甘肃地震局研究团队揭示全球79个干热岩项目诱发地震活动和风险管控

　　干热岩地热资源在开发过程中，通常伴随着地壳应力状态的扰动，部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件，甚至造成明显灾害。

　　近日，甘肃省地震局蒋长胜研究员团队系统梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例，整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展，揭示了干热岩开采存在的问题与技术趋势，并对我国干热岩开采诱发地震防控方面提出了应采用的技术措施。这项成果于11月10日以《全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控》为题发表于《地球物理学报》，尹欣欣博士为第一作者。

　　地热能是一种清洁的可再生能源。据统计，开采深度在数千米之内的深部地热能，主要是地壳3~10 km深度的不含水或少量含水的干热岩地热能，占全球地热资源的90%。保守估计全球蕴含的干热岩资源储量相当于全球所有石油、天然气和煤炭储藏能量的30倍。由于干热岩埋藏深、温度高，已成为世界各国地热能开发的重点。

　　但干热岩开采目前在全球范围内尚未形成完全的商业化，其中一个重要因素就是受到诱发地震的影响。

　　目前全球的干热岩开采主要采用增强型地热系统(EGS)的方式进行，主要通过人工在渗透率较低的干热岩中建立热储，通过冷水注入再回抽，带出干热岩中的热能，利用抽出的热水进行热电交换。EGS的主要步骤包括：资源勘探与评估、开采/回注井钻探、储层建立、注入井和生产井循环采热、电厂运行、储层维护，实现的主要技术环节包括干热岩资源的靶区定位、储层建造或改造、微震示踪、能源转换等等。

　　干热岩开采站点简单示意

　　一、主要认识

　　研究人员通过整理、分析可获得数据信息的全球79个干热岩开发项目的注水与相关诱发地震数据，对国际上关于干热岩开采诱发地震研究现状的分析表明：

　　(1) 在全球干热岩开采尤其是利用EGS技术建储的项目中，诱发地震最大震级超过2.0级的占68.8%、超过3.0级的达到31.2%，其中最大的诱发地震事件达到MW5.5。鉴于诱发地震活动的普遍性，减轻地震灾害风险成为干热岩地热资源开发不可回避的重要事项。最大震级的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段，破坏性地震的发生主要与过井断层或井场周围断层的活化有关。

　　(2) 干热岩开采诱发地震的成因机理，由于涉及到固-液-热-化学等多场耦合过程，包括孔隙压力扩散、温度变化、流体注入和回采导致的体积变化、裂隙表面的化学性质变化、地震之间相互作用等多种因素，都可能是诱发地震的成因.通过对已有机理认识的震例分析表明，这些震例均为多因素和多机理共同作用。目前对流体注入时的诱发地震发生机理，已发展了摩尔-库仑和库仑应力变化准则、临界压力和速率-状态依赖性摩擦本构关系、自电场等理论框架。关井后仍发生诱发地震的尾随效应，是目前减轻干热岩开采诱发地震灾害风险的重大难点、尚无完全成熟技术参照，科学上正在积极探索利用孔隙压力扩散、断层闭合、热力过程变化等机理解释研究.

　　(3) 在诱发地震减灾措施上，目前已尝试采用在开采前进行地震风险评估与生产许可、建立诱发地震监测台网、采用实时风险管控技术系统等措施，研发了前瞻性的统计预测和物理预测方法.由于全球EGS项目的场地地质条件和地震活动水平的巨大差异，累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系，但注水速率 < 50 L/s有利于限制3.0级以上地震的发生，对具体的EGS项目应采用“一井一策”的前瞻性预测和风险管控方案。

　　(4) 在缓解诱发地震灾害风险上，学术界和工业界开展了面向限制地震发生的流体注入策略、及时对注采策略进行验证校准、持续性的地震活动监测和施加缓解措施等探索实践，但这些缓解诱发地震灾害风险的技术有效性仍有待更多的检验，总体上属于将现有科学知识用于最大限度缓解灾害风险的尝试阶段。

　　二、干热岩开发存在的问题和技术趋势

　　综合来看，当前在干热岩开采活动中减轻诱发地震灾害风险仍面临一些难点问题，包括：

　　(1)对地下应力状态的量化分析。这包括需要了解地下初始应力状态、由于流体注入而引起的应力时空演化，以及断层失稳的应力临界阈值.而为了理解孔隙压力耗散、热扩散以及化学矿物学和孔隙弹性变化等对预存断层的局部应力状态的影响，也必须获得量化的应力状态。但由于干热岩开采过程涉及到固-液-热-化学等多场耦合问题，应力状态的量化仍然是非常具有挑战性的难题。

　　(2)断层系统复杂性及其影响。断层系统的复杂性限制了对流体注采诱发地震的预测能力.尽管可以定性地确认流体的注入改变了地热储层的应力场，大多数诱发地震也确实发生在储层内，但是对注入流体与断层系统之间相互作用的评估和解释仍难度极高。对基岩的地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别，目前在勘探地球物理学领域仍属于难点问题.而事实上，目前的破坏性诱发地震也主要是与盲断层的活化有关，储层以外的偏远断层系统也常控制着诱发地震的持续发生。

　　(3)科学合理的流体注入策略。尽管目前在红绿灯系统(TLS)中已经采用了多种模式的缓解地震灾害风险的流体注入策略，以及采用基于疲劳水力压裂和多阶段水力压裂理论的流体注入策略也得到尝试，但包括CCS措施并没有阻止韩国浦项(Pohang)MW5.5地震的发生.这使得持续地开展更广泛的流体注采参数对诱发地震活动影响研究，探索真正可有效减轻诱发地震灾害风险的注采工程措施，仍极为必要。

　　目前一些新技术的应用，为突破干热岩开采过程中减少诱发地震灾害风险的科学瓶颈提供了新的思路。例如，利用穿透式雷达和光纤传感器监测地热储层注采过程的研究，利用物联网(loT)和深度学习算法实现在真实温度压力条件下实时感知、测量和传输信息，利用深度神经网络和卷积神经网络等深度学习技术提升诱发地震事件预测的准确性，探索利用超临界二氧化碳作为注入的热交换载体技术，以及评估其对诱发地震的影响等等。

　　在前瞻性预测方向，从统计预测模型、物理预测模型以及借鉴两者优缺点的混合型模型(hybrid model)也在持续开发探索中。

　　然而，系统性地解决干热岩开采诱发地震成因机理、减轻地震灾害风险的有效管控措施等问题，仍是长期且艰巨的过程.作为潜力巨大的绿色新型能源，干热岩开采活动未来也必将突破商业上完全成熟可行的各类问题，以安全、环境友好和可持续发展的方式开发利用。

　　三、对我国干热岩开采诱发地震风险防控的启示

　　我国干热岩储量丰富、开采潜力巨大。目前已在青海贵德-共和盆地、福建漳州、松辽盆地、四川康定、山东利津、海南北部、河北乐亭等开展试采工作和规模化压裂。

　　在EGS建储相关的诱发地震研究和风险管控技术体系建设上，相比北美、欧洲和澳洲等地区，我国总体起步较晚、尚未系统开展。鉴于当前全球在干热岩开采活动中减轻诱发地震灾害风险仍面临难点，为确保能源战略顺利实施和社会公众的地震安全保障，我国亟待开展相关研究、迎头赶上。

　　其中应采用的与开采施工活动相关的技术措施包括但不限于：

　　(1)由于我国大陆地区尤其是西部地区的构造变形剧烈、地层差应力大，利用EGS技术的干热岩储层建造，面临诱发地震灾害的风险较大.应对开采场地进行地震安全性评价，井场应尽量远离具备发震能力的活断层、对已知断层开展滑移趋势分析，开展施工前的地震灾害风险评估；

　　(2)在开采场区建立完善的地震监测系统，包括采用地面与深井相结合的高精度微震监测网络、覆盖周边有人居住区域和重大基础设施的强震动监测网络，以及电磁法等和重力观测网络，开展实时地震监测速报，测定震源机制和应力降等震源参数、监控注入流体运移状态、建立地震动衰减关系；

　　(3)建立诱发地震灾害风险管控红绿灯系统，利用统计模型、物理模型和混合模型相结合的方式实施前瞻性的诱发地震危险状态分析，开展地震灾害风险情景构建和动态的地震风险评估，建立开采企业、能源监管机构、地震行业部门、地方政府联动的风险管控和应急处置体系。

　　此外，在基础研究和应用研究领域，应加强诱发地震机理的室内实验和理论研究，发展注采施工期间介入式的诱发地震控制、多模式的流体注入策略、诱发地震灾害风险缓解措施、考虑诱发地震灾害风险的区域地震区划等关键技术，加强关井后的尾随现象、地下应力状态量化分析、固-液-热-化学多场耦合等关键问题的科技攻关。

这项研究得到了中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项、中国地震局地震科技星火计划项目、甘肃省科技计划的资金支持。

引用格式：尹欣欣, 蒋长胜, 翟鸿宇, 等. 全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控. 地球物理学报, 64(11): 3817-3836, doi: 10.6038/cjg2021O0448.

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