基于ANSYS的斷層安全性評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用
——以蘇北盆地東臺(tái)坳陷白駒含水層儲(chǔ)氣庫(kù)為例

雷 鳴，王丹丹，邱小松，路世偉，鄧慶杰，李 攀，閔文茂，劉濘瑋

1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.長(zhǎng)江大學(xué) 油氣地下儲(chǔ)庫(kù)研究中心，湖北 荊州 434023；3.湖北省油氣儲(chǔ)運(yùn)工程技術(shù)研究中心，湖北 荊州 434023；4.長(zhǎng)江大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 荊州 434023；5.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100089；6.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100；7.中冶(上海)鋼結(jié)構(gòu)科技有限公司，上海 201900

我國(guó)天然氣儲(chǔ)備量存在較大的地域差異性，使用量存在典型的季節(jié)差異性，北方儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于南方儲(chǔ)量，冬季用量遠(yuǎn)高于夏季用量，地下儲(chǔ)氣庫(kù)(Underground Gas Storage，UGS)作為天然氣峰調(diào)的重要手段，對(duì)我國(guó)天然氣戰(zhàn)略具有重大意義?？萁哂蜌獠貎?chǔ)氣庫(kù)和鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)均對(duì)地域要求較高，依賴于大型油氣田或者地下鹽礦，而含水層儲(chǔ)氣庫(kù)選址范圍較大，可以作為一種重要的選擇類(lèi)型。含水層儲(chǔ)氣庫(kù)依據(jù)天然斷層的空間分布，構(gòu)造多孔介質(zhì)儲(chǔ)層來(lái)儲(chǔ)蓄天然氣，通過(guò)固井技術(shù)實(shí)現(xiàn)周期性采注，運(yùn)行過(guò)程中多孔介質(zhì)的流體壓力增大，固體壓力減小，儲(chǔ)層膨脹會(huì)使斷層部位(包括不活動(dòng)斷層)的有效應(yīng)力發(fā)生改變，容易開(kāi)啟或破裂，導(dǎo)致天然氣泄漏。因此，斷層安全性是含水層儲(chǔ)氣庫(kù)研究的重要課題。

斷層安全性評(píng)價(jià)經(jīng)歷了只針對(duì)泥巖對(duì)接和泥巖涂抹層的定性評(píng)價(jià)(泥巖涂抹因子法SSF[1]、涂抹泥灰比法SGR[2-3])、半定量的Knipe圖解法[4]和利用斷層—儲(chǔ)層排替壓力差法[5-7]的精細(xì)化定量評(píng)價(jià)三個(gè)階段。常用的斷層評(píng)價(jià)方法均沒(méi)有從整體考慮注采荷載對(duì)斷層安全性的影響，并且需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，因此，以數(shù)值模型為基礎(chǔ)，模擬儲(chǔ)氣庫(kù)斷層應(yīng)力狀態(tài)的研究逐漸增多。例如：趙斌等[8]采用氣水二相滲流理論及數(shù)值模擬方法，結(jié)合儲(chǔ)氣庫(kù)構(gòu)造參數(shù)建立了含水層儲(chǔ)氣庫(kù)采注效應(yīng)模型；危齊等[9]構(gòu)建呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫(kù)的ANSYS有限元模型，ZHANG等[10]建立格洛斯特盆地簡(jiǎn)化三維儲(chǔ)層模型，研究注采壓力對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的影響；HUANG等[11]提出三維離散斷裂網(wǎng)絡(luò)—斷層(3D DFN-fault)模型，考慮了斷層滑動(dòng)引起的剪切位移和正常位移。王則等[12]在對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行識(shí)別和發(fā)育模式劃分的基礎(chǔ)上，利用測(cè)井資料、三軸應(yīng)力試驗(yàn)獲得巖石力學(xué)參數(shù)，基于有限元法模擬了3種斷層破碎帶發(fā)育模式。譚麗娟等[13]以斷層體為研究對(duì)象，提出了斷層封閉綜合指數(shù)的概念，用斷面正壓力、斷層帶泥質(zhì)含量、斷層帶碎屑物成巖膠結(jié)作用三大影響因素量化乘積表示。趙樂(lè)強(qiáng)等[14]研究了準(zhǔn)噶爾盆地西北地區(qū)斷層內(nèi)流體活動(dòng)過(guò)程及對(duì)斷層啟閉性的影響。景紫巖等[15]基于相似試驗(yàn)提出了基于斷裂帶泥巖連續(xù)涂抹斷層封閉性評(píng)價(jià)參數(shù)新算法。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)斷層模型的研究不斷深入，但是對(duì)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)斷層的研究尚淺，并未形成一套完整的斷層安全性評(píng)價(jià)體系。

基于此，筆者根據(jù)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的特性，借助ANSYS有限元模擬軟件提出含水層儲(chǔ)氣庫(kù)斷層安全性評(píng)價(jià)方法，以3D實(shí)體模型來(lái)模擬含水層儲(chǔ)氣庫(kù)在不同運(yùn)行壓力條件下斷層處的應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)建合理的斷層安全性判據(jù)，依據(jù)靜力學(xué)分析方法評(píng)價(jià)斷層的安全性。另外，合理預(yù)測(cè)含水層儲(chǔ)氣庫(kù)的最大運(yùn)行壓力可以有效防止不活動(dòng)斷層發(fā)生失效破壞[16]，以蘇北盆地東臺(tái)坳陷大豐—興化探區(qū)白駒儲(chǔ)氣地質(zhì)體為例，構(gòu)建3D實(shí)體模型，在合理評(píng)價(jià)目標(biāo)斷層安全性的同時(shí)，基于斷層安全性判據(jù)預(yù)測(cè)其最大運(yùn)行壓力，為儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 ANSYS斷層安全性評(píng)價(jià)方法

1.1 斷層安全性評(píng)價(jià)思路

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的一款大型通用有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)軟件，包括前處理模塊、計(jì)算模塊和后處理模塊三部分，通過(guò)構(gòu)建研究對(duì)象的3D實(shí)體模型，既可以進(jìn)行瞬態(tài)力學(xué)分析，也能夠模擬實(shí)體模型在不同荷載條件下的靜態(tài)力學(xué)狀態(tài)。由于含水層儲(chǔ)氣庫(kù)注采過(guò)程較短，為了研究斷層運(yùn)營(yíng)期的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需借助ANSYS軟件的前處理模塊構(gòu)建3D實(shí)體模型，計(jì)算模塊模擬若干個(gè)不同內(nèi)壓下斷層應(yīng)力狀態(tài)，后處理模塊實(shí)現(xiàn)斷層的靜態(tài)力學(xué)分析，探究運(yùn)行壓力對(duì)斷層主應(yīng)力的影響(圖1)。

圖1 斷層安全性評(píng)價(jià)思路

借助ANSYS軟件構(gòu)建出有效的3D實(shí)體模型是目標(biāo)斷層安全性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)3D實(shí)體模型初始平衡狀態(tài)下地層、儲(chǔ)層和斷層的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，避免模型失真。此外，如何對(duì)已建模型施加實(shí)際運(yùn)行荷載，從而模擬不同儲(chǔ)層內(nèi)壓；如何根據(jù)斷層處應(yīng)力狀態(tài)判斷斷層安全性，從而預(yù)測(cè)運(yùn)行壓力的極限值，均是實(shí)際應(yīng)用中需要解決的重要問(wèn)題。筆者將以白駒儲(chǔ)氣地質(zhì)體實(shí)際地層和斷層的探測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建ANSYS有限元模型，具體從模型構(gòu)建、模型有效性驗(yàn)證和斷層應(yīng)力模擬及分析等方面展開(kāi)研究。

1.2 斷層安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

含水層儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，斷層處應(yīng)力狀態(tài)是影響斷層安全性的主要因素，也是斷層安全性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)外不少專(zhuān)家和學(xué)者針對(duì)斷層應(yīng)力狀態(tài)的研究提出大量基于巖石力學(xué)和流體力學(xué)的計(jì)算方法，并分析應(yīng)力與斷層封閉性定量關(guān)系。王珂等[17]推導(dǎo)出了三向地應(yīng)力狀態(tài)下斷面正應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算公式，并分析了地應(yīng)力大小和方向?qū)鄬臃忾]性的影響。CUSS等[18]對(duì)飽和高嶺石和球黏土斷層泥斷層復(fù)活電位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一旦鑿槽內(nèi)的孔隙壓力足以克服作用于斷層上的正應(yīng)力，就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。YIN等[19]對(duì)高發(fā)育走滑斷裂帶地應(yīng)力非均質(zhì)性進(jìn)行三維有限元模擬，驗(yàn)證了斷層規(guī)模、斷層密度、斷層走向和斷層帶效應(yīng)對(duì)沿走滑斷裂帶的應(yīng)力非均質(zhì)性有重要影響。

斷層應(yīng)力狀態(tài)影響斷層的緊閉系數(shù)，緊閉系數(shù)越大，斷層封閉性越強(qiáng)，而斷層應(yīng)力對(duì)封閉性影響主要體現(xiàn)在正應(yīng)力性質(zhì)、應(yīng)力非均質(zhì)性和采注應(yīng)力變化上。對(duì)于多孔介質(zhì)儲(chǔ)層而言，注采之前，斷層主要承受的應(yīng)力為地層施加的壓應(yīng)力；注氣之后，斷層內(nèi)會(huì)出現(xiàn)孔隙壓力，對(duì)斷層的作用表現(xiàn)為拉應(yīng)力。不斷向儲(chǔ)層注氣，內(nèi)部孔隙壓力逐漸增大，孔隙壓力對(duì)斷層作用的拉應(yīng)力與地層壓力對(duì)斷層作用的壓應(yīng)力相互抵消，導(dǎo)致斷層所受的有效應(yīng)力降低。隨著儲(chǔ)層內(nèi)壓不斷增大，最終斷層所受的壓應(yīng)力會(huì)被運(yùn)行所產(chǎn)生的拉應(yīng)力完全抵消，斷層將達(dá)到開(kāi)啟或者破裂的臨界狀態(tài)。因此，將斷層的這種臨界狀態(tài)作為斷層安全性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，即“斷層出現(xiàn)拉張應(yīng)力”，通過(guò)分析不同運(yùn)行壓力條件下斷層應(yīng)力云圖，找出斷層處X/Y/Z方向應(yīng)力中最先出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)行壓力，作為最大運(yùn)行壓力的預(yù)測(cè)值，超過(guò)這個(gè)值斷層可能發(fā)生拉張破壞，造成斷層開(kāi)啟或者破裂。

2 ANSYS模型實(shí)例

2.1 大豐—興化探區(qū)地質(zhì)概況

大豐—興化探區(qū)北抵建湖隆起，西臨高郵凹陷，南靠溱潼凹陷和海安凹陷，東邊與小海凸起和裕華凸起接壤。該地區(qū)的勘探主體為白駒凹陷，受幾條近東西向大斷層的控制，形成凹凸相間的構(gòu)造格局，自北向南依次為大豐次凹、施家舍斷裂帶、洋心次凹、草埝斷階帶、吳堡低凸起和馮家墩次凹(圖2)。大豐—興化探區(qū)地層非常破碎，構(gòu)造復(fù)雜，火山巖較發(fā)育，巖性橫向變化非?？?。主要沉積了一套遠(yuǎn)端辮狀河三角洲環(huán)境的地層，巖性為灰色厚層粉砂巖、含礫砂巖、砂礫巖與深灰色、灰黑色泥巖互層，而在凹陷深凹地區(qū)推測(cè)為半深湖—深湖沉積環(huán)境。

圖2 蘇北盆地東臺(tái)坳陷大豐—興化探區(qū)構(gòu)造

白駒凹陷在充填過(guò)程中由于受應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換以及沉積作用間斷和湖平面突變等事件的影響，發(fā)育了各級(jí)不同的并在凹陷內(nèi)可追蹤對(duì)比的等時(shí)地層界面。筆者依據(jù)巖性和地震反射特征，運(yùn)用高分辨率層序地層學(xué)方法，對(duì)大豐—興化探區(qū)進(jìn)行了層序界面劃分，為后續(xù)建模提供實(shí)踐地質(zhì)參數(shù)，以建立更加準(zhǔn)確的三維地質(zhì)模型，避免模型失真。通過(guò)仔細(xì)追蹤和對(duì)比，在白駒凹陷古近系共識(shí)別出6個(gè)具對(duì)比意義的等時(shí)地層界面(圖3)。

圖3 蘇北盆地東臺(tái)坳陷大豐—興化探區(qū)層序地層綜合劃分柱狀圖

2.2 數(shù)據(jù)處理及模型創(chuàng)建

(1)將源文件導(dǎo)入到Surfer15.0軟件，選定插值函數(shù)及X、Y坐標(biāo)間隔；

(2)對(duì)這些坐標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)篩選、排序，并且可以直接繪制出地質(zhì)等高線圖，生成三維地質(zhì)曲面(圖4)；

圖4 地層數(shù)據(jù)處理效果

(3)輸出地質(zhì)曲面的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)，達(dá)到數(shù)據(jù)篩選的目的；

(4)通過(guò)Surfer to ANSYS程序?qū)⒆鴺?biāo)點(diǎn)編譯成ANSYS軟件可識(shí)別格式。

圖5 初步地層—斷層實(shí)體模型

2.3 實(shí)體模型調(diào)整及優(yōu)化

圖6 優(yōu)化后斷層模型

圖7 優(yōu)化后地層—斷層模型

2.4 參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格劃分

模擬運(yùn)行荷載前，需對(duì)已建地層—斷層實(shí)體模型進(jìn)行屬性和材料的定義，確定各項(xiàng)參數(shù)的賦值，比如彈性模量、泊松比、密度等。結(jié)合相關(guān)資料和地震剖面的巖性特征，對(duì)地層及斷層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，參數(shù)值來(lái)源于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)參考文獻(xiàn)[9，21]，見(jiàn)表1。

表1 模型參數(shù)

網(wǎng)格劃分是模型求解的關(guān)鍵，是要將已建好的地質(zhì)模型劃分為一個(gè)個(gè)可以定義屬性、材料、參數(shù)等的微小單元，后續(xù)對(duì)這些單元求解計(jì)算來(lái)反映儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)力狀態(tài)。已建模型網(wǎng)格劃分具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)地層和斷層統(tǒng)一定義為實(shí)體屬性，均采用SOLID185實(shí)體單元，改變實(shí)體單元材料的屬性即可區(qū)分地層、儲(chǔ)層和斷層；(2)為提高網(wǎng)格劃分的精度，提前將模型相關(guān)線段進(jìn)行劃分，劃分大小為100 m；(3)中間區(qū)域存在許多貫穿斷層，采用Free規(guī)則自由劃分，其他區(qū)域均采用Sweep規(guī)則體進(jìn)行劃分(圖8)。

圖8 模型網(wǎng)格劃分效果

3 模型有效性驗(yàn)證

3.1 初始應(yīng)力平衡分析

通過(guò)模型重力加載來(lái)模擬實(shí)際地質(zhì)條件的初始應(yīng)力狀態(tài)，即約束模型邊界，Z方向施加模型自重求解初始平衡后的應(yīng)力場(chǎng)。一方面可以驗(yàn)證已建模型初始平衡后應(yīng)力數(shù)值是否符合實(shí)際地質(zhì)條件；另一方面在模型初始應(yīng)力平衡后的基礎(chǔ)上再次對(duì)模型進(jìn)行不同內(nèi)壓的加載計(jì)算，能夠有效模擬運(yùn)行之后儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)力情況。地層—斷層初始平衡后X/Y/Z方向的應(yīng)力狀態(tài)如圖9所示，應(yīng)力場(chǎng)呈層狀分布，隨著埋深的增加而不斷增大，其中儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)的X、Y方向的應(yīng)力值在20 MPa左右，Z方向的應(yīng)力值在40 MPa左右，與儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行之前儲(chǔ)層的實(shí)際內(nèi)壓相符，表明已建模型可以模擬實(shí)際運(yùn)行之前的真實(shí)情況。另外，儲(chǔ)層部分對(duì)應(yīng)的斷層X(jué)方向應(yīng)力值(第一主應(yīng)力)在17 MPa左右，Y方向應(yīng)力值(第二主應(yīng)力)在17.3 MPa左右，Z方向應(yīng)力值(第三主應(yīng)力)在40 MPa左右，均處于正常范圍。

圖9 模型初始平衡后地層和斷層X(jué)/Y/Z軸方向應(yīng)力云圖

3.2 巖石軸壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型初始平衡模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，抽取豐探1號(hào)井埋深分別為1 426.50和1 630.35 m的巖石樣品做單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(RC)分別為35和40 MPa，而初始平衡對(duì)應(yīng)埋深的應(yīng)力為31.1和35.4 MPa，小于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，即巖石不會(huì)發(fā)生破裂。另外，實(shí)際儲(chǔ)氣庫(kù)地層巖石會(huì)受到不同圍壓的作用，為了驗(yàn)證圍壓對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響，抽取豐探9號(hào)井埋深2 776.30 m的巖石樣本，制作A、B試樣，增加不同的圍壓(2.0，4.0 MPa)進(jìn)行三軸加載試驗(yàn)(圖10)，試驗(yàn)表明：相同區(qū)域和埋深的巖石隨著增大圍壓，抗壓強(qiáng)度也隨著增加，并且該試樣的抗壓強(qiáng)度均超過(guò)90 MPa，而模型初始平衡后對(duì)應(yīng)埋深的應(yīng)力只有50 MPa左右，遠(yuǎn)小于巖石的抗壓強(qiáng)度，表明已建模型能夠較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際地質(zhì)情況。

圖10 巖石軸壓試驗(yàn)應(yīng)力曲線

4 運(yùn)行過(guò)程斷層安全性評(píng)價(jià)

4.1 運(yùn)行荷載加載原理

含水構(gòu)造的儲(chǔ)層部分不是常見(jiàn)的枯竭油氣藏或者大型的地下鹽穴，而是特殊的多孔介質(zhì)儲(chǔ)層。由于儲(chǔ)層不是空腔，ANSYS軟件無(wú)法直接施加面荷載來(lái)模擬儲(chǔ)層內(nèi)壓，經(jīng)過(guò)綜合考慮，決定用“位移約束”來(lái)模擬“儲(chǔ)層內(nèi)壓”。

對(duì)于多孔介質(zhì)儲(chǔ)層而言，向孔隙中注入氣體后產(chǎn)生膨脹，對(duì)固體介質(zhì)產(chǎn)生了壓力。注氣之前，儲(chǔ)層內(nèi)的地層壓力(P)只由固體壓力(Ps)組成；注氣之后，儲(chǔ)層內(nèi)的地層壓力變?yōu)橛蓺怏w產(chǎn)生的流體壓力(Pf)和固體壓力共同組成，并且二者之間存在著固定的轉(zhuǎn)化方式。由于地層壓力總體保持不變，當(dāng)不斷向儲(chǔ)層注氣時(shí)，儲(chǔ)層的流體壓力增大，固體壓力減小，儲(chǔ)層內(nèi)的固體介質(zhì)就會(huì)向外膨脹，產(chǎn)生相應(yīng)的位移量。

初始平衡：

P=Ps0

(1)

注氣之后：

P=(1-n)Ps+nPf

(2)

不斷注氣：

(3)

式中：P為地層壓力(保持不變)，MPa；Ps0為初始平衡儲(chǔ)層內(nèi)壓(固體壓力)，MPa；Ps為固體壓力，MPa；Pf為流體壓力(即注氣壓力)，MPa；n為孔隙率，依據(jù)實(shí)際取值20%；ΔPs為固體壓力減小量，MPa；E為儲(chǔ)層的彈性模量，MPa；μ為泊松比；ε為產(chǎn)生位移的應(yīng)變。

取特定的注氣壓力，通過(guò)公式(1)、(2)計(jì)算相應(yīng)固體壓力減小量，而彈性模量和泊松比是已知，由應(yīng)力—應(yīng)變公式(3)可以求出產(chǎn)生位移的應(yīng)變值，再由應(yīng)變乘以儲(chǔ)層的厚度就可以得到儲(chǔ)層產(chǎn)生的豎直位移量，由應(yīng)變乘以儲(chǔ)層水平方向的長(zhǎng)度就可以得到儲(chǔ)層產(chǎn)生的水平位移量，由應(yīng)變乘以儲(chǔ)層的寬度就可以得到儲(chǔ)層產(chǎn)生的橫向位移量。基于ANSYS軟件計(jì)算模塊功能，通過(guò)“位移約束法”約束多孔介質(zhì)儲(chǔ)層上下表面各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的位移量，求解計(jì)算，即可模擬特定注氣壓力下模型的應(yīng)力狀態(tài)。

4.2 斷層應(yīng)力狀態(tài)分析

經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算，取特定注氣壓力梯度(3.15 MPa)對(duì)已建模型進(jìn)行加載模擬。即運(yùn)行壓力分別取3.15，6.30，9.45，12.60，15.75，18.90，22.05，25.20，28.35和29.90 MPa，對(duì)模型儲(chǔ)層上下表面約束相對(duì)于位移量，求解計(jì)算得出斷層在X/Y/Z軸方向的應(yīng)力狀態(tài)，如圖11所示，為運(yùn)行壓力在28.32和29.90 MPa條件下，目標(biāo)斷層的應(yīng)力云圖。

圖11 運(yùn)行壓力28.32 MPa和29.90 MPa條件下斷層X(jué)/Y/Z軸方向應(yīng)力云圖

從第一主應(yīng)力圖來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第一主應(yīng)力呈現(xiàn)一定的減小規(guī)律，從數(shù)值上進(jìn)行分析得出每增加3.15 MPa左右的運(yùn)行壓力，與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第一主應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小0.46 MPa左右，整體上是呈線性減小的規(guī)律。

從第二主應(yīng)力圖來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第二主應(yīng)力沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，從數(shù)值上進(jìn)行分析得出隨著運(yùn)行壓力的增大，與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第二主應(yīng)力值會(huì)出現(xiàn)小幅度的增大。

從第三主應(yīng)力圖來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第三主應(yīng)力基本保持著穩(wěn)定的狀態(tài)，從數(shù)值上進(jìn)行分析得出隨著運(yùn)行壓力的增大，與儲(chǔ)層接觸的上下段斷層的第三主應(yīng)力值基本維持在-12 MPa左右，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的增減。

模型加載運(yùn)行荷載時(shí)，儲(chǔ)層部分需要進(jìn)行開(kāi)挖處理之后，再對(duì)儲(chǔ)層上下表面的節(jié)點(diǎn)約束相應(yīng)位移量模擬儲(chǔ)層的膨脹，會(huì)導(dǎo)致處于儲(chǔ)層部分的斷層兩端向外拉，逐步抵消來(lái)自模型自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力，與儲(chǔ)層部分接觸的上下段斷層會(huì)更早地出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此，記錄不同運(yùn)行壓力條件下與儲(chǔ)層部分接觸的上下段斷層最小壓應(yīng)力值，并繪制變化圖(圖12)，即可判斷目標(biāo)斷層的安全性。

圖12 不同運(yùn)行壓力下斷層最小應(yīng)力變化

與初始平衡狀態(tài)相比，斷層的各個(gè)主應(yīng)力明顯減小。斷層X(jué)軸方向最小壓應(yīng)力呈線性規(guī)律減小，斷層Y軸方向最小壓應(yīng)力先是緩慢增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度并不大，當(dāng)運(yùn)行壓力達(dá)到15.75 MPa后開(kāi)始出現(xiàn)小幅度減小，28.35 MPa后逐漸趨近于平緩；斷層Z軸方向最小壓應(yīng)力一直都保持著一個(gè)穩(wěn)定的值。含水層儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力的增大，對(duì)斷層水平方向應(yīng)力的影響最大，對(duì)斷層豎直方向應(yīng)力的影響次之，對(duì)斷層垂直方向應(yīng)力的影響最小，并且當(dāng)斷層水平方向應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，斷層豎直和垂直方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.3 最大運(yùn)行壓力預(yù)測(cè)

考慮壓力對(duì)斷層水平方向應(yīng)力場(chǎng)的影響，以此來(lái)判定運(yùn)行壓力的極限值，當(dāng)運(yùn)行壓力達(dá)到28.35 MPa時(shí)，斷層F008與儲(chǔ)層接觸的上下段的最小壓應(yīng)力值達(dá)到0.17 MPa(圖13)。再增加一個(gè)壓力梯度，即取運(yùn)行壓力29.9 MPa，斷層F008與儲(chǔ)層接觸的下端出現(xiàn)拉應(yīng)力，此時(shí)拉應(yīng)力值為0.07 MPa(圖14)，即斷層F008可能出現(xiàn)拉張破壞，斷層有開(kāi)啟或破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 運(yùn)行壓力28.35 MPa條件下斷層F008的水平方向應(yīng)力云圖

圖14 運(yùn)行壓力29.90 MPa條件下斷層F008的水平方向應(yīng)力云圖

因此，判斷運(yùn)行壓力的極限值取值范圍在28.35～29.90 MPa，經(jīng)過(guò)區(qū)間等比例置換計(jì)算出運(yùn)行壓力的極限值為29.50 MPa，為保證運(yùn)營(yíng)期斷層的安全性，建議其運(yùn)行壓力不能超過(guò)29.50 MPa。

5 討論與展望

斷層性質(zhì)及其封閉性受控于斷裂面充填物性質(zhì)等地質(zhì)條件，要想采用本方法進(jìn)行斷層的封閉性分析，首先要對(duì)斷層、目的地層的本構(gòu)模型獲得清晰的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而分析斷裂面充填物性質(zhì)的影響。從安全角度考慮，假如斷層未受到儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)擾動(dòng)前處于封閉狀態(tài)，那么從斷層是否出現(xiàn)拉應(yīng)力判斷其封閉性是否受到破壞是個(gè)比較好的選擇。注氣的工作制度、生產(chǎn)參數(shù)，如注氣壓力、流量等對(duì)斷層封閉性也有影響，這些因素通常只能轉(zhuǎn)換成等效應(yīng)力才能考慮按照本方法進(jìn)行分析。此外，本方法主要是從靜力的角度進(jìn)行分析，由于注氣壓力等變化通常很緩慢，可以認(rèn)為是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)變化過(guò)程，采用本方法分析依舊具有一定的可行性。

6 結(jié)論

本文以蘇北盆地東臺(tái)坳陷大豐—興化探區(qū)白駒儲(chǔ)氣地質(zhì)體為研究對(duì)象，旨在探究運(yùn)營(yíng)過(guò)程中斷層的安全性，以3D實(shí)體模型的形式模擬不同運(yùn)行壓力下斷層的應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)分析得出如下結(jié)論：

(1)基于ANSYS軟件的靜態(tài)力學(xué)分析構(gòu)建了一套完整的斷層應(yīng)力模擬、分析和評(píng)價(jià)體系，并以實(shí)例論證了其可行性。首先，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試、參數(shù)賦值、網(wǎng)格劃分等工作，構(gòu)建完整的3D實(shí)體模型，并通過(guò)初始應(yīng)力平衡計(jì)算和斷層巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性。其次，根據(jù)實(shí)際情況確立位移約束的荷載施加方案，并以3.15 MPa為梯度模擬出不同運(yùn)行壓力條件下斷層處的應(yīng)力狀態(tài)。最后，考察與儲(chǔ)層部分接觸的上下段斷層的最小壓應(yīng)力值，以斷層出現(xiàn)“拉張應(yīng)力”為安全性判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斷層安全性評(píng)價(jià)。

(2)通過(guò)考察不同運(yùn)行壓力條件下斷層在水平、豎直和垂直方向的最小壓應(yīng)力的變化情況，可以得出結(jié)論：運(yùn)行壓力對(duì)斷層水平方向應(yīng)力影響程度較大，對(duì)斷層豎直和垂直方向影響程度較小；隨著運(yùn)行壓力的不斷增大，斷層水平方向有開(kāi)啟或者破裂的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)運(yùn)行壓力超過(guò)29.50 MPa時(shí)，斷層水平方向?qū)?huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，可能發(fā)生拉張破壞，影響斷層的安全性。因此，為保證運(yùn)營(yíng)期斷層的安全性，建議實(shí)際運(yùn)行壓力不超過(guò)29.50 MPa。

致謝：長(zhǎng)江大學(xué)油氣地下儲(chǔ)庫(kù)研究中心、湖北省油氣儲(chǔ)運(yùn)工程技術(shù)研究中心、中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院地下儲(chǔ)庫(kù)所、中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣地下儲(chǔ)庫(kù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)石油浙江油田公司等單位為本文研究提供了豐富的資料和前期研究成果，在此致以衷心感謝！