地下流体注入诱发地震机理及其对CO2地下封存工程的启示
魏晓琛1, 李琦1,*, 邢会林2, 李霞颖1, 宋然然1
1.中国科学院武汉岩土力学研究所, 岩土力学与工程国家重点实验室, 湖北 武汉 430071
2. Centre for Geosciences Computing, School of Earth Sciences, The University of Queensland, St. Lucia, QLD 4072, Australia
*通讯作者:李琦(1972-), 男, 山东青州人, 研究员, 主要从事酸气回注、CO2地质封存与利用研究. E-mail: qli@whrsm.ac.cn

作者简介:魏晓琛(1987-), 男, 河南驻马店人, 博士研究生, 主要从事地下流体注入诱发地震研究. E-mail: achencumt@163.com

摘要

二氧化碳地质封存(CO2 Capture and Storage, CCS)项目应当评估诱发地震的潜在可能性。中强震、强震危及人类生命财产安全, 有感地震甚至微震也对CO2储区的盖层完整性构成威胁, 增加泄漏风险。地热开发、页岩气开发及油气增产等的水压致裂过程中都伴随有地下流体的注入, 且时有地震诱发的案例。诱发地震活动通常在流体注入压力较高时沿已有断层发生, 因此可通过应力分析等对其发生机理进行研究。超临界状态CO2密度比水小, 在地层深部可能会形成密度流或者与构造中先存的水岩发生相互作用, 进而导致渗透率和压力变化并引发地震活动。综述了全球相关的研究进展, 主要从地震成因机理入手, 考虑超临界CO2性质的特殊性, 结合商业尺度和实验尺度的流体注入项目和地震监测分析, 研究其对储区盖层完整性的影响。以期通过适当的选址、注入方法及监测方案的优化来避免破坏性地震的发生。

关键词: 地下注水; CCS; 超临界CO2; 诱发地震; 盖层完整性
中图分类号:P315 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)11-1226-16
Mechanism of Underground Fluid Injection Induced Seismicity and Its Implications for CCS Projects
Wei Xiaochen1, Li Qi1, Xing Huilin2, Li Xiaying1, Song Ranran1
1.Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering, Wuhan 430071, China
2. Centre for Geosciences Computing, School of Earth Sciences, The University of Queensland, St. Lucia, QLD 4072, Australia
Abstract

CO2 capture and storage projects must consider the potential possibility ofinjection induced seismicity. Moderate earthquakes and strong earthquakes may endanger human life and property, and even felt earthquakes and microquakes also pose a threat to seal integrity of CO2 reservoir and increase the risk of leakage. Underground fluid injection induced seismicity usually happens in some geoengineering projects such as waste fluid disposal, EOR and EGS, and it occurs when fluid is injected along the fault. Therefore, it can be studied through stress analysis. The density of supercritical CO2 is smaller than water, which may develop density flow in the deep strata or water-rock interactions in pre-existing structures, and cause the variation in permeability and pressure to induce a seismic activity. In this paper, we reviewed the mechanism of underground fluid injection induced seismicity with the focus of CCS, combined with fluid injection projects and seismic monitoring analysis in both commercial scale and experimental scale, to investigate its impact on the integrity of the cap rock of the reservoir. Finally, we summarized the appropriate site selection, injection methods and monitoring programs to prevent the occurrence of induced seismicity.

Keyword: Injection; CCS; Supercritical CO2; Induced seismicity; Caprock integrity.
1 引言

在当下全球环境问题中, 控制CO2的排放是世界各国制定环境经济政策的重要目标和导向, 共同推进温室气体减排已成为全球性共识[1]。1970~2004年CO2的排放呈逐年上升趋势, 占2004年总排量的76%。据国际能源署(The International Energy Agency, IEA)预测, 2010年全球CO2排放总量达到创纪录的300.6亿吨, 我国的CO2排放增速一直居世界前列[2]。为应对全球气候变化, 我国向全世界承诺, 到2020年单位GDP的CO2排放强度要比2005年下降40%~45%[3]。政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2005年特别推荐了碳捕集和封存技术(CO2Capture and Storage, CCS), 以期实现温室气体的大幅减排。2007年世界自然基金会(World Wide Fund For Nature, WWF)明确将 CCS 作为应对全球气候变化的6种途径之一。2010年的坎昆全球气候大会将CCS 纳入清洁发展机制(Clean Development Mechanism, CDM); 美国、加拿大、欧盟等已将 CCS 作为未来能源战略和碳减排战略的重要组成部分, 制定了相应的技术研究规划并开展了相应的研发和项目示范[4]。中国若要实现控制温室气体排放的目标, 现有的和前瞻性低碳技术的部署与应用至关重要, 因此合理规划技术路线图, 包括明确重要技术领域识别关键技术、发展路径探索以及技术创新的政策保障都是成就中国特色低碳之路的重要保障[5]。随着深部注入流体有关产业, 例如:油气生产, 地热开发, 工业废液废液回注, 页岩气开发以及二氧化碳封存等项目的增多, 与之有关的注水诱发地震数量亦呈增加趋势。商业化CCS项目需要往深部地下储层注入巨量的CO2流体, 一般大于1Mt/a。本文的目的是通过回顾以往发生的流体注入诱发地震案例, 包括其选址、注入方法及监测方案, 并考虑超临界状态CO2的特殊性, 探讨地下流体注入诱发地震机理及降低CCS诱发地震的风险和实践方法。

2 诱发地震概述

地震是地球上主要的自然灾害之一, 主要包括構造地震, 火山地震及诱发地震等。構造地震多发生于板块边界以及板块内主断层附近[6]。Zoback等认为地震的发生预示着在现今构造应力场中, 地壳中的原有断层都具有潜在活性化可能。在这些条件下, 影响断层稳定性的微小扰动, 例如流体的注入和抽取, 都存在诱发地震的可能性[7, 8, 9]。理解地震诱发的原因及其破坏性影响, 是地震学研究的重点。1962年美国丹佛地震首次将地震活动与深井流体注入联系起来, 自此流体注入诱发地震成为世界范围内的新课题[10]。在开展CCS项目之前需要注意, 注入诱发的微震虽无法察觉, 未曾破坏基础设施或者威胁人类生命安全, 但往往有可能诱发较大的地震。地震活动会对注入系统产生影响, 地震产生的断裂不仅危及注入井的套管, 甚至会穿透上覆盖层, 对盖层完整性形成威胁, 增大CO2泄漏的风险, 并且会导致项目被迫停止、失去投资者支持、甚至引发公众反对等一系列负面影响[11]。然而, 在对注入诱震机理深刻理解的基础上, 通过适当的选址和地质调查, 地震诱发的风险可以人为大大降低。故流体注入诱震机理及其影响是CCS面临的关键科学问题之一。

3 诱发地震的相关问题
3.1 地震震级简介

划分震源放出的能量大小的等级简称震级, 震级是通过仪器给出地震大小的一种量度。地震震级划分:比较通用的震级是Ms震级, 即统一震级, 可直接用M表示。

将< 1级的地震称为超微震; ≥ 1级, < 3级的称为弱震或微震; ≥ 3级, < 4.5级的称为有感地震; ≥ 4.5级, < 6级的称为中强震; ≥ 6级, < 7级的称为强震, 巨大地震; ≥ 7级, < 8级的称为大地震, 巨大地震; 8级以及8级以上的称为巨大地震[12]

3.2 诱发地震机理

据以往文献, 应力场变化、孔隙水压力变化、岩石体积变化以及受力或荷载等因素都可能诱发地震活动, 这三类诱震因素都可能由人为引起[13], 储区流体的注入和抽取都会引起孔隙水压力变化, 进而引起有效应力变化, 随时间变化导致断层破坏引发地震, 图1为流体注入诱发地震活动过程的概念模型[14]

图1 流体注入诱发地震活动过程概念模型[11]Fig.1 Conceptual model of the fluid injection induced seismicity process[11]

Nicholson等[15]在1988年发现, 深井注入常在不稳定的区域诱发地震活动。在这些地区常存在已有断层, 在保持压差恒定时, 注入压力抵消了一部分围压和轴向压力, 使断层盘之间的摩擦力减小, 导致断裂破坏或已有断层活化(图2)。

图2 注入压力对围压和轴向压力的影响[13]Fig.2 Effects of injection pressure on the confining pressure and axial pressure[13]

可以将诱震机理分为以下三类, 每种机理对应一种地震诱发模式, 用莫尔圆表示致裂的力学过程[16]

I型:有效应力减小。流体注入水压致裂引发断层错动, 此类地震多小于3级(图3a)。

II型:储区流体减少导致孔隙水压力降低。储区流体抽出引发地层结构扰动, 多孔弹性机制次扰动从储区传导至围岩和盖层, 此类地震多小于5级。

III型:上地壳卸载导致地壳变动。大规模油气开采中产生的大于6级的破坏性地震多属于此类型(图3b)。

图3 致裂的力学过程的莫尔圆表示(a)莫尔圆表示流体注入导致有效应力减小(左面)(b)莫尔圆表示致裂的力学过程(右面)Fig.3 Mechanics of the fracturing process expressed by Mohr circles.(a)Mohr circle represents the fluid injection resulted in effective stress reduction (Left); (b)Mohr circle represents the fracturing process (Right).

在CCS项目中所诱发的地震多属于I型, 应力变化导致的失稳是弹塑性变形的二阶过程。Hubbert[17] (1959)指出断层中孔隙水压力的增加会降低有效岩石强度, 引发断层破坏。Healy等[18] (1968)指出工业废水注入深井后, 流体压力是地震的触发因素。构造中剪应力小于岩石接触强度时, 断层将保持闭锁, 而人类活动导致的已有断层活化和新断层断裂的形成都会诱发地震。断层破坏条件通常依照临界剪应力( τcrit)公式:

τcrit=μσn-P+τ0(1)

由公式(1)知, 降低正应力 σn以及提高孔隙水压 P都能造成断层破坏, 形成地震核[19]。考虑到应力场的因素, 水力压裂可能会在孔隙水压达到最小主应力之前发生。由于脆性地壳中构造剪应力随深度增加而增大, 注入区与断裂的水力联系也与诱发地震息息相关[20]。另外, 断层规模越大, 由其产生的地震也往往越强烈。地震诱发的过程可大致分为以下三个步骤:

(1)注入井围岩内部断层中孔隙水压力上升[13]

(2)沿旧断层的有效正应力减小, 摩擦系数减小引发断层滑动, 进而导致已有断层活化[12]

(3)流体注入使应力大于岩石强度, 使其失去完整性, 水压致裂形成新的断层和断裂诱发地震活动[21]

以往对I型诱震的研究中, 往往把孔隙水压力的增加作为首要因素, 失稳模型可大致分为二种:地表水库蓄水诱震和流体注入诱震[22], 其中后者的研究多基于摩尔— 库伦破坏准则。但是该准则无法解释美国科罗拉多州丹佛注水井5km外在开始注入1~2年间发生的数次大于5级的地震, 为此, Hsieh等[23]提出应力通过流体压力传播到先存应力接近破坏临界值的区域, 这种应力转移可能是大地震的诱因。俄亥俄州一个距注水井5~10km的地震事件表明, 在构造应力接近破坏临界值的地区, 数兆帕的流体压力变化都可能引发3~4级的地震[15]。在特定的注入流体体积和压力下, 若一定规模的先存断层具备合适的流体力学特征, 可能形成数千米的应力连接区域, 正如丹佛和俄亥俄州案例所示, 诱发地震分析测得的原位应力方向和原位推测区域方向具备良好的相关性[24]。这些地震活动主要来源于先存断层的活化, 而由于水压致裂引起的小型新断裂对诱发地震无显著影响。

3.3 流体注入和地震之间的联系

深井流体注入和地震活动在很多方面有相互联系[25, 26]。最明显的注— 震联系是注入活动开始后地震频次的增加, 在注入影响半径区域内地震活动的震级可能由于注入影响增大或减小, 如在注入活动开始后常伴随一系列的微震, 通过对比地震频次— 震级变化图可得出其变化趋势[27]。另外, 震源深度也会由于注入活动发生改变, 虽然注入可能会在地下数千米处诱发地震活动, 但是其诱发的主要地震活动的震源多处于注入区上部, 多为浅源地震。

注入井的注入压力及注入量对研究地震事件具有重要意义, 地震活动的频率通常与历史注入压力及注入量有关[28]。在时间分布上, 由于压力波传播的延迟性, 其触发的相邻2次地震事件可能相隔数年之久, 另外, 注入压力改变也可能会诱发地震[29]

触发断层活化的临界压力也是注— 震关系的重要研究对象, 已知地层应力和负载压力的情况下, 摩尔— 库伦破坏准则可以用来确定是否满足新断裂形成的条件。但此方法的准确度远不如监测仪器直接测得的数值[30]。Davis等[31]在对Cogdell油田1974-1982年间诱发地震活动的研究中发现, 地下数千米处注入压力已高于计算诱震临界注入压力, 但在该点并无地震发生。因此, 在实践中界定临界压力要根据场地的具体情况, 将数值计算和仪器监测结合使用。

3.4 地震监测、地质勘查和物理模型

地震监测是商业规模CCS项目的重要组成部分。国际经验表明, 针对每个监测场地的特殊性, 例如其所处位置、CO2注入总量、注入目的、地质条件、技术要求以及微震数据的预期用途等具体情况而设计其监测方案[32]。另外, 诱发地震可追踪储区压力的时空变化, 由此定位CO2前缘的位置, 尤其对于缺乏监测井和4D地震反射数据来定位羽流的地区, 微地震监测(或被动地震监测)技术具重要价值。

微地震监测中地震仪阵列的设计取决于以下因素:监测最低震级下限、定位精确度、储区深度、背景地震活动水平、与环境噪声源的距离以及地理位置和设备的限制[33]表1详列了CCS场地诱震监测所采集的参数和技术要求。

表1 CCS诱震监测采集参数和技术要求[33] Table 1 CCS induced seismicity monitoring acquisition parameters and technical requirements.

断层或裂缝勘察的主要方法归纳如下:

2D/3D地震监测; 钻探中钻芯样品采集; 井下井径测井探测断层; 井下电阻率测井探测裂缝和岩性变化; 井下自然电位记录; 井下伽马测井探测地层变化; 井下密度测井; 对地层样本压缩测试, 以确定岩石强度; 对地层岩土样本测试(孔隙度, 密度, 渗透性); 注入流体与地层单元和隔水层的兼容性测试; 示踪剂法。

此外, 物理模型是评估深井灌注触发地震潜势的重要工具。对于地震活动, 建模[34]可以用来预测地震敏感区是否会达到临界压力以及何时达到临界压力[35]

4 注入诱发地震案例简述

目前记录在案的诱发地震活动的案例包括油气增产(EOR)、地热开发(EGS)、工业废液地中回注以及CCS等[21], 图4标示出本文涉及地下流体注入诱发地震活动的案例。

图4 本文涉及主要地下流体注入诱发地震案例及全球主要CO2注入案例Fig. 4 The main injection induced seismicity cases and CO2 injection sites mentioned in this paper.

4.1 注水诱震案例

4.1.1 RMA废液地中回注案例

落基山兵工厂(Rocky Mountain Arsenal, RMA)位于美国科罗拉多州丹佛市东北, 其废液深井注入起始于1961年, 井深3600m。1965年之后废液注入率由750万L/月升至1700万L/月, 其间最大注入率为478L/min[14]。1966年由于引发附近地震, 废液注入停止。注入开始数月后监测站开始监测到地震活动, 注入结束前4级及以上地震发生次数超过13次。

落基山兵工厂是第一批流体注入体积、压力与诱发地震表现出明确关系的案例之一。Hsieh等建立模型评估丹佛地震, 模拟地震发生断裂带上的临界压力水平[34], 指出地震可以通过监测注入压力和微震活动加以控制。图5展示了流体注入体积、地震数和流体注入压力间的关系[18], 表明大震的延迟期会反映应力随水压力传播沿注入区的已有断层转移。因此, 落基山兵工厂诱震表明已有断层孔隙水压力扩散会诱发注水井数千米外的地震活动, 其延迟期长达数月甚至数年[10]

图5 RMA流体注入体积, 地震数和流体注入压力间的关系Fig. 5 Relationships among fluid injection volume, accumulated number of earthquakes and fluid injection pressure in RMA.

4.1.2 Rangely油井注水诱震实验

美国地质调查局于1976年在科罗拉多州Rangely油井现场附近开展注入率— 储区压力— 诱发地震关系研究, 分析控制地震发生的机理[36]

Rangely油气田位于美国科罗拉多州Rangely背斜, 自1945年投产以来, 98%以上的油气主要产自宾夕法尼亚系和二叠系韦伯砂岩, 此段砂岩埋深1700m, 厚度350m左右[37]。位于油气产区的细粒砂岩平均孔隙度和平均渗透率分别为12%和1mD, 由于低渗透率及低储层压力, 自油气生产开始生产率迅速下降。为解决此问题, 油气田自1957年开始进行地下注水以达到增产目的, 至1986年转为注入CO2。在1962年11月至1970年1月间, 犹他州盆地天文台记录了油气田及其周边地区由于注水引发的微震[38]。依照1966年废液经高压注入地下诱发地震的模式, 美国地质调查局为Rangely设计了一套试验方法以研究控制地震产生的可能性, 于1967年利用4台地震仪组成的可移动台网, 监测注水区地下断层的地震活动性。1969年开始注入率— 储区压力— 诱发地震之间的关系实验研究, 安装了一套有14台地震仪组成的新台网来记录地震活动。该实验首先提高注水率, 注入压力均升高到临界水平, 记录的地震事件由此增加, 地震发生的频率降低后的初始压力下降。随后提高附近断层的抽水率, 地震频次呈下降趋势。Rangley实验不仅显示注水诱震受人为控制, 并且表明注水量和地震事件数呈正相关关系。

4.1.3 Geysers 地热田诱震案例

Geysers地震诱发区位于北美加利福尼亚板块活动带上, 自1975年就开始作为蒸汽主导的地热系统被广泛研究。Oppenheimer(1986)[39]认为注入场地构造背景为伸展型, 储区经几十年开采后收缩引起区域应力场变化。需要注意的是, 虽然此区域靠近北加利福尼亚走滑断层, 但是在Geysers流体注入场地并没有发现近一万年内的活动断层。

Geysers地下注入项目已经开展多年。第一次开始于1997年, Lake County产生的废水和湖泊水处理后经46.4km长的管道以约2200万L/d的速度注入地下。第二次开始于2003年, Santa Rosa处理后的废水通过64km的管道到达Geysers, 随即以3000万L/d的速度注入地下。

地震监测网在全场地布置, 来监测流体注入对整个区域的影响, 每年测得的1.5级以上的地震事件有近1000次, 每年均有1~2次4级以上的地震。另外, 前期数据表明在商业生产活动前10年之前并无地震发生。自地热开发活动开展后, 地震活动多发生于生产区域中部或上部(图6)[40], 储区蒸汽产量先增后逐渐下降, 地震频次与注水率呈正相关关系。地震的产生包含多种诱发机制, 包括由于净流体损失以及应力变化引起的孔隙水压力变化、冷缩及体积变化等。

许多学者对Geysers热气抽取和注水量与诱震的关系研究, 观察得到每年的注水体积和地震频次呈近似的正相关关系。其主要机制包括:①在稳定的注入条件下, 孔隙水压力的微小波动会引发地震活动; ②浅层地震更易受抽水活动影响, 从抽水到地震活动发生的延迟期取决于断层间孔隙水压力的扩散率[41]; ③深部地震活动可以解释为残存孔隙水蒸发冷凝引起的热弹性应力与诸如水的对流冷却的热应力共同作用的结果。近年来, 在Geysers地热高温区形成一个环形低密度地震活动区, 这暗示着该地区的注水量已经达到最大值[42]。由于诱震机制的多样性, 以及压力、温度以及注入流体的相态变化, 目前对Geysers地震活动诱发原因仍未达成一致结论。

4.1.4 瑞士Basel深热矿井诱震案例

Basel深热采矿项目位置在瑞士巴塞尔市的中间, 而巴塞尔本身位于瑞士历史上规模最大, 最具破坏性的地震相关的高应力区域, 在1356年Basel市曾遭6.5级以上的地震[43]。自2000年开始, Basel矿区开始自GPK-2孔的裸眼井段(深4431~5084m)注水, 注水总体积约23000m3, 注水量设计为30, 40, 50L/s, 各7天, 但注入7天后监测到2.4级地震, 其注水率和地震频次数据如图7所示[44]。经过注入井所在地层强度后, Basel于2006年12月2日再次开展大规模注入, 注水总量为11566m3。最大井口压力达到29.6MPa, 注入率上升到最高的62.5L/s。12月8日在注水井附近发生3.4级地震。该注水井附近的最高PGV(Peak Ground Velocity, 地震动速度峰值)值为9.3mm/s, 其最低值5mm/s也超过其他3个监测站[45]。其最低值5mm/s也超过其他3个监测站。注水井附近的最高PGA值为0.05g, 通常PGA超过0.2g可视为正常, 但不是破坏发生的充分条件[46]

图6 1965— 2006年间Geyers年均注水量, 产区量和地震活动数关系图[36]红线表示产气量, 蓝线表示注水量, 绿色虚线表示1.5-3.0级地震, 绿色实线标示3.0-4.0级地震发生数, 绿色星号表示4级以上地震发生Fig.6 Relationship between annual water injection/production volume and seismic activity from 1965 to 2006 in Geyers[36]The red line indicates gas production, while blue line indicates water injection, green dashed line, solid line and asterisk indicates occurred earthquake magnitude range M 1.5-3.0, M 3.0-4.0, and larger than M 4, respectively.

4.1.5 中国重庆荣昌气田注水诱震案例

荣昌位于四川盆地东侧弱地震活动区, 荣昌气田内自1980年以来的地震活动统计分析显示, 从1988年7月开始陆续地对该场地2 600~2 900 m的深度注入废水, 截至2006年年底注水期间同时观测到了超过32000次地震。其中包括2次5.0级以上的地震, 14次4.0级以上的地震及超过100次3.0级以上的地震[47]。2001年4. 9级地震后, 该区地震活动水平一直很低。虽然自1970s开始有天然气的开采, 但是直至1989年该地区都没有明显的地震活动报告。然而注水操作开始后不久, 在1977— 1988年该地区发生了几次震级为3.0~4.0级的地震, 但没有呈现破坏性地震的历史记录[48]

水由2个恒定速率的注水泵以683 L/min的注水速率注入井中, 最大值为2.1~2.9 MPa, 第一次注水开始于1988年7月, 1988年的月平均注水量约为2 000 m3。1900年增加到约10 000 m3。在随后的几年月平均注水量在6 000~15 000 m3之间变化, 平均值为10 000 m3。主注水井200 m2的范围内有18个地震台, 最近的荣昌台站于1990年安装完成, 此时人们已经认识到荣昌地区频繁的地震活动与深井注水活动相关连。从1997年起注水率持续减少, 到2001年注水完全停止。如图8所示, 月地震发生次数与月注水量明显呈正相关关系[47]

图7 Basel 2000年6-7月间注水率和地震频次数据[44]Fig. 7 Monthly water injection rate and seismic rate between June to July in Basel, 2000[44]

4.1.6 中国自贡气田注水诱震案例

该区位于四川盆地南部, 属典型川东南丘陵地貌, 其西侧紧邻云贵高原, 南端有NE-SW走向的华蓥山断裂带穿过。区内有若干中型断裂分布, 如具有第四纪活性的长山镇断裂, 具有中晚新世活性的墨林场断裂和自贡断裂[49]。从历史资料上看, 该区属于地震少发区弱震区, 偶有中强震记录, 到目前为止最大的地震为1896年的5.8级地震。

自贡气田注水从2006年开始作业, 每天注水量为200~300 m3/d, 注水井深度约2 500 m; 2008年8月后注水流量增加至300~500 m3/d, 高峰时超过600 m3/d, 此时在该地激发了一小丛地震, 包括有台网记录以来的最大地震为4.8级; 从2009年开始由于矿井被注满, 当地采取了加压注水的工作方式, 注水压力约为3 MPa, 研究区域内发生了大量中小地震, 频度为历史之最[50]。在图9中, 从注水流量、注水压力与地震活动的相关性可以看出, 2008年8月以来自贡地区中小地震频发与当地矿井注水似乎存在一定的关联。累积地震事件与累积注水量的相关性曲线显示, 地震活动性随注水量增加显著上升[51]

图8 荣昌气田月地震发生次数与月注水量相关性[47]Fig. 8 Relevance of monthly water injection and earthquake frequency in Rongchang gas field[47].

图9 注水流量注水压力与地震活动的相关性[51](a) 2000— 2010年地震活动; (b)(c)2008— 2010年注入率和地震活动Fig.9 Correlation between injection pressure and seismic activity[51](a)Seismic activity from 2000 to 2010; (b) (c )Annual injection rate and seismic activity from 2008 to 2010

4.1.7 任丘油田注水诱发地震案例

任丘油田位于河北平原中部, 所处构造位于冀中坳陷、任西大断裂东侧, 呈北东— 南西向条带状态分布, 是我国最大的古潜山碳酸盐油藏。1975年9月试采, 1976年12月开始对奥陶系油藏注水, 1977年10月以后月注水量超过100万m3, 1980年1~5月注水量最大, 月注水量平均在150万m3左右, 1981年至1983年注水量开始减少, 月注入量由110万m3减少至100万m3左右[52]

注水驱油方式引起了油田内部频繁的地震活动, 仅1980年前后的3年中, 在油区内发生了2级以上地震近20次, 地震强度及注入率如图10所示[53]。这些地震基本上沿着油田开发区活动, 而任丘地区在油田未投入开发前几十年都没有发生过地震, 因此我们通过各种数据找出了油田地震活动的一些特征如:发震事件与注水量增加时间关系密切, 地震分布在油田区内特定地段, 震源浅、烈度高、影响范围小, 油田区内不同地点的地震活动大体集中在某一时段内同时发生、同步活动等[53]

图10 任丘油田11井区注水和地震的关系[53]Fig. 10 The relationship between water injection and seismicity in Renqiu 11 well area[53]

4.2 CO2注入案例

根据地质封存区域的差异, CO2注入储层可以分为枯竭油气层封存、煤层封存和地下咸水层封存, 其中地下咸水层封存在全球范围内具有最大的封存潜力[54]。根据其目的、注入率和注入周期的不同可以将CCS项目分为3种尺度:实验尺度, 示范尺度和商业尺度。其中实验尺度CCS目的是探索以及测试注入和监测技术, 注入率一般大约为10kt/year, 注入周期为数周到数年; 示范尺度CCS的目的主要是验证在商业尺度下注入系统的安全性, 注入率为约1Mt/a, 注入周期一年以上; 商业尺度CCS的目的在于减少温室气体的排放, 注入率大于1Mt/a, 注入周期大于10年[55]。第一个商业规模的CO2咸水层封存项目于20世纪90年代在加拿大Alberta盆地开展, 油气田中与天然气伴生的H2S与CO2一起注入深部咸水层[56]。1996年为了避免支付庞大的碳税, 挪威国家石油公司将天然气中脱除的CO2注入挪威Sleipner气田油气层上部的一个咸水层, 据1999年的地震探测调查, 封存区的CO2形成气泡未曾逸散, 取得了良好的经济和环境效益[57]。在此成功案例的推动下, 阿尔及利亚的In Salah和挪威的Snø hvit分别在2004年和2008年将其天然气中脱除的CO2注入地下。更多地区的CCS项目正在筹划中, 如澳大利亚的Gorgon等。除却商业规模的CCS项目外, 近年来小规模注入更是如雨后春笋般涌现, 如在日本Nagaoka以及美国Frio等地[58]。我国由神华集团开展的中国神华集团10万吨/年CCS试验项目是中国首例全流程CCS实践示范项目[59, 60], 在吉林油田大情字井开展CO2-EOR示范工程[61], 此外, 在东营也正在布局CO2注入驱油的CCUS项目[30]

在CO2咸水层封存中, 通常使压力大于6.9MPa以上, 储区深度必须大于1, 000m来保证CO2处于超临界状态。超临界状态的CO2密度大约0.60~0.75g/ml, 并且其黏性比咸水低, 这种特性会产生均匀流体运移。另外, 由于超临界CO2部分溶于水, 注入的CO2应作为多相流考虑[62]

注入的流体与地层水和岩石的相互作用也应作为考虑的因素之一。就诱发地震活动而言, 矿物质的溶解和沉淀对断层的形成有重大影响。若CO2注入过程中形成矿物沉淀, 这些沉淀可能使构造的孔隙度和渗透率降低。这些变化会引起压力突变以及构造断裂破坏。沿断层面方向矿物质的沉积和溶解会影响断层系统的应力结构。反之, 超临界状态的CO2具有溶解性, 因此在注入过程中, CO2溶解其接触的岩石表面矿物质。岩石结构的弱化使水压致裂的可能性增大。在断层中超临界状态的CO2溶解断层面中的沉积物, 断层强度降低并可能引发错动[11]

若不考虑水和超临界CO2性质的不同, 其诱发地震的模式具有一定的相似之处。因此可以将此二类事件做类比, 与注水相比较, 在CCS储层中超临界状态的CO2压缩性强, 密度更低。其较强的压缩性使储区注入产生的压力相对较小, 地震频次较低。

4.2.1 Sleipner气田诱震案例

第一个商业规模的CO2注入项目于1996年在挪威Sleipner气田近海咸水层启动。Sleipner天然气田产出的天然气中脱出的CO2在超临界状态下注入进晚新生代的Utsira构造, 这种砂岩储层中的砂岩孔隙率为35%~42.5%, 渗透率为1~8D[57]。自1996年起每年约有100万吨的CO2注入, 至2008年就有1100万吨CO2被封存。25℃的CO2在6.2~6.4MPa的压力下, 通过1012米深处的水平井注入Utsira构造储区, 注入后储层压力增量小于0.5MPa[63]。被注入的CO2在超临界状态下比咸水密度低, 由于浮力向上移动。CO2羽流曾在1999年达到了储层顶部。

Sleipner位于挪威北海维京地堑, 其南侧为中度地震活动区, 自CO2开始注入后区域地震台网记录了Sleipner-A地台50km区域内的数次2~3级地震。由于缺少微地震监测, 故虽在注入场地内并无监测到的地震活动和能被感知的地震活动发生, 并不能排除注水诱发微震的可能性[64]

4.2.2 In Salah气田诱震诱震

In Salah CCS项目位于阿尔及利亚中部, 是世界首个枯竭气田中的CCS项目。自2004年始, 每年有50~100万吨的CO2注入地下1800~1900m中约20m厚的石炭系砂岩[65]。该砂岩孔隙率为17%, 渗透率仅为1.3e× 10-14D, 故使用3条1~1.5m的长触(long-touch)及水平井实施注入, 确保CO2泵入目标储层。使用4D地震法、VSP、深浅观测井以及InSAR等方法密切监测分析羽流位置和盖层完整性。在10-480m深度内架设了48组地震检波器, 组成微地震检测波阵列。每组地震检波器都有三分量检波器组成, 同一时间有6-8组检波仪监测微地震活动的发生[66]

自2009年起, 微地震检测波阵列记录了超过1000次地震活动, 2010年曾发生地震活动聚集, 最大震级为0.5。目前监测到的In Salah地震数据并不能证明该地点的地震活动是由CO2的注入所诱发。另外, 数据显示三口注入井底边隆起约25mm, 其对应的岩土力学物理模型的数值模拟结果显示, 储层变型很可能受断层破坏的影响。

4.2. 3 Weyburn油田诱震案例

Weyburn油田位于加拿大萨斯喀彻温省东南, 自2000年10月始, 由加拿大政府(Natural Resources Canada主导)、美国能源部资助, 加拿大石油研究院(PTRC)和国际能源署温室气体研究与开发计划机构(IEAGHG), 在Cenovus Energy Inc.和Apache Canada Ltd.石油公司两个区块开展CO2注入驱油项目, 预期注入15年至2015年停止, CO2纯度为95%, 起始注入率5000t/d, 注入1430m的密西西比纪查尔斯组的Marly层白云岩和Vuggy层石灰岩两套碳酸盐岩储层中, 单井注入率为20-500t/d。该储层厚度为20~30m, 孔隙率10%~30%, 渗透率10~50mD[67]。预期封存CO2总量为大约20万t。注入开始后注入率由初始的2, 690, 000m3/a逐渐增加至大于3, 000, 000m3/a[68]。至2010年初, 有约2800万m3CO2被注入。

2003年距CO2注水井50m处垂直监测井中安装微地震监测点, 由8个20Hz三分量地震检波器组成, 分布于埋深1181~1356m间25m厚的地层中。监测结果显示见图11, 2003年8月至2004年12月间有近100次1~3级地震发生[68]。由于震级较低和地震仪阵列分布的设计的分布, 震源的准确位置难以精定位, 并且难以区分地震活动和环境噪音, 为此, 监测井中需要合理安装更多的地震检波器。

在地震台网安装之前, Weyburn油田曾开展注水活动, 对CO2注入和地震相关性的研究形成干扰, Verdon等指出若增大CO2注入量, 并同时增大邻近抽水井产出量可能使地震频次升高。一些地震活动的定位需要考虑确定CO2的区域饱和度, CO2的区域饱和度和地震事件的空间分布表明地震分布还可能受储区化学性质变化影响[68]。由Weyburn项目可知, 低地震频次和低震级的地震对整个CCS项目的影响微乎其微。

图11 Weyburn油田2003年8月-2008年1月间流体注入诱发地震[68]Fig. 11 Injection induced seismicity from Aug/2003 to Jan/2008 in Weyburn[68]

5 CCS诱发微震的效益

诱发地震相关研究主要集中于风险及危害的阐述, 然而, 在某些情况下若处理适当, 这些地震则可有利于CCS项目的开展。诱发地震的效益主要体现在两发面:有利于CO2前缘和早期渗漏的监测以及提高储区渗透性。

诱发地震的震中一般靠近注入井或者抽出井, 其空间分布一般认为可以直接反映注入和抽水所产生的孔隙水压力的变化程度[69], 因此, 微震活动性监测是识别CO2注入引起的压力扩散前缘的潜在方法。1997年House等[70]就提出利用统计方法监测微震来推测水压致裂破裂带中的地下流体流径。但压力前缘的移动并不需要流体运移, 在许多情况下其扩散速度比CO2羽流迁移更快。因为速度不同, 在储层压力的变化范围可能超越CO2羽流扩散前缘, 初步表明, 地震活动的R-T图(距离-时间图)的外部包络线反映了CO2前缘迁移和孔隙压力扩散过程。然而, 我们需要做更多的研究来加深对诱发地震位置、储层压力变化以及CO2羽流之间关系的理解。

由于CO2注入储区压力上升, 压裂会引起储层渗透率和注入量上升[17]。事实上, 诱发地震只是压裂所产生副产品, 特别是在低渗透率储层, 水利压裂提高渗透率是一个很有价值的增产方法, 并在一定程度上降低注入成本。此广泛应用于石油工业并取得良好的效果。但是, 必须确保压裂发生在储层内, 不会对盖层完整性产生不利影响。此外, 由于公众对水力压裂支持度不高[71], 因此, 这项技术在使用时应权衡其优劣势并谨慎使用, 以免对CCS项目的公众认可程度造成不利影响。

6 盖层完整性和安全选址

从世界范围来看, 对于少震区或欠发达地区, 6级及以上地震会造成重大人员伤亡和财产损失。震级高低与断层规模息息相关, 能形成6级地震的断层常达到万米规模。大多数情况下, 在CCS选址时这些巨型断层可以通过物探方法识别以避免危险发生, 但诱发中小型地震的小型断层则有可能存在且被忽略[72]。我们最关心的问题并不仅仅是CCS所可能诱发的大规模地震, 事实上, 中小型地震仍然会对CO2储区盖层完整性形成威胁。CO2储区所处地质构造往往深达2km以保证足够的封闭性, 但在此深度上构造的渗透率仍偏高。当大量CO2封闭于此储区几十年之久时, 中小型地震一旦发生, 则很可能对储区盖层完整性造成破坏。若CCS诱发4级地震, 则可能引起数千米规模的大断层几厘米的滑动[73]。Cappa等实验研究显示仅数毫米的剪切位移就足以提高裂隙和节理的渗透率, 数厘米的滑移则可能形成新的渗透水力路径, 危及CO2储区盖层完整性, 引起CO2泄漏。目前许多学者对CO2泄漏的原因展开研究[74]。CCS泄漏风险罗列如下:盖层中断层活化; 储层水力联系区断层活化; 盖层剪切破坏; 水力压裂; 通过井筒泄漏; 突破毛细血管膜密封压泄漏。

盖层是地质封存项目的一个重要组成部分。为保持CO2在超临界状态盖层所处深度需合理设计, 与此同时它应该是远离任何大规模断层以免泄漏。盖层应致密完整, 并应具较低的渗透, 从而一个较长的时期封存注入的CO2[75], 但在初始咸水-CO2-矿物相互作用也可能导致堵塞孔隙通道降低注入率[72]。另外, 盖层必须具备高强度以承受注入后的应力场变化下的压缩和拉伸, 在安全的CO2封存系统中, 良好的盖层需具备上述性能, 并应针对CCS项目的具体情况彻底研究, 合理设计。

现如今, 全球许多CCS项目正在筹备展开[76]。Sleipner天然气田的CCS项目就是一个好的案例, CO2注入高孔隙率、高渗透率的储区, 储区被致密的页岩层隔离, 注入产生的压力使弱胶结的砂岩缓慢变型, 但又不至由于发生断裂破坏, 从安全封存角度考虑, 此类储区非常理想。若不具备这些条件, 可以根据实际情况选择条件相对理想的储区, 比如美国伊利诺伊州盆地Mount Simon砂岩, 此类砂岩有良好的孔隙率和渗透率, 但该区域靠近沃巴什地震带, 对其未来的注入构成一定的风险[77]。枯竭油气田也是CCS的理想储区, 除了较完整的地质资料外, 此类地区往往还配备了井口和管道设施, 从诱发地震方面考虑, 即使CO2开始注入目的储区, 其孔隙压力仍然会比油气开采前低, 故在大量的CO2注入后整个储区的孔隙压力才会出现较为明显的上升, 降低了诱发地震的风险。

7 结论

CCS存在诱发地震活动的可能。相对于工业废液地中回注和地热开发等项目, CCS注入地下的流体总体积相对较小, 且现场地震监测网在精度上和密度上多有不足。商业规模的CCS项目前存在诱发浅层地震(震源< 5km)的可能性, 但其震级一般较小, 一般为微震甚至超微震。目前还没有监测到CCS诱发中强级以上规模地震。

若不考虑水和超临界CO2性质的不同, 其诱发地震的模式具有一定的相似之处, 因此可以将此两类事件做类比研究。与水相比, 超临界状态的CO2具有更强的压缩性和更低的密度。其较强的压缩性使储区注入产生的压力相对较小, 诱发地震频次相对较低。CO2封存诱震往往有很多共同特征:地震事件较少(< 100/a), 震级较低(1~2级), 诱发的地震大多发生在地震多发区, 岩层已经接近破坏或高度断裂。CCS诱发地震会发生在应力分布区, 也可能发生于应力分布区深部或周边。在时间上, 有时诱发地震会在注入活动开始后即刻发生, 但也可能存在延迟, 发生于注入停止一段时间之后。因此, 诱发地震的判断需要综合考虑震级分布、地震时空效应和构造应力场中的断裂情况。正确的选址、测试、运行和监控可以使注入所带来的风险降到最低。同时CCS诱发地震监测中存在一些问题, 首先, 出于成本效益考虑, 监测地震活动的地震检波器阵列设计并非最优; 其次, 环境噪音和低震级地震很难区分。尤其在砂岩构造和咸水层中, 地震事件振幅低, 这些问题更为突出。另外, 地震数据存在不确定性和局限性, 主要表现在以下4个方面:①地震震源和震级的不确定性; ②地震实时监测的不完整性和不精确性; ③人为诱震和天然地震难以区分; ④公布的地震数据偏向3及以上的有感地震[78]

合理的选址有助于有效控制地震诱发活动, 降低CCS项目的风险。已有证据证实, 地壳中脆性岩石中的老断层会因孔隙应力增加而发生微小破坏, 中小型地震都会给盖层完整性带来风险, 故CCS选址显得尤其重要。选址包括现场地质条件、构造和地震历史背景的调查, 此外, 场地周边和井下测试可以进一步确定该场地的适用性。理想的储区条件包括完整的无渗透性盖层, 适当的孔隙率和渗透率, 弱胶结和大水平延伸范围。最后, 应考虑到注入流体为CO2时的特殊性。超临界CO2会溶解或沉淀矿物, 改变应力条件; 超临界CO2和地下咸水之间的密度差也可能形成密度流, 产生诱发地震的可能性。总体而言, CCS未来的工作应致力于评估潜在的储区, 通过诱发地震问题的以往经验和最新认识减小CCS的风险, 在选址和设计方面的进一步研究将增强CCS项目的安全性。

致谢

感谢日本地质调查所雷兴林博士在初稿形成过程中的建议和帮助。感谢澳大利亚地球科学局(GA)对中国科学院武汉岩土力学研究所与昆士兰大学合作研究项目(CAGS)的协助和支持。感谢审稿人严谨而极富建设性的修改意见, 使本文得到提高和完善。

The authors have declared that no competing interests exist.

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