干熱巖地應力測量評價方法與前沿挑戰

許家鼎, 張重遠, 緱艷紅, 高萬里, 何滿潮,陳群策, 秦向輝, 李少輝, 孫東生

1)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;2)中國礦業大學(北京)力學與建筑學院, 北京 100083;3)中國石油集團測井有限公司地質研究院, 陜西西安 710200

干熱巖是埋藏深度3～10 km, 溫度大于150 ℃的可再生清潔能源(Moore and Simmons, 2013)。我國已探明干熱巖儲量巨大, 實現干熱巖資源的安全高效開發, 對我國能源結構調整、能源安全以及“雙碳”戰略目標實現具有深遠意義(王貴玲等, 2020)。20世紀70年代以來, 以美國、法國為代表的西方國家相繼開展干熱巖開發試驗研究, 并取得一系列進展(許天福等, 2012; 陸川和王貴玲, 2015; 唐顯春等, 2020,2023)。我國干熱巖開發雖然起步較晚, 但近些年來也取得了豐碩的成果(張盛生等, 2019; 李亭昕等, 2020)。

干熱巖開發的主要技術途徑是利用增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System, 簡稱 EGS),即采用水力壓裂方式，向干熱巖儲層注入高壓低溫流體, 使儲層中的天然裂隙擴展沿伸, 從而達到增大儲層滲透性和熱交換面積的技術或工程(Brown et al., 2012; Olasolo et al., 2016; 許天福等, 2018)(圖1)。目前, 干熱巖開發還面臨著諸多方面的挑戰。例如, 干熱巖儲層建造、誘發地震和多場耦合作用等, 是干熱巖開發利用過程中的重點和難點(許天福等, 2018)。其中, 地應力狀態控制著熱儲層的改造和裂隙擴展(Brudy et al., 1997)。低溫流體注入后對裂隙巖體力學及變形行為會導致斷層失穩、甚至誘發地震(Giardini, 2009; Ellsworth, 2013; Keranen and Weingarten, 2018)。而地應力原位狀態的研究,是解決上述問題的關鍵所在, 因此, 準確測量和評價地應力狀態至關重要。

圖1 EGS工程模型(a)與EGS典型水力剪切運動模式(b)Fig. 1 EGS engineering model (a), and EGS typical hydraulic shear motion model (b)

干熱巖高溫高壓的鉆孔環境、取芯成功率低和成本高等客觀困難, 給干熱巖的地應力測量帶來了挑戰。目前, 各國學者提出了數十種測量地應力的方法, 但每一種方法都有其局限性(Haimson, 2010)。例如, 傳統的水壓致裂法因干熱巖賦存區特殊的高溫環境而難以應用; 同樣, 目前國內成像測井探頭普遍耐溫上限為 180 ℃, 更高溫區域的圖像獲取相對困難。因而, 本文除了闡述地應力在干熱巖開發中的作用, 還總結推薦了幾種適用于干熱巖地應力測量中的方法, 并結合青海共和干熱巖試采討論了地應力測量與評價的步驟, 最后討論了干熱巖地應力應用的前沿問題與挑戰。本文的研究成果可為我國未來的干熱巖地應力測量及其在開發評價中的應用提供參考。

1 地應力在干熱巖開發的作用

我國受印度洋板塊、菲律賓板塊和太平洋板塊的擠壓作用, 地質構造復雜, 地應力環境也十分復雜。我國干熱巖分四種類型, 高熱流花崗巖型、沉積盆地型、近代火山型和強烈構造活動型(藺文靜等,2013; 王貴玲等, 2020)。不同的干熱巖類型具有不同的構造成因, 也決定了其儲層地應力特征不同。總體上, 我國干熱巖的儲層以走滑和逆沖型應力為主(唐顯春等, 2023), 尤其是西部地區, 地應力水平普遍較高, 開發難度明顯大于西方國家的干熱巖工程。

依據Anderson經典斷層理論模型, 假設垂直應力等于上覆地體重量, 斷層類型按照垂直應力(SV)與水平主應力(SH和Sh)的大小關系, 分為三種基本地應力類型(圖2)。在干熱巖中, 不同地應力類型, 儲層改造時裂隙擴張方式有顯著的差異。

圖2 三種基本地應力類型Fig. 2 Three basic types of in-situ stress

(1)通常正斷層和走滑斷層型應力易于裂隙激發,而水平應力差較大的逆斷層型應力易于激活水平裂隙, 且復合應力類型給 EGS裂隙改造帶來諸多不確定性。

(2)地應力量值的增大會使破裂壓力增大, 影響儲層改造效率(趙金洲等, 2013)。地應力的差異也會影響壓裂效果(Mao et al., 2017), 主應力差越小, 裂縫延伸和轉向所需的凈壓力越小, 裂縫網絡的復雜度越高(沈騁等, 2020), 進而可以制造足夠大的換熱面積。

(3)水力壓裂中, 人工裂隙面一般與最小主應力方向垂直相交, 并沿最大主應力方向擴展延伸, 當主應力方向與儲層中自然裂隙方向夾角位于優勢區間內, 有利于部署生產井和制造規模更大的裂隙網絡。

2 干熱巖地應力測量主要方法

地應力測量的方法有多種, 但考慮到干熱巖特殊的賦存環境和存在技術困難, 本文將地應力主要測量方法分為三大類: 鉆孔類、巖芯類和地質類。

2.1 鉆孔類方法

2.1.1 水壓致裂法

水壓致裂法的基本假設為: 巖石材料各向同性、均質彈性、不透水且在地殼深部受三個主應力作用(Hubbert and Willis, 1957; Amadei and Stephansson,1997)。測試的基本方法是, 在鉆孔中用封隔器將一段隔離密封, 然后對封閉段進行持續注水加壓直至孔壁破裂, 通過孔壁巖石破裂的壓力曲線特征可以確定地應力量值。為了獲取可靠的水壓致裂數據, 常常要進行 3～5個壓裂循環試驗以得到壓力-時間曲線。該方法最大的優點是最小水平主應力的測量結果較準確(Haimson and Cornet, 2003)。最大水平主應力的方向一般通過印模確定, 但對于大深度干熱巖鉆孔而言, 印模定向已不再適用。

水壓致裂法在非高溫深孔地應力測量的最大深度已達到 5300 m, 但在干熱巖鉆孔中成功應用的例子非常少。水壓致裂法應用在干熱巖中最大困難是尚沒有安全可靠的耐高溫高壓封隔器。法國舒爾茨干熱巖工程曾采用高延展性的金屬銅箔封隔器, 但由于其性能不穩定、應用工藝復雜、造價偏高等原因, 至今并沒有廣泛應用。

2.1.2 成像測井法

成像測井方法主要有聲波成像和電阻率成像兩種技術, 其通過巖體對聲波阻抗和電阻率的不同響應來獲取孔壁巖體和裂隙的差異性圖像。一般來說,完整、堅硬的孔壁巖體具有高阻抗和高電阻率, 表現為高亮的圖像; 反之, 破碎、松軟的巖體(如孔壁破碎、節理裂隙等)表現為灰暗的圖像。由于地殼應力的強烈差異性, 孔壁上應力集中在泥漿壓力和溫度冷卻應力的共同作用下得到強化, 往往表現為過量的壓剪應力或拉張應力, 進而克服巖石自身力學強度形成孔壁失穩破壞(Zoback, 2007)。通過成像測井圖像, 能識別出孔壁上的鉆孔崩落(BBOs)、誘發裂隙(DIFs)和誘發花瓣線(PCFs)等不同應力導致的失穩破壞情況, 進而確定原地應力狀態(Zhang et al., 2017;陳念等, 2021)。BBOs的形成往往與壓縮應力狀態有關, 即最小水平主應力方向上最大有效應力大于巖石的抗壓強度(圖3)。在垂直或近垂直的鉆孔中,BBOs能指示最小水平主應力的方向。DIFs的形成與拉張應力狀態有關, 即孔壁上最大水平主應力方向上的最低有效應力高于巖石的抗拉強度。DIFs能指示最大水平主應力的方向(Bell and Gough,1979)。PCFs的花瓣部分沿最小水平主應力方向形成,中心線沿最大水平主應力形成, 可以選擇中心線兩側方位的平均值, 作為最小水平主應力方向(Schoenball and Davatzes, 2017)。

圖3 鉆孔壁BBO、DIF和PCF三維示意圖(a, 修改自Jo et al., 2019)及鉆孔壁應力大小和方位關系圖(b, 修改自Talukdar et al., 2022)Fig. 3 Three-dimensional diagram of BBO, DIF and PCF of borehole wall (a, modified from Jo et al., 2019),and relationship between the magnitude of borehole wall stress and orientation (b, modified from Talukdar et al., 2022)

利用成像測井所識別的上述孔壁破壞特征確定原地應力場的方向非常方便、可靠, 但對于地應力的大小, 需要先測定或假設鉆孔圍巖的強度、崩落的寬度等參數, 才能約束其范圍(Brudy et al., 1997; Zoback, 2007; Chang and Jo, 2015)。在地應力測量中,用成像測井和水壓致裂聯合約束原地應力的狀態,往往取得較好的結果。當前國內成像測井探頭普遍耐溫上限為 180 ℃, 為了獲取干熱巖儲層更高溫度孔段的圖像, 通常需要進行充分的泥漿循環降溫。

2.1.3 陣列聲波法

近 30年來, 陣列聲波(或交叉偶極聲波)技術也成為用于確定地應力大小和方位的一種重要方法(Sinha and Kostek, 1996; 陳浩等, 2009; Zheng et al.,2019)。巖石物理實驗分析表明, 顯著的水平差應力作用會在巖體中誘導產生各向異性, 其中橫波在最大水平主應力方向上傳播速度最慢, 因此, 可以利用方位各向異性準確確定最大水平主應力方向(魏周拓等, 2012)。此外, 可通過陣列聲波提取的縱波時差、橫波時差和巖石密度等測井資料, 改進黃氏模型、組合彈簧模型和葛氏模型等眾多模型來計算地應力大小(王生奧等, 2021)。

干熱巖體主要為脆性結晶巖, 具有超低孔滲特征, 因此適合用橫波各向異性確定地應力狀態。但研究表明, 不僅不平衡的地應力可以導致地層各向異性, 而且地層中發育的裂縫等因素也可導致各向異性(印興耀等, 2018)。因此使用陣列聲波法過程中必須首先排除干熱巖裂隙集中發育段等非地應力因素。當應力差異性較小時, 應力引起的各向異性較弱而很難被檢測出來。總體上, 該方法在干熱巖儲層地應力狀態分析中具有一定的價值, 但需要更加謹慎。

2.2 巖芯類方法

2.2.1 非彈性應變恢復法

非彈性應變恢復法(ASR), 是通過測量巖芯隨時間相關的非彈性應變來確定原地應力大小和方向的一種方法(張重遠等, 2012; 王成虎, 2014)。巖芯是一種黏彈性材料, 當從鉆孔中取出后, 脫離了原地應力場, 首先會發生彈性應變恢復, 隨后逐漸發生非彈性應變恢復, 且各方向的應變恢復量與先前所受應力正相關, 基于此可以確定三維地應力的狀態(Teufel, 1983; Matsuki, 1991)(圖4)。ASR法通過測量巖芯各方向的應變恢復可獲得主應變的方向, 也就是主應力的方向。地應力大小的確定, 需要針對不同的巖性, 確定準確的巖石本構模型才行。ASR測量結果的準確性受殘余應變、巖芯采取時間、巖芯各向異性以及巖芯脫水作用等因素的影響(Teufel,1993; Lin et al., 2006; Zhang et al., 2022)。及時采集充足的應變數據是獲得可靠地應力數據的關鍵, 因此,普遍在鉆井現場就近建立實驗室, 并采用高精度應變片和高頻應變采集儀進行測量。溫度波動和巖芯失水是導致非應力性應變的主要干擾因素, 試驗過程中須將巖芯密封包裹并置于恒溫水浴箱內。主應力方向可以借助于古地磁定向手段來確定。近年來,ASR法普遍應用于深部地熱及干熱巖地應力測量(Zhang et al., 2022), 測量效果十分理想, 未來將在干熱巖地應力測量中發揮重要作用。

圖4 巖石流變應變-時間圖(a)與ASR測試中應變-時間曲線(b)Fig. 4 Rock rheological strain-time diagram (a), and strain-time curve in ASR test (b)

2.2.2 直徑變形分析法

直徑變形分析法(DCDA)測量地應力的原理是,在地應力作用下, 將巖芯從鉆孔中取出后, 由于應力的釋放, 會產生瞬間的彈性變形(圖5)。理論上, 巖芯在鉆取的瞬間為純圓柱狀, 一旦脫離地應力場,巖芯截面在各向異性應力下將變為橢圓狀。根據胡克定律, 取芯前巖芯所受應力的大小與圓柱直徑的彈性變形量成正比, 進而表現為橢圓的長短軸。通過高精度平面輪廓掃描儀就可以確定巖芯的最大和最小直徑。對于垂直孔取芯, 根據最大和最小應變與水平主應力的關系, 計算得到水平主應力差值的大小(Funato and Ito, 2017; 楊躍輝等, 2019)。因此,DCDA法是一種半定量的地應力測量方法。通常也可以結合其他地應力測量方法綜合制約主應力量值范圍。若巖芯是定向的(如采用古地磁方法), 則同時可以獲得主應力的方向。和ASR法相比, DCDA法的優點是對巖芯沒有時間限制, 因此, 可以利用任何時期鉆取的巖芯開展測量。由于取芯時的彈性變形瞬間完成, DCDA測量結果中會有一部分非彈性應變, 研究表明, 非彈性應變與彈性應變相比可以忽略不計。

圖5 DCDA原理圖(a, 改自Funato and Ito, 2017)和DCDA測試曲線(b)Fig. 5 DCDA schematic diagram (a, modified from Funato and Ito, 2017), and DCDA test curve (b)

干熱巖儲層的高溫環境給鉆孔類地應力測量帶來了挑戰。雖然溫度會使巖芯直徑發生變形, 但這種變形是均勻的, 對ASR和DCDA測量帶來的誤差是可以忽略的, 不會影響最終的測量結果。然而, ASR和DCDA都要求巖芯相對完整、表面光滑且沒有天然裂隙或鉆進誘發的微裂隙; 若深部巖體破碎或有先存裂隙, 則會影響測量結果(Teufel, 1993)。

2.2.3 巖芯餅化法

巖芯餅化法同樣可以用來估算原地應力狀態,尤其是高地應力區域。巖體所受的應力越高, 在鉆進取芯過程中巖芯根部的應力集中程度越高, 巖芯越容易發生餅化破壞。有學者通過模擬試驗, 發現巖芯餅化是由于剪應力集中引起拉張破壞形成的(Jaeger and Cook, 1963)。巖芯餅化的形貌特征一定程度上反映了深部工程的地應力狀態。巖餅外沿輪廓的“馬鞍狀”凹形軸線可以指示最大水平主應力的方向(李彥恒等, 2012)。巖餅的厚度與直徑的比值(厚徑比)反映了地應力的大小。通過構建巖芯餅化發生的臨界地應力狀態與巖餅厚徑比的經驗和理論關系式, 可以估算最大主應力的大小(Lim and Martin, 2010; 張豐收等, 2022)。

干熱巖儲層的高溫高壓環境, 具有發生巖芯餅化的應力條件。因此, 巖芯餅化可以作為一種半定量的地應力評價方法應用于干熱巖中。

2.3 地質類方法

2.3.1 震源機制解

地震是因為地殼內部巖體受應力作用, 突然發生斷裂滑動的結果。在地震活躍的地區, 可以從地震震源機制獲得應力場的重要信息(Zoback, 2007)。目前, 利用震源機制解確定地應力場的方法在國內外得到迅速發展(Zoback, 1992; 趙建濤等, 2002)。該方法的基本假設為, 地殼中最大應力差受優勢方位斷層強度限制(Zoback, 1992)。當斷層滑動時, 壓縮區和膨脹區分別向外發射負極性和正極性的 P波。定義P軸和T軸分別平分膨脹區和壓縮區, B軸與P和T軸垂直。震源機制參數可以反映應力的積累和釋放過程, 通過大量斷層面解的平均 P、B、T軸就可以推斷震區平均地應力場方向(Sheng et al., 2021)。

利用震源機制解資料估算地應力的量值還存在一定的困難(Zoback, 1992; Plenefisch and Bonjer,1997)。在干熱巖開發前, 可以先根據區域歷史地震資料評價區域地應力背景, 獲取地應力的類型和主應力方向等關鍵信息。在儲層改造過程中, 水力壓裂常常誘發地震, 也可以利用誘發較大級別地震(大于0級)動態分析場區地應力場的變化。

2.3.2 地質分析法

斷層是地殼構造運動最基本的表現形式, 也是構造應力在巖石中最直接作用的產物。斷層在運動過程中形成的大量斷面構造(擦痕、階步)為反演構造應力場提供了直接載體(王成虎, 2014)。實際工作中,需要在野外測量擦痕所在的斷面產狀包括走向、傾向和傾角, 以及滑動矢量包括擦痕的側伏角、側伏向和動向, 在測量基礎上室內用計算機程序進行數據計算, 分析獲取每個點上的古構造應力特征。一個區域構造變形往往是多期次的, 單個野外觀測點往往會獲得多期次古構造應力場, 在野外調查應仔細鑒別擦痕性質、滑動方向和斷層活動期次配套。需要注意的是, 在沉積地層區應用斷層判斷古構造應力場時要確定活動影響的最新地層然后逐步篩分, 層層剝離。此外, 利用節理重建古構造應力場也是最常用的一種方法(圖6), 例如張裂隙(節理)一般指示了最大主應力方向, 初始共軛節理的夾角平分線一般指示最大主應力方向, 這些多為定性方法。利用共軛節理確定古構造應力場方向是目前應用最廣泛的。但有時候多期應力疊加使得共軛節理的分期和配套往往不易判斷(陳鵬和施煒, 2015)。

圖6 巖體上發育的共軛剪節理(a)與共軛節理反演的構造應力場(b)Fig. 6 Conjugate shear joints developed on rock (a),and tectonic stress field inversely calculated for conjugate joints (b)

在干熱巖應力場調查中, 由于巖體多為中—新生代之前的巖體, 更需要野外判斷斷層之間的切割關系, 以確定最近一期斷層滑動矢量指示的構造應力場, 結合實測數據的判別才能更精確確定某地的地應力狀態。還可以對干熱巖地區最新可觀察到節理(裂隙)地層進行調查, 重點識別張節理延伸方向(代表最大主應力方向), 再確定存在的共軛節理指示的最大主應力方向, 二者互相驗證, 即可判斷這一區域該套地層沉積之后區域應力場方向, 再結合現今實測應力場結果, 即可判斷地殼在某一時段內的地應力狀態。

3 干熱巖勘查開發地應力評價——以共和干熱巖為例

由于干熱巖鉆孔環境復雜、鉆探的難度大、鉆探工期長、取芯成功率低等困難, 僅依賴水壓致裂法或成像測井法等手段不僅存在技術上的挑戰, 也不能及時保證干熱巖試驗性開發前期的各種物理模擬、數值模擬評價需求。因此, 本文利用不同的地應力評價方法, 多角度測量和約束了共和干熱巖開發場區的地應力狀態。對于地應力的類型和量值: 首先前期收集了本區域的地震和鉆井巖芯, 利用震源機制解法和巖芯餅化法分別評估了地應力類型和水平差應力的大小; 其次, 基于鉆井過程中取芯, 利用ASR法測量得到了三維主應力的量值, 并利用DCDA法、巖芯餅化法進一步約束了水平差應力值和最大水平主應力的量值范圍。對于地應力方向, 成像測井數據顯示, 共和干熱巖的注采井壁上均大量發育了孔壁崩落、誘發張裂隙以及誘發花瓣線等方向信息, 進而準確地獲取儲層的地應力方向。

基于上述地應力評價模式, 本文獲得了共和盆地恰卜恰干熱巖儲層的地應力狀態。統計干熱巖場區花崗巖鉆孔取芯資料, 發現 3200～3800 m儲層范圍內餅化巖芯厚徑比普遍在0.2～0.3范圍內。據巖石力學資料(雷治紅, 2020), 共和花崗巖的抗拉強度為11.5～19.9 MPa, 按應力比因子約為6.5計算(Lim and Martin, 2010; 張豐收等, 2022), 可推測SH=74.75～129.35 MPa。本文展示了利用ASR法開展的 3個深度地應力實測結果, 得到SH=109.1～111.9 MPa,Sh=97～98.6 MPa,SV=88.2～97.1 MPa。利用DCDA法測量了3884 m處巖芯的直徑變形數據, 計算得到水平應力差(SH-Sh)為 25.14 MPa, 與 ASR法實測結果較為一致。由圖7可知, 三種方法所測地應力結果一致性較好。統計成像測井資料中孔壁崩落、誘發張裂隙及少量的誘發花瓣線信息均表明,SH方向為 N35°～39°E, 與區域震源機制解和 GPS變形結果一致(孟文等, 2022)。

圖7 共和干熱巖儲層地應力大小圖Fig. 7 In-situ Stress of Gonghe dry Hot Rock Reservoir

據現場儲層改造結果顯示(Zhang et al., 2022),水力壓裂觸發微地震的震源機制解在淺部多以走滑型事件為主, 而深部多以逆沖型事件為主, 破裂主軸方向以 NE向為主, 這與地應力測量結果較為一致, 表明本文所提出的干熱巖地應力測量評價模式具有較好的可操作性和可靠性。

4 干熱巖地應力應用研究前沿

4.1 儲層建造與裂隙擴展

高效利用EGS開發干熱巖資源, 關鍵是要通過水力壓裂制造復雜縫網, 進而提高巖石的滲透率(Baria et al., 1999)。國際上普遍認為, 理想經濟的干熱巖商業化儲層改造體積應達到0.1 km3, 有效熱交換面積應達到100萬m2(Brown et al., 2012)。目前, 國際上很多 EGS工程儲層改造體積已遠超過 0.1 km3的目標, 而有效換熱面積距離商業化利用還有一定的差距, 主要原因在于儲層改造過程中對天然裂隙系統的改造還不夠理想(圖8)。

圖8 干熱巖水力壓裂開采模式(a)及儲層裂隙或斷層激活模式(b)(改自Fang et al., 2017)Fig. 8 Hot dry rock hydraulic fracturing production mode (a) and reservoir fracture or fault activation mode(b)(modified from Fang et al., 2017)

現有干熱巖水力壓裂開采模式的根本出發點是利用注水激活和聯通先存裂隙, 進而提高高溫致密儲層的滲透性(圖1和圖8)。但是, 不同于頁巖氣水力壓裂以制造拉張裂縫為主, 干熱巖主要通過水力剪切方式使巖體裂隙和斷層發生剪切滑動并利用其自有的粗糙度產生“自支撐”, 進而增加儲層滲透率(Keranen and Weingarten, 2018; 許天福等, 2018)。目前, 對地應力和裂隙的耦合作用關系理解不夠, 是制約干熱巖開發的難點。一般來說, 裂縫沿著接近或平行于最大主應力的方向發育, 但會在天然裂縫交界處發生轉向, 從而形成復雜的網絡(Barton et al.,1995; 周舟等, 2019)。此外, Mao et al.(2017)在實驗室對花崗巖的水力壓裂試驗表明, 水平方向上的應力差的量值也會影響裂縫的路徑, 水平應力差越大水力裂縫路徑的曲率就越大。

因而, 充分理解和安全控制復雜應力場作用下儲層裂隙的滑動行為既是干熱巖開發的前沿核心科學問題, 也是技術難題。干熱巖裂隙處于一個高溫、高應力和高孔隙壓力的復雜地質環境, 其力學行為和常規環境巖體裂隙相比更為復雜(Lee et al.,2019)。在注水所強化的溫度-滲流-應力多物理場耦合作用下, 其破壞強度、變形機理、滲透特征等一系列重要的物理和水力學行為難以采用傳統的理論來解釋。此外, 干熱巖在形成和賦存的地質時期中, 都要經過中-高溫水熱蝕變過程, 這使得儲層裂隙乃至斷層中存留不同程度的蝕變礦物或斷層泥。毫無疑問, 斷層泥的存在, 不僅使得干熱巖儲層裂隙的剪切、摩擦和滲透特征以及彼此的影響行為更加復雜,還使得場區的地應力評價變得困難。

4.2 注水誘發地震

以水力壓裂為主的干熱巖開發項目中, 誘發地震是無法回避的風險因素(甘浩男等, 2020)。注水誘發的微地震作為裂隙破裂生長的物理響應, 對于描繪儲層裂隙網絡和滲透路徑具有重要意義。然而, 有感甚至破壞性的誘發地震往往引發社會公眾恐慌、危及人們生命財產安全(H?ring et al., 2008; Kim et al.,2018)。

研究認為地殼中斷層普遍處于臨界應力平衡狀態, 流體注入后對巖體力學及變形行為的擾動所導致的斷層失穩、甚至誘發地震不可避免(Ellsworth,2013)。四川長寧頁巖氣開采中, 有學者認為工業注水活動大概率誘發了M5.7級和M6.0級地震(雷興林等, 2020)。不同于頁巖氣儲層的軟弱巖體, 干熱巖儲層往往以高溫、高應力、高硬度、高脆性的結晶巖體為主, 誘發地震的強度、頻率、地表響應都更為顯著(Grigoli et al., 2018)。圖9總結了干熱巖應用中, 潛在的地震活動誘發機制, 主要為: 流體注入增大了孔隙壓力, 使有效應力降低引起斷層失穩破壞; 注入流體加溫后密度變小產生的浮力, 破壞了周圍斷層的穩定性; 注入流體溫度低于熱儲層巖體, 冷卻誘發應力降低使斷層失穩; 地震滑動和無震蠕滑使周圍巖石變形, 導致其余區域不穩定;滑移分別壓縮和延伸滑移區前后的巖石, 使瞬時孔隙壓力變化, 影響斷層的穩定性(Vilarrasa et al.,2022)。

圖9 潛在注水誘發地震機理(改自Vilarrasa et al., 2022)Fig. 9 Potential water injection induced seismicity mechanism (modified from Vilarrasa et al., 2022)

相關研究揭示注水誘發地震需具備以下三個條件: 應力擾動、存在相當尺寸的處于臨界應力狀態的斷層, 以及兩者之間存在直接或間接的偶聯機制, 即應力擾動可通過某種方式改變斷層原有的應力狀態。因而, 無論哪種誘發地震機制, 誘發微地震評價的關鍵在于獲得準確且精細的應力場及天然裂隙資料, 以準確評價先存斷層或者誘發裂縫的穩定性情況, 進而有效開展干熱巖注采誘發微地震防控分析。

5 結論與展望

干熱巖地應力測量面臨高溫高壓的鉆孔環境、孔深較大、取芯成功率低、成本高等客觀挑戰, 常規或單一的地應力測量技術和方法難以滿足儲層地應力評價需求。

(1)可以采用多種測量方法相結合、深部與淺部相結合、定性與定量評價相結合的地應力調查評價模式, 經共和干熱巖實踐與開采驗證, 顯示具有較好的可行性。

(2)一般的地應力測量中往往都是在目標范圍內選取一段或幾段進行測量, 因此容易忽視測量“盲區”的地應力變化。所以, 未來的地應力測量將向精細化方向發展, 才能更好的服務于干熱巖資源的開發利用。

(3)雖然人們逐漸認識到地應力對于干熱巖開采儲層改造的重要性, 但可以采用的方法和測量精度仍然不能滿足。因而為了獲取豐富原位地質數據,地應力的精細評價被寄予厚望, 在此基礎上探索干熱巖水力壓裂中裂隙擴展機理與高效控制方式研究。

(4)當前注水(尤其是干熱巖)誘發地震研究存在的顯著缺陷是: 對儲層地質和力學背景缺乏清晰認識, 未知邊界條件較多, 導致深部儲層裂隙、斷層的多場耦合行為及失穩演化過程處于“黑箱”之中。未來的注水誘發地震研究應該基于足夠多的微地震監測臺站、足夠詳細的地應力狀態數據、足夠清晰的深部水文和地質力學資料, 以加強人們對誘發地震機制的理解。

致謝:感謝審稿專家對本文的建設性建議, 感謝中國地質科學院唐顯春教授級高工邀請參與本專輯的撰稿。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190138 and DD20221660), National Natural Science Foundation of China (No.42177175), and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. DZLXJK202204).