浅薄层稠油油藏开采技术
Exploitation technology of heavy reservoir in shallow-thin layer
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摘要: 河南油田稠油油藏具有浅、薄、稠,散的特点,在我国属于浅薄层稠油开采的典范.回顾了河南油田稠油基地建设的历程,分析了目前稠油开发的现状及存在问题,提出了今后主攻方向及挖潜对策.故此文对河南稠油油藏实现产能接替、挖潜、确保"十五"稳产等均具有重要意义和指导作用.Abstract: The characteristics of heavy reser voirs is shallow, thin, dense and losse in Henan oil field. It is the model of all the country that exploitation of heavy oil in shallow layer should be. This paper reviews the construction course of heavy oil base in Henan oil field, analyzes the distribution feature and existent question of heavy oil exploitation, and advances methods of tapping the potentialities and counter move. Therefore, it will have great significance to accomplish continuity of production energy and tapping the potentialities and ensure the stabilized production during the period of the tenth five years'project.
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Keywords:
- heav yreser voirs /
- exploitation /
- production energy /
- tapping the potentialities
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在中国西北地区,降雨是诱发黄土滑坡的主要因素之一(张茂省等,2011;辛鹏等,2015)。为防灾减灾,许多学者开展了对黄土滑坡类型及破坏机制的系统研究(许领等,2008;李同录等,2022)和易发性评价(孟晓捷等,2022,2024;张林梵,2023;付泉等,2024)。滑坡–泥流是其中常见的运动破坏形式(刘德仁等,2017;张琪等,2024;唐然等,2024;王豪等,2024)。在雨水作用下,滑坡–泥流的快速运动使土体由摩擦型向粘性型转变,从而产生流态破坏过程,其流态变形的临界条件可以用致滑层土体的临界含水率确定(贾俊等,2019)。从滑动阶段到流动阶段的转变主要是由于降雨过程中完全或部分不排水条件的发展造成的,由不排水试验得到的破坏面和平面形状态边界面所界定的区域被定义为饱和黄土的潜在不稳定区,当土体状态位于潜在不稳定区域内时,液化就可能发生(金艳丽等,2008)。而滑坡引起的泥流规模大小,主要取决于滑体的厚度和滑坡速度对饱和黄土液化程度的影响(王家鼎等,1992)。模型试验及现场试验能重现降雨诱发黄土滑坡的破坏过程(陈伟等,2013;武彩萍等,2013;曾昌禄等,2020;孟振江等,2022),可以对人工降雨条件下黄土滑坡形态变化及不同雨强条件下降雨入渗特性进行研究。但目前尚缺少对不同类型降雨及坡度诱发黄土滑坡–泥流过程的研究。
对于滑坡–泥流启动的研究是监测预警的核心内容(唐亚明等,2013;亓星等,2014)。一部分学者基于黄土坡体内部参数的变化来预警,将土体饱和度和孔隙水压力的临界值作为滑坡和泥流的启动判据(黄志全等,2007;陈海霞等,2013)。另一部分学者基于降雨诱发滑坡的历史数据,通过分析已有的资料建立相同或相似区域内诱发滑坡的降雨阈值模型(Fausto et al., 2008; 李明等,2010)。Peng等(2015)对连续强降雨引发甘肃省天水地区大面积滑坡–泥流的形成及移动特征进行了定量研究,量化了触发滑坡泥流的前期有效雨量及临界雨强,并提出了流动阶段的峰值速度。而Wang等(2021)通过多组离心模型试验,量化了降雨入渗作用下导致非饱和边坡破坏的临界条件。Sun等(2024)提出了基于支持向量机(SVM)的概率性降雨阈值算法,用于量化降雨事件和滑坡发生之间的不确定性,发现概率性阈值曲线能较全面地反映降雨与滑坡之间的关系。以上分别研究了滑坡发生时坡体内部参数及外部降雨条件的阈值,但未能建立发生不同破坏模式时的降雨阈值曲线。
为研究降雨诱发黄土滑坡–泥流的滑流规律及阈值曲线,文中设计了6组室内模型试验,分析了黄土滑坡的宏观破坏过程、水文过程及位移变化规律,并讨论了不同降雨强度、单次累计降雨量及坡度对破坏启动时间及滑流转化过程的影响,最后通过分析模型试验的结果来量化降雨入渗作用下滑坡-泥流滑流状态的临界条件。
1. 模型试验
1.1 试验设计
本试验目的是为了模拟降雨诱发秦岭山前陕西宝鸡地区的黄土滑坡–泥流灾害,研究不同降雨强度、单次累计降雨量及坡度条件下的变形破坏过程及破坏机理,因此设计6组模型试验。为达到较好的入渗效果,模拟极端降雨条件下斜坡的破坏模式,设计试验工况如表1所示。由高清数码相机与摄像机精确记录斜坡体在降雨条件下的变形破坏情况,在坡体内部埋设基质吸力传感器,分析降雨诱发黄土滑坡的水文过程,在坡面布设位移监测点,研究滑坡位移规律,综合试验结果探讨降雨强度、单次累计降雨量及坡度对滑坡—泥流的影响,最后根据获得的滑坡失稳时的数据点,提出新的阈值曲线,以期为黄土边坡监测预警提供参考。
表 1 试验工况Table 1. Test condition试验
编号边坡
角度降雨
强度(mm·h)单次累计
降雨量(mm)初始
孔隙比E1 30° 6.19 61.9 0.965 E2 30° 5.04 80.71 0.983 E3 60° 6.19 55.7 0.965 E4 60° 5.04 80.71 0.983 E5 60° 17.89 148.5 0.965 E6 60° 16.12 145.1 0.983 1.2 试验样品
本项试验用土取自陕西宝鸡某均质黄土斜坡,采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定,土的参数如表2所示。采集足量土样,自然风干10~15天,然后对其进行粉碎(直径0.5 mm),过筛。采用自动喷雾器配置土壤初始含水量,控制土壤初始质量含水率(15%)。为保证模型土样填筑均匀,则根据黄土干密度(1.44 g/cm3)每2 cm进行一轮击实,然后再进行下一高度土样填充,整个土样击实过程中均采用人工击实方法进行。
表 2 马兰黄土的基本物理参数Table 2. Basic physical parameters of Malan loess液限(%) 塑限(%) 湿陷系数 初始质量含水率(%) 初始干密度(g/cm3) 33.5 20.3 0.058 15 1.44 以陕西宝鸡地区某均质黄土斜坡为原型进行试验模型设计。为降低制样难度,模型与原型的相似比取值如下:初始干密度1∶1;几何尺寸1∶10;降雨及相关物理量(降雨量、降雨历时、降雨强度、渗透系数、渗流速度)1∶1。
1.3 试验装置
本次试验场地位于长江水利委员会长江科学院,实验装置由模型箱、降雨模拟器和监测系统等组成。
(1)模型箱:模型箱为一长方体,其尺寸为长100 cm、宽80 cm、高100 cm,模型主体材料为12 mm厚钢板,但有一侧为30 mm厚度有机玻璃观测窗。右侧为厚10 cm、长100 cm、高100 cm的排水槽,与模型主体接触面采用多孔钢板(厚度为12 mm)。模型上方为自然边界,接受大气降雨。斜坡体未进行任何防护处理措施,模拟自然降雨侵蚀-入渗现象。下边界和左侧边界(斜坡潜在滑动方向定义为左侧边界)均为自由排水边界,且两边界可各分别收集排水,右侧边界为隔水边界。物理模型装置实物如图1a所示。
(2)降雨模拟器:在模型正上方50 cm高度,放置一个降雨模拟器。该降雨模拟器尺寸为长100 cm,宽80 cm,高度15 cm。降雨模拟器采用针头进行模拟。在降雨模拟器底部均匀布置320个直径0.5 mm的医用针头,针头间距为5 cm。通过控制降雨模拟器腔体内水位模拟不同强度的降雨。在腔体中预设一系列不同高度的溢流排水孔控制腔体内水位,以保证试验过程中获得稳定的降雨强度。为防止降雨模拟中针头被降雨中杂质淤堵,则采用桶装纯净水进行降雨模型试验。
(3)监测系统:主要包括水文监测和变形监测两部分,水文监测装置由采用水银式负压计系统动态监测土壤剖面负压,负压计埋设位置如图1b、图1c所示,变形监测装置由高清数码相机与摄像机精确记录斜坡体在降雨条件下的滑动-流动情况,并在斜坡体上均匀布置位移监测点。
1.4 试验流程
首先建立试验模型,同时埋设监测仪器。每组试验开始前,先对基质吸力传感器分别进行标定,并将填筑好的模型覆膜静置24 h,待仪器读数稳定后开始降雨试验。在降雨期间对典型试验现象及破坏时间进行拍摄与记录,直至斜坡发生大规模破坏,详细降雨方案见表3。
表 3 降雨方案Table 3. Rainfall scheme试验编号 降雨次数(次) 降雨持续时间(h) 总降雨量(mm) E1 9 10 557.1 E2 9 16 726.39 E3 9 9 501.3 E4 5 16 403.55 E5 2 8.3 297 E6 4 9 580.4 2. 试验结果
2.1 破坏模式
模型试验结果表明,黄土滑坡有滑动及滑动转流动两种破坏模式。6组试验滑坡破坏模式如表4所示。选取E5和E1两个模型试验来展现两种破坏模式的基本特征。E5试验在60°斜坡17.89 mm/h的高雨强条件下进行,E1试验在30°斜坡6.19 mm/h的低雨强条件下进行。
表 4 模型试验破坏模式Table 4. Failure mode of model test试验编号 破坏模式 降雨强度(mm/h) E1 滑动转流动 6.19 E2 未发生明显破坏 5.04 E3 滑动 6.19 E4 滑动转流动 5.04 E5 滑动 17.89 E6 滑动转流动 16.12 图2显示了E5试验的滑动破坏过程,由于坡度较陡,当短时强降雨发生时,雨水一部分入渗坡体内部,一部分形成坡面径流,径流的冲刷作用与强降雨的侵蚀作用使冲刷区发生局部流土(图2b),坡体在降雨入渗下,含水量增大,表层土体水解软化、弱化,强度迅速降低,导致内聚力和摩擦阻力逐步丧失,坡体内部不断发生应力重分布,坡顶处产生数条拉张裂隙(图2c、图2e),雨水沿拉张裂隙等优势通道入渗坡体,裂隙化坡体内张性结构面水分汇聚,滑动面强度降低,坡体内部滑动面贯通,滑体沿着滑动面以块体形式滑动(图2d、图2f)。
图3显示了E1试验的滑动转流动破坏过程,当持续性降雨发生时,坡体在雨水侵蚀下发生蠕动,表面产生数条拉张裂隙(图3b),破坏从坡脚处的局部侵蚀逐步扩展(图3c),直至发生大范围的坡体滑动(图3d),渐进滑动的坡体会出现局部强裂隙化区域(图3e),此区域内水分入渗量高且易积水形成压力水头加速水分入渗,使得孔隙水压力持续升高,强裂隙化区域富水液化,出现塑性流动现象(图3f)。
2.2 水文过程
以E1试验模型剖面2为例分析降雨入渗过程中基质吸力变化情况。如图4所示,在降雨湿润锋迁移过程中,位于坡体浅层的2-1传感器在降雨150 min后最先对降雨产生响应,湿润锋土壤吸力下降显著。当湿润锋到达2-2处时,湿润锋以上区域(如2-1传感器)土壤吸力继续下降,但其下降幅度逐渐降低,第一次降雨结束基质吸力稳定在2.5 kPa。在第一次降雨停止后,由于蒸发作用,浅层2-1、2-2处土壤吸力分别增加约10 kPa、9 kPa,但深部土壤水在总势能的控制作用下,继续向下运动,2–3处土壤吸力持续减小。第二次降雨开始后,由于降雨入渗补给,浅层土壤吸力继续减小,而深部土壤水持续向下迁移导致土壤吸力减小。直到整个湿润锋全部运移至模型底部后,深部土壤的吸力变化规律基本上与表层土壤同步,即降雨期间土壤吸力减小,降雨停止后吸力增加。降雨后期,滑坡发生大规模破坏时,在滑坡影响区内的土体基质吸力均在最低值。
2.3 滑坡位移变化特征
不同条件下滑坡位移变化特征不同,通过电脑解析的位移观测点变化,得到滑坡破坏过程中的位移曲线。图5、图6、图7分别为E1、E3、E6边坡破坏过程中典型时刻坡面位移路径, 不同条件下的位移图表现出不同的时间尺度。
E3试验发生的滑坡以块体形式滑动,在初次滑坡过程中,靠近坡顶的土体变形最大,取位移标记点1作为位移特征观测点。如图5所示,破坏初期滑体沿剪切面整体滑动,并以稳定速率发生长时间的蠕动,随后出现间歇性加速滑动现象,并在加速过程中不断解体,整个滑动过程表现出在长期蠕动中叠加间歇性加速滑动的特征。
E1、E6试验发生了滑坡及泥流现象,其运动特征具有滑动及流动两个阶段。E1试验由坡脚逐渐向上发生破坏,取位移监测点4作为位移特征观测点,如图6所示,在滑动阶段,滑体滑动速度较慢,移动距离较短,但滑动时间较长,随着土体的饱和以及含水率的增大,滑体由滑动转为流动,流动过程具有速度快、移动距离长的特点,滑转流的过程具有渐进性。取位移监测点3作为E6试验滑坡位移特征观测点,如图7所示,滑体首先发生长时间的蠕动,随后在极小的时间尺度内发生短距离的加速滑动,加速滑动过程中块体逐渐解体导致流动性增强,随后位移路径以指数方式增加,滑转流的过程具有突发性。所以在水−土耦合作用的初级滑动阶段,坡体呈现出小位移、低速滑动特征,而在流动阶段则表现出高速流动的特征。
3. 试验结果分析
在6个降雨诱发黄土滑坡的模型试验中,有5个模型试验在降雨作用下发生了破坏。通过对高速摄像机拍摄的图像进行分析,得出了发生滑动及流动破坏的初始时间(图8)。
由图8可知,E1、E3、E4、E5、E6的初始破坏时间分别为42 h,30 h,43 h,8 h,9 h。对比E1、E3、E4可知,在降雨强度较小时,坡度对滑坡初始破坏时间的影响较小;对比E3、E4、E5、E6可知,坡度相同时,降雨强度差别较大,初始破坏时间差距较大。由此可以发现,相比坡度的增加,降雨强度的显著增加更能促进滑坡的发生。
除了降雨强度对初始破坏时间的影响外,单次累计降雨量对滑坡的破坏模式影响显著。通过对比E3和E4试验可以发现,E3试验在单次累计降雨量为55 mm左右时滑坡未达到流动状态,而E4试验单次累计降雨量为80 mm,在第五次降雨过程中滑坡由滑动转为流动,所以单次降雨量的显著增加能促进滑坡由滑动向流动的转变。
图7为E4、E5试验坡体破坏过程。通过观察E5试验发现,强降雨条件下,坡面后缘处的土体能在强降雨的冲蚀下轻易沿剪切面滑移至坡脚1(图9a),破坏面较深,坡体破坏面积较广,坡面滑体不易堆积(图9b)。而对于E4试验,由于降雨强度较小,使得部分滑体在坡面沉积形成微型“堰塞塘”(图9d),伴随着雨水不断入渗,“堰塞塘”突然溃决流动至坡脚,在较低降雨强度下,破坏面较浅,坡体破坏面积较小,坡面滑体易堆积并容易发生溃决性破坏。
4. 阈值曲线
短时强降雨易引起浅层滑坡,Caine(1980)根据降雨强度与降雨历时的关系,建立了ID阈值模型,此模型被国内外学者用于建立针对不同区域降雨诱发滑坡的阈值曲线。ID阈值曲线表达式为:
$$ I=\alpha D^{-\beta} $$ (1) 式中:I表示降雨强度,mm/h;D表示降雨时间,h;α和β是统计分析确定的经验参数。
根据试验结果可以看出,黄土滑坡的流态化运动和持续性降雨密切相关,前期有效降雨量越多,土体含水量越大,发生黄土泥流的可能性越大,因此本文采用有效前期降雨量(E)与降雨强度(I)的关系对黄土泥流进行预警。由于诱发滑坡发生的降雨量并不是完全由当天的降雨引起,所以要考虑滑坡发生前几日的降雨量,但由于水分蒸发及入渗土壤更深层等原因,前期降雨对诱发滑坡的作用随着天数的增多而降低。因此,需要考虑前期有效降雨对滑坡的影响。利用Bruce等(1969)提出的方程来估计有效的前期降雨量,他们认为前期的有效降雨量通常是递减指数和时间的函数:
$$ R_{e}=\sum_{i=1}^{n} R_{i} K^{i} $$ (2) 式中:Re为滑坡或泥流发生前i天的有效前期降雨,mm;n为有效降雨天数;K为递减指数;Ri是事件发生前i天的总降雨量,mm。
根据Zhuang等(2014)研究发现,由于蒸发、渗流等因素,7天前的降雨量对黄土浅层区域的含水量没有影响,因此,式(2)中n的上限为7。根据孙建中等(2012)的研究发现,陕西黄土地区递减指数(K)采用0.78。在试验的基础上,结合黄森(2021)收集的黄土地区发生滑坡及泥流时的降水数据,提出了适用于陕西宝鸡地区诱发黄土滑坡的阈值曲线:I=59D−0.67,其中,5 mm/h≤I≤23 mm/h(图10)。此外,相比滑坡的滑动破坏模式,流动破坏模式产生的致灾性更强。因此,笔者通过记录滑坡开始发生流动的时间,制作了陕西宝鸡地区诱发黄土泥流的阈值曲线:E=200−2.5I,其中,5 mm/h≤I≤25 mm/h(图11)。
5. 结论
(1)降雨诱发黄土滑坡—泥流的破坏模式分为滑动及滑动转流动两大类。当短时强降雨发生时,裂隙化斜坡内张性结构面充水,滑面强度降低,滑体以块体形式滑动;当持续降雨发生时,渐进滑动的斜坡体会出现强裂隙化区域,孔隙水压力持续升高,富水斜坡体会液化流动。
(2)滑坡滑动阶段表现出长期蠕动中叠加间歇性加速滑动的特征,流动阶段表现出持续高速流动的特征。低坡度低雨强的滑转流过程具有渐进性,而高坡度高雨强的滑转流过程具有突发性。
(3)陕西宝鸡地区降雨诱发黄土滑坡时的阈值曲线:I=59D−0.67,及诱发黄土泥流的一级阈值曲线:E=200−2.5I。
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顿铁军,等.中国稠油油藏[M].西安:西北大学出版社,1996. 顿铁军,等.辽河稠油研究进展[M].西安:西安地图出版社,2000. 孙超.提高石油采收率方法研究现状[J].西北地质,2000,33(2):32-37. 赵追,等.新疆焉耆盆地石油地质特征及成藏模式[J].西北地质,2001,34(3):47-53.
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