📝 摘要
研究区域位于美国西南部一个平坦、广阔、半干旱的高原（德克萨斯州西部和新墨西哥州东南部），下方是深部的古生代沉积盆地——构造活跃的 Delaware 盆地，也是密集的油气生产区。研究聚焦于油气井产出的大量采出水通过 1000 多口处置井注入的影响，特别是压力积聚、诱发地震及其潜在后果。目标地层为二叠纪 Delaware Mountain Group（DMG），厚度达 4500 ft（~1400 m），主要由细粒深水硅质碎屑斜坡和盆地沉积物（砂岩、粉砂岩和少量石灰岩）组成。基于测井数据、地层数据、岩石物理分析和岩心数据（模型范围 123×170 平方英里，网格尺寸 1×1 平方英里），结合处置井的地面注入压力和速率的动态注入能力信息，建立并校准了流动模型。区域水文地质新发现：注入 58 亿桶（9.2 亿立方米）废水在 DMG 中产生了区域性压力增加，范围主要在 100-400 psi（0.7-2.8 MPa）：（1）产生了强自流条件，结合大量历史钻孔，可能连接 DMG 和淡水含水层；（2）产生了导致实际观测到的中等诱发地震的条件。本研究使用 CMG STARS 模拟器建立了三维单相流动模型，分析了区域孔隙压力的时空演化。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | • CMG STARS：热采及高级过程模拟器，用于模拟孔隙压力历史和盐水处置过程中的流体流动（论文第8页，第4.1节）。 • CMG GEM：组分模拟器（论文中提及，感谢部分）。 • Schlumberger Petrel：用于构建地质网格模型（论文第7-8页，第4.1节）。 |
| 模型类型 | 三维单相流体流动模型，采用 corner-point 网格，共 215,621 个有效网格单元。 |
| 模拟对象 | 德克萨斯州西部和新墨西哥州东南部 Delaware 盆地中的 Delaware Mountain Group（DMG）地层，包括 Bell Canyon、Cherry Canyon 和 Brushy Canyon 三个组，以及 Capitan 礁。 |
| 应用方式 | • 地质模型构建：使用 Petrel 软件构建地质网格模型（1090 口井的层位对比），建立 18 个 DMG 层（每个组分为 6 个等厚层）和 12 个 Capitan 礁层。 • 属性分布：孔隙度通过测井数据（334 口井）和序贯高斯模拟建立（图3a）。渗透率场通过两种方法构建：（1）基于孔隙度-渗透率变换（9000+ 数据点）；（2）基于 SWD 井的注入能力（injectivity）估算（594 口井）（图3b）。 • 流动模拟：使用 CMG STARS 计算孔隙压力历史，计算流体性质（粘度、密度）作为温度、压力和盐度的函数。模型为等温模式（温度随深度变化，但不随时间变化）。 • 边界条件：侧向边界为无流边界（基于区域构造边界），顶部和底部也为无流边界（基于渗透率对比）。 • 历史拟合与校准：使用 SWD 井的月注入量和井口压力数据（569 口井，>15,000 个数据点）进行校准。将井口压力转换为井底压力（考虑静水压力和摩擦损失），与模拟的 BHP 进行比较（图5、图 S13、S14）。 • 敏感性分析：对水平渗透率（0.2x-5x）、垂直渗透率、压缩性（0.5x-2x）、孔隙度、温度梯度、地层水和注入水盐度、水平渗透率各向异性、Capitan 礁的影响以及油气生产的影响进行了敏感性分析（图6、图 S15、表 S3）。 |
| 模型参数 | • 网格：123×170×30（总面积 123×170 平方英里，约 198×274 km²），网格尺寸 ~1×1 平方英里（1.6×1.6 km） • 平均层厚：163 ft（50 m），85% 单元格厚度 70-278 ft（21-85 m） • 地层：Bell Canyon、Cherry Canyon、Brushy Canyon、Capitan Reef • 平均孔隙度：~9%（Bell 和 Cherry 高于 Brushy） • 平均渗透率：~18 md（范围 0.4-200 md） • 垂向与水平渗透率比：0.1（基 案例） • 孔隙压缩系数：7.5×10⁻⁶ psi⁻¹（1.09 GPa⁻¹） • 初始压力梯度：0.49 psi/ft（11.08 kPa/m） • 地温梯度：1.25°F/100 ft（22.75°C/km） • 地层水盐度：900-250,000 ppm（随深度线性增加） • 注入水盐度：60,000 ppm（基 案例） • 总注入量：58 亿桶（至 2019 年 12 月） • 模拟时段：1983 年 1 月 – 2019 年 12 月 |
| 模拟方案 | • 基 案例：仅考虑 SWD 注入，不考虑 DMG 常规油气生产的水循环（假设注入和生产相抵） • 敏感性方案：改变水平渗透率（0.2x-5x）、压缩性（0.5x-2x）、垂直渗透率、孔隙度、温度梯度、盐度、水平渗透率各向异性、Capitan 礁的激活/失活 • 油气生产影响方案：考虑 DMG 原油生产（6 亿桶）和相关水生产（15 亿桶）的影响 |
| 主要结论 | • 压力增加范围：DMG 中孔隙压力增加主要在 100-400 psi（0.7-2.8 MPa），局部可超过 500 psi（3.5 MPa）（图4）。 • 垂向差异：Bell Canyon 和 Cherry Canyon 组压力增加更显著（注入更集中），Brushy Canyon 组压力增加较小。 • 敏感性分析：压力增加最敏感于水平渗透率和压缩性（图6）。水平渗透率增加 5 倍可使压力增加减少 30-60%；压缩性加倍可使压力增加减少 ~30-35%。 • Capitan 礁的影响：Capitan 礁对 DMG 边缘有一定压力缓冲作用（~20 psi），但不影响区域尺度压力演化。 • 油气生产的影响：DMG 原油生产（6 亿桶）和相关水生产（15 亿桶）可降低压力增加 40-140 psi（0.28-0.97 MPa）。 • CMG STARS 的适用性：STARS 能够有效模拟大规模盐水处置过程中的单相流体流动、孔隙压力演化和盐度输运，是区域尺度水文地质模拟和诱发地震风险评估的有力工具。 |
文中明确指出（Case145.pdf）：
“The Computer Modelling Group’s (CMG) modeling package CMG-STARS, v.2019.10 was used to simulate pore pressure history. The code computes fluid properties such as viscosity and density as a function of temperature, pressure, and salinity.” （第8页，第4.1节）
“We also thank operators who shared details about their SWD operations. Finally, we thank IHS Markit for access to their Enerdeg database and Petra software, Computer Modelling Group (CMG) for access to their STARS and GEM softwares, and to Schlumberger for access to their Petrel software.” （第15页，Acknowledgments部分）
🧪 模拟方案与主要结果
1. 模型结构与属性分布（第4.1-4.2节，图3，表S1）
地质模型：123×170×30 网格，总面积 ~20,000 平方英里，网格尺寸 ~1×1 平方英里。
| 地层 | 平均孔隙度 | 平均渗透率（md） | 主要特征 |
|---|---|---|---|
| Bell Canyon | 较高（>9%） | 较高 | 分选好的砂岩，通道更一致，延伸更远，注入最集中 |
| Cherry Canyon | 较高（>9%） | 较高 | 注入较集中 |
| Brushy Canyon | 较低（<9%） | 较低 | 砂岩较粗但分选差，注入最少 |
| Capitan Reef | – | 高 | 礁灰岩，高渗透率，位于盆地边缘 |
渗透率场构建：两种方法——（1）基于孔隙度-渗透率变换（9000+ 数据点）；（2）基于 SWD 井注入能力估算（594 口井）。
2. 基 案例压力演化（第5节，图4，图S12）
模拟时段：1983 年 1 月 – 2019 年 12 月，总注入量 58 亿桶。
| 地层 | 压力增加范围 | 特征 |
|---|---|---|
| Bell Canyon | 100-400 psi（局部 >500 psi） | 压力增加最显著，侧向范围最大 |
| Cherry Canyon | 100-400 psi（局部 >500 psi） | 压力增加显著 |
| Brushy Canyon | 100-400 psi（局部较高） | 压力增加相对较小 |
历史拟合结果（图5、图 S13、S14）：
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模型 BHP 与实测数据（估算自井口压力）吻合良好
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选定井的 RMSE 范围 100-250 psi（0.7-1.7 MPa）
3. 敏感性分析（第5节，图6，表S3）
| 参数 | 变化范围 | 对压力增加的影响 | 敏感度排序 |
|---|---|---|---|
| 水平渗透率 | 0.2x-5x | 5 倍 → 减少 30-60%；0.2 倍 → 同等增加 | 最高 |
| 压缩性 | 0.5x-2x | 2 倍 → 减少 ~30-35% | 第二高 |
| 水平渗透率各向异性 | 各向异性 vs 各向同性 | ~10% 变化 | 中等 |
| 垂向渗透率 | 0.01-0.5 倍水平渗透率 | 影响较小 | 低 |
| 孔隙度 | ±50% | 影响较小 | 低 |
| 温度梯度 | 1.0-1.5°F/100 ft | 影响较小 | 低 |
| 盐度 | 20,000-150,000 ppm | 影响较小 | 低 |
| Capitan 礁激活 | 激活 vs 失活 | 边缘 ~20 psi 缓冲 | 不影响区域尺度 |
| 油气生产 | 考虑 6 亿桶油 + 15 亿桶水产出 | 压力增加减少 40-140 psi | 局部显著 |
4. 油气生产影响（第5节，图 S15）
考虑方案：DMG 常规油气生产（6 亿桶油，15 亿桶水）及相关水的 SWD 注入。
| 方案 | 压力增加变化 | 说明 |
|---|---|---|
| 仅油生产 | 减少 10-40 psi（0.07-0.28 MPa） | 效应较小 |
| 油 + 水产 + 注入 | 减少 40-140 psi（0.28-0.97 MPa） | 代表压力增加的下限情景 |
✅ 主要结论
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孔隙压力增加显著：1983-2019 年间，DMG 中孔隙压力增加主要在 100-400 psi（0.7-2.8 MPa），局部超过 500 psi（3.5 MPa）。Bell Canyon 和 Cherry Canyon 组压力增加最显著。
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强自流条件与潜在环境风险：压力增加足以产生强自流条件，结合大量历史钻孔，可能连接 DMG 和淡水含水层，并可能促进上覆蒸发岩的溶解。
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敏感性分析：压力增加最敏感于水平渗透率和压缩性。水平渗透率增加 5 倍可使压力增加减少 30-60%；压缩性加倍可使压力增加减少 ~30-35%。
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Capitan 礁的缓冲作用有限：Capitan 礁对 DMG 边缘压力有一定缓冲（~20 psi），但由于位于盆地边缘且远离主要注入中心，不影响区域尺度压力演化。
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油气生产的缓解作用：DMG 常规油气生产（6 亿桶油，15 亿桶水）可减少压力增加 40-140 psi（0.28-0.97 MPa），在局部区域有显著影响。
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CMG STARS 的适用性：CMG STARS 能够有效模拟大规模盐水处置过程中的单相流体流动、孔隙压力演化和盐度输运，是区域尺度水文地质模拟和诱发地震风险评估的有力工具。STARS 计算流体性质作为温度、压力和盐度的函数的能力，对于模拟密度分层和盐度变化至关重要。
🏛️ 作者及单位信息
| 作者 | 单位 |
|---|---|
| Jun Ge | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
| J.-P. Nicot | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
| P.H. Hennings | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
| K.M. Smye | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
| S.A. Hosseini | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
| R.S. Gao | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心；德克萨斯大学奥斯汀分校，地质科学系 |
| C.L. Breton | 德克萨斯大学奥斯汀分校，经济地质局，综合地震研究中心 |
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期刊：Journal of Hydrology: Regional Studies
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卷/期：Vol. 40, 101041
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DOI：10.1016/j.ejrh.2022.101041
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发表年份：2022 年
💡 补充说明
该论文是一项关于大规模盐水处置诱发区域压力演化的系统性水文地质模拟研究，核心创新点在于：
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大规模区域模型的构建：覆盖整个 Delaware 盆地（~20,000 平方英里），使用 1090 口井的层位数据和 334 口井的测井数据建立了精细的地质模型（123×170×30 网格，215,621 个有效单元格）。
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注入能力数据的创新应用：首次系统地将 SWD 井的注入能力（injectivity，基于地面注入压力和速率）用于校准区域尺度的渗透率场，弥补了缺乏专门监测井的不足。共使用了 569 口井的 >15,000 个数据点。
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敏感性分析的系统性：对水平渗透率、垂直渗透率、压缩性、孔隙度、温度梯度、盐度、渗透率各向异性、Capitan 礁和油气生产等参数进行了系统的敏感性分析，定量评估了各参数对压力演化的影响程度。
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CMG STARS 在区域水文地质模拟中的应用：STARS 被用于模拟大规模（58 亿桶注入量）盐水处置过程中的单相流体流动、孔隙压力演化和盐度输运。STARS 计算流体性质作为温度、压力和盐度函数的能力，对于模拟盐度分层（900-250,000 ppm）和密度驱动的流动至关重要。
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对诱发地震风险评估的支持：模型结果为评估 Delaware 盆地诱发地震风险提供了关键的孔隙压力分布信息。研究表明，即使低至 15 psi（0.1 MPa）的压力变化也可能激活断层，而模型中 100-400 psi 的压力增加远高于此阈值。
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对盐水处置管理的实践指导：研究结果可用于优化未来的注入模式（注入速率和布井），以有效且安全地管理 DMG 这一有限的 SWD 资源，并为减缓诱发地震提供依据。
该研究对从事水文地质、诱发地震风险评估、盐水处置管理、深部咸水层注入以及区域尺度地下水流动模拟的工程师和科研人员具有重要的参考价值。