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​防灾减灾宣传周|“双碳”目标中的地震减灾

来源:中国地震局地球物理研究所 发布时间:2022-05-11

01、“双碳”目标的内涵及有效途经

在工业革命后的200多年中,全球化石燃料消耗的快速增长使得大气中的CO2浓度迅猛增高,由此带来的温室效应给人类的发展带来了前所未有的挑战。2015年,“巴黎协定”提出在本世纪下半叶实现温室气体净零排放,这一目标需要全球的碳排放量在2050年减少50%以上,而要实现避免全球变暖1.5°C的目标则需要达到80%的碳减排量。2020年9月22日,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。为实现这一“双碳”目标,CO2捕集、利用和储存(CCUS)技术对于减少大气中的二氧化碳排放至关重要,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)等许多其他国际机构也证实没有CCUS就无法实现国际气候变化目标。

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图 1 CCUS基本构架 (Global CCS Institute)

在CCUS的“封存”环节,CO2地质封存利用枯竭油藏和气藏、陆上与海底咸水层对工业生产排放的CO2进行封存,实现减碳目标,是CCUS技术组合中的一种重要技术手段。在CCUS的“利用”环节,以合理的成本大规模利用二氧化碳来提高工业生产能力、同时兼顾二氧化碳减排,此类应用包括提高石油采收率(CO2-EOR)、天然气采收率(CO2-EGR)、煤层甲烷采收率(CO2-ECBM)、页岩气采收率(CO2-ESGR)、地热能采收率(CO2-EGS)和原地浸铀采收率(CO2-IUL)等(图 1)。为了实现CO2减排的最终目标,封存和利用环节中所涉及的气体泄露和诱发地震灾害问题是工程项目设立阶段及长期运行阶段主要关注的问题。


02、CCUS与诱发地震灾害

在CO2地质封存项目中,超临界状态的CO2注入会使储层膨胀与孔隙流体性质变化,盖层岩石破裂,从而一定程度影响目标储气层、覆盖层或者周边地壳介质的稳定性,引发人为断层激活现象。受到地层应力状态和断层形态的影响,处于临界应力状态的小断层虽然无法触发大的地震,但仍可引起一定震级的可感知地震(2.0<M<3.9),因此在场地的筛选阶段必须考虑潜在的隐伏小断层对于未来封存场地安全性的影响。相比盐水层封存,枯竭的石油和天然气储层存在油井和管道等基础设施,并且有大量的地质和地球物理特性数据可以用来描述几十年油气开发过程的地下特征,而枯竭油气藏地层的相对负压状态也进一步降低了CO2封存过程中因地层孔隙压力上升而诱发地震的风险,这些因素使得枯竭的石油和天然气储层可能更适合进行二氧化碳地质封存。相对于增强地热系统、非常规油气开发和季节性地下储气库工程等,CO2地质封存示范场地和大规模开发场地目前没有观测到较大震级的有感诱发地震,这主要是由于有效的流体注入压力控制使得发生有感地震的风险变得十分小。

在一系列基于CO2利用技术的地质能源工业活动中,需要采用更高的流体注入压力与流体注入速率对非常规油气储层或者干热岩储层进行压裂改造,这对地层的稳定性与有效控制诱发地震灾害提出了更高的挑战。相对于CO2地质封存,在多种地质能源工业活动中,保持地层的稳定性与制造更大范围的储层改造空间有着难以取舍的矛盾。从提高气体封存量和经济效益的角度分析,发生在储气层中的无感诱发地震(M<2.0)能够增强地层的渗透性,从而对地质能源活动产生积极的意义。但是,发生在覆盖层中的各类诱发地震将会破坏盖层的密封性,从而引发封存气体泄漏,这是各类地质能源工业活动中必须要避免的。此外,有感诱发地震在带来建筑财产损失的同时更使得当地的居民产生严重的不安情绪,这也是部分地质能源工业活动暂停或者取消的主要原因。

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图 2 CO2地质封存场地中的潜在地震风险与监测手段(Verdon etal., 2013)


03、诱发地震减灾措施

采用科学合理的地球物理监测手段与地震风险管控措施是各类CCUS项目实施过程中减轻地震灾害威胁的重要途经(图 2)。首先,项目实施前的地震风险评估需要给出预期最大震级与长期监测计划,从而保证整个项目实施过程得到有效的监控。其次,实时的诱发地震监测台网除了使用地震计、强震动仪、地表浅井与深井阵列等地震监测技术设备外,重力与电磁法监测技术也是评估CO2羽流运移特征的有效手段。最终,在破坏性较大的诱发地震发生前利用多学科监测数据实现前瞻性预测,建立地震灾害风险预警“红绿灯”系统(TLS)从而实时分析地震灾害风险,采用震级、PGV或地震风险评估值等阈值,以及开采区社会公众的风险可接受程度来确定风险等级(绿、黄、橙、红等),根据诱发地震实际发生情况或前瞻性的向前预测来及时调整施工流程,从而实现减轻CCUS项目诱发地震风险(图 3)。除了及时对诱发地震灾害风险进行监测、评估与前瞻性预测外,对出现了不同等级警报后,还应采取具体的缓解风险措施。通过控制流体注入速率(排量)、注入总量、井口压力等工程措施实现减轻诱发地震灾害风险。当红绿灯系统出现风险等级最高的红色警告时,一般会采用直接停止注入作业和关井的方式,并在地震活动恢复至背景水平后,经过相关监管部门批准方可复工。

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图 3 诱发地震风险管控红绿灯系统(TLS)的总体技术框架(姜丛 等,2021)


04、存在的问题及对策

但是,CCUS所涉及的复杂应用场景目前面临众多的基础科学问题与工程问题。例如,地下储层中孔隙压力演化以及注入流体的性质变化会影响裂缝和断层的稳定性;低温的注入流体到达高温地层所引起的非等温效应会引起岩石收缩、热应力减小和冷却区周围应力重新分布;低渗透断层穿过注入层时引起的局部应力变化,可能降低其稳定性,最终导致断层复活;地层中的可溶性碳酸盐矿物发生的溶蚀、运移与重结晶现象所对应的地球化学效应也可触发地震。这些因素使得在当前的地震预测模型中对于成功预测诱发地震变得十分困难。因此,在基础研究和应用研究领域仍需要部署重大项目开展科技攻关,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、以及考虑诱发地震灾害风险的区域地震区划等关键技术。同时,加强对关井后的地震“尾随效应”、地下应力状态量化分析等关键问题的研究,为“双碳”目标下做好地震减灾事业提供强有力的科技支撑。此外,在政策法规方面,目前对监测方案的制定、灾害发生后的应急措施和后续处理方式等,均缺少法律法规来明确各参与方职责,亟需理顺并明确各方职责和分工并加强立法。


【参考文献】

Verdon,J.P.,Kendall,J.M.,Stork,A.L.,Chadwick,R.A.,White,D.J.,&Bissell,R.C.(2013). Comparison of geomechanical deformation induced by megatonne-scale CO2 storage at Sleipner, Weyburn,and In Salah.Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(30), E2762-E2771.

姜丛, 邱宇, 蒋长胜, 尹欣欣, 翟鸿宇, 张延保, 尹凤玲. (2021).

工业活动诱发地震风险管控的 “红绿灯系统”: 问题与展望. 地球物理学进展, 36(6), 2320-2328.

 

【作者简介】

翟鸿宇,男,中国地震局地球物理研究所非天然地震研究室,副研究员,研究方向为:水力压裂岩石物理实验、微地震监测研究等。