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。     

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。     

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。     

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.     

注水诱发微破裂的观察

大庆油田投入开发已达25年之久。由于采用高压注水驱油,近年来地层孔隙压力普遍高于原始孔隙压力0.5～1.0MP.,从而导致断层复活,直接影响了油田的高产稳产。为寻找高压注水与断层复活的关系,大庆油田与国家地震局地球物理研究所合作进行了注水诱发微破裂的观察。 1984年7月对位于大庆油田萨尔图一号断层区的10口注水井提高注水压力,加大注水量,并在约一公里远处用井下地震仪作微破裂观察。结果发现,注水量的增加与微破裂的发生有着极好的对应关系。从而进一步证实了高压注水是断层复活的直接原因。对于诱发与控制地震而言,这是一次十分重要的现场实验。     

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     

深地下工程高压注水诱发地震研究进展

大量研究表明,石油、天然气等能源开采过程中的高压注水活动可以诱发有感、甚至破环性地震.本文首先调研了注水诱发地震研究的历史,并回顾了注水诱发地震研究中常用方法,进而对国内外三个典型注水诱发地震案例进行具体介绍.最后对注水诱发地震研究进行展望,认为丰富的观测资料,包括密集流动台阵的注水地震活动观测、注水活动规律、区域地质构造背景等,是注水诱发地震研究的基础;地震学、大地测量学、地质学以及地下水等学科联合研究是注水诱发地震研究的发展趋势.高压注水诱发地震的研究目的为,通过诱发地震的检测与研究,试图探索适当的注水速率过程,从而在不显著影响生产效率的同时,降低引发破坏性的地震灾害.     

中国注水诱发地震的又一个实例

前言 1962—1969年美国丹佛附近军工厂深井注水、1970年日本松代的注水实验和1972年美国兰吉利油田油井注水诱发地震是广为人知的。1976年任丘油田、1985年胜利油田油井注水也诱发了地震。人们从中得出的结论是,注水与地震有着显而易见的因果关系。据调查,荣昌县安富镇华江机械厂周围发生的一系列小地震也与附近油井注水密切相关。现将情况简要介绍如下。     

德国大陆超深钻井注水诱发地震的精确定位

2000年8月21日～10月20日，德国大陆超深钻井(KTB)进行了为期60天的新一轮注水诱发地震实验．在对KTB台网所记录到的2 700多次地震的原始波形进行分析和处理的基础上，对其中的237次地震进行了精确定位．定位时，先采用和达法剔除了误识的非KTB诱发地震事件；然后，使用大折刀法求得了台站偏差的最佳值，以及中误差和平均误差；最后应用Geiger法进行修定，从而保证了237个事件定位的中误差达到0.1 km的高精度．定位结果显示，在大于9.3 km(几乎是主井底的深度)没有发生诱发地震．这一现象表明，在这个深度，应力可能低于摩擦强度，以至于由注水引起的孔隙压力的变化不足以诱发地震；在这样的深度不存在可渗透的、取向恰当的断层．这个深度也可能是这一区域内的地震活动性的最大深度，即在这一相对稳定地区的板块内部，主井底已接近脆-延性转换带．并用实验室的结果和超深钻井中所观测到的热流值资料解释了这一现象．      

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。     

对大庆油田人工控震实验的分析

本文从 Byerlee 定律出发,对大庆油田的人工控震实验进行了分析和讨论。得出,孔隙压力的大小对微震的发生有控制作用,注水一旦超过临界注水压力,应力条件满足断层相对滑动条件,微震频度将增加。大庆油田的断层运动复活,是高压注水的结果。目前,大庆油田的断层活动可能以走滑错动为主。在注水压力不超过80巴时,不会发生断层相对滑动,套管变形速度将会大幅度降低,该结果和大庆油田的控震实验及多年的观测结果比较一致。     

产油井套管变形的一种可能解释

产油井套管变形断裂,造成油井的报废,这种现象影响了石油的生产。本文指出,由于开采石油,减低了含油层的孔隙压力,致使含油层被压缩,油层的压缩给固结在油层中的套管以一个纵向附加压力,当含油地层倾斜时,套管除受到纵向压力外,还受到一对横向水平剪力的作用。这种因油层压缩而产生的力,是造成套管变形的一种可能解释。     

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.     

雨水触发地震及其对喀斯特地质的依赖

最近报道的因3次独立的暴雨引发的雨水触发地震都发生在喀斯特地质区域。本人在该文中讨论了在强降雨直接侵入喀斯特地区以后喀斯特水文地质是怎样通过水流通道控制雨水触发地震的。这种通道导致水头大量增加,更重要的是,它极大地增加了作用于地下孔弹性介质的垂直应力。快速加载于孔弹性介质的载荷,通过以一种观测到的向水库注水类似的方式,增加深部孔隙压力,从而诱发地震。采用简单的一维孔弹性介质模型可以看到,深部流体压力的激增是边界处压力阶跃的实质性的一部分,接下来是与典型的线性扩散问题相关的随时间变化的孔隙压力的增加。这些结果含有对触发地震所必需的流体压力变化的暗示,并导致以下尚待检验的假设：明显的雨水触发地震将只发生在喀斯特地区。     

对扶余油田套管变形的几点看法

我们利用扶余油田的压裂资料,分析了该油田应力场的特点,探讨了油田套管变形的原因.认为该区以水平压应力作用为主.由于高压注水,有效法向应力降低,引起地层间的相对滑动,造成套管变形.主要的套管变形是由于地层沿水平间断面--AB 界面的滑动造成的.通过控制注入压力和注水方式可以降低 AB 界面中的空隙压力,使界面上的法向应力有所恢复,降低套管变形的速率.      

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。     

山东胜利油田角07井注水地震序列的演化及其机制

1985年12月至1986年1月发生的山东省胜利油田角07井注水地震序列,经历了特有的演化过程,即全序列可分解为4个子序列,且子序列逐渐由震群型向主余型过渡.前期地震(最大地震之前)呈升级趋势,地震b值前期高于后期,地震时间结构的分数维D则前期低于后期,以及较大地震的lg△t-lgt前期较为紊乱,而后期线性相关等.计算表明,注水后岩石孔隙压力大于临界孔隙压力,从而诱发了地壳浅部岩石低初始应力的提前释放,而水的渗透作用则导致岩石孔隙压力随时间由高度非均匀分布向相对均匀分布转换.角07井地震序列的演化与这一物理过程有关.      

地震是一种“地壳雷电效应”?——地震成因新探

依据天文地震学所揭示的太阳活动,宇宙线增强与地震活动密切关联,地电学中所揭示的自然电场的存在以及地震前后岩石电阻率显著变化的观测事实和“摩擦带电”原理,提出一种新的地震成因假说,即：地震是一种“地壳雷电效应”,认为地震实质上是发生在地壳中的雷电现象-由于太阳活动如耀斑爆发,太阳黑子,太阳风等向地球辐射大量带静电荷的高能粒子,以及自然电场,板块断层间的挤压,摩擦导致大量静电荷积累,极化从而引起发生在地壳中的雷电现象,强烈的地壳雷电能够导致地内岩石破裂,加剧地震的破坏性,并尝试性地运用这一观点统一地解释了板间地震,板内地震,水库,注水,采矿诱发地震等现象,认为由此可以对地震采取有效的预防,控制措施,另外,仅仅从地应力的角度来认识地震现象是远远不够的,静电力的存在至少是一个不能被忽视的重要因素。     

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     

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.