利用InSAR技术监测石油开采引起的地表形变

陈志谋，胡 波，陈金座，罗楚楚，张华鹏，姚俊启，陈进清

(1. 福建伟志工程勘测股份有限公司，福建 晋江 362200； 2. 广东工业大学，广州 510006)

利用InSAR技术监测石油开采引起的地表形变

陈志谋1，胡 波2，陈金座1，罗楚楚1，张华鹏1，姚俊启1，陈进清1

(1. 福建伟志工程勘测股份有限公司，福建 晋江 362200； 2. 广东工业大学，广州 510006)

随着人类工业文明的不断发展，石油成为重要的化工资源。然而，石油开采带来的负面影响却日益凸显，如环境污染、资源枯竭、开采安全问题等。由石油开采导致的地面沉降则是这些问题里最不容忽视的，石油开采会导致油层中地下压力的减少，造成油层的紧密压实。当压密的数值达到一定量时，就会引起地表下沉。在城市区域内，地表形变会影响各种生产设施的安全使用。本文以国内某油田为试验对象，利用短基线集技术(SBAS)进行处理，对石油开采时引起的地表沉降进行监测，综合分析其地表形变速率、范围，以及地面变形影响因素，为生产单位和当地政府部门提供决策依据。

石油开采；地表形变；合成孔径雷达干涉测量；小基线集

石油作为人类工业文明发展的推动力，随着社会需要的不断扩大，已成为人类现代生活中方方面面都不可缺少的资源。石油工业是经济发展的血液，但石油是不可再生的一次能源。当今社会发展倡导建设环境友好型和资源节约型社会，提倡发展和使用新能源，但我国仍以煤和石油作为能源结构的核心成分，且这种能源结构将长期存在。不管是从我国的能源结构来看，还是从工业需要的发展来看，石油开采是一项尤其重要的工业生产活动，牵涉到国民生产总值的发展。它在为国计民生作出重大贡献的同时，负面影响也接踵而至。地下资源的开采，包括煤矿、石油和天然气，必然会导致地下的地质结构发生变化，石油开采区也会有不同程度的沉降。城市区域内，石油开采引起的地表形变将影响城市各种设施的正常运营使用；海洋区域内，石油开采将会引起海水倒灌、港口淹没、威胁钻井平台的安全使用，如美国加州长滩的 Wilmington 油田的地面沉陷监测达10 m之巨。1984 年北海的 Ekofish 采油平台下面的海底表面曾下陷 3.5 m，为此不得不投资 10 亿美元对采油平台进行升高处理[1-5]。

一直以来，探索监测地表形变的技术和方法就是众多大地测量学家和地球物理学家致力研究的内容，技术涉及了精密水准测量、GPS技术、地下水监测井技术、土工测量技术、放射性分层标监测技术等。以上所述的地面形变监测的方法具有时间分辨率高、监测精度高等优势，但都只能对有限的离散点进行观测，故具有低空间分辨率且覆盖范围较小的技术劣势，加之监测费用较高，难以满足大范围的地球物理研究以及形变灾害预测和评估的实际需要。InSAR(interferometric synthetic aperture radar)是一种新型的空间对地观测技术，具有高空间分辨率、高精度、监测范围广、穿透性强等优势，是当今地学界较为先进的基于面观测的地表形变监测手段。目前，已有众多的国内外专家学者成功应用InSAR技术进行地表沉降监测工作，并取得了令人瞩目的成果[6-8]。

虽然国内外的众多学者在地表沉降方面作了大量且细致的研究，但大部分的研究内容均是关于矿区或城市地面沉降，在对石油开采导致的地表沉降方面研究较少。姜岩等[9]介绍了油气开采引起地表下沉的机理和下沉危害,把油气开采引起的地表移动视为随机过程,并以整个开采区域为研究对象,提出了下沉源函数和下沉传播分布函数,建立了开采引起地表下沉的预测模型,为研究油气开采引起的地表沉陷损害问题提供了理论依据。田红等[10]通过对油藏压实与沉陷的机理及影响因素进行分析,给出了油藏压实与沉陷量的预测模型及计算方法，并以某海上油藏实例进行了计算。张文昭[11]在美国威明顿油田地表下沉与防治中，分析了美国威名顿油田地面下沉状况，并提出了防治方法。

本文选取某油田的20景TerraSAR数据作为试验数据，利用InSAR技术中的(短基线集)(SBAS)技术进行处理，对该油田进行石油开采时引起的地表形变进行监测，综合分析其地表形变速率、范围，以及地面变形影响因素，并提出预警和相关建议，为生产单位和政府部门提供决策依据。

1 短基线集(SBAS)技术

SBAS技术即短基线集差分干涉测量技术，是将所获得的长时间序列SAR数据组合成具有小空间基线干涉子集的(集合内SAR图像基线距小，集合间的SAR图像基线距大)干涉测量数据组，然后通过利用奇异值分解方法(SVD)将不同时间基线的空间小基线子集数据组合形成时间序列，进而获取高精度形变场的差分干涉测量技术。SBAS技术是Berardino等[5]在2002年提出来的，它能够解决D-InSAR技术中由于长基线导致的几何去相关问题，并利用所有获取的数据，提高了采样的时间分辨率，保证了变形的时间序列分析具有较高的空间密度，同时也适合对非城市区域地表形变场时间演化进行分析。

SBAS处理流程如图1所示，其主要步骤如下：

(1) 估算所有SAR图像的基线，根据短时空基线原则确定时空基线阈值，生成连接图。

(2) 对图像进行配准，生成干涉纹图，精确估算空间基线，结合 DEM 数据去除平地相位和地形相位，对差分干涉图进行滤波等。

(3) 根据相干系数图，选择图像上的高相干目标点。

(4) 对所有的差分图进行相位解缠和定标，将差分相位信息转换为高程向的形变量。

(5) 对结果进行第一次反演，建立线性模型，利用矩阵奇异值分解方法，估算形变速率和高程系数。

(6) 对结果进行第二次反演，去除大气效应和地形残余相位，得到最终的平均位移速率，并确定 PS 点三维位置信息，然后计算非线性形变速率和位置时间序列。

(7) 得到最终的位置时间序列后，可以进行必要的地理编码和时序分析。

图1 SBAS处理流程

2 SBAS数据处理

本次试验选用了20景德国TerraSAR数据，采用X波段，波长为5.6 cm。获取的卫星影像时间跨度为2010—2015年。其中DEM数据为美国宇航局提供的SRTM V4 DEM，分辨率为90 m，绝对精度为16 m。

2.1 准备数据

准备数据输出文件夹，以卫星数据的获取时间(格式为YYMMDD)命名。从文件夹内的summary影像说明书中查找获得影像获取时间为“20121231 16:15:05.492”，新建准备存放聚焦处理后得到的SLC影像数据的文件夹，文件夹以影像获取时间20121231来命名，其余19景Raw SAR影像准备同上处理。

2.2 数据预处理

进行Raw SAR的聚焦处理，依次输入各个Raw SAR数据的头文件(Leader file)和影像文件(Image file)，参数设置中根据每景影像极化形式的不同选择同极化(HH)或交叉极化(HV)模式，最后输出结果至预先准备好的路径下对应的文件夹中。

2.3 生成连接图

数据预处理后，可进行SBAS小基线集法处理的第一步，将20景SLC(single look complex)影像输入，参数设置中需要注意临界基线百分比(normal baseline)、时间基线阈值(temporal baseline)和三维解缠(Delaunay 3D)的设置，临界基线百分比和时间基线阈值需要经过多次试验才可获得最优的设置数值，本文采用的空间基线阈值百分比为45%，时间基线阈值为725 d，勾选Delaunay三维选项，最后共得到99对干涉对。图2为99个干涉对的时空基线图。

图2 干涉对时空基线

2.4 定义感兴趣研究区域

由于获取的SAR影像覆盖的区域较大，而本次研究区域仅为SAR影像覆盖区域的一部分，可对整体影像进行感兴趣区域的裁剪。裁剪需要利用预先准备好的矢量数据，输入连接图步骤生成的auxiliary文件和DEM文件，裁剪出感兴趣的研究区域，注意得到裁剪区域图后，需要在Google Earth中打开查看实地区域，检查是否覆盖在感兴趣研究区域。

2.5 干涉工作流

该步骤为SBAS-InSAR方法中的核心步骤，主要包括干涉图生成、干涉图去平和相位解缠等，同样导入auxiliary文件和DEM文件后，参数默认，开始运行处理，处理时间约为7 h，可以在生成的文件夹查看生成的干涉图、相干系数图和解缠图。需要注意的是，查看过程需要查找出质量较差的干涉图，在下一步骤中剔除，避免后面处理结果被质量较差的干涉图所污染。

2.6 连接图编辑

连接图编辑可对质量不好的干涉对进行剔除，移除相干性低、解缠结果不好，以及大气影响较大的像对，该步骤主观因素较大，依靠经验所判断剔除的数据也不一样。需要注意的是剔除像对后，需要查看各像对的连接情况，尽可能将每个数据都连接起来，提高数据利用率，尤其对于时间序列上的第一幅影像和最后一幅影像，不能轻易剔除，否则将会缩短SBAS小基线的时间序列分析长度，进行剔除处理后，得到新的连接图。

2.7 轨道精炼和重去平

该步骤用于估算和去除残余的恒定相位，还可以去除解缠后依然存在的相位梯度。该过程需要创建地面控制点(ground control points，GCP)文件，输入干涉图和DEM即可进行选取GCP。需要注意的是，选取的地面控制点需要分布在相干性较好的区域，并且均匀分布，远离形变区域。本次试验选取了63个地面控制点，参数默认，开始运行处理,地面控制点选点如图3所示。

图3 研究区的地面控制点选取

2.8 SBAS反演

SBAS反演可分为两个步骤：第一次反演估计位移速率和残余地形，用来对合成的干涉图进行去平，重新作相位解缠和精炼；第二次反演是在第一次得到的形变速率(_disp_first)基础上，进行定制的大气滤波，从而估算和去除大气相位。需要注意的是，本次试验中两次反演的Product Coherence Threshold相关系数阈值都设置为0.35，一旦进入反演步骤，不能再对干涉对进行处理。

2.9 地理编码

地理编码为SBAS处理的最后一步，进行地理编码的同时，将地表形变结果投影到试验设置的方向上，本次试验设置方向为默认方向，即为雷达视线方向LOS方向，输入DEM后进行处理，最终得到平均形变速率图、相对一个日期的形变量图、平均形变速率的精度图等，可用于对最终结果的分析和论证。

3 结果分析

经地理编码后的地表形变图为SBAS最后的处理结果，得到的平均形变速率图和时间序列形变图如图4、图5所示。从图4平均速率形变图中可以发现，研究区域内有3个明显的漏斗形沉降，经查询，最大的形变速率可达-73.6 mm/a。在时间序列形变图中可见漏斗形沉降的形成过程，形变范围在逐渐扩大。造成这种结果的原因是石油开采，从地下抽取石油会导致土的自重应力增加，地面便会以钻井为中心往下塌陷，进而形成漏斗形沉降，不断累及周边地区。

图4 平均形变速率结果

图5 时间序列形变

以最新一期2015-10-16的SAR影像数据为研究对象，采用Surfer软件画出三维形变图和等值线图。由图6和图7可得，研究区域内已形成3个明显沉降漏斗，其中A区域的沉降量最大，在A区域沉降的中心区域选择3个点，由图8累积形变曲线中可见，3点的沉降量已超过-200 mm。同时A区域的沉降形变范围最广，并持续累及周围地表，有与其他两个沉降漏斗区域形成整块区域沉陷的趋势。由图9可知，最大的沉降漏斗的直径已达2 km，且在持续扩大，对石油开采区周边的村落带来的影响尤其应引起重视。

图6 2015-10-15的形变等值线

图7 2015-10-16的三维地表形变

图8 2015-10-16的累积形变曲线

图9 Google Earth的形变叠加

4 结 论

利用TerraSAR卫星的20景SAR数据获取某油田的形变场，采用SBAS方法对影像数据进行处理，得到该研究区域的平均形变速率图、时间序列形变图和累积形变曲线图。经分析可得以下结论：

(1) 研究使用的TerraSAR影像对覆盖范围内大部分地区的相干保持能力较强，可作为该石油开采地区地面沉降调查与监测的有效数据源。本研究采用的SBAS数据处理方法能够高精度、面积性地刻画该地区的地面沉降态势，为该地区地面沉降灾害管理提供具有指导意义的科学数据，为政府部门和生产单位提供决策依据。

(2) 在该研究区域的中心地带为石油开采区，地面沉降现象严重，已形成3个明显的沉降漏斗，沉降中心的线性沉降速率可达-73.6 mm/a，最大的沉降量已超200 mm。由图9可知，最大的沉降漏斗的直径已达2 km，且在持续扩大，对石油开采区周边的村落带来的影响尤其应引起重视。

致谢：本文研究中使用的数据由德国宇航局提供，SRTM数据由NASA提供，特此致谢。

[1] SARYCHIKHINA O，GLOWACKA E. Land Subsidence in the Cerro Prieto Geothermal Field, Baja California, Mexico, from 1994 to 2005: An Integrated Analysis of DInSAR, Leveling and Geological Data [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2011, 204(1):76-90.

[2] ONUMA T, OHKAWA S. Detection of Surface Deformation Related with CO2 Injection by DInSAR at In Salah, Algeria [J]. Energy Procedia, 2009, 1(1): 2177-2184.

[3] ZEBKER H A, ROSEN P. On the Derivation of Coseismic Displacement Fields Using Differential Radar Interferometry the Landers Earthquake [J].Journal of Geophysical Research, 1994, 99(B10):19617-19634.

[4] FERRETTI A, PRATI C, ROCCA F. Permanent Scatterers in SAR Interferometry [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001, 39(1):8-20.

[5] BERARDINO P, FORNARO G, LANARIR R, et al. A New Algorithm for Surface Deformation Monitoring Based on Small Baseline Differential SAR Interferograms [J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2002, 40(11):2375-2383.

[6] 陈义兰,周兴华，刘忠臣. 应用INSAR进行黄河三角洲地面沉降监测研究[J]. 海洋测绘，2006，26(2)：16-19.

[7] 万小琴，胡波，马清林. 基于PSInSAR技术的澳门地表沉降研究[J].测绘工程，2012，21(3)：39-43.

[8] 吴立新，高均海，葛大庆，等. 基于D-InSAR的煤矿区开采沉陷遥感监测技术分析[J].地理与地理信息科学，2004, 20(2)：22-25.

[9] 姜岩，田茂义. 石油与天然气开采引起的地表下沉预测[J].辽宁工程技术大学学报， 2003，22(6)：746-748.

[10] 田红，邓金根，周建良，等. 石油开采引起的油藏压实与地面沉陷预测[J].岩土力学，2005，26(6)：929-931.

[11] 张文昭. 美国威明顿油田地面下沉与防治[J].世界石油工业，1999，9(9)：56-60.

[12] 侯建国. 基于差分干涉雷达测量技术的哈尔滨市地面形变监测与综合分析研究[D].西安：长安大学，2011.

[13] 丁晓利，陈永奇. 合成孔径雷达干涉技术及其在地表形变监测中的应用[J].紫金山天文台台刊, 2000(2)：158-167.

MonitoringtheSurfaceDeformationCausedbyOilExplorationBasedonInSAR

CHEN Zhimou1，HU Bo2，CHEN Jinzuo1，LUO Chuchu1，ZHANG Huapeng1，YAO Junqi1，CHEN Jinqing1

(1. Fujian Weizhi Surveying and Mapping Engineering Co. Ltd., Jinjiang 362200, China； 2. Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006, China)

With the development of the industrial civilization, the petroleum has become more and more important in the chemical industry. However, the negative impact of oil mining has become increasingly prominent, such as environmental pollution, resource depletion, mining safety issues, etc. The surface subsidence caused by oil exploitation is the most important problem, resulting in the decrease of the underground pressure in the oil layer, which leads to the compaction of the oil layer. When the quantity of the intensity of pressure reaches a fixed value, it will cause the surface subsidence. In the urban area, surface deformation will affect the safe usage of various production facilities. This paper takes an oilfield as the study object, using SBAS technology (small baseline subset) to monitor the surface subsidence caused by implementation of oil production activities. Eventually it provides a comprehensive analysis of the phenotypic variable rate and scope, ground deformation factors and the basis for decision-making for the production sectors and government departments.

petroleum exploitation; surface deformation; InSAR; small baseline subset

陈志谋，胡波，陈金座，等.利用InSAR技术监测石油开采引起的地表形变[J].测绘通报，2017(11)：42-46.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0345.

P258

A

0494-0911(2017)11-0042-05

2017-03-01

福建省科技厅科技计划(2017Y3004)；国家自然科学基金(41204012)

陈志谋(1976—)，男，高级工程师，长期从事变形监测及工程测量工作。E-mail：358863955@qq.com