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澳大利亞地球科學(xué)局發(fā)布報告探討水壓致裂與誘發(fā)地震的關(guān)系*

劉文浩※編譯

(中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報中心， 蘭州730000)

2016年2月， 澳大利亞地球科學(xué)局(Geoscience Australia)發(fā)布報告《水壓致裂與誘發(fā)地震關(guān)系綜述》(Review of hydrofracturing and induced seismicity)， 全面分析了澳大利亞水壓致裂的應(yīng)用及壓裂過程中誘發(fā)地震的產(chǎn)生機制與影響， 同時也分析了公眾關(guān)心的與水壓致裂相關(guān)的主要問題。

1能源開發(fā)中的水壓致裂與誘發(fā)地震

1.1有針對性的水壓致裂(Intentional Hydrofracturing)

1.1.1煤層氣開發(fā)中的水壓致裂及誘發(fā)地震

煤氣層通常在地下200～1000 m深處。 澳大利亞煤層氣行業(yè)發(fā)展迅速， 資源量自2005年來已經(jīng)翻了一番。 報告稱， 煤層氣的開發(fā)策略必須是量身定做的， 尤其像在蘇特拉(Surat)盆地那樣的地區(qū)， 必須清晰了解應(yīng)力模式、 不成熟的隔擋層的形成方式和復(fù)雜地層之間的序列關(guān)系。 目前， 沒有數(shù)據(jù)或報告報道澳大利亞煤層氣行業(yè)由于水壓致裂誘導(dǎo)產(chǎn)生地震大小的分布狀況。 澳大利亞國家地震臺網(wǎng)(Australian National Seismic Network， ANSN)也沒有監(jiān)測針對水壓致裂產(chǎn)生的地震事件。 此外， 報告詳細(xì)記錄了1970年在澳大利亞東部煤層氣開發(fā)和生產(chǎn)區(qū)周圍發(fā)生的M≥3的天然地震。 煤層氣開發(fā)區(qū)的地震記錄顯示， 水壓致裂并沒有導(dǎo)致M>3地震的產(chǎn)生，M=3也是人能感受到地面震動的閾值， 不會造成基礎(chǔ)設(shè)施破壞。 煤層氣的生產(chǎn)會產(chǎn)生大量廢水， 因此， 如何選擇對廢水進(jìn)行合理安全的處理是十分必要的。 通常會在現(xiàn)場的蒸發(fā)池中存儲， 回注到開采含水層(producing aquifer)作為含水層補給管理的一部分， 注入河流中， 供給附近社區(qū)或者是用于農(nóng)業(yè)和飲用水供應(yīng)系統(tǒng)。 剩余的鹵水可以注入到深井中， 一般比天然氣生產(chǎn)縫隙和深層含水層的深度更深。 處理方法的選擇因州而異。

※通訊作者： 劉文浩， e-mail: liuwh@llas.ac.cn。

1.1.2頁巖氣開發(fā)中的水壓致裂及誘發(fā)地震

澳大利亞許多盆地都有頁巖氣， 其頁巖氣產(chǎn)業(yè)目前處于起步階段。 報告預(yù)測該行業(yè)將在澳大利亞迅速擴張。 目前， 沒有足夠的數(shù)據(jù)能夠表明， 澳大利亞頁巖氣生產(chǎn)能夠誘發(fā)產(chǎn)生地震的數(shù)量及特征。 但是， 報告也指出， 澳大利亞頁巖氣生產(chǎn)的整體形式和類似深度的應(yīng)力機制與美國并不相同。 如果水壓致裂過程產(chǎn)生了人群可以感受到的地震， 那么， 運營商就必須停止或者以更慢的速度來進(jìn)行流體注入， 并降低注入壓力， 否則可能會流入斷層之中， 誘發(fā)高強度地震。

此外， 煤層氣水壓致裂過程中的2個問題在頁巖氣水壓致裂中也不太可能出現(xiàn)： ①頁巖氣形成于2000～3000 m， 比煤層氣深度(200～1000 m)更深。 因此， 地震監(jiān)測可能無法實時捕捉深部地震是否發(fā)生， 即使后期的地震數(shù)據(jù)處理有可能會發(fā)現(xiàn)地震深部。 就美國的生產(chǎn)經(jīng)驗來講， 頁巖氣水壓致裂造成的影響可能無法達(dá)到開采地下水的淺層， 而且壓力引發(fā)的斷裂時間不會保持太久； ②頁巖氣生產(chǎn)不會產(chǎn)生太多的廢水， 但是， 產(chǎn)生的廢水仍需要進(jìn)行處理。 美國發(fā)生的許多誘發(fā)地震事實上都與頁巖氣行業(yè)廢水的重新注入有關(guān)。 澳大利亞南部， 是不允許對廢水進(jìn)行重新注入的， 相反， 更多的廢水是必須在蒸發(fā)池中進(jìn)行處理。 報告建議， 如果可以采用廢水注入， 那么澳大利亞各州則需要更多的關(guān)注儲水庫的建設(shè)。 此外， 在更大深度的頁巖氣生產(chǎn)過程中， 必須更加注意對潛伏斷裂分布的掌握和避免。

1.1.3地?zé)衢_發(fā)中的水壓致裂及誘發(fā)地震

地?zé)崮茉词且环N無碳能源。 地?zé)崮茉淳哂卸喾N類型， 其中部分需要水壓致裂來提高蒸汽生產(chǎn)量， 增強型地?zé)?干熱巖)系統(tǒng)就是其中的一類。 報告稱， 澳大利亞庫珀(Cooper)盆地已經(jīng)有一個水壓致裂試驗基地。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 庫珀盆地發(fā)生了一些地震臺站可以監(jiān)測到的地震， 雖然不會對基礎(chǔ)設(shè)施造成損害， 但是， 可能引起人的不適和不安。 報告稱， 2006年和2007年在瑞士的巴塞爾附近由地?zé)嵘a(chǎn)引發(fā)了密集的地震， 與庫珀盆地的震級大小類似。

1.2非針對性的水壓致裂(Unintentional Hydrofracturing)

非常規(guī)能源行業(yè)中， 許多水壓致裂過程是非規(guī)劃下的意外壓裂。 此外， 還有廢液引發(fā)的壓裂， 而并不是勘探和生產(chǎn)階段有規(guī)劃的壓裂。 非針對性水壓致裂會產(chǎn)生載體誘發(fā)地震活動。

報告稱， 雖然澳大利亞目前沒有由于碳封存引發(fā)的地震活動。 但是， 有研究稱， 對儲存庫中注入大量的二氧化碳會誘發(fā)地震。 因為二氧化碳可以改變流體的壓力， 從而影響有效壓力， 導(dǎo)致巖石破裂。 發(fā)生這種情況， 可能誘發(fā)裂縫孔隙度變化， 造成二氧化碳從儲存庫中泄露。 此外， 報告還稱， 意外的廢液注入可能重新激活現(xiàn)有斷裂， 而這些小型的斷裂有時事先無法準(zhǔn)確監(jiān)測。 因此， 報告建議， 無論是非常規(guī)能源的廢水、 化學(xué)廢液或者二氧化碳， 在注入之前都需要對存儲區(qū)的斷裂情況有準(zhǔn)確的把握， 優(yōu)化注入方案。

2公眾關(guān)心的與水壓致裂相關(guān)的主要問題

主要問題有：

(1)水壓致裂大量的用水會造成農(nóng)村和地區(qū)社區(qū)供水不足；

(2)蓄水層的破壞將造成人類、 農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)用水的不足；

(3)淡水含水層被鹽水層水或者水壓致裂液污染；

(4)廢棄物處理過程會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響；

(5)逸出氣體將對人類使用的地下水或地表植被造成影響；

(6)導(dǎo)致山地、 牧場失去生產(chǎn)力；

(7)是否會產(chǎn)生地震， 影響有多大。

文獻(xiàn)來源： Drummond B. Review of hydrofracturing and induced seismicity. https:∥d28rz98at9flks.cloudfront.net/83880/Rec2016_002.pdf

* 收稿日期：2016-02-22； 采用日期： 2016-03-08。

中圖分類號：P315.72+3；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：D；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.002