自贡地区工矿注采与地震相关性研究

蒋 斌，陈文康，宋俊，陈 祥

(1.自贡市防震减灾局，四川 自贡 643000；2.自贡市万桥盐矿公司，四川 自贡 643000)

自贡地区工矿注采与地震相关性研究

蒋 斌1，陈文康1，宋俊2，陈 祥2

(1.自贡市防震减灾局，四川 自贡 643000；2.自贡市万桥盐矿公司，四川 自贡 643000)

四川自贡地区是中强震易发区域，地震主要分布在区域内地质构造高点，而这些地方又多是岩盐、天然气等资源的开采区。依据研究区丰富的地质及钻测井资料和地震监测、工矿注采数据，进行分区对比研究：Ⅰ区为自流井背斜盐矿采盐注水区，注水井深度约1 200 m，较小的地震活动与盐矿加压注水有较好的对应关系，而较大的地震活动与注水压力和注水量关联性不高，部分显著地震发生前，盐矿溶腔会出现突发漏失现象，这类信息为地震短临预报提供了较好的依据。Ⅱ区为黄家场背斜天然气废水回注区，注水井深约2 700 m，从开始注水到溶腔饱和，注水区域无地震活动，加压注水后，地震大幅增多。对比两个研究区，废水回注区比盐矿注水区深度相差1 500 m，废水回注区断裂发育，在相同井口压力下，注水增加压力高出约12 MPa，更易诱发地震活动。

诱发地震；井口压力；注水压力；注水量漏失；自贡

自贡地处四川盆地东边界华蓥山断裂带中南段，是全国著名的城市直下型中强地震多发区，地震活动具有震源浅、烈度高、灾害重、损失大、地震重复概率较高的特点；又因地下蕴藏盐矿、天然气、煤等多种资源，盐矿和天然气开采已有1000多年历史，工矿注采与地震的相互关系一直以来都引起地震部门的高度重视。

在一些前人研究注水与地震相关性的文献中，主要是把注水井井口压力变化作为注水压力来开展分析的，忽略了静水柱压力(即从井口到注水目的层位水柱压力)，如注水井深度为1千米，海水的密度按1.03×103kg/m3(因注水为高矿化度废水，在此以海水密度近似计算)，重力加速度g取10 m/s2，对应静水柱压力P=10.3 MPa ;事实上，注水压力=注水井井口压力+静水柱压力，因此在研究深井注水压力时，井的深度不能被忽略，更不能把注水井口压力等同于实际注水压力来分析研究井下注水目的层位。

本文在综合利用石油地质部门地质、物探和钻测井资料，结合自贡地区地震活动性、显著地震事件特征，对自贡地区工矿企业注采进行了分区对比研究，探究自贡地区工矿注采与地震相关性，以期为地区地震分析工作和工矿注采矿山安全治理提供参考。

1 区域地震地质特征

1.1 大地构造背景

自贡地区(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)位于四川盆地南部川中隆起带，大地构造位置处于扬子准地台四川台坳内，石油部门早期探井自深1井钻至震旦系上统地层，井深5 535.5 m，揭示出自贡地区结晶基底深度约在5～6 km，岩石地层柱状简图部分如图1所示[1](据四川省聚酯工程厂址地震安评报告改绘)，辖区内中生代地层自流井凹陷在印支运动后沉积了巨厚的侏罗系、白垩系地层，石油物探部门人工地震资料及自贡地区区域地质调查等文献显示凹陷内的褶皱多为北东向短轴穹窿或鼻状背斜，其背斜轴部附近常发育一些同生的小断裂[1，2]。距离自贡最近的深大断裂华蓥山断裂带中段部分通过自贡市富顺县，该断裂带是四川盆地内的一条有分划意义的构造带，东南侧为川东南坳褶带，西北侧为川中隆起带。该构造带是自贡地区沉积主要物源区[3](图2)。

图1 自贡地区岩石柱状简图

1.2 自贡地区地质及矿产资源开采慨况

LRF.：龙日坝断裂；MJF.：岷江断裂；HYF.：虎牙断裂；MWF.：茂汶-汶川断裂；BYF.：北川-映秀断裂；PGF.：彭灌断裂；PXF.：蒲江-新津断裂；LQF.：龙泉山断裂；HYSF.：华蓥山断裂.；DLF.：大凉山断裂

区域背斜构造分布自西北向东南方向依次有威远背斜、自流井背斜、兴隆场背斜、邓井关背斜、青山岭背斜和螺观山背斜。因二叠系、三叠系岩层主要是海相、海陆交替沉积环境，上覆侏罗系岩层属陆相沉积环境，具有良好的生储盖组合；盐矿、天然气资源主要储藏于该区背斜构造区域内。开采情况：(1)盐卤开采方面：自流井构造开始采卤制盐距今已有1700年。分为卤水开采和固体盐矿开采，其中自贡地区卤水开采主要集中于自流井、邓井关、兴隆场等三个背斜构造区域；固体盐矿开采为长山盐体、郭家坳盐体、大坟包盐体、大山铺盐体[1]，1990年代后，由于资源开采耗竭，卤水开采和部分固体盐矿开采已停产，当前仅有长山盐矿和万家桥盐矿正在开采。(2)天然气的分布及开采方面：自贡地区地下天然气主要储集于背斜构造圈闭中，分为工业气藏和浅层低压气藏两种类型。其中工业气藏产气层位主要为三叠系嘉陵江组和二叠系下统阳新灰岩地层中，由川庆钻探公司(原四川石油管理局)勘探开发。浅层低压气藏主要是由自贡市盐业部门气卤同采或就地开采利用。

1.3 2000年以来区域地震活动情况

自2000年以来至2015年4月30日，自贡地区(104°～105.3°E， 28.8°～29.7°N)共发生ML≥1.0级地震3 744次，其中ML：1.0～1.9级3 118次；2.0～2.9级地震541次；3.0～3.9级地震72次， 4.0～4.9级地震12次，5.0～5.9级地震1次。最大地震是2012年11月11日发生在内江市隆昌县的ML5.0级地震。自贡及邻区ML1.0级以上地震活动主要分布在地处自贡北东自流井背斜构造的大山铺附近、内江市隆昌县圣灯山背斜构造区域(蜀南气矿隆昌作业区)、内江市隆昌县与自贡市大安区交界的黄家场背斜构造区域(蜀南气矿自贡作业区)。

自1896年到现在的一百多年时间里,自贡及其边界地区共发生中强破坏性地震10次，其中M：5.0～5.8级地震5次，平均10余年就有1次破坏性地震发生，这10个中强破坏性地震中有7个位于自流井背斜构造区域及附近。最大地震是1896年发生在自贡沿滩区的5.8级地震，震中烈度达到Ⅶ度强。最近1次中强震为2008年10月10日M4.1级地震，地点位于团结镇、大山铺镇一带。

2 自贡地区工业注采与地震相关性分区分析

本文将按照前述注水井注水压力的计算方法，根据自贡地区区域地质构造、地震活动情况、显著地震事件和工业注采特征，将自贡地区进行分区研究(如图3)：Ⅰ区为自流井背斜构造区域(盐矿加压注水采盐)，Ⅱ区为自贡市大安区牛佛镇与内江隆昌黄家场交界区域(天然气废水回注)。

2.1 Ⅰ区自流井背斜构造区域

自贡大山铺万家桥岩盐矿区位于自流井构造背斜东端南冀，矿区地表出露侏罗系中统沙溪庙组(J2xs)地层。钻井揭露地腹地层自上而下为三叠系须家河组(T3Xj1-6)，雷口坡组(T2l1-3)及嘉陵江组(T1j5-T1j4-3)地层，未钻遇断层，万家桥岩盐矿体埋深在1 241.12～1 335.20 m，盐岩体为三叠系嘉陵江组4段，开采工艺为水溶水举法。

盐矿所处自流井背斜构造区域，一直以来都是自贡地区中强震的主要发震构造区域，据钻井、物探资料，自流井背斜构造地下隐伏断层主要发育在中生代二叠系和三叠系岩层中，又称为长岩断裂，长约10 km，沿近背斜轴向呈雁行排列，图4为自贡自流井背斜构造大山铺一带三叠系地下隐伏断裂分布情况，实线为钻井岩芯证实，虚线为人工地震勘探。1990年代后期，大山铺盐体盐卤开采结束，久大盐业公司长山盐矿在自贡北东大山铺长岩断裂附近进行废水回注，于2009年前后停止在该区域内注水，因缺断层附近废水回注数据，本文仅通过对万桥盐矿2013年以来注采数据进行分析处理，结合地震监测数据，绘制万桥盐矿注水量、输卤量、注水前排管压力与地震M-T关系图(图5)。小震活动与采盐加压注水存在一定对应关系；2013年12月23日自贡北东大山铺一带ML3.1级震群发生后，井下注水漏失量大增，注水压力出现突降，注水井井口压力呈现起伏变化，盐矿为保压，注水量在1月19日至20日期间达到了5 000 m3/天，约为平均注水量的5倍。2014年以来，自贡鸿鹤化工等企业不景气，化工生产近停止状态，对盐卤的需求量非常低，大山铺万桥盐矿公司进行保压注水以维持溶腔压力，2014年7月11日M3.6级地震发生之前，盐矿注水前排管压力在2014年7月7日，突然下降，出现注水大量漏失现象，2014年7月9日，盐矿进行现场巡视，7月11日发生地震，注水前排管压力持续下降，到7月29日下降至0，注入地下水全部漏失，期间盐矿注水管线并无穿孔或损害；盐矿注入地下水维持地层压力，大量漏失是由2014年7月11日M3.6级地震引起的形成地下裂缝。盐矿于7月29日采取注水后，压力逐渐恢复正常。分析认为，M3.6级地震发生前，地下岩层受应力作用发生初级破裂，引起注水量的漏失异常，这类异常可能与构造区域内一些较大地震的发生存在相互关系，可为地震短临预报提供信息。为继续加强跟踪研究，自贡市防震减灾局与万桥盐矿相关工作人员进行了深入交流，并达成一致意见，签订了协作协议，新增万家桥盐矿为地震群测网点，加强生产数据与地震信息的交流。

图3 2000年至2015.04.30日自贡地区地震分布及研究区

图4 自流井构造东南翼三叠系地下断裂构造

图5 万桥盐矿2013.8-2015.5.30注水压力、注水量与地震M-T关系图

图6 家33井废水回注与地震关系图(2007～2010)

2.2 Ⅱ区自贡大安与内江隆昌交界地区

自贡大安与内江隆昌交界地区在2009年1月至2010年9月期间，突发震群活动，共记录到地震8 593次，最大地震是2009年2月16日ML4.4级地震，次大地震是2009年5月22日ML4.2级地震。数字地震学方面的相关研究表明：家33井所在的区域绝大多数地震深度集中分布在2～6 km，小震震源深度较浅；深度h≤3 km的地震占地震总数的73.1%[3]，地震记录情况见图6。而该区域历史上并无显著中强震活动，小震活动也很少，1993年至2008年5月期间，牛佛镇半径15 km范围内共发生地震68次，最大地震为2.8级。面对突发的震群活动，四川省地震局和自贡市防震减灾局在原有固定台站的基础上新建了5个流动台站进行地震加密观测。黄家场背斜构造带内有一口天然气废弃井家33井，为蜀南气矿自贡作业区天然气生产井采气伴生工业废水回注井，井深约2 500 m，井底产气层位为二叠系茅口组岩层，地表岩层被NW走向的牛佛渡逆冲型断层斜切，地下产气岩层断裂发育。笔者通过对前人收集到的生产数据进行分析整理，结合油气田高注水井下压力计算相关理论和地震监测数据分析，绘制了气矿废水回注注水量、注水压力与地震活动性图(图6)，自2006年以来，蜀南气矿已开始将自贡作业区与隆昌作业区其他天然气生产井开采中的伴生废水回注于家33井中，2006年至2009年1月12日期间，因废弃天然气井溶腔未饱和，注水井井口增加压力为0(处于非加压注水状态)，随着高矿化度的废水不断注入，地下溶腔逐渐饱和，为使高矿化度废水继续注入，气矿于2009年1月13日开始持续加压注水，注水井井口增加压力最高达到近6 MPa。又因该井井深约2 500 m，采用海水密度计算静水柱压力近似为25.75 MPa。注水井底压力最高约为31.75 MPa，在加压注水过程中，区域突发震群活动。相比盐矿加压注水区域地震活动性而言，地震频次高，强度大。2009年2月16日，区域内发生最大ML4.4级地震，该地震发生前的2月11日至2月16日期间，注水井井口增加压力从2.7 MPa突然降至1.38 MPa，注水量维持在约400 m3/天，反映出该地震在发生前，地下岩层有初级破裂现象的发生，导致溶腔出现了快速漏失现象。

自贡市防震减灾局通过与气矿进行沟通交流，要求企业采取分散减压或转移注水，企业在采取上述措施后，2010年10月至今，该区域地震活动频次骤减、强度降低，恢复到少震、零星小震的水平。

3 认识与讨论

在上述分区研究中，自流井背斜构造一带小震活动与盐矿加压注水有较好的对应关系，然而突发震群和较大地震活动前，注水压力和注水量并不高，分析认为自流井背斜构造一带中强震活动主要与区域所处特定的地震地质背景密切相关，由岩石地层受构造应力积累所致；部分突发震群和显著地震发生前后，引起注水量的漏失。考虑到盐矿注采中的生产异常情况，可能与构造区域内一些较大地震的发生存在相互关系，可以为地震短临预报提供信息，自贡市防震减灾局与万桥盐矿公司建立了协作机制，进行数据交流，为地震分析预报和盐矿矿山安全生产提供参考。

盐矿加压注水，采盐井口增加压力在3～4个MPa时并没有引起区域内中小地震密集活动，而天然气废水回注家33井附近区域，却在注水井井口增加压力加压注水至3 MPa时，出现突发密集震群活动，甚至诱发ML4.4级地震；主要因素：一是地质构造条件方面，家33井为天然气采空井，注水所处岩层断裂发育，而万桥盐矿注水井所在区域，据钻井资料显示，未钻遇断层，而且注水目的仅为注水溶盐；二是因为二者井深不一样，家33井井深超过万桥盐矿注水井井深约1 200 m，注水压力中静水柱压力部分高出约12 MPa。因此，对深井加压注水要开展区域对比，首先要考虑注水目的层所在区域的地质构造特征，其次必须采用注水压力进行计算研究，而不能仅通过注水井井口增加压力变化进行不同区域、不同井况的对比分析。

自贡地区早期采用无压注水溶盐方法采盐，注水不易向地下深处渗透，诱发中强构造地震的可能性较小，近年来，随着工艺的改进，若采取高压注水方法采盐、断裂带高压废水回注则可能导致局部断裂构造易于活动，从而诱发一些构造地震，同时应注意随着采空区的扩展对顶板岩层稳定的影响；因此建议生产单位加强与地震部门协作，共享数据，合理调整注水井的注水压力。

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Possible connection between water injection in salt mine and seismic events in Zigong region

Jiang Bin1，Chen Wenkang1，Song Jun2，Chen Xiang2

(1.Earthquake Prevention and Disaster Reduction Administration of Zigong City,Sichuan Zigong 643000;2.Wanqiao Salt Mine Company of Zigong City, Sichuan Zigong 643000, China)

Zigong City is an area of medium-strong earthquakes in Sichuan Province. Most of earthquakes occurred around the high points of the geological structure. At the same time Zigong is rich of salt mines and natural gas. Based on the observatory data of the geological drilling, water and gas wastewater injection and seismic monitoring, we divide the research areas into two kinds of areas. The area one is the region of injection with water and the area two is the region of injection with natural gas wastewater. We compare earthquakes occurred in two areas. The area one is an anticline region in geological condition where water injection is often carried out. The depth of water injection is about 1 200 meters. Small magnitude earthquake activities are well relative to the water injection but the large magnitude earthquakes are not. So we think that some of character earthquakes may result from the liquid leaking in a salt cavity. The area two is also located in an anticline region around where there are many geological faults. The wells in these areas are injected with natural gas wastewater. The depth of the most of injection wells is about 2 700 meters. It is 1 500 meters deeper than that of the well injected with water. From the beginning to the ending of injection with natural gas wastewater, there are not earthquakes. But after more natural gas wastewater are injected into well with high pressure of 12 MPa, the number of earthquakes increases quickly.

induced earthquake; well pressure; injection pressure; water leaking; Zigong City

2015-07-13

蒋斌(1982-)，男，四川省南充市人，主要从事石油地质、地震地质和地震监测分析研究.E-mail：since1969@qq.com

P315.33

A

1001-8115(2015)04-0001-06

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.04.001