一种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法

本发明涉及非常规油气开采中的水力压裂技术,具体为一种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法。

背景技术：

1、水力压裂技术作为非常规油气资源开发的核心手段，其基本原理是通过向低渗致密储层中注入高压压裂液，在岩石内部形成人工裂缝，从而显著提高储层的渗透性并释放油气资源。然而，随着技术的普及，水力压裂诱发的地质灾害风险逐渐凸显，其中断层滑移成为亟待解决的科学问题。

2、当前针对水力压裂诱发断层滑移的研究主要依赖于数值模拟和物理实验两种方法。数值模拟方面，有限元法和扩展有限元法被广泛应用于模拟裂缝扩展及断层滑移过程。然而，现有数值模型通常基于简化的假设条件，例如忽略岩石的非均质性或流固耦合效应，这可能导致模拟结果与实际情况存在偏差。在物理实验方面，真三轴实验被用于获取岩石的基本力学参数，并验证数值模型的准确性。然而，由于实验条件的限制，难以完全再现地下储层的真实应力状态和复杂地质环境。△cfs库仑应力变化模型只能预测给定断层是否可以重新激活但不能确定断层滑动是否会引发地震，仅通过△cfs库仑应力变化模型无法全面评估注入诱发地震的可能性，故尽管这些模型为理解断层滑移机制提供了重要参考，但其适用范围和预测精度仍需进一步改进。

3、当前针对水力压裂诱发地震危险性分析中现有模型普遍缺少基于地震破裂物理过程的理论支撑，未能建立地震规模与流体触发应力扰动之间的物理联系。如何基于物理机制建立注入参数—地震震级定量标度关系，是诱发地震风险评估的核心技术难点。传统震级预测方法以经验统计模型、一维理论分析为主，存在物理机理缺失、工况适配性差等问题，而三维动态破裂模型成为突破该瓶颈、构建精细化震级标度体系的关键技术手段，目前，业内虽已利用三维动态模型开展过单一工况下的破裂规律分析，但尚未将该仿真技术与震级标度理论深度结合，因此，基于三维动态破裂模拟开展参数标定、规律总结，进而构建具备明确物理意义的诱发地震震级标度模型，成为当前该领域亟待完善的核心技术方向。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法，这种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法用于解决如何基于物理机制建立注入参数—地震震级定量标度关系的难题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法包括如下步骤：

3、步骤一、在准备水力压裂施工的区块采样并制备岩样试样，获取天然岩体结构面选取合适的三维结构面；

4、步骤二、将岩样试样放置在真三轴六向加载系统内，在岩样试样内的结构面上贴好光纤光栅传感器，开展室内真三轴物理实验，获取岩石基本力学参数，采集结构面变形信息和压裂过程中岩样试样破裂信号，监测断层中破裂信号，并对破裂损伤区域的精准定位，利用破裂信号拟合得出岩样试件的损伤因子，基于位移传感器采集到的数据，得出断层的位移量；

5、步骤三、根据所获得岩石基本力学参数，进行断层面的应力变化计算，构建△cfs库仑应力变化模型，计算断层滑动引起的动摩擦强度，根据所得断层的位移量计算与之相对应的震级；

6、步骤四、通过速度摩擦阶跃实验，测得并记录结构面的摩擦参数，建立临界刚度模型，进行断层应力稳定性分析；

7、步骤五、利用数值分析模拟软件comsol，基于岩石基本力学参数计算损伤后的弹性模量和储层渗透率，运用扩展有限元法，构建流固耦合弹塑性模型，运用三维动态破裂模拟构建震级标度模型；

8、步骤六、利用震级标度模型对水力压裂施工现场进行分级预警，对水力压裂诱发断层滑移进行模拟，对断层滑移进行精准定位，预警地震风险，以实现对现场的反向调控，确保工程安全进行。

9、上述方案中流固耦合弹塑性模型包括：流体压力影响下储层变形的控制方程和基于流体的质量平衡方程计算储层渗流方程：

10、流体压力影响下储层变形的控制方程为：

11、；

12、式中，为位移,为储层流体压力，为储层比奥系数，为剪切模量，下标和分别表示变量的三个方向的分量，和，下标是爱因斯坦求和约定，为泊松比，为体积力；

13、基于流体的质量平衡方程计算储层渗流方程为：

14、；

15、式中，为流体质量，；为流体的质量通量，为质量源项，为梯度算子，为储层的孔隙率，为储层中的流体密度。

16、上述方案步骤五中计算损伤后的弹性模量和储层渗透率的方法：

17、计算损伤后的弹性模量e：

18、；

19、其中，d是损伤因子，e是损伤之后弹性横量，是损伤之前弹性横量；

20、计算储层渗透率：

21、；

22、其中，是初始渗透率。

23、上述方案步骤五中运用三维动态破裂模拟构建震级标度模型时，

24、首先，提出基本假设如下：

25、（1） 采用格里菲斯能量平衡准则判定破裂止裂，断裂能与断裂韧性为恒定值；

26、（2） 断层介质均质，摩擦参数、背景应力与应力降全场均匀，滑移服从线性滑移弱化摩擦模型；

27、（3） 流体注入引发的孔隙压力扰动简化为点荷载，流体视为不可压缩，忽略孔隙度和流体压缩性的影响；

28、（4） 孔隙压力演化遵循单相流体扩散方程；

29、（5） 数值模拟中断层初始完全闭锁，仅考虑单次独立破裂事件，破裂仅分为自止裂与失控扩展两类；

30、再计算空间积分等效载荷、最大破裂半径、最大自止破裂地震矩、最大自止破裂矩震级：

31、；

32、；

33、；

34、；

35、其中，是动态摩擦系数,是储层内部孔隙压力平均增量，应力扰动区域面积；是应力降。

36、上述方案步骤六中分级预警为三级预警，联动注液作业管控；

37、一级预警：当微震持续活跃，破裂范围缓慢扩大；实测震级达到0.8时；孔隙压力逼近临界值，加密数据采样频率，维持当前注入参数；

38、二级预警：当实测震级>0.9时，破裂加速向外扩展，降低注入流量，控制孔隙压力增长，禁止提压作业；

39、三级预警：当实测震级≥，破裂前沿逼近断层边界、孔隙压力超过临界压力，立即停止流体注入，启动应急预案，人员撤离，持续监测直至微震活动平息。

40、上述方案中步骤二具体为：开展室内真三轴物理实验，获取岩石基本力学参数，岩石基本参数包括弹性模量、泊松比、岩石抗拉强度、摩擦系数、最大应变值；将岩样试样放置在真三轴六向加载系统内，在岩样试样内的结构面上贴好光纤光栅传感器，在岩样试样四周安装声发射传感器；启动顶部液压装置和侧向液压装置向模型施加拟设置压力，通过与光纤光栅传感器相连的静态应力应变采集仪收集结构面变形信息；通过安装的声发射传感器采集压裂过程中岩样试样破裂信号并发送至声发射仪器中，实现断层中破裂信号的监测以及对破裂损伤区域的精准定位，基于光纤光栅传感器采集仪和声发射系统中监测到的破裂信号拟合得出岩样试件的损伤因子，基于位移传感器采集到的数据，得出断层的位移量；

41、计算拉伸破坏变量与剪切破坏变量以计算损伤因子：

42、；

43、；

44、其中，为拉伸破坏变量，为剪切破坏变量，为岩石单轴拉伸强度，为岩石的单轴压缩强度；和为岩石的大小主应力；为内摩擦角；拉伸方向定义为负；

45、运用拉伸破坏变量和剪切破坏变量定义岩石的损伤因子

d：

46、；

47、其中，为岩石的最大拉应变，为岩石的最大压应变；和为岩石的大小主应变。

48、上述方案中步骤三具体为：

49、构建△cfs库仑应力变化模型:

50、；

51、其中，为断层面剪应力变化，为断层面正应力变化，为断层摩擦系数，为孔隙压变化；

52、计算断层剪切应力：

53、；

54、其中，是静摩擦系数，是有效应力，是作用在断层上的正应力；

55、计算断层动摩擦强度：

56、；

57、其中，为内聚强度，为滑动速度和状态相关的动摩擦系数，为断层动摩擦强度；

58、计算断层的位移量与之相对应的震级：

59、；

60、其中，是实验获得地震矩，是剪切模量，是断层面最终滑移量，积分范围为整个破裂面；

61、；

62、其中，是实验获得震级。

63、上述方案步骤四中速度摩擦阶跃实验的实验设备包括工业相机及补光灯、试验机、试验机控制设备和数据采集器；

64、速度摩擦阶跃实验步骤为：

65、步骤（1）、进行预滑加载处理，依据表中不同等级的加载速率，对岩样试样实施加载操作，设定剪切滑动距离为50毫米；

66、步骤（2）、在确保滑动面状态维持不变的前提下，将岩样试样上下盘放回剪切起始位置，再次启动剪切程序，并在剪切过程中适时进行施加速度阶跃的操作，观察试样在不同剪切速度下的响应，速度阶跃试验中选择和；

67、步骤（3）、速度阶跃加载过程首先以0.01mm/s的剪切速度加载5mm，然后加载速度突然增大至0.1mm/s，并滑动5mm，随后加载速度重新降至 0.01mm/s，再重新以上过程三次，共计滑动 30mm 停止；

68、步骤（4）、根据阶跃试验中的力-位移曲线变化，测量速率状态摩擦参数：特征滑动距离，摩擦本构参数a、b和初始滑移速率。

69、上述方案步骤四中临界刚度模型如下：

70、；

71、其中，为特征滑动距离，a、b均为摩擦本构参数，为比例因子，为试样的初始滑移速率。

72、上述方案步骤五中运用扩展有限元法时，基本假设如下：

73、（1） 储层岩石为均质各向同性体；

74、（2） 地层中水力裂缝的扩展始终被视为准静态行为；

75、（3） 压裂液为不可压缩刚性流体，且不考虑支撑剂对裂缝扩展的影响；

76、（4） 压裂液充满整个裂缝，且流体与裂缝尖端不存在空隙，不考虑裂缝内部滤失的影响。

77、有益效果：

78、1、本发明通过现场岩样开采，开展室内真三轴物理实验，利用采集到的基本力学参数，构建了△cfs库仑应力变化模型与临界刚度模型，根据所述临界刚度模型运用数值分析模拟软件，构建流固耦合弹塑性损伤模型与震级标度模型，其得到的数据与结果用于建立分级预警体系、对现场开采的反向调控，可以真实地反映水力压裂过程中断层滑移，根据建立临界刚度模型与流固耦合弹塑性损伤模型对断层滑移进行精准定位，有效的评估断层的破坏，根据震级标度模型，为诱发地震风险预警提供物理依据，建立一整套成体系的链式评估法则以保证工程的正常进行。

79、2、本发明建立临界刚度模型来研究水力压裂诱发断层滑移的模拟方法，该方法构建了△cfs库仑应力变化模型与临界刚度模型用以精准定位断层的损伤位置，有效评估断层的破坏，为进一步研究水力压裂诱发断层滑移技术与地震预防方法提供了新思路。

80、3、本发明通过构建流固耦合弹塑性损伤模型，不仅能深入揭示断层活化的临界阈值与滑移演化路径，还可为相关计算公式的建立与修正提供坚实的理论支撑与丰富的数据基础，显著提升模拟结果的准确性、可靠性及工程适用性。模拟获取的应力场、位移场、塑性区分布及损伤演化云图，可进一步转化为实用的工程参数，将详尽的分析成果有效反馈至现场实践，指导压裂层段优选、注入压力调控与排量设计，实现对现场作业的动态反演与优化调控。在此基础上，可提前识别潜在的断层活化高风险区域，制定精准的监测与防控措施，有效缓解诱发地震或地层失稳等安全风险，进一步优化水力压裂关键参数，提升资源动用程度与开采效率，保障工程安全高效运行，助力非常规油气开发迈向智能化、精细化发展新阶段。

81、4、本发明通过提供一种水力压裂诱发断层滑移预测的链式评估方法，解决了现有技术中无法全面评估水力压裂诱发断层滑移与地震预防方法。本技术重点研究了△cfs值、断层临界刚度和断裂面应力之间的关系，其可以真实地反映水力压裂过程中断层滑移，有效评估断层的破坏，为预防地震提供一种新评估方法。