美专家分析油气田注水开发中的诱发地震及其应对策略＊

赵纪东 王艳茹 编译

（中国科学院兰州文献情报中心，兰州 730000）

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美专家分析油气田注水开发中的诱发地震及其应对策略＊

赵纪东 王艳茹 编译

（中国科学院兰州文献情报中心，兰州 730000）

2015年，在美国州际油气契约委员会（Interstate Oil and Gas Compact Commission，IOGCC）和地下水保护委员会（Ground Water Protection Council，GWPC）的共同行动计划StatesFirst的倡议下，业内专家成立流体注入诱发地震工作组（Induced Seismicity by Injection Work Group，ISWG），分析了与油气资源开采有关的地下流体注入诱发地震的可能性，并制定了评估和解决此类事件的一些策略。该研究旨在为美国监管机构提供相关科技现状，以及与地震评估、诱发地震风险管理、应对策略制定有关的注意事项。2015年9月，发布《油气开发中潜在的流体注入诱发地震：风险管理及减缓的技术和管理基础》（Potential injection－induced seismicity associated with oil ＆gas development：A primer on technical and regulatory considerations informing risk management and mitigation）报告。在此，我们对其内容做一简要介绍。

1 诱发地震

多年前，科学家们就认识到某些人类活动可能会引发地震。多数地震是由构造运动引起的（自然原因），但在某些情况下，人类活动可以引发地震。诱发地震的活动记录至少可以追溯至20世纪20年代，主要源于多方面的人类活动，如地下流体注入、石油和天然气开采、修建大坝后的大型水库蓄水、地热工程、矿山开采、建筑活动和地下核试验等。

该研究重点分析了Ⅱ类处理井①美国环境保护署（EPA）的地下流体注入控制（Underground Injection Control）计划将地下井分为6类，其中，Ⅱ类井指在油气开发中，为了处理废水或提高油气采收率而进行流体注入的井的流体注入诱发地震的可能性。虽然公众认为水压致裂是诱发地震的主因，但有证据表明，地下废水处理比水压致裂更有可能诱发 “有感”地震。

2 评估潜在的流体注入诱发地震

美国的多数处理井不足以诱发地震，但在某些地质和储层条件下，一些注入井已被确认会诱发有感地震。诱发地震通常仅限于地壳浅层，邻近注水区。例如，虽然美国中部和东部的自然地震最深可达25～30km，但俄克拉何马州（Oklahoma）多数潜在的诱发地震仅局限于地壳之下6km。然而，最大规模的流体注入诱发地震、有感地震以及存在潜在破坏性的地震均发生在前寒武纪基底，而非上覆沉积岩层。流体注入诱发地震的主要物理机制是临界应力断裂面上孔隙压力的增加，导致断层应力释放，发生滑动。这些断层主要位于前寒武纪基底。诱发地震通常震级小（M＜5.0），持续时间短，主要危害是地面震动。目前，对于流体注入诱发地震，除了加利福尼亚州（California）的间歇泉地热田的模型之外，美国尚无经验性的地面运动模型，因为流体注入诱发地震数据目前还相当有限。

目前，很难利用长期以来建立的地震方法来明确区分诱发地震和构造地震。潜在的诱发地震的评估可能需要整合多学科的技术，需要地震学家、油藏工程师、岩土工程师、地质学家、水文地质学家和地球物理学家的共同协作。

因果关系评价可能是一个复杂且费时的过程，需要对地震事件进行精确定位，确定能够再活化的临界压力断层，明确地震事件具体的时空演化，包括断层初次滑动以及后续的余震，表征断层及其周围的地下压力，建立物理地质力学/油藏工程模型，以便评估诱发变化（地下孔隙压力的变化）是否可以使得断层移动。

地震学家通过探索与流体注入有关的潜在时空关系，提出7个问题来识别诱发地震，分别是：①该区此类地震事件是否首次发生？②流体注入与地震是否有明确的（暂时的）相关关系？③震中是否位于井附近（5km内）？④地震是否发生在流体注入深度或其附近？⑤如果不是，是否已有地质特征显示地震发生位置可能存在径流？⑥井底压力变化是否足以引发地震？⑦震源的流体压力变化是否足以引发地震？

如果以上7个问题的回答都是否定的，那么观测到的地震并非由注入诱发；相反，如果7个问题的回答都是肯定的，那么有理由相信地震可能是由流体注入引发。既肯定又否定的答案可能会得到模棱两可的解释，因此，需要进一步评估因果关系因素。其他因果关系的研究可能包括：①部署临时地震监测网络；②查看可用的地震档案和记录；③识别潜在的可能会导致地下应力扰动的人为因素的范围；④查看地震点附近所有可用的注入井的压力数据；⑤充分考虑和分析其他相关数据，如地下断层数据，包括二维和三维地震成像数据和断层解释、现有的地质、地震和沉积历史、现有地质和储层物性数据。

3 风险管理和减灾策略

在Ⅱ类处理井的现场、许可和地震监测方面，美国各州制定了不同的策略，以避免、缓解和应对诱发地震的潜在风险。鉴于场地的特殊性和技术的复杂性，许多州的管理者选择与来自政府机构、大学和私人顾问组织的专家共同研究风险管理和减灾策略。

采用科学方法来评估和管理与流体注入操作有关的地震风险对特定地点的危害和风险时，需要考虑：①场地的特点，需考虑地质背景和地层特征，如构造、断层、土壤条件以及地震活动史（收集并分析美国地质调查局、各州地质调查局、大学和行业数据）；②建筑环境，包括当地的建筑标准，以及公共和私人建筑的位置、基础设施，如水库、水坝、以及历史建筑或有象征意义的建筑元素的建筑标准；③作业范围，包括现存的和计划的注液量；④估算潜在诱发地震的最大震级；⑤估算潜在诱发地震可能引起的地面晃动。

基于对潜在诱发地震的风险评估，各州可以决定是否改变或恢复注入井作业。一旦确定减缓行动可行，采取的行动可能包括增加地震监测、改变运行参数（如，速度和压力）以减少地面晃动和风险、允许井的校正和部分回填、控制再次注入（如果可行的话）、临时吊销或撤销注入授权，或停止注入并关闭井。

在决定是否、何时和何地对地下注入进行地震监测时，美国国家油气监管机构需要考虑各种因素，一定的筛选方案将有助于确定地震监测是否必要。如果有必要，国家可以做出一系列计划，包括地震监测的方法、设备、数据报告、地震活动变化的临界值、通过修改操作来减轻或管理风险的措施以及暂停注入活动的阀值。

虽然国家监管机构通常没有足够的资源或专业知识进行详细的地震监测和调查，但他们经常会与其他组织进行合作，如美国地质调查局（USGS）、州地质调查、研究机构、大学或第三方承包商，以协助各州设计和安装永久和临时的地震监测网络，分析地震监测数据。

4 对外交流和沟通

在对地震做出必要的响应之前，应该尽早地制定沟通和应对策略，信息必需直接和明确。策略的制定可以基于：①地震发生前的计划；②开展应对计划；③应对震后评估。

在地震事件之前，州立机构应考虑制定一项策略，其重点是：①公众调查，了解公众的关注点，以便在策略的教育和沟通方面能够解决公众关注的问题；②教育，以公众能够理解的方式呈现信息。由提出者发起，向公众传播，通过反馈确保信息是否已被接收和理解；③沟通，有效的沟通过程始于倾听被沟通者的看法、担忧、想法和问题。无论什么原因，如果预期的接收者认为这些响应或信息与其个人关注无关，便不可能实现有效和高效地沟通。

一旦地震发生，州立机构将执行沟通和应急预案。州立机构应当准备发表声明，对提出的问题和关切做出回应。州立机构可以酌情考虑召开利益相关者会议。震后或震中，州立机构应当考虑与内外利益相关者继续沟通，总结哪些事情做得好，哪些需要改进。在后续的沟通中，对于如何避免未来地震的担忧，州立机构的代表发言应该明确且措辞严谨，主要是表明州立机构的参与，并不断致力于解决后续的担忧。最后，需要认识到，震前、震中和震后的顺序并非是线性的，应该不断修正和改进沟通计划和策略。

文献来源：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

（编译者电子信箱：赵纪东：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。