水力压裂诱发断层活化失稳概率分析

王肖辉，王鑫尧

(1.河南建筑职业技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450064；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

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近年来，因流体注入诱发地震一直是地球科学领域十大热点研究问题之一。水力压裂(HF)是页岩油气开采常规技术手段，高压注水及扰动地下应力会诱发地震[1]，通常表现为微震(震级MW<3)，风险可忽略不计。据记载，全球因HF诱发地震震级及频率逐渐增大，2016年波兰MW为1.0，2018年美国MW为4.0，2018年加拿大MW达4.6(ML4.5)，2018年中国MW高达5.3[2-5]，HF诱发地震活动全球分布如图1所示。由图1可知，在低至中等地震活动地区(如阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省东部),HF诱发地震风险大于天然地震风险(MW>4级)，从而导致潜在破坏性地面运动[6-7]。但目前关于HF诱发地震机制仍不明确，风险管理存在关键知识缺口，深入研究诱震机制以及风险评估面临一定挑战。

图1 HF诱发地震活动全球分布Fig.1 Global distribution of HF induced seismic activity

目前，国内外对于HF诱发地震风险评估主要基于传统摩尔库仑有效应力原理、古腾堡-里克特诱发地震定律及数值模拟等方法。文献[8-9]通过引入活化趋势因子与3维应力莫尔圆评估诱震风险;文献[10-11]基于横纵有效应力比，提出1种3向受力状态下断层活化风险3维定量评价方法；Wiprut等[12]提出临界孔隙压力法(简称CPP法)评估断层活化风险；Langenbruch等[13]提出1种混合物理-统计模型,预测时空诱发破坏性地震概率；Leix等[14]通过三轴压缩室内试验及声发射监测结果,计算古腾堡-里克特震级-频率关系中b值；Changk等[15]运用多场耦合数值模拟软件创建3维模型，预测诱发地震风险的不确定性因素。

但仅通过地震学、物理模型等手段评估HF诱发断层活化失稳风险比较困难。因此，本文通过分析HF诱发地震机理，基于新库仑稳定函数，采用数学方法求解断层活化失稳解析解，研究孔隙压力、孔隙弹性剪应力以及差异压实作用等诱因对断层稳定性影响。……