预防注水作业诱发地震的方法与流程

本发明涉及非常规页岩气、致密砂岩气和地热能源产出水回注技术领域，特备别是一种能够实时监测断层附近岩石应力变化，预防回注作业诱发地震的方法。

背景技术：

近年来，随着石油勘探、钻井和压裂工艺技术的不断进步，油气能源的开采从常规砂岩和碳酸盐岩转向到非常规储层页岩、致密砂岩和煤层。由于非常规储层岩石致密，孔隙度和有效渗透率非常小，要实现商业性开发，必须实施多层级大规模水力压裂改造施工，在储层中制造大尺寸人工裂缝，并诱导岩石中的节理和裂隙，产生大体积的裂缝网络，尽可能覆盖储层。以我国重庆涪陵页岩气作业区开采为例，单口页岩气水平井水力压裂施工所需液体量通常为40000～70000m³，在施工结束后，随着采气工程的实施，压裂液体会随着页岩气的生产返回到地面，经过特殊化学处理后，符合水质要求的液体可以用于其他井的压裂施工，剩余液体则需要通过注水井回注至地下某个具有高渗透率的层系中。

同时，作为清洁能源的地热能的开采除了实施水力压裂以外，需要从开采井的热能储层中抽取大量的高温热水至地面，用于发电、供暖、热带养殖、种植、温泉休闲、以及工业用热、干燥产品等。随着开采规模的不断扩大和政府对环境污染严格要求，地热开采利用后的水由过去市政处理后排放转为通过专门的注水井回灌到热储中去，用于补充地层能量缺失，使得地层热能再次利用，实现地热资源的可持续开发。

但是，越来越多的研究发现回注作业与小震级的地震存在相当大程度的内在联系。当注入水经地层渗流到附近断层中会增加周围岩石的孔隙压力，该压力会增加断层周围岩石应力，当积累到一定数值后岩石将发生剪切失效，造成断层滑动，引发地震。美国、加拿大、英国等页岩气生产区及地热开采区均存在大量的不同级别的地震活动，引起政府高度重视。在中国，页岩气和地热能富集区域主要集中在西南山区，地下不同类型和尺度的断层多，因此，在回注作业过程中更易于诱发地震，诱发地面山体滑坡等严重地质灾害。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种预防注水作业诱发地震的方法，以解决在干热岩中产生大范围的人工裂缝困难的问题。

本发明提供的预防注水作业诱发地震的方法，具体包括如下步骤：

步骤s1：依靠地面物探作业，识别注水作业区内断层的性质、深度、长度和方位角，分析诱发地震的断层；

步骤s2：在断层附近钻探多口钻穿所有开发层系的直井作为监测井；

步骤s3：对监控井采用套管进行固井、完井，并在套管的外壁上固定有用于感测套管应力变化的光纤传感器，光纤传感器与地面的监控系统相连接；

步骤s4：向注水井内注入高压液体，在高压液体流经套管时，通过光纤传感器监测高压液体对套管产生的应力变化并传送至监控系统；

步骤s5：通过监控系统判断套管的应力变化是否大于预设幅度，如果大于预设幅度，则停止向注水井内注入高压液体，并转入井下封堵作业，防止高压液体激发断层造成地震。

此外，优选的方案是，通过向注水井内的注水管柱注入封堵剂完成封堵作业，阻断高压液体流向断层。

与现有技术相比，本发明提供的预防注水作业诱发地震的方法，通过多口监测井分析高压液体对井内套管的应力变化，在判断出高压液体具有流向断层的趋势时，停止注入高压液体，并转入封堵作业，缓解及避免地震的发生，达到科学预防地震的目的。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的注水井与监控井的布置平面图；

图2为根据本发明实施例的注水井与监控井的剖面图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

如图1和图2所示，以页岩气作业区为例，作业区内存在两口注水井，分别为注水井a和注水井b，用于将多口页岩气井处理后的剩余液体高压回注至地层，注入层垂直深度为3000m，储层深度为2960-3140m。为了有效识别高压液体流入断层，防止高压液体激发断层运动产生一定级别的地震，本发明采用的预防方法如下：

步骤s1：采用物探作业方式，分别识别注水井a和注水井b周边区域地层内的断层分布情况，经分析存在两个可能产生地震的断层：断层1垂直分布范围为2900-3100m，平面投影长度为1000m，方位角为北偏西75°，断层2垂直分布范围为2950-3105m，平面投影长度为12200m，方位角为北偏东60°。

物探作业方式为现有技术，故在本发明中不再赘述。

步骤s2：分别在两个断层附近钻探三口监控井，三口监控井分别为监控井a、监控井b和监控井c。

步骤s3：监控井a、监控井b和监控井c均为井眼直径为ф88.9mm的直井，监控井a、监控井b和监控井c均采用ф50.8mm套管进行固井、完井，井深为3200m。

在下入套管的过程中，在套管的外壁上固定有用于测量管壁应力变化的光纤传感器，光纤传感器下入井底，光纤传感器的上部穿过监控井的井口连接地面的监控系统。

光纤传感器实时监测套管受到的应力，并传输至监控系统。

步骤s4：向注水井a内注入高压液体。

高压液体为生产井的废水，需要将其注入注水层，注水层的深度与储层的深度一致，注入注水层的目的是防止废水污染浅水层的供人类使用的地下水。

步骤s5：通过监控系统判断套管的应力变化是否大于预设幅度，如果大于预设幅度，则停止向注水井内注入高压液体，并转入井下封堵作业，阻断高压液体流向断层，防止高压液体激发断层造成地震。

在高压液体流经套管时，会冲击套管，对套管产生压力，套管受到的应力将会发生变化，光纤传感器将高压液体对套管产生的压力传输至监控系统，监控系统会对比分析套管未被高压液体冲击时的应力与套管被高压液体冲击后的应力。在监控系统中，应力是以信号幅度来显示，当高压液体对套管产生压力时，信号幅度会超出预设幅度出现大波动。

例如：监控井b内套管的应力变化幅度出现较大波动时，说明高压液体与监控井b产生相互作用，证明高压液体具有流向断层1的趋势，此时，停止向注水井a注入高压液体，并转入封堵作业。

封堵作业的过程为：向注水井a的注水管柱入封堵剂，封堵剂凝固后会堵住高压液体流向断层1的地层通道，封堵剂的浓度随操作时间而变化，配合实时监控系统分析监控井b内套管的应力变化情况，分析流向断层1地层通道的封堵程度和效果，调整封堵措施，从而改变高压液体的流向，使其远离断层。

若在后续注入过程中，监控井a和监控井c应力变化幅度出现较大波动时，同样停止注入作业，转入封堵作业，防止高压液体激发断层产生地震。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。