沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例

以四川盆地为例,通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究,探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先,通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识:诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制,有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次,结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析,发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而,在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后,通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型,探讨了较大地震发生条件,为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩(包括白云岩、页岩及白云质灰岩)均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征,使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般,一条尺度达到几km的断层便足以产生M5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下,通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化,建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测,指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。     

注水诱发地震的研究进展

研究注水诱发地震的特征、发生机理和最大可能震级等对开展诱发地震的预防、危险性评价、减灾策略制定等方面的工作具有重要意义。文章系统地梳理了国内外关于注水诱发地震研究的主要认识和分歧。结果表明：(1)诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定,受注水压力和累积注水量等参数的影响;(2)识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注水之间的时空相关性,统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条;(3)当断层与流体储层之间存在水力连接时,孔隙压力扰动是诱发地震的主要发生机制,反之岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化主导了诱发地震的过程。此外,注水诱发的稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也可能在注水诱发地震中发挥重要的作用。研究结果将为注水诱发地震机理研究和减轻破坏性诱发地震灾害提供一定的科学参考。     

濮城油田注水驱油引起的地震活动特征分析

利用孔隙压力扩散机制,分析了濮城油田注水引起的地震活动特征,获得了油田开发期不同时段的流体孔隙压力扩散特征,并分析了注水压力、注水量与诱发地震的频度、震级之间的相关性特征.研究结果表明:濮城油田与注水有关的地震活动表现出明显的分期特征,基于孔隙压力扩散过程触发机理,计算出孔隙压扩散系数在初期注水量增加时段(1980—1994年)约为0.1 m~2/s,在注水量保持稳定时段(1994—2006年)在0.12~0.16 m~2/s之间,在实施层间精细注采措施后(2007年后)约为0.05 m~2/s;濮城油田注水诱发地震的地震频度、最大震级和注水压力、累积失水量之间存在一定的相关性,其地震年频度和注水压力、累积失水量之间呈现指数相关特征,其最大震级和注水压力、累积失水量之间呈现线性相关特征.本项研究对分析解释注水诱发地震机理、定量评价注水诱发地震的危险性具有一定的参考价值.     

西加拿大沉积盆地中的水力压裂和地震活动

绝大多数非常规油气资源的开发有赖于向地下注入大量的液体,这可能使附近断层活动从而诱发地震。在过去5年里,加速的油田注水已经导致北美部分地区的地震频率急剧增加。在美国中部,大多数诱发地震起因于与油气开采相伴生的废水的排放。形成对比的是,在加拿大西部,大多数最近的诱发地震在时间和空间上与水力压裂高度相关,在水力压裂过程中,为诱发局部岩石破裂,在钻井结束的过程中,高压液体被注入。并且,与水力压裂相关的观测到的最大地震震级似乎超越了预测的、经常引用的注入液体体积与最大期望震级之间的关系。这些发现对评估诱发地震危害具有深远的意义。     

注水诱发地震的成因及影响因素探讨

根据胜利油田东营凹陷深井注水所监测到的破裂信号特征分析,结合位于同一凹陷内的角7井注水诱发地震特征,对注水诱发地震的成因进行了探讨.注水过程中地层有无先存破裂面对所诱发的地震产生较大影响,认为诱发地震的震级与注采比和注水井的构造位置密切相关.     

四川长宁地区注水诱发地震的孔隙压力扩散特征

正近些年,注水诱发地震一直是国内外学者的研究热点之一。研究表明,诸如大型水库蓄水、地热能开发、天然气和矿山开采、地下流体注入等工业活动均可能诱发地震。注水诱发地震与天然地震的最大区别在于其形成机理的差异,为此学者们一直致力于两者的流体触发机制研究。结合钻孔注水试验结果及理论推导,国外学者提出了评价流体触发地震     

四川长宁盐矿井注水诱发地震研究

根据现场调查资料、矿区地质构造资料和数字地震记录,研究了四川长宁盐矿井注水诱发的地震活动.研究发现,2006年4月前矿井注水与出水量相当,地震活动平稳;之后注水量远超过出水量,在注水量和出水量相差较大时,浅层中小地震频次急剧增加.长时间的大量注水可能渗入先存的长宁背斜内的小断裂及微裂缝带,加速附近区域微构造地层的破裂,引发了小震群活动.利用数字地震波形资料计算的Q值显示该地区地下介质较不均匀;小震精定位结果显示震源深度较浅,主要分布在2～3km;震源机制解表明,浅层地震呈正倾滑特征.这些都表现出矿井注水诱发地震活动的某些特征.     

第十一章 诱发地震对策

由于人类的工程活动引起地壳表层岩体失稳而产生的地震,称为诱发地震,如水库地震、抽液-注水地震、矿山地震等。一般来说,这种地震的震源很浅,烈度偏高,而且又多集中发生在重大工程设施和工矿企业地区,常给国民经济造成巨大的损失,因此越来越引起人们的重视。诱发地震是一个新的研究课题,目前以积累典型震侧,现场考察及观测研究为主,而对诱发地震对策的研究尚处于起步阶段。本章概要地介绍了水库地震、抽液-注液地震及矿山地震的危害及其可能的形成原因,进而论述了应付这些诱发地震的各项对策。     

大气降水对地震活动某种调制作用的初步讨论

水对地震的作用(例如水库地震、注水地震乃至河流泛滥、大型灌溉诱发地震等现象)已为人们所注意和研究.本文提供并讨论了许多大气降水影响地震活动性的事例.初步研究表明,大气降水对某些地区的浅源地震活动有着某种调制作用,这可能是降水变率影响不均匀地壳的应力调整所致.      

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.     

重庆涪陵焦石坝页岩气开采诱发地震加密观测

正近年来,页岩气开采诱发地震研究引起了国内外研究人员的广泛关注。目前研究表明,页岩气开采过程中注水压裂和废水处理都可以诱发地震。重庆涪陵焦石坝地区是中国页岩气开采的先导区,自从2013年该地区注水压裂之后,该地区微小地震活动明显增强,成为研究页岩气注水压裂诱发地震的理想场所。2017年2月7日,该地区发生了M_L1.9地震,当地震感强烈,居民们出现恐慌心理,这一现象引起了当地政府和重庆市地震局的高度重视。随后重庆市地震局     

注水诱发地震

由于人们对工业活动会引发破坏性地震的关注,那些发生在特殊地点的地震已成为北美和欧洲科学界讨论的一个热点问题。水库蓄水、露天和地下采矿活动、地下水流体和天然气的抽取以及向地下岩层注入流体等都可能诱发地震活动,这一点早为人们所了解。注水诱发地震,尤其是在将水压致裂法应用到致密页岩层来提高之前贫油岩层的石油和天然气产量之后,越来越变成一个讨论的焦点。用水压致裂法提高致密页岩层油气产量这一过程,以及与提高产量和生产活动有关的废水处理等都有可能会诱发地震。本文回顾分析了最近发生的一些可能与工业活动有关的地震活动,重点分析了深井注废水处理引发的地震活动,科学评估注水诱发地震,并讨论了评估灾害危险性所面临的关键科学挑战。     

任丘油田地震工作十周年回顾

自1979年10月开展任丘油田地震研究工作以来,已取得了很多成果。经过10年的努力,科研人员在油田已建起深井地震观测系统,并开展了各种研究工作,例如:诱发地震的研究及预报、油田开发与地震活动的关系之研究、注水诱发地震的研究、震源机制及应力场的研究、工程地震研究、震源物理研究、油田注水与地下水位的关系之研究以及地震地质背景的研究等。本文综合介绍了以上研究工作。     

中国四川盆地页岩气注水压裂导致断层再活化并诱发M_W4.7地震

本文对中国四川盆地最近观察到的注水诱发地震进行了及时和详细的研究,四川盆地页岩气水力压裂已经开始启动,计划在未来几年里被逐渐开采。包括传染型余震序列模型、震中重定位、13个大地震事件(MW3.5)的震源机制以及库仑破裂应力数值计算的众多证据表明,在地下2.3~3km深度范围内水力压裂短期(每个井位数月)注水过程诱发了一系列最高矩震级达MW4.7的地震。反之,这些诱发地震的出现也支持了注水诱发断层再活化的假设。本文同时讨论了此地区注水压裂为什么会诱发如此大震级地震的地质原因。由于四川盆地中水力压裂作业正如火如荼,这也将有利于地球科学、天然气公司、管理部门和学术界共同探讨显著的注水诱发地震的地区因素,以确保页岩气注水压裂可以有效进行并安全实施。     

水库诱发地震活动特征及其预测方法研究

根据国内外水库诱发地震的观测与研究震例,分析研究了一些著名水库诱发序列的地震活动特征,并根据水库诱发地震随水库蓄水时间的变化,把水库诱发地震活动归纳为迅速响应型、延迟响应型和混合响应型三类,分析讨论了这三类水库诱发地震活动在时间和空间分布上的不同特点,并在此基础上综合分析了水库诱发地震预测方法研究的技术途径.     

注水诱发地震的谱振幅相关系数及视应力研究

以四川自贡和长宁两个注水地区为例,基于区域测震台网记录的数字地震波形资料和观测报告,分析注水诱发地震的谱振幅相关系数特征及其与当地加压注水数据的关系,并结合表征绝对应力水平的视应力综合分析研究自贡和长宁地区的应力状态。结果表明,自贡和长宁地区注水诱发地震的谱振幅相关系数均在高值波动,其均值分别为0.89和0.90,且变化过程与加压注水数据具有很好的相关性。分析认为加压注水对局部区域应力场产生扰动影响,使地下浅层裂隙呈优势取向排列,引发的中小地震震源机制表现出较好的相似性,但其视应力结果显示研究区域的应力水平并不高。     

注水引起的局部构造活动及其与地震的关系

文本研究了玉门老君庙油田近年来形变隆起的成因,认为,油田注水量超过开采量而引起形变隆起和套管错断,形变隆起幅度和套管错断位置与注水量大小、构造部位有关。进而论证了超采注水造成的局部构造活动与诱发地震的关系,认为注水诱发地震需具备一定的构造条件,而老君庙油田不具备此构造条件,虽注水压力很大也不会诱发地震,乃以蠕滑形式释放了能量。     

濮阳小震集中区发震机理分析与讨论

综合小震精定位和震源机制解两方面的结果,对濮阳小震集中区小震丛集活动的发震机理进行了分析.双差定位结果显示,大部分地震震源位于聊考主干断裂上,与断层的产状吻合;5次ML≥3.5地震的震源机制显示,双力偶模型可以较好地解释观测波形,小震震源机制主要为走滑型,初动符号呈象限分布;在参考了油田地质构造背景资料后,对濮阳小震集中区中、小地震活动与油田采油作业之间是否存在注水诱发关系进行了讨论.     

全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3～10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2％、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用"一井一策"的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.     

中国重庆荣昌气田3km深度注水诱发地震研究

自1988年7月起,有关部门在位于中国西南部的重庆荣昌天然气田以2．1～2．9MPa的泵送压力间歇性地向2．6～2．9kin的深度注入了超过100万立方米的采气废水。截止到2006年底,这项注水工作已诱发了超过32000次地表记录到的地震,包括2次ML≥5．0的地震,14次ML≥4．0的地震,及超过100次ML≥3．0的地震。我们对该地震序列的传染型余震序列（简称ETAS）模型及地震活动的一些统计参数的时间演化进行了统计分析。传染型余震序列模型中的随机成分可被视为流体驱动的地震活动的指标,而大森定律型余震的发生率则表示了地震本身的应力触发。我们观测到注水以来地震的活动可划分为3个不同阶段,与注水的不同时期相对应。第一阶段对应于低速率（长时间间隔）的注水初期,绝大多数地震为大森型地震,只有8％是因外部因素（即注水）所致。第二阶段对应于高速率注水时期,具有地震活动度高,而且有相当比例（45％）的地震活动与流体作用有关的特点。第三阶段注水速率的降低直接导致地震活动下降;有超过70％的地震为随机发生,表明了外部触发起主导作用。荣昌诱发地震序列的物理机制是伴随深井注水的孔隙压力扩散作用和先前地震本身引起的库仑破裂应力变化联合作用的结果。深井注水引起的2．1～2．9MPa的孔隙压力增加,足以引起当地地层破裂而发生地震。