全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

人工诱发地震现象已经有很久的历史.水库蓄水、采矿、地热开发、从地下提取液体或气体,或将液体注入地球内部都可能诱发地震.大量地震监测数据与科学分析结果显示:美国俄克拉何马州的地震剧增主要与页岩油气开采的废水回注量相关;加拿大阿尔伯塔省的地震剧增主要与页岩油气开采水力压裂的工作量相关;而荷兰罗宁根天然气田的传统天然气开采也同样诱发了较强的地震活动.在中国四川盆地的页岩油气开发区域,地震活动近几年也大幅度增强,但目前监测与科研工作较少,对某些地震成因尚有争议.目前研究诱发地震问题已成为学术界与工业界的一门专业学科.推断诱发地震,除了分析时空分布与工业活动的相关性之外,本文综述了该领域基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法.如何在油气开采过程中减少诱发地震的灾害影响成为当前相关各界极为关注的科研问题,本文介绍了多个国家或地区建立的控制诱发地震的管理系统、基于地震大数据的诱发地震概率预测方法,以及基于地球物理与地质信息的综合诱发地震风险评估方法,并对我国控制诱发地震问题提出建设性意见.     

微地震震源机制研究进展

非常规油气开采中实施的储层改造,通常是利用水力压裂技术向储层注入高压流体,改变储层原有的孔缝连通结构,实现油气开采.水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,从而产生微地震事件.微地震研究的重要内容之一是其震源破裂的机制.通过对微地震震源机制的研究,可揭示微地震的产生机理和地下储层的应力变化规律,有效地优化水力压裂和储层改造...     

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。     

流体-地质力学耦合建模表征水力压裂诱发地震:以加拿大Fox Creek地区为例

随着水力压裂技术在页岩气开发中的广泛应用,加拿大西部盆地的诱发地震活动显著增加.目前对于诱发地震的综合表征方法还不成熟.本文采用一种综合地质、岩石力学及流体力学的研究方法,对Fox Creek地区2015年2月8日发生的M 3.0诱发地震事件进行了综合表征.首先,利用高分辨率三维反射地震资料,采用蚂蚁体追踪技术识别潜在断层.其次,利用测井曲线和压裂施工数据等资料定量求取岩石力学及地应力参数,建立三维地质力学模型,明确水力压裂缝的空间扩展规律.最后,建立流体-地质力学耦合模型,计算水力压裂过程中断层附近的孔隙压力及局部应力变化,利用摩尔-库仑破裂准则判定断层激活的时间与空间位置,揭示本次诱发地震事件的触发机制并提出风险控制对策.结果表明,三条由Precambrian基底向上延伸至Duvernay地层的近垂直断层在水平井压裂过程中被激活.由于水平井的部分压裂缝与断层沟通,注入流体沿断层的高渗透破裂带向下迅速扩散,在基底位置激活断层并诱发M 3.0地震事件.其中孔隙压力增加是本例中断层活化的主要因素.现场措施表明,增大压裂水平井与已知断层之间的距离被可以有效地降低地震风险.因此在进行水平井钻井及压裂作业之前,明确地下断层的分布位置至关重要.     

废水注入与诱发地震的地理空间关系

正2011年之前,美国俄克拉荷马州每年平均发生1次3级以上地震,但是到2015年,这种地震超过了900次,使得俄克拉荷马州成为美国内陆地震活动最频繁的地区。与此同时,该州的非常规油气开发活动也在增加,其主要采用水力压裂技术来获取以前难以获得的油气资源。非常规油气开发中产生了数百万加仑的高盐废水,为了处理这些废水,将其重新注入到地下深处的地层中。     

黏弹性VTI介质微地震正演模拟与震源机制全波形反演

微地震矩张量能够描述储层岩石破坏的细节,有助于了解水力压裂储层的地质力学特征,震源机制矩张量反演对于非常规油气开发具有重要的作用.水力压裂通常在页岩油气储层中进行,震源区介质表现出速度和衰减各向异性,需要研究衰减各向异性介质中微地震信号的传播规律.基于观测到的微地震记录,通过波形反演能够获得矩张量,忽视震源区介质的衰减...     

页岩气开采水力压裂诱发四川盆地南部2018年12月M L 5.7地震和2019年1月M L 5.3地震

2018年12月16日,四川省兴文县发生了M L5.7地震(北纬28.239°,东经104.922°)。两个多星期以后的2019年1月3日,在其西边8km处发生了M L5.3地震。这两次地震事件是目前为止在长宁页岩气区块发生的最大的、最具破坏性的地震事件,对附近的农舍和建筑物造成了严重的破坏。虽然中国地震局发布这两个地震事件的常规处理得到震源深度都大于5km,但基于广义剪切粘贴法(gCAP)方法的矩心矩张量解,发现震源深度非常浅(M L5.7和M L5.3地震的震源深度分别为3km和1.8km)。此外,这两个地震事件都非常接近水力压裂(HF)井场,周围有很多水力压裂井在地震时正在进行压裂作业。一系列的证据链条表明这些地震是由2.5~3km深度处的水力压裂所诱发。证据包括地震和水力压裂井段之间的时空相关性、地震活动统计特性,以及触发那些现今应力场下产状不利于发生摩擦滑动的断层所需的流体超压力。自2014年开始规模化水力压裂以来,长宁区块至今共观察到11次M L≥4.0地震事件(其中包括3次M L≥5.0地震)。与常规构造地震活动相比,这些地震活动的大森型余震活动非常低。此外,对于触发M W≥3.5地震事件,所需流体超压力为0.3~5.8MPa。水力压裂在致裂区间以外由孔弹性效应产生的应力变化一般远小于1MPa。这些断层大多是未知的,而且在目前的构造应力场作用下,其产状不利于发生滑动破裂,所以流体超压力驱动已存在断层的再活化被认为是诱发这些异常的中强地震的原因。     

利用全波形匹配方法确定水力压裂诱发地震震源机制

准确确定水力压裂诱发地震的震源机制对于描述裂缝破裂类型以及工区地应力状态十分重要.本文采用全波形匹配的方法确定诱发地震震源机制解,在拟合波形的同时对实际数据P波初动极性和纵横波振幅比也进行匹配,并在此基础上发展了一种基于邻域算法分级优化确定震源机制解的新方法.新方法的优势在于它对解具有更强的约束,并且能够解决现有方法中存在的权值系数选择问题.合成数据测试结果表明新方法能够得到可靠的震源机制解.本文将该方法应用于国内某页岩气田水力压裂诱发地震监测数据,反演结果表明诱发地震的震源类型以走滑破裂为主,表明该地区的最大水平主应力大于垂直主应力.     

微地震方法的裂缝监测与储层评价

在油田水力压裂微地震事件定位结果的基础上,结合有效微地震事件的时空分布、震级大小、地震矩、震源半径、应力降和b值等地震学参数进行综合研究,并结合研究区域的地质背景和测井资料对水力压裂诱发的裂缝网络进行几何形态分析和应力解释.本文提出的微地震综合分析解释方法可对压裂后储层物性进行综合评价,有利于对储层改造效果进行预测,对油田的水力压裂施工具有指导意义.     

基于大型水力压裂实验系统的室内模拟研究

室内水力压裂模拟实验是认识裂缝压裂机理、获取水力压裂信号的有效手段,可为进一步提高水力压裂技术在页岩气等非常规油气资源开发方面的应用提供技术支持.本文根据野外水力压裂施工工艺和微压裂地震信号监测的特点,设计并制造了大模型水力压裂模拟装置,该装置包括真三轴围压系统、水压裂系统和微压裂信号采集系统,可以实现相同或不同围压状态下的水力压裂试验,并对裂缝产生、裂缝扩展的整个物理过程进行水力压力信号和岩石压裂破裂信号的采集,形成了一套完整的微压裂实验技术.通过水力压裂实验,首次在实验室内获得了真三轴围压下大模型的水利压力和水力压裂信号的关系,为水力压裂信号的分析和压裂裂缝的定位提供了基础.     

基于方位地震数据的地应力反演方法

在页岩油气藏的开发和勘探阶段,需要对储层进行水力压裂改造,形成有利于油气聚集和运移的裂缝.地应力是进行水力压裂改造的重要参数,能够决定裂缝的大小、方向以及分布形态,影响着压裂的增产效果,且最大和最小水平应力差异比（ODHSR,Orthorhombic Differential Horizontal Stress Ratio）是评价储层是否可压裂成网的重要因子.本文探讨了基于地震数据估算地应力的方法,以指导页岩气的水力压裂开发.首先,利用叠前方位地震数据反演得到地层的弹性参数和各向异性参数;其次,基于正交各向异性水平应力差异比近似公式,利用反演得到的弹性参数和各向异性参数估算地层的ODHSR;最后,选取某工区的裂缝型页岩储层的叠前方位地震数据对该方法进行实际应用.实际工区地震数据应用表明,基于叠前方位地震数据反演得到的ODHSR能够有效的识别储层中易于压裂成网的区域.     

澳大利亚地球科学局发布报告探讨水压致裂与诱发地震的关系

正2016年2月,澳大利亚地球科学局(Geoscience Australia)发布报告《水压致裂与诱发地震关系综述》(Review of hydrofracturing and induced seismicity),全面分析了澳大利亚水压致裂的应用及压裂过程中诱发地震的产生机制与影响,同时也分析了公众关心的与水压致裂相关的主要问题。1能源开发中的水压致裂与诱发地震     

水力压裂对速度场及微地震定位的影响

水力压裂是页岩气开发过程中的核心增产技术,微地震则广泛用于压裂分析、水驱前缘监测和储层描述.微地震反演过程中,用于反演的速度模型往往基于测井、地震或标定炮资料构建,忽略了压裂过程中裂缝及孔隙流体压力变化对地层速度的影响.本文首先基于物质守恒、渗流理论和断裂力学模拟三维水力压裂过程,得到地下裂缝发育特征和孔隙压力分布.继而根据Coates-Schoenberg方法和裂缝柔量参数计算裂缝和孔隙压力对速度场的影响,得到压裂过程中的实时速度模型.最后利用三维射线追踪方法正演微地震走时和方位信息,并采用常规微地震定位方法反演震源位置及进行误差分析.数值模拟结果表明,检波器空间分布影响定位精度,常规方法的定位误差随射线路径在压裂带中传播距离增加而变大,且不同压裂阶段的多点反演法与单点极化法精度相当.     

基于快速模拟退火算法的井中微地震事件定位反演

井中微地震监测技术被广泛应用于非常规油气储层压裂改造监测中,该技术的关键在于有效事件的准确定位.本文以实际测井资料为依据,建立水平层状模型,利用射线追踪模拟并获得微地震事件的传播路径及走时.在模拟退火法机理分析的基础上,引入非常快速算法(VFSA)进行微震事件定位反演,该算法依赖温度的柯西分布状态产生函数,在高温状态下可进行大范围的搜索,在低温状态下只对当前模型附近进行搜索,能够改进退火及抽样过程,提高模拟退火算法的定位效率与精度.最终,将该反演算法运用于实际井中水力压裂微地震事件定位,并描述其造缝空间产状及其发育过程.     

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。     

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     

西安地区的地热水开采与诱发地震关系的研究

通过对国内外众多震例的分析，发现了向深井抽（注）水（液体）诱发地震的一些普遍规律:诱发地震的震中在井位附近，震级小，震源浅且多为主余震型或震群型，绝少有孤立型地震发生；诱发地震的多少和大小与抽（注）水的压力和数量相关；诱发地震一般在钻井时注入泥浆、洗井时注入高压清水或正常的地下水开采等３种情况时马上发生，或滞后1～20天发生. 1990年以来西安地区大量开采地下热水，采水量逐年增多，水位逐年下降且具有夏高冬低等特征．西安地区的地震多为孤立型，震源都在10ｋｍ 以下，且多分布在西安外围地区，井群较密的城郊区鲜有地震发生；地震的频次和能量的释放与西安地区的地热水开采量和水位变化无明显的关系．因此，西安地区的地热水开采并未诱发西安及其周围地区的地震．      

储层岩性对水力裂缝延伸的影响

水力压裂施工过程中,天然断层或裂缝对水力裂缝的延伸影响显著,甚至与水平井轨迹平行或近乎平行的断层或裂缝会形成压裂屏障,阻止水力裂缝的延伸甚至造成砂堵.而岩性对水力裂缝延伸的影响目前还不清楚.本文首先利用地面微地震监测技术对水力裂缝进行了成像并提取出微震事件点分布平面图;然后利用三维地震断层属性预测了天然断层或裂缝分布,利用三维地震GR反演体提取了沿层砂岩分布平面图;最后,通过叠合天然断层或裂缝分布图、砂岩分布平面图以及微震事件点分布平面图,分析了岩性和天然断层或裂缝对水力裂缝延伸的影响,证实了岩性是除天然断层或裂缝以外控制水力裂缝延伸过程的另一个重要因素.     

安全开发还是畏缩不前？——浅谈注水诱发地震的风险与防控

<正>在人们的一般认识中,地震往往是无法确切预测的天灾。然而,随着科学家对地震诱因的深入研究,发现地震不仅是“天灾”,还可能是“人祸”。人类工业活动也能引发破坏性地震,如水库蓄水、地下采矿、地下流体和天然气抽取以及向地下岩层注入流体等。特别是随着水力压裂法在深部油气开采中的广泛应用,     

中国1980年水力压裂法深井测定地下应力的进展

水力压裂法是当前世界上直接测定深部地下应力唯一有效的方法。在美国兰吉里油田,曾利用深井测定了震源区1900米处的地应力。结合地震断层的产状和孔隙压力的情况,解释了诱发地震的成因,提出了控制地震的设想,此后,地下应力测量日益受到重视,目前已达5100米的深度。深井测定地下应力取决于石油开采技术的发展。我国国家地震局地球物理研究所在石油开发研究院与华北有关油田的关注及配合下,开展了地下应力与压裂裂缝方位的测定研究。