流体注入工程诱发断层活化的风险评估方法

张建勇 崔振东 周 健 韩伟歌 于 慧 王燚钊

1.中国科学院页岩气与地质工程重点实验室·中国科学院地质与地球物理研究所 2.中国科学院地球科学研究院3.中国科学院大学地球与行星科学学院 4.北京石油化工学院机械工程学院5.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院 6.北京科技大学土木与资源工程学院

1 流体注入诱发地震简介

增强型地热能的开发、二氧化碳地质封存和页岩气开采等深部地质工程都需要向深部地层中注入高压流体。此过程可能引起断层活化，诱发低级别有感地震[1-7]。这些断层活化风险除了可能影响深部地质工程的正常施工和安全运营外，还可能对人民群众生命财产安全造成不利影响，降低社会公众对于此类地下注入流体工程的信任度。因此，研究此类地震的机理、影响因素、风险评估方法以及应对措施，平复学界各方争议，给民众以科学、清晰的认识迫在眉睫又至关重要。

20世纪60年代，Healy等[8]在研究洛基山Arsenal地震序列时首次提出：向地下深部注入流体可能诱发地震（图1[9]）。随后，Raleigh等[10]在Rangely油田开展现场注水试验。首次证明了流体注入压力增加会导致地震的产生，并用Hubbert—Rubey有效应力原理进行了解释。后来的工程实践中有诸多注入流体诱发地震案例，美国及加拿大南部地区发生过几次震级较大的注入流体诱发的地震。例如：2010年Arkansas州的地震矩震级（MW）4.0级地震[11-12]，2011年Oklahoma州的MW5.7级地震[13-14]、2011年Colorado州的MW5.3级地震[15-16]、2011年Ohio州的MW3.9级地震[16]，2012年Texas州的MW4.8级地震[17]。

我国也有流体注入诱发地震的案例发生[18]。四川盆地作为我国主要的油气产区之一，有多处注水采气井及废水回注井。比如，四川盆地某国家级页岩气开采示范区历史上地震活动频率较低，随着页岩气的开采，近年来在该地区监测到的地震活动频率显著增加；四川盆地西南部某地区1988—2006年向地层深部注入废水超过100×104m3，该项注水工作已引发了超过32 000次有地表记录的地震。

在流体注入活动诱发地震获得越来越多关注的同时，断层活化的机理、影响因素、判别标准以及断层活化的致灾模型[19]等方面的研究也取得了诸多进展。此类研究有助于探明适于进行地下注入活动的场地工程地质条件，研究储层各项物理力学性质对断层活化的影响，并产生用于指导实际地下流体注入工程的指南和规范，从而科学平衡风险与效益，让地下流体注入工程为人类造福。

2 断层活化影响因素及关键评价指标

注入活动诱发地震受诸多因素共同控制，比如：流体注入速率及注入量、储层岩石的物理力学性质、断层的展布与几何形态、断层所在区域地应力状态等。针对不同影响因素，国内外学者们运用了诸多手段加以研究，不同因素对断层活化风险的影响存在较大差异。

2.1 流体注入速率及注入量

流体的总注入量是影响断层活化极为重要的因素。在注入过程中，随着总注入量的增加，注入压力增大，岩层的孔隙水压力增大，使得断层面上有效应力降低，导致断层活化风险增大。Nicol等[20]对北美地区30处注水诱发地震场址的注水资料进行统计分析，得出诱发地震震级大小与流体总注入量呈正相关，其相关方程为：

式中y表示地震震级，级；x表示总注入量，1 000 m3。

在现场施工中，流体注入速率与注入量是工程技术人员关注的重点。张致伟等[21]在四川某地区注水诱发地震的研究中，2009年1—7月，地震活动频次随注水压力升高而增大，谱振幅相关系数由0.84增加至0.92，诱发地震频次与注水压力呈现良好的相关性。

由上述分析可知，当其他条件相同时，注入速率越大，断层活化的可能性越高；另一方面，长时间以低速率注入流体也会导致断层活化，流体沿储层向断层区域扩散，在断层处积累了较强的孔隙压力，此时断层活化所触发的地震震级往往高于高速率注入所诱发的地震。

2.2 断层的地应力条件

断层区域的地应力条件是断层受力状态的主控因素，也是断层活化最为敏感的因素。对于注入流体诱发断层活化，断层发生剪切破坏的潜力要远大于拉张破坏。因此，断层处的水平应力越大，越能起到限制断层剪切滑移的侧限作用[22]。

基于上述结论，学者们研究了断层的横纵应力比对断层活化的影响。在其他条件保持不变的情况下，改变断层区域的横纵应力比，对比断层滑移距离的变化。断层所在位置的横纵应力比越大，水平应力越高，断层活化的可能性越小，即水平地应力起到限制断层剪切滑移作用[23]。

2.3 断层岩石渗透率

不同渗透率的断层在注水过程中表现的差别很大。流体沿着岩层内部的节理裂隙等通道从注水井向周围扩散，断层渗透率越低，流体越容易在断层处富集，导致断层区域孔隙水压力增大，进而诱发断层活化。

Figueiredo等[23]通过TOUGH-FLAC水力耦合软件分析了渗透率对断层活化的影响，在两条断层中间注水，改变断层岩石的渗透率，统计不同渗透率下断层活化情况（表1）。分析表明，在其他条件相同时，渗透率越低（小于10－3mD）的断层，流体更容易在断层处富集，诱发断层活化的风险更高。

表1 不同初始渗透率对断层活化影响分析数据表[23]

2.4 断层的类型及产状

断层的类型及产状影响地应力与断层的相互作用方式，进而影响断层活化风险。Swierczek等[24-25]以澳大利亚Gippsland盆地不同性质的断层为模型建模，在相同条件下注入CO2，监测3种不同类型断层的滑移情况。由于不同类型的断层与地应力相互作用方式不同，因此，注入CO2诱发断层活化的临界孔隙压力也不同。监测结果显示，走滑逆断层临界孔隙压力为2 MPa，走滑断层为4 MPa，逆断层为6 MPa。同时，由受力分析可知，高倾角断层发生活化的可能性也要比低倾角断层大得多。

3 断层活化风险评估方法

3.1 基于摩尔—库伦准则的基本理论解释方法

将CO2等流体注入地层内部的脆性岩石中，会极大地提高诱发地震的风险。脆性介质内部的断层和裂隙为液体在其内部的流动提供了高渗透性的通道。因此，在已有断层存在的地质条件下，孔隙流体压力的变化成为引起地震活动的关键[26]。

基于此，断层活化的力学机制可以用有效应力理论解释，公式为：

式中τn表示断层面上抗剪强度，MPa；µ表示断层面的内摩擦系数，无量纲；σn表示断层面上的正应力，MPa；p表示孔隙水压力，MPa；c表示黏聚力，MPa。

引入活化趋势因子（Reactivation Tendency Factor）公式为：式中fR表示活化趋势因子，无量纲；τ0表示断层固有抗剪强度，MPa。

断层活化的力学机制可用图2[27]三维应力莫尔圆解释，注入流体使得断层面上的孔隙水压力p增大，有效正应力(σn－p)降低，导致断层面的抗剪强度[µ(σn－p)＋c]降低。当作用于断层面上的剪应力高于其抗剪强度，即fR＞1时，断层发生剪切滑动，导致断层活化进而诱发地震。

图2 用三维应力莫尔圆判断断层活化过程力学机理图[27]

美国俄亥俄州Perry地区地震事件是应用摩尔—库伦原理解释注水诱发地震的典型案例。图3是结合该地区注水资料以及地应力资料绘制的应力莫尔圆[28]，随着流体不断注入，断层面的孔隙水压力增大，有效应力减小，莫尔圆沿着横轴向左移动。当莫尔圆触及摩尔—库伦破坏包线，断层发生滑移。

图3 美国俄亥俄州Perry地区地震事件的应力莫尔圆解释图[28]

3.2 临界孔隙压力预测法

由有效应力原理可知，触发断层活化的关键在于最大流体压力增量。若能确定某一断层发生活化的临界孔隙压力值，则可对实际流体注入工程起到指导作用。岩层所处的地应力体系是影响断层受力状态的外因，断层的黏聚力以及内摩擦角等性质是影响断层最大孔隙压力增量的内因。将两因素结合运用到断层活化临界孔隙压力的分析中，是评判断层活化风险的新思路。Wiprut和Zoback等[29-31]提出临界孔隙压力法（以下简称CPP法）评估断层活化风险（图4-a）。在已知断层区域应力场、孔隙压力、断层倾向以及断层岩石的摩尔包线的情况下，综合考虑断层的持水度（σ3－p）、滑移趋势（τ/σn'）、膨胀趋势（σ1'－σn'）/（σ1'－σn'）以及摩尔—库伦破坏准则等一系列方法[32]，计算出临界孔隙压力。此方法没有考虑断层的黏聚力，故诱发断层活化的最大孔隙压力增量（∆p）过于保守。因此，Mildren等[33-34]提出考虑断层黏聚力的最大流体压力增量方法（以下简称FAST法）。由于考虑黏聚力，因此摩尔库伦破坏曲线上移，临界孔隙压力（∆p）增大，如图4-b所示。

Lee等[35]实地取样测得断层岩石的物理力学参数及所处地应力状态数据，利用CPP法对韩国Pohang盆地注入CO2诱发断层活化风险进行了数值模拟预测。在不考虑断层的黏聚力时，数值模拟的实验结果表明：在μ=0.25时，该断层的临界孔隙压力为3 MPa；μ=0.6时，临界孔隙压力为10 MPa。Ruth等[36]使用FAST方法对澳大利亚Gippsland盆地注入CO2诱发断层活化进行评估，结果显示，此处无黏聚力断层的临界孔隙压力为3.8 MPa，愈合断层的临界孔隙压力为15.6 MPa。上述两种方法需要实地测量断层的各项物理力学参数，从而得到诱发断层活化的大致临界孔隙压力预测值。此预测值可以用来判断不同断层活化风险的相对大小，由于黏聚力和内摩擦角难以准确测量等问题，若将预测值用于指导实际流体注入工程，其准确性尚存疑。

3.3 三维评估法

以往对断层活化风险评估方法多是针对某一具体断层，对包含诸多断层的场地区块安全性分析不具有普适性。对场地内诸多断层的活化风险性分级，可从中找出危险区域。Sibson[37]最早提出根据断层横纵有效应力比（SR=σ1'/σ3'）的大小，将场地内的断层活化的危险性等级分为高中低3类，然而此方法评价指标过于单一，且只考虑等围压情况。Leclère和Fabbri[27]在此基础上提出了一种三向受力状态下，基于横纵有效应力比的断层活化风险三维定量评价方法。联合应力形状比Φ=（σ2'－σ3'）/（σ1'－σ3'）[38]与SR，从而将x、y两个方向的有效正应力σ2'与σ3'用z方向的有效正应力σ1'表示，结合断层的内摩擦系数、黏聚力等因素，经公式（4）得出Q值。

其中：

图4 临界孔隙压力法判断断层活化过程力学机理图[29-34]

式中l、m、n分别表示断层面的法线在z、x、y三轴正应力方向上的余弦；σ1、σ2、σ3分别表示z、x、y方向的正应力，MPa；σ1'、σ2'、σ3'分别表示z、x、y方向的有效正应力，MPa；Φ表示应力形状比，无量纲。

将断层Q值与界限值Qo比较，其中Qo由断层的内摩擦角和黏聚力得出。评价标准如表2所示。

表2 基于Q值的断层活化风险评估标准表

三维评估法对孔隙水压力升高的场地内所有可能发生活化的断层进行评估，从而标定区域内各个断层发生断层活化的风险性高低。Leclère和Fabbri[27]将此方法应用于日本Tohoku-Oki地区主震后，地震区域沿板块界面产生超孔隙水压力，导致周围145处断层出现断层活化。根据测得区域内所有可能发生活化的断层主应力、应力形状比、断层产状以及各项物理力学参数，代入公式计算出Q值，将全部断层的Q值绘制成图5。结果显示，实际地球物理方法所探测到的断层活化位置与三维评估法所得蓝色区域大致重叠。

图5 日本Tohoku-Oki地区断层活化风险评估图[27]

3.4 数值模拟方法

目前针对断层活化风险性分析，使用频率较高的数值模拟方法有离散元法、有限差分法、有限元法以及边界元法等。Yoon等[39]利用水力耦合离散元方法对断层带进行建模，研究注水过程中流体注入与断层带破裂的关系；Rutqvist[40]基于TOUGH-FLAC水力耦合软件，开发了流体注入诱发断层活化的数值计算模型；Keranen等[13-14]利用有限元方法建立了地震定位与孔隙压力关系模型；Pereira等[41]利用非线性有限元方法开发了二维地质力学模型；龚发雄等[42]介绍了Thomas所开发的基于边界元方法的Poly 3D软件。这些方法在断层活化的模拟上得到很好的应用，其断层活化评估方法的关系、原理以及评判标准如图6所示。

图6 断层活化评价方法的使用流程图

4 问题讨论与对策

4.1 问题讨论

注入流体诱发断层活化研究已有近60年的历史，但仍有许多值得研究的领域，也存在诸多问题。

1）易被诱发活化断层的界定较为困难。断层深埋于地下，其物理力学性质、周围地应力状态等信息难以准确测得，对断层孔隙压力实施监测存在难度和现实可行性。目前的监测多是现场微震监测，虽然具有一定的研究意义，但是很难做到提前预知。

2）地下注入超临界CO2存在水岩化学反应、流固耦合以及相态转化等诸多问题，增加断层活化的不确定性。在地下注入超临界CO2过程中，CO2与原岩的水化学作用会对岩层渗透率、断层所能承受的最大孔隙压力等性质进行改造，会增加断层活化的不确定性。除此之外，超临界CO2在诱发断层活化过程中，由于压力以及温度的变化存在相态转化问题，其诱震过程及作用机制尚不明晰，影响断层活化判断。目前的CO2地质封存相关工程案例中，并未监测到震级超过3级的地震[43]。但可以预知的是，在诱发断层活化过程中，超临界CO2由于其压缩性强，且自身相态转化要释放能量，相比于水等介质，对断层活化的破坏性更强，危险性更大。目前此方面的研究欠缺，研究手段也面临固—液—气三相耦合等诸多问题。

3）数值模拟方法缺乏物理实验验证。目前断层活化的研究多是基于数值模拟，研究人员从现场获取岩样，在室内测得其物理力学参数，通过计算机对注入—渗流—诱震过程进行数值模拟。然而该方面的物理实验经验匮乏，若能通过物理模型实验以及现场注入流体诱发地震实验对数值模拟结果进行检验，可以为数值模拟所获得的规律性认识提供强有力的证据。目前来看，物理模型试验的设计思路较为复杂，如何准确有效的设计模型也是一大难题；在现场注入诱震实验中，如何确保安全性也是值得研究的问题。

4）断层活化存在滞后响应效应。流体注入初期的地震事件大多震级较小，产生原因多与流体注入导致岩层及裂隙破坏有关。震级较大的地震往往在流体注入一段时间后发生[44]。流体从注入井向周围经历一定时间的扩散，在断层位置富集。随着注入量的增加，断层处孔隙水压力不断增加，导致断层活化。目前的研究鲜有分析流体需要多长时间的运移与积累，故无法给出诱发断层活化的大致时间。

4.2 对策及建议

面临众多问题，未来注入流体诱发地震的研究方向以及应对措施可从以下几个方面取得突破。

1）加强监测。加强地震流动测震台站和数字测震台网的监测，利用地震学方法定位震源震中位置，获得震源机制解。同时与合成孔径雷达干涉所监测到的地表变形相结合，在注入流体区域建立地震预警机制。科研人员应加强对监测数据的研究，结合震源机制解、地震波形分析等对其机理深入探讨。

2）科学选址。在实际工程中，流体注入场地的选址应密切关注活动断裂带、深大断裂带的封闭性和活动性[45-46]，避免在地壳中的脆性岩石中注入流体。资料表明，地壳脆性岩体中的老断层对孔隙压力变化极为敏感，注入流体活动极易诱发断层活化。因此流体注入选址时应对现场的地质条件、地质构造以及地震历史等因素进行综合考虑。

3）重视历史注入流体资料的研究。流体注入量以及注入速率是影响断层活化极为重要的因素，也是工程技术人员在实际工程中的可控制因素。对于注入流体诱发地震区域的历史注入资料应妥善保存并加以详细研究。将有资料记载的断层活化区的断层物理力学参数、储层性质以及所处地应力状态与注入资料对比，分析其在流体压力逐渐增大时的活化特征，探索断层活化的临界流体压力值。从而在实际注入过程中根据储层实际情况合理调节注入量与注入速率。

4）尽快制订完善地下流体注入技术规范及指南。2015年3月，美国联邦政府颁布了水力压裂法细则，该细则于同年6月开始实施，这是美国在水力压裂方面首个国家层面上的技术细则。我国也发布了各项地下流体注入指南及规范《水力压裂安全技术要求》《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》等。然而，此类规范及指南没有对注入流体诱发断层活化的风险评估做具体定量化的规定。我国应尽快建立一套流体注入诱发断层活化的评价体系，并制定相关的技术标准及规范，平衡经济效益与地震风险，从而对现场注入流体提供指导。

5 结论

1）影响断层活化的因素众多，其中地应力是主控因素。不同倾向、倾角的断层是否活化受所处的地应力状态控制，当地应力对断层滑移起约束作用时，断层活化的风险相对较低。断层的渗透率、内摩擦角、黏聚力等物理力学参数是断层活化的内因。流体注入速率及注入量是引发断层活化的诱发因素。

2）目前的断层活化风险评估方法多是摩尔—库伦有效应力原理的拓展和延伸。在实际运用中，可根据实际工程地质情况灵活运用。各种评估方法的绝对准确性尚存疑，在实际使用以及研究过程中需不断改进和创新。

3）增强型地热能开发、二氧化碳地质封存以及页岩气开采等向深部注入高压流体的新型地质工程领域，人类的工程实践经验尚不充足，对断层活化机理的认识远未成熟，理论研究和技术水平也有待提高，目前仍存在大量亟待解决的问题。怎样降低深部地质工程的诱震风险，让新技术造福人类，仍需广大科研人员和技术人员不断探索。