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碳封存场地诱发地震风险的交通信号灯指示评估方法研究获进展
2019-10-08    打印 关闭

  二氧化碳地质封存过程中,超临界流体的地层注入显著降低封存场地的有效应力,引起的超压可能影响场地内部断层的稳定性,进而诱发断层活化或地震活动。根据储层内诱发地震的时空分布及规模,结合其形成过程中的流体—岩石相互作用将诱发地震分为三类:(1)储层内部局部孔隙水压力的上升导致有效应力降低,产生裂隙,此类地震震级多小于3级。(2)储层内部抽水引起孔隙水压力降低,并在多孔弹性介质中传递至周围区域,在数公里范围内的储层上部或下部诱发地震,此类地震震级多小于5级。(3)储层内部大规模的油气开采并伴有上部地层的加载/卸载作用,此类地震震级多大于6级。流体抽注导致的断层活化是涉及多场多尺度耦合及多孔多裂隙介质非线性变形的复杂地质过程,需综合断层带的岩性特性及其初始应力和扰动应力场进行综合分析。 

  基于以上科学问题,中国科学院武汉岩土力学研究所通过建立交通信号灯指示因子来评估流体注入诱发地震的风险。研究考虑注入井位置、初始地应力及断层产状诱发地震影响因素,采用数值模拟来研究断层滑移量的大小(图1),进而建立一套交通信号灯指示系统用以预测某些特定情况下断层活化诱发地震的风险大小,并评估每个因子诱发地震活动的统计显著性(图2)。此外,为厘清影响因素与诱发地震震级之间的复杂关系,在交通信号灯指示系统中引入一个安全阈值,以此建立危险面并区分诱发地震活动的危险区域(图3)。 

  研究表明,远离注入井的地方孔压增加较小,流体注入诱发的断层滑移呈现相似的趋势,断层面上段部分向下滑移,下端部分向上滑移,并在180米和320米处活动剧烈,所以形成了对断层中间部分(250m左右处)的挤压,使得该处的滑移量为零。埋深较浅时(800~1400m),滑移量会随着埋深增加或多或少地减小,并且当倾角60°,断层滑移量最大。注入井到断层的水平距离D是避免过大诱发地震的关键因素,当D大于350m时,在任何埋深和断层倾角下都不会产生破坏性诱发地震。同时,当D230m350m之间变化,由于在一些断层倾角(10°20°30°90°)下诱发断层滑移的减小,大多数中等到深埋(埋深H>1196m)储层中流体注入均安全。在浅层储层(H<1196m)中当注入井距离断层较小(D<230m)时,所有倾角下的断层均在危险区中。 

  本研究相关成果已在国际著名的温室气体控制技术大会(GHGT-14)上发表并后续发表于ASCE知名期刊《International Journal of Geomechanics》,通讯作者为李琦研究员。该研究成果主要由国家自然科学基金项目(Nos. 41872210, 41274111, 51809220)和岩土力学与工程国家重点实验室开放基金(No. Z017008)等资助。 

    论文链接:1 2

图1 流体注入诱发断层活化概念模型

图2 三因素诱发断层滑移交通信号指示图

图3 交通信号灯指示的危险面离散示意图

 

 
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