基于高精度时变微重力方法研究呼图壁储气库地下介质密度变化特征

刘代芹 玄松柏 陈 石 艾力夏提·玉山 李 杰 王晓强 李 瑞

1)中国科学技术大学，地球和空间科学学院，合肥 230026

2)新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，乌鲁木齐 830011

3)中国地震局乌鲁木齐中亚地震研究所，乌鲁木齐 830011

4)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 830011

5)中国科学院上海天文台，上海 200030

6)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

天然气作为环保、经济、热效率高的能源已被世界各国作为重要能源产品之一，各国对天然气的需求量不断增加，天然气在一次能源消费中所占的比例也越来越大。在天然气开采、运输、存储和消费的过程中，存储是关键的一环。目前，地下储气库(Underground Gas Storage，UGS)作为一种人工气田或气藏，能够按市场需求或政策导向灵活解决天然气的供需矛盾，因此成为能源工业化产业链中的重要组成部分。据统计，目前世界范围内投入使用的地下天然气储气库就达600多个(王亮，2013； 尹虎琛等，2013)。地下储气库在注采气过程中随着内部气体的充盈和亏损会产生介质密度变化和压力差。有研究表明，储气库腔体内岩石的构造应力会随着内部气压的周期性峰、谷值变化打破平衡状态，出现地表随气压变化“呼吸”变形的现象，这种变化还可能导致UGS腔囊周边的围限断层发生属性上的变化，如活动速率、倾角和闭锁状态等，最终诱发地震(崔振东等，2011)。

针对呼图壁UGS的研究除地应力模拟分析外(曹锡秋，2013)，相关形变监测研究起步较晚。近年来，王迪晋等(2016)、Qiao等(2018)利用GPS及InSAR数据开展了储气库地表形变研究，李杰等(2016)利用二等水准测量研究了储气库随气压变化而出现地表隆升的机理，但其他相关研究成果为数不多。而在UGS运行过程中，当注采压力发生变化时往往伴随地表形变，表明气藏内部气压与地表形变具有一定的相关性。但关于气压变化是否导致气藏内部体积、介质总储量、密度和应力发生变化，而前者又如何对应力、应变分布产生影响，目前仍鲜有研究报道(Takumietal.，2009； Castellettoetal.，2010； Teatinietal.，2011)。现今已知呼图壁储气库的地表形变量值、气井井口压力变化和微地震分布等(李杰等，2016； 苏金波等，2016； 王迪晋等，2016)，但对于井压—介质密度—应力—形变的变化过程，目前尚属探索研究阶段。通过压强、气体总量、密度等参数得到气藏内部的应力分布状况，将正演得到的形变过程与直接测量得到的形变量进行比对，开展UGS安全性运维评价，具有极大的现实意义。

重力场作为最基本的地球物理场，其动态的时间变化可为研究地壳深部结构与性质提供重要的观测信息。微重力测量的探查对象引起的重力效应以微伽级的数值度量。以20世纪80年代美国Lacoste型重力仪为代表的相对重力仪的出现，使得研究重力场的时间变化成为可能(王谦身等，1995)。诸多学者的相关研究表明，地震的发生往往伴随着一定程度的重力场变化，尤其是对于汶川8.0级地震、芦山7.0级地震等由典型逆冲型发震构造活动导致的地震而言，由于闭锁微弱，震前的形变量无法通过传统的GPS或其他手段感知，而这种高应力集中变化却能被高精度的重力测量所捕捉(申重阳等，2009； 祝意青等，2009，2013，2015； Zhuetal.，2010； 陈石等，2011，2014)。周期性重力复测得到的重力场动态变化可反映壳内介质的“时间—空间—强度”状态变化，而集、采气过程中发生的压力变化能够导致地表变形和气体密度变化，这一过程同样可以被高精度重力测量所感知。本文将采用微重力信号研究模拟计算呼图壁储气库地下介质密度变化以及重力与注采压力之间的响应关系。

本文从微重力综合观测技术出发，依托绝对重力、相对重力测量，结合储气库地区各井注采压力的变化，开展地下介质密度物性随气田内部气压变化的相关性研究，获取呼图壁储气库内部的质量源特征参数，揭示壳内介质显著形变与重力变化之间的响应关系，通过重力场变化研究地震孕育过程中的壳内“变形—密度—重力”之间物理场的耦合机理，从而深入分析储气库地表的隆升幅度和边界围岩的稳定程度，对诱发地震开展相关性研究，为储气库安全运维提供风险评估依据。

1 呼图壁储气库重力监测网的基本情况

2013年前后，“呼图壁计划”在天山北麓正式启动，旨在研究天山地区地下介质变化及地震机理的“地下明灯”就此点亮。呼图壁地下储气库于2013年6月开始投入使用，为了获取重力变化、地下介质与注采气压力变化之间的响应关系，新疆维吾尔自治区地震局于2013年11月以储气库东侧井位密集区域为主要研究对象，以呼克19井为中心布设了13个重力观测墩，呈十字交叉形组成监测网(图 1)。重力观测路线采用各点往返的策略进行闭合观测，同时对东、西、南、北4个顶点进行了联测，十字形相对重力观测网中4个顶点的相互距离为SE 2km、NW 2km、NE 4km、SW 4km，2个观测墩之间的平均距离为0.8～1.0km(图 1)。其中，南北测线横跨储气库的2条边界断层，即呼图壁北断裂与呼图壁断裂。同时，为了更好地研究储气库区压力与重力变化间的关系，将其中4个观测墩设置于采注直井旁，即HK19(呼克19井)、HK21(呼克21井)、HK22(呼克22井)和HKP4(呼克1井)。

图 1 呼图壁地下储气库重力监测网Fig. 1 Gravity monitoring network of Hutubi underground gas storage.

2 数据观测与处理

3 呼图壁储气库重力场变化特征分析

图 2 呼图壁地下储气库的重力场变化图像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

整个测区的重力变化存在明显的分区特征。呼图壁断裂以南储气库外部的区域重力变化较小，储气库区内的重力有交替性增减的变化趋势，尤其是库区内的东侧，该地区的重力变化表现出明显的春季减小、秋季增大的变化特征，这是由于库内天然气经过冬季的大量输出，直到当年3月左右库存降至最低，使得储气库内部的应力处于最小值，地下介质密度也随之变化。储气库外侧以北的农田地区重力变化幅度最大，变化特征与储气库内部测点相反，即春季重力值增大、秋季重力值减小，这是由于库体内部的压力减小，根据构造应力均衡特性，导致库体外的构造应力也有所调整。

4 呼图壁储气库的注采压力与重力变化的关系

呼图壁储气库注采气主要随季节变化，即冬季为采气阶段，夏季反之。查阅相关文献(张怀文等，2015)可知，该储气库自2013年6月9日开始注气，日注气总量达1123×104m3，截至当年10月，累计注气12.09×108m3； 2014年3月16日呼图壁储气库采气阶段结束，总采气量为2.67×108m3。2014年4月11日，呼图壁储气库启动注气工作，至当年10月14日结束，累计注气量为17.68×108m3。2015年1月，随着冬季用气高峰的到来，呼图壁储气库积极发挥应急调峰作用，日采气量达753×104m3。

相关资料和重力计算结果表明，储气库内部测点的重力变化与气井注采气压力变化密切相关。根据地壳应力均衡特性，当库体内部的压力趋于增加或减小的变化过程时，库体外的应力也将相应调整。注入储气库的气体扩散到库体岩石及其空隙之中，将对岩石产生一定的压力作用，使地下库体的介质密度发生不同程度的改变，最终引起储气库区域内地表测点的重力值发生变化。分析整个注采压力和重力变化时序图(图 3)可知： 2014年2月，呼图壁储气库的注采压力为整个储气库注采压力的最低值，即15MPa，该时间段内对应的重力呈现出正变化，变化量约为10×10-8m/s2； 2014年10月，储气库的注采压力为峰值状态，达27MPa，而此时储气库地表各测点的重力变化呈分区态势，储气库西侧重力呈现负值变化，变化量为10×10-8m/s2，东侧重力呈现正值变化，说明此阶段的注气工作并非是同时且均匀地开展，而是分时段、分批次进行注气。通过整体分析可以清楚地看出，储气库内部测点的重力变化与气井注采气压力变化基本呈正相关。在储气库注气期间，库区内部测点的重力值也随之增大； 在储气库采气期间，库区内部测点的重力值呈现减小趋势。但个别监测点的重力变化与各气井的注采压力变化并不一致，其主要原因可能与该地区地下水开采以及地质构造分布特性有关。

图 3 储气库测点重力与注采压力的时序变化图Fig. 3 Time series variation diagram of gravity and injection-production pressure.a 储气库井口注采压力的时序变化图； b 储气库测点重力的时序变化图

5 储气库地下介质的密度变化特征

本文利用在地表观测的多期流动重力变化数据，采用可约束异常体的最小体积、探寻地下密度变化及异常体空间分布的Compact Gravity Inversion(简称CGI)算法(Lastetal.，1983； Barbosaetal.，1994)对研究区地下介质的密度变化进行研究。重力反演在深度上具有一定的多解性和不确定性。本研究在计算过程中加入了深度加权函数的约束(Lietal.，1998； Chasseriauetal.，2003)，以消除和减弱多解性和趋肤效应。

5.1 计算方法

本文所采用的CGI方法的基本原理为： 定义观测值与模拟计算值方差最小的目标函数，并引入深度加权和模型平缓度原理。目标函数的表达式为

(1)

其中，Wm=QRm，Rm为模型平缓度矩阵表达式，即由3个不同方向的相邻棱柱体的密度变化之差构成的矩阵；μ为拉格朗日算子(μ>0)，其可控制迭代过程中的计算值与观测值之间的拟合程度；Q为深度加权矩阵，由式(2)给出：

(2)

一般情况下，1.5<β<2(Lietal.，1998； Boulangeretal.，2001)。为求解目标函数式(1)的最小化问题(P)=min，令(∂Φ(P))/(∂PT)=0，则：

(3)

通过线性方程式(3)可获得密度变化修正量P，对修改后的初始模型进行多次迭代，直到满足收敛条件为止。

5.2 模拟结果的可靠性分析

图 4 最终模型的残差统计图Fig. 4 Residual statistics of the final model.

图 5 呼图壁地下储气库的介质密度变化图像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 呼图壁地下储气库密度变化特征分析

本文基于文献(张怀文等，2015)和前期搜集的资料获得的该储气库气藏的中部深度为3585m，而从2013—2016年的重力资料模拟计算结果来看(图 5)，储气库介质的地下密度变化的最佳深度约为3500m，此结果与呼图壁地下储气库的气藏深度基本吻合。且搜集到的现有资料仅给出了储气库的平均深度，但从密度变化图像(图 5)可清晰地看出呼图壁地下储气库本身呈不规则形态，由于库体内部应力的不均匀性，使得该储气库的介质在不同深部的密度变化也不同，引起这一结果的主要原因是不同时间段储气库注采压力差异。可见，通过重力资料可以清晰地反映出地下储气库的形态及介质密度随注采压力响应的变化全过程。

比较图5d 和5e 可知，这2个时间段内的地壳密度变化反演结果差别较大，该现象可能与2016年12月8日呼图壁6.2级地震的发生密切相关。该地震的震中距离储气库不到50km，在地震发生之前，储气库及周边地区受到了不同程度的构造应力作用，也使该地区的地壳物质密度受到较大影响，而呼图壁储气库因注采压力引起的重力变化与该地震构造应力引起的物质运移的程度相差较大，导致2015年10月—2016年3月储气库内部的密度变化程度明显增强。随后，在2016年10月前后，该地区周围的构造应力得到松弛，使得重力场出现反向调整，随即发生了呼图壁6.2级地震。由此推断，该地震可能是造成上述2个时段内密度变化差异较大的主要原因。

6 呼图壁地下储气库的静态结构反演

本文搜集的相关资料及通过实测重力数据得到的密度反演结果均显示，呼图壁地下储气库的最大深度约为3.5km。为了更清晰地了解储气库地下结构形态，本文基于布格重力异常结果对库体内的静态结构进行了初步反演，其中，反演场源模型单元的尺寸为1000m×1000m×200m，并绘制了呼图壁储气库3.5km深度的地下静态水平结构形态分布图(图 6)。

图 6 呼图壁储气库的地下静态水平结构形态分布图Fig. 6 Static structure distribution of Hutubi underground gas storage.

反演结果(图 6)显示，地下储气库气腔3.5km深处内部结构的形态基本清晰可见，腔内的剩余密度比腔外地壳物质的密度更小，腔体呈现不规则的结构分布特征，且储气库东部表现出的地壳密度亏损较为严重，说明该区域的腔体容量相对西部更大，即为“空穴”。通过调查发现，储气库内大部分油气井分布在其东部区域，这与模拟结果较为吻合，且模拟反演的地下储气库的形态和地表所标注的储气库的界线基本相似，但储气库内部应为不规则分布形态，腔体内部的气体会随着孔隙不断进行“游离”。

7 结论与讨论

7.1 呼图壁储气库的重力变化与注、采气的响应关系

呼图壁储气库内部测点的重力变化与气井注采气压力密切相关。当储气库内各井口处于注气阶段时，气体导致腔体扩容，同时气体也进入岩石孔隙内部，导致腔壁受到较强的构造压力，使储气库腔体底部产生短暂的、较强的向下构造应力，在地表表现为测点重力值的增大。当储气库向社会进行输气，即储气库处于采气阶段时，库区内部的测点重力值则呈现减小的趋势。另外，呼图壁储气库内部及附近地区存在许多水井，农业、工业用水较多，尤其是农业用水，需要抽取地下水浇地、灌溉。在储气库注采阶段，重力变化也将受到地下水、地表变化及天山地区构造应力等外界因素不同程度的影响。通过研究发现，地下水开采形成局部漏斗状下陷面，引起地表沉降等问题，而在地表超采中心点沉降幅度最大。通过观测不难发现，储气库北侧位于耕地附近的观测点受地下水抽采以及农作物灌溉的影响较储气库其他区域更大，位于抽水灌溉井中心及邻近区域的测点呈现明显的漏斗状。由此可见，由于抽水灌溉井引起的地下水超采对地表产生的垂直向变形的影响是不可忽略的。在未来的工作中，将考虑如何剥离地下水、地表以及同震效应等因素的影响，以便更深入地分析重力变化与注采压力二者之间的响应关系。

7.2 呼图壁储气库地下介质密度的变化及库体构造形态特征

致谢新疆油田公司、克拉玛依石油设计院、中国石油大学克拉玛依分校等为本研究提供了宝贵的数据； 审稿专家对本文提出了建设性意见和建议。在此一并表示感谢！