劉代芹 玄松柏 陳 石 艾力夏提·玉山 李 杰 王曉強 李 瑞

1)中國科學技術大學，地球和空間科學學院，合肥 230026

2)新疆帕米爾陸內俯沖國家野外科學觀測研究站，烏魯木齊 830011

3)中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830011

4)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

5)中國科學院上海天文臺，上海 200030

6)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

天然氣作為環(huán)保、經濟、熱效率高的能源已被世界各國作為重要能源產品之一，各國對天然氣的需求量不斷增加，天然氣在一次能源消費中所占的比例也越來越大。在天然氣開采、運輸、存儲和消費的過程中，存儲是關鍵的一環(huán)。目前，地下儲氣庫(Underground Gas Storage，UGS)作為一種人工氣田或氣藏，能夠按市場需求或政策導向靈活解決天然氣的供需矛盾，因此成為能源工業(yè)化產業(yè)鏈中的重要組成部分。據統(tǒng)計，目前世界范圍內投入使用的地下天然氣儲氣庫就達600多個(王亮，2013； 尹虎琛等，2013)。地下儲氣庫在注采氣過程中隨著內部氣體的充盈和虧損會產生介質密度變化和壓力差。有研究表明，儲氣庫腔體內巖石的構造應力會隨著內部氣壓的周期性峰、谷值變化打破平衡狀態(tài)，出現地表隨氣壓變化“呼吸”變形的現象，這種變化還可能導致UGS腔囊周邊的圍限斷層發(fā)生屬性上的變化，如活動速率、傾角和閉鎖狀態(tài)等，最終誘發(fā)地震(崔振東等，2011)。

針對呼圖壁UGS的研究除地應力模擬分析外(曹錫秋，2013)，相關形變監(jiān)測研究起步較晚。近年來，王迪晉等(2016)、Qiao等(2018)利用GPS及InSAR數據開展了儲氣庫地表形變研究，李杰等(2016)利用二等水準測量研究了儲氣庫隨氣壓變化而出現地表隆升的機理，但其他相關研究成果為數不多。而在UGS運行過程中，當注采壓力發(fā)生變化時往往伴隨地表形變，表明氣藏內部氣壓與地表形變具有一定的相關性。但關于氣壓變化是否導致氣藏內部體積、介質總儲量、密度和應力發(fā)生變化，而前者又如何對應力、應變分布產生影響，目前仍鮮有研究報道(Takumietal.，2009； Castellettoetal.，2010； Teatinietal.，2011)?，F今已知呼圖壁儲氣庫的地表形變量值、氣井井口壓力變化和微地震分布等(李杰等，2016； 蘇金波等，2016； 王迪晉等，2016)，但對于井壓—介質密度—應力—形變的變化過程，目前尚屬探索研究階段。通過壓強、氣體總量、密度等參數得到氣藏內部的應力分布狀況，將正演得到的形變過程與直接測量得到的形變量進行比對，開展UGS安全性運維評價，具有極大的現實意義。

重力場作為最基本的地球物理場，其動態(tài)的時間變化可為研究地殼深部結構與性質提供重要的觀測信息。微重力測量的探查對象引起的重力效應以微伽級的數值度量。以20世紀80年代美國Lacoste型重力儀為代表的相對重力儀的出現，使得研究重力場的時間變化成為可能(王謙身等，1995)。諸多學者的相關研究表明，地震的發(fā)生往往伴隨著一定程度的重力場變化，尤其是對于汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震等由典型逆沖型發(fā)震構造活動導致的地震而言，由于閉鎖微弱，震前的形變量無法通過傳統(tǒng)的GPS或其他手段感知，而這種高應力集中變化卻能被高精度的重力測量所捕捉(申重陽等，2009； 祝意青等，2009，2013，2015； Zhuetal.，2010； 陳石等，2011，2014)。周期性重力復測得到的重力場動態(tài)變化可反映殼內介質的“時間—空間—強度”狀態(tài)變化，而集、采氣過程中發(fā)生的壓力變化能夠導致地表變形和氣體密度變化，這一過程同樣可以被高精度重力測量所感知。本文將采用微重力信號研究模擬計算呼圖壁儲氣庫地下介質密度變化以及重力與注采壓力之間的響應關系。

本文從微重力綜合觀測技術出發(fā)，依托絕對重力、相對重力測量，結合儲氣庫地區(qū)各井注采壓力的變化，開展地下介質密度物性隨氣田內部氣壓變化的相關性研究，獲取呼圖壁儲氣庫內部的質量源特征參數，揭示殼內介質顯著形變與重力變化之間的響應關系，通過重力場變化研究地震孕育過程中的殼內“變形—密度—重力”之間物理場的耦合機理，從而深入分析儲氣庫地表的隆升幅度和邊界圍巖的穩(wěn)定程度，對誘發(fā)地震開展相關性研究，為儲氣庫安全運維提供風險評估依據。

1 呼圖壁儲氣庫重力監(jiān)測網的基本情況

2013年前后，“呼圖壁計劃”在天山北麓正式啟動，旨在研究天山地區(qū)地下介質變化及地震機理的“地下明燈”就此點亮。呼圖壁地下儲氣庫于2013年6月開始投入使用，為了獲取重力變化、地下介質與注采氣壓力變化之間的響應關系，新疆維吾爾自治區(qū)地震局于2013年11月以儲氣庫東側井位密集區(qū)域為主要研究對象，以呼克19井為中心布設了13個重力觀測墩，呈十字交叉形組成監(jiān)測網(圖 1)。重力觀測路線采用各點往返的策略進行閉合觀測，同時對東、西、南、北4個頂點進行了聯(lián)測，十字形相對重力觀測網中4個頂點的相互距離為SE 2km、NW 2km、NE 4km、SW 4km，2個觀測墩之間的平均距離為0.8～1.0km(圖 1)。其中，南北測線橫跨儲氣庫的2條邊界斷層，即呼圖壁北斷裂與呼圖壁斷裂。同時，為了更好地研究儲氣庫區(qū)壓力與重力變化間的關系，將其中4個觀測墩設置于采注直井旁，即HK19(呼克19井)、HK21(呼克21井)、HK22(呼克22井)和HKP4(呼克1井)。

圖 1 呼圖壁地下儲氣庫重力監(jiān)測網Fig. 1 Gravity monitoring network of Hutubi underground gas storage.

2 數據觀測與處理

3 呼圖壁儲氣庫重力場變化特征分析

圖 2 呼圖壁地下儲氣庫的重力場變化圖像Fig. 2 Gravity field variation image of Hutubi underground gas storage.a 2013年11月—2014年3月； b 2014年3月—2014年10月； c 2014年10月—2015年3月； d 2015年3月—2015年10月； e 2015年10月—2016年3月； f 2016年3月—2016年10月

整個測區(qū)的重力變化存在明顯的分區(qū)特征。呼圖壁斷裂以南儲氣庫外部的區(qū)域重力變化較小，儲氣庫區(qū)內的重力有交替性增減的變化趨勢，尤其是庫區(qū)內的東側，該地區(qū)的重力變化表現出明顯的春季減小、秋季增大的變化特征，這是由于庫內天然氣經過冬季的大量輸出，直到當年3月左右?guī)齑娼抵磷畹?，使得儲氣庫內部的應力處于最小值，地下介質密度也隨之變化。儲氣庫外側以北的農田地區(qū)重力變化幅度最大，變化特征與儲氣庫內部測點相反，即春季重力值增大、秋季重力值減小，這是由于庫體內部的壓力減小，根據構造應力均衡特性，導致庫體外的構造應力也有所調整。

4 呼圖壁儲氣庫的注采壓力與重力變化的關系

呼圖壁儲氣庫注采氣主要隨季節(jié)變化，即冬季為采氣階段，夏季反之。查閱相關文獻(張懷文等，2015)可知，該儲氣庫自2013年6月9日開始注氣，日注氣總量達1123×104m3，截至當年10月，累計注氣12.09×108m3； 2014年3月16日呼圖壁儲氣庫采氣階段結束，總采氣量為2.67×108m3。2014年4月11日，呼圖壁儲氣庫啟動注氣工作，至當年10月14日結束，累計注氣量為17.68×108m3。2015年1月，隨著冬季用氣高峰的到來，呼圖壁儲氣庫積極發(fā)揮應急調峰作用，日采氣量達753×104m3。

相關資料和重力計算結果表明，儲氣庫內部測點的重力變化與氣井注采氣壓力變化密切相關。根據地殼應力均衡特性，當庫體內部的壓力趨于增加或減小的變化過程時，庫體外的應力也將相應調整。注入儲氣庫的氣體擴散到庫體巖石及其空隙之中，將對巖石產生一定的壓力作用，使地下庫體的介質密度發(fā)生不同程度的改變，最終引起儲氣庫區(qū)域內地表測點的重力值發(fā)生變化。分析整個注采壓力和重力變化時序圖(圖 3)可知： 2014年2月，呼圖壁儲氣庫的注采壓力為整個儲氣庫注采壓力的最低值，即15MPa，該時間段內對應的重力呈現出正變化，變化量約為10×10-8m/s2； 2014年10月，儲氣庫的注采壓力為峰值狀態(tài)，達27MPa，而此時儲氣庫地表各測點的重力變化呈分區(qū)態(tài)勢，儲氣庫西側重力呈現負值變化，變化量為10×10-8m/s2，東側重力呈現正值變化，說明此階段的注氣工作并非是同時且均勻地開展，而是分時段、分批次進行注氣。通過整體分析可以清楚地看出，儲氣庫內部測點的重力變化與氣井注采氣壓力變化基本呈正相關。在儲氣庫注氣期間，庫區(qū)內部測點的重力值也隨之增大； 在儲氣庫采氣期間，庫區(qū)內部測點的重力值呈現減小趨勢。但個別監(jiān)測點的重力變化與各氣井的注采壓力變化并不一致，其主要原因可能與該地區(qū)地下水開采以及地質構造分布特性有關。

圖 3 儲氣庫測點重力與注采壓力的時序變化圖Fig. 3 Time series variation diagram of gravity and injection-production pressure.a 儲氣庫井口注采壓力的時序變化圖； b 儲氣庫測點重力的時序變化圖

5 儲氣庫地下介質的密度變化特征

本文利用在地表觀測的多期流動重力變化數據，采用可約束異常體的最小體積、探尋地下密度變化及異常體空間分布的Compact Gravity Inversion(簡稱CGI)算法(Lastetal.，1983； Barbosaetal.，1994)對研究區(qū)地下介質的密度變化進行研究。重力反演在深度上具有一定的多解性和不確定性。本研究在計算過程中加入了深度加權函數的約束(Lietal.，1998； Chasseriauetal.，2003)，以消除和減弱多解性和趨膚效應。

5.1 計算方法

本文所采用的CGI方法的基本原理為： 定義觀測值與模擬計算值方差最小的目標函數，并引入深度加權和模型平緩度原理。目標函數的表達式為

(1)

其中，Wm=QRm，Rm為模型平緩度矩陣表達式，即由3個不同方向的相鄰棱柱體的密度變化之差構成的矩陣；μ為拉格朗日算子(μ>0)，其可控制迭代過程中的計算值與觀測值之間的擬合程度；Q為深度加權矩陣，由式(2)給出：

(2)

一般情況下，1.5<β<2(Lietal.，1998； Boulangeretal.，2001)。為求解目標函數式(1)的最小化問題(P)=min，令(?Φ(P))/(?PT)=0，則：

(3)

通過線性方程式(3)可獲得密度變化修正量P，對修改后的初始模型進行多次迭代，直到滿足收斂條件為止。

5.2 模擬結果的可靠性分析

圖 4 最終模型的殘差統(tǒng)計圖Fig. 4 Residual statistics of the final model.

圖 5 呼圖壁地下儲氣庫的介質密度變化圖像Fig. 5 Media density change image of Hutubi underground gas storage.a 2013年11月—2014年3月； b 2014年3月—2014年10月； c 2014年10月—2015年3月； d 2015年3月—2015年10月； e 2015年10月—2016年3月； f 2016年3月—2016年10月

5.3 呼圖壁地下儲氣庫密度變化特征分析

本文基于文獻(張懷文等，2015)和前期搜集的資料獲得的該儲氣庫氣藏的中部深度為3585m，而從2013—2016年的重力資料模擬計算結果來看(圖 5)，儲氣庫介質的地下密度變化的最佳深度約為3500m，此結果與呼圖壁地下儲氣庫的氣藏深度基本吻合。且搜集到的現有資料僅給出了儲氣庫的平均深度，但從密度變化圖像(圖 5)可清晰地看出呼圖壁地下儲氣庫本身呈不規(guī)則形態(tài)，由于庫體內部應力的不均勻性，使得該儲氣庫的介質在不同深部的密度變化也不同，引起這一結果的主要原因是不同時間段儲氣庫注采壓力差異?？梢?，通過重力資料可以清晰地反映出地下儲氣庫的形態(tài)及介質密度隨注采壓力響應的變化全過程。

比較圖5d 和5e 可知，這2個時間段內的地殼密度變化反演結果差別較大，該現象可能與2016年12月8日呼圖壁6.2級地震的發(fā)生密切相關。該地震的震中距離儲氣庫不到50km，在地震發(fā)生之前，儲氣庫及周邊地區(qū)受到了不同程度的構造應力作用，也使該地區(qū)的地殼物質密度受到較大影響，而呼圖壁儲氣庫因注采壓力引起的重力變化與該地震構造應力引起的物質運移的程度相差較大，導致2015年10月—2016年3月儲氣庫內部的密度變化程度明顯增強。隨后，在2016年10月前后，該地區(qū)周圍的構造應力得到松弛，使得重力場出現反向調整，隨即發(fā)生了呼圖壁6.2級地震。由此推斷，該地震可能是造成上述2個時段內密度變化差異較大的主要原因。

6 呼圖壁地下儲氣庫的靜態(tài)結構反演

本文搜集的相關資料及通過實測重力數據得到的密度反演結果均顯示，呼圖壁地下儲氣庫的最大深度約為3.5km。為了更清晰地了解儲氣庫地下結構形態(tài)，本文基于布格重力異常結果對庫體內的靜態(tài)結構進行了初步反演，其中，反演場源模型單元的尺寸為1000m×1000m×200m，并繪制了呼圖壁儲氣庫3.5km深度的地下靜態(tài)水平結構形態(tài)分布圖(圖 6)。

圖 6 呼圖壁儲氣庫的地下靜態(tài)水平結構形態(tài)分布圖Fig. 6 Static structure distribution of Hutubi underground gas storage.

反演結果(圖 6)顯示，地下儲氣庫氣腔3.5km深處內部結構的形態(tài)基本清晰可見，腔內的剩余密度比腔外地殼物質的密度更小，腔體呈現不規(guī)則的結構分布特征，且儲氣庫東部表現出的地殼密度虧損較為嚴重，說明該區(qū)域的腔體容量相對西部更大，即為“空穴”。通過調查發(fā)現，儲氣庫內大部分油氣井分布在其東部區(qū)域，這與模擬結果較為吻合，且模擬反演的地下儲氣庫的形態(tài)和地表所標注的儲氣庫的界線基本相似，但儲氣庫內部應為不規(guī)則分布形態(tài)，腔體內部的氣體會隨著孔隙不斷進行“游離”。

7 結論與討論

7.1 呼圖壁儲氣庫的重力變化與注、采氣的響應關系

呼圖壁儲氣庫內部測點的重力變化與氣井注采氣壓力密切相關。當儲氣庫內各井口處于注氣階段時，氣體導致腔體擴容，同時氣體也進入巖石孔隙內部，導致腔壁受到較強的構造壓力，使儲氣庫腔體底部產生短暫的、較強的向下構造應力，在地表表現為測點重力值的增大。當儲氣庫向社會進行輸氣，即儲氣庫處于采氣階段時，庫區(qū)內部的測點重力值則呈現減小的趨勢。另外，呼圖壁儲氣庫內部及附近地區(qū)存在許多水井，農業(yè)、工業(yè)用水較多，尤其是農業(yè)用水，需要抽取地下水澆地、灌溉。在儲氣庫注采階段，重力變化也將受到地下水、地表變化及天山地區(qū)構造應力等外界因素不同程度的影響。通過研究發(fā)現，地下水開采形成局部漏斗狀下陷面，引起地表沉降等問題，而在地表超采中心點沉降幅度最大。通過觀測不難發(fā)現，儲氣庫北側位于耕地附近的觀測點受地下水抽采以及農作物灌溉的影響較儲氣庫其他區(qū)域更大，位于抽水灌溉井中心及鄰近區(qū)域的測點呈現明顯的漏斗狀。由此可見，由于抽水灌溉井引起的地下水超采對地表產生的垂直向變形的影響是不可忽略的。在未來的工作中，將考慮如何剝離地下水、地表以及同震效應等因素的影響，以便更深入地分析重力變化與注采壓力二者之間的響應關系。

7.2 呼圖壁儲氣庫地下介質密度的變化及庫體構造形態(tài)特征

致謝新疆油田公司、克拉瑪依石油設計院、中國石油大學克拉瑪依分校等為本研究提供了寶貴的數據； 審稿專家對本文提出了建設性意見和建議。在此一并表示感謝！