基于高精度時(shí)變微重力方法研究呼圖壁儲(chǔ)氣庫地下介質(zhì)密度變化特征

劉代芹 玄松柏 陳 石 艾力夏提·玉山 李 杰 王曉強(qiáng) 李 瑞

1)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

2)新疆帕米爾陸內(nèi)俯沖國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，烏魯木齊 830011

3)中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830011

4)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

5)中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030

6)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

天然氣作為環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、熱效率高的能源已被世界各國作為重要能源產(chǎn)品之一，各國對(duì)天然氣的需求量不斷增加，天然氣在一次能源消費(fèi)中所占的比例也越來越大。在天然氣開采、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和消費(fèi)的過程中，存儲(chǔ)是關(guān)鍵的一環(huán)。目前，地下儲(chǔ)氣庫(Underground Gas Storage，UGS)作為一種人工氣田或氣藏，能夠按市場需求或政策導(dǎo)向靈活解決天然氣的供需矛盾，因此成為能源工業(yè)化產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界范圍內(nèi)投入使用的地下天然氣儲(chǔ)氣庫就達(dá)600多個(gè)(王亮，2013； 尹虎琛等，2013)。地下儲(chǔ)氣庫在注采氣過程中隨著內(nèi)部氣體的充盈和虧損會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)密度變化和壓力差。有研究表明，儲(chǔ)氣庫腔體內(nèi)巖石的構(gòu)造應(yīng)力會(huì)隨著內(nèi)部氣壓的周期性峰、谷值變化打破平衡狀態(tài)，出現(xiàn)地表隨氣壓變化“呼吸”變形的現(xiàn)象，這種變化還可能導(dǎo)致UGS腔囊周邊的圍限斷層發(fā)生屬性上的變化，如活動(dòng)速率、傾角和閉鎖狀態(tài)等，最終誘發(fā)地震(崔振東等，2011)。

針對(duì)呼圖壁UGS的研究除地應(yīng)力模擬分析外(曹錫秋，2013)，相關(guān)形變監(jiān)測(cè)研究起步較晚。近年來，王迪晉等(2016)、Qiao等(2018)利用GPS及InSAR數(shù)據(jù)開展了儲(chǔ)氣庫地表形變研究，李杰等(2016)利用二等水準(zhǔn)測(cè)量研究了儲(chǔ)氣庫隨氣壓變化而出現(xiàn)地表隆升的機(jī)理，但其他相關(guān)研究成果為數(shù)不多。而在UGS運(yùn)行過程中，當(dāng)注采壓力發(fā)生變化時(shí)往往伴隨地表形變，表明氣藏內(nèi)部氣壓與地表形變具有一定的相關(guān)性。但關(guān)于氣壓變化是否導(dǎo)致氣藏內(nèi)部體積、介質(zhì)總儲(chǔ)量、密度和應(yīng)力發(fā)生變化，而前者又如何對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變分布產(chǎn)生影響，目前仍鮮有研究報(bào)道(Takumietal.，2009； Castellettoetal.，2010； Teatinietal.，2011)?，F(xiàn)今已知呼圖壁儲(chǔ)氣庫的地表形變量值、氣井井口壓力變化和微地震分布等(李杰等，2016； 蘇金波等，2016； 王迪晉等，2016)，但對(duì)于井壓—介質(zhì)密度—應(yīng)力—形變的變化過程，目前尚屬探索研究階段。通過壓強(qiáng)、氣體總量、密度等參數(shù)得到氣藏內(nèi)部的應(yīng)力分布狀況，將正演得到的形變過程與直接測(cè)量得到的形變量進(jìn)行比對(duì)，開展UGS安全性運(yùn)維評(píng)價(jià)，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

重力場作為最基本的地球物理場，其動(dòng)態(tài)的時(shí)間變化可為研究地殼深部結(jié)構(gòu)與性質(zhì)提供重要的觀測(cè)信息。微重力測(cè)量的探查對(duì)象引起的重力效應(yīng)以微伽級(jí)的數(shù)值度量。以20世紀(jì)80年代美國Lacoste型重力儀為代表的相對(duì)重力儀的出現(xiàn)，使得研究重力場的時(shí)間變化成為可能(王謙身等，1995)。諸多學(xué)者的相關(guān)研究表明，地震的發(fā)生往往伴隨著一定程度的重力場變化，尤其是對(duì)于汶川8.0級(jí)地震、蘆山7.0級(jí)地震等由典型逆沖型發(fā)震構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致的地震而言，由于閉鎖微弱，震前的形變量無法通過傳統(tǒng)的GPS或其他手段感知，而這種高應(yīng)力集中變化卻能被高精度的重力測(cè)量所捕捉(申重陽等，2009； 祝意青等，2009，2013，2015； Zhuetal.，2010； 陳石等，2011，2014)。周期性重力復(fù)測(cè)得到的重力場動(dòng)態(tài)變化可反映殼內(nèi)介質(zhì)的“時(shí)間—空間—強(qiáng)度”狀態(tài)變化，而集、采氣過程中發(fā)生的壓力變化能夠?qū)е碌乇碜冃魏蜌怏w密度變化，這一過程同樣可以被高精度重力測(cè)量所感知。本文將采用微重力信號(hào)研究模擬計(jì)算呼圖壁儲(chǔ)氣庫地下介質(zhì)密度變化以及重力與注采壓力之間的響應(yīng)關(guān)系。

本文從微重力綜合觀測(cè)技術(shù)出發(fā)，依托絕對(duì)重力、相對(duì)重力測(cè)量，結(jié)合儲(chǔ)氣庫地區(qū)各井注采壓力的變化，開展地下介質(zhì)密度物性隨氣田內(nèi)部氣壓變化的相關(guān)性研究，獲取呼圖壁儲(chǔ)氣庫內(nèi)部的質(zhì)量源特征參數(shù)，揭示殼內(nèi)介質(zhì)顯著形變與重力變化之間的響應(yīng)關(guān)系，通過重力場變化研究地震孕育過程中的殼內(nèi)“變形—密度—重力”之間物理場的耦合機(jī)理，從而深入分析儲(chǔ)氣庫地表的隆升幅度和邊界圍巖的穩(wěn)定程度，對(duì)誘發(fā)地震開展相關(guān)性研究，為儲(chǔ)氣庫安全運(yùn)維提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。

1 呼圖壁儲(chǔ)氣庫重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基本情況

2013年前后，“呼圖壁計(jì)劃”在天山北麓正式啟動(dòng)，旨在研究天山地區(qū)地下介質(zhì)變化及地震機(jī)理的“地下明燈”就此點(diǎn)亮。呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫于2013年6月開始投入使用，為了獲取重力變化、地下介質(zhì)與注采氣壓力變化之間的響應(yīng)關(guān)系，新疆維吾爾自治區(qū)地震局于2013年11月以儲(chǔ)氣庫東側(cè)井位密集區(qū)域?yàn)橹饕芯繉?duì)象，以呼克19井為中心布設(shè)了13個(gè)重力觀測(cè)墩，呈十字交叉形組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)(圖 1)。重力觀測(cè)路線采用各點(diǎn)往返的策略進(jìn)行閉合觀測(cè)，同時(shí)對(duì)東、西、南、北4個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，十字形相對(duì)重力觀測(cè)網(wǎng)中4個(gè)頂點(diǎn)的相互距離為SE 2km、NW 2km、NE 4km、SW 4km，2個(gè)觀測(cè)墩之間的平均距離為0.8～1.0km(圖 1)。其中，南北測(cè)線橫跨儲(chǔ)氣庫的2條邊界斷層，即呼圖壁北斷裂與呼圖壁斷裂。同時(shí)，為了更好地研究儲(chǔ)氣庫區(qū)壓力與重力變化間的關(guān)系，將其中4個(gè)觀測(cè)墩設(shè)置于采注直井旁，即HK19(呼克19井)、HK21(呼克21井)、HK22(呼克22井)和HKP4(呼克1井)。

圖 1 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)Fig. 1 Gravity monitoring network of Hutubi underground gas storage.

2 數(shù)據(jù)觀測(cè)與處理

3 呼圖壁儲(chǔ)氣庫重力場變化特征分析

圖 2 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫的重力場變化圖像Fig. 2 Gravity field variation image of Hutubi underground gas storage.a 2013年11月—2014年3月； b 2014年3月—2014年10月； c 2014年10月—2015年3月； d 2015年3月—2015年10月； e 2015年10月—2016年3月； f 2016年3月—2016年10月

整個(gè)測(cè)區(qū)的重力變化存在明顯的分區(qū)特征。呼圖壁斷裂以南儲(chǔ)氣庫外部的區(qū)域重力變化較小，儲(chǔ)氣庫區(qū)內(nèi)的重力有交替性增減的變化趨勢(shì)，尤其是庫區(qū)內(nèi)的東側(cè)，該地區(qū)的重力變化表現(xiàn)出明顯的春季減小、秋季增大的變化特征，這是由于庫內(nèi)天然氣經(jīng)過冬季的大量輸出，直到當(dāng)年3月左右?guī)齑娼抵磷畹?，使得?chǔ)氣庫內(nèi)部的應(yīng)力處于最小值，地下介質(zhì)密度也隨之變化。儲(chǔ)氣庫外側(cè)以北的農(nóng)田地區(qū)重力變化幅度最大，變化特征與儲(chǔ)氣庫內(nèi)部測(cè)點(diǎn)相反，即春季重力值增大、秋季重力值減小，這是由于庫體內(nèi)部的壓力減小，根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力均衡特性，導(dǎo)致庫體外的構(gòu)造應(yīng)力也有所調(diào)整。

4 呼圖壁儲(chǔ)氣庫的注采壓力與重力變化的關(guān)系

呼圖壁儲(chǔ)氣庫注采氣主要隨季節(jié)變化，即冬季為采氣階段，夏季反之。查閱相關(guān)文獻(xiàn)(張懷文等，2015)可知，該儲(chǔ)氣庫自2013年6月9日開始注氣，日注氣總量達(dá)1123×104m3，截至當(dāng)年10月，累計(jì)注氣12.09×108m3； 2014年3月16日呼圖壁儲(chǔ)氣庫采氣階段結(jié)束，總采氣量為2.67×108m3。2014年4月11日，呼圖壁儲(chǔ)氣庫啟動(dòng)注氣工作，至當(dāng)年10月14日結(jié)束，累計(jì)注氣量為17.68×108m3。2015年1月，隨著冬季用氣高峰的到來，呼圖壁儲(chǔ)氣庫積極發(fā)揮應(yīng)急調(diào)峰作用，日采氣量達(dá)753×104m3。

相關(guān)資料和重力計(jì)算結(jié)果表明，儲(chǔ)氣庫內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的重力變化與氣井注采氣壓力變化密切相關(guān)。根據(jù)地殼應(yīng)力均衡特性，當(dāng)庫體內(nèi)部的壓力趨于增加或減小的變化過程時(shí)，庫體外的應(yīng)力也將相應(yīng)調(diào)整。注入儲(chǔ)氣庫的氣體擴(kuò)散到庫體巖石及其空隙之中，將對(duì)巖石產(chǎn)生一定的壓力作用，使地下庫體的介質(zhì)密度發(fā)生不同程度的改變，最終引起儲(chǔ)氣庫區(qū)域內(nèi)地表測(cè)點(diǎn)的重力值發(fā)生變化。分析整個(gè)注采壓力和重力變化時(shí)序圖(圖 3)可知： 2014年2月，呼圖壁儲(chǔ)氣庫的注采壓力為整個(gè)儲(chǔ)氣庫注采壓力的最低值，即15MPa，該時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)的重力呈現(xiàn)出正變化，變化量約為10×10-8m/s2； 2014年10月，儲(chǔ)氣庫的注采壓力為峰值狀態(tài)，達(dá)27MPa，而此時(shí)儲(chǔ)氣庫地表各測(cè)點(diǎn)的重力變化呈分區(qū)態(tài)勢(shì)，儲(chǔ)氣庫西側(cè)重力呈現(xiàn)負(fù)值變化，變化量為10×10-8m/s2，東側(cè)重力呈現(xiàn)正值變化，說明此階段的注氣工作并非是同時(shí)且均勻地開展，而是分時(shí)段、分批次進(jìn)行注氣。通過整體分析可以清楚地看出，儲(chǔ)氣庫內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的重力變化與氣井注采氣壓力變化基本呈正相關(guān)。在儲(chǔ)氣庫注氣期間，庫區(qū)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的重力值也隨之增大； 在儲(chǔ)氣庫采氣期間，庫區(qū)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的重力值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。但個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)的重力變化與各氣井的注采壓力變化并不一致，其主要原因可能與該地區(qū)地下水開采以及地質(zhì)構(gòu)造分布特性有關(guān)。

圖 3 儲(chǔ)氣庫測(cè)點(diǎn)重力與注采壓力的時(shí)序變化圖Fig. 3 Time series variation diagram of gravity and injection-production pressure.a 儲(chǔ)氣庫井口注采壓力的時(shí)序變化圖； b 儲(chǔ)氣庫測(cè)點(diǎn)重力的時(shí)序變化圖

5 儲(chǔ)氣庫地下介質(zhì)的密度變化特征

本文利用在地表觀測(cè)的多期流動(dòng)重力變化數(shù)據(jù)，采用可約束異常體的最小體積、探尋地下密度變化及異常體空間分布的Compact Gravity Inversion(簡稱CGI)算法(Lastetal.，1983； Barbosaetal.，1994)對(duì)研究區(qū)地下介質(zhì)的密度變化進(jìn)行研究。重力反演在深度上具有一定的多解性和不確定性。本研究在計(jì)算過程中加入了深度加權(quán)函數(shù)的約束(Lietal.，1998； Chasseriauetal.，2003)，以消除和減弱多解性和趨膚效應(yīng)。

5.1 計(jì)算方法

本文所采用的CGI方法的基本原理為： 定義觀測(cè)值與模擬計(jì)算值方差最小的目標(biāo)函數(shù)，并引入深度加權(quán)和模型平緩度原理。目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為

(1)

其中，Wm=QRm，Rm為模型平緩度矩陣表達(dá)式，即由3個(gè)不同方向的相鄰棱柱體的密度變化之差構(gòu)成的矩陣；μ為拉格朗日算子(μ>0)，其可控制迭代過程中的計(jì)算值與觀測(cè)值之間的擬合程度；Q為深度加權(quán)矩陣，由式(2)給出：

(2)

一般情況下，1.5<β<2(Lietal.，1998； Boulangeretal.，2001)。為求解目標(biāo)函數(shù)式(1)的最小化問題(P)=min，令(?Φ(P))/(?PT)=0，則：

(3)

通過線性方程式(3)可獲得密度變化修正量P，對(duì)修改后的初始模型進(jìn)行多次迭代，直到滿足收斂條件為止。

5.2 模擬結(jié)果的可靠性分析

圖 4 最終模型的殘差統(tǒng)計(jì)圖Fig. 4 Residual statistics of the final model.

圖 5 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫的介質(zhì)密度變化圖像Fig. 5 Media density change image of Hutubi underground gas storage.a 2013年11月—2014年3月； b 2014年3月—2014年10月； c 2014年10月—2015年3月； d 2015年3月—2015年10月； e 2015年10月—2016年3月； f 2016年3月—2016年10月

5.3 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫密度變化特征分析

本文基于文獻(xiàn)(張懷文等，2015)和前期搜集的資料獲得的該儲(chǔ)氣庫氣藏的中部深度為3585m，而從2013—2016年的重力資料模擬計(jì)算結(jié)果來看(圖 5)，儲(chǔ)氣庫介質(zhì)的地下密度變化的最佳深度約為3500m，此結(jié)果與呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫的氣藏深度基本吻合。且搜集到的現(xiàn)有資料僅給出了儲(chǔ)氣庫的平均深度，但從密度變化圖像(圖 5)可清晰地看出呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫本身呈不規(guī)則形態(tài)，由于庫體內(nèi)部應(yīng)力的不均勻性，使得該儲(chǔ)氣庫的介質(zhì)在不同深部的密度變化也不同，引起這一結(jié)果的主要原因是不同時(shí)間段儲(chǔ)氣庫注采壓力差異?？梢?，通過重力資料可以清晰地反映出地下儲(chǔ)氣庫的形態(tài)及介質(zhì)密度隨注采壓力響應(yīng)的變化全過程。

比較圖5d 和5e 可知，這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)的地殼密度變化反演結(jié)果差別較大，該現(xiàn)象可能與2016年12月8日呼圖壁6.2級(jí)地震的發(fā)生密切相關(guān)。該地震的震中距離儲(chǔ)氣庫不到50km，在地震發(fā)生之前，儲(chǔ)氣庫及周邊地區(qū)受到了不同程度的構(gòu)造應(yīng)力作用，也使該地區(qū)的地殼物質(zhì)密度受到較大影響，而呼圖壁儲(chǔ)氣庫因注采壓力引起的重力變化與該地震構(gòu)造應(yīng)力引起的物質(zhì)運(yùn)移的程度相差較大，導(dǎo)致2015年10月—2016年3月儲(chǔ)氣庫內(nèi)部的密度變化程度明顯增強(qiáng)。隨后，在2016年10月前后，該地區(qū)周圍的構(gòu)造應(yīng)力得到松弛，使得重力場出現(xiàn)反向調(diào)整，隨即發(fā)生了呼圖壁6.2級(jí)地震。由此推斷，該地震可能是造成上述2個(gè)時(shí)段內(nèi)密度變化差異較大的主要原因。

6 呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫的靜態(tài)結(jié)構(gòu)反演

本文搜集的相關(guān)資料及通過實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)得到的密度反演結(jié)果均顯示，呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫的最大深度約為3.5km。為了更清晰地了解儲(chǔ)氣庫地下結(jié)構(gòu)形態(tài)，本文基于布格重力異常結(jié)果對(duì)庫體內(nèi)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步反演，其中，反演場源模型單元的尺寸為1000m×1000m×200m，并繪制了呼圖壁儲(chǔ)氣庫3.5km深度的地下靜態(tài)水平結(jié)構(gòu)形態(tài)分布圖(圖 6)。

圖 6 呼圖壁儲(chǔ)氣庫的地下靜態(tài)水平結(jié)構(gòu)形態(tài)分布圖Fig. 6 Static structure distribution of Hutubi underground gas storage.

反演結(jié)果(圖 6)顯示，地下儲(chǔ)氣庫氣腔3.5km深處內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形態(tài)基本清晰可見，腔內(nèi)的剩余密度比腔外地殼物質(zhì)的密度更小，腔體呈現(xiàn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)分布特征，且儲(chǔ)氣庫東部表現(xiàn)出的地殼密度虧損較為嚴(yán)重，說明該區(qū)域的腔體容量相對(duì)西部更大，即為“空穴”。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)氣庫內(nèi)大部分油氣井分布在其東部區(qū)域，這與模擬結(jié)果較為吻合，且模擬反演的地下儲(chǔ)氣庫的形態(tài)和地表所標(biāo)注的儲(chǔ)氣庫的界線基本相似，但儲(chǔ)氣庫內(nèi)部應(yīng)為不規(guī)則分布形態(tài)，腔體內(nèi)部的氣體會(huì)隨著孔隙不斷進(jìn)行“游離”。

7 結(jié)論與討論

7.1 呼圖壁儲(chǔ)氣庫的重力變化與注、采氣的響應(yīng)關(guān)系

呼圖壁儲(chǔ)氣庫內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的重力變化與氣井注采氣壓力密切相關(guān)。當(dāng)儲(chǔ)氣庫內(nèi)各井口處于注氣階段時(shí)，氣體導(dǎo)致腔體擴(kuò)容，同時(shí)氣體也進(jìn)入巖石孔隙內(nèi)部，導(dǎo)致腔壁受到較強(qiáng)的構(gòu)造壓力，使儲(chǔ)氣庫腔體底部產(chǎn)生短暫的、較強(qiáng)的向下構(gòu)造應(yīng)力，在地表表現(xiàn)為測(cè)點(diǎn)重力值的增大。當(dāng)儲(chǔ)氣庫向社會(huì)進(jìn)行輸氣，即儲(chǔ)氣庫處于采氣階段時(shí)，庫區(qū)內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)重力值則呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。另外，呼圖壁儲(chǔ)氣庫內(nèi)部及附近地區(qū)存在許多水井，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水較多，尤其是農(nóng)業(yè)用水，需要抽取地下水澆地、灌溉。在儲(chǔ)氣庫注采階段，重力變化也將受到地下水、地表變化及天山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力等外界因素不同程度的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，地下水開采形成局部漏斗狀下陷面，引起地表沉降等問題，而在地表超采中心點(diǎn)沉降幅度最大。通過觀測(cè)不難發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)氣庫北側(cè)位于耕地附近的觀測(cè)點(diǎn)受地下水抽采以及農(nóng)作物灌溉的影響較儲(chǔ)氣庫其他區(qū)域更大，位于抽水灌溉井中心及鄰近區(qū)域的測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的漏斗狀。由此可見，由于抽水灌溉井引起的地下水超采對(duì)地表產(chǎn)生的垂直向變形的影響是不可忽略的。在未來的工作中，將考慮如何剝離地下水、地表以及同震效應(yīng)等因素的影響，以便更深入地分析重力變化與注采壓力二者之間的響應(yīng)關(guān)系。

7.2 呼圖壁儲(chǔ)氣庫地下介質(zhì)密度的變化及庫體構(gòu)造形態(tài)特征

致謝新疆油田公司、克拉瑪依石油設(shè)計(jì)院、中國石油大學(xué)克拉瑪依分校等為本研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)； 審稿專家對(duì)本文提出了建設(shè)性意見和建議。在此一并表示感謝！