新疆呼圖壁地下儲氣庫的InSAR形變監測與模擬

陳　威　余鵬飛　熊　維　李　杰　馮光財　喬學軍

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2　新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市北京南路42號，830011 3　中南大學地球科學與信息物理學院，長沙市麓山南路932號，410083

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新疆呼圖壁地下儲氣庫的InSAR形變監測與模擬

陳威1余鵬飛1熊維1李杰2馮光財3喬學軍1

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市北京南路42號，830011 3中南大學地球科學與信息物理學院，長沙市麓山南路932號，410083

利用TerraSAR-X衛星2013-08～2014-08的17景雷達影像，采用小基線集(small baseline subset，SBAS)InSAR技術獲取呼圖壁(HTB)地下儲氣庫(underground gas storage，UGS)運行期間的地表形變序列，并結合UGS注(采)氣井口的壓力數據，采用多點源Mogi模型，對HTB UGS的形變場進行模擬。結果表明，整個UGS區域的形變特征為非連續分布，形變與注(采)氣壓力變化具有較好的相關性；注(采)氣期間沿衛星視線向(LOS)的形變峰值分別為10 mm和-8 mm；采用自適應前向搜索法，基于多點源Mogi模型初步模擬注(采)氣期間的形變過程，當UGS的注(采)氣平均氣壓為18 MPa和15 MPa時，LOS的形變可達7 mm和-4 mm，地表形變的大小與注(采)氣井口密度有關；UGS的儲氣分布呈非均勻狀態，即地下氣庫結構復雜多變。

地下儲氣庫；呼圖壁；小基線集InSAR；Mogi模型；地殼形變

UGS在注(采)氣期間的應力交變不但會引起儲氣庫蓋層地表周期性的呼吸狀變形， 而且可能引起儲層巖體裂紋擴張，造成斷層活化并誘發地震[1]。向地殼深部地層注入流體的過程中，誘發地震的頻次及最大震級一般與注入量、注入速率、地層滲透率及地層應力大小正相關，且大部分地震發生在注入過程中，并集中在注入井井底附近的一定范圍內[2]。因此，加強UGS的形變監測，將有利于深入了解儲氣庫內部的構造運動特征、儲層巖石應力應變狀態及地震活動性隨注(采)氣壓力變化的規律等，對確保儲氣庫的穩定、高效運行具有重要的理論和實用意義。

HTB UGS屬枯竭氣田儲氣庫，是中國目前最大的地下儲氣庫，位于準噶爾盆地南緣(圖1)，屬北天山山前坳陷，蓋層為第四紀超厚沉積物，厚度可達3.1～3.7 km。該區經歷了多期構造運動，特別是喜山期，受北天山強烈活動影響，山前區強烈褶皺并伴生一系列大型逆掩斷裂，造成深淺層構造差異很大[3]。

虛線粉色框內為地下儲氣庫范圍，紅色正方形為呼圖壁注采氣井位，黃色圓點為2013-06～08間的地震分布，藍色四邊形為SAR圖像覆蓋區域圖1　呼圖壁儲氣庫DEM地形、斷層、井口分布、地震活動及SAR影像概況Fig.1　The general situation of Hutubi gas storage DEM topography，wells，faults，seismic activities distribution and SAR images

2013-06 HTB UGS投入運行。兩個月內，其周邊發生多次小地震(圖1)，打破了該地區地震的平靜期。本文基于SBAS-InSAR技術，利用TerraSAR-X衛星2013-08～2014-08的觀測數據，對HTB UGS及周邊區域開展地表形變的時序分析。在獲取LOS形變場的基礎上，結合UGS運行期間注(采)氣井口的壓力變化(表1)，利用多點源的Mogi模型對注(采)氣期間的地表形變進行相應的數值模擬，揭示儲氣庫的形變與注(采)氣壓力變化的關系。

表1　HTB UGS運行期的注(采)氣時間及井口壓力統計

1　SBAS-InSAR 技術

假定在時間(t1，t2，…，tN)之間獲取N+1幅SAR影像，且所有影像均在同一坐標系下。根據設定的時空基線閾值生成M幅干涉圖，其中M應滿足：

(1)

對滿足要求的時空基線閾值的干涉圖進行濾波及解纏處理，去除平地相位和地形相位影響，根據影像的相干信息選取高相干點，得到高相干點的相位為：

(2)

為獲取有物理意義的形變時序，可用SAR影像兩個獲取時間之間的平均速度來表示式(2)中的相位：

(3)

則式(2)可表示為：

(4)

將式(4)寫成矩陣形式：

(5)

式(5)是M×N的矩陣。應用奇異值分解法(singular value decomposition，SVD)可獲平均速度時間序列，最后通過各個時間段內速度的積分可獲取形變時間序列。

圖2　SBAS空間及時間基線分布Fig.2　Temporal and spatial baseline distribution of SBAS-InSAR pairs

2　 SAR數據選取、處理及時序分析

2.1SAR數據選取與處理

選取2013-08-29～2014-08-27期間的17景TerraSAR-X衛星降軌數據，影像數據的具體參數見表2。利用ISCE(InSAR scientific computing environment)軟件處理生成48景垂直基線小于400 m、時間間隔小于3個月的多視差分干涉圖。在差分干涉處理過程中，利用3″的SRTM數字高程模型去除地形相位，并用多項式對軌道參數進行擬合以減少軌道誤差。為抑制相位噪聲，對距離向和方位向分別作4視和12視的多視處理，并采用加權功率譜法對生成的干涉圖進行濾波，最后利用SNAPHU程序進行相位解纏。

表2　TerraSAR-X影像基本參數

2.2InSAR時序計算及分析

生成干涉圖后，進行SBAS計算和時序分析，對大氣延遲引起的干涉相位進行改正。采用Doin等[4]的方法，結合歐洲中期預報中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)發布的氣象數據，對HTB UGS地區的大氣延遲誤差進行改正。采用網絡Deramping方法進行軌道誤差估計。首先利用最小二乘法對每幅干涉圖單獨進行軌道誤差估算；然后通過線性反演重新估算整個干涉圖像網絡的軌道參數，以確保一致性；最后將重新估算的軌道參數合并，生成與干涉圖像網絡一致的軌道改正及每幅干涉圖的軌道改正[5]。

為減小因相干性較低引起的誤差，選取相干系數大于0.5的點進行時序計算。以2013-08-29為參考時間，最終獲取了其他圖像2013-10-01～2014-08-27的HTB UGS地表LOS形變時間序列(圖3，黑色虛線為UGS，五角星與圓點是兩個井口位置)?？梢钥闯?，HTB UGS地表形變的隆升或者下沉時間與儲氣庫注(采)氣周期基本一致，在1～2月份儲氣庫的采氣運行期間，由采氣過程引起的地表下沉量可達-8 mm；在夏、秋季儲氣庫注氣運行期間，由注氣引起的地表隆升可達到10 mm。

提取儲氣庫氣井HUK9和HUK19附近點位的形變時序(圖4)，并與井壓的時間序列進行比對。結果表明，UGS的地表LOS形變與井壓變化正相關。在UGS運行期間，從6月左右開始，隨著井壓增大，地表開始隆升，并隨氣壓的增大達到極值；從冬季開始，隨著井壓減小，地表下沉，并在2月左右達到極值。

圖3　HTB UGS形變時間序列圖Fig.3　The deformation time series of HTB UGS

圖4　所選點位的形變與井壓時間序列圖Fig.4　Deformation time series of the chosen ground points

3　形變數值模擬

HTB UGS的注(采)氣主要通過26個氣井進行控制，因此，將儲氣庫的注(采)氣井作為壓力點源，注(采)氣井口壓力數據作為輸入，采用多點源的Mogi模型(表3)和自適應前向搜索法[6]，對HTB UGS地區的地表形變進行模擬(圖5，圓大小代表半徑，顏色代表埋深)。模擬獲取的HTB UGS地區的地表形變及殘差結果見圖6。結果顯示，地表形變的大小與注(采)氣井口密度有關，在儲氣庫注氣期間，儲氣庫地表形變最大可達到7 mm；在采氣期間，儲氣庫地表形變最大可達到-4 mm。

圖6顯示，儲氣庫注(采)氣井密度較大地區的殘差較小，范圍在-2～1 mm，其他地區誤差值較大，范圍在-4～2 mm，表明模擬研究雖然提取了HTB UGS地區由注(采)氣引起的形變，但是一些由局部形變和噪聲影響的點無法模擬。

圖5　Mogi模型空間分布Fig.5　The spatial distribution of Mogi model

井號埋深/km半徑/m井號埋深/km半徑/mHUK13.1125HUK143.3150HUK23.2150HUK153.4125HUK33.1175HUK163.4175HUK43.0150HUK173.5175HUK53.1125HUK183.6175HUK63.1175HUK193.8150HUK73.2125HUK203.6125HUK83.3175HUK213.5175HUK93.5175HUK223.3150HUK103.4150HUK233.5125HUK113.2175HUK243.6125HUK123.3150HUK253.4150HUK133.3175HUK263.2150

圖6　Mogi模型模擬結果與殘差(紅色正方形為注(采)氣井位)Fig.6　Residual result and simulation surface displacement based on Mogi model (red squares are gas ingection wells)

4　討　論

在SBAS-InSAR數據處理中，考慮軌道誤差、DEM誤差和大氣延遲誤差等因素對HTB UGS地表形變的影響。首先采用多項式模型在SAR影像干涉處理過程中初步改正軌道誤差，并在SBAS時序分析過程中利用網絡Deramping方法消除殘余的軌道誤差。DEM誤差對地表形變量的影響與空間基線、衛星入射角和斜距有關，當空間基線小于400 m時，利用TerraSAR衛星數據和SRTM3 DEM 可以獲得的精度優于2 mm。Emardson等[7]通過Stacking方法處理長時間序列的SAR數據，可以獲取1 mm/a的形變。Doin等[8]在Emardson等的基礎上定量給出了大氣對流層延遲誤差的影響，獲得改正后的大氣延遲誤差殘差精度優于2 mm/km。本文利用Doin等的方法，結合ECMWF的氣象數據，對HTB UGS地區的大氣延遲誤差進行改正。

InSAR時序結果表明，UGS運行初期，雖然氣壓與形變存在正相關，但形變量較小，這可能是因為衰竭氣田改建的UGS在第一個注采氣周期處于殘余油氣、水汽和注入氣體等混合動態平衡過程，而這種混合程度影響儲氣庫產水量和體積變化速率。同時，在UGS運行初期，其蓋層巖性(如孔隙度、滲透率、抗壓強度、抗拉張強度等)均處于良好狀態，不易造成應力積累和體積變化[9]。因此，相同的氣壓條件下，在UGS投入運行的初期，形變量較小(圖4)。整個UGS的形變幅度從注(采)氣井密集的儲氣庫中心區域向四周逐漸變小，且儲氣庫周邊區域大部分表現為下沉，尤其是儲氣庫東側區域下沉幅度較大。這可能是由于HTB氣田開發鉆井大部分集中在此區域，且該區域巖性以粉砂巖、粉砂泥質巖和泥質粉砂巖為主，儲氣層層間非均勻性強，地層富含的敏感礦物容易與水、酸等流體產生化學反應生成沉積物[10]。 另外，HTB UGS地處天山北麓沖洪積平原中下游農灌區，屬于地下水嚴重超采區，位于地下水“降落漏斗”地帶，其漏斗中心水位下降6～23.25 m[11]。

Mogi模型獲取的注(采)氣井埋深范圍為3.1～3.7 km，與地球物理方法測井技術所得井口埋深范圍一致，模擬的儲氣庫總容量為45.35億m3，與生產容量45.6億m3相符[12]。Mogi模型是基于理想彈性半無限空間的結果，而HTB UGS地區地質構造復雜，多為層狀不均勻介質，模擬結果必然存在一定誤差。形變殘差圖(圖6)表明，儲氣庫埋深較大的注(采)氣井集中區域的形變模擬具有較高精度，而儲氣庫外圍區域的殘差較大，驗證了Mogi模型適用于埋深比較大的腔體區域[13]，也說明了基于簡單假設的Mogi模型難以模擬整個區域的形變，因此，需要建立以地震地質、地球物理及儲氣井的壓力與氣量等參數為約束的地質力學模型。

5　結　語

本文利用2013-08～2014-08觀測的17景TerraSAR-X衛星雷達影像，采用SBAS-InSAR技術獲取了HTB UGS的地表LOS形變序列。在UGS運行初期，由于儲氣庫蓋層巖性(孔隙度、滲透率、抗壓強度、抗拉張強度等)尚處于“靜穩”狀態，不易造成應力積累和體積變化，隨著UGS注(采)氣的正常運行，地表形變與UGS注(采)氣氣壓密切相關。UGS的儲氣分布呈非均勻狀態，即地下氣庫結構復雜多變，需要進一步融入GPS、精密水準和重力測量等結果，并建立精細的地質力學模型，以更好地揭示UGS內部結構并研究其形變機理。

[1]Shapiro S A, Dinske C, Kummerow J. Probability of a Given-Magnitude Earthquake Induced by a Fluid Injection[J]. Geophys Res Lett, 2007,34(L22 314)

[2]McGarr A, Spottiswoode S M, Ortlepp W D. Relationship of Mine Tremors to Induced Stresses and to Rock Properties in Focal Region[J].Bull Seism Soc Am, 1979,65(9):81-93

[3]陳立春. 北天山烏魯木齊轉換區構造系晚第四紀活動性[D].北京：中國地震局地質研究所, 2011(Chen Lichun. Late Quaternary Behavior of the Active Tectonic System in the Urumqi Transform Region of the North Tianshan[D].Beijing: Institute of Geology, CEA, 2011)

[4]Doin M P, Lasserre C, Peltzer G, et al. Corrections of Stratified Tropospheric Delays in SAR Interferometry: Validation with Global Atmospheric Models[J]. J App Geophys, 2009，69(1):35-50

[5]Biggs J,Wright T, Lu Z, et al. Multi-Interferogram Method for Measuring Interseismic Deformation: Denali Fault, Alaska[J].Geophysical Journal International, 2007, 170(3): 1 165-1 179

[6]周暉, 徐晨, 邵世煌，等.自適應搜索優化算法[J].計算機科學, 2008, 35(10): 188-191(Zhou Hui, Xu Chen, Shao Shihuang, et al. Adaptive Free Search Algorithm[J].Computer Science, 2008, 35(10): 188-191 )

[7]Emardson T R, Simons M, Webb F H. Neutral Atmospheric Delay in Interferometric Synthetic Aperture Radar Applications: Statistical Description and Mitigation [J]. J Geophys Res, 2003, 108(B5)

[8]Doin M P, Grandin R, Lasserre C, et al. Demcor-Rections before Unwrapping in a Small Baseline Strategy for InSAR Time Series Analysis[J]. Geoscience and Remote Sensing, 2011, 69(10): 1 353-1 356

[9]Jha B, Bottazzi F, Wojcik R, el at. Reservoir Characterization in an Underground Gas Storage Field Using Joint Inversion of Flow and Geodetic Data[J]. Int J Numer Anal Meth Geomech, 2015, 39(14): 1 619-1 638

[10] 張明, 趙金省. 呼圖壁氣田儲層地質特征分析及潛在傷害因素研究[J].石油天然氣學報, 2008, 30(5): 189-193(Zhang Ming, Zhao Jinsheng. Analysis of Geological Characteristics and Potential Damage Factors of Reservoir in Hutubi Gas Field[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2008, 30(5): 189-193)

[11] 楊宏偉, 朱瑾. 準噶爾盆地南緣平原區地下水動態及地下水資源可持續利用對策[J].新疆地質, 2012,30(3):350-354(Yang Hongwei, Zhu Jin. The Groundwater Dynamic and Sustainable Utilization Countermeasures of Groundwater Resources in Southern Plain of Junggar Basin in Recent 30 Years[J]. Xinjiang Geology, 2012,30(3):350-354)

[12] 曹錫秋. 新疆某地衰竭氣藏地下儲氣庫地應力特征研究[D].北京：中國地質大學(北京), 2013(Cao Xiqiu. Study on In-Situ Stress Characteristics of Underground Gas Storage in a Depleted Gas Reservoir in Xinjiang[D]. Beijing: China University of Geosciences(Beijing), 2013)

[13] 胡亞軒, 施行覺, 王慶良,等. 騰沖火山區地表垂直形變分析[J]. 大地測量與地球動力學, 2003, 23(2): 37-41(Hu Yaxuan, Shi Xingjue, Wang Qingliang, et al. Analysis of Vertical Deformation in Tengchong Volvanic Area [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2003, 23(2): 37-41)

Foundation support:National Natural Science Foundation of China,No.41474097, 41274027,41474016,41574005; Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No.IS201326129,IS201116013.

About the first author:CHEN Wei, postgraduate, majors in InSAR deformation monitoring and geodynamics, E-mail: chenweicug@126.com.Corresponding author:QIAO Xuejun, PhD, researcher, majors in InSAR and GNSS deformation monitoring and geodynamics, E-mail: xuejunq@sohu.com.

InSAR Deformation Monitoring and Simulation of Underground Gas Storage in Hutubi, Xinjiang

CHENWei1YUPengfei1XIONGWei1LIJie2FENGGuangcai3QiaoXuejun1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 42 South-Beijing Road， Urumqi 830011, China 3School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, 932 South-Lushan Road， Changsha 410083, China

In this paper, 17 scenes TerraSAR-X radar images acquired from August 2013 to August 2014 are used by the small baseline subset (SBAS) InSAR method to obtain the surface deformation series

during the operation of underground gas storage (UGS) in Hutubi (HTB). We combine these data with data from injection/production pressure wells, using multi-point source Mogi model to simulate the deformation field of UGS in Hutubi. The results show that the deformation characteristics of the whole UGS area is a discontinuous distribution, and the deformation peak value along satellite line of sight (LOS) is 10 mm and -8 mm during gas injection and gas production respectively. The retrieved deformation sequences conform to injection/production pressure changes very well. Based on the multi-point source Mogi model, we simulate the deformation process of HTB UGS and apply an adaptive forward search method to obtain the radius and depth of point source. The simulated results indicate that when the injection/production average pressure of HTB UGS is 18 MPa and 15 MPa, LOS deformation is up to 7 mm and -4 mm respectively; surface deformation is related to the density of gas injection/production wells. The UGS gas distribution is not uniform, indicating that the structure of underground gas storage is complex.

underground gas storage (UGS); Hutubi; small baseline subset (SBAS) InSAR; Mogi model; crustal deformation

2016-04-29

喬學軍，博士，研究員，主要研究方向為GNSS與InSAR形變監測與地球動力學，E-mail：xuejunq@sohu.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.011

1671-5942(2016)09-0803-05

P237

A

項目來源：國家自然科學基金(41474097,41274027,41474016,41574005)；中國地震局地震研究所所長基金(IS201326129,IS201116013)。第一作者簡介：陳威，碩士生，主要研究方向為InSAR形變監測與地球動力學，E-mail：chenweicug@126.com。