煤层的裂缝含气饱和度如何？河北高阳低凸起深部热储层回灌注水诱发断层失稳危险性探讨

编者按：

本周为大家推荐《地质力学学报》2023年2期封面文章。此次推送的是朱思雨等作者的《河北高阳低凸起深部热储层回灌注水诱发断层失稳危险性探讨》。

作者：朱思雨, 曹佳文, 丰成君, 王继明, 孟静, 戚帮申, 张鹏

摘要： 近年来, 注水诱发断层活化引发地震已成为深部地热资源安全开采面临的突出地质安全问题。河北高阳低凸起深部岩溶热储丰富, 区内分布多条隐伏断层, 研究旨在探明未来大规模开发高阳低凸起深部地热资源是否会诱发区内隐伏断层失稳破坏。研究基于华北地区综合地应力场, 利用莫尔-库伦准则计算热储区及邻区主要隐伏断层的初始稳定状态; 选用Hsieh and Bredehoeft水文模型计算代表性地热井回灌注水10~40年产生的超孔隙水压力值; 在初始稳定状态的基础上叠加该孔隙水压扰动, 采用断层滑动失稳概率评价方法, 分析长期回灌注水对断层稳定性的影响; 讨论断层走向与最大水平主应力夹角变化对断层滑动失稳风险的作用规律。结果表明: 高阳低凸起及邻区代表性地热井在170 m3/h注水速率条件下, 持续注水40年产生的超孔隙水压力值最大不超过11 MPa, 该扰动以注水井为中心向四周呈幂函数规律递减, 其影响范围不超过8 km; 持续回灌注水对高阳低凸起代表性地热井附近2 km范围内隐伏断层的稳定性影响显著, 部分断层滑动失稳概率超过85%, 具有极高的活化风险; 距离注水井2 km范围内不同走向的断层, 在单井回灌注水50年的作用下, 滑动失稳概率随断层走向与最大水平主应力夹角的减小而迅速增加。文章研究方法及相关成果可为国内外深部地热资源安全开发利用提供地质科学支撑。

关键词：高阳低凸起；地热；回灌注水；断层滑动失稳概率

图件及说明

图 1 高阳低凸起及邻区构造背景和主要隐伏断层分布图

河北高阳低凸起在大地构造上处于华北板块(Ⅰ级)渤海湾盆地(Ⅱ级)冀中坳陷(Ⅲ级)中央凸起带(图 1a、1b)，区域地质构造较为复杂(Yang and Xu, 2004；王贵玲等，2020)。晚中生代，受古太平洋板块俯冲作用以及蒙古-鄂霍茨克海闭合的影响，华北克拉通的动力学机制由早中生代的南北向收缩或挤压转变为近东西向的板内变形与伸展，由此导致华北克拉通破坏(180~155 Ma)，并在早白垩世(~125 Ma)达到峰期，出现大量伸展构造(朱日祥等, 2011)；古新世—始新世中期，太行山山前(F1)、牛东(F2)、徐水-大城(F3)等断裂发生大规模正断层活动，同时高阳低凸起西翼发生旋转(即F6，高阳-博野断裂)，随后，马西断裂(F8)活动强烈，高阳低凸起东翼开始旋转(即F12，高阳凸起东边界断裂；毛翔等，2021)；始新世晚期—渐新世晚期，廊固凹陷、霸县西部、饶阳东部凹陷带等活动强烈，石家庄、保定凹陷断陷减弱；新近纪以来，冀中坳陷断裂活动性整体较弱，徐水-大城(F3)、容城(F9)、高阳-博野(F6)等边界断裂均已停止活动，研究区地质构造相对稳定(何登发等, 2017, 2018；王思琪等，2021)。

图 2 高阳低凸起及邻区主要隐伏断层分段图

为便于后续计算分析各断层的稳定状态，将高阳低凸起及其邻区主要隐伏断层按照走向的不同简化分段，简化后共得到9条隐伏断层，包括33条分段断层，各分段断层在研究区内的展布特征如图 2所示，断层走向、倾角及长度详见表 1(何登发等，2018；商世杰等，2019；隋少强等，2020；谭成轩等，2020；王贵玲等，2020)。断层倾角的确定方面，根据研究区内已有钻探、物探等成果剖面，选取高阳低凸起岩溶热储埋藏深度范围内(3000~4000 m)断层倾角的平均值。此外，考虑到不同参考资料中对于断层走向和倾角的认识略有不同，同一深度范围内断层的倾角也有变化，综合所参考资料中关于断层走向、倾角的描述，对各分段断层的走向、倾角各赋予±5°和±10°的误差值。

图 3 高阳低凸起及邻区主要隐伏断层初始稳定状态

以华北地区地壳浅层综合应力水平作为高阳低凸起初始应力边界条件，根据弹性力学中主应力坐标系下任意斜截面正应力和剪应力计算公式(丰成君等，2019)，得到高阳地热田及其邻区主要隐伏断层在3600 m深度断层面上的有效正应力和剪应力，利用莫尔-库伦准则做出各分段断层在现今应力条件下的有效应力莫尔圆(图 3)。

图 4 高阳低凸起及邻区主要隐伏断层距离滑动失稳所需要的孔隙水压力

由图 3可知，在现今地应力场的作用下，高阳低凸起及邻区主要隐伏断层均处于相对稳定状态，且各分段断层现今稳定状态指示出研究区内主要隐伏断层最小临界摩擦系数为0.51。从图中还可以得出，各分段断层的初始应力积累水平不同，使得不同分段断层距离滑动失稳所需要的临界孔隙水压力不同，具体表现为(图 4)：①徐水-大城断裂F3-1—F3-5分段距离滑动失稳所需要的孔隙水压力值分别为8.47 MPa、10.19 MPa、13.14 MPa、7.72 MPa和12.56 MPa，其中F3-1和F3-4分段更接近滑动失稳的临界状态，其他分段较为稳定；②高阳凸起西边界断裂F6-1和F6-2分段、任丘断裂F7、马西断裂F8-1和F8-2分段以及断裂F15距离滑动失稳所需要的孔隙水压力值分别为28.74 MPa、33.62 MPa、26.90 MPa、29.52 MPa、35.39 MPa和23.68 MPa，整体相对稳定；③高阳凸起东边界断裂F12-1—F12-5分段距离滑动失稳所需要的孔隙水压力值分别为13.00 MPa、16.26 MPa、40.89 MPa、17.97 MPa和10.69 MPa，其中，F12-5分段与其他分段相比较为接近失稳状态；④F13-1—F13-11分段断层距离滑动失稳所需要的孔隙水压力值分别为8.38 MPa、5.60 MPa、9.71 MPa、7.16 MPa、6.20 MPa、6.74 MPa、8.03 MPa、6.43 MPa、7.28 MPa、6.23 MPa和6.29 MPa，表明该断裂的各分段目前均处于稳定状态；⑤F14-1—F14-3各分段距离滑动失稳所需要的孔隙水压力值分别为8.91 MPa、11.20 MPa和13.90 MPa，相对而言，F14-1分段易于失稳，F14-2和F14-3分段更加稳定。

图 5 高阳低凸起及邻区主要隐伏断层初始滑动失稳概率

综合考虑关键参数存在的误差，运用FSP 1.0计算高阳低凸起及邻区主要隐伏断层在未受地热长期开采扰动时的初始滑动失稳风险。从图 5可以看出，研究区及邻区各分段断层初始滑动失稳概率较低，均小于10%，比如，徐水-大城断裂东部F3-4分段、高阳凸起东边界断裂北部F12-5分段、断裂F13的西南段F13-4、东北段F13-6—F13-9初始滑动失稳概率分别为4%、1%、2%、4%、3%、4%和1%，而F13-2、F13-5和F13-10分段初始滑动失稳概率略高，分别为8%、7%和9%。总体来说，高阳低凸起及邻区主要隐伏断层目前均处于稳定状态。

图 6 高阳低凸起代表性深地热井回灌注水产生的超孔隙水压力

基于Hsieh and Bredehoeft水文模型(公式(2))，分别计算回灌注水10~40年产生的超孔隙水压力值(2032—2062年)，计算结果见图 6。

图 7 G7地热井回灌注水引起的超孔隙水压力衰减规律

在恒定的注水速率条件下，随着回灌注水时间的增加，产生的超孔隙水压力也逐渐增长(图 6)。持续注水10年、20年、30年、40年，单井产生的超孔隙水压力值分别不超过6 MPa、7 MPa、8 MPa、11 MPa。以G7地热井为例(图 7)，注水速率和注水时间一定时，单井产生的超孔隙水压力值在注水井中心处最大，以注水井为中心向外呈指数函数规律衰减，其直接影响范围普遍不超过8 km，0~4 km范围内，超孔隙水压力快速降低，4~8 km，逐渐减小为0 MPa。

图 8 高阳低凸起目标地热井回灌注水诱发近场隐伏断层滑动失稳概率

由4.2节可知，在恒定注水速率和注水时间的前提下，单井回灌注水引起超孔隙水压力的影响范围在0~8 km之间，因此，我们选取目标地热井附近8 km范围内的6条第四纪隐伏断层作为研究对象(F6、F7、F12、F13、F14、F15)，在初始稳定状态(图 5)的基础上叠加回灌注水产生的超孔隙水压力(图 6)，计算得到高阳低凸起未来大规模开采深地热资源可能诱发的断层滑动失稳风险(图 8)。需要说明的是，为了考虑回灌注水可能对断层稳定性产生的最不利影响，断层滑动失稳概率计算采用0.51作为各分段断层的临界摩擦系数。

图 9 F13-7分段断层滑动失稳概率随断层走向变化特征

计算结果表明，回灌注水50年间，断层滑动失稳概率随断层走向变化分别表现为3种增长趋势(图 9)：

图 10 F13-7分段断层滑动失稳概率随损失率变化规律

受储层压力、回灌工艺等因素的影响，回灌井的回灌能力可能逐渐降低(刘久荣, 2003)。为研究回灌效率对断层稳定性的影响，以断层F13-7为例，保持断层属性参数和注水时间不变，假定地热开发冷水回灌效率分别为10%、20%~100%，即注水速率分别为17 m3/h、34 m3/h、51 m3/h、68 m3/h、85 m3/h、102 m3/h、119 m3/h、136 m3/h、153 m3/h和170 m3/h，分别计算在不同回灌效率条件下，注水10~40年该断层滑动失稳概率的变化趋势(图 10)。

图 11 高阳低凸起单井回灌注水30天诱发地震震级变化

据李燕燕等(2021)围绕雄安新区高阳地热田4195~4422 m深度高于庄组碳酸盐岩样品开展的三轴抗压强度实验结果显示，在50 MPa围压范围内，白云岩弹性模量主要为33.45~65.03 GPa，泊松比为0.18~0.26，其中最大弹性模量为65.03 GPa，对应的泊松比为0.20，计算得到的最大剪切模量G为54.19 GPa，由公式(3)估算高阳低凸起单地热井在不同回灌注水速率条件下持续回灌1个月可能诱发的最大地震震级(图 11)，估算过程中，回灌注水速率分别为170 m3/h、140 m3/h、110 m3/h、80 m3/h、50 m3/h和20 m3/h。

文章结论

(1) 在现今地应力场的作用下，高阳低凸起及其邻区主要隐伏断层均处于相对稳定状态。

(2) 在170 m3/h回灌注水速率条件下，高阳低凸起代表性地热井回灌注水40年产生的超孔隙水压力值最大不超过11 MPa，影响范围一般不超过8 km，扩散特征表现为以注水井为中心向四周呈幂函数规律衰减。

(3) 高阳低凸起代表性地热井在170 m3/h回灌注水速率条件下，持续注水40年对断层F13的F13-2、F13-4、F13-7、F13-8、F13-10、F13-11分段影响显著，各分段断层的滑动失稳概率很高；对断层F13的F13-1、F13-3、F13-6、F13-9分段和断层F14的F14-1分段稳定性影响较大；对热储区内其他断层稳定性的影响较不明显。受热储层和断层计算参数不确定性的影响，相关结论有待于结合后期地热开采结果进一步验证和完善。

(4) 距离注水井2 km范围内，不同走向断层在单井回灌注水50年的作用下，滑动失稳概率随断层走向与最大水平主应力夹角的变化而变化。两者夹角处于0°~41°之间时，断层滑动失稳概率随着注水时间的延长以指数函数规律快速增长，其中，两者******行或成0°~21°小角度斜交时，断层稳定性受注水影响最为明显；夹角处于42°~57°之间时，断层滑动失稳概率随注水时间的增加呈线性规律增大；夹角大于57°时，回灌注水50年对断层稳定性影响微弱。

第一作者简介:

朱思雨(1998—)，女，在读硕士，主要从事地应力、断层活动危险性、活动构造带灾害效应等方面研究。E-mail: Esther9802@163.com

引用格式

朱思雨, 曹佳文, 丰成君, 等, 2023. 河北高阳深部热储层回灌注水诱发断层失稳危险性探讨 [ J] . 地质力学学报, 29 ( 2) :220-235. DOI: 10. 12090 / j. issn. 1006-6616. 2022093

ZHU S Y, CAO J W, FENG C J, et al. , 2023. Study on fault-slip potential induced by water injection in the deep thermal reservoir of the Gaoyang low uplift, Hebei province [ J] . Journal of Geomechanics, 29 ( 2) : 220-235. DOI: 10. 12090 / j. issn. 1006-6616. 2022093