油田开发过程中断层纵向封闭性解析方法及应用

李志鹏，卜丽侠

（1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015；2.中国石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东 东营 257015）

0 引言

断层封堵性一直是油气藏地质研究的热点［1］。存在3个特点：1）针对断层侧向封堵性的研究方法较多，从不同角度反映了断层的侧向封堵能力［2-8］；2）针对断层垂向封堵性虽已有一些研究方法［9-12］，但以定性或半定量为主；3）注重断层封堵性对油气成藏的影响分析［13-15］，忽视了其对油气开发过程的控制及影响。油气藏开发过程中受注入井注入压力等扰动的影响，断层的纵向封堵状态会发生一定变化，可能由原来封堵断层转变为开启断层，油藏内流体（气体）沿断层向上泄漏，造成油气藏破坏，甚至引发一些安全事故或隐患。从目前文献中可查的，开发扰动造成断层活动，导致注入剂等外泄的情况在各国油气田都有出现［16-19］。目前应用较多的断层封闭系数［20］、断层紧闭指数［21］及断层剪切指数［9］等断层垂向封堵性评价方法，难以直接指导油田开发过程中的压力控制。本文从断层结构特征分析控制断层垂向封堵性的因素，基于渗流力学及地质力学理论，推导断层所能承受的最大压力，利用压力值大小表征断层的纵向封堵能力，依据断层与注入井的距离，结合渗流理论得出注入井井底流压的安全界限，便于现场注入井的压力调控。利用以上方法对高89地区CO2驱油及封存实验区的注入井进行了安全性分析，为其他地区油藏开发过程中断层安全性评价提供了方法及指导。

1 控制因素分析

1.1 断层结构

不同规模断层内部结构存在明显差异，组成断层的结构要素也不尽相同。对于大规模断层来说，断层带是断层两盘正常地层之间的充填物，由断层两盘的掉落物组成，在后期的压实成岩作用下形成断层带内的断层岩。大规模断层的断层面是断层带（断层岩）与正常地层的接触面，发育2个（见图1a）。小规模断层对地层的破坏作用弱，断层带不发育，只发育断层面，为断层两盘错断地层的接触面，只发育1个（见图1b）。受后期成岩流体的影响，有时在断层面附近形成钙化严重的封堵层。对野外23条不同规模断层的测量统计发现，断层带发育程度及规模与断层规模存在明显相关性，一般断层断距大于30 m时，断层带发育，断层规模越大，断层带的规模相应越大（见图1c）。

图1 断层结构

1.2 断层纵向封堵性控制因素

油藏开发过程中，受压力扰动作用影响，会造成整个断层纵向封堵性的丧失。

1）断层岩微观孔隙结构的封堵能力。断层岩是断层活动时两边正常地层掉落的颗粒、碎块填充到断层带内，活动结束后，在上覆压力及地层温度作用下，发生压实成岩作用形成的一类岩石。断层岩由大小不一的颗粒组成，也具有微观孔隙结构、一定的孔隙性及渗透性，但较断层两边正常砂岩要差，这从实践中大量断层两盘砂岩对接时仍能侧向封堵一定的油气柱高度得到证实。断层岩微观孔隙结构的封堵能力可用断层岩封堵压力表示，断层岩封堵压力是假设断层岩不发生破裂的地层条件下依靠断层岩的微观孔隙结构及厚度等所能封堵的最大流体压力，主要受断层岩岩性、孔隙性、渗透性、微观孔隙结构、厚度等断层岩本身岩石物理性质的影响。当断层岩顶底压差超过断层岩封堵压力时，油藏内的流体在压差驱动下，会以渗流方式通过断层岩孔隙结构渗流出油藏，发生泄漏，断层纵向封堵性丧失。

2）断层岩的破裂性。油藏开发过程中，受注入井井底流压影响，断层岩的流体压力可能会不断增加，当流体压力超过断层岩的破裂压力时，断层岩发生破裂，产生破裂裂缝。油藏内流体在净浮力及油藏压力作用下，沿断层岩新生裂缝泄漏，造成断层纵向封堵性丧失。

3）断层面的应力稳定性。稳定地应力条件下，油藏断层处于稳定状态，不发生活动，油气藏开发过程中受生产活动等的干扰，可能使断层失去稳定性，呈现出易于活动的状态，这种状态将其定义为断层面的重开启。根据二维Mohr-Coulomb破坏准则（油藏断层处于图2a状态），断层Mohr圆距破坏包络线有一定距离，断层处于稳定状态。随着断层内孔隙流体压力的不断增加，断层Mohr圆大小不发生变化，Mohr圆整体向左平移，即断层所受正应力不断变小，剪切应力不变，当断层岩孔隙流体压力达到pp2时，断层Mohr圆与破坏包络线相切（见图2b），此时断层面所受剪切应力等于摩擦阻力，断层面失去了应力稳定性，再次发生活动。油藏内流体在净浮力及油藏压力作用下，沿重开启的断层面泄漏，造成断层纵向封堵性丧失。图2中：S1为垂向主应力，S3为围压，S1＞S3，pp为孔隙流体压力，pp1＜pp2，τ为剪切应力，σn为有效正应力，β为断层面法线与S1的夹角，μ为断层岩摩擦因数。

综上所述，断层面重开启与断层岩破裂是不同的概念，是断层不封闭呈现出的不同状态。断层面重开启与断层岩性质没有本质关系，主要与油藏应力环境和孔隙流体压力有关，是断层面所受外力恰好达到平衡时的状态，再稍加一点外力，断层将发生滑动。断层岩破裂主要受断层岩自身力学性质的影响，受断层岩破裂压力的控制。断层面重开启压力与断层岩破裂压力不同，在一定外在条件的干扰下，可以出现断层岩破裂但断层仍然应力稳定的情况，也可以出现断层面开启而断层岩未破坏的情况，取决于具体油藏、具体断层的断层面重开启压力与断层岩破裂压力的大小。

断层岩封堵压力反映的是在假定断层岩未破裂条件下，断层岩微观孔隙结构与断层岩厚度的加和效应对油藏流体的封堵能力。断层岩封堵压力、断层岩破裂压力及断层面重开启压力是3个互不干扰、相互独立的评价断层纵向封堵性的参数。当断层内孔隙流体压力达到以上3个参数最小者时，断层对油藏的封堵性就会丧失，断层纵向封堵性受以上3个定量参数最小者的控制。

图2 油藏开发过程中流体压力对断层面应力稳定性的影响

2 断层封堵性关键参数解析方法

2.1 断层面重开启压力

断层面是断层岩与正常地层的接触面或断层两盘正常地层的接触面，根据M.D.Zoback等［22］提出的临界应力断层及摩擦定律，断层面失去稳定性的临界状态可以表示为

由有效应力理论可知：

式中：Sn为断层面上正应力，MPa。

联合式（1）和式（2）可得断层面重开启压力pR：

断层面重开启压力计算的关键是断层面正应力、剪切合力及摩擦因数的获取。获取应力值最直观、最准确的方法是进行现场地应力的测试，受取心及费用的限制，难以得到整个区域地应力的展布特征。以有限元分析为基础的地应力数值模拟技术可以在区域应力场及少量现场测试地应力的约束下，得到地应力场的三维展布，通过三维应力场展布特征结合断层产状，可得出断层不同位置的断层面正应力、剪切应力的大小［9］。Byerlee［23］总结了不同类型岩石和断层的大量实验数据，考虑了不同粗糙程度的天然裂缝、三轴压缩实验引起的断层和人工断层，指出在较高的有效正应力作用下（不小于10 MPa），断层面摩擦因数与表面粗糙程度、正应力、滚动速度等无关，摩擦因数在一个较小的范围内（0.6≤μ≤1.0）浮动，被称为Byerlee定律。出于安全考虑，断层面重开启压力的计算中，当现场未取得断层岩的摩擦因数时，建议摩擦因数选用0.6，这样得出的断层面重开启压力更加安全。

2.2 断层岩封堵压力

对于一个油藏（见图3），根据渗流力学理论，忽略断层宽度，油藏流体自A点通过断层岩渗流到B点的渗流动力主要有A的压力和流体浮力，需要克服的阻力有4个（断层岩孔隙流体压力、黏滞力、吸附阻力和毛细管压力），流体到达B点静止是流体泄漏出油藏的临界状态，自A点到B点渗流过程的动力项等于阻力项：

式中：p′为A点孔隙压力，MPa；pc为断层岩排替压力，MPa；Δρ为油藏条件下流体与地层水的密度差，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为断层岩厚度，m；vF为断层岩内的渗流速度，m/s；KF为断层岩渗透率，μm2；δ为流体黏度，Pa·s；λF为断层岩启动压力梯度，MPa/m。

图3 断层岩封堵压力模式示意

变换式（4）可以得出断层岩封堵压力ps：

2.3 断层岩破裂压力

岩石破裂压力可以通过岩心室内实验或现场水力压裂资料来获取，但油气藏开发过程中，几乎不在断层岩段取心或射孔，这愿种方式都难以直接获取断层岩的破裂压力。断层岩相较于正常地层是发生过破裂的岩石，可以认为断层岩较正常地层损失了岩石的抗张强度。断层岩的破裂压力可以根据正常地层的破裂压力及抗张强度进行估算：

式中：pFf为断层岩的破裂压力，MPa；pf为与断层岩相同埋深的正常地层破裂压力，MPa；T0为与断层岩相同埋深的正常地层抗张强度，MPa。

正常地层破裂压力及抗张强度可以通过岩心室内实验及现场水力压裂资料来获取。水力压裂法是目前使用最多的获取油藏岩石破裂压力及抗张强度的直接方法，它是根据水力压力施工曲线得到的特征点压力，确定地层破裂压力及抗张强度（见图4）。

图4 水力压裂施工井底压力

3 注入井井底流压界限

以上讨论的断层面重开启压力、断层岩封堵压力、断层岩破裂压力针对的是断层岩孔隙流体压力，油藏开发过程中注入井一般要距断层一定的距离，特别是低渗透油藏，受压降漏斗影响，从注入井到断层会发生一定的压降。油藏开发过程中，断层不丧失纵向封堵性的注入井井底流压界限，受注入井到断层的距离及断层的断层面重开启压力、断层岩封堵压力、断层岩破裂压力三者最小者的共同控制，则注入井的井底流压安全界限可以表示为

式中：pis为注入井安全井底流压，MPa；L为注入井距离断层的距离，m；pf为地层破裂压裂，MPa。

4 实例应用

胜利油区正理庄油田沙四上油藏计划实施年消化量100×104t CO2的大型CO2捕集、驱油及封存（简称CCUS）项目，既利用CO2混相驱提高油藏采收率，又实现CO2的大量埋存，治理大气污染。该油藏埋藏深度2 700～13 200 m，储层平均孔隙度13.1%，平均渗透率2.1×10-3μm2，属低孔、特低渗储层。油藏最大特点是断层发育，共发育34条不同规模断层。

CO2注入及封存过程中，受注入井等压力扰动的影响，如果断层纵向封堵能力丧失，发生CO2泄漏，会对沙三下油藏开发造成影响，甚至污染浅层地下水及地表自然环境。项目实施过程中控制注入井井底流压，保证断层的封堵性是高89地区CCUS项目安全实施的关键。针对高89地区2个实验区（见图5），利用解析方法计算了各断层的断层面重开启压力、断层岩纵向封堵压力、断层岩破裂压力，根据三者最小者结合注入井到断层距离，以及地层破裂压力，提出了各注入井井底流压的安全界限。按照工程实施过程中预留10%安全容忍度的常规，得出了工程实施安全井底流压不超过pis的90%。目前各注入井的井底流压都严格控制在工程实施安全井底流压之内（见表1）。根据对地面微变形、空气中CO2质量分数进行检测，目前并未发生断层活动及CO2泄漏的现象，说明依据上述方法得出的工程实施安全井底流压符合高89地区的断层特征，方法是可行的。

图5 高89地区CO2驱油及封存实验区

表1 高89地区实验区注入井安全井底流压 MPa

5 结论

1）断层纵向封堵性主要受断层面应力稳定性、断层岩的破裂性及断层岩微观孔隙结构封堵能力的影响，受断层面重开启压力、断层岩破裂压力、断层岩封堵压力三者最小者的控制。

2）断层面重开启与断层岩破裂是断层不封闭呈现出的不同状态。断层面重开启与油藏应力环境和孔隙流体压力有关，是断层面所受外力恰好达到平衡时的状态；断层岩破裂主要受断层岩自身力学性质的影响，受断层岩脆性控制。

3）断层面重开启压力与断层面所受正应力、剪切应力及摩擦因数相关，断层岩封堵压力与断层岩渗流阻力、断层岩孔隙流体压力、断层岩流体净浮力有关，断层岩破裂压力可以利用水力压裂施工曲线根据地层破裂压力及抗张强度估算，断层安全流体压力为以上3个压力中的最小者。

4）注入井安全井底流压主要受地层破裂压力、注入井到断层的压力损失、断层安全流体压力的共同控制。截至目前，高89地区CCUS项目实验区注入井的井底流压都严格控制在工程实施安全井底流压之内，并未发生断层纵向封堵能力丧失的现象。

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