美專家分析油氣田注水開發中的誘發地震及其應對策略＊

趙紀東 王艷茹 編譯

（中國科學院蘭州文獻情報中心，蘭州 730000）

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美專家分析油氣田注水開發中的誘發地震及其應對策略＊

趙紀東 王艷茹 編譯

（中國科學院蘭州文獻情報中心，蘭州 730000）

2015年，在美國州際油氣契約委員會（Interstate Oil and Gas Compact Commission，IOGCC）和地下水保護委員會（Ground Water Protection Council，GWPC）的共同行動計劃StatesFirst的倡議下，業內專家成立流體注入誘發地震工作組（Induced Seismicity by Injection Work Group，ISWG），分析了與油氣資源開采有關的地下流體注入誘發地震的可能性，并制定了評估和解決此類事件的一些策略。該研究旨在為美國監管機構提供相關科技現狀，以及與地震評估、誘發地震風險管理、應對策略制定有關的注意事項。2015年9月，發布《油氣開發中潛在的流體注入誘發地震：風險管理及減緩的技術和管理基礎》（Potential injection－induced seismicity associated with oil ＆gas development：A primer on technical and regulatory considerations informing risk management and mitigation）報告。在此，我們對其內容做一簡要介紹。

1 誘發地震

多年前，科學家們就認識到某些人類活動可能會引發地震。多數地震是由構造運動引起的（自然原因），但在某些情況下，人類活動可以引發地震。誘發地震的活動記錄至少可以追溯至20世紀20年代，主要源于多方面的人類活動，如地下流體注入、石油和天然氣開采、修建大壩后的大型水庫蓄水、地熱工程、礦山開采、建筑活動和地下核試驗等。

該研究重點分析了Ⅱ類處理井①美國環境保護署（EPA）的地下流體注入控制（Underground Injection Control）計劃將地下井分為6類，其中，Ⅱ類井指在油氣開發中，為了處理廢水或提高油氣采收率而進行流體注入的井的流體注入誘發地震的可能性。雖然公眾認為水壓致裂是誘發地震的主因，但有證據表明，地下廢水處理比水壓致裂更有可能誘發 “有感”地震。

2 評估潛在的流體注入誘發地震

美國的多數處理井不足以誘發地震，但在某些地質和儲層條件下，一些注入井已被確認會誘發有感地震。誘發地震通常僅限于地殼淺層，鄰近注水區。例如，雖然美國中部和東部的自然地震最深可達25～30km，但俄克拉何馬州（Oklahoma）多數潛在的誘發地震僅局限于地殼之下6km。然而，最大規模的流體注入誘發地震、有感地震以及存在潛在破壞性的地震均發生在前寒武紀基底，而非上覆沉積巖層。流體注入誘發地震的主要物理機制是臨界應力斷裂面上孔隙壓力的增加，導致斷層應力釋放，發生滑動。這些斷層主要位于前寒武紀基底。誘發地震通常震級小（M＜5.0），持續時間短，主要危害是地面震動。目前，對于流體注入誘發地震，除了加利福尼亞州（California）的間歇泉地熱田的模型之外，美國尚無經驗性的地面運動模型，因為流體注入誘發地震數據目前還相當有限。

目前，很難利用長期以來建立的地震方法來明確區分誘發地震和構造地震。潛在的誘發地震的評估可能需要整合多學科的技術，需要地震學家、油藏工程師、巖土工程師、地質學家、水文地質學家和地球物理學家的共同協作。

因果關系評價可能是一個復雜且費時的過程，需要對地震事件進行精確定位，確定能夠再活化的臨界壓力斷層，明確地震事件具體的時空演化，包括斷層初次滑動以及后續的余震，表征斷層及其周圍的地下壓力，建立物理地質力學/油藏工程模型，以便評估誘發變化（地下孔隙壓力的變化）是否可以使得斷層移動。

地震學家通過探索與流體注入有關的潛在時空關系，提出7個問題來識別誘發地震，分別是：①該區此類地震事件是否首次發生？②流體注入與地震是否有明確的（暫時的）相關關系？③震中是否位于井附近（5km內）？④地震是否發生在流體注入深度或其附近？⑤如果不是，是否已有地質特征顯示地震發生位置可能存在徑流？⑥井底壓力變化是否足以引發地震？⑦震源的流體壓力變化是否足以引發地震？

如果以上7個問題的回答都是否定的，那么觀測到的地震并非由注入誘發；相反，如果7個問題的回答都是肯定的，那么有理由相信地震可能是由流體注入引發。既肯定又否定的答案可能會得到模棱兩可的解釋，因此，需要進一步評估因果關系因素。其他因果關系的研究可能包括：①部署臨時地震監測網絡；②查看可用的地震檔案和記錄；③識別潛在的可能會導致地下應力擾動的人為因素的范圍；④查看地震點附近所有可用的注入井的壓力數據；⑤充分考慮和分析其他相關數據，如地下斷層數據，包括二維和三維地震成像數據和斷層解釋、現有的地質、地震和沉積歷史、現有地質和儲層物性數據。

3 風險管理和減災策略

在Ⅱ類處理井的現場、許可和地震監測方面，美國各州制定了不同的策略，以避免、緩解和應對誘發地震的潛在風險。鑒于場地的特殊性和技術的復雜性，許多州的管理者選擇與來自政府機構、大學和私人顧問組織的專家共同研究風險管理和減災策略。

采用科學方法來評估和管理與流體注入操作有關的地震風險對特定地點的危害和風險時，需要考慮：①場地的特點，需考慮地質背景和地層特征，如構造、斷層、土壤條件以及地震活動史（收集并分析美國地質調查局、各州地質調查局、大學和行業數據）；②建筑環境，包括當地的建筑標準，以及公共和私人建筑的位置、基礎設施，如水庫、水壩、以及歷史建筑或有象征意義的建筑元素的建筑標準；③作業范圍，包括現存的和計劃的注液量；④估算潛在誘發地震的最大震級；⑤估算潛在誘發地震可能引起的地面晃動。

基于對潛在誘發地震的風險評估，各州可以決定是否改變或恢復注入井作業。一旦確定減緩行動可行，采取的行動可能包括增加地震監測、改變運行參數（如，速度和壓力）以減少地面晃動和風險、允許井的校正和部分回填、控制再次注入（如果可行的話）、臨時吊銷或撤銷注入授權，或停止注入并關閉井。

在決定是否、何時和何地對地下注入進行地震監測時，美國國家油氣監管機構需要考慮各種因素，一定的篩選方案將有助于確定地震監測是否必要。如果有必要，國家可以做出一系列計劃，包括地震監測的方法、設備、數據報告、地震活動變化的臨界值、通過修改操作來減輕或管理風險的措施以及暫停注入活動的閥值。

雖然國家監管機構通常沒有足夠的資源或專業知識進行詳細的地震監測和調查，但他們經常會與其他組織進行合作，如美國地質調查局（USGS）、州地質調查、研究機構、大學或第三方承包商，以協助各州設計和安裝永久和臨時的地震監測網絡，分析地震監測數據。

4 對外交流和溝通

在對地震做出必要的響應之前，應該盡早地制定溝通和應對策略，信息必需直接和明確。策略的制定可以基于：①地震發生前的計劃；②開展應對計劃；③應對震后評估。

在地震事件之前，州立機構應考慮制定一項策略，其重點是：①公眾調查，了解公眾的關注點，以便在策略的教育和溝通方面能夠解決公眾關注的問題；②教育，以公眾能夠理解的方式呈現信息。由提出者發起，向公眾傳播，通過反饋確保信息是否已被接收和理解；③溝通，有效的溝通過程始于傾聽被溝通者的看法、擔憂、想法和問題。無論什么原因，如果預期的接收者認為這些響應或信息與其個人關注無關，便不可能實現有效和高效地溝通。

一旦地震發生，州立機構將執行溝通和應急預案。州立機構應當準備發表聲明，對提出的問題和關切做出回應。州立機構可以酌情考慮召開利益相關者會議。震后或震中，州立機構應當考慮與內外利益相關者繼續溝通，總結哪些事情做得好，哪些需要改進。在后續的溝通中，對于如何避免未來地震的擔憂，州立機構的代表發言應該明確且措辭嚴謹，主要是表明州立機構的參與，并不斷致力于解決后續的擔憂。最后，需要認識到，震前、震中和震后的順序并非是線性的，應該不斷修正和改進溝通計劃和策略。

文獻來源：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

（編譯者電子信箱：趙紀東：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。