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。     

Three-dimensional numerical analysis of magma transport through a pre-existing fracture in the crust

Magmas are transported through pre-existing fractures in many repeatedly erupting volcanoes. The study of this special process of magma transport is fundamentally important to understand the mechanisms and conditions of volcanic eruptions. In this paper, we numerically simulate the magma propagation process through a pre-existing vertical fracture in the crust by using the combined finite difference method (FDM), finite element method (FEM) and discontinuous deformation analysis (DDA) approach. FDM is used to analyze magma flow in the pre-existing fracture, FEM is used to calculate the opening of the fracture during magma intrusion, and DDA is used to deal with the contact of the closed fracture surfaces. Both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) examples are presented. Parametric studies are carried out to investigate the influence of various physical and geometric parameters on the magma transport in the pre-existing fracture. We have considered magma chamber depth ranging from 7 km to 10 km under the crust surface, magma viscosity ranging from 2 × 10⁻² to 2 × 10⁻⁷ MPa s, and the density difference between the magma and host rock ranging from 300 to 700 kg/m³. The numerical results indicate that (1) the fluid pressure p varies gradually along the depth, (2) the shape of the magma body during propagation is like a torch bar and its width ranges from 2 m to 4 m approximately in the 3D case and 10 m to 50 m in the 2D case for the same physical parameters used, (3) the crust surface around the pre-existing fracture begins to increase on both sides of the fracture, forms a trough between them, then gradually uplifts during the transport of the magma, and finally takes the shape of a crater when the magma reaches the surface. We have also examined the influence of physical and geometric parameters on the minimum overpressure for magma transport in the 3D case. The numerical results show that our numerical technique presented in this paper is an effective tool for simulating magma transport process through pre-existing fractures in the crust.     

Effective migration system of coalbed methane reservoirs in the southern Qinshui Basin

Effective migration system of coalbed methane(CBM)reservoir,which was controlled by development degree and opening-closing degree of fractures,determines the permeability of coal reservoir and can be characterized by the pore-fracture system in the extrinsic form.In this paper,based on coal matrix elastic self-regulating effect theory and coal reservoir combined elastic energy theory,the fracture opening-closing degree parameterΔand the fracture development degree parameterξare suggested for the quantitative study of the effective migration system of CBM reservoir in southern Qinshui Basin.Further,the control functions ofξandΔto CBM enrichment and high production are discussed.The results show that in present stage the area with highξvalue is located in Anze and Qinyuan,and then Zhengzhuang and Fangzhuang,where fracture development degree is high.The area with highΔvalue is located in Zhengzhuang and Fanzhuang,and then Anze and Qinyuan,indicating where coal matrix elastic self-regulating positive effect dominates and fractures tend to be open.Through the comprehensive analysis onξandΔ,it can be found that their best match area is located in Zhengzhuang and Fanzhuang,with high values for fracture development degree and opening-closing degree probably bringing about high fluid pressure and good permeability of reservoirs,which are advantageous to an abundant CBM production.     

岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型

引述了若干国际权威学者关于岩爆的机制和定义的论述,在此基础上,依据岩爆发生的不同机制,将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆,并结合事故案例,分析了应变型和滑移型两类岩爆及冲击地压的发生机制和特点。在机制分析的基础上,介绍了岩（煤）柱应变型岩爆和围岩应变型岩爆以及断裂滑移型岩爆定量预测的研究成果,其中,包括作者利用非欧几何模型研究非协调变形影响后对应变型岩爆进行了定量预测和数值模拟的新研究成果。     

不同地质条件下隧道洞口仰坡地震破坏特性研究

针对洞口段均质围岩仰坡、含软弱夹层仰坡和桁架梁加固仰坡围岩3种工况,开展大型振动台模型试验,分析隧道洞口段仰坡模型土破坏形态。试验结果表明,均质边坡洞口段模型土在动力作用下坡肩土体先出现张拉裂缝,随着激振加速度增加,坡肩土体局部出现倾倒崩塌,最后沿坡面滑落堆积;含软弱夹层边坡在地震力作用下,仰坡坡脚部位土体挤压破碎,坡顶表面沿软弱夹层位置出现张拉裂缝,上覆土体沿软弱夹层滑动,最后土体大规模崩塌、滑落;洞口段加固边坡在动力作用下基本保持整体稳定,只部分梁格出现了局部的掉块,模型土顶部出现沿隧道轴向的细微裂缝。分析了隧道洞口段衬砌结构破坏形态,试验结果表明均质边坡洞口段AB两段衬砌模型裂缝分布较CD段复杂,认为洞口段地震影响深度为AB两段衬砌的长度,对应于实际工程中40 m;受软弱夹层影响,跨软弱夹层部衬砌模型裂缝形态较复杂;仰坡加固后,洞口段衬砌模型受力改善。研究结果可为山岭隧道洞口段边坡抗减震研究和设计提供参考。     

正交各向异性岩体裂纹扩展的扩展有限元方法研究

石油开采和非常规天然气开采等领域经常遇到页岩、砂岩等沉积岩,这类岩石材料往往具有正交各向异性特征。采用扩展有限元方法研究了正交各向异性岩体裂纹扩展问题,并基于Matlab平台编写了数值计算程序Betaxfem2D。将由复变函数法得到的裂纹尖端渐进位移场作为裂尖位移增强函数,用相互作用积分法计算混合模式应力强度因子,采用修改后的最大周向拉应力扩展准则确定裂纹扩展方向。与传统有限元方法的对比表明,扩展有限元方法达到相同计算精度需要的自由度少,节省计算机时。分别采用扩展有限元程序和传统有限元程序模拟了岩石试件4点弯曲试验,二者所得结果一致。数值试验表明：随着正交材料坐标系与空间坐标系夹角α的增大,裂纹扩展方向角? 按照周期为? 的近似正弦函数的规律变化;保持剪切模量和泊松比不变时,正弦函数的值域随着弹性模量比值E1 /E2的减小而缩小,但相位基本保持不变;研究沉积岩断裂力学问题时,岩石的正交各向异性特征不可忽略。     

北京张坊地区岩溶地下水运移富集的构造控制分析

北京西山张坊地区碳酸盐岩集中分布,地下水赋存于复杂的构造裂隙网络中,形成岩溶裂隙水。文章从构造空间分布的属性和规律出发,分析了在张坊地区褶皱构造格架控制的岩溶水文地质单元内,地下水赋存富集规律与多期构造演化产生的一系列北东-北西向、南北向断裂及裂隙网络的制约关系。研究表明,本区断裂经历了侏罗世逆冲推覆活动与白垩世的伸展构造,先压后张两期构造作用的叠加,形成了多条区域性断裂,其导水性能大为增强。裂隙中频度较大的NE和NW向是优势裂隙,表现出构造节理的共轭特征,多高倾角或直立,导致雨水的直接下渗;在裂隙交汇带构成了区域地下水的径流通道和存储空间,控制了白岱、甘池-长沟、高庄-石窝富水区的形成以及岩溶泉的出露,具有重要的供水意义。      

吉林通化复兴村金矿床地质、地球化学特征及成因机制探析

通过对复兴村金矿床的地质和地球化学特征分析研究,发现元古宇老岭群大栗子组和珍珠门组是重要的含金矿源层,也是主要的容矿围岩.区内的NNE、NW向断裂破碎带是重要的的控矿构造.断裂破碎带内分布的硅化、黄铁矿化、毒砂化是金矿重要的找矿标志,并存在后期氧化富集带.燕山期花岗岩作用区,特别是闪长岩脉与矿体相伴处是是富金矿（化）体.相关的成因机制分析表明,复兴村金矿床在成因类型上为与燕山期构造岩浆活动有关的多因复成的中低温热液金矿床.     

深层致密砂岩储层可压裂性评价新方法

岩石可压性评价是储层压裂改造层位优选、压后产能评估的重要基础工作。准中4区块致密砂岩储层埋藏深、物性差,亟需通过压裂改造提高工业产能。因此,以董2井北三维区侏罗系致密砂岩为例,基于岩石三轴实验建立了致密砂岩断裂能密度—弹性模量的拟合公式,采用矿物成分法和弹模-泊松比法确定了研究区不同深度岩石脆性指数,采用岩石破裂准则确定了研究区不同深度的裂缝发育指数。以断裂能密度表征致密砂岩断裂韧性,以裂缝发育指数表征储层天然裂缝发育程度,综合考虑岩石脆性、断裂韧性、地应力环境和天然裂缝发育程度的影响,采用层次分析法计算了各因素权重,建立了适合深层致密砂岩的可压性评价方法。研究结果表明,可压裂性指数大于0.55时,可压性好;可压裂性指数介于0.50~0.55之间时,可压性一般;可压裂性指数小于0.50时,可压性差;研究区D7井的最佳压裂层位为4145~4160 m、4470~4480 m、5290~5330 m,D8井的最佳压裂层位为5120~5330 m、5350~5365 m,D701井的最佳压裂层位为3900~3910 m、4430~4440 m、4455~4465 m、5125~5135 m。      

孔洞-裂隙缺陷岩石力学及声发射特征分析

基于数值模拟软件PFC2D建立不同形式的缺陷岩石,探究完整岩石、含单孔洞缺陷岩石、含单裂隙缺陷岩石以及单孔洞+单裂隙缺陷岩石的力学性质及声发射特征。研究结果表明: 不同缺陷岩石的力学性质不同,当岩石的缺陷面积相同时,裂隙对岩石力学性质的影响远大于孔洞的影响; 与无孔洞、无裂隙的岩石声发射特征相比较,孔洞、裂隙的存在使岩石的声发射特征发生了变化,具体表现为岩石声发射的最大撞击强度、撞击峰值数目以及应变范围的变化; 在相同缺陷面积条件下,单裂隙缺陷较单孔洞缺陷对于岩石声发射特征的影响更大。