陳　威　余鵬飛　熊　維　李　杰　馮光財(cái)　喬學(xué)軍

1　中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2　新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市北京南路42號(hào)，830011 3　中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

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新疆呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫(kù)的InSAR形變監(jiān)測(cè)與模擬

陳威1余鵬飛1熊維1李杰2馮光財(cái)3喬學(xué)軍1

1中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市北京南路42號(hào)，830011 3中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙市麓山南路932號(hào)，410083

利用TerraSAR-X衛(wèi)星2013-08～2014-08的17景雷達(dá)影像，采用小基線集(small baseline subset，SBAS)InSAR技術(shù)獲取呼圖壁(HTB)地下儲(chǔ)氣庫(kù)(underground gas storage，UGS)運(yùn)行期間的地表形變序列，并結(jié)合UGS注(采)氣井口的壓力數(shù)據(jù)，采用多點(diǎn)源Mogi模型，對(duì)HTB UGS的形變場(chǎng)進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，整個(gè)UGS區(qū)域的形變特征為非連續(xù)分布，形變與注(采)氣壓力變化具有較好的相關(guān)性；注(采)氣期間沿衛(wèi)星視線向(LOS)的形變峰值分別為10 mm和-8 mm；采用自適應(yīng)前向搜索法，基于多點(diǎn)源Mogi模型初步模擬注(采)氣期間的形變過(guò)程，當(dāng)UGS的注(采)氣平均氣壓為18 MPa和15 MPa時(shí)，LOS的形變可達(dá)7 mm和-4 mm，地表形變的大小與注(采)氣井口密度有關(guān)；UGS的儲(chǔ)氣分布呈非均勻狀態(tài)，即地下氣庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。

地下儲(chǔ)氣庫(kù)；呼圖壁；小基線集InSAR；Mogi模型；地殼形變

UGS在注(采)氣期間的應(yīng)力交變不但會(huì)引起儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層地表周期性的呼吸狀變形， 而且可能引起儲(chǔ)層巖體裂紋擴(kuò)張，造成斷層活化并誘發(fā)地震[1]。向地殼深部地層注入流體的過(guò)程中，誘發(fā)地震的頻次及最大震級(jí)一般與注入量、注入速率、地層滲透率及地層應(yīng)力大小正相關(guān)，且大部分地震發(fā)生在注入過(guò)程中，并集中在注入井井底附近的一定范圍內(nèi)[2]。因此，加強(qiáng)UGS的形變監(jiān)測(cè)，將有利于深入了解儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征、儲(chǔ)層巖石應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及地震活動(dòng)性隨注(采)氣壓力變化的規(guī)律等，對(duì)確保儲(chǔ)氣庫(kù)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要的理論和實(shí)用意義。

HTB UGS屬枯竭氣田儲(chǔ)氣庫(kù)，是中國(guó)目前最大的地下儲(chǔ)氣庫(kù)，位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣(圖1)，屬北天山山前坳陷，蓋層為第四紀(jì)超厚沉積物，厚度可達(dá)3.1～3.7 km。該區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，特別是喜山期，受北天山強(qiáng)烈活動(dòng)影響，山前區(qū)強(qiáng)烈褶皺并伴生一系列大型逆掩斷裂，造成深淺層構(gòu)造差異很大[3]。

虛線粉色框內(nèi)為地下儲(chǔ)氣庫(kù)范圍，紅色正方形為呼圖壁注采氣井位，黃色圓點(diǎn)為2013-06～08間的地震分布，藍(lán)色四邊形為SAR圖像覆蓋區(qū)域圖1　呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)DEM地形、斷層、井口分布、地震活動(dòng)及SAR影像概況Fig.1　The general situation of Hutubi gas storage DEM topography，wells，faults，seismic activities distribution and SAR images

2013-06 HTB UGS投入運(yùn)行。兩個(gè)月內(nèi)，其周邊發(fā)生多次小地震(圖1)，打破了該地區(qū)地震的平靜期。本文基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用TerraSAR-X衛(wèi)星2013-08～2014-08的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)HTB UGS及周邊區(qū)域開展地表形變的時(shí)序分析。在獲取LOS形變場(chǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合UGS運(yùn)行期間注(采)氣井口的壓力變化(表1)，利用多點(diǎn)源的Mogi模型對(duì)注(采)氣期間的地表形變進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，揭示儲(chǔ)氣庫(kù)的形變與注(采)氣壓力變化的關(guān)系。

表1　HTB UGS運(yùn)行期的注(采)氣時(shí)間及井口壓力統(tǒng)計(jì)

1　SBAS-InSAR 技術(shù)

假定在時(shí)間(t1，t2，…，tN)之間獲取N+1幅SAR影像，且所有影像均在同一坐標(biāo)系下。根據(jù)設(shè)定的時(shí)空基線閾值生成M幅干涉圖，其中M應(yīng)滿足：

(1)

對(duì)滿足要求的時(shí)空基線閾值的干涉圖進(jìn)行濾波及解纏處理，去除平地相位和地形相位影響，根據(jù)影像的相干信息選取高相干點(diǎn)，得到高相干點(diǎn)的相位為：

(2)

為獲取有物理意義的形變時(shí)序，可用SAR影像兩個(gè)獲取時(shí)間之間的平均速度來(lái)表示式(2)中的相位：

(3)

則式(2)可表示為：

(4)

將式(4)寫成矩陣形式：

(5)

式(5)是M×N的矩陣。應(yīng)用奇異值分解法(singular value decomposition，SVD)可獲平均速度時(shí)間序列，最后通過(guò)各個(gè)時(shí)間段內(nèi)速度的積分可獲取形變時(shí)間序列。

圖2　SBAS空間及時(shí)間基線分布Fig.2　Temporal and spatial baseline distribution of SBAS-InSAR pairs

2　 SAR數(shù)據(jù)選取、處理及時(shí)序分析

2.1SAR數(shù)據(jù)選取與處理

選取2013-08-29～2014-08-27期間的17景TerraSAR-X衛(wèi)星降軌數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)的具體參數(shù)見表2。利用ISCE(InSAR scientific computing environment)軟件處理生成48景垂直基線小于400 m、時(shí)間間隔小于3個(gè)月的多視差分干涉圖。在差分干涉處理過(guò)程中，利用3″的SRTM數(shù)字高程模型去除地形相位，并用多項(xiàng)式對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行擬合以減少軌道誤差。為抑制相位噪聲，對(duì)距離向和方位向分別作4視和12視的多視處理，并采用加權(quán)功率譜法對(duì)生成的干涉圖進(jìn)行濾波，最后利用SNAPHU程序進(jìn)行相位解纏。

表2　TerraSAR-X影像基本參數(shù)

2.2InSAR時(shí)序計(jì)算及分析

生成干涉圖后，進(jìn)行SBAS計(jì)算和時(shí)序分析，對(duì)大氣延遲引起的干涉相位進(jìn)行改正。采用Doin等[4]的方法，結(jié)合歐洲中期預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)HTB UGS地區(qū)的大氣延遲誤差進(jìn)行改正。采用網(wǎng)絡(luò)Deramping方法進(jìn)行軌道誤差估計(jì)。首先利用最小二乘法對(duì)每幅干涉圖單獨(dú)進(jìn)行軌道誤差估算；然后通過(guò)線性反演重新估算整個(gè)干涉圖像網(wǎng)絡(luò)的軌道參數(shù)，以確保一致性；最后將重新估算的軌道參數(shù)合并，生成與干涉圖像網(wǎng)絡(luò)一致的軌道改正及每幅干涉圖的軌道改正[5]。

為減小因相干性較低引起的誤差，選取相干系數(shù)大于0.5的點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序計(jì)算。以2013-08-29為參考時(shí)間，最終獲取了其他圖像2013-10-01～2014-08-27的HTB UGS地表LOS形變時(shí)間序列(圖3，黑色虛線為UGS，五角星與圓點(diǎn)是兩個(gè)井口位置)。可以看出，HTB UGS地表形變的隆升或者下沉?xí)r間與儲(chǔ)氣庫(kù)注(采)氣周期基本一致，在1～2月份儲(chǔ)氣庫(kù)的采氣運(yùn)行期間，由采氣過(guò)程引起的地表下沉量可達(dá)-8 mm；在夏、秋季儲(chǔ)氣庫(kù)注氣運(yùn)行期間，由注氣引起的地表隆升可達(dá)到10 mm。

提取儲(chǔ)氣庫(kù)氣井HUK9和HUK19附近點(diǎn)位的形變時(shí)序(圖4)，并與井壓的時(shí)間序列進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，UGS的地表LOS形變與井壓變化正相關(guān)。在UGS運(yùn)行期間，從6月左右開始，隨著井壓增大，地表開始隆升，并隨氣壓的增大達(dá)到極值；從冬季開始，隨著井壓減小，地表下沉，并在2月左右達(dá)到極值。

圖3　HTB UGS形變時(shí)間序列圖Fig.3　The deformation time series of HTB UGS

圖4　所選點(diǎn)位的形變與井壓時(shí)間序列圖Fig.4　Deformation time series of the chosen ground points

3　形變數(shù)值模擬

HTB UGS的注(采)氣主要通過(guò)26個(gè)氣井進(jìn)行控制，因此，將儲(chǔ)氣庫(kù)的注(采)氣井作為壓力點(diǎn)源，注(采)氣井口壓力數(shù)據(jù)作為輸入，采用多點(diǎn)源的Mogi模型(表3)和自適應(yīng)前向搜索法[6]，對(duì)HTB UGS地區(qū)的地表形變進(jìn)行模擬(圖5，圓大小代表半徑，顏色代表埋深)。模擬獲取的HTB UGS地區(qū)的地表形變及殘差結(jié)果見圖6。結(jié)果顯示，地表形變的大小與注(采)氣井口密度有關(guān)，在儲(chǔ)氣庫(kù)注氣期間，儲(chǔ)氣庫(kù)地表形變最大可達(dá)到7 mm；在采氣期間，儲(chǔ)氣庫(kù)地表形變最大可達(dá)到-4 mm。

圖6顯示，儲(chǔ)氣庫(kù)注(采)氣井密度較大地區(qū)的殘差較小，范圍在-2～1 mm，其他地區(qū)誤差值較大，范圍在-4～2 mm，表明模擬研究雖然提取了HTB UGS地區(qū)由注(采)氣引起的形變，但是一些由局部形變和噪聲影響的點(diǎn)無(wú)法模擬。

圖5　Mogi模型空間分布Fig.5　The spatial distribution of Mogi model

井號(hào)埋深/km半徑/m井號(hào)埋深/km半徑/mHUK13.1125HUK143.3150HUK23.2150HUK153.4125HUK33.1175HUK163.4175HUK43.0150HUK173.5175HUK53.1125HUK183.6175HUK63.1175HUK193.8150HUK73.2125HUK203.6125HUK83.3175HUK213.5175HUK93.5175HUK223.3150HUK103.4150HUK233.5125HUK113.2175HUK243.6125HUK123.3150HUK253.4150HUK133.3175HUK263.2150

圖6　Mogi模型模擬結(jié)果與殘差(紅色正方形為注(采)氣井位)Fig.6　Residual result and simulation surface displacement based on Mogi model (red squares are gas ingection wells)

4　討　論

在SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理中，考慮軌道誤差、DEM誤差和大氣延遲誤差等因素對(duì)HTB UGS地表形變的影響。首先采用多項(xiàng)式模型在SAR影像干涉處理過(guò)程中初步改正軌道誤差，并在SBAS時(shí)序分析過(guò)程中利用網(wǎng)絡(luò)Deramping方法消除殘余的軌道誤差。DEM誤差對(duì)地表形變量的影響與空間基線、衛(wèi)星入射角和斜距有關(guān)，當(dāng)空間基線小于400 m時(shí)，利用TerraSAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)和SRTM3 DEM 可以獲得的精度優(yōu)于2 mm。Emardson等[7]通過(guò)Stacking方法處理長(zhǎng)時(shí)間序列的SAR數(shù)據(jù)，可以獲取1 mm/a的形變。Doin等[8]在Emardson等的基礎(chǔ)上定量給出了大氣對(duì)流層延遲誤差的影響，獲得改正后的大氣延遲誤差殘差精度優(yōu)于2 mm/km。本文利用Doin等的方法，結(jié)合ECMWF的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)HTB UGS地區(qū)的大氣延遲誤差進(jìn)行改正。

InSAR時(shí)序結(jié)果表明，UGS運(yùn)行初期，雖然氣壓與形變存在正相關(guān)，但形變量較小，這可能是因?yàn)樗ソ邭馓锔慕ǖ腢GS在第一個(gè)注采氣周期處于殘余油氣、水汽和注入氣體等混合動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，而這種混合程度影響儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)水量和體積變化速率。同時(shí)，在UGS運(yùn)行初期，其蓋層巖性(如孔隙度、滲透率、抗壓強(qiáng)度、抗拉張強(qiáng)度等)均處于良好狀態(tài)，不易造成應(yīng)力積累和體積變化[9]。因此，相同的氣壓條件下，在UGS投入運(yùn)行的初期，形變量較小(圖4)。整個(gè)UGS的形變幅度從注(采)氣井密集的儲(chǔ)氣庫(kù)中心區(qū)域向四周逐漸變小，且儲(chǔ)氣庫(kù)周邊區(qū)域大部分表現(xiàn)為下沉，尤其是儲(chǔ)氣庫(kù)東側(cè)區(qū)域下沉幅度較大。這可能是由于HTB氣田開發(fā)鉆井大部分集中在此區(qū)域，且該區(qū)域巖性以粉砂巖、粉砂泥質(zhì)巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，儲(chǔ)氣層層間非均勻性強(qiáng)，地層富含的敏感礦物容易與水、酸等流體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成沉積物[10]。 另外，HTB UGS地處天山北麓沖洪積平原中下游農(nóng)灌區(qū)，屬于地下水嚴(yán)重超采區(qū)，位于地下水“降落漏斗”地帶，其漏斗中心水位下降6～23.25 m[11]。

Mogi模型獲取的注(采)氣井埋深范圍為3.1～3.7 km，與地球物理方法測(cè)井技術(shù)所得井口埋深范圍一致，模擬的儲(chǔ)氣庫(kù)總?cè)萘繛?5.35億m3，與生產(chǎn)容量45.6億m3相符[12]。Mogi模型是基于理想彈性半無(wú)限空間的結(jié)果，而HTB UGS地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，多為層狀不均勻介質(zhì)，模擬結(jié)果必然存在一定誤差。形變殘差圖(圖6)表明，儲(chǔ)氣庫(kù)埋深較大的注(采)氣井集中區(qū)域的形變模擬具有較高精度，而儲(chǔ)氣庫(kù)外圍區(qū)域的殘差較大，驗(yàn)證了Mogi模型適用于埋深比較大的腔體區(qū)域[13]，也說(shuō)明了基于簡(jiǎn)單假設(shè)的Mogi模型難以模擬整個(gè)區(qū)域的形變，因此，需要建立以地震地質(zhì)、地球物理及儲(chǔ)氣井的壓力與氣量等參數(shù)為約束的地質(zhì)力學(xué)模型。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文利用2013-08～2014-08觀測(cè)的17景TerraSAR-X衛(wèi)星雷達(dá)影像，采用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了HTB UGS的地表LOS形變序列。在UGS運(yùn)行初期，由于儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層巖性(孔隙度、滲透率、抗壓強(qiáng)度、抗拉張強(qiáng)度等)尚處于“靜穩(wěn)”狀態(tài)，不易造成應(yīng)力積累和體積變化，隨著UGS注(采)氣的正常運(yùn)行，地表形變與UGS注(采)氣氣壓密切相關(guān)。UGS的儲(chǔ)氣分布呈非均勻狀態(tài)，即地下氣庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，需要進(jìn)一步融入GPS、精密水準(zhǔn)和重力測(cè)量等結(jié)果，并建立精細(xì)的地質(zhì)力學(xué)模型，以更好地揭示UGS內(nèi)部結(jié)構(gòu)并研究其形變機(jī)理。

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Foundation support:National Natural Science Foundation of China,No.41474097, 41274027,41474016,41574005; Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No.IS201326129,IS201116013.

About the first author:CHEN Wei, postgraduate, majors in InSAR deformation monitoring and geodynamics, E-mail: chenweicug@126.com.Corresponding author:QIAO Xuejun, PhD, researcher, majors in InSAR and GNSS deformation monitoring and geodynamics, E-mail: xuejunq@sohu.com.

InSAR Deformation Monitoring and Simulation of Underground Gas Storage in Hutubi, Xinjiang

CHENWei1YUPengfei1XIONGWei1LIJie2FENGGuangcai3QiaoXuejun1

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 42 South-Beijing Road， Urumqi 830011, China 3School of Geoscience and Info-Physics, Central South University, 932 South-Lushan Road， Changsha 410083, China

In this paper, 17 scenes TerraSAR-X radar images acquired from August 2013 to August 2014 are used by the small baseline subset (SBAS) InSAR method to obtain the surface deformation series

during the operation of underground gas storage (UGS) in Hutubi (HTB). We combine these data with data from injection/production pressure wells, using multi-point source Mogi model to simulate the deformation field of UGS in Hutubi. The results show that the deformation characteristics of the whole UGS area is a discontinuous distribution, and the deformation peak value along satellite line of sight (LOS) is 10 mm and -8 mm during gas injection and gas production respectively. The retrieved deformation sequences conform to injection/production pressure changes very well. Based on the multi-point source Mogi model, we simulate the deformation process of HTB UGS and apply an adaptive forward search method to obtain the radius and depth of point source. The simulated results indicate that when the injection/production average pressure of HTB UGS is 18 MPa and 15 MPa, LOS deformation is up to 7 mm and -4 mm respectively; surface deformation is related to the density of gas injection/production wells. The UGS gas distribution is not uniform, indicating that the structure of underground gas storage is complex.

underground gas storage (UGS); Hutubi; small baseline subset (SBAS) InSAR; Mogi model; crustal deformation

2016-04-29

喬學(xué)軍，博士，研究員，主要研究方向?yàn)镚NSS與InSAR形變監(jiān)測(cè)與地球動(dòng)力學(xué)，E-mail：xuejunq@sohu.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.011

1671-5942(2016)09-0803-05

P237

A

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金(41474097,41274027,41474016,41574005)；中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201326129,IS201116013)。第一作者簡(jiǎn)介：陳威，碩士生，主要研究方向?yàn)镮nSAR形變監(jiān)測(cè)與地球動(dòng)力學(xué)，E-mail：chenweicug@126.com。