曹吉祥，郝術仁，李 昌，張海洋，姜永清，張圣杰

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013；2.黑龍江省生態(tài)地質調查研究院，黑龍江 哈爾濱 150056)

0 引 言

1960年以來人們發(fā)現(xiàn)向地下注入流體會誘發(fā)地震，但在2009年前很少有案例被記錄。2009年后美國中部和東部的地震發(fā)生率出現(xiàn)了前所未有的增長，包括幾次破壞性地震，如2011年俄克拉荷馬州布拉格5.6級地震[1]、2011年科羅拉多州特立尼達M5.3地震[2]和2011年阿肯色州M4.7地震[3]等。地震發(fā)生率的增加和多次破壞性地震的發(fā)生促使科學界集中精力研究流體注入誘發(fā)地震所帶來的危害。

流體注入的工程有多種類型，如水力壓裂、廢水注入、增強型地熱系統(tǒng)(EGS)、強化采油系統(tǒng)(EOR)以及二氧化碳捕集與封存(CCS)等。由于水力壓裂工程主要是廢水處理誘發(fā)的地震，因此本文研究將水力壓裂整合到廢水注入類型中，主要收集廢水注入工程、EGS工程、強化采油系統(tǒng)工程及CCS工程案例。在俄亥俄州揚斯敦流體注入案例[4]的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)地震受注入參數(shù)和儲層條件等多種因素的影響，注入參數(shù)在工程中比較容易獲取，儲層條件獲取不易，需要建立監(jiān)測站獲取。Weingarten等[5]調查了18 757口與誘發(fā)地震相關的注入井，收集了注入井的最大注入流速、最大注入壓力、注入體積等因素進行分析發(fā)現(xiàn)，地震發(fā)生的可能性隨著最大注入率的增加而增加。Kim[6]調查了167次與誘發(fā)地震相關的地質環(huán)境條件和注入參數(shù)發(fā)現(xiàn)，地震的產生與累計注入量和注入壓力關系密切。McGarr[7]的研究表明，最大震級與注入體積相關。程鈺翔[8]對注入深度、最大井頭注入壓力、斷層長度、最大注入流速等參數(shù)進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)或多或少都與地震震級有所聯(lián)系，其中注入壓力的相關性較強。

篩選相關性較強的影響因素進行相關性分析可提高研究結果的準確度。為此，本文收集誘發(fā)地震參數(shù)包括最大注入流速Qmax、累計注入體積Vtot、最大井頭注入壓力Pmax、注入深度D，對工程分類，分別進行單參數(shù)、雙參數(shù)相關性分析，研究工程類型與誘發(fā)地震影響因素的內在關系，擬合工程對應的最大震級預測公式。

1 誘發(fā)地震影響因素

人類活動誘發(fā)地震的方式有很多，但根本原因是人類活動改變了斷層上的應力條件，從而引發(fā)地震。注入壓力抵消了圍壓和軸向壓力，降低了巖石的強度并導致斷裂，同時保持壓差恒定使斷層的穩(wěn)定系統(tǒng)走向失效。除了斷層中的流體壓力外，還有許多其他因素影響誘發(fā)地震，包括注入參數(shù)和儲層條件，許多參數(shù)不容易確定，至今為止，大部分案例存儲的數(shù)據(jù)都是工程的注入參數(shù)，主要對最大注入流速Qmax、累計注入體積Vtot、最大井頭注入壓力Pmax、注入深度D這4個參數(shù)進行分析。

2 誘發(fā)地震案例

本文收集了各類工況中震級較大的誘發(fā)地震案例數(shù)據(jù)，涉及流體注入的活動包括：①各類活動產生的廢水注入深層咸水層；②在增強型地熱系統(tǒng)中將水注入熱的低滲透率巖石中以提高巖石滲透率；③將水、蒸汽或二氧化碳注入生產地層以提取天然氣和石油；④CCS工程中二氧化碳的地質封存。

2.1 廢水注入

廢液通常被注入到深處的高滲透地層中，與飲用水含水層永久隔離[9]。1960年丹佛地震是由落基山兵工廠注入化學廢物引起的，這是第一次確定與流體注入有關的地震，該序列中最大的震級為4.9。自該序列以來，已經確定了更多由流體注入誘發(fā)的地震，較大的是2011年8月科羅拉多州特立尼M5.3地震和2011年11月俄克拉荷馬州布拉格M5.7地震。廢水注入誘發(fā)地震案例見表1。綜合多個廢水注入工程發(fā)現(xiàn)，每個廢水注入誘發(fā)地震案例中的深井分布不同，主要受儲層的流體力學屬性、注入速率、最大井頭注入壓力和流體累計注入量等因素的影響。

表1 廢水注入誘發(fā)地震案例

2.2 增強型地熱系統(tǒng)(EGS)工程

EGS工程在深度超過3 km、高溫且不透水的巖體中開展，通過注入大量流體進行水力增產，以提高地下巖體的滲透性，并生成人工地熱儲層用于發(fā)電或直接提供熱量[10]。水力壓裂過程施加在裂縫或斷層面上的流體壓力降低了有效應力，斷層面上的剪切破壞可能誘發(fā)地震。國外有多項開展增強型地熱系統(tǒng)而誘發(fā)地震的典例，如2006年12月8日，瑞士巴塞爾的水力壓裂期間當?shù)匕l(fā)生了M3.4地震，導致該項目永久關閉；2017年韓國Pohang由于ESG工程項目誘發(fā)了M5.5級地震。EGS注入誘發(fā)地震案例見表2。

表2 EGS注入誘發(fā)地震案例

2.3 強化采油系統(tǒng)(EOR)工程

在經過多年的開采之后，油氣藏的壓力下降且油氣產量降低，需要向油氣藏儲層中注入水、熱蒸汽或CO2等流體來維持儲層的壓力，并達到提高油氣采收率的目的[11]。美國大約有80 000口提高油氣采收率的注水井，僅有小部分注水井誘發(fā)了地震，其中記錄最好的注入誘發(fā)地震案例之一是科羅拉多州附近的油田，該油田因提高石油采收率而誘發(fā)地震且案例數(shù)量大，因此被美國地質調查局選中進行地震控制試驗。已知由提高石油采收率引起的最大地震是艾伯塔省鷸湖誘發(fā)了震級為5.1地震。EOR工程誘發(fā)地震案例見表3。

表3 強化采油系統(tǒng)工程誘發(fā)地震案例

2.4 二氧化碳捕集與封存(CCS)工程

CCS工程是將大型排放源產生的CO2捕獲后進行處理，再運輸?shù)竭x定地點長期封存?，F(xiàn)已發(fā)展出多種封存方式，1972年美國Terrell項目是全球首個CCS項目。CCS工程即便產生的地震震級很小，也會使蓋層產生裂隙導致CO2逃逸從而封存失敗，因此中小型地震也威脅到CO2儲存庫的密封完整性。表4為CCS工程地震案例。

表4 CCS工程地震案例

3 各工程相關性分析

本文收集了廢水注入、增強型地熱(EGS)、強化采油系統(tǒng)(EOR)這3項工程各15～17個誘發(fā)地震案例及二氧化碳捕集與封存(CCS)案例，大部分是位于美國中部和東部以及加拿大等地的地震記錄。前人研究表明[12]，天然地震發(fā)震過程中，斷層尺寸可以用來直接估算地震規(guī)模，即Mw=alogL+b，其中，Mw是矩震級，L為斷層長度，a、b為常數(shù)。Zang等[13]認為該公式也適用于人工誘發(fā)地震。本文使用該公式擴展進行回歸分析，建立單參數(shù)和雙參數(shù)回歸方程，即Mmax=alogX+b，Mmax=alogX1+blogX2+c，其中，X、X1、X2取Pmax、D、Qmax、Vtot對應的數(shù)值；a、b、c為常數(shù)。方程的回歸系數(shù)R2越大，表示該因素對誘發(fā)地震Mmax的影響越大，因此由回歸系數(shù)R2判定相關性的強弱；雙參數(shù)回歸分析中同時對X1、X2這2個參數(shù)進行擬合分析，并嘗試找出相關性最大的公式，作為誘發(fā)地震最大震級的預測公式。

3.1 廢水注入

3.1.1 單參數(shù)分析

圖1是廢水注入工程單個參數(shù)的非線性擬合結果。從圖1可知，最大注入流速Qmax回歸的確定系數(shù)R2最大值為0.578 4，表明Qmax與廢水注入誘發(fā)地震的Mmax聯(lián)系最緊密。此外，累計注入體積Vtot回歸的確定系數(shù)R2略微次之，為0.459 3，最大井頭注入壓力及注入深度R2都比較低。

圖1 廢水注入參數(shù)擬合結果

3.1.2 雙參數(shù)分析

為進一步分析各個影響因素的相關性，進行了雙參數(shù)的非線性回歸分析，對參數(shù)兩兩分析，得到如下的回歸公式，即

Mmax=0.270 66logVtot+0.291 36logQmax+2.276 78

(1)

Mmax=0.969 07logVtot-0.077 43logD-1.058 03

(2)

Mmax=0.976 93logQmax-0.251 41logD+2.881 71

(3)

Mmax=1.166 48logQmax-1.630 44logPmax+4.588 21

(4)

Mmax=-1.592 08logPmax+1.929 47logD+4.951 05

(5)

廢水注入工程雙參數(shù)擬合結果見圖2。從圖2可以看出，最大注入流速Qmax和累計注入體積Vtot所對應的回歸參數(shù)0.291 36和0.270 66基本相等，再次印證了單參數(shù)分析時所得結論，Qmax和Vtot對該工程影響較大。分析圖2發(fā)現(xiàn)最大井頭注入壓力Pmax的相關性非常低。根據(jù)雙參數(shù)擬合結果，本文選取R2最大的公式作為Mmax的預測公式，即式(4)。

圖2 廢水注入雙參數(shù)擬合結果

根據(jù)單參數(shù)及雙參數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，注入速率是影響誘發(fā)地震發(fā)生概率最重要的注入參數(shù)，而最大井頭注入壓力及注入深度相關性都比較低。Weingarten等[5]對數(shù)千口注水井進行分析發(fā)現(xiàn)，注入速率的變化對誘發(fā)地震的影響最大，且由于井筒中的摩擦和其他因素，井口注入壓力數(shù)據(jù)可能無法反映注入地層中的孔隙壓力狀況，零井口壓力的井仍然會從井中的靜水柱產生井底壓力，該壓力可能足夠大，從而引發(fā)地震，因此認為最大井頭注入壓力不是注入井和地震關聯(lián)的控制因素，這也與本文的分析結果吻合。理想情況下，儲層孔隙壓力和井底地層壓力在確定最大井頭注入壓力和地震之間是否存在聯(lián)系方面更有用。

3.2 增強型地熱系統(tǒng)(EGS)工程

3.2.1 單參數(shù)分析

圖3是EGS工程單參數(shù)擬合結果。從圖3可知，在EGS單參數(shù)回歸分析中，最大井頭注入壓力Pmax回歸的確定系數(shù)R2最大，為0.461，表明Pmax與EGS誘發(fā)地震的Mmax聯(lián)系最緊密，其他3個影響參數(shù)Qmax、Vtot、D相關性都比較低。

圖3 EGS工程單參數(shù)擬合結果

3.2.2 雙參數(shù)分析

為進一步分析各個影響因素的相關性，進行了雙參數(shù)的非線性回歸分析，對參數(shù)兩兩分析，得到如下回歸公式，即

Mmax=-0.316 04logVtot-0.804 88logQmax+5.335 03

(6)

Mmax=0.710 13logVtot+3.215 74logPmax-4.685 79

(7)

Mmax=0.035 65logVtot+4.466 96logD-0.114 66

(8)

Mmax=-0.185 65logQmax+4.257 19logD+0.468 14

(9)

Mmax=1.127 66logQmax+3.081 32logPmax-3.354 79

(10)

Mmax=2.502 14logPmax+2.044 52logD-1.903 05

(11)

EGS工程雙參數(shù)擬合結果見圖4。從圖4可知，累計注入體積Vtot和最大注入流速Qmax相關性比較低，最大井頭注入壓力Pmax對應的回歸參數(shù)較大，相關性相對于其他因素比較強，與單參數(shù)分析結果相一致。根據(jù)雙參數(shù)擬合結果，本文選取R2最大的式(7)作為最大震級的預測公式。

圖4 EGS工程雙參數(shù)擬合結果

2種擬合分析都可以看出，Pmax是EGS誘發(fā)地震較強的因素。在澳大利亞Cooper Basin的干熱巖示范工程中，誘發(fā)的地震活躍帶處于大斷層發(fā)育區(qū)域，并且受局部應力場特征的影響顯著，流體注入后，在有效應力減少的過程中，增加的流體壓力可以減少靜摩擦，從而在存在偏斜的情況下促進地震滑移，在現(xiàn)有裂縫上孔隙壓力增大，最大井頭注入壓力越大越容易引發(fā)裂縫，因此最大井頭注入壓力是地熱活動誘發(fā)地震最緊密的因素。

3.3 強化采油系統(tǒng)(EOR)工程

3.3.1 單參數(shù)分析

由于強化采油系統(tǒng)工程中所收集的最大注入流速Qmax及累計注入體積Vtot數(shù)據(jù)過少，本文只對最大井頭注入壓力Pmax及注入深度D進行回歸分析。EOR工程單參數(shù)擬合結果見圖5。從圖5可知，在油氣提取工程影響因素的單參數(shù)回歸分析中，最大井頭注入壓力Pmax回歸的確定系數(shù)R2相對較大，為0.008 7，但總體相關性都比較偏低。

圖5 EOR工程單參數(shù)擬合結果

3.3.2 雙參數(shù)分析

根據(jù)單參數(shù)分析結果，對注入深度D和最大井頭注入壓力Pmax進行雙參數(shù)分析。在雙參數(shù)分析中，最大井頭注入壓力Pmax與注入深度D對應的回歸參數(shù)公式為

Mmax=0.446 76logPmax-0.371 73logD+2.985 42

(12)

擬合結果表明，2個因素的相關性都較弱。此外有研究表明，儲層溫度變化與誘發(fā)的有感地震關系密切[10]。由于式(12)的R2較小，為0.026 27，不作為最大震級的預測公式。

3.4 二氧化碳捕集與封存(CCS)工程

由于CCS工程誘發(fā)案例太少，本文不進行相關性分析。但可以看出，CCS誘發(fā)地震的平均震級比較低，只有1.38，這種中小型地震引起的地面震動無關緊要，但僅僅幾毫米的剪切位移就能提高裂縫和節(jié)理的滲透率[14]，幾厘米的滑移能夠形成1個可滲透的水力通道，這可能會損害CO2儲層的密封完整性并可能使地表隆起。但北海Sleipner氣田向Utsira地層注入CO2，在過去15a中，每年注入約100萬t的 CO2而沒有引發(fā)地震活動；鄂爾多斯神華CCS項目，長期注入CO2迄今為止都處于安全封存狀態(tài)。分析案例發(fā)現(xiàn)，將CO2注入高孔隙率和高滲透性的儲層中引發(fā)壓力上升的幅度很小，而且軟弱、膠結不良的砂巖預計會隨著施加的地質力而緩慢變形[15]，此類地層不易產生斷層，說明找到合適的選址是避免CO2注入誘發(fā)地震的前提。

4 結 語

本文對不同工程的流體注入誘發(fā)地震影響因素進行了非線性擬合分析，并結合相關性強弱，對各類工程所對應的最大影響因素進行探討，得出以下結論：

(1)降低廢水注入誘發(fā)地震的可能性最主要的是控制最大注入流速，高速井對儲層和斷層壓力擾動的范圍和幅度有更大的影響，更易引起地震；降低EGS工程誘發(fā)地震的可能性最主要是控制最大井頭注入壓力，壓力越大注入液體在地層間的沖擊力越大；油氣提取工程與最大井頭注入壓力相關性相對較強；CCS工程對地層穩(wěn)定性要求最大。

(2)CO2封存工程龐大，時間跨度長，封存場地地質條件具不確定性和復雜性，CO2注入后，冠巖的儲層物理、化學特性變化規(guī)律及溫度場、化學場、滲流場、應力場的變化規(guī)律，都亟需開展室內試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬研究。

總之，通過詳細的地震監(jiān)測，仔細選擇注入位置，根據(jù)持續(xù)的地震活動改變注入速率和壓力以及明確的管理計劃，有望減輕破壞性地震的可能性。管理誘發(fā)地震的可能性需要科學家、行業(yè)和監(jiān)管機構之間的通力合作，這也給大力開展的CO2注入封存項目的安全管理帶來可靠的數(shù)據(jù)支撐和監(jiān)管保障。