宁晋超深盐穴储气库盐系地层地应力测定分析.pdf

收稿日期：2023-09-25基金项目：河北省重点研发计划项目“宁晋超深盐穴储气库建设关键技术研究与应用”（21374101D）作者简介：侯秉仁（1973），男，河北石家庄人，本科，高级工程师，研究方向为油气储运及地下空间综合利用。通讯作者：牛耀辉，宁晋超深盐穴储气库盐系地层地应力测定分析侯秉仁1，牛耀辉2*，上官拴通2，苏野2，王续学2，杨哲3（1.河北燃气有限公司，河北 石家庄050000；2.河北省煤田地质局第二地质队（河北省干热岩研究中心），河北 邢台054000；3.河北省煤田地质局煤田地质勘查院，河北 邢台054000）摘要：地应力是盐穴储气库钻完井设计、运行压力设计等方面的重要基础数据，同时在储气库安全运行、经营管理等方面具有非常重要的意义。宁晋石盐田盐岩平均埋深超过2 700 m，而国际上基于超深盐岩地应力的研究鲜有报道，这使宁晋盐穴储气库造腔层段地应力的测定面临很大的技术挑战。文章主要以水压致裂法（HF）和声发射试验（AE）两种测试方法为主，对比已有的区域构造应力测试结果，基于Z1资料井对研究区盐系地层地应力分布特征进行综合分析，研究表明：（1）Z1井盐系地层水平最大主应力方向总体表现为近东西向；（2）Z1井盐系地层地应力整体上随深度增大，水平最大主应力为51.960.0 MPa，水平最小主应力为43.253.7 MPa，垂向最大应力为65.7 MPa；（3）Z1井盐系地层地应结构总体表现为SVSHSh，垂向应力为最大主应力，区域应力状态属于正断层应力环境。关键词：盐穴储气库；超深盐岩；地应力测量中图分类号：TE972文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）04-0005-04Determination and Analysis about Geostress of SaltCavern Gas Storage in Ningjin Extremely DeepFormationHOU Bingren1，NIU Yaohui2*，SHANGGUAN Shuantong2，SU Ye2，WANG Xuxue2，YANG Zhe3（1.Hebei Natural Gas Company Limited，Shijiazhuang 050000，China；2.No.2 Exploration Team，Hebei Bureau of Coal Geological Exploration（HebeiProvince Hot Dry Rock Research Center），Xingtai 054000，China；3.Hebei CoalMine Geological Exploration Institute，Xingtai 054000，China）Abstract：Ground stress is an important basic data for drilling and completion design，operating pressure design，and other aspects of salt cavern gas storage.It is also of great significance inthe safe operation，management，and other aspects of gas storage.The average burial depth of saltrock in Ningjin Shi Salt Field exceeds 2 700 meters，and there are few reports on research based onultra deep salt rock in-situ stress internationally，which poses a great technical challenge to themeasurement of in-situ stress in the cavity section of Ningjin Salt Cave Gas Storage.This articlemainly uses two testing methods，hydraulic fracturing method（HF）and acoustic emission test（AE），to compare the existing regional tectonic stress testing results.Based on the Z1 data well，acomprehensive analysis of the distribution characteristics of ground stress in the salt strata of the盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第4期2024年4月5盐科学与化工第53卷第4期2024年4月1前言地应力（crustal stress）指存在于地壳中的应力，即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。地下盐腔开挖后原始地应力场重新分布导致其产生收缩变形，准确获取地应力数据对于模拟盐腔周围的应力应变分布，进而确定运行压力区间具有重要作用1-2。迄今为止，国内工程应用中较为常见的应力测量方法主要有水压致裂法、套芯应力解除法、应变恢复法、声发射法等3-4。其中，水压致裂法是目前公认的最为有效可靠的深部地应力原位测定方法5-7，在盐穴储气库工程中被广泛应用。拟建的宁晋盐穴储气库是世界最深的盐穴储气库，面临重大的科技挑战，在正式建设前需对其深部盐系地层地应力特征及分布规律进行充分测试，以评估该区储气库建设的地质可行性。文章主要采用水压致裂法对宁晋拟建库区开展地应力测试工作，旨在为该区储气库建设可行性分析提供基础地质资料和为我国超深盐穴储气库的建设提供理论依据。2研究区概况宁晋石盐田位于河北省邢台市宁晋县，整体地质构造条件简单，石盐矿体埋深 2 3803 450 m，厚度为 34.23323.25 m，夹石率为 10.91%53.9%，NaCl 平均品位为 86.56%，分布面积约为 202 km2。总体上，该盐田石盐矿产赋存条件良好，适宜建设盐穴储气库。2020年，宁晋盐穴储气库前期研究工作启动，实施了河北省第一口盐穴储气库资料井Z1井。围绕Z1井，在深度2 7803 150 m范围选取了 5 个试验层段，进行水压致裂法（HF）地应力测量，利用其岩心分别开展非弹性应变恢复试验和声发射试验（AE），相关测试层段分布见表1。3地应力测量3.1水压致裂法地应力测量Z1 井 HF 地 应 力 测 量 获 得 了 5 个 测 段 的压力时间曲线，见图1。从压力时间曲线上，破裂压力Pb、重张压力Pr比较容易确定，可分别取压裂过程中第一循环回次的峰值点、曲线上斜率发生明显变化时对应点。此外，国内外大量研究数据表明，测试段岩石孔隙压力PO可近似等同地下水位的静水压力。关闭压力PS无法直接从压力时间曲线获取，而其准确取值对最大、最小水平主应力的确定尤为关键。针对HF地应力测量关闭压力PS的取值，国际岩石力学学会（ISRM）推荐了5种方法，此次使用单切线方法确定。数据处理过程，由于2 620、2 838、2 878 m测段的2个重张回次存在离散性，因此将其2 个回次上特征参数的平均值作为最终的取值结果。此外，由于泥浆和设备等原因，2 668 m测段井下压力计未能记录到压裂数据，通过地面压力与study area is conducted.The study shows that：（1）The overall direction of the maximum horizontalprincipal stress in the salt strata of the Z1 well is nearly east-west.（2）The overall geostress of thesalt bearing strata in Well Z1 increases with depth，with the maximum horizontal principal stressranging from 51.9 to 60.0 MPa，the minimum horizontal principal stress ranging from 43.2 to53.7 MPa，and the maximum vertical stress ranging from 65.7 MPa.（3）The overall geologicalstress structure of the salt bearing strata in Well Z1 is SVSHSh，with the vertical stress being themaximum principal stress.The regional stress state belongs to the normal fault stress environment.Key words：Salt cavern gas storage；Ultradeep salt rock；Geostress measurement方法HF地应力测量AE试验测段/取样编号NJ-HF-1NJ-HF-2NJ-HF-3NJ-HF-4NJ-HF-5NJ-AE-1NJ-AE-2NJ-AE-3NJ-AE-4NJ-AE-5NJ-AE-6测段深度/m2 620.002 668.002 838.002 878.002 950.002 922.382 925.582 954.162 958.992 959.512 960.29岩性泥岩（盖层）泥岩（盖层）盐岩盐岩白云质泥岩（夹层）盐岩盐岩盐岩盐岩盐岩盐岩测段长度/cm180180180180180405584528322表1Z1井地应力测量测试层段信息Tab.1InformationoftestlayerforgroundstressmeasurementinWellZ16侯秉仁，等：宁晋超深盐穴储气库盐系地层地应力测定分析Z1 井 HF 地应力测量压裂参数和主应力值计算结果见表2。利用 ANSYS软件模拟该区应力场，结合 Z1井HF地应力测量结论，分析水平主应力纵向变化规律（见图 2）。结果表明，模拟及实测得到的最大、最小水平主应力随深度增加总体呈增加趋势，实测结果与模拟数据之间互相存在一定的离散。3.2声发射法地应力测量利用超声波脉冲信号穿透岩石试样，则表现出不同的波速，对沿岩心径向不同角度声波发射获取的波速数据进行统计分布，获取圆周波速各向分布规律（见图3）。可见，最大水平主应力方向大部分角度在60 90之间，为近NEE-SWW方向。管柱内泥浆压力计算得到井下压力，由此PS的取值仍然有效。HF地应力测量确定水平主应力是基于岩石符合线弹性力学性质的假设，此次测试段为泥岩或盐岩地层，岩石的塑性特征较强，根据传统计算公式获得的水平最大主应力可能存在较大的误差，因此文章仅给出测试段的水平最小主应力和垂向主应力。图1Z1井HF地应力测量压力时间曲线及Pb、Pr、PS值计算结果Fig.1Pressure time curve and Pb，Pr，PSvalue calculation results of HF ground stress measurement in Well Z1压力/MPa55504540353002468101214时间/min（a）测试深度：2 620 mPb=53.20Pr=43.31PS1=42.31PS2=44.1压力/MPa5452504846444240383634048162024时间/min（b）测试深度：2 668 mPS=45.212压力/MPa6055504540353004610 1220时间/min（c）测试深度：2 838 m82181614Pb=59.32Pr=53.68PS1=50.27PS2=54压力/MPa65605550454035048122024时间/min（d）测试深度：2 878 mPb=63.15Pr=59.03PS1=50.2PS2=51.1716压力/MPa605550454035048101420时间/min（e）测试深度：2 950 mPb=58.85Pr=56.2712261816PS=51.38表2Z1井HF地应力测量结果Tab.2HF ground stress measurement results of Well Z1测段序号NJ-HF-1NJ-HF-2NJ-HF-3NJ-HF-4NJ-HF-5测段中深/m2 620.002 668.002 838.002 878.002 950.00压裂参数/MPaPb53.20/59.3263.1558.85PS43.1943.8652.0149.6151.39Pr43.31/53.6859.0356.27主应力值/MPaSh43.1943.8652.0149.6151.39SV57.6458.7062.4463.3264.90图2Z1井实测最大、最小水平主应力随深度变化散点图Fig.2Scatter plot of measured maximum and minimum horizontalprincipal stresses with depth in Well Z1深度/m2 6002 6502 7002 7502 8002 8502 9002 9503 0003035404550556065707580底板盐岩盖层最大水平主应力-ASR最小水平主应力-ASR最小水平主应力-HF应力/MPa7盐科学与化工第53卷第4期2024年4月测段深度/m2 6002 6502 7002 7502 8002 8502 9002 9503 0004综合分析将此次基于水压致裂法所获取的数据和已有的其他多种测试结果进行统计和对比分析，见图4。首先，水压致裂法（HF）获取的地应力数据可信度较高，其次，SH（XMAC）曲线与Sh（XMAC）曲线整体靠左，说明较 Z1 井 HF 地应力测量和 ASR 试验，偶极声波测井获取的地应力数据整体偏小。究其原因，偶极声波测井主要通过对间接获取的地层力学参数进行理论计算获取地应力数据，该方法比较适用于原始沉积地层模型，未考虑构造运动对地应力的叠加作用，而对于宁晋盐矿区这样经历过多期构造运动的成盐盆地显然不适用。即便如此，SH（XMAC）曲线与Sh（XMAC）曲线反映出的地应力纵向变化规律仍与其他地应力测量方法表现出较高一致性，可见偶极声波测井应用于地应力测量中仍具有一定意义。此外，通过钻孔憋压监测获取的Z1井底部地应力为 60 MPa，这与 ASR 试验高度吻合，说明钻孔憋压监测在地应力测量中是重要的补充验证手段。通过AE试验获取的最大水平主应力方向为60 90，认为Z1井最大水平主应力方向为近东西向。5结论通过对研究区深部盐系地层展开地应力测试及室内数据分析工作，得出以下结论：1）Z1井盐系地层水平最大主应力方向总体表现为近东西向。图32 960.29 m测段岩石波速分布图Fig.3Rock wave velocity distribution in the 2 960.29 m measurement section315（a）上层面中层面下层面（b）4 6004 4004 2004 0003 8003 6003 4003 2003 0002 8004 6004 4004 2004 0003 8003 6003 4003 2003 0004 4004 2004 0003 8003 6003 4003 200315315300300300285285285270270270255255255240240240225225225225波速最大水平地应力方向最小水平地应力方向210210210195195195180180180165165165150150150135135120120105105909075756060759010512013560454545303030151515150003303453303453303453 9004 0004 1004 2004 3003 9003 8004 0004 1003 9004 1004 2004 3004 400上层面中层面下层面图4Z1井地应力数据综合曲线Fig.4Comprehensive curve of ground stress data for Well Z14045505560主应力值/MPaSH（ASR）Sh（ASR）Sh（HF）SH（XMAC）Sh（XMAC）（下转第13页）86彭祚全，张欣，牟敏，等.富硒食品含硒量范围标准的研究 J.微量元素与健康研究，2013，30（1）：41-43.7RAYMAN M P.Selenium and human health J.The Lancet，2012，379（9 822）：1 123-1 256.8MAREK KIELISZEK.SeleniumFascinating Microelement，Properties and Sources in Food J.Molecules，2019，24（7），1 298.9罗科丽，柯坚灿，郑鸿涛.富硒食品中硒元素检测方法的研究进展 J.食品安全质量检测学报，2017，8（12）：6-8.10中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会，国家食品药品监督管理总局.食品安全国家标准食品中硒的测定：GB 5009.932017 S.北京：中国标准出版社，2017.11李慧峰，黄咏梅，李彦青，等.甘薯中总硒含量和无机硒含量分析的响应面优化 J 中国无机分析化学，2020，10（4）：76-8212姚清国，祁永浩.氢化物发生原子荧光光谱法测定饲料用香菇菌糠中硒含量的方法研究 J.饲料工业，2020，41（14）：60-64.13熊其碧，李文君，陈绍宇.氢化物原子荧光光谱法测定植物硒盐中硒含量的运用 J.中国井矿盐，2021，52（4）：41-44.14刘进玺，周晓华，王铁良，等.高效液相色谱氢化物发生原子荧光光谱法测定土壤中的4种硒形态 J.农产品质量与安全，2022，2：52-55.15赵晨曦，高佳，付志斌，等.食品中硒总量检测方法研究进展J.食品安全质量检测学报，2021，12（5）：1 653-1 661.16贾玮，周媛媛，许牡丹，等.湿法消解电感耦合等离子体发射光谱法检测富硒豆类中硒蛋白含量 J.食品安全质量检测学报，2021，12（19）：7 520-7 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