美專家分析油氣田注水開發(fā)中的誘發(fā)地震及其應(yīng)對策略＊

趙紀(jì)東 王艷茹 編譯

（中國科學(xué)院蘭州文獻情報中心，蘭州 730000）

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美專家分析油氣田注水開發(fā)中的誘發(fā)地震及其應(yīng)對策略＊

趙紀(jì)東 王艷茹 編譯

（中國科學(xué)院蘭州文獻情報中心，蘭州 730000）

2015年，在美國州際油氣契約委員會（Interstate Oil and Gas Compact Commission，IOGCC）和地下水保護委員會（Ground Water Protection Council，GWPC）的共同行動計劃StatesFirst的倡議下，業(yè)內(nèi)專家成立流體注入誘發(fā)地震工作組（Induced Seismicity by Injection Work Group，ISWG），分析了與油氣資源開采有關(guān)的地下流體注入誘發(fā)地震的可能性，并制定了評估和解決此類事件的一些策略。該研究旨在為美國監(jiān)管機構(gòu)提供相關(guān)科技現(xiàn)狀，以及與地震評估、誘發(fā)地震風(fēng)險管理、應(yīng)對策略制定有關(guān)的注意事項。2015年9月，發(fā)布《油氣開發(fā)中潛在的流體注入誘發(fā)地震：風(fēng)險管理及減緩的技術(shù)和管理基礎(chǔ)》（Potential injection－induced seismicity associated with oil ＆gas development：A primer on technical and regulatory considerations informing risk management and mitigation）報告。在此，我們對其內(nèi)容做一簡要介紹。

1 誘發(fā)地震

多年前，科學(xué)家們就認(rèn)識到某些人類活動可能會引發(fā)地震。多數(shù)地震是由構(gòu)造運動引起的（自然原因），但在某些情況下，人類活動可以引發(fā)地震。誘發(fā)地震的活動記錄至少可以追溯至20世紀(jì)20年代，主要源于多方面的人類活動，如地下流體注入、石油和天然氣開采、修建大壩后的大型水庫蓄水、地?zé)峁こ獭⒌V山開采、建筑活動和地下核試驗等。

該研究重點分析了Ⅱ類處理井①美國環(huán)境保護署（EPA）的地下流體注入控制（Underground Injection Control）計劃將地下井分為6類，其中，Ⅱ類井指在油氣開發(fā)中，為了處理廢水或提高油氣采收率而進行流體注入的井的流體注入誘發(fā)地震的可能性。雖然公眾認(rèn)為水壓致裂是誘發(fā)地震的主因，但有證據(jù)表明，地下廢水處理比水壓致裂更有可能誘發(fā) “有感”地震。

2 評估潛在的流體注入誘發(fā)地震

美國的多數(shù)處理井不足以誘發(fā)地震，但在某些地質(zhì)和儲層條件下，一些注入井已被確認(rèn)會誘發(fā)有感地震。誘發(fā)地震通常僅限于地殼淺層，鄰近注水區(qū)。例如，雖然美國中部和東部的自然地震最深可達25～30km，但俄克拉何馬州（Oklahoma）多數(shù)潛在的誘發(fā)地震僅局限于地殼之下6km。然而，最大規(guī)模的流體注入誘發(fā)地震、有感地震以及存在潛在破壞性的地震均發(fā)生在前寒武紀(jì)基底，而非上覆沉積巖層。流體注入誘發(fā)地震的主要物理機制是臨界應(yīng)力斷裂面上孔隙壓力的增加，導(dǎo)致斷層應(yīng)力釋放，發(fā)生滑動。這些斷層主要位于前寒武紀(jì)基底。誘發(fā)地震通常震級小（M＜5.0），持續(xù)時間短，主要危害是地面震動。目前，對于流體注入誘發(fā)地震，除了加利福尼亞州（California）的間歇泉地?zé)崽锏哪Ｐ椭猓绹袩o經(jīng)驗性的地面運動模型，因為流體注入誘發(fā)地震數(shù)據(jù)目前還相當(dāng)有限。

目前，很難利用長期以來建立的地震方法來明確區(qū)分誘發(fā)地震和構(gòu)造地震。潛在的誘發(fā)地震的評估可能需要整合多學(xué)科的技術(shù)，需要地震學(xué)家、油藏工程師、巖土工程師、地質(zhì)學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家的共同協(xié)作。

因果關(guān)系評價可能是一個復(fù)雜且費時的過程，需要對地震事件進行精確定位，確定能夠再活化的臨界壓力斷層，明確地震事件具體的時空演化，包括斷層初次滑動以及后續(xù)的余震，表征斷層及其周圍的地下壓力，建立物理地質(zhì)力學(xué)/油藏工程模型，以便評估誘發(fā)變化（地下孔隙壓力的變化）是否可以使得斷層移動。

地震學(xué)家通過探索與流體注入有關(guān)的潛在時空關(guān)系，提出7個問題來識別誘發(fā)地震，分別是：①該區(qū)此類地震事件是否首次發(fā)生？②流體注入與地震是否有明確的（暫時的）相關(guān)關(guān)系？③震中是否位于井附近（5km內(nèi)）？④地震是否發(fā)生在流體注入深度或其附近？⑤如果不是，是否已有地質(zhì)特征顯示地震發(fā)生位置可能存在徑流？⑥井底壓力變化是否足以引發(fā)地震？⑦震源的流體壓力變化是否足以引發(fā)地震？

如果以上7個問題的回答都是否定的，那么觀測到的地震并非由注入誘發(fā)；相反，如果7個問題的回答都是肯定的，那么有理由相信地震可能是由流體注入引發(fā)。既肯定又否定的答案可能會得到模棱兩可的解釋，因此，需要進一步評估因果關(guān)系因素。其他因果關(guān)系的研究可能包括：①部署臨時地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；②查看可用的地震檔案和記錄；③識別潛在的可能會導(dǎo)致地下應(yīng)力擾動的人為因素的范圍；④查看地震點附近所有可用的注入井的壓力數(shù)據(jù)；⑤充分考慮和分析其他相關(guān)數(shù)據(jù)，如地下斷層數(shù)據(jù)，包括二維和三維地震成像數(shù)據(jù)和斷層解釋、現(xiàn)有的地質(zhì)、地震和沉積歷史、現(xiàn)有地質(zhì)和儲層物性數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)險管理和減災(zāi)策略

在Ⅱ類處理井的現(xiàn)場、許可和地震監(jiān)測方面，美國各州制定了不同的策略，以避免、緩解和應(yīng)對誘發(fā)地震的潛在風(fēng)險。鑒于場地的特殊性和技術(shù)的復(fù)雜性，許多州的管理者選擇與來自政府機構(gòu)、大學(xué)和私人顧問組織的專家共同研究風(fēng)險管理和減災(zāi)策略。

采用科學(xué)方法來評估和管理與流體注入操作有關(guān)的地震風(fēng)險對特定地點的危害和風(fēng)險時，需要考慮：①場地的特點，需考慮地質(zhì)背景和地層特征，如構(gòu)造、斷層、土壤條件以及地震活動史（收集并分析美國地質(zhì)調(diào)查局、各州地質(zhì)調(diào)查局、大學(xué)和行業(yè)數(shù)據(jù)）；②建筑環(huán)境，包括當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?biāo)準(zhǔn)，以及公共和私人建筑的位置、基礎(chǔ)設(shè)施，如水庫、水壩、以及歷史建筑或有象征意義的建筑元素的建筑標(biāo)準(zhǔn)；③作業(yè)范圍，包括現(xiàn)存的和計劃的注液量；④估算潛在誘發(fā)地震的最大震級；⑤估算潛在誘發(fā)地震可能引起的地面晃動。

基于對潛在誘發(fā)地震的風(fēng)險評估，各州可以決定是否改變或恢復(fù)注入井作業(yè)。一旦確定減緩行動可行，采取的行動可能包括增加地震監(jiān)測、改變運行參數(shù)（如，速度和壓力）以減少地面晃動和風(fēng)險、允許井的校正和部分回填、控制再次注入（如果可行的話）、臨時吊銷或撤銷注入授權(quán)，或停止注入并關(guān)閉井。

在決定是否、何時和何地對地下注入進行地震監(jiān)測時，美國國家油氣監(jiān)管機構(gòu)需要考慮各種因素，一定的篩選方案將有助于確定地震監(jiān)測是否必要。如果有必要，國家可以做出一系列計劃，包括地震監(jiān)測的方法、設(shè)備、數(shù)據(jù)報告、地震活動變化的臨界值、通過修改操作來減輕或管理風(fēng)險的措施以及暫停注入活動的閥值。

雖然國家監(jiān)管機構(gòu)通常沒有足夠的資源或?qū)I(yè)知識進行詳細(xì)的地震監(jiān)測和調(diào)查，但他們經(jīng)常會與其他組織進行合作，如美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、州地質(zhì)調(diào)查、研究機構(gòu)、大學(xué)或第三方承包商，以協(xié)助各州設(shè)計和安裝永久和臨時的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，分析地震監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4 對外交流和溝通

在對地震做出必要的響應(yīng)之前，應(yīng)該盡早地制定溝通和應(yīng)對策略，信息必需直接和明確。策略的制定可以基于：①地震發(fā)生前的計劃；②開展應(yīng)對計劃；③應(yīng)對震后評估。

在地震事件之前，州立機構(gòu)應(yīng)考慮制定一項策略，其重點是：①公眾調(diào)查，了解公眾的關(guān)注點，以便在策略的教育和溝通方面能夠解決公眾關(guān)注的問題；②教育，以公眾能夠理解的方式呈現(xiàn)信息。由提出者發(fā)起，向公眾傳播，通過反饋確保信息是否已被接收和理解；③溝通，有效的溝通過程始于傾聽被溝通者的看法、擔(dān)憂、想法和問題。無論什么原因，如果預(yù)期的接收者認(rèn)為這些響應(yīng)或信息與其個人關(guān)注無關(guān)，便不可能實現(xiàn)有效和高效地溝通。

一旦地震發(fā)生，州立機構(gòu)將執(zhí)行溝通和應(yīng)急預(yù)案。州立機構(gòu)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備發(fā)表聲明，對提出的問題和關(guān)切做出回應(yīng)。州立機構(gòu)可以酌情考慮召開利益相關(guān)者會議。震后或震中，州立機構(gòu)應(yīng)當(dāng)考慮與內(nèi)外利益相關(guān)者繼續(xù)溝通，總結(jié)哪些事情做得好，哪些需要改進。在后續(xù)的溝通中，對于如何避免未來地震的擔(dān)憂，州立機構(gòu)的代表發(fā)言應(yīng)該明確且措辭嚴(yán)謹(jǐn)，主要是表明州立機構(gòu)的參與，并不斷致力于解決后續(xù)的擔(dān)憂。最后，需要認(rèn)識到，震前、震中和震后的順序并非是線性的，應(yīng)該不斷修正和改進溝通計劃和策略。

文獻來源：Potential injection－induced seismicity associated with oil ＆gas development：A primer on technical and regulatory considerations informing risk management and mitigation.（2015－09－10）［2015－10－30］.http：∥www.gwpc.org/sites/default/files/finalprimerweb.pdf

（編譯者電子信箱：趙紀(jì)東：zhaojd＠llas.ac.cn）

P315；

D；

10.3969/j.issn.0235－4975.2015.11.001

2015－11－06；采用日期：2015－11－15。