新疆呼图壁地下储气库的InSAR形变监测与模拟

陈　威　余鹏飞　熊　维　李　杰　冯光财　乔学军

1　中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2　新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市北京南路42号，830011 3　中南大学地球科学与信息物理学院，长沙市麓山南路932号，410083



新疆呼图壁地下储气库的InSAR形变监测与模拟

陈威1余鹏飞1熊维1李杰2冯光财3乔学军1

1中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉市洪山侧路40号，430071 2新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市北京南路42号，830011 3中南大学地球科学与信息物理学院，长沙市麓山南路932号，410083

利用TerraSAR-X卫星2013-08～2014-08的17景雷达影像，采用小基线集(small baseline subset，SBAS)InSAR技术获取呼图壁(HTB)地下储气库(underground gas storage，UGS)运行期间的地表形变序列，并结合UGS注(采)气井口的压力数据，采用多点源Mogi模型，对HTB UGS的形变场进行模拟。结果表明，整个UGS区域的形变特征为非连续分布，形变与注(采)气压力变化具有较好的相关性；注(采)气期间沿卫星视线向(LOS)的形变峰值分别为10 mm和-8 mm；采用自适应前向搜索法，基于多点源Mogi模型初步模拟注(采)气期间的形变过程，当UGS的注(采)气平均气压为18 MPa和15 MPa时，LOS的形变可达7 mm和-4 mm，地表形变的大小与注(采)气井口密度有关；UGS的储气分布呈非均匀状态，即地下气库结构复杂多变。

地下储气库；呼图壁；小基线集InSAR；Mogi模型；地壳形变

UGS在注(采)气期间的应力交变不但会引起储气库盖层地表周期性的呼吸状变形， 而且可能引起储层岩体裂纹扩张，造成断层活化并诱发地震[1]。向地壳深部地层注入流体的过程中，诱发地震的频次及最大震级一般与注入量、注入速率、地层渗透率及地层应力大小正相关，且大部分地震发生在注入过程中，并集中在注入井井底附近的一定范围内[2]。因此，加强UGS的形变监测，将有利于深入了解储气库内部的构造运动特征、储层岩石应力应变状态及地震活动性随注(采)气压力变化的规律等，对确保储气库的稳定、高效运行具有重要的理论和实用意义。

HTB UGS属枯竭气田储气库，是中国目前最大的地下储气库，位于准噶尔盆地南缘(图1)，属北天山山前坳陷，盖层为第四纪超厚沉积物，厚度可达3.1～3.7 km。该区经历了多期构造运动，特别是喜山期，受北天山强烈活动影响，山前区强烈褶皱并伴生一系列大型逆掩断裂，造成深浅层构造差异很大[3]。

虚线粉色框内为地下储气库范围，红色正方形为呼图壁注采气井位，黄色圆点为2013-06～08间的地震分布，蓝色四边形为SAR图像覆盖区域图1　呼图壁储气库DEM地形、断层、井口分布、地震活动及SAR影像概况Fig.1　The general situation of Hutubi gas storage DEM topography，wells，faults，seismic activities distribution and SAR images

2013-06 HTB UGS投入运行。两个月内，其周边发生多次小地震(图1)，打破了该地区地震的平静期。本文基于SBAS-InSAR技术，利用TerraSAR-X卫星2013-08～2014-08的观测数据，对HTB UGS及周边区域开展地表形变的时序分析。在获取LOS形变场的基础上，结合UGS运行期间注(采)气井口的压力变化(表1)，利用多点源的Mogi模型对注(采)气期间的地表形变进行相应的数值模拟，揭示储气库的形变与注(采)气压力变化的关系。

表1　HTB UGS运行期的注(采)气时间及井口压力统计

1　SBAS-InSAR 技术

假定在时间(t1，t2，…，tN)之间获取N+1幅SAR影像，且所有影像均在同一坐标系下。根据设定的时空基线阈值生成M幅干涉图，其中M应满足：

(1)

对满足要求的时空基线阈值的干涉图进行滤波及解缠处理，去除平地相位和地形相位影响，根据影像的相干信息选取高相干点，得到高相干点的相位为：

(2)

为获取有物理意义的形变时序，可用SAR影像两个获取时间之间的平均速度来表示式(2)中的相位：

(3)

则式(2)可表示为：

(4)

将式(4)写成矩阵形式：

(5)

式(5)是M×N的矩阵。应用奇异值分解法(singular value decomposition，SVD)可获平均速度时间序列，最后通过各个时间段内速度的积分可获取形变时间序列。

图2　SBAS空间及时间基线分布Fig.2　Temporal and spatial baseline distribution of SBAS-InSAR pairs

2　 SAR数据选取、处理及时序分析

2.1SAR数据选取与处理

选取2013-08-29～2014-08-27期间的17景TerraSAR-X卫星降轨数据，影像数据的具体参数见表2。利用ISCE(InSAR scientific computing environment)软件处理生成48景垂直基线小于400 m、时间间隔小于3个月的多视差分干涉图。在差分干涉处理过程中，利用3″的SRTM数字高程模型去除地形相位，并用多项式对轨道参数进行拟合以减少轨道误差。为抑制相位噪声，对距离向和方位向分别作4视和12视的多视处理，并采用加权功率谱法对生成的干涉图进行滤波，最后利用SNAPHU程序进行相位解缠。

表2　TerraSAR-X影像基本参数

2.2InSAR时序计算及分析

生成干涉图后，进行SBAS计算和时序分析，对大气延迟引起的干涉相位进行改正。采用Doin等[4]的方法，结合欧洲中期预报中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)发布的气象数据，对HTB UGS地区的大气延迟误差进行改正。采用网络Deramping方法进行轨道误差估计。首先利用最小二乘法对每幅干涉图单独进行轨道误差估算；然后通过线性反演重新估算整个干涉图像网络的轨道参数，以确保一致性；最后将重新估算的轨道参数合并，生成与干涉图像网络一致的轨道改正及每幅干涉图的轨道改正[5]。

为减小因相干性较低引起的误差，选取相干系数大于0.5的点进行时序计算。以2013-08-29为参考时间，最终获取了其他图像2013-10-01～2014-08-27的HTB UGS地表LOS形变时间序列(图3，黑色虚线为UGS，五角星与圆点是两个井口位置)。可以看出，HTB UGS地表形变的隆升或者下沉时间与储气库注(采)气周期基本一致，在1～2月份储气库的采气运行期间，由采气过程引起的地表下沉量可达-8 mm；在夏、秋季储气库注气运行期间，由注气引起的地表隆升可达到10 mm。

提取储气库气井HUK9和HUK19附近点位的形变时序(图4)，并与井压的时间序列进行比对。结果表明，UGS的地表LOS形变与井压变化正相关。在UGS运行期间，从6月左右开始，随着井压增大，地表开始隆升，并随气压的增大达到极值；从冬季开始，随着井压减小，地表下沉，并在2月左右达到极值。

图3　HTB UGS形变时间序列图Fig.3　The deformation time series of HTB UGS

图4　所选点位的形变与井压时间序列图Fig.4　Deformation time series of the chosen ground points

3　形变数值模拟

HTB UGS的注(采)气主要通过26个气井进行控制，因此，将储气库的注(采)气井作为压力点源，注(采)气井口压力数据作为输入，采用多点源的Mogi模型(表3)和自适应前向搜索法[6]，对HTB UGS地区的地表形变进行模拟(图5，圆大小代表半径，颜色代表埋深)。模拟获取的HTB UGS地区的地表形变及残差结果见图6。结果显示，地表形变的大小与注(采)气井口密度有关，在储气库注气期间，储气库地表形变最大可达到7 mm；在采气期间，储气库地表形变最大可达到-4 mm。

图6显示，储气库注(采)气井密度较大地区的残差较小，范围在-2～1 mm，其他地区误差值较大，范围在-4～2 mm，表明模拟研究虽然提取了HTB UGS地区由注(采)气引起的形变，但是一些由局部形变和噪声影响的点无法模拟。

图5　Mogi模型空间分布Fig.5　The spatial distribution of Mogi model

井号埋深/km半径/m井号埋深/km半径/mHUK13.1125HUK143.3150HUK23.2150HUK153.4125HUK33.1175HUK163.4175HUK43.0150HUK173.5175HUK53.1125HUK183.6175HUK63.1175HUK193.8150HUK73.2125HUK203.6125HUK83.3175HUK213.5175HUK93.5175HUK223.3150HUK103.4150HUK233.5125HUK113.2175HUK243.6125HUK123.3150HUK253.4150HUK133.3175HUK263.2150

图6　Mogi模型模拟结果与残差(红色正方形为注(采)气井位)Fig.6　Residual result and simulation surface displacement based on Mogi model (red squares are gas ingection wells)

4　讨　论

在SBAS-InSAR数据处理中，考虑轨道误差、DEM误差和大气延迟误差等因素对HTB UGS地表形变的影响。首先采用多项式模型在SAR影像干涉处理过程中初步改正轨道误差，并在SBAS时序分析过程中利用网络Deramping方法消除残余的轨道误差。DEM误差对地表形变量的影响与空间基线、卫星入射角和斜距有关，当空间基线小于400 m时，利用TerraSAR卫星数据和SRTM3 DEM 可以获得的精度优于2 mm。Emardson等[7]通过Stacking方法处理长时间序列的SAR数据，可以获取1 mm/a的形变。Doin等[8]在Emardson等的基础上定量给出了大气对流层延迟误差的影响，获得改正后的大气延迟误差残差精度优于2 mm/km。本文利用Doin等的方法，结合ECMWF的气象数据，对HTB UGS地区的大气延迟误差进行改正。

InSAR时序结果表明，UGS运行初期，虽然气压与形变存在正相关，但形变量较小，这可能是因为衰竭气田改建的UGS在第一个注采气周期处于残余油气、水汽和注入气体等混合动态平衡过程，而这种混合程度影响储气库产水量和体积变化速率。同时，在UGS运行初期，其盖层岩性(如孔隙度、渗透率、抗压强度、抗拉张强度等)均处于良好状态，不易造成应力积累和体积变化[9]。因此，相同的气压条件下，在UGS投入运行的初期，形变量较小(图4)。整个UGS的形变幅度从注(采)气井密集的储气库中心区域向四周逐渐变小，且储气库周边区域大部分表现为下沉，尤其是储气库东侧区域下沉幅度较大。这可能是由于HTB气田开发钻井大部分集中在此区域，且该区域岩性以粉砂岩、粉砂泥质岩和泥质粉砂岩为主，储气层层间非均匀性强，地层富含的敏感矿物容易与水、酸等流体产生化学反应生成沉积物[10]。 另外，HTB UGS地处天山北麓冲洪积平原中下游农灌区，属于地下水严重超采区，位于地下水“降落漏斗”地带，其漏斗中心水位下降6～23.25 m[11]。

Mogi模型获取的注(采)气井埋深范围为3.1～3.7 km，与地球物理方法测井技术所得井口埋深范围一致，模拟的储气库总容量为45.35亿m3，与生产容量45.6亿m3相符[12]。Mogi模型是基于理想弹性半无限空间的结果，而HTB UGS地区地质构造复杂，多为层状不均匀介质，模拟结果必然存在一定误差。形变残差图(图6)表明，储气库埋深较大的注(采)气井集中区域的形变模拟具有较高精度，而储气库外围区域的残差较大，验证了Mogi模型适用于埋深比较大的腔体区域[13]，也说明了基于简单假设的Mogi模型难以模拟整个区域的形变，因此，需要建立以地震地质、地球物理及储气井的压力与气量等参数为约束的地质力学模型。

5　结　语

本文利用2013-08～2014-08观测的17景TerraSAR-X卫星雷达影像，采用SBAS-InSAR技术获取了HTB UGS的地表LOS形变序列。在UGS运行初期，由于储气库盖层岩性(孔隙度、渗透率、抗压强度、抗拉张强度等)尚处于“静稳”状态，不易造成应力积累和体积变化，随着UGS注(采)气的正常运行，地表形变与UGS注(采)气气压密切相关。UGS的储气分布呈非均匀状态，即地下气库结构复杂多变，需要进一步融入GPS、精密水准和重力测量等结果，并建立精细的地质力学模型，以更好地揭示UGS内部结构并研究其形变机理。

[1]Shapiro S A, Dinske C, Kummerow J. Probability of a Given-Magnitude Earthquake Induced by a Fluid Injection[J]. Geophys Res Lett, 2007,34(L22 314)

[2]McGarr A, Spottiswoode S M, Ortlepp W D. Relationship of Mine Tremors to Induced Stresses and to Rock Properties in Focal Region[J].Bull Seism Soc Am, 1979,65(9):81-93

[3]陈立春. 北天山乌鲁木齐转换区构造系晚第四纪活动性[D].北京：中国地震局地质研究所, 2011(Chen Lichun. Late Quaternary Behavior of the Active Tectonic System in the Urumqi Transform Region of the North Tianshan[D].Beijing: Institute of Geology, CEA, 2011)

[4]Doin M P, Lasserre C, Peltzer G, et al. Corrections of Stratified Tropospheric Delays in SAR Interferometry: Validation with Global Atmospheric Models[J]. J App Geophys, 2009，69(1):35-50

[5]Biggs J,Wright T, Lu Z, et al. Multi-Interferogram Method for Measuring Interseismic Deformation: Denali Fault, Alaska[J].Geophysical Journal International, 2007, 170(3): 1 165-1 179

[6]周晖, 徐晨, 邵世煌，等.自适应搜索优化算法[J].计算机科学, 2008, 35(10): 188-191(Zhou Hui, Xu Chen, Shao Shihuang, et al. Adaptive Free Search Algorithm[J].Computer Science, 2008, 35(10): 188-191 )

[7]Emardson T R, Simons M, Webb F H. Neutral Atmospheric Delay in Interferometric Synthetic Aperture Radar Applications: Statistical Description and Mitigation [J]. J Geophys Res, 2003, 108(B5)

[8]Doin M P, Grandin R, Lasserre C, et al. Demcor-Rections before Unwrapping in a Small Baseline Strategy for InSAR Time Series Analysis[J]. Geoscience and Remote Sensing, 2011, 69(10): 1 353-1 356

[9]Jha B, Bottazzi F, Wojcik R, el at. Reservoir Characterization in an Underground Gas Storage Field Using Joint Inversion of Flow and Geodetic Data[J]. Int J Numer Anal Meth Geomech, 2015, 39(14): 1 619-1 638

[10] 张明, 赵金省. 呼图壁气田储层地质特征分析及潜在伤害因素研究[J].石油天然气学报, 2008, 30(5): 189-193(Zhang Ming, Zhao Jinsheng. Analysis of Geological Characteristics and Potential Damage Factors of Reservoir in Hutubi Gas Field[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2008, 30(5): 189-193)

[11] 杨宏伟, 朱瑾. 准噶尔盆地南缘平原区地下水动态及地下水资源可持续利用对策[J].新疆地质, 2012,30(3):350-354(Yang Hongwei, Zhu Jin. The Groundwater Dynamic and Sustainable Utilization Countermeasures of Groundwater Resources in Southern Plain of Junggar Basin in Recent 30 Years[J]. Xinjiang Geology, 2012,30(3):350-354)

[12] 曹锡秋. 新疆某地衰竭气藏地下储气库地应力特征研究[D].北京：中国地质大学(北京), 2013(Cao Xiqiu. Study on In-Situ Stress Characteristics of Underground Gas Storage in a Depleted Gas Reservoir in Xinjiang[D]. Beijing: China University of Geosciences(Beijing), 2013)

[13] 胡亚轩, 施行觉, 王庆良,等. 腾冲火山区地表垂直形变分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2003, 23(2): 37-41(Hu Yaxuan, Shi Xingjue, Wang Qingliang, et al. Analysis of Vertical Deformation in Tengchong Volvanic Area [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2003, 23(2): 37-41)

Foundation support:National Natural Science Foundation of China,No.41474097, 41274027,41474016,41574005; Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No.IS201326129,IS201116013.

About the first author:CHEN Wei, postgraduate, majors in InSAR deformation monitoring and geodynamics, E-mail: chenweicug@126.com.Corresponding author:QIAO Xuejun, PhD, researcher, majors in InSAR and GNSS deformation monitoring and geodynamics, E-mail: xuejunq@sohu.com.

InSAR Deformation Monitoring and Simulation of Underground Gas Storage in Hutubi, Xinjiang

CHENWei1YUPengfei1XIONGWei1LIJie2FENGGuangcai3QiaoXuejun1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 42 South-Beijing Road， Urumqi 830011, China 3School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, 932 South-Lushan Road， Changsha 410083, China

In this paper, 17 scenes TerraSAR-X radar images acquired from August 2013 to August 2014 are used by the small baseline subset (SBAS) InSAR method to obtain the surface deformation series

during the operation of underground gas storage (UGS) in Hutubi (HTB). We combine these data with data from injection/production pressure wells, using multi-point source Mogi model to simulate the deformation field of UGS in Hutubi. The results show that the deformation characteristics of the whole UGS area is a discontinuous distribution, and the deformation peak value along satellite line of sight (LOS) is 10 mm and -8 mm during gas injection and gas production respectively. The retrieved deformation sequences conform to injection/production pressure changes very well. Based on the multi-point source Mogi model, we simulate the deformation process of HTB UGS and apply an adaptive forward search method to obtain the radius and depth of point source. The simulated results indicate that when the injection/production average pressure of HTB UGS is 18 MPa and 15 MPa, LOS deformation is up to 7 mm and -4 mm respectively; surface deformation is related to the density of gas injection/production wells. The UGS gas distribution is not uniform, indicating that the structure of underground gas storage is complex.

underground gas storage (UGS); Hutubi; small baseline subset (SBAS) InSAR; Mogi model; crustal deformation

2016-04-29

乔学军，博士，研究员，主要研究方向为GNSS与InSAR形变监测与地球动力学，E-mail：xuejunq@sohu.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.011

1671-5942(2016)09-0803-05

P237

A

项目来源：国家自然科学基金(41474097,41274027,41474016,41574005)；中国地震局地震研究所所长基金(IS201326129,IS201116013)。第一作者简介：陈威，硕士生，主要研究方向为InSAR形变监测与地球动力学，E-mail：chenweicug@126.com。