流體注入工程誘發斷層活化的風險評估方法

張建勇 崔振東 周 健 韓偉歌 于 慧 王燚釗

1.中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室·中國科學院地質與地球物理研究所 2.中國科學院地球科學研究院3.中國科學院大學地球與行星科學學院 4.北京石油化工學院機械工程學院5.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院 6.北京科技大學土木與資源工程學院

1 流體注入誘發地震簡介

增強型地熱能的開發、二氧化碳地質封存和頁巖氣開采等深部地質工程都需要向深部地層中注入高壓流體。此過程可能引起斷層活化，誘發低級別有感地震[1-7]。這些斷層活化風險除了可能影響深部地質工程的正常施工和安全運營外，還可能對人民群眾生命財產安全造成不利影響，降低社會公眾對于此類地下注入流體工程的信任度。因此，研究此類地震的機理、影響因素、風險評估方法以及應對措施，平復學界各方爭議，給民眾以科學、清晰的認識迫在眉睫又至關重要。

20世紀60年代，Healy等[8]在研究洛基山Arsenal地震序列時首次提出：向地下深部注入流體可能誘發地震（圖1[9]）。隨后，Raleigh等[10]在Rangely油田開展現場注水試驗。首次證明了流體注入壓力增加會導致地震的產生，并用Hubbert—Rubey有效應力原理進行了解釋。后來的工程實踐中有諸多注入流體誘發地震案例，美國及加拿大南部地區發生過幾次震級較大的注入流體誘發的地震。例如：2010年Arkansas州的地震矩震級（MW）4.0級地震[11-12]，2011年Oklahoma州的MW5.7級地震[13-14]、2011年Colorado州的MW5.3級地震[15-16]、2011年Ohio州的MW3.9級地震[16]，2012年Texas州的MW4.8級地震[17]。

我國也有流體注入誘發地震的案例發生[18]。四川盆地作為我國主要的油氣產區之一，有多處注水采氣井及廢水回注井。比如，四川盆地某國家級頁巖氣開采示范區歷史上地震活動頻率較低，隨著頁巖氣的開采，近年來在該地區監測到的地震活動頻率顯著增加；四川盆地西南部某地區1988—2006年向地層深部注入廢水超過100×104m3，該項注水工作已引發了超過32 000次有地表記錄的地震。

在流體注入活動誘發地震獲得越來越多關注的同時，斷層活化的機理、影響因素、判別標準以及斷層活化的致災模型[19]等方面的研究也取得了諸多進展。此類研究有助于探明適于進行地下注入活動的場地工程地質條件，研究儲層各項物理力學性質對斷層活化的影響，并產生用于指導實際地下流體注入工程的指南和規范，從而科學平衡風險與效益，讓地下流體注入工程為人類造福。

2 斷層活化影響因素及關鍵評價指標

注入活動誘發地震受諸多因素共同控制，比如：流體注入速率及注入量、儲層巖石的物理力學性質、斷層的展布與幾何形態、斷層所在區域地應力狀態等。針對不同影響因素，國內外學者們運用了諸多手段加以研究，不同因素對斷層活化風險的影響存在較大差異。

2.1 流體注入速率及注入量

流體的總注入量是影響斷層活化極為重要的因素。在注入過程中，隨著總注入量的增加，注入壓力增大，巖層的孔隙水壓力增大，使得斷層面上有效應力降低，導致斷層活化風險增大。Nicol等[20]對北美地區30處注水誘發地震場址的注水資料進行統計分析，得出誘發地震震級大小與流體總注入量呈正相關，其相關方程為：

式中y表示地震震級，級；x表示總注入量，1 000 m3。

在現場施工中，流體注入速率與注入量是工程技術人員關注的重點。張致偉等[21]在四川某地區注水誘發地震的研究中，2009年1—7月，地震活動頻次隨注水壓力升高而增大，譜振幅相關系數由0.84增加至0.92，誘發地震頻次與注水壓力呈現良好的相關性。

由上述分析可知，當其他條件相同時，注入速率越大，斷層活化的可能性越高；另一方面，長時間以低速率注入流體也會導致斷層活化，流體沿儲層向斷層區域擴散，在斷層處積累了較強的孔隙壓力，此時斷層活化所觸發的地震震級往往高于高速率注入所誘發的地震。

2.2 斷層的地應力條件

斷層區域的地應力條件是斷層受力狀態的主控因素，也是斷層活化最為敏感的因素。對于注入流體誘發斷層活化，斷層發生剪切破壞的潛力要遠大于拉張破壞。因此，斷層處的水平應力越大，越能起到限制斷層剪切滑移的側限作用[22]。

基于上述結論，學者們研究了斷層的橫縱應力比對斷層活化的影響。在其他條件保持不變的情況下，改變斷層區域的橫縱應力比，對比斷層滑移距離的變化。斷層所在位置的橫縱應力比越大，水平應力越高，斷層活化的可能性越小，即水平地應力起到限制斷層剪切滑移作用[23]。

2.3 斷層巖石滲透率

不同滲透率的斷層在注水過程中表現的差別很大。流體沿著巖層內部的節理裂隙等通道從注水井向周圍擴散，斷層滲透率越低，流體越容易在斷層處富集，導致斷層區域孔隙水壓力增大，進而誘發斷層活化。

Figueiredo等[23]通過TOUGH-FLAC水力耦合軟件分析了滲透率對斷層活化的影響，在兩條斷層中間注水，改變斷層巖石的滲透率，統計不同滲透率下斷層活化情況（表1）。分析表明，在其他條件相同時，滲透率越低（小于10－3mD）的斷層，流體更容易在斷層處富集，誘發斷層活化的風險更高。

表1 不同初始滲透率對斷層活化影響分析數據表[23]

2.4 斷層的類型及產狀

斷層的類型及產狀影響地應力與斷層的相互作用方式，進而影響斷層活化風險。Swierczek等[24-25]以澳大利亞Gippsland盆地不同性質的斷層為模型建模，在相同條件下注入CO2，監測3種不同類型斷層的滑移情況。由于不同類型的斷層與地應力相互作用方式不同，因此，注入CO2誘發斷層活化的臨界孔隙壓力也不同。監測結果顯示，走滑逆斷層臨界孔隙壓力為2 MPa，走滑斷層為4 MPa，逆斷層為6 MPa。同時，由受力分析可知，高傾角斷層發生活化的可能性也要比低傾角斷層大得多。

3 斷層活化風險評估方法

3.1 基于摩爾—庫倫準則的基本理論解釋方法

將CO2等流體注入地層內部的脆性巖石中，會極大地提高誘發地震的風險。脆性介質內部的斷層和裂隙為液體在其內部的流動提供了高滲透性的通道。因此，在已有斷層存在的地質條件下，孔隙流體壓力的變化成為引起地震活動的關鍵[26]。

基于此，斷層活化的力學機制可以用有效應力理論解釋，公式為：

式中τn表示斷層面上抗剪強度，MPa；μ表示斷層面的內摩擦系數，無量綱；σn表示斷層面上的正應力，MPa；p表示孔隙水壓力，MPa；c表示黏聚力，MPa。

引入活化趨勢因子（Reactivation Tendency Factor）公式為：式中fR表示活化趨勢因子，無量綱；τ0表示斷層固有抗剪強度，MPa。

斷層活化的力學機制可用圖2[27]三維應力莫爾圓解釋，注入流體使得斷層面上的孔隙水壓力p增大，有效正應力(σn－p)降低，導致斷層面的抗剪強度[μ(σn－p)＋c]降低。當作用于斷層面上的剪應力高于其抗剪強度，即fR＞1時，斷層發生剪切滑動，導致斷層活化進而誘發地震。

圖2 用三維應力莫爾圓判斷斷層活化過程力學機理圖[27]

美國俄亥俄州Perry地區地震事件是應用摩爾—庫倫原理解釋注水誘發地震的典型案例。圖3是結合該地區注水資料以及地應力資料繪制的應力莫爾圓[28]，隨著流體不斷注入，斷層面的孔隙水壓力增大，有效應力減小，莫爾圓沿著橫軸向左移動。當莫爾圓觸及摩爾—庫倫破壞包線，斷層發生滑移。

圖3 美國俄亥俄州Perry地區地震事件的應力莫爾圓解釋圖[28]

3.2 臨界孔隙壓力預測法

由有效應力原理可知，觸發斷層活化的關鍵在于最大流體壓力增量。若能確定某一斷層發生活化的臨界孔隙壓力值，則可對實際流體注入工程起到指導作用。巖層所處的地應力體系是影響斷層受力狀態的外因，斷層的黏聚力以及內摩擦角等性質是影響斷層最大孔隙壓力增量的內因。將兩因素結合運用到斷層活化臨界孔隙壓力的分析中，是評判斷層活化風險的新思路。Wiprut和Zoback等[29-31]提出臨界孔隙壓力法（以下簡稱CPP法）評估斷層活化風險（圖4-a）。在已知斷層區域應力場、孔隙壓力、斷層傾向以及斷層巖石的摩爾包線的情況下，綜合考慮斷層的持水度（σ3－p）、滑移趨勢（τ/σn'）、膨脹趨勢（σ1'－σn'）/（σ1'－σn'）以及摩爾—庫倫破壞準則等一系列方法[32]，計算出臨界孔隙壓力。此方法沒有考慮斷層的黏聚力，故誘發斷層活化的最大孔隙壓力增量（?p）過于保守。因此，Mildren等[33-34]提出考慮斷層黏聚力的最大流體壓力增量方法（以下簡稱FAST法）。由于考慮黏聚力，因此摩爾庫倫破壞曲線上移，臨界孔隙壓力（?p）增大，如圖4-b所示。

Lee等[35]實地取樣測得斷層巖石的物理力學參數及所處地應力狀態數據，利用CPP法對韓國Pohang盆地注入CO2誘發斷層活化風險進行了數值模擬預測。在不考慮斷層的黏聚力時，數值模擬的實驗結果表明：在μ=0.25時，該斷層的臨界孔隙壓力為3 MPa；μ=0.6時，臨界孔隙壓力為10 MPa。Ruth等[36]使用FAST方法對澳大利亞Gippsland盆地注入CO2誘發斷層活化進行評估，結果顯示，此處無黏聚力斷層的臨界孔隙壓力為3.8 MPa，愈合斷層的臨界孔隙壓力為15.6 MPa。上述兩種方法需要實地測量斷層的各項物理力學參數，從而得到誘發斷層活化的大致臨界孔隙壓力預測值。此預測值可以用來判斷不同斷層活化風險的相對大小，由于黏聚力和內摩擦角難以準確測量等問題，若將預測值用于指導實際流體注入工程，其準確性尚存疑。

3.3 三維評估法

以往對斷層活化風險評估方法多是針對某一具體斷層，對包含諸多斷層的場地區塊安全性分析不具有普適性。對場地內諸多斷層的活化風險性分級，可從中找出危險區域。Sibson[37]最早提出根據斷層橫縱有效應力比（SR=σ1'/σ3'）的大小，將場地內的斷層活化的危險性等級分為高中低3類，然而此方法評價指標過于單一，且只考慮等圍壓情況。Leclère和Fabbri[27]在此基礎上提出了一種三向受力狀態下，基于橫縱有效應力比的斷層活化風險三維定量評價方法。聯合應力形狀比Φ=（σ2'－σ3'）/（σ1'－σ3'）[38]與SR，從而將x、y兩個方向的有效正應力σ2'與σ3'用z方向的有效正應力σ1'表示，結合斷層的內摩擦系數、黏聚力等因素，經公式（4）得出Q值。

其中：

圖4 臨界孔隙壓力法判斷斷層活化過程力學機理圖[29-34]

式中l、m、n分別表示斷層面的法線在z、x、y三軸正應力方向上的余弦；σ1、σ2、σ3分別表示z、x、y方向的正應力，MPa；σ1'、σ2'、σ3'分別表示z、x、y方向的有效正應力，MPa；Φ表示應力形狀比，無量綱。

將斷層Q值與界限值Qo比較，其中Qo由斷層的內摩擦角和黏聚力得出。評價標準如表2所示。

表2 基于Q值的斷層活化風險評估標準表

三維評估法對孔隙水壓力升高的場地內所有可能發生活化的斷層進行評估，從而標定區域內各個斷層發生斷層活化的風險性高低。Leclère和Fabbri[27]將此方法應用于日本Tohoku-Oki地區主震后，地震區域沿板塊界面產生超孔隙水壓力，導致周圍145處斷層出現斷層活化。根據測得區域內所有可能發生活化的斷層主應力、應力形狀比、斷層產狀以及各項物理力學參數，代入公式計算出Q值，將全部斷層的Q值繪制成圖5。結果顯示，實際地球物理方法所探測到的斷層活化位置與三維評估法所得藍色區域大致重疊。

圖5 日本Tohoku-Oki地區斷層活化風險評估圖[27]

3.4 數值模擬方法

目前針對斷層活化風險性分析，使用頻率較高的數值模擬方法有離散元法、有限差分法、有限元法以及邊界元法等。Yoon等[39]利用水力耦合離散元方法對斷層帶進行建模，研究注水過程中流體注入與斷層帶破裂的關系；Rutqvist[40]基于TOUGH-FLAC水力耦合軟件，開發了流體注入誘發斷層活化的數值計算模型；Keranen等[13-14]利用有限元方法建立了地震定位與孔隙壓力關系模型；Pereira等[41]利用非線性有限元方法開發了二維地質力學模型；龔發雄等[42]介紹了Thomas所開發的基于邊界元方法的Poly 3D軟件。這些方法在斷層活化的模擬上得到很好的應用，其斷層活化評估方法的關系、原理以及評判標準如圖6所示。

圖6 斷層活化評價方法的使用流程圖

4 問題討論與對策

4.1 問題討論

注入流體誘發斷層活化研究已有近60年的歷史，但仍有許多值得研究的領域，也存在諸多問題。

1）易被誘發活化斷層的界定較為困難。斷層深埋于地下，其物理力學性質、周圍地應力狀態等信息難以準確測得，對斷層孔隙壓力實施監測存在難度和現實可行性。目前的監測多是現場微震監測，雖然具有一定的研究意義，但是很難做到提前預知。

2）地下注入超臨界CO2存在水巖化學反應、流固耦合以及相態轉化等諸多問題，增加斷層活化的不確定性。在地下注入超臨界CO2過程中，CO2與原巖的水化學作用會對巖層滲透率、斷層所能承受的最大孔隙壓力等性質進行改造，會增加斷層活化的不確定性。除此之外，超臨界CO2在誘發斷層活化過程中，由于壓力以及溫度的變化存在相態轉化問題，其誘震過程及作用機制尚不明晰，影響斷層活化判斷。目前的CO2地質封存相關工程案例中，并未監測到震級超過3級的地震[43]。但可以預知的是，在誘發斷層活化過程中，超臨界CO2由于其壓縮性強，且自身相態轉化要釋放能量，相比于水等介質，對斷層活化的破壞性更強，危險性更大。目前此方面的研究欠缺，研究手段也面臨固—液—氣三相耦合等諸多問題。

3）數值模擬方法缺乏物理實驗驗證。目前斷層活化的研究多是基于數值模擬，研究人員從現場獲取巖樣，在室內測得其物理力學參數，通過計算機對注入—滲流—誘震過程進行數值模擬。然而該方面的物理實驗經驗匱乏，若能通過物理模型實驗以及現場注入流體誘發地震實驗對數值模擬結果進行檢驗，可以為數值模擬所獲得的規律性認識提供強有力的證據。目前來看，物理模型試驗的設計思路較為復雜，如何準確有效的設計模型也是一大難題；在現場注入誘震實驗中，如何確保安全性也是值得研究的問題。

4）斷層活化存在滯后響應效應。流體注入初期的地震事件大多震級較小，產生原因多與流體注入導致巖層及裂隙破壞有關。震級較大的地震往往在流體注入一段時間后發生[44]。流體從注入井向周圍經歷一定時間的擴散，在斷層位置富集。隨著注入量的增加，斷層處孔隙水壓力不斷增加，導致斷層活化。目前的研究鮮有分析流體需要多長時間的運移與積累，故無法給出誘發斷層活化的大致時間。

4.2 對策及建議

面臨眾多問題，未來注入流體誘發地震的研究方向以及應對措施可從以下幾個方面取得突破。

1）加強監測。加強地震流動測震臺站和數字測震臺網的監測，利用地震學方法定位震源震中位置，獲得震源機制解。同時與合成孔徑雷達干涉所監測到的地表變形相結合，在注入流體區域建立地震預警機制。科研人員應加強對監測數據的研究，結合震源機制解、地震波形分析等對其機理深入探討。

2）科學選址。在實際工程中，流體注入場地的選址應密切關注活動斷裂帶、深大斷裂帶的封閉性和活動性[45-46]，避免在地殼中的脆性巖石中注入流體。資料表明，地殼脆性巖體中的老斷層對孔隙壓力變化極為敏感，注入流體活動極易誘發斷層活化。因此流體注入選址時應對現場的地質條件、地質構造以及地震歷史等因素進行綜合考慮。

3）重視歷史注入流體資料的研究。流體注入量以及注入速率是影響斷層活化極為重要的因素，也是工程技術人員在實際工程中的可控制因素。對于注入流體誘發地震區域的歷史注入資料應妥善保存并加以詳細研究。將有資料記載的斷層活化區的斷層物理力學參數、儲層性質以及所處地應力狀態與注入資料對比，分析其在流體壓力逐漸增大時的活化特征，探索斷層活化的臨界流體壓力值。從而在實際注入過程中根據儲層實際情況合理調節注入量與注入速率。

4）盡快制訂完善地下流體注入技術規范及指南。2015年3月，美國聯邦政府頒布了水力壓裂法細則，該細則于同年6月開始實施，這是美國在水力壓裂方面首個國家層面上的技術細則。我國也發布了各項地下流體注入指南及規范《水力壓裂安全技術要求》《二氧化碳捕集、利用與封存環境風險評估技術指南（試行）》等。然而，此類規范及指南沒有對注入流體誘發斷層活化的風險評估做具體定量化的規定。我國應盡快建立一套流體注入誘發斷層活化的評價體系，并制定相關的技術標準及規范，平衡經濟效益與地震風險，從而對現場注入流體提供指導。

5 結論

1）影響斷層活化的因素眾多，其中地應力是主控因素。不同傾向、傾角的斷層是否活化受所處的地應力狀態控制，當地應力對斷層滑移起約束作用時，斷層活化的風險相對較低。斷層的滲透率、內摩擦角、黏聚力等物理力學參數是斷層活化的內因。流體注入速率及注入量是引發斷層活化的誘發因素。

2）目前的斷層活化風險評估方法多是摩爾—庫倫有效應力原理的拓展和延伸。在實際運用中，可根據實際工程地質情況靈活運用。各種評估方法的絕對準確性尚存疑，在實際使用以及研究過程中需不斷改進和創新。

3）增強型地熱能開發、二氧化碳地質封存以及頁巖氣開采等向深部注入高壓流體的新型地質工程領域，人類的工程實踐經驗尚不充足，對斷層活化機理的認識遠未成熟，理論研究和技術水平也有待提高，目前仍存在大量亟待解決的問題。怎樣降低深部地質工程的誘震風險，讓新技術造福人類，仍需廣大科研人員和技術人員不斷探索。