摘要
水力压裂已经成为增强型地热系统(EGS,Enhanced Geothermal System,也称干热岩)地热增产的标准技术,裂缝产生过程中会释放地震能量,这种人工地震活动,通常称为诱发地震活动,已有30多年的历史。在美国,瑞士,澳大利亚,韩国,德国,日本,新西兰,菲律宾,印度尼西亚,肯尼亚等地的EGS工程水力压裂过程中均有发现。这些地震震级大多小于3级,因此没有伤亡和经济损失。然而,这种储层刺激方法在部分EGS项目中也造成了大地震,超过了公众的接受程度,造成了人员伤亡和建筑破坏。例如,美国Geysers水热型地热田,在1997年、2003年两次注水过程中,每年监测到M_L=1.5级以上微震近1000次,M_L=4.0级以上地震1-2次。在瑞士Basel的EGS项目水力压裂过程中,2006-2007年发生了3500次诱发地震事件,其中4次3级左右的地震,最大地震震级达M_L=3.4,此事件的发生和随后的地震风险分析导致这一EGS项目永久关闭,并对居民进行了灾害补偿。2009年8月,在德国兰道,地热循环过程中发生了M_L=2.7事件。2007年11月,韩国Pohang的EGS项目也经历了类似的问题,一个压裂井底部接近断层,另一个井穿过断层平面,虽然注入的压裂液体积较小,但仍造成M_L=5.5的灾难性地震。这是韩国自1978年建立地震监测系统以来的第二大地震,造成近80人受伤,1100多所房屋受损,1800多人无家可归。诱发地震活动已经成为世界各地EGS工程可持续开发的重要限制因素之一。本文围绕EGS开发过程中引起的诱发地震开展研究,分析诱发地震因素、特征、风险评价及预测方法等关键问题,通过野外调查、资料收集、室内实验、数值模拟、理论分析相结合的方法针对EGS工程诱发地震开展深入研究,通过室内实验和数值模拟进行影响诱发地震关键参数及特征研究,结合EGS诱发地震数据,进行最大震级预测,风险评价,以期实现EGS开发诱发地震管控,并进行实际场地应用。首先开展室内高温压大尺寸流体注入物理模型4D声发射真三轴水力压裂实验,分析不同条件下水力压裂特征参数,裂缝分布形式,并记录了压裂过程中声发射事件的位置、能量和压力曲线,测试不同温压条件、注入流量、注入周期的声发射事件演化特征,研究声发射的时空分布序列、累积声发射能量和最大声发射能量。之后利用离散元水-力耦合模型研究了水力压裂和声发射活动,构建具有花岗岩数值储层模型,结合室内实验条件,测试了各种注入方案、温度和围压等条件下裂缝的产生、发生及结束,分析了水力压裂特征;比较了声发射事件(诱发地震)与流体压力分布的时空演变关系。其次,提出一种基于水力压裂过程中地震能量释放,并结合其他流体注入参数的震级综合分析方法,评估诱发地震震级,使用了收集到的多个工程诱发地震数据汇编,进行多种参数诱发地震震级相关性、敏感性分析,建立诱发地震最大震级回归预测公式。并基于震级预测两个最优参数,注入能量和断层长度,建立了基于非齐次泊松过程统计模型,分析水力压裂诱发地震震级的超越概率,该模型可用于评估与水力压裂工程作业的地震危险性。最后,通过地震地质调查、文献资料收集等方式,理清工程场区及其附近断层地表行迹和活动,判断注入诱发地震潜在诱因及主控因素,根据野外花岗岩露头天然裂隙和节理调查结果,依据前述数值模拟方法建立场地级EGS储层模型,将水力压裂实验结果参数输入模型,模拟不同工况下诱发地震,结合研究区地震活动特征和国内外典型注水诱发地震案例,根据前述震级回归预测及风险评估方法,对青海共和EGS场地开展诱发地震风险评价,估算其产生的地震动和可能形成的工程潜在影响。