地下流體注采誘發(fā)地震綜述及對深部高溫巖體地?zé)衢_發(fā)的影響

劉賀娟，童榮琛，侯正猛，竇 斌，冒海軍，黃廣譚

(1.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.德國克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué) 石油工程學(xué)院，克勞斯塔爾-采勒費(fèi)爾德 38678；4.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

人類的一些活動，如：大型水庫的蓄水、采礦、工程施工過程中的爆破[1]、地下核試驗(yàn)、廢水深井注入[2]，以及伴隨流體注入的地下資源和能源（常規(guī)石油、天然氣、頁巖氣或地?zé)崮艿龋┑拈_發(fā)等過程[3-5]，都會誘發(fā)微地震，甚至是地面破壞性地震[6-7]。人工活動誘發(fā)微地震或有感地震的機(jī)理已逐漸被科學(xué)界認(rèn)識，目前的研究重點(diǎn)主要是定量化微地震發(fā)生的位置，預(yù)測誘發(fā)地震的大小和發(fā)生時間，以及發(fā)生地面破壞性地震的風(fēng)險等級等，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施降低破壞性地震發(fā)生的風(fēng)險[8]。

以地下資源和能源開發(fā)為例，由于地質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前缺乏準(zhǔn)確的地震預(yù)測模型來快速標(biāo)定微地震的發(fā)育位置和地震級別。微地震集中區(qū)可能會增強(qiáng)高級別地面有感地震發(fā)生的風(fēng)險，導(dǎo)致當(dāng)?shù)孛癖姴粩嗫棺h，有些工程甚至被迫宣布終止[9]，如瑞士的Basel深部地?zé)峁こ碳绊n國浦項(xiàng)市干熱巖項(xiàng)目。因此，需要深入研究流體注入/開采活動誘發(fā)斷層活化的物理機(jī)制，包括不同的斷裂帶（如導(dǎo)水?dāng)鄬雍头忾]斷層）中壓力的傳播或阻滯規(guī)律，以及孔隙壓力分布和臨界受壓斷層之間的相關(guān)關(guān)系。從地質(zhì)條件來看，斷裂帶的屬性，如水文地質(zhì)屬性、巖石力學(xué)屬性、圍巖的巖性、斷層區(qū)的結(jié)構(gòu)都控制著原地壓力和應(yīng)力條件下斷層系統(tǒng)中的孔隙彈性響應(yīng)[10-12]。被斷層切割的斷塊有著各自的水文地質(zhì)和力學(xué)特性，控制斷塊內(nèi)各自的流體運(yùn)移特征[13]。低滲透性斷層會阻礙流體通過斷層，導(dǎo)致壓力場在斷層兩側(cè)的不同，很可能引起沿?cái)鄬用娴募羟衅茐腫14-15]。

中國目前對流體注入/開發(fā)過程誘發(fā)微地震甚至地面有感地震方面的研究還比較少，對人為開采活動誘發(fā)地震的風(fēng)險認(rèn)識不深入，并且針對特定的工程區(qū)域的微地震監(jiān)測工作和數(shù)據(jù)分析還不系統(tǒng)，這使得流體注采相關(guān)的深部資源和能源的大規(guī)模開發(fā)可能存在潛在安全風(fēng)險。本文首先針對全球流體注采誘發(fā)地震的各類工程案例進(jìn)行系統(tǒng)綜述，認(rèn)識人工干擾活動誘發(fā)地震的機(jī)理；進(jìn)而重點(diǎn)圍繞深部地?zé)崮荛_發(fā)，提出降低微地震發(fā)生風(fēng)險的措施，或可為中國深部地?zé)崮艿陌踩沙掷m(xù)性發(fā)展提供一些參考。

1 全球流體注采誘發(fā)地震的典型工程案例

一些重大的地下工程都涉及到大量的流體注入或開采，包括廢水深井注入、CO2地質(zhì)封存、油氣開采、地?zé)崮荛_發(fā)、礦床開采、修建水庫等，這將導(dǎo)致儲層孔隙壓力增大或減小，引起原地應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整及應(yīng)變能的積累/釋放，致使巖體發(fā)生不同形式的破壞，并存在誘發(fā)微地震，甚至是地面有感地震的風(fēng)險（圖1）。

圖1 地下儲集空間中流體注入或開采誘發(fā)地震的示意圖Fig.1 Schematic diagram of the induced seismic events caused by fluid injection or production in the underground reservoirs

Foulger等[15]統(tǒng)計(jì)分析了全球577個人類活動干擾誘發(fā)地震的工程案例，結(jié)果表明：深部流體注采活動產(chǎn)生的地震最大震級遠(yuǎn)低于采礦和水庫；但油氣開采、地?zé)衢_發(fā)、廢水注入等引起的最大震級在2.0～5.5之間的案例仍然很多（圖2）。

圖2 誘發(fā)地震的最大震級的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[15]Fig.2 Statistics of the induced earthquake maximum magnitude[15]

表1總結(jié)了4種主要類型的地下流體注采工程在儲層、注采特征、誘震位置、震級特征等方面的差異和關(guān)聯(lián)情況。這些不同流體注采工程的共同特征有：注入目標(biāo)層大多為沉積層；誘震頻率由低到中等；誘震范圍涉及注入層和上下鄰近地層，且可能延伸的范圍很廣；誘發(fā)地震的持續(xù)時間較長，從流體注采過程到流體停注一段時間后，都有微地震甚至高級別地震事件的發(fā)生。

表1 不同類型地下流體注采工程的差異性和誘發(fā)地震特征Tab.1 Difference of various fluid injection/production projects and induced earthquakes characteristics

1.1 廢水深井注入

常規(guī)油氣開采及水力壓裂過程產(chǎn)生的工業(yè)廢水通常經(jīng)一些深井注入到地下儲層內(nèi)封存起來，以避免對地面環(huán)境造成不利影響。以美國為例，大約有30 000口廢水注入深井，但僅有極少的注入井誘發(fā)了地面有感地震事件，且震級小于5.0級。地震發(fā)生位置基本都位于注入井附近幾平方公里范圍內(nèi)；由于流體注入導(dǎo)致的壓力增大速率明顯大于壓力消散速率，從而導(dǎo)致了儲層壓力增大，進(jìn)而引起巖層發(fā)生破壞并誘發(fā)地震[16]。但在廢水注入停止后地震仍然持續(xù)發(fā)生，并且在時間上從幾個月到幾年不等。位于落基山脈的Arsenal廢水注入工程誘發(fā)地震的案例比較典型，發(fā)震位置距離注水井的水平距離約為10 km，有的甚至達(dá)到20 km，垂直位置約為4 km[17-18]。Arsenal工程中Denver的一口3 638 m深的廢水注入井，在1962—1966年注入廢液，期間在井眼周邊16 km范圍內(nèi)發(fā)生了710次小地震，并且在停止注入后，發(fā)生了3次5級以上的地震[17]，地震頻率與注水量密切相關(guān)（圖3）。美國堪薩斯州中南部的俄克拉荷馬，因?yàn)榇笠?guī)模的廢水深井注入，成為了一個典型的誘發(fā)地震災(zāi)害區(qū)[19]。

圖3 Denver深井廢水注入誘發(fā)地震與注入量的關(guān)系[17]Fig.3 Relationship of the induced earthquake and the waste water injection amount[17]

綜合這些廢水注入工程來看，每個深井廢水注入工程中誘發(fā)地震的分布特征不同，主要受儲層的流體力學(xué)屬性、注入速率、注入壓力和流體總注入量等因素的影響[20]。近年來，中國由于頁巖氣的開采也伴隨著大量的深井廢水注入問題，使得局部地區(qū)面臨著誘發(fā)地震的高風(fēng)險，如重慶榮昌的廢水深井注入可能是誘發(fā)該區(qū)域頻繁微地震的主因，深度位于2～4 km，誘發(fā)地震集中分布于幾條隱伏斷層附近的注水井周圍，并向外擴(kuò)展，但大于里氏3.5級的地震活動是由逆斷層引起[21-23]。

1.2 CO2地質(zhì)封存

在碳中和的國內(nèi)大背景下，CO2地質(zhì)封存成為了焦點(diǎn)。CO2以超臨界態(tài)注入到地下儲層后，在壓力梯度和浮力的共同作用下，形成的CO2羽發(fā)生側(cè)向和垂向上的運(yùn)移。但相比于CO2羽流區(qū)，壓力的擾動區(qū)通常更大。CO2注入儲層后會引起儲層壓力擾動，當(dāng)斷層的剪切應(yīng)力大于剪切強(qiáng)度時，就會發(fā)生斷層的再活動并且誘發(fā)地震[19]，盡管大級別地面有感地震不多，但會產(chǎn)生一系列微地震活動。以Weyburn油田的CO2-EOR工程為例，通過100多口注入井將CO2儲存到地下儲層，CO2的年儲存量達(dá)到5.30×106t[24-25]。微地震的監(jiān)測表明，地震級數(shù)在1～3級之間的微地震主要集中在注入段儲層的上覆和下伏地層中，而不是集中在注入段儲層內(nèi)部。巖石力學(xué)模擬的結(jié)果表明，產(chǎn)生微地震主要因素是由儲層變形引起的應(yīng)力擾動，而不是與井直接溝通的孔隙壓力增大產(chǎn)生的。Illinois盆地中咸水層的CO2注入工程實(shí)踐表明，CO2的注入使儲層下覆基底中的許多小斷層發(fā)生再活動，在22個月的注入時間段內(nèi)，監(jiān)測到10 123次震級在1～2級的微地震事件[19]。當(dāng)注入井相距較近時，向儲集層中大規(guī)模地注入CO2會誘發(fā)大級別的地震，如位于美國科羅拉多州的相距2 km的兩口CO2注入井，隨著7.57×105～9.10×105t的CO2年注入量，誘發(fā)了里氏5.3級的地震[26]。

1.3 油氣藏開發(fā)

在經(jīng)過多年的開采之后，油氣藏的壓力下降，油氣產(chǎn)量相應(yīng)降低，所以需要向油氣藏儲層中注入水、熱蒸汽或CO2等流體來維持儲層的壓力，從而達(dá)到提高油氣采收率的目的。在常規(guī)油氣開采的二采和三采過程中，流體注入誘發(fā)地面有感地震的風(fēng)險很低。美國大約有80 000口提高油氣采收率的注水井，僅有小部分注水井誘發(fā)了地震。對于非常規(guī)油氣藏開發(fā)，以頁巖氣開采為例，需要依靠水力壓裂制造大量裂隙，氣體沿這些裂隙向生產(chǎn)井運(yùn)移提高采收率，美國具有幾十萬口水壓致裂注水井（包括幾萬口頁巖氣井），統(tǒng)計(jì)表明僅有小部分注水井在流體注入過程誘發(fā)了地震[27]。

1.4 中深層地?zé)崮荛_發(fā)

全世界范圍內(nèi)，每年因地?zé)崽锏拈_發(fā)而誘發(fā)的有感地震事件達(dá)數(shù)千個之多，但在大多數(shù)情況下，這些誘發(fā)的地震震級一般較低（ML＜ 2），且低于社區(qū)的檢測閾值[3]。這些地?zé)崽锛劝▊鹘y(tǒng)的中深層水熱型地?zé)?，又包含深部高溫?zé)釒r體（通常不含水，稱為干熱巖，但也有含大量流體的高溫巖體，稱為濕熱巖），以美國Geysers水熱型地?zé)崽镩_發(fā)為代表，最大誘發(fā)地震震級達(dá)到4.6級。根據(jù)微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，微地震的產(chǎn)生既與熱蒸汽的開采有關(guān)，也與冷水的注入相關(guān)，并且儲層溫度變化與誘發(fā)的有感地震關(guān)系密切[28]。Evans等[3]調(diào)查了歐洲40個地?zé)崃黧w注入誘發(fā)地震響應(yīng)的工程案例，其中：25個工程中流體被注入到沉積巖中，并有7個工程發(fā)生了地面有感地震；當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w注入到距離斷裂帶較近的區(qū)域時，誘發(fā)地震的風(fēng)險會提高，但不一定產(chǎn)生地面有感地震；8個工程案例流體是注入到斷裂帶內(nèi)部及其附近，但僅有1例發(fā)生地面有感地震，說明觸發(fā)地面有感地震的機(jī)制非常復(fù)雜。

對于干熱巖開發(fā)案例，通常需要注入數(shù)千噸甚至數(shù)萬噸的流體對致密的儲層進(jìn)行水力壓裂改造，即地?zé)嵩鰪?qiáng)系統(tǒng)（EGS）工程，伴隨的孔隙壓力擴(kuò)散和孔隙彈性效應(yīng)會對注入井附近斷層構(gòu)成荷載作用，觸發(fā)大量微地震事件，甚至誘發(fā)高級別地震發(fā)生，如：韓國Pohang的EGS工程誘發(fā)5.5級地震，英國Rosemanowes的EGS工程誘發(fā)3.4級地震。位于瑞士Basel的干熱巖開發(fā)工程，水力壓裂和注水過程誘發(fā)了超過15 000次的微地震活動，并且最大震級達(dá)到3.4級，直接導(dǎo)致了該工程終止[29]。法國蘇爾茨干熱巖發(fā)電項(xiàng)目作為世界上研究程度最高的干熱巖熱儲建造示范工程，在水力壓裂過程中誘發(fā)了大量的微地震事件，且地震活動受一條或多條大斷層控制，最大震級達(dá)到2.9級[30]。值得推敲的是，最大震級并不是發(fā)生在流體注入過程中，而是出現(xiàn)在流體停注一段時間后[31]。澳大利亞Cooper Basin的干熱巖示范工程中，干熱巖的水力壓裂改造導(dǎo)致超過45 000次微地震事件的發(fā)生，最大震級達(dá)到里氏3.7級[31-32]；誘發(fā)的地震活躍帶處于大斷層發(fā)育區(qū)域，并且受局部應(yīng)力場特征的影響顯著。

2 地下流體注采誘發(fā)地震機(jī)理分析

在流體注采的過程中，儲層孔隙壓力會相應(yīng)的增大/減小，從而引起應(yīng)力場的變化，造成地球深部巖體中應(yīng)變能的積累/釋放。超孔隙壓力的存在會使作用于天然裂隙面上的有效正應(yīng)力減小，從而導(dǎo)致巖體中發(fā)生不同形式的破壞。流體注入引起巖體的張拉破壞被稱為水力壓裂，研究表明，巖體發(fā)生張拉破裂的過程中，不伴隨微地震的發(fā)生。流體的注入導(dǎo)致摩爾應(yīng)力圓左移（圖4），當(dāng)作用于巖體斷層或斷裂面上的剪切應(yīng)力小于其臨界剪應(yīng)力時，斷層/斷裂帶保持穩(wěn)定。當(dāng)作用在某一斷層或斷裂面上的剪切應(yīng)力（τ）超過這一點(diǎn)的臨界剪切應(yīng)力（τc）時，該斷層或斷裂面就會發(fā)生剪切破壞[33]，從而誘發(fā)微地震事件，并伴隨著斷層或著裂隙中的能量向周圍巖體中的轉(zhuǎn)移；流體注入伴隨的斷層剪切滑移也被稱作水力剪裂[34-35]。

圖4 流體注入引起先存斷層/斷裂面發(fā)生剪切破壞的摩爾-庫侖破壞準(zhǔn)則Fig.4 Mohr-Coulomb failure criterion of the preexisting faults or fracture planes induced by fluid injection

利用摩爾-庫倫準(zhǔn)則描述斷層面或斷裂面的剪切滑移狀態(tài)：

式中：τ為作用在斷層面上的剪切應(yīng)力，Pa；τc為作用在斷層面上的臨界剪切應(yīng)力，Pa；σ為作用在斷層面上的正應(yīng)力，Pa；σ′為 有效應(yīng)力，Pa；P為孔隙壓力，Pa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；μ為斷層的摩擦系數(shù)，綜合不同類型的巖石摩擦試驗(yàn)資料可知，大部分巖石的摩擦系數(shù)為0.60～1.00，對于致密巖石，摩擦系數(shù)取值0.60～0.85[36]，對于斷層或裂隙帶，取值0.30～0.60[37]。

考慮黏聚力作用后，斷層面摩爾-庫侖剪切破壞準(zhǔn)則可以寫為：

式中，c為黏聚力，Pa。

引起巖體中先存斷裂面發(fā)生剪切滑移時的孔隙壓力稱為臨界孔隙壓力，可以寫成：

式中：P0為原始地層的孔隙壓力，Pa；ΔPc為臨界孔隙壓力增大值，Pa，該值在流體注入之前不能被準(zhǔn)確地確定下來；Ph為靜水壓力，Pa；Pwp為井頭壓力，Pa；Pfric為摩擦流動損失壓力，Pa。

當(dāng)最大和最小有效主應(yīng)力之比小于滑移摩擦指標(biāo)Kμ時，斷層面穩(wěn)定；反之，斷層面則可能發(fā)生剪切滑移。

因此，流體注采誘發(fā)地震的發(fā)育位置和強(qiáng)度是由地質(zhì)因素和工程條件共同決定的。其中：地質(zhì)因素包括孔隙壓力、地層的孔隙率和滲透性、斷層屬性和位置、地殼的應(yīng)力條件等；主要的工程因素包括流體注入/開采速率、注采流體體積、流體注入溫度、開采井距離注入點(diǎn)的位置、流體注入/開采持續(xù)的時間等。

3 預(yù)測深部地?zé)峁こ讨姓T發(fā)最大震級的方法

以深部地?zé)崽镩_發(fā)（包括傳統(tǒng)水熱型和特殊的干熱巖型）為例，目前可用來估算地?zé)衢_發(fā)誘發(fā)的最大地震震級的方法[38]包括以下4種：

1）構(gòu)造地質(zhì)學(xué)法

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)法中，可根據(jù)地?zé)醿又凶畲蟮臐撛诨顒有詳鄬油茢喑鲎畲笳鸺塠32]。即基于震級和斷層參數(shù)（如斷層的長度、寬度和位移）之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，估算出某一給定斷層的最大地震震級[39-40]。

2）確定性方法

確定性方法中，由于地?zé)醿铀毫旬a(chǎn)生了充填流體的裂縫，其發(fā)育和擴(kuò)展過程必須考慮到裂隙的幾何特征、巖石特性和原地應(yīng)力條件。確定性方法中可以指定裂縫分布[41-43]或采用動態(tài)裂隙擴(kuò)展模型[44-45]，動態(tài)裂縫擴(kuò)展模型中不同水力激發(fā)方案引起的地震目錄可用來對特定地?zé)崽餆醿Ω脑斓娘L(fēng)險進(jìn)行評價[46-47]。

3）概率法

概率法中，發(fā)生特定地震震級的概率可通過地震震級-頻率分布關(guān)系，即Gutenberg-Richter定律得到[48]，這需要一個具有較大值域地震震級的地震目錄信息。此外，Gutenberg-Richter關(guān)系的截距及局部有效的最大震級的確定，通常需要對引發(fā)地震的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)過程進(jìn)行額外的假設(shè)。為此，Shapiro等[49]引入了構(gòu)造勢對Gutenberg-Richter定律進(jìn)行修正，并計(jì)算了儲層水力壓裂特有的標(biāo)量-地震指數(shù)。相同場地內(nèi)不同地?zé)峋?，甚至是采用不同壓裂方案的同一口地?zé)峋牡卣鹬笖?shù)也可能存在較大的差異。

可將確定性方法和概率法結(jié)合起來預(yù)測誘發(fā)地震的震級，如：Hakimhashemi等[46]采用巖石力學(xué)模型（確定性方法）和應(yīng)用概率算法來評估地震災(zāi)害。與傳統(tǒng)概率地震災(zāi)害評估方法（PSHA）相比，該方法被稱作超前誘發(fā)地震災(zāi)害評估法（FISHA）。根據(jù)壓裂儲層中獲得的綜合地震目錄，可計(jì)算時間相關(guān)的Gutenberg-Richter 定律中a值和b值的曲線；從而評估給定儲層和選定壓裂方案條件下，誘發(fā)地震事件的每小時最大發(fā)生率。

4）經(jīng)驗(yàn)法

經(jīng)驗(yàn)法中，人工熱儲改造的規(guī)模可以根據(jù)干熱巖工程中誘發(fā)地震事件的震源分布范圍-地震云確定[50]。然而，當(dāng)巖體處于臨界應(yīng)力狀態(tài)時，流體注入后可能誘發(fā)最大震級的地震事件，這不能通過Mc-Garr[51]提出的確定性方法或使用力矩釋放-巖體體積擴(kuò)張假說的經(jīng)驗(yàn)方法來獲得。相反地，為解釋更大的動態(tài)矩釋放量，而不僅僅是預(yù)測流體注入體積（地震云），需采用剪切崩塌或混合裂縫擴(kuò)展模型確定裂縫的交互過程[42]。在這種臨界應(yīng)力條件下，遠(yuǎn)程觸發(fā)地震影響更大[52]。但如果沒有觀測到地震活動，則經(jīng)驗(yàn)法和概率法并不適用，需要對周邊地震情況進(jìn)行研究。表2列舉了幾種典型的描述震中強(qiáng)度和峰值地面速度、峰值地面加速度，矩震級與震中強(qiáng)度、震源深度，斷層滑移距離與斷層長度，矩震級與斷層長度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，可以利用這些經(jīng)驗(yàn)公式估算地震強(qiáng)度。

表2 描述地震特性和斷層參數(shù)間相關(guān)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式Tab.2 Empirical functions showing the correlation of seismic characteristics and fault parameters

Leonard[55]根據(jù)地?zé)崽锖蜆?gòu)造地震中所觀測到的最大震級，給出了地震參數(shù)和斷層屬性間的關(guān)系；Zang等[38]列出了峰值地面速度PGV、峰值地面加速度PGA與宏觀地震強(qiáng)度的關(guān)系（表3），并指出矩震級、斷層參數(shù)（如斷層位移與滑移量、斷層或破裂長度）和斷裂能之間的關(guān)系（圖5）。將世界上典型的深部地?zé)峁こ陶T發(fā)的有感地震事件，以及中國近十年來破壞性的天然地震和流體注采誘發(fā)的高級別地震典型案例[56-58]，按照發(fā)育深度投點(diǎn)到圖5上，由圖5可以看出，大多數(shù)中深部地?zé)崮荛_發(fā)工程可能觸發(fā)微地震或小地震事件出現(xiàn)，也有一定的概率觸發(fā)破壞性的地震事件。

表3 歐洲地震強(qiáng)度等級、峰值地面速度和峰值地面加速度相關(guān)關(guān)系[38]Tab.3 Relationship of European earthquake intensity classification,PGV and PGA[38]

圖5 世界上典型地?zé)衢_發(fā)誘發(fā)地震與中國近十年破壞性天然地震發(fā)育深度及與斷層屬性的對應(yīng)關(guān)系[38]Fig.5 Depth of typical geothermal energy production induced earthquakes in the world,destructive natural earthquakes in China in the last ten years,and their relationship with the fault parameters[38]

4 降低深部EGS地?zé)峁こ讨姓T發(fā)地震風(fēng)險面臨的挑戰(zhàn)

全球范圍地殼10 km以淺的深部高溫巖體的地?zé)豳Y源量約為4.22×1019～4.22×1020J，是全世界化石能源的100～1 000倍，這里的高溫巖體包括本文所說的干熱巖和濕熱巖；其有效開發(fā)極大地依賴于熱儲水力壓裂改造，這種工程也被稱為增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)工程，簡稱EGS工程。國際上，1973年，美國最早在芬頓山開展EGS工程，到目前共有8個國家開展了33項(xiàng)EGS示范工程[59]。大多數(shù)EGS工程采用常規(guī)的水力壓裂手段，或輔助熱壓裂、酸化改造技術(shù)等[59-60]。但即使經(jīng)過EGS改造，大多數(shù)高溫?zé)醿Χ蔚牧髁恳廊缓艿?。法國Soultz作為研究最全面的EGS地?zé)峁こ?，壓裂后的流量最大也只?0 L/s，這使得目前EGS工程發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性較低。

國際上EGS工程在實(shí)施過程中遇到了各種技術(shù)難題，如卡鉆、井眼垮塌、井筒結(jié)垢堵塞等[60]，很多工程在水力壓裂及后期注水開采過程中誘發(fā)了不同等級的微地震，甚至是地面破壞性地震，造成項(xiàng)目在民眾的抗議過程中被終止，如：瑞士的Basel項(xiàng)目、韓國的Pohang項(xiàng)目等，所以降低EGS工程誘發(fā)的地震風(fēng)險成為其可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵?？衫脭鄬雍碗[伏斷層識別技術(shù)或微地震監(jiān)測等技術(shù)降低儲層改造、冷水注入、熱水開采等過程誘發(fā)破壞性地震的風(fēng)險，但這些技術(shù)或受限于分辨率有限，或成本高昂，其預(yù)測準(zhǔn)確性包括斷層的識別和表征、微地震事件的監(jiān)測、地震發(fā)生位置的準(zhǔn)確定位和描述、地震再發(fā)生的概率等。

4.1 斷層的表征技術(shù)

斷裂具有尺度和分級特征，包括：深度達(dá)巖石圈，區(qū)域延伸從數(shù)百公里到數(shù)千公里的深大斷裂；也存在深度達(dá)基底，延伸長度幾百公里的基底斷裂；野外剖面上也存在延伸范圍只有幾米以下的裂縫，在顯微尺度下甚至存在微米級以下的微裂紋（表4）。

表4 不同級次斷裂的成因機(jī)制和展布特征Tab.4 Genetic mechanism and distribution characteristics of fractures at different scales

在評價流體注采對某一特定區(qū)域的地震風(fēng)險時[61]，需要對潛在地震發(fā)生區(qū)域內(nèi)的斷層/斷裂/裂縫的空間分布和屬性特征等進(jìn)行識別和合理表征（圖6）。地震勘探技術(shù)（地震剖面和水平切片）可以有效表征大的斷層或斷裂區(qū)域，其潛在活化風(fēng)險可通過估算原地應(yīng)力，結(jié)合流-固耦合模型等進(jìn)行評價。在此基礎(chǔ)上，可在工程設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)的措施有效避開這些大斷層或斷裂帶。

圖6 渤海灣盆地某裂縫型儲層的不同等級斷層分布與地應(yīng)力關(guān)系[61]Fig.6 Distribution of different scales of faults and the relationship with in-situ stress in a specific fractured reservoir of Bohaiwan Basin[61]

但對于小的斷層或斷裂帶而言，受地震分辨率的限制，在流體注入之前，很難獲得其相關(guān)信息（尺度、密度、方位等）?？删C合利用地質(zhì)圖、3維地震和鉆井、測井等觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)大斷層的密度分布反推出可能隱蔽的小斷層或小斷裂帶的空間分布[62]；也可利用地震相干分析方法識別小斷層或采用微地震技術(shù)監(jiān)測流體在注入過程中，微地震發(fā)生區(qū)的演化與壓力擴(kuò)散之間的關(guān)系來推測小斷層位置（圖7、8），進(jìn)而評價誘發(fā)高級別地震的風(fēng)險[63]。

圖7 蘇爾茨EGS工程中微震事件識別水力壓裂引起的破裂帶的擴(kuò)展和分布特征[63]Fig.7 Propagation and distribution of fractured zone induced by hydraulic fracturing through the identification of microseismic events in Soultz EGS project[63]

實(shí)踐中，高質(zhì)量的微地震監(jiān)測成本非常高，極大地限制了其廣泛應(yīng)用。此外，微地震監(jiān)測中需要將一系列的檢波器放置在離地震事件較近的深井孔中，一方面，深井孔的布置很昂貴，且在部署的深井孔中是否會發(fā)生明顯的地震活動還不明確；另一方面，微地震的信噪比通常很低，因此數(shù)據(jù)解譯的結(jié)果有很大的不確定性，這也使得提高微地震信噪比的算法研究得到越來越多的關(guān)注[64-66]。裂縫識別方面，除地震相干技術(shù)外，還包括聲波全波列測井、成像測井、地層傾角測井、P波方位各向異性、多波多分量、多尺度邊緣檢測等。目前，常用多方位AVO方法識別大尺度裂縫的發(fā)育特征，并采用成像測井識別微小裂縫的分布特征[67-68]。

圖8 蘇爾茨EGS工程中GPK2井微震事件及解譯的構(gòu)造分布[63]Fig.8 Microseismicity observed in GPK2 well of the Soultz EGS project and interpreted structural structures[63]

4.2 多物理化學(xué)場耦合過程的復(fù)雜性及數(shù)值模擬的局限性

以中深部地?zé)崮荛_發(fā)工程為例，在地?zé)崮埽ㄖ饕缘責(zé)崴姆绞剑╅_采之前，地下巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。在流體注入、循環(huán)流動及開采過程，孔隙壓力發(fā)生相應(yīng)改變會使得原地應(yīng)力場發(fā)生調(diào)整[69]?？梢岳梦锢砟Ｐ皖A(yù)測應(yīng)力場的變化情況，進(jìn)而判斷巖體是否達(dá)到破壞極限。但物理模型中涉及多物理化學(xué)場的耦合過程，包括巖石力學(xué)（M）、流體流動（H）、化學(xué)反應(yīng)（C）和熱運(yùn)移（T）等過程[70]，這些都與地?zé)崮荛_采過程中誘發(fā)的地震事件息息相關(guān)[41]，見圖9。目前，對于水熱型孔隙介質(zhì)中THM耦合方面的研究較多，但是對考慮化學(xué)作用的THMC全耦合在裂隙型EGS工程中的研究還相對較少。一方面，可能是由于在研究與微地震相關(guān)的專題時，短時間尺度內(nèi)化學(xué)場起到的作用不太明顯；另一方面，是因?yàn)閺?fù)雜裂隙介質(zhì)中全耦合的數(shù)學(xué)物理表征特別困難。而化學(xué)腐蝕，尤其是土酸酸化腐蝕對干熱巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的改造效果非常明顯，可以作為干熱巖熱儲改造的重要輔助手段，因此，在干熱巖熱儲改造和地?zé)崮荛_發(fā)的數(shù)值模擬中需要綜合考慮基于化學(xué)反應(yīng)、流體流動、應(yīng)力變化、溫度效應(yīng)的多場耦合作用。

圖9 地?zé)衢_發(fā)誘發(fā)地震過程涉及的THMC耦合作用Fig.9 THMC coupling effect caused by the induced seismic events in the geothermal production

數(shù)值模擬方法可以很好地反映流體注采誘發(fā)地震的發(fā)展過程。原則上，數(shù)值模擬方法可以對任意復(fù)雜地質(zhì)條件下誘發(fā)地震的過程進(jìn)行模擬。但是，在實(shí)際應(yīng)用中所利用的地質(zhì)模型往往經(jīng)過了高度簡化，使得模型很難真實(shí)反映地下復(fù)雜的非均質(zhì)性和各向異性，以及復(fù)雜的物理化學(xué)場等。

通過對地下物理場特征的合理表征和數(shù)據(jù)校正，將會使得數(shù)值模擬模型的預(yù)測能力大大提高，但是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測還具有很大的挑戰(zhàn)性。

流體流動過程可用物質(zhì)守恒方程和連續(xù)性方程描述，對地?zé)醿佣?，流體流動既發(fā)生在巖石基質(zhì)中，也發(fā)生在斷層和裂隙中。水熱型孔隙介質(zhì)中的流體流動規(guī)律可以用達(dá)西滲流方程進(jìn)行描述。對于EGS工程涉及的裂隙介質(zhì)中的流體流動，需要描述流量和裂隙開度、巖體滲透率、流體黏度和壓差之間的關(guān)系。通常利用立方定律來描述裂隙巖體的滲透率與開度之間相關(guān)關(guān)系，即裂隙巖體的流量與裂隙開度的立方成正比。當(dāng)裂隙中的壓力增大時，裂隙的開度隨之增大，導(dǎo)致裂隙滲透率隨之增大。隨著持續(xù)的流體注入，裂隙保持張開的狀態(tài)，滲透率保持恒定。即使在遠(yuǎn)離注入點(diǎn)的區(qū)域，儲層的壓力也會發(fā)生迅速增大，從而維持了裂隙的滲透性。但是，天然的裂隙面往往是粗糙不平的，造成各處裂隙開度不一致，因此用立方定律描述巖體的滲透率往往不符合實(shí)際，并且，裂縫巖體滲透率受到法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力、剪切位移、裂縫粗糙度等的影響明顯，從而降低了流體的流速[71]。

巖石力學(xué)特性可用不同巖層的力學(xué)平衡和連續(xù)性方程進(jìn)行描述。彈性性質(zhì)的巖石基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的表征廣泛利用胡克定律，更加復(fù)雜的巖體力學(xué)性質(zhì)的表征可采用孔隙彈性模型、塑性模型和蠕變模型等，這些力學(xué)本構(gòu)模型都用來描述與應(yīng)力相關(guān)的變形及應(yīng)變。有效應(yīng)力（總應(yīng)力與孔隙壓力的差值）與各種破壞準(zhǔn)則相關(guān)。流體注入導(dǎo)致孔隙壓力增大，引起有效應(yīng)力降低?？紫督橘|(zhì)中流體流量的增大或減小，會增大或減小孔隙壓力，致使巖石基質(zhì)的體積發(fā)生膨脹或收縮，從而產(chǎn)生額外的應(yīng)力。孔隙壓力會隨時間逐漸發(fā)生消散，其取決于孔隙介質(zhì)的滲透率和孔隙彈性剛度特性[11]，本質(zhì)上是流體流動和應(yīng)力耦合的過程。另外，溫度和應(yīng)力場的耦合過程可用熱彈性理論進(jìn)行描述，并利用解析解法或數(shù)值解法[72]進(jìn)行求解。

除了水熱型孔隙介質(zhì)中流體運(yùn)移、熱運(yùn)移和應(yīng)力變化的耦合過程研究外，近些年許多學(xué)者也針對裂隙儲層的多物理化學(xué)場耦合過程進(jìn)行研究[12,66,73]。通過水力壓裂技術(shù)在巖體中產(chǎn)生裂隙系統(tǒng)，流體注入導(dǎo)致孔隙壓力及溫度場發(fā)生明顯擾動，孔隙壓力的增大和溫度的降低都會降低有效應(yīng)力，從而引起巖石的破壞。儲層溫度的降低會使總應(yīng)力下降，導(dǎo)致拉張或剪切破壞。此外，在斷層/斷裂達(dá)到臨界剪切破壞之前，增大的孔隙壓力使得裂隙的開度增大[74]；在斷層破壞發(fā)生后（或引發(fā)地震事件后），地應(yīng)力會發(fā)生重新調(diào)整。

4.3 人為控制因素與地震活動的對應(yīng)性

流體注入/開采過程中壓力、溫度、體積、時間和速率的變化等都可以誘發(fā)地震，但由于地下構(gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性，地層格架表征分辨率受限，很難得到地震級別和這些因素之間的相關(guān)關(guān)系。以瑞士Basel深部地?zé)峁こ虨槔?，?dāng)井頭壓力達(dá)到30 MPa，注入速率達(dá)到50 L/s時，在5 km深處花崗巖體中的儲層激發(fā)改造誘發(fā)了地面的有感地震（震級達(dá)到里氏2.6級），并且震級隨著注入流速和井頭壓力的提高而增強(qiáng)。在注入活動停止后的2 a內(nèi)，仍然繼續(xù)監(jiān)測到高達(dá)里氏3.2級的地震[75]。流體注入活動停止后，可能有兩種主要機(jī)制誘發(fā)地震繼續(xù)發(fā)生：1）注入井停注流體后，由于壓力不均衡，流體繼續(xù)從注入井向外發(fā)生運(yùn)移，儲層中流體壓力發(fā)生動態(tài)調(diào)整，直至流體運(yùn)移到離注入井非常遠(yuǎn)的地方致壓力均衡為止；2）與斷裂速率屬性相關(guān)的滯后的斷裂積聚作用[75]。這兩種機(jī)制都涉及地層壓力的緩慢耗散和地層溫度的變化，使局部地應(yīng)力發(fā)生動態(tài)調(diào)整。

5 中國深部地?zé)釢摿εcEGS工程開發(fā)前景

5.1 中國深部地?zé)豳Y源分布和開發(fā)潛力

中國深部地?zé)豳Y源量豐富，高溫水熱型地?zé)豳Y源量相當(dāng)于1×1010～2×1010t標(biāo)準(zhǔn)煤；按發(fā)電來計(jì)，30 a可開采電量相當(dāng)于1.8×107～2.7×107kW；干熱巖型地?zé)豳Y源可用于地?zé)岚l(fā)電和地?zé)峁┡?～10 km的干熱巖資源量約為2.52×1025J，折合為6×1014～9×1014t標(biāo)準(zhǔn)煤；按開采量2%為計(jì)，年開采量相當(dāng)于1.2×1013～1.8×1013t標(biāo)準(zhǔn)煤[76]。中國的地?zé)豳Y源分布不均勻，高溫地?zé)豳Y源主要集中在藏南、川西、滇西，以及東南沿海等局部地區(qū)，其他大部分地區(qū)整體上是以中低溫地?zé)豳Y源為主。羌塘盆地和貴德共和盆地為熱盆，為干熱巖的優(yōu)質(zhì)選區(qū)[76-77]；東部的沉積盆地大多為熱盆（地表熱流值＞65 mW/m2），包括松遼盆地、華北盆地、蘇北盆地等；鄂爾多斯盆地、四川盆地和江漢盆地表現(xiàn)為溫盆的特征（熱流值介于50～65 mW/m2之間）；西部的塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和柴達(dá)木盆地等表現(xiàn)為冷盆的特點(diǎn)。高溫地?zé)豳Y源的分布位置常與活動構(gòu)造帶關(guān)系密切，也常是地震的多發(fā)區(qū)[78]。

5.2 中國干熱巖勘查及EGS工程開發(fā)現(xiàn)狀及前景

中國的高溫巖體（包括干熱巖和濕熱巖）勘探開發(fā)研究起步較晚，但勘探進(jìn)展較快，已經(jīng)在福建漳州、廣東陽江新洲、海南陵水和瓊北地區(qū)、湖南汝城、松遼盆地、山東文登等地進(jìn)行了勘探，并且在青海共和盆地發(fā)現(xiàn)中國埋藏最淺（3 705 m）、溫度最高（236 ℃）的高溫巖體。

中國目前已在青海共和盆地開展了高溫巖體熱儲改造的場地試驗(yàn)，但還有許多關(guān)鍵科學(xué)和工程技術(shù)有待攻克，包括：深入闡明高溫花崗巖體的破巖機(jī)理，井眼圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性機(jī)理，多場耦合條件下高溫巖體的變形、破裂與裂縫延伸機(jī)理等；開發(fā)安全高效的高溫巖體鉆完井工藝、注采井的高效連通技術(shù)、注入水的漏失控制技術(shù)，以及降低誘發(fā)地震風(fēng)險的控制技術(shù)等[79]。

可通過多種觀測手段獲取多尺度地球深部物理、化學(xué)信息，如：可從地震觀測中獲得震源參數(shù)、速度結(jié)構(gòu)特征；通過應(yīng)力應(yīng)變觀測獲取研究區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和形變特征；利用電磁觀測獲得地球深部的3維電性結(jié)構(gòu)；依靠地下流體觀測推斷地球深部的斷裂交互空間關(guān)系；從重力觀測數(shù)據(jù)中解譯地球深部巖體成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等信息。進(jìn)而，將室內(nèi)試驗(yàn)（如通過小尺度巖石力學(xué)和水力壓裂試驗(yàn)等物理模擬地球深部原地溫、壓等條件下的溫度場、流場、應(yīng)力場、化學(xué)場、能量等變化）和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，逐漸認(rèn)識誘發(fā)地震的主要因素，以此獲得地震發(fā)育位置及震級大小的對應(yīng)關(guān)系，并采取相應(yīng)措施避免因大量流體注采導(dǎo)致發(fā)生破壞性地震。

在注采井的高效連通控制技術(shù)研發(fā)方面，可開發(fā)復(fù)合的熱儲刺激技術(shù)，即冷熱水交替熱刺激-化學(xué)腐蝕-水力壓裂技術(shù)，并充分利用微震的監(jiān)測解譯數(shù)據(jù)，及時調(diào)整熱儲刺激的方案，制造大范圍的流體熱交換空間，降低過早的熱突破，提高采熱溫度和效率。

6 結(jié)論和展望

本文總結(jié)了流體注采過程，包括廢水深井注入、二氧化碳地質(zhì)封存、油氣田開發(fā)和地?zé)崮荛_發(fā)等工程誘發(fā)的微地震及地面有感地震的工程案例。對流體注采誘發(fā)地震的機(jī)理進(jìn)行了闡述，并結(jié)合中國深部地?zé)崮荛_采潛力，對高溫巖體EGS工程所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，得出以下認(rèn)識：

1）注水進(jìn)行的油氣二采和三采，以及廢水的深井注入工程誘發(fā)地面有感地震的工程案例較少，并且地震發(fā)生的位置基本都局限在注入井附近幾平方公里的范圍內(nèi)，停止注入后地震仍然持續(xù)發(fā)生，持續(xù)時間從幾個月到幾年不等。干熱巖開發(fā)過程中高壓注水的熱儲改造過程可能誘發(fā)破壞性地震的發(fā)生。

2）流體注入或開采引起微地震的機(jī)制很多，如：孔隙壓力變化、巖體的冷卻收縮、流體濾失造成的巖體體積減小等引起的應(yīng)力變化、冷的流體注入引起的熱應(yīng)力變化，以及咸水或酸性流體引起的化學(xué)應(yīng)力變化等。但實(shí)質(zhì)上是應(yīng)力場的變化及應(yīng)變能的積累和釋放，使巖體發(fā)生不同形式的破壞所致。

3）流體滲流和應(yīng)力耦合模型的發(fā)展有利于研究流體注采誘發(fā)微地震的特征?？衫脭?shù)值模擬方法探明流體注采停止后微地震繼續(xù)發(fā)生的原因，但是，所利用的簡化地質(zhì)模型與地下復(fù)雜的物理化學(xué)場的接近程度很難判定。通過對地下物理化學(xué)場特征的概化表征和數(shù)據(jù)校正，使得將概化地質(zhì)模型和本構(gòu)模型應(yīng)用于地震預(yù)測還存在很大的挑戰(zhàn)。

4）流體注采工程中，一些人為控制因素包括注/采壓力、注/采溫度、注/采體積、注/采持續(xù)的時間和速率的變化等都影響地震發(fā)生的特征，但因?yàn)榈厍蛏畈繕?gòu)造環(huán)境的復(fù)雜性，以及3維地質(zhì)結(jié)構(gòu)或地層格架表征的精度有限性，很難得到地震級別和這些因素之間的相關(guān)關(guān)系。

5）EGS工程主要借鑒傳統(tǒng)油氣開采的現(xiàn)有技術(shù)，但世界上很多EGS工程案例因經(jīng)濟(jì)性差，且存在誘發(fā)地震風(fēng)險而進(jìn)展緩慢。對于中國高溫巖體的大規(guī)模開發(fā)，需考慮誘發(fā)地震造成的環(huán)境風(fēng)險和安全風(fēng)險，將風(fēng)險等級降到最低。從長遠(yuǎn)布局規(guī)劃來看，要攻克很多關(guān)鍵技術(shù)，如：深部地溫預(yù)測準(zhǔn)確性的提高技術(shù)、熱儲中產(chǎn)生復(fù)雜交錯裂縫網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、注采井的有效貫通、流體在人工建造熱儲中的優(yōu)化循環(huán)、水的漏失控制技術(shù)和有效的熱儲管理等，以實(shí)現(xiàn)干熱巖開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性。這就需要充分借鑒歐美、日韓等國在40年探索和實(shí)踐中的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，建立針對EGS工程的國際交流和合作攻關(guān)模式，在中國的EGS示范工程中夯實(shí)基礎(chǔ)，累積技術(shù)，加速EGS工程的商業(yè)化進(jìn)程。