介绍

人类活动导致的地震活动1特别是injection-induced地震活动2在许多工业活动期间是公认的危害。尽管之前的广泛研究这个问题,但统一的方法来评估潜在诱发地震期间geoenergy尚未开发的应用程序3。而二氧化碳的储存(有限公司2)在地质构造(如深盐碱含水层)被认为是许多缓解气候变化的一个重要组成部分4在公司,高震级地震的可能性2注入仍然是一个有争议的话题5,6,7。此时此刻,只记录在表面微震动听不清的示范性注射有限公司28。半工业规模项目的成功实施需要显著地影响公众的认知和注入体积的进一步扩展。这些项目通常相当机械化和密集监控程序实现来保证他们的成功。监控活动包括连续测量地下(压力记录、微震的活动监视、重复记录测量,和地震勘探),地下水控制,以及大气和InSAR监控。此外,密集的预先灌浆法网站描述(包括实验室检测提取的岩石)。因此,仔细调查期间收集的数据同时拥有极大的兴趣提高的理解机制负责诱导地震活动的特点。

应特别注意诱发地震风险的评估潜在的结晶基底岩石喷射间隔因为大多数观察事件发生在水库9。与储层岩石的应力状态的典型的结晶岩石更有利于激活已有的缺点5,高渗流的缺点可能作为孔隙压力的途径迁移到低渗透结晶岩石10。例如,尽管综合仪表和密集的网站预先灌浆法评估,但机制injection-induced微震动期间观察到的有限公司2注射在伊利诺斯州盆地仍不清楚11。广泛使用方法基于断层活化由于孔隙压力变化只在需要高超压达到失败。这种机制不能解释观察到的微震动在伊利诺斯州与记录流体超压盆地帕斯卡的顺序12,13。即使现场材料的强度参数实测值低于实验室由于骨折的存在和faults-it岩石的摩擦角是不太可能显著影响,如果大量的填入材料并没有参与进来。预计更高级的模型需要解决流体流动和机械之间的耦合行为,多孔弹性强调效果,地层学和地质特征,等等14,15,16。这些现象可能是负责微震动观察到压力低于预测的简化模型和解释之间没有明显的相关性传播的压力面前和集群的微震的事件。

伊利诺斯州盆地迪凯特项目(IBDP)涉及注入大约100万公吨的有限公司2储层形成3年以上11。注射间隔位于下部的Mt。西门附近砂岩结晶基底由前寒武纪流纹岩(图表示。1)。利用波形互相关方法结果的深度分辨率位于injection-induced微地震事件的几十米,将这些事件与注射间隔下的结晶基底17。Mt的降低单位的特性。西蒙砂岩的存在是一个低渗透中间基密封层(Argenta砂岩),对地形高点会薄或失踪的结晶基底18。看来Argenta形成结晶基底的厚度不足地形高再也不能抑制压力迁移到地下室的缺点,和那些有良好的取向可能重新激活。

图1
图1

素描的地层学参与有限公司2注入深层咸水含水层在伊利诺斯州盆地。低渗透泥岩挡板限制垂直流有限公司2水库的上部。中间层的厚度(Argenta)突然变薄了地形高结晶基底(前寒武纪流纹岩)。观察诱导微震动可能会与复活的极度强调地下室的缺点。

诱发地震的许多功能,例如,地震引发的孔隙压力降低与油气生产有关19和终止注入随后连续地震最大震级的地震20.,无法解释没有考虑多孔弹性的效果14。机械应力状态和孔隙压力的影响是耦合的,不能单独考虑。测量材料的多孔弹性属性需要解决耦合和应包括实验除了地球物理场测试21。本文报告的poromechanical属性Argenta砂岩和前寒武纪流纹岩中提取从T.R.麦克米伦# 2位于IBDP西南约25公里的注射部位。比较T.R.麦克米伦的地球物理日志与大众# 1 # 2 IBDP现场表明Argenta砂岩和前寒武纪流纹岩属性这两个位置是相似的。Argenta砂岩的核心是提取深度在1919年和1920之间,和核心的前寒武纪流纹岩深度在1950和1970米(涉及形成遇到接近T.R.麦克米伦# 2的表面而不是他们在注射部位沉积)。结晶岩石的一个基本特征是骨折的存在,这可能为流体提供途径迁移和减少完好无损材料的强度和弹性模。因此,前寒武纪的流纹岩在骨折标本进行测试(可见部分巩固了骨折)和完整的(没有明显的骨折)状态(图。2)。破碎岩石的测试挑战由于样品制备的复杂性和非平凡的扩展规模在过渡从实验室到现场。Argenta砂岩是异构在小尺度上,所以这些实验是进行标本至少含有100倍平均粒径(0.3毫米)地方特色的影响降到最低。标本的详细信息的几何形状和尺寸用于地质特征补充材料(补充表中可以找到S1)。实现的测量属性是完全耦合振动数值代码来预测结构的响应,因有限公司2注入和诱发地震。

图2
图2

实验工作流程的地质特征。研究材料是前寒武纪流纹岩结晶基底和Argenta砂岩(储层之间的中间层和结晶基底)。结晶岩石标本含有可见部分密封骨折和完整的区域没有明显的骨折。测试Argenta砂岩的标本上进行代表排除异质性的影响大小。

结果

地质测试

测量的超声波速度、孔隙度、矿物组成、弹性和强度前寒武纪流纹岩和Argenta砂岩是之前报道12在补充和总结了多孔弹性属性表S2和补充图。S2

测量固体和体积压缩系数在夹套(干)和unjacketed静水压力测试进行完整的前寒武纪流纹岩(图3a)和Argenta砂岩(图。3c)标本,以及前寒武纪流纹岩和可见部分巩固了骨折(图。3b)。测试标本的照片有三个正交切谷表面图所示。3d-f。由于裂缝的存在和crack-like毛孔,Argenta砂岩的反应和骨折前寒武纪早期阶段的流纹岩是非线性的夹套测试。前寒武纪的正常压力测量在夹套压缩流纹岩表明响应接近各向同性和缺乏优惠微裂隙的方向(补充图。S3)。Argenta砂岩在静水压力低于10 MPa,垂直方向的正应变明显高于正常菌株在两个水平方向,使反应和横向各向同性接近表明主导性sub-horizontal微裂隙的方向。这种行为在静水压力高于10 MPa接近各向同性(补充图。S3)。响应在unjacketed测试期间所有测试接近各向同性材料。测量体积和unjacketed(固体)模断裂前寒武纪的流纹岩标本低于完整岩石由于可压缩材料填满的存在和不完整的水泥桥。unjacketed测试期间,超孔隙压力消散时间测量大约1 h和24 h Argenta砂岩和完整的前寒武纪流纹岩,分别。这些信息是用来制造一个数量级估算材料的渗透率(完整的前寒武纪rhyolite-10-21年2,Argenta-10-18年2)。

图3
图3

静水压力-容积应变图从排水和unjacketed静水压力测试(一个41)完整的前寒武纪流纹岩27××50毫米(b)骨折前寒武纪流纹岩52 20××63毫米(骨折被突出显示为虚线)(c)Argenta砂岩27×44×59毫米。(e,f)测试标本的照片有三个正交切谷的表面。

测量stress-dependent内在渗透率k和SkemptonB系数在核心洪水测试Argenta砂岩和骨折前寒武纪流纹岩(sub-vertical未胶结的骨折)无花果所示。4a、b。空心Argenta砂岩试件垂直于层理(沿垂直原位方向)。测试样本的照片图所示。4c。测试前寒武纪流纹岩与开放骨折标本重复三次同样的标本。然而,预计骨折后双方将相互不匹配相同的完整重组实验,所以连续测试代表定性不同骨折光阑。应该注意,骨折开放不是在测试期间准备和控制,因此,结果应该被认为是一个定性的一系列可能的渗透率骨折标本而不是一个准确的渗透率曲线作为断裂孔径的函数。在第一个测试中,部分断裂似乎依然开放甚至在高效平均应力提供渗透率的10-12年2。在第二个测试中,骨折有不同的开放和测量渗透率~ 10-16年2。最后,在第三次测试中,断裂表面似乎彼此密切匹配,导致渗透率~ 10-19年2(2 - 3数量级高于完整材料)和应用平均应力灵敏度高。

图4
图4

(一个)SkemptonB系数和(b)渗透率骨折前寒武纪流纹岩和Argenta砂岩有效平均应力的函数。断裂的流纹岩的渗透性是高度敏感的样品组装和骨折。(c)测试标本的照片。测试执行圆柱形标本20毫米直径和30毫米的高度。

数值模拟

动机

顶部的结晶基底的深度是不同的注射部位IBDP,积累和Argenta砂岩主要是在该地区的地形低点前寒武纪流纹岩与部件遗失或突然减少厚度在地形高位。由于不均匀沉降,并列的两个不同的岩性,创建sub-vertical抵消前寒武纪流纹岩和Argenta砂岩之间。Argenta似乎更可压缩形成结晶基底,因此结晶基底可以视为主管层和沉积Argenta-a兼容层。由于高压缩率的对比,转动力矩对主管和兼容层之间的接口是由平面水平挤压应力,这弯矩影响附近的应力状态。这种机制是画在无花果。5一个。

图5
图5

(一个)草图的机制之间的接口上的弯矩Argenta和前寒武纪平面水平压缩引起的流纹岩。(b)问题的数值模型具有相同的几何布局包含5的出平面水平方向网格点。平面几何包括太。西蒙,Argenta,前寒武纪的流纹岩,三个高渗流断层在地下室没有一个偏移量,和高透水断层抵消。平面分辨率为81网格点在垂直方向和567网格点在平面水平方向。与明星注入点显示,超压2 MPa在注入点保持不变。三个高透水断层(断层A, B, C)直接连接到储层和一个高透水断层(断层D) Argenta形成孤立的考虑。

数值模拟在当前阶段的目的是突出的角色将主管和兼容层和定性理解它在附近应力状态的影响。一般来说,注射部位的三维地层的特性将会叠加在应力状态,使得它难以破译一个特性的影响。因此,简化几何(假定平面外地层学是相同的)的实现模型和图所示。5b。四个高透水断层(无花果。5b)纳入数值模型。额外的细节提供了数值模型在方法部分和补充材料。

应力状态的预先灌浆法评估

的压力注射间隔太西蒙砂岩与注入和测量步骤率测试13,导致估计小主应力水平(σh= 34.2 MPa),中间主应力是垂直的(σv= 50.8 MPa),最大主应力水平(σH= 61.6 MPa)。假定最大主应力方向一致的平面水平方向,和小主应力方向出平面是水平方向,很好接近公布主应力方向注射部位18。孔隙压力注射间隔接近静水(pf= 21.8 MPa)。这种状态的压力有利于走滑断层作用机制。在数值模拟的第一阶段,边界条件为模型安装匹配压力注射间隔的已知状态并预测潜在形成的应力状态。

抵消在主管层附近的应力状态(故障C)是compression-induced弯矩的影响。等值线的水平平面(σxx)、水平平面外(σyy)和纵向(σzz总压力图所示)。6得了。应力状态的接近临界条件评估的摩擦角之间的区别φ和动员摩擦角φ暴徒。动员摩擦角计算的边坡线切向应力莫尔圆代表当前状态(无花果。6d)。故障如果动员摩擦角φ暴徒等于材料的摩擦角φ(例如,φφ暴徒接近零)。的值φ暴徒这种方法测量摩擦角φ表明低孔隙压力的变化需要重新激活和地区更严重压力。的轮廓线φφ暴徒图所示。6e。摩擦和动员摩擦角之间的差异在很大程度上非常强调地区大约是20°。与此同时,注入有限公司2对于地质碳储存预计不会创建超压降低φφ暴徒为0°,这样条件有利于重大地震活动将无法联系到。

图6
图6

之间的接触表面应力状态附近的主管和兼容层。等值线(一个)水平平面总压力σxx,(b)水平平面外总压力σyy,(c)垂直总压力σzz。(d)计算动员摩擦。(e)接近失败的关键摩擦角φ暴击(摩擦角之间的区别φ和动员摩擦角φ暴徒)。

由于compression-induced弯矩、结晶基底断层的左C正在进一步从极度强调,尽管Argenta形成正确的从断层C和地下室下面Argenta更严重的压力和要求重新激活较小的孔隙压力的变化。随后,主管层的偏移导致应力状态调整在断层附近的约50米的半径C和导致创造更关键的是强调区域的结晶基底之前注入。

在注射过程中应力状态的演变

在注射阶段建模、超压2 MPa在注入点保持不变,并预计应力状态的演变。非耦合反应被认为是作为参考的情况下,在机械压力没有改变注入期间,只有孔隙压力影响动员摩擦角(相当于莫尔圆的转变更接近失败信封)。poromechanical属性的知识形成允许考虑机械应力的变化在注入。动员摩擦角变化的不仅是由于孔隙压力的变化,而且由于机械应力的变化(相当于改变莫尔圆的大小及其变化)。孔隙压力随时间的变化(图四的监视点。7地下室的)无花果所示。7c。这是观察到孔隙压力变化的耦合与非耦合模型是相似的。断层D没有太直接的水力联系。西蒙砂岩储层和似乎是加压慢的缺点相比,液压连接到水库。动员摩擦角随时间的演化预测相同的四个监视点图所示。7b。直接(分开)孔隙压力变化的影响并不显著影响稳定性的所有缺点,与图中虚线所示。7b。耦合模型与实线(见图。7b)故障的注入对稳定性的影响在监视点C和D更明显。多孔弹性应力使断层C和D更关键的是强调和动员摩擦角的变化是显著高于在非耦合情况下耦合模型的比较。

图7
图7

(一个)监测点的位置错误,(b)在监视点动员摩擦角的变化,和(c)在监视点孔隙压力的变化。

此外,沿着断层的稳定性进行了研究。一般来说,动员摩擦角的分布是由预先灌浆法的压力。注入过程变化曲线更高价值的动员摩擦角对其形状(图没有显著影响。8)。A和B的缺点和浅的部分(深度小于25米)断层C展示低动员摩擦角由于压力抵消在主管层附近的再分配。这个地区预计将更少的极度紧张和诱导地震活动不太可能发生在这些缺点。断层D和深度(深度超过25米)的一部分断层C位于该地区的应力集中,因此更高的动员摩擦角是预测的价值。这些错误是第一在注射过程中可能被激活。

图8
图8

动员摩擦角沿断层在不同时刻的时间。-60表示最深的深度模型的边界,深度0 m代表太之间的接口。西蒙砂岩和前寒武纪/ Argenta阵型。

讨论

在本文中,我们报告的结果实验室地质特征的岩石形成与诱导微震动时有限公司2注入在伊利诺斯州盆地。多孔弹性特性测量结晶基底岩石的完整和断裂的状态,以及上覆沉积一层低渗透,这可能作为密封高透水断层在地下室里。测量的流体力学的性质涉及完整的结晶岩石由于其极低的渗透率(~ 10-21年2)导致总试验时间的几个月。另一方面,描述裂隙岩体非平凡的是由于样品制备和问题的复杂性和可重复性的实验。实验室标本骨折可能表示小孔径比在更大的规模和更高的刚度22。此外,渗透率测量的结果和stress-permeability也是已知的尺度依赖的关系10。最后,对标本进行了实验室测试通常与一个或几个骨折,而裂缝网络应考虑现场条件23。所有这些挑战需要正确解决reservoir-scale之前实验室测量的实现属性数值模型。破碎岩石的渗透率测量报告进行高度敏感的实验装置。根据骨折孔径,渗透率可以7不同数量级相同的测试标本和是9个数量级高于完好无损材料的渗透性。

对比非耦合和充分振动耦合数值模型的预测表明,多孔弹性应力的主要扰动机制的缺点被认为是在这项研究中。应该注意的是,绝对值和符号(增加或减少)的多孔弹性应力取决于断层的位置和方向。简化模型几何不允许能够自信地得出这样的结论:多孔弹性应力的主要触发机制是诱导IBDP微震动。然而,呈现的结果凸显了需要发展高分辨率三维振动耦合模型允许分析地下注入和潜在的地震活动。

之间存在低渗透Argenta形成喷射间隔和批判性思维强调地下室防止增压的高渗流的缺点。基底密封层类似于Argenta断层的形成可能阻止激活由于减少了直接的孔隙压力转移效果。这个结果类似于诱发地震的预测减少潜在的底部密封渗透性较低或高存储15。与公司的第一阶段2注射在迪凯特网站分析,执行第二阶段注入100浅(层内密封上方)。西蒙砂岩储层,这导致观察到的微震事件显著减少在地下室里18。进行了数值模拟预测,Argenta限制连接形成的断层D注入储层防止增压的错。尽管直接孔隙压力传递效应的抑制基底密封,需要考虑流体力学的耦合效应,由于断层的稳定性不仅通过孔隙压力变化的影响,还受到机械应力由于多孔弹性的变化效果14。除了在注入多孔弹性应力诱导,事件触发机制对微震的反应可能是重要的24在进一步的研究中,需要解决。

期间观察到的微震动有限公司2注射在IBDP并不直接与传播的压力面前,倾向于集群17。集群相关的微地震事件可能不仅与局部软弱破碎材料也与应力状态由地层学的特点。僵硬的主管结晶基底的抵消(前寒武纪流纹岩形成)需要一个旋转力矩平衡平面压缩压力。这弯矩会导致地层附近应力再分配功能。因此,了解当地地层学的注射部位结合实验室地质表征的结果可能是利用预测注射之前极度强调区域。我们相信并置的主管和兼容层能够创建区域,更关键的是强调在注射之前,因此影响观察的微震动的位置。建议即使错误在地下室提供途径迁移的压力,引发微震动的主要机制与机械应力的变化是由于多孔弹性的效果。假设在平面外几何是不改变水平方向是一个简化的现场条件。因此,观察微震动之间的直接比较和预测极度强调区域似乎为时过早。只有高分辨率三维模型能准确地预测所有极度强调区域,并验证多孔弹性应力的主要触发机制是诱导微震动。

一般建议是彻底的地质岩层的特征需要结合适当的注射部位的描述地形。它允许估计预先灌浆法应力状态决定了区域更容易诱发微震的反应。代表需要三维数值模型计算孔隙压力和机械应力的演变在注入和确定特定的触发机制诱导微震动在大规模的公司2注入。

方法

流体静力压缩

的夹套Kd(干或排水)和unjacketedK年代岩石体积模准确地测量流体静力压缩试验25。应用静水压力与石油和由液压泵控制。样品有三个正交切谷表面检测三个垂直方向的应变花结,这样体积应变εv计算的和三个正交的正常压力。样本覆盖聚氨酯膜,淹没在液压油,由于水压加载记录材料的反应。由于膜可以防止任何液体渗透,孔隙压力的变化在加载是零,和排水体积弹性模量(干)Kd是测量。在夹套测试后,膜被删除,程序重复unjacketed条件下(Δ孔隙压力的变化pf等于总平均应力的变化Δ吗P)报告对应的unjacketed体积弹性模量K”年代,有时被称为模量的固体成分。因此,毕奥系数α是计算α= 1−Kd/K”年代

unjacketed测试期间,孔隙流体压力必须平衡每个加载步骤后的静水压力。超孔隙压力消散时间取决于材料的磁导率,对于低渗透岩石可能需要几天,导致总试验时间的月。耗散时间可能会利用一阶估计岩石渗透率与其他材料属性的知识。

$ $ k \大约φD \μ\ \离开({\压裂{1}{{K_ {f}}} + \压裂{\α}{{\φK_ {D}}}} \右),$ $
(1)

在这里μ是动态粘度的液体,在我们case-hydraulic油(μ石油=0.07Pa·s)Kf孔隙流体的体积弹性模量(K石油= 1.3 GPa)。液压扩散系数D方特征长度成正比吗l和扩散时间成反比t(D~l2/ 4 t双排水边界条件)。

核心洪水

核心洪水装置用于测量渗透率和排水系统的响应26。岩石标本放置两个压板和上游和下游之间的孔隙压力,以及侧油压控制液压泵。所有的泵都能在压力,体积,和流量控制模式。压力控制模式是用于实施排水边界条件,标本中孔隙压力与泵的流体压力均衡。不排水边界条件意味着大量的流体在孔隙空间保持不变,通过关闭阀门上游和下游之间的泵和核心的持有人,在上游或下游流体压力准确通过压力传感器测量。

背压饱和技术是利用达到完全饱和,迫使任何气体在孔隙空间融于孔隙水27。Skempton测量的B系数在逐渐增加压力,同时保持执行Terzaghi平均有效压力P '=P−f常数。当常数B价值独立于背压的大小以固定有效平均应力达到完全饱和假定和内在渗透率与稳态流体测量技术。

数值模拟

实现模型是基于考虑两相连续介质(固体和液体阶段)和数值解毕奥方程的有限差分法在每个网格点。方程都写在一个对称形式分离体积和偏应力张量的部分28,29日:

$ $ \离开(\开始{聚集}\压裂{\部分P}{{\部分t}} \ hfill \ \ \压裂{{\部分P ^ {f}}}{\部分t} \ hfill \ \ \{聚集}结束\右)= - K_{你}\离开({\开始{数组}{* c {20}} 1 & B \ \ B &{αB / \} \ \ \{数组}}结束\)\离开(\开始{聚集}\ nabla_ {k} v_ {k} ^{年代}\ hfill \ \ \ nabla_ {k} q_ {k} \ hfill \ \ \{聚集}结束\右),$ $
(2)
$ $ \压裂{{\部分\ tau_ {ij}}}{\部分t} = 2 g \离开({\压裂{1}{2}\离开({\ nabla_{我}v_ {j} ^{年代}+ \ nabla_ {j} v_{我}^{年代}}\右)- \压裂{1}{3}\ nabla_ {k} v_ {k} ^{年代}\ delta_ {ij}} \右),$ $
(3)

在哪里P总平均应力,pf流体压力,τij是总应力偏量,Ku不排水体积弹性模量,G剪切模量,B是Skempton的系数,α是毕奥的系数,v年代是固相的速度,达西的通量,δij克罗内克符号。

如果分支组件矩阵的情商。2)等于零,非耦合模型。在这种情况下,流体压力和机械应力是相互独立的,只有在注入孔隙压力变化。矩阵的非零组件提供振动耦合,导致孔隙压力和机械应力变化过程中注入。这些额外的机械应力发生由于孔隙压力的变化被称为多孔弹性应力。

线性动量守恒(牛顿第二定律)也可以用对称的形式写的28,29日:

$ $ \离开(\开始{聚集}\ nabla_ {j} \离开({- P \ delta_ {ij} + \ tau_ {ij}} \) \ hfill \ \ \压裂{\μ}{k} q_{我}+ \ nabla_ P{我}^ {f} \ hfill \ \ \{聚集}结束\右)= \离开({\开始{数组}{* c {20}} {\ rho_ {t}}和{- \ rho_ {f}} \ \ {- \ rho_ {f}}和{\ rho_{一}}\ \ \{数组}}结束\)\离开(\开始{聚集}\压裂{{\部分v_{我}^{年代}}}{\部分t} \ hfill \ \ - \压裂{{\部分q_{我}}}{\部分t} \ hfill \ \ \{聚集}结束\右),$ $
(4)

在哪里μ动态流体粘度和吗k是内在的渗透率。加速pseudo-transient迭代法是利用应力达到一个平衡状态在每一个步伐30.。右手边的情商。4)等于零(因为∂准静态平衡的压力状态v/t= 0,∂/t= 0)。因此,组件的密度矩阵(ρt,ρf,ρ一个)只影响迭代的数量计算应力的平衡状态,而不是应力状态本身。

时空交错网格离散连续31日和一个网格补充图所示的例子。S1方程(2- - - - - -4)数值求解与有限差分法在每个网格点。固相的速度的衰减是用来提供弹性波衰减机制和计算的准静态分布固相速度v年代和达西的通量目前的时间t根据情商。4)。在那之后,速度代入方程式。(2,3)计算的应力状态和孔隙压力tt。时代步伐Δt是一个函数的网格间距Δ吗xyz和选择提供稳定的多孔弹性方程的数值方案29日。数值模拟和图形程序实现Matlab©。

测量了实验室补充表中属性进行了总结S2在数值模型中实现。平面外几何模型简化的假设是相同的,因此低分辨率网格(5分)是用于平面外的方向。模型的物理尺寸是700×700×100。平面分辨率为81网格点在垂直方向和567网格点的水平。位移边界条件应用于匹配测量总应力和孔隙压力在注入点:σ3=σh= 34.2 MPa,σ2=σv= 50.8 MPa,σ1=σH= 61.6 MPa,pf= 21.8 MPa。在达到机械平衡和静压孔隙压力分布模型中,动员摩擦角计算和接近失败显示的摩擦角和动员摩擦角之间的差异(差等于零意味着实现故障条件)。在下一阶段,超压2 MPa恒定在注入点与孔隙压力的变化和机械应力监控每个断层研究潜在的触发机制诱导微震的反应。