利用剪切波分裂研究储气库注采气过程中的地下应力变化

During the injection and withdrawal operations of underground gas storage, changes of wellhead pressure could reach tens of MPa, resulting in changes in subsurface stress and thus seismicity. Therefore, investigating the subsurface stress is important for both safe production of gas storage and evaluation of seismic safety in adjacent areas. Targeting the Hutubi Underground Gas Storage, one of the largest in China, we intend to investigate the spatial and temporal variations of subsurface stress, using seismic datasets our group accumulated. Our research consists of the followings: 1) Relocation of seismic events observed during 2013-2018; 2) Shear wave splitting analysis of relocated events to obtain the spatial and temporal distribution of anisotropic features in the study area; 3) Evaluation of the relationship between wellhead pressure change and shear wave splitting parameters, combined with the wellhead pressure and numerical simulation, then assessment of mechanism of changes in subsurface stress. This study will benefit the understanding of the influence of anthropogenic activities on subsurface medium.

天然气储气库“注采”过程中，井口压力变化高达数十兆帕，会导致气田地下介质压力的变化，并进而改变周边地震活动性。因此，研究储气库及其周边的应力变化对储气库的安全生产及邻区的地震安全性评价有重要意义。本项目拟以国内最大的储气库之一呼图壁储气库为研究对象，利用项目组多年的地震观测资料，以剪切波分裂为“应力计”研究呼图壁储气库周边应力的时空演化。具体研究内容如下：1) 对2013 - 2018年6年的观测事件进行重新定位；2) 对重定位后的地震开展剪切波分裂研究，获得研究区域浅部地壳各向异性特征的时空分布；3) 结合井口压力资料和数值模拟，分析井口压力变化和剪切波分裂参数的关系，进而探讨储气库注采对地下应力变化的影响。本研究对理解人类活动对地下介质的影响有重要意义。

储气库在注采气时，井口压力会产生数十兆帕的变化，将对周围地下介质应力环境产生影响，地震活动增多。因此，亟需对气库及其周边进行应力变化的监测和安全生产评估。本项目采用呼图壁储气库研究该地区的应力时空演化关系。通过对气库周边架设的24个流动台站记录（2013年6月 - 2017年4月）的3084个地震记录进行剪切波分裂计算，我们获得1900个剪切波分裂结果。结果显示，呼图壁储气库地区的平均快波偏振方向为NNE向，平均慢波延迟时间为0.156 s。其中，气库内部及邻区台站的快波偏振方向多集中在NNE向，和该区域的主压应力方向一致。距离气库较远地区的台站快波偏振方向较离散，有NNW向，和呼图壁断裂带走向较一致。结合井口压力资料，分析慢波延迟时间和井口压力随时间的变化关系发现，2014 - 2015年期间，慢波延迟时间和井口压力的变化趋势较一致，即在注/采气期时，井口压力和慢波延迟时间都逐渐变大/小。2016 - 2017年，周边微震频发，获得的剪切波分裂结果较多，难以看出它们之间的趋势性变化关系。以月为单位的平均慢波延迟时间显示，在此期间，平均慢波延迟时间在极大值和极小值之间多次出现，和井口压力变化无明显趋势性关系。考虑到储气库运行时对地下应力影响范围有限，将研究区域根据距离气库位置分为三个，并分析各区域内月平均慢波延迟时间变化情况。研究发现，在气库内部及周边台站的月平均慢波延迟时间变化幅度最大，距离气库越远区域的变化幅度越小。在距离气库5 km以外地区的地下应力环境受气库影响已较弱。年份上，自2014年至2017年，平均慢波延迟时间变化幅度在逐渐变小。说明随着气库运行，对地下介质应力环境的影响在减弱，可能进入稳定生产阶段。后续需要补充更长周期的地震观测记录来验证当前变化趋势，但当前的发现对气库安全生产提供了一种重要参考依据。