注水引起的地震活动特征,获得了油田开发期不同时段的流体孔隙压力扩散特征,并分析了注水压力、注水量与诱发地震的频度、震级之间的相关性特征.研究结果表明:濮城油田与注水有关的地震活动表现出明显的分期特征,基于孔隙压力扩散过程触发机理,计算出孔隙压扩散系数在初期注水量增加时段(1980—1994年)约为0.1 m~2/s,在注水量保持稳定时段(1994—2006年)在0.12~0.16 m~2/s之间,在实施层间精细注采措施后(2007年后)约为0.05 m~2/s;濮城油田注水诱发地震的地震频度、最大震级和注水压力、累积失水量之间存在一定的相关性,其地震年频度和注水压力、累积失水量之间呈现指数相关特征,其最大震级和注水压力、累积失水量之间呈现线性相关特征.本项研究对分析解释注水诱发地震机理、定量评价注水诱发地震的危险性具有一定的参考价值.     

水诱发地震应力场初步探讨

本文对国内外21个水诱发地震事例的震级—断层破裂长度关系进行回归分析,然后利用断裂力学方法,研究理论震级—断层破裂长度的关系,发现在水库地震的情形里,区域剪应力场的强度水平可以大大小于构造地震的区域剪应力场的强度水平,同时,发现在因库水位下降而触发水库地震的情形里,库水水位的减小量可以小于库水位上升触发地震情形里库水水位的增加量.最后,对注水地震的注水压力进行了讨论。     

不同注水方式下断层动力学响应数值模拟研究

工业开采注水能导致现存断层活化,从而诱发大量的破坏型地震。因此,研究注水作用下断层的动力学响应对探索诱发地震的力学机理具有重要的意义。本文基于孔弹性弹簧-滑块模型,采用多孔介质弹性耦合数值模拟,计算分析了三类典型注水方式(上升型、迅速上升/下降型和间歇型)对断层稳定性的影响。研究结果表明:随着流体的不断注入,断层内部流体压力会经过缓慢上升、迅速上升和稳定上升三个阶段。针对于不同的注水方式,这三个阶段并不完全相同,体现形式存在差异;在注水方式相同的条件下,储层的渗透率越小,井口附近流体压力越大,断层处流体压力越小,两者间的流体压力差值越大;注水过程中断层临界刚度的变化与是否发生滑移并引发地震密切相关,数值越大越易诱发地震,其数值与注入储层流体的流体压力呈负相关,与流体压力变化率呈正相关;临界刚度由于流体压力变化率的增加在前期呈现快速增长趋势,后期则是由于流体压力的影响开始减小。迅速上升/下降型注水方式极大增加了注水前期诱发地震的可能性,间歇性注水方式在注水后期引起的临界刚度变化值较大,增大了诱发地震的可能性。该研究可以为注水诱发地震的危险性评价提供定量的科学依据。     

地震的标度与孕震断层的强度

在构造学和地震力学方面，两个重要而又未解决的问题是孕震断层的强度和一次地震的地震矩随破裂面积或破裂长度的变化关系。本文将说明，通常分别处理的这两个问题从根基本上是相关的。按已有的报道，走滑和倾滑地震的地震矩与破裂面积和地震矩与破裂长度关系的数据是离散的，但本文论证了数据实际并不离散，只不过是反映了失稳破坏的断层的强度差异。本文推导出了表达大、小地震之间连续标度的关系式，并证明，断层带的孔隙压力是将走滑型和倾滑型地震联合起来归结为一种作用机制的标度参数。还论证了对于大地震，在大约15km之上断层带孔隙压力在静水压力与接近静岩压力之间连续变化，在此深度之下，有明确的向接近静岩孔隙压力过渡的证据。这些结果对板块构造学、震源物理学，以及从力学上作地震灾害评估均具有重要的意义。     

沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例

以四川盆地为例,通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究,探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先,通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识:诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制,有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次,结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析,发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而,在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后,通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型,探讨了较大地震发生条件,为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩(包括白云岩、页岩及白云质灰岩)均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征,使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般,一条尺度达到几km的断层便足以产生M5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下,通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化,建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测,指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。     

注水诱发地震的成因及影响因素探讨

根据胜利油田东营凹陷深井注水所监测到的破裂信号特征分析,结合位于同一凹陷内的角7井注水诱发地震特征,对注水诱发地震的成因进行了探讨.注水过程中地层有无先存破裂面对所诱发的地震产生较大影响,认为诱发地震的震级与注采比和注水井的构造位置密切相关.     

任邱油田注水地震的初步研究

任邱地区历史上地震少而弱。1976年12月油田开始注水,注水前无微震记录,注水后三个月即有地震发生,随注水量增加,地震活动增强,地震活动特点是:注水量二阶差分Δ~2y_i(正值)较高后一至三个月有地震发生;Δ~2y_i大小与地震强度相关;震中分布受注水井位置控制;地震序例b位为0.65;单台初动符号及振幅比比较一致。初步研究认为:本区岩石为多孔隙岩石,断裂较多,注水使孔隙压力增大,降低了断层面上的摩擦阻力,积累的应力便以地震形式释放。     

西加拿大沉积盆地中的水力压裂和地震活动

绝大多数非常规油气资源的开发有赖于向地下注入大量的液体,这可能使附近断层活动从而诱发地震。在过去5年里,加速的油田注水已经导致北美部分地区的地震频率急剧增加。在美国中部,大多数诱发地震起因于与油气开采相伴生的废水的排放。形成对比的是,在加拿大西部,大多数最近的诱发地震在时间和空间上与水力压裂高度相关,在水力压裂过程中,为诱发局部岩石破裂,在钻井结束的过程中,高压液体被注入。并且,与水力压裂相关的观测到的最大地震震级似乎超越了预测的、经常引用的注入液体体积与最大期望震级之间的关系。这些发现对评估诱发地震危害具有深远的意义。     

室内岩石水压致裂三轴试验研究

水库蓄水为什么会诱发地震,至今人们的认识不尽一致,原因是多方面而且是十分复杂。但无论哪种诱发机制理论,水的作用都被列为重要因素。从岩石力学观点看,水的作用不仅使岩体(或断裂带)的性质发生“软化”,而且随着孔隙压力的增加使基岩的应力状态发生变化,从而改变了岩石的强度和变形特性。作者1981年发表的论文中对“软化”问题已作了论述,本文主要探讨孔隙压力的影响。试验采用新丰江水库主要断裂带区的花岗岩30块试件,分成烘干和饱和两组,在不同围压和轴压力作用下,通过中间孔注液产生孔隙压力,使岩样破裂,简称为“水压致裂三轴试验法”。这种试验测量其致裂强度特性,变形特性及破裂模式等一系列参数,为水库地震诱发机制的研究提供一个方面的判据。     

中地壳断层带内微裂隙愈合与高压流体形成条件的模拟实验研究

中地壳断层带内发现的接近静岩压力的高压流体能够合理解释汶川M_S8.0级地震断层的高角度逆冲滑动, 而高压流体的产生与断层带的微裂隙愈合紧密相关.利用熔融盐固体介质三轴高温高压实验系统,我们采用含水和烘干的Carrara大理岩样品开展了微裂隙愈合实验,研究中地壳断层带内高压流体的形成条件.实验分为三类:A类、A+B类和A+B+C类,其中A阶段实验在室温条件下将样品压裂,形成一系列共轭破裂面,B阶段实验在600℃、围压700 MPa和应变速率10^-6s^-1条件下愈合了A阶段破碎的样品,实验样品从以碎裂变形为主向以韧性变形为主转变,C阶段实验通过快速降低轴压模拟一个扩容过程,再以相同实验条件重新加载样品,通过比较实验样品强度来检验样品的愈合程度.样品显微结构和实验样品强度表明,动态重结晶作用能够愈合微裂隙和孔隙,水能促进矿物的动态重结晶作用,较高的水含量和较大的应变有利于微裂隙和孔隙的愈合,从而有利于高压流体的形成.     

注水诱发地震的震源应力场和尾波衰减特征

利用区域性台网记录测定了任邱油田注水诱发地震的震源应力场和尾波衰减特征,结果表明地壳上层有很大水平应力,断层面解受注水井附近局部原生断层影响与华北现代应力场的优势破裂方向和错动方式有差别。地震应力降分布范围为0.2—3.0巴。平均尾波Q_0值为75,属于地壳上部沉积岩层的正常情况,发现在时间上表现出与注水量增减有关的波动。在空间上表现出震群密集区Q_0值较外围区偏低的特点     

基于可靠度理论的水库诱发地震分析

分析了水库诱发地震的影响因素,详细阐述了库水在诱发地震中起到的作用;将诱发水库地震的因素——断层面的产状、摩擦系数、凝聚力、应力状态、孔隙水压力视为随机变量,基于断层面的库仑应力,建立断层发震的功能函数,并应用可靠度理论,分析各主要因素对发震概率的影响。经一特定实例分析表明:1)随着断层面孔隙水压力的增加,断层发震概率大幅度增加;在孔隙水压力均值相等的条件下,随着发震部位孔隙水变异性的增加,发震概率明显增加;2)走向与水平向大主应力方向一致的断层和倾角60°的陡倾角断层更容易诱发地震;3)水平向小主应力对诱发地震的影响较大主应力大得多,水平向小主应力越大,断层越稳定,诱发地震的概率越小;4)随着断层面的摩擦系数和凝聚力的增加,断层的发震概率逐渐减小,但断层面摩擦系数对诱发地震的影响较断层面的凝聚力大得多。     

地壳深部稳定性——震源体破裂机制和摩擦滑动机制的综合研究

本文通过地壳应力测量结果和地震资料的综合分析,对深部应力状态与断层运动的关系作了讨论:进而应用库仑准则,推导了三维应力作用下完整岩体和已有的任意空间方向断层面的失稳条件及其滑动方式的解析表达式.通过建立描述岩体和已有断层稳定性的两个函数————破裂函数 Fm 和摩擦函数 Ff,给出了应用破裂机制和摩擦滑动机制综合分析地壳稳定性和失稳性态的方法:根据这种分析方法并结合华北平原区的水压致裂应力测量资料,以及孔隙压力、大地热流等观测结果,定量研究了本区地壳的稳定问题,计算并图示了地壳内破裂函数沿深度的分布,以及各种走向和倾向断层面上的摩擦函数和剪应力分布;计算中以 Byerlee 定律作为断层运动的约束条件,并考虑了地壳密度纵向非均匀性导致的垂直应力沿深度的非线性增长以及深部超静水压力的异常孔隙压力作用.结果表明,华北平原区地壳失稳性态主要表现为已有断层的滑动;伴有高剪应力降的断层运动的深度范围在8至2.0多公里之间:陡断层稳定性低于缓断层,其运动方式以走滑为主;本区 NNE-NE 走向的陡断层是一组易震断层,其震时错动为右旋走滑;孔隙压力的增长对地壳稳定性有显著的影响;华北平原区深部高异常孔隙压力是地震活动的一种重要背景.      

地壳深部稳定性——震源体破裂机制和摩擦滑动机制的综合研究

本文通过地壳应力测量结果和地震资料的综合分析,对深部应力状态与断层运动的关系作了讨论:进而应用库仑准则,推导了三维应力作用下完整岩体和已有的任意空间方向断层面的失稳条件及其滑动方式的解析表达式.通过建立描述岩体和已有断层稳定性的两个函数——破裂函数 F_m 和摩擦函数 F_f,给出了应用破裂机制和摩擦滑动机制综合分析地壳稳定性和失稳性态的方法:根据这种分析方法并结合华北平原区的水压致裂应力测量资料,以及孔隙压力、大地热流等观测结果,定量研究了本区地壳的稳定问题,计算并图示了地壳内破裂函数沿深度的分布,以及各种走向和倾向断层面上的摩擦函数和剪应力分布;计算中以 Byerlee 定律作为断层运动的约束条件,并考虑了地壳密度纵向非均匀性导致的垂直应力沿深度的非线性增长以及深部超静水压力的异常孔隙压力作用.结果表明,华北平原区地壳失稳性态主要表现为已有断层的滑动;伴有高剪应力降的断层运动的深度范围在8至2.0多公里之间:陡断层稳定性低于缓断层,其运动方式以走滑为主;本区 NNE-NE 走向的陡断层是一组易震断层,其震时错动为右旋走滑;孔隙压力的增长对地壳稳定性有显著的影响;华北平原区深部高异常孔隙压力是地震活动的一种重要背景.     

中国四川盆地页岩气注水压裂导致断层再活化并诱发M_W4.7地震

本文对中国四川盆地最近观察到的注水诱发地震进行了及时和详细的研究,四川盆地页岩气水力压裂已经开始启动,计划在未来几年里被逐渐开采。包括传染型余震序列模型、震中重定位、13个大地震事件(MW3.5)的震源机制以及库仑破裂应力数值计算的众多证据表明,在地下2.3~3km深度范围内水力压裂短期(每个井位数月)注水过程诱发了一系列最高矩震级达MW4.7的地震。反之,这些诱发地震的出现也支持了注水诱发断层再活化的假设。本文同时讨论了此地区注水压裂为什么会诱发如此大震级地震的地质原因。由于四川盆地中水力压裂作业正如火如荼,这也将有利于地球科学、天然气公司、管理部门和学术界共同探讨显著的注水诱发地震的地区因素,以确保页岩气注水压裂可以有效进行并安全实施。     

深地下工程高压注水诱发地震研究进展

大量研究表明,石油、天然气等能源开采过程中的高压注水活动可以诱发有感、甚至破环性地震.本文首先调研了注水诱发地震研究的历史,并回顾了注水诱发地震研究中常用方法,进而对国内外三个典型注水诱发地震案例进行具体介绍.最后对注水诱发地震研究进行展望,认为丰富的观测资料,包括密集流动台阵的注水地震活动观测、注水活动规律、区域地质构造背景等,是注水诱发地震研究的基础;地震学、大地测量学、地质学以及地下水等学科联合研究是注水诱发地震研究的发展趋势.高压注水诱发地震的研究目的为,通过诱发地震的检测与研究,试图探索适当的注水速率过程,从而在不显著影响生产效率的同时,降低引发破坏性的地震灾害.     

山东胜利油田角07井注水地震序列的演化及其机制

1985年12月至1986年1月发生的山东省胜利油田角07井注水地震序列,经历了特有的演化过程,即全序列可分解为4个子序列,且子序列逐渐由震群型向主余型过渡.前期地震(最大地震之前)呈升级趋势,地震b值前期高于后期,地震时间结构的分数维D则前期低于后期,以及较大地震的lg△t-lgt前期较为紊乱,而后期线性相关等.计算表明,注水后岩石孔隙压力大于临界孔隙压力,从而诱发了地壳浅部岩石低初始应力的提前释放,而水的渗透作用则导致岩石孔隙压力随时间由高度非均匀分布向相对均匀分布转换.角07井地震序列的演化与这一物理过程有关.