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(duì)策略＊

趙紀(jì)東 王艷茹 編譯

（中國(guó)科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心，蘭州 730000）

動(dòng)態(tài)

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(duì)策略＊

趙紀(jì)東 王艷茹 編譯

（中國(guó)科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心，蘭州 730000）

2015年，在美國(guó)州際油氣契約委員會(huì)（Interstate Oil and Gas Compact Commission，IOGCC）和地下水保護(hù)委員會(huì)（Ground Water Protection Council，GWPC）的共同行動(dòng)計(jì)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(píng)估和解決此類事件的一些策略。該研究旨在為美國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供相關(guān)科技現(xiàn)狀，以及與地震評(píng)估、誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)管理、應(yīng)對(duì)策略制定有關(guān)的注意事項(xiàng)。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(xiǎn)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(bào)告。在此，我們對(duì)其內(nèi)容做一簡(jiǎn)要介紹。

1 誘發(fā)地震

多年前，科學(xué)家們就認(rèn)識(shí)到某些人類活動(dòng)可能會(huì)引發(fā)地震。多數(shù)地震是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的（自然原因），但在某些情況下，人類活動(dòng)可以引發(fā)地震。誘發(fā)地震的活動(dòng)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(dòng)，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(kù)蓄水、地?zé)峁こ?、礦山開采、建筑活動(dòng)和地下核試驗(yàn)等。

該研究重點(diǎn)分析了Ⅱ類處理井①美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）的地下流體注入控制（Underground Injection Control）計(jì)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(jìn)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(píng)估潛在的流體注入誘發(fā)地震

美國(guó)的多數(shù)處理井不足以誘發(fā)地震，但在某些地質(zhì)和儲(chǔ)層條件下，一些注入井已被確認(rèn)會(huì)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(guó)中部和東部的自然地震最深可達(dá)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(jī)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(dòng)。這些斷層主要位于前寒武紀(jì)基底。誘發(fā)地震通常震級(jí)小（M＜5.0），持續(xù)時(shí)間短，主要危害是地面震動(dòng)。目前，對(duì)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?guó)尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)性的地面運(yùn)動(dòng)模型，因?yàn)榱黧w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(zhǎng)期以來(lái)建立的地震方法來(lái)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(píng)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(píng)價(jià)可能是一個(gè)復(fù)雜且費(fèi)時(shí)的過(guò)程，需要對(duì)地震事件進(jìn)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(shí)空演化，包括斷層初次滑動(dòng)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(píng)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(dòng)。

地震學(xué)家通過(guò)探索與流體注入有關(guān)的潛在時(shí)空關(guān)系，提出7個(gè)問(wèn)題來(lái)識(shí)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(shí)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(gè)問(wèn)題的回答都是否定的，那么觀測(cè)到的地震并非由注入誘發(fā)；相反，如果7個(gè)問(wèn)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(huì)得到模棱兩可的解釋，因此，需要進(jìn)一步評(píng)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(shí)地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；②查看可用的地震檔案和記錄；③識(shí)別潛在的可能會(huì)導(dǎo)致地下應(yīng)力擾動(dòng)的人為因素的范圍；④查看地震點(diǎn)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(chǔ)層物性數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)險(xiǎn)管理和減災(zāi)策略

在Ⅱ類處理井的現(xiàn)場(chǎng)、許可和地震監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)各州制定了不同的策略，以避免、緩解和應(yīng)對(duì)誘發(fā)地震的潛在風(fēng)險(xiǎn)。鑒于場(chǎng)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(lái)自政府機(jī)構(gòu)、大學(xué)和私人顧問(wèn)組織的專家共同研究風(fēng)險(xiǎn)管理和減災(zāi)策略。

采用科學(xué)方法來(lái)評(píng)估和管理與流體注入操作有關(guān)的地震風(fēng)險(xiǎn)對(duì)特定地點(diǎn)的危害和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要考慮：①場(chǎng)地的特點(diǎn)，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(dòng)史（收集并分析美國(guó)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(kù)、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(jì)劃的注液量；④估算潛在誘發(fā)地震的最大震級(jí)；⑤估算潛在誘發(fā)地震可能引起的地面晃動(dòng)。

基于對(duì)潛在誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(dòng)可行，采取的行動(dòng)可能包括增加地震監(jiān)測(cè)、改變運(yùn)行參數(shù)（如，速度和壓力）以減少地面晃動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)、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(shí)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(shí)和何地對(duì)地下注入進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)時(shí)，美國(guó)國(guó)家油氣監(jiān)管機(jī)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(cè)是否必要。如果有必要，國(guó)家可以做出一系列計(jì)劃，包括地震監(jiān)測(cè)的方法、設(shè)備、數(shù)據(jù)報(bào)告、地震活動(dòng)變化的臨界值、通過(guò)修改操作來(lái)減輕或管理風(fēng)險(xiǎn)的措施以及暫停注入活動(dòng)的閥值。

雖然國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)通常沒有足夠的資源或?qū)I(yè)知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)的地震監(jiān)測(cè)和調(diào)查，但他們經(jīng)常會(huì)與其他組織進(jìn)行合作，如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、州地質(zhì)調(diào)查、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)或第三方承包商，以協(xié)助各州設(shè)計(jì)和安裝永久和臨時(shí)的地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，分析地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 對(duì)外交流和溝通

在對(duì)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(duì)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(jì)劃；②開展應(yīng)對(duì)計(jì)劃；③應(yīng)對(duì)震后評(píng)估。

在地震事件之前，州立機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮制定一項(xiàng)策略，其重點(diǎn)是：①公眾調(diào)查，了解公眾的關(guān)注點(diǎn)，以便在策略的教育和溝通方面能夠解決公眾關(guān)注的問(wèn)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(guò)反饋確保信息是否已被接收和理解；③溝通，有效的溝通過(guò)程始于傾聽被溝通者的看法、擔(dān)憂、想法和問(wèn)題。無(wú)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(gè)人關(guān)注無(wú)關(guān)，便不可能實(shí)現(xiàn)有效和高效地溝通。

一旦地震發(fā)生，州立機(jī)構(gòu)將執(zhí)行溝通和應(yīng)急預(yù)案。州立機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備發(fā)表聲明，對(duì)提出的問(wèn)題和關(guān)切做出回應(yīng)。州立機(jī)構(gòu)可以酌情考慮召開利益相關(guān)者會(huì)議。震后或震中，州立機(jī)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(jìn)。在后續(xù)的溝通中，對(duì)于如何避免未來(lái)地震的擔(dān)憂，州立機(jī)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(jī)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(shí)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(jìn)溝通計(jì)劃和策略。

文獻(xiàn)來(lái)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。