油燃而声 第29期 | 油气工业开采与诱发地震

地震就像打雷、刮风、下雨一样，是一种自然现象。全球平均每年发生约500万次地震，能被人们感觉到的地震约5万次，可能造成破坏的地震约100次。 

地震伴随着地球能量的瞬间释放。地震释放的能量决定地震的震级，释放的能量越大震级越大，地震相差一级，能量相差约30倍。1995年日本大阪神户7.2级地震所释放的能量大概相当于1000颗第二次世界大战时美国向日本广岛长崎投放的原子弹的能量。实际上，地震的发生机理及准确预测一直是世界性难题，是科学家们一直在不断探索的课题。

从能量角度说 , 油气工业开采要引起地震 , 特别是破坏性地震 , 难度很大，颇有些“蚍蜉撼树”的意味。但是如果油气工业开采改变了地下断层的受力平衡，那么失去平衡的断层就会滑动起来，甚至形成地震。在特定地区因人类活动引起的地 震称为诱发地震（关于断层的相关知识可参见第 1 章）。 

科学家和工程师们已经发现，水库蓄水，油气、盐卤、地热开发，深井注水，固体矿床的开采和地下核爆炸等工程活动都可能诱发地震。 

据山东省志（地震志），1985年12月28日，胜利油田角07井钻进至502m时，因钻孔漏水而诱发小震群活动。记录到地震120次， 最大地震ML2.7级，震源深度2km。经山东省地震预报研究中心、 潍坊市地震办公室进行现场调查，最后确定震群是胜利油田角07井施工高压注泥浆诱发。 

2019年2月24日、25日，四川荣县两天三次地震，最高震级4.9级；2019年6月17日，四川长宁县发生6.0级地震；2019年9月8日，四川威远发生5.4级地震；2019年12月18日，四川资中发生5.2级地震，造成了不同程度的人员伤亡和财产损失。人们开始怀疑这些地震与 2009 年以来四川盆地的页岩气工业开采有关系，将地震与页岩气的工业开采联系起来。人们之所以产生这些担心，主要是源于页岩气开采的关键技术是水力压裂技术，即通过在地面施加能量将地下几百米、几千米的页岩气地层压碎，使其产生缝网，从而沟通页岩气的流动。那么，水力压裂真的有这么大的能耐能让地球“抖三抖”？油气工业开采与地震之间有无关系、有什么样的关系、关系有多大，科学家们一直在苦苦追寻这些问题的答案。

Part 01

——油气工业开采诱发地震的原理

从油气工业开采过程看，向地层岩石注入流体（比如，深井注水）或者将地层中的流体开采出来（如采出原油或天然气）都可能引起地震。

情形 1：完整岩体上产生了新裂缝

注入流体，超过了岩石的破裂极限，原本完整的岩体被破坏而产生了新的裂缝，破裂同时释放出能量，导致岩体产生震动。这一类3253地震震级一般小于0.5级，除非借助特殊仪器，人类无法感知此类地震。水力压裂过程中的微地震监测技术，就是利用岩石断裂时产生微弱地震波的原理，来判别地层中有没有产生工程师预期的裂缝。

情形 2：岩体上原有的断层被激活而产生“断层黏滑”

流体注入或者采出，改变了断层的受力平衡，断层的上盘或者下盘会发生移动。从位移发生快慢和产生的后果等可以将断层活动分成“断层蠕滑”和“断层黏滑”。如果断层活动的速度足够慢，则被为“断层蠕滑”。断层蠕滑会出现断层上下盘相对位置改变但几乎不会产生有感地震。如果断层活动速度快，且伴随巨大的能量释放，则被称为“断层黏滑”。断层黏滑往往伴随着强烈的地震现象。

人们对流体注入或采出引起断层运动原理进行了广泛的研究。目前较有代表性的是 2013年美国地震科学中心的Ellsworth在著名学术期刊《Science》上提出的机理模型。该模型包括了下图所示的两种情况。两种情况的力学实质与中学物理课中经常出现的粗糙斜面上静止滑块的运动原理相似。

第一种情形是注入流体直接进入断层。流体注入使渗透性储集体 / 含水层与断层直接相连，引起断层带孔隙压力的增加，从而断层面摩擦力降低，使处于临界应力状态的断层发生移动。这种情形就好比斜面与滑块接触面的摩擦力降低，原本静止的滑块发生移动。

第二种情形是流体的注入或者采出不直接作用于断层，而是改变了断层上部的岩体重力，也就是增加或减少了断层上盘整体的重力。这就好比滑块质量减轻，斜面上的正压力变小，摩擦力也就变小了，处于静止状态的滑块就会发生移动。

针对断层移动的上述两种力学原理，也有学者提出质疑。例如，我国学者秦四清对第二种力学原理的实际可能性表达了不同看法，他认为根据《土力学》的知识，如果断层距上面那个“流体库”有一定的距离，附加的力学作用可忽略。综上可知，油气工业开采诱发有感地震的实质是引起了断层的急剧运动——也就是断层黏滑。

知识小讲堂

Part 02

减少油气工业开采诱发地震的办法

1、给地层做“体检”，查清断层活动状况

有感的诱发地震往往伴随着断层的黏滑。因此调查清楚油气开采工区内大大小小断层的分布状况是减少诱发断层必要的基础工作。我国研究地震的学者目前主要参考的 《中国活动构造图》为2005年版。这反映目前我国的断层活动情况。因此结合地质调查和石油物探等方面丰富的资料，详细研究油气开采工区中的断层空间分布和受力状况非常必要。

2、设置地震“红绿灯”，为工业开采分级预警

北美在控制流体注入诱发地震方面，采取了类似交通红绿灯的地震“红绿灯” 分级预警办法。加拿大阿尔伯塔省能源监管机构规定了在该省福克斯科瑞克（Fox  Greek）地区地震“红绿灯”分级预警体系：当油气开采区发生的地震震级在2.0以下时，水力压裂可按照原定计划进行；当震级在2.0和4.0之间时，应立即向能源监管机构报告并采取应急预案；当震级大于4.0以上时，需要马上停止水力压裂并向能源监管机构报告，除非得到该机构的许可，水力压裂不得恢复。

我国可以借鉴上述做法，结合我国不同油气田的地质环境、人居环境特点，制定各油气田控制诱发地震的分级预警机制。

Part 03

开展地震科普，科学认识油气开采诱导地震

地震是照亮地球内部的一盏明灯。谢礼立院士指出，人类关于地球内部的认识 , 主要来自对地震波以及由大地震所激发的周期地球自由振荡的解读和破译。通过研究地震波的反射、折射 , 可以探明地球的内部构造 , 了解地球运动的规律 , 从而利用地震造福人类。我们要消除对地震的恐惧，学会与地震共生存。石油地球物理勘探中的地震法勘探就是利用地震波分析地层特点，探索油气资源的。水力压裂过程中的微地震监测信号则用来分析不同注入时刻压裂裂缝几何形状。

知识小讲堂

我们下期再见！

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来源：西南石油大学