應用滑動準則判斷斷層穩定性

胡光義，范廷恩，宋來明，侯亞偉

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發研究院，天津 300452）

應用滑動準則判斷斷層穩定性

胡光義1，范廷恩1，宋來明1，侯亞偉2

（1.中海油研究總院，北京 100027；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發研究院，天津 300452）

中國海上某油田鉆井少，缺乏足夠的毛管壓力數據，無斷層巖樣品，淺層斷層多處于未膠結成巖狀態，應用目前常用的SGR方法和斷層巖排替壓力方法判斷斷層封閉性具有一定的局限性。為此，文中采用Byerlee滑動準則，從三軸應力的角度計算了斷層臨界失穩壓力。研究認為，在類似斷裂帶填充物飽含水、未成巖的狀況下，用Byerlee滑動準則判斷斷層穩定性時，摩擦系數的選取應該不同于其常規工業取值范圍（0.6～1.0），在本油田推薦取值為0.4～0.5，相應斷層臨界失穩壓力為2.74～4.26 MPa。計算結果對工區油田注水開采具有重要的借鑒意義。

斷層穩定性；Byerlee滑動準則；摩擦系數；臨界失穩壓力

隨著油田開發程度的加深，一些淺、薄、稠油層越來越多地被動用，強注、強采、注聚、注蒸汽等措施在這些油田越來越強化。同樣，海上油田在開發初期甚至地質特征不清楚的情況下，也加大了特殊開采方式的使用力度。在迅速提高儲、產量的同時，一些新的問題也集中暴露出來，斷層封堵性變化導致的一系列生產、環境問題就是其中之一。已經證實，國內一些老油田出現的大量、成批次套損現象［1-4］，即是地層沿軟弱層滑動以及斷層失穩所致。Wilmington油田由于斷層開啟，導致油藏壓力衰竭、產量驟降［5］。井樓油田發生了因為斷層封閉性變化而導致的地面冒鉆井液、漏油等問題［6］。

關于斷層側向、垂向封閉性的研究，目前從理論到技術都很成熟，相關文獻也很多，但是主要是基于斷層巖排替壓力、泥巖涂抹等，很少涉及注采行為對斷層應力所帶來的變化、乃至對斷層封閉性變化的影響。本文從地質力學的角度，對海上油田斷層失穩行為進行探索性研究。

1 滑動準則介紹

針對巨型地質體（即巖體）穩定性的計算，目前在工程地質上應用較多，但在石油地質領域，對斷層穩定性研究很少涉及，為此，借鑒巖體強度準則進行初步分析。常用的有庫侖公式及巴頓準則，而當內聚力為0時，巴頓準則即簡化為庫侖準則，因而認為，庫侖準則可以用于工區斷層穩定性的分析。

斷層形成過程中，一般受到正應力和剪應力2種作用。根據庫侖準則：

式中：τ為剪應力，MPa；c為巖石內聚力，MPa；φ為巖石內摩擦角，°；σ為正應力，MPa。

若f（x）＝τ－（c+σtan φ），當f（x）＜0時，斷層處于穩定狀態。當有效應力（Sn-p0）（Sn為正應力，p0為臨界地層壓力）與凈剪應力（τ-c）相等時，巖石會發生破壞，形成斷層，即所謂的庫侖-莫爾破壞準則。

巖石所受正應力σn和剪應力τ計算公式如下：

式中：σn為正應力，MPa；σ1，σ3分別為最大主應力和最小主應力，MPa；α為斷面傾角，rad。

Byerlee在室內利用彈簧-滑塊實驗對庫侖-莫爾準則進行補充，獲得了關于滑動摩擦系數的經驗數值。依據Byerlee滑動準則：

式中：Sn為正應力，MPa。

則臨界失穩壓力

式中：pp為地層壓力，MPa。

在地區主應力經驗關系一定的情況下，摩擦系數的確定就成為計算斷層臨界失穩壓力的關鍵。本文重點探討現行工業推薦的摩擦系數取值范圍是否合理。

2 斷層臨界失穩壓力計算

中國海上某油田鉆井少，缺乏足夠的毛細管壓力數據，無斷層巖樣品。在該工區應用目前常用的SGR法［7-9］和斷層巖排替壓力方法［10-12］具有一定的局限性，為了多角度客觀評價工區關鍵斷層的封閉性，本文從巖體力學的角度進行了初步探索。

工區主體斷裂系統復雜，最新解釋成果顯示，油田主要含油范圍內斷層延伸長度0.1～4.5km，斷距5～300 m。本區構造主體應力拉張斷層呈雁行式展布特征，垂向上斷層上部呈高角度直立狀，下部略呈鏟狀（見圖1）。斷層最大垂直斷距20～75 m，其中，淺、中、深層略有不同，淺層最大垂直斷距主要分布于20～40 m，中層最大垂直斷距主要分布于25～75 m，而深層最大垂直斷距主要分布于20～40 m。總的說來，該區最大垂直斷距峰值分布于20～40 m；斷層延伸長度各層有所區別，但基本分布于1～2 km。淺層斷層延伸長度基本集中于1～2 km，中、深層斷層延伸長度峰值為1 km；正斷層傾角40～80°，絕大部分為55～60°。其中，淺層傾角主要分布于60～65°，中層主要分布于50～70°，而深層主要分布于50～65°，可見傾角有向深層變緩的規律。

圖1 工區主要剖面斷裂特征

依據Byerlee滑動準則，計算了工區一條主要斷層的臨界失穩壓力，因不能確定摩擦系數的合理取值，本次對摩擦系數從0.3～0.7進行試算（見表1）。

3 摩擦系數確定方法

該油田實際生產情況表明，S3層斷層附近注水井的注入壓力達5.25 MPa時，注入量驟升，壓力驟降；而關閉注水井甚至返排幾天，即可明顯見到壓力恢復。因此，推測5.25 MPa略大于流體作用于斷層的極限附加壓力，井底注入壓力超過這個值時，斷層將出現失穩。Byerlee滑動準則在工業應用中，摩擦系數取值一般為0.6～1.0，但即使是Byerlee準則推薦的最低值，也超過了工區斷層穩定的極限。為此，對Byerlee準則摩擦系數合理取值方法及范圍進行了探索。

據研究［13］，一般當斷層斷距超過5 m時，即可形成連續、穩定的斷層核。因此推測工區斷裂帶內形成了斷層核。據此提出疑問，以塊體在硬表面滑動為基礎的Byerlee滑動準則測定的摩擦系數取值范圍［14］是否適用于本工區。

中國地震局曾以內蒙古豐鎮輝長巖為圍巖，以四川攀枝花輝長巖為礦物樣本做過一個滑動實驗［15］。該實驗（見圖2a）與Byerlee滑動實驗（見圖2b）最大的區別是：1）在2塊巖樣上涂上1 mm厚的斷層泥；2）考慮了水對巖樣摩擦性質的影響。實驗得出如下結論：1）摩擦性質會隨著條件變化而發生相應改變；2）摩擦系數取值為0.2～0.8，在位移很小（小于0.5mm）的情況下，摩擦系數為0.2～0.5。分析原因，Byerlee滑動實驗是假設巖樣在剛性平面上滑動而進行的，而在中國地震局實驗中斷層泥起到了潤滑作用。工區斷層斷裂帶內部填充物疏松，斷層泥飽含水，與后者實驗環境更為接近，由此推薦Byerlee滑動摩擦系數取值最大為0.6。結合試算法結果，認為工區摩擦系數為0.4～0.5。

表1 不同摩擦系數時斷層的臨界及失穩壓力MPa

綜上所述，斷面所受壓力是斷面埋深、傾角、上覆巖層密度、區域水平應力及其與斷層走向交角的函數。

圖2 滑動實驗示意

4 結束語

中國海上某油田斷層臨界失穩壓力計算及工區實際情況表明，以庫侖-莫爾破壞準則為基礎的Byerlee滑動準則適用于油田斷層失穩條件分析。但是，依據彈簧-滑塊實驗確定的摩擦系數取值范圍（0.6～1.0）可能不適合工區實際情況。在斷層泥飽含水、未成巖狀態下，摩擦系數的取值范圍需要根據具體情況重新確定。初步分析認為，摩擦系數取0.4～0.5更符合油田實際情況。依此確定工區斷層臨界失穩壓力為2.74～4.26MPa。

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（編輯 趙旭亞）

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。

胡光義，男，1961年生，1983年畢業于中國海洋大學海洋地質專業，主要從事勘探開發不同階段的油氣田詳細描述工作。E-mail：hugy@cnooc.com.cn。

胡光義，范廷恩，宋來明，等.應用滑動準則判斷斷層穩定性［J］.斷塊油氣田，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.