应用滑动准则判断断层稳定性

胡光义，范廷恩，宋来明，侯亚伟

（1.中海油研究总院，北京 100027；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

应用滑动准则判断断层稳定性

胡光义1，范廷恩1，宋来明1，侯亚伟2

（1.中海油研究总院，北京 100027；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

中国海上某油田钻井少，缺乏足够的毛管压力数据，无断层岩样品，浅层断层多处于未胶结成岩状态，应用目前常用的SGR方法和断层岩排替压力方法判断断层封闭性具有一定的局限性。为此，文中采用Byerlee滑动准则，从三轴应力的角度计算了断层临界失稳压力。研究认为，在类似断裂带填充物饱含水、未成岩的状况下，用Byerlee滑动准则判断断层稳定性时，摩擦系数的选取应该不同于其常规工业取值范围（0.6～1.0），在本油田推荐取值为0.4～0.5，相应断层临界失稳压力为2.74～4.26 MPa。计算结果对工区油田注水开采具有重要的借鉴意义。

断层稳定性；Byerlee滑动准则；摩擦系数；临界失稳压力

随着油田开发程度的加深，一些浅、薄、稠油层越来越多地被动用，强注、强采、注聚、注蒸汽等措施在这些油田越来越强化。同样，海上油田在开发初期甚至地质特征不清楚的情况下，也加大了特殊开采方式的使用力度。在迅速提高储、产量的同时，一些新的问题也集中暴露出来，断层封堵性变化导致的一系列生产、环境问题就是其中之一。已经证实，国内一些老油田出现的大量、成批次套损现象［1-4］，即是地层沿软弱层滑动以及断层失稳所致。Wilmington油田由于断层开启，导致油藏压力衰竭、产量骤降［5］。井楼油田发生了因为断层封闭性变化而导致的地面冒钻井液、漏油等问题［6］。

关于断层侧向、垂向封闭性的研究，目前从理论到技术都很成熟，相关文献也很多，但是主要是基于断层岩排替压力、泥岩涂抹等，很少涉及注采行为对断层应力所带来的变化、乃至对断层封闭性变化的影响。本文从地质力学的角度，对海上油田断层失稳行为进行探索性研究。

1 滑动准则介绍

针对巨型地质体（即岩体）稳定性的计算，目前在工程地质上应用较多，但在石油地质领域，对断层稳定性研究很少涉及，为此，借鉴岩体强度准则进行初步分析。常用的有库仑公式及巴顿准则，而当内聚力为0时，巴顿准则即简化为库仑准则，因而认为，库仑准则可以用于工区断层稳定性的分析。

断层形成过程中，一般受到正应力和剪应力2种作用。根据库仑准则：

式中：τ为剪应力，MPa；c为岩石内聚力，MPa；φ为岩石内摩擦角，°；σ为正应力，MPa。

若f（x）＝τ－（c+σtan φ），当f（x）＜0时，断层处于稳定状态。当有效应力（Sn-p0）（Sn为正应力，p0为临界地层压力）与净剪应力（τ-c）相等时，岩石会发生破坏，形成断层，即所谓的库仑-莫尔破坏准则。

岩石所受正应力σn和剪应力τ计算公式如下：

式中：σn为正应力，MPa；σ1，σ3分别为最大主应力和最小主应力，MPa；α为断面倾角，rad。

Byerlee在室内利用弹簧-滑块实验对库仑-莫尔准则进行补充，获得了关于滑动摩擦系数的经验数值。依据Byerlee滑动准则：

式中：Sn为正应力，MPa。

则临界失稳压力

式中：pp为地层压力，MPa。

在地区主应力经验关系一定的情况下，摩擦系数的确定就成为计算断层临界失稳压力的关键。本文重点探讨现行工业推荐的摩擦系数取值范围是否合理。

2 断层临界失稳压力计算

中国海上某油田钻井少，缺乏足够的毛细管压力数据，无断层岩样品。在该工区应用目前常用的SGR法［7-9］和断层岩排替压力方法［10-12］具有一定的局限性，为了多角度客观评价工区关键断层的封闭性，本文从岩体力学的角度进行了初步探索。

工区主体断裂系统复杂，最新解释成果显示，油田主要含油范围内断层延伸长度0.1～4.5km，断距5～300 m。本区构造主体应力拉张断层呈雁行式展布特征，垂向上断层上部呈高角度直立状，下部略呈铲状（见图1）。断层最大垂直断距20～75 m，其中，浅、中、深层略有不同，浅层最大垂直断距主要分布于20～40 m，中层最大垂直断距主要分布于25～75 m，而深层最大垂直断距主要分布于20～40 m。总的说来，该区最大垂直断距峰值分布于20～40 m；断层延伸长度各层有所区别，但基本分布于1～2 km。浅层断层延伸长度基本集中于1～2 km，中、深层断层延伸长度峰值为1 km；正断层倾角40～80°，绝大部分为55～60°。其中，浅层倾角主要分布于60～65°，中层主要分布于50～70°，而深层主要分布于50～65°，可见倾角有向深层变缓的规律。

图1 工区主要剖面断裂特征

依据Byerlee滑动准则，计算了工区一条主要断层的临界失稳压力，因不能确定摩擦系数的合理取值，本次对摩擦系数从0.3～0.7进行试算（见表1）。

3 摩擦系数确定方法

该油田实际生产情况表明，S3层断层附近注水井的注入压力达5.25 MPa时，注入量骤升，压力骤降；而关闭注水井甚至返排几天，即可明显见到压力恢复。因此，推测5.25 MPa略大于流体作用于断层的极限附加压力，井底注入压力超过这个值时，断层将出现失稳。Byerlee滑动准则在工业应用中，摩擦系数取值一般为0.6～1.0，但即使是Byerlee准则推荐的最低值，也超过了工区断层稳定的极限。为此，对Byerlee准则摩擦系数合理取值方法及范围进行了探索。

据研究［13］，一般当断层断距超过5 m时，即可形成连续、稳定的断层核。因此推测工区断裂带内形成了断层核。据此提出疑问，以块体在硬表面滑动为基础的Byerlee滑动准则测定的摩擦系数取值范围［14］是否适用于本工区。

中国地震局曾以内蒙古丰镇辉长岩为围岩，以四川攀枝花辉长岩为矿物样本做过一个滑动实验［15］。该实验（见图2a）与Byerlee滑动实验（见图2b）最大的区别是：1）在2块岩样上涂上1 mm厚的断层泥；2）考虑了水对岩样摩擦性质的影响。实验得出如下结论：1）摩擦性质会随着条件变化而发生相应改变；2）摩擦系数取值为0.2～0.8，在位移很小（小于0.5mm）的情况下，摩擦系数为0.2～0.5。分析原因，Byerlee滑动实验是假设岩样在刚性平面上滑动而进行的，而在中国地震局实验中断层泥起到了润滑作用。工区断层断裂带内部填充物疏松，断层泥饱含水，与后者实验环境更为接近，由此推荐Byerlee滑动摩擦系数取值最大为0.6。结合试算法结果，认为工区摩擦系数为0.4～0.5。

表1 不同摩擦系数时断层的临界及失稳压力MPa

综上所述，断面所受压力是断面埋深、倾角、上覆岩层密度、区域水平应力及其与断层走向交角的函数。

图2 滑动实验示意

4 结束语

中国海上某油田断层临界失稳压力计算及工区实际情况表明，以库仑-莫尔破坏准则为基础的Byerlee滑动准则适用于油田断层失稳条件分析。但是，依据弹簧-滑块实验确定的摩擦系数取值范围（0.6～1.0）可能不适合工区实际情况。在断层泥饱含水、未成岩状态下，摩擦系数的取值范围需要根据具体情况重新确定。初步分析认为，摩擦系数取0.4～0.5更符合油田实际情况。依此确定工区断层临界失稳压力为2.74～4.26MPa。

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（编辑 赵旭亚）

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。

胡光义，男，1961年生，1983年毕业于中国海洋大学海洋地质专业，主要从事勘探开发不同阶段的油气田详细描述工作。E-mail：hugy@cnooc.com.cn。

胡光义，范廷恩，宋来明，等.应用滑动准则判断断层稳定性［J］.断块油气田，2012，19（4）：450-452.

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