钻深井出气减压：疏解减缓地震—流体与地震系列谈

mt-vct · 发表于 2022-11-9 11:16

      钻深井出气减压：疏解减缓地震—流体与地震系列谈
               郑州地象科技有限公司  寇伟 13903832188
早在上世纪60年代开始就有学者提出通过流体控制地震活动、将大震化小镇的思路：在一条正在孕育着强震的断裂带上，钻若干口深井，在位于两端的深井中注入高压水，使断裂带内不断发生小地震而释放带内已积累的应力；而在中间的深井中抽水，用来把一条断裂分割成不同的段落，以此来降低震级、防止应力过于集中而发生强震。
这种思路确实有点异想天开：首先其是基于岩石的有效应力理论，即地震是断裂带内应力积累引起的，注入水后将增大断裂带上的孔隙压力、大大减弱其有效应力与抗剪强度，使其在低应力水平下“提早发生破裂”引发小震。岂不知若是加压的区段位置不对，倒有可能增大地震的震级及范围。其次，断裂带内岩层的应力不断增大，是受到流体压力作用的结果，若是注水加压的深度位置不对、与原有流体作用力方向相反，反倒是有可能增大地震的能量。三是震源深度多在5km之下的，即使是能够精准找到孕育地震的深度位置，也不可能钻那么深的井去加压诱发地震，更何况是不可能精确找到并肯定是孕育地震的位置。因此，通过钻孔注水控制地震活动来实现减灾的方法既不科学、亦不可行。
实例证明，深孔注水只能导致地震、不可能消弭大震。美国科罗拉多州丹佛地区有一工厂向3671米的深井注水，在4年内引发了710次小震、波及直径16公里；同样在科罗拉多州的兰吉利油田进行的注水试验研究，在减小注水压力—增加注水压力—抽水条件下，监测地震活动在三个阶段明显表现出减弱—明显增强—再次减弱的规律性变化。这些说明向深孔注水只会导致深部岩层压裂、应力增大，孕育到一定程度时岩层裂变迸发、使原来不可能地震的地区产生小震，使有地震可能的地区增大地下岩层破碎程度和规模、孕育出更大的地震。修建水库常常会诱发地震的机制亦为此。
国内学者总结出几个有关温泉与地震关系的规律：一是有温泉出露的地热异常区内，经常会发生中小地震，但很少发生5级以上的破坏性地震；而6级以上的强震则都发生在无温泉出露、无地热异常的区域内。二是在有温泉出露的地区，温泉的水温较高、释放热量较多的区域，不会出现5级以上的破坏性地震；而温泉的水温不高、释放热量较少的区域，则会出现5级以上的破坏性地震。三是即使是在同一断裂带上，有温泉出露的区段不会出现中等以上的破坏性地震，而在离温泉出露点一定距离以外的区段则有可能出现强震。
以上是从正反两方面说明了一个道理，流体与地震有着密不可分的联系，通过流体可以从地面向下诱发地震，而地下形成的地震是由深部流体自下而上孕育诱发而成的。深钻注水和水库诱发等自上而下的浅部流体作用，只能够破坏浅部小规模的岩体构造，所引发的都是小震、而不可能形成大震；深部的超临界流体自下而上作用时所释放的能量远高于浅部的流体，其对于岩体构造的破坏规模及程度更大，引发形成的基本上都是5级以上的破坏性地震。
   诸多实例证明，通过温泉出露出气散热确实可以起到疏解减缓地震活动及震级的作用。高温地热资源丰富的西藏羊八井，在其所处的羊八井—当雄—谷露地堑上，历史上出现过多次大地震，最近的一次是2008年在距羊八井40公里羊易的6.3级大地震，但是在温泉出露高温异常的羊八井却从未报道过有地震活动。
其实出露温泉可以降解地震的机理很简单：有温泉出露处的断裂带深部的超临界流体所处深度位置靠上，与无地热异常的区段相比高温高压热源凸起、更接近地壳浅层。之所以能够加热浅层裂隙水，除了热源靠上之外，温泉下构造内破碎程度较高、裂隙发育好且深度较大，下面的超临界流体从细小裂缝中转换成气态不断向上渗透，加热上层低温含水层、直到地表出露散发热量，从下到上形成了高能流体出气释压降温的通路。
出露温泉就像是高压锅的减压阀，断裂构造内连通性越好，减压阀的限压阈值越低，释放高温高压能量的效果越好，锅内聚集的能量值就被限制在一个较低的阈值区间内，安全性就高。相反，若是断裂构造内连通性差，上下通路基本上都被堵死了，相当于高压锅的减压阀限压阈值高、或基本上减不了压，聚集在深部容质空间内的高温高压能量越来越多，一旦超出了圈闭岩层的承压极限值，就会强制性崩裂爆发形成地震。
基于出露温泉降解地震的机理，人们可以在有地震可能的断裂带上钻深井，相当于给断裂带下深部孕育地震的高能流体开通一个出气孔，使其释放出的气体能够穿过断裂构造内圈闭岩层的细微裂隙进入上层蓄水空间，降低压力、加热低温水。通过不断抽取地热水循环换热降压，使得深部高能流体能够不断释放聚集的高温高压能量，减缓岩层累积应力应变直至崩塌导致地震的周期。若是连通性好、释放能量足够多的话，深部流体与岩体间基本上能够维持稳定的动态平衡状态，就还有可能疏解地震、或由大震变成小震。
当然，若要钻出的深孔能够达到疏解减缓地震的效果，需要做到以下几点：
（1）通过地质分析和物探手段，摸清断裂带的基本情况，选择断裂带上破碎规模较大的错动区段、断裂交汇区段进行重点勘探，找到断裂构造深度较大、裂隙发育较好的区域确定为勘探定井靶区。
（2）在靶区内找到断裂构造的中心位置及走向，至少看清1万米之下是否有基本连续的含水裂隙，选择 1万米之上含水裂隙明显发育、且连通性较好的位置定井，保证深部流体的上行通道基本连通。
（3）在无地热异常区域的钻井深度至少应为3000米，而且要确保固井2000米之下有多个含水裂隙层、且有一定的出水量，出水温度必须达到低温地热资源中的热水温度60oC以上的标准。2000米之下没有水说明裂隙不通，就带不出深部逸出的气体、达不到出气的效果；温度达不到60oC、没有一定的出水量，就起不到释压降温的作用。

                              2022年11月9日