不同工程流体注入诱发地震因素的相关性分析

曹吉祥，郝术仁，李 昌，张海洋，姜永清，张圣杰

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013；2.黑龙江省生态地质调查研究院，黑龙江 哈尔滨 150056)

0 引 言

1960年以来人们发现向地下注入流体会诱发地震，但在2009年前很少有案例被记录。2009年后美国中部和东部的地震发生率出现了前所未有的增长，包括几次破坏性地震，如2011年俄克拉荷马州布拉格5.6级地震[1]、2011年科罗拉多州特立尼达M5.3地震[2]和2011年阿肯色州M4.7地震[3]等。地震发生率的增加和多次破坏性地震的发生促使科学界集中精力研究流体注入诱发地震所带来的危害。

流体注入的工程有多种类型，如水力压裂、废水注入、增强型地热系统(EGS)、强化采油系统(EOR)以及二氧化碳捕集与封存(CCS)等。由于水力压裂工程主要是废水处理诱发的地震，因此本文研究将水力压裂整合到废水注入类型中，主要收集废水注入工程、EGS工程、强化采油系统工程及CCS工程案例。在俄亥俄州扬斯敦流体注入案例[4]的监测中发现，诱发地震受注入参数和储层条件等多种因素的影响，注入参数在工程中比较容易获取，储层条件获取不易，需要建立监测站获取。Weingarten等[5]调查了18 757口与诱发地震相关的注入井，收集了注入井的最大注入流速、最大注入压力、注入体积等因素进行分析发现，地震发生的可能性随着最大注入率的增加而增加。Kim[6]调查了167次与诱发地震相关的地质环境条件和注入参数发现，地震的产生与累计注入量和注入压力关系密切。McGarr[7]的研究表明，最大震级与注入体积相关。程钰翔[8]对注入深度、最大井头注入压力、断层长度、最大注入流速等参数进行回归分析发现，这些参数或多或少都与地震震级有所联系，其中注入压力的相关性较强。

筛选相关性较强的影响因素进行相关性分析可提高研究结果的准确度。为此，本文收集诱发地震参数包括最大注入流速Qmax、累计注入体积Vtot、最大井头注入压力Pmax、注入深度D，对工程分类，分别进行单参数、双参数相关性分析，研究工程类型与诱发地震影响因素的内在关系，拟合工程对应的最大震级预测公式。

1 诱发地震影响因素

人类活动诱发地震的方式有很多，但根本原因是人类活动改变了断层上的应力条件，从而引发地震。注入压力抵消了围压和轴向压力，降低了岩石的强度并导致断裂，同时保持压差恒定使断层的稳定系统走向失效。除了断层中的流体压力外，还有许多其他因素影响诱发地震，包括注入参数和储层条件，许多参数不容易确定，至今为止，大部分案例存储的数据都是工程的注入参数，主要对最大注入流速Qmax、累计注入体积Vtot、最大井头注入压力Pmax、注入深度D这4个参数进行分析。

2 诱发地震案例

本文收集了各类工况中震级较大的诱发地震案例数据，涉及流体注入的活动包括：①各类活动产生的废水注入深层咸水层；②在增强型地热系统中将水注入热的低渗透率岩石中以提高岩石渗透率；③将水、蒸汽或二氧化碳注入生产地层以提取天然气和石油；④CCS工程中二氧化碳的地质封存。

2.1 废水注入

废液通常被注入到深处的高渗透地层中，与饮用水含水层永久隔离[9]。1960年丹佛地震是由落基山兵工厂注入化学废物引起的，这是第一次确定与流体注入有关的地震，该序列中最大的震级为4.9。自该序列以来，已经确定了更多由流体注入诱发的地震，较大的是2011年8月科罗拉多州特立尼M5.3地震和2011年11月俄克拉荷马州布拉格M5.7地震。废水注入诱发地震案例见表1。综合多个废水注入工程发现，每个废水注入诱发地震案例中的深井分布不同，主要受储层的流体力学属性、注入速率、最大井头注入压力和流体累计注入量等因素的影响。

表1 废水注入诱发地震案例

2.2 增强型地热系统(EGS)工程

EGS工程在深度超过3 km、高温且不透水的岩体中开展，通过注入大量流体进行水力增产，以提高地下岩体的渗透性，并生成人工地热储层用于发电或直接提供热量[10]。水力压裂过程施加在裂缝或断层面上的流体压力降低了有效应力，断层面上的剪切破坏可能诱发地震。国外有多项开展增强型地热系统而诱发地震的典例，如2006年12月8日，瑞士巴塞尔的水力压裂期间当地发生了M3.4地震，导致该项目永久关闭；2017年韩国Pohang由于ESG工程项目诱发了M5.5级地震。EGS注入诱发地震案例见表2。

表2 EGS注入诱发地震案例

2.3 强化采油系统(EOR)工程

在经过多年的开采之后，油气藏的压力下降且油气产量降低，需要向油气藏储层中注入水、热蒸汽或CO2等流体来维持储层的压力，并达到提高油气采收率的目的[11]。美国大约有80 000口提高油气采收率的注水井，仅有小部分注水井诱发了地震，其中记录最好的注入诱发地震案例之一是科罗拉多州附近的油田，该油田因提高石油采收率而诱发地震且案例数量大，因此被美国地质调查局选中进行地震控制试验。已知由提高石油采收率引起的最大地震是艾伯塔省鹬湖诱发了震级为5.1地震。EOR工程诱发地震案例见表3。

表3 强化采油系统工程诱发地震案例

2.4 二氧化碳捕集与封存(CCS)工程

CCS工程是将大型排放源产生的CO2捕获后进行处理，再运输到选定地点长期封存。现已发展出多种封存方式，1972年美国Terrell项目是全球首个CCS项目。CCS工程即便产生的地震震级很小，也会使盖层产生裂隙导致CO2逃逸从而封存失败，因此中小型地震也威胁到CO2储存库的密封完整性。表4为CCS工程地震案例。

表4 CCS工程地震案例

3 各工程相关性分析

本文收集了废水注入、增强型地热(EGS)、强化采油系统(EOR)这3项工程各15～17个诱发地震案例及二氧化碳捕集与封存(CCS)案例，大部分是位于美国中部和东部以及加拿大等地的地震记录。前人研究表明[12]，天然地震发震过程中，断层尺寸可以用来直接估算地震规模，即Mw=alogL+b，其中，Mw是矩震级，L为断层长度，a、b为常数。Zang等[13]认为该公式也适用于人工诱发地震。本文使用该公式扩展进行回归分析，建立单参数和双参数回归方程，即Mmax=alogX+b，Mmax=alogX1+blogX2+c，其中，X、X1、X2取Pmax、D、Qmax、Vtot对应的数值；a、b、c为常数。方程的回归系数R2越大，表示该因素对诱发地震Mmax的影响越大，因此由回归系数R2判定相关性的强弱；双参数回归分析中同时对X1、X2这2个参数进行拟合分析，并尝试找出相关性最大的公式，作为诱发地震最大震级的预测公式。

3.1 废水注入

3.1.1 单参数分析

图1是废水注入工程单个参数的非线性拟合结果。从图1可知，最大注入流速Qmax回归的确定系数R2最大值为0.578 4，表明Qmax与废水注入诱发地震的Mmax联系最紧密。此外，累计注入体积Vtot回归的确定系数R2略微次之，为0.459 3，最大井头注入压力及注入深度R2都比较低。

图1 废水注入参数拟合结果

3.1.2 双参数分析

为进一步分析各个影响因素的相关性，进行了双参数的非线性回归分析，对参数两两分析，得到如下的回归公式，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)

废水注入工程双参数拟合结果见图2。从图2可以看出，最大注入流速Qmax和累计注入体积Vtot所对应的回归参数0.291 36和0.270 66基本相等，再次印证了单参数分析时所得结论，Qmax和Vtot对该工程影响较大。分析图2发现最大井头注入压力Pmax的相关性非常低。根据双参数拟合结果，本文选取R2最大的公式作为Mmax的预测公式，即式(4)。

图2 废水注入双参数拟合结果

根据单参数及双参数分析可以发现，注入速率是影响诱发地震发生概率最重要的注入参数，而最大井头注入压力及注入深度相关性都比较低。Weingarten等[5]对数千口注水井进行分析发现，注入速率的变化对诱发地震的影响最大，且由于井筒中的摩擦和其他因素，井口注入压力数据可能无法反映注入地层中的孔隙压力状况，零井口压力的井仍然会从井中的静水柱产生井底压力，该压力可能足够大，从而引发地震，因此认为最大井头注入压力不是注入井和地震关联的控制因素，这也与本文的分析结果吻合。理想情况下，储层孔隙压力和井底地层压力在确定最大井头注入压力和地震之间是否存在联系方面更有用。

3.2 增强型地热系统(EGS)工程

3.2.1 单参数分析

图3是EGS工程单参数拟合结果。从图3可知，在EGS单参数回归分析中，最大井头注入压力Pmax回归的确定系数R2最大，为0.461，表明Pmax与EGS诱发地震的Mmax联系最紧密，其他3个影响参数Qmax、Vtot、D相关性都比较低。

图3 EGS工程单参数拟合结果

3.2.2 双参数分析

为进一步分析各个影响因素的相关性，进行了双参数的非线性回归分析，对参数两两分析，得到如下回归公式，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工程双参数拟合结果见图4。从图4可知，累计注入体积Vtot和最大注入流速Qmax相关性比较低，最大井头注入压力Pmax对应的回归参数较大，相关性相对于其他因素比较强，与单参数分析结果相一致。根据双参数拟合结果，本文选取R2最大的式(7)作为最大震级的预测公式。

图4 EGS工程双参数拟合结果

2种拟合分析都可以看出，Pmax是EGS诱发地震较强的因素。在澳大利亚Cooper Basin的干热岩示范工程中，诱发的地震活跃带处于大断层发育区域，并且受局部应力场特征的影响显著，流体注入后，在有效应力减少的过程中，增加的流体压力可以减少静摩擦，从而在存在偏斜的情况下促进地震滑移，在现有裂缝上孔隙压力增大，最大井头注入压力越大越容易引发裂缝，因此最大井头注入压力是地热活动诱发地震最紧密的因素。

3.3 强化采油系统(EOR)工程

3.3.1 单参数分析

由于强化采油系统工程中所收集的最大注入流速Qmax及累计注入体积Vtot数据过少，本文只对最大井头注入压力Pmax及注入深度D进行回归分析。EOR工程单参数拟合结果见图5。从图5可知，在油气提取工程影响因素的单参数回归分析中，最大井头注入压力Pmax回归的确定系数R2相对较大，为0.008 7，但总体相关性都比较偏低。

图5 EOR工程单参数拟合结果

3.3.2 双参数分析

根据单参数分析结果，对注入深度D和最大井头注入压力Pmax进行双参数分析。在双参数分析中，最大井头注入压力Pmax与注入深度D对应的回归参数公式为

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

(12)

拟合结果表明，2个因素的相关性都较弱。此外有研究表明，储层温度变化与诱发的有感地震关系密切[10]。由于式(12)的R2较小，为0.026 27，不作为最大震级的预测公式。

3.4 二氧化碳捕集与封存(CCS)工程

由于CCS工程诱发案例太少，本文不进行相关性分析。但可以看出，CCS诱发地震的平均震级比较低，只有1.38，这种中小型地震引起的地面震动无关紧要，但仅仅几毫米的剪切位移就能提高裂缝和节理的渗透率[14]，几厘米的滑移能够形成1个可渗透的水力通道，这可能会损害CO2储层的密封完整性并可能使地表隆起。但北海Sleipner气田向Utsira地层注入CO2，在过去15a中，每年注入约100万t的 CO2而没有引发地震活动；鄂尔多斯神华CCS项目，长期注入CO2迄今为止都处于安全封存状态。分析案例发现，将CO2注入高孔隙率和高渗透性的储层中引发压力上升的幅度很小，而且软弱、胶结不良的砂岩预计会随着施加的地质力而缓慢变形[15]，此类地层不易产生断层，说明找到合适的选址是避免CO2注入诱发地震的前提。

4 结 语

本文对不同工程的流体注入诱发地震影响因素进行了非线性拟合分析，并结合相关性强弱，对各类工程所对应的最大影响因素进行探讨，得出以下结论：

(1)降低废水注入诱发地震的可能性最主要的是控制最大注入流速，高速井对储层和断层压力扰动的范围和幅度有更大的影响，更易引起地震；降低EGS工程诱发地震的可能性最主要是控制最大井头注入压力，压力越大注入液体在地层间的冲击力越大；油气提取工程与最大井头注入压力相关性相对较强；CCS工程对地层稳定性要求最大。

(2)CO2封存工程庞大，时间跨度长，封存场地地质条件具不确定性和复杂性，CO2注入后，冠岩的储层物理、化学特性变化规律及温度场、化学场、渗流场、应力场的变化规律，都亟需开展室内试验、现场试验及数值模拟研究。

总之，通过详细的地震监测，仔细选择注入位置，根据持续的地震活动改变注入速率和压力以及明确的管理计划，有望减轻破坏性地震的可能性。管理诱发地震的可能性需要科学家、行业和监管机构之间的通力合作，这也给大力开展的CO2注入封存项目的安全管理带来可靠的数据支撑和监管保障。