Main Mechanism and Influencing Factors of Earthquakes Induced by Hydraulic Fracturing for Shale Gas Exploitation
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摘要: 随着水力压裂技术的发展与应用，各地区页岩气开采区的地震活动显著增强，且中等以上地震明显增多，严重影响工业和人类活动，为确保安全、绿色的页岩气开采，避免或减少破坏性地震活动，研究诱发地震机理和影响因素具有重要意义。为此总结美国、加拿大和我国典型页岩气开采区地震活动特征，并结合断层力学与莫尔-库仑破坏准则，较为系统地分析了目前对水力压裂技术诱发地震机制的主要认识，以及诱发地震的影响因素。研究结果表明，基于莫尔-库仑准则可以在宏观上解释注入式诱发地震活动，断层面摩擦系数、正应力、剪切应力和孔隙压力的变化都可能影响诱发地震活动的发生；在断层与诱发地震相对关系方面，地震活动有3种诱发机制，包括孔隙压力作用下的断层活化、孔隙弹性效应导致的断层活化、无震滑动引起的断层活化；诱发地震活动不仅与流体注入参数有关，还取决于区域断层孕震情况和应力状态等条件。目前由于影响水力压裂作用下断层剪切破裂起始及扩展的因素尚不完整，同时也缺乏有力的试验验证，有必要开展水力压裂试验工作，模拟页岩气开采过程中流体加载和应力边界等条件，进一步确定断层剪切破裂的驱动机制和关键影响因素。Abstract: With the development and application of hydraulic fracturing technology, the seismic activity in shale gas mining areas in various regions has obviously increased especially those above moderate level, seriously affecting industrial and human activities. In order to ensure safe and green shale gas exploitation and avoid or reduce destructive seismic activity, it is of great significance to study the mechanism and influencing factors of hydraulic fracturing induced earthquakes. By summarizing the seismic activity characteristics of typical shale gas mining areas in the United States, Canada and China, and combining fault mechanics and Coulomb-Mohr failure criteria, this paper systematically sorts out the main mechanisms and the influencing factors of hydraulic fracturing induced earthquakes. The conclusion and analysis show that injection-induced seismicity can be explained macroscopically based on Coulomb-Mohr criterion, and the changes of friction coefficient of a fault, normal stress,shear stress and pore pressure in reservoir area can affect the occurrence of induced seismicity. From the relative relationship between faults and induced earthquakes, there are three possible mechanisms: the first is the fault activation caused by pore pressure change, the second is the fault activation caused by pore elasticity effect, and the third is the fault activation caused by aseismic slip. Induced seismicity is not only related to fluid injection parameters, but also depends on conditions such as seismogenic background and stress state of regional faults. At present, due to the incomplete factors affecting the initiation and propagation of fault shear fracture under hydraulic fracturing, and the lack of strong experimental verification, it is necessary to carry out hydraulic fracturing experiments to simulate the conditions such as fluid loading and stress boundary during shale gas production, and further determine the driving mechanism and key influencing factors of fault shear fracture.
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引言
随着能源需求的增加以及美国“页岩气革命”的成功推进，页岩气已经成为目前世界上重要的非常规能源之一。页岩气开发已有200多年的历史，目前已进入快速发展期。据统计，在全世界142个盆地中有超过680多处的页岩气资源，页岩气资源约456×1012 m3，约为当前常规天然气探明储量的2.46倍（Rogner，1997）。
美国是世界上最早勘探开发页岩气的国家，1997年首次采用水力压裂造缝，2003年以后，美国页岩气产量大幅度增长，处于快速发展阶段，2018年页岩气产量达到6×1011 m3，占美国天然气总产量的58%。加拿大从2003年开始页岩气开采，2005年产量已超过8.5×108 m3，2015年达到了4.24×1010 m3。随着页岩气开采技术的发展，页岩气逐渐成为开发潜力大的非常规能源。
我国页岩气资源分布面积广、开发潜力大、发展速度快，2007年开始与美国开展页岩气开采合作，随后建设了长宁、威远和昭通国家级页岩气示范区，至2020年页岩气产量达到2×1010 m3（邹才能等，2021），据现有资料估算（方小美等，2011），我国页岩气资源约为2.6×1013 m3，而2011年美国能源信息署（EIA）预计的产量更大，认为我国页岩气技术可采储量3.6×1013 m3，页岩气开采将成为我国应对能源需求增长的重要举措。然而页岩气开采中也存在许多风险和难题，其采用的关键技术——水力压裂技术虽可提高油气开采效率，但在页岩气开发活动中可能诱发地震活动，全球地区水力压裂诱发地震活动典型事件如表1所示。
表 1 各地区最大水力压裂诱发地震事件（Atkinson等，2020）Table 1. The largest seismic events for hydraulic fracturing by region (from Atkinson et al., 2020)地区 最大震级/级 时间/(年-月-日) 中国，四川盆地（Lei等，2019） ML5.7 2018-12-16 加拿大，British Columbia，Fort St. John（Mahani等，2019） ML4.5 2018-11-29 美国，Texas（Fasola等，2019） M4.0 2018-05-01 加拿大，Alberta，Red Deer（Schultz等，2020） ML4.2 2019-03-04 加拿大，Alberta，Fox Creek（Eyre等，2019a，2019b） M4.1 2015-01-12 加拿大，British Columbia，Horn River（Farahbod等，2015） ML3.8 2011-05-19 美国，Ohio（Brudzinski等，2019） ML3.7 2017-06-03 美国，Oklahoma（Maxwell等，2009） ML3.6 2019-07-25 迄今为止，全球已经完成约250万口页岩油气井水力压裂，其中发生了约27起较大地震（Foulger等，2018）。由表1可知，美国页岩气水力压裂诱发的较大震级地震为Oklahoma和Ohio的多次ML>3地震事件，加拿大Alberta页岩气开采区也发生了多次ML>4地震事件，同样，我国四川盆地页岩气开发区自页岩气开采以来诱发地震活动明显增强，且发生了多次震级在5级以上的中强地震（Meng等，2019）。
页岩气的长期或者快速开采会导致地层压力下降，同时也会增加覆盖层垂向应力，导致原有断层可能被激活，如图1所示。储层水力压裂和开采会导致储层地质体内的流体赋存状态发生变化，地下流体的改变会导致周围固体介质以及应力环境发生变化，包括储层内孔隙压力、有效应力、地应力、岩石固体介质结构等（Morton等，2006）。这种变化产生的负面效应反映为断层滑动，进而导致诱发地震活动，因此了解和研究水力压裂诱发地震机理及诱发地震影响因素尤为重要。本文通过对典型页岩气开采地区开采前后诱发地震特征的分析，整理了目前对水力压裂技术诱发地震机制的主要认识，并结合实际工程案例，分析了诱发地震的主要影响因素。
图 1 可能引起地面沉降和断层活化的油气开发地下活动（Morton等，2006）Figure 1. Oil and gas development subsurface events that may induce land subsidence and reactivate faults (from Morton et al., 2006)1. 诱发地震
诱发地震区别于天然地震，天然地震一般指结构层发生断裂，释放地壳应变和能量的过程，天然地震的发生一般具有不确定性，天然地震的应力场具有较大的空间变化尺度，因此难以观测地震前兆。诱发地震指其应变直接由外来应力或孔隙压力变化导致的地震（Li等，2007）。目前在利用水力压裂技术开采页岩气的工业活动中可以观测到诱发地震活动，而该技术的应用会导致开采区地震活动加剧（McGarr等，2002），Ellsworth（2013）和van der Elst等（2013）的研究也表明水力压裂技术可能会诱发地震活动。
1.1 美国页岩气开采区诱发地震特征
美国中部与东部页岩气开发区在2009—2015年之间发生3级以上地震数目增加（图2），仅2014年3级以上地震数目达688个，而1973—2008平均每年只有24个（Rubinstein等，2015）。以美国Oklahoma地区为例，该州从2009年开始地震活动明显增加，2009年前几乎没有地震活动，而到2015年3级以上地震活动超过900次（Walsh等，2015；Langenbruch等，2016），且2009—2016年Oklahoma 3级以上诱发地震活动2 250次，释放的总能量等同于2000年以来该州发生的天然地震总能量。Llenos等（2013）将传染型余震序列模型（ETAS）与Oklahoma地震目录进行拟合分析，发现该地区大部分地震由外力因素引起。同时其他的研究表明，Oklahoma地震活动与水力压裂和废水回注有关，其中通过分析2010—2016年诱发地震与水力压裂的关联性，发现274口井的压裂作业与诱发地震相关，且期间诱发了700个2级以上地震，废水回注会在几个月甚至几年之后诱发地震活动，注水会影响地质层和基底结构，使原断层滑动（Ellsworth，2013；Skoumal等，2018）。在美国页岩油气开采的其他地区，如Arkansas、Colorado、New Mexico、Texas、Virginia等州地震活动性明显加强（Atkinson等，2020）。
图 2 美国中部与东部1973—2015年3级以上地震数目（Rubinstein等，2015）Figure 2. Number of M≥3 earthquakes in the central and eastern United States from 1973 to 2015 (from Rubinstein et al., 2015)1.2 加拿大页岩气开采区诱发地震特征
加拿大得益于水平井多段压裂技术的发展，页岩气产量不断增加，然而自采用该技术开采页岩气后，开采区的地震活动明显增加，如2009年以后位于加拿大哥伦比亚省的霍恩河（Horn River）地区发生了多起ML>3水力压裂诱发地震事件（Farahbod等，2015）。同样，位于加拿大阿尔伯塔省的Fox Creek地区监测到的地震活动明显增加（Schultz等，2017；Wang等，2017），如图3所示，2010年开始注水压裂，2013年开始该地区地震发生频率出现陡增，之后该地区地震活动与注水压裂活动几乎同步发生，研究认为，水力压裂与地震活动在时间、空间上具有关联性，且水力压裂是诱发该地区地震活动的主要因素（Bao等，2016）。Atkinson等（2016）通过分析加拿大地震记录数据库，对加拿大西部沉积盆地水力压裂和废水回注与地震活动的相关性进行了研究，同样认为水力压裂技术在该地区诱发地震活动中占主导地位。
图 3 Fox Creek西南地区100 km以内累计震级大于2.5级地震事件（Schultz等，2017）Figure 3. Cumulative number of earthquakes greater than magnitude 2.5 within 100 km of the southwest of Fox Creek (from Schultz et al.,2017)对加拿大诱发地震的研究认为，页岩气开采区地震活动与孔隙压力、基底距离和地应力等因素密切相关，同时也受到液体注入参数的影响（Eaton等，2018；Pawley等，2018；Schultz等，2018）。
1.3 我国页岩气开采区诱发地震特征
我国四川盆地是与页岩水力压裂相关的另一个具有较强发震潜力的代表地区。2008年后我国逐步开始了页岩气的开采（邹才能等，2021），并在2014年开始了规模化页岩气开采工作，我国页岩气产量不断增加，与此同时，页岩气开采区地震发生频度大幅度上升（Meng等，2019；何登发等，2019；刘贺娟等，2022），且发生了多次较大震级地震，如表2所示。
Table 2. Statistics of maximum magnitude of earthquakes induced by shale gas exploitation in Sichuan Basin (from Lei et al., 2017，2019; Meng et al., 2019)地点 纬度/（°N） 经度/（°E） MW 时间/(年-月-日) 震源深度Z/m N201～H24井场，兴文县 28.21 104.93 5.2 2018-12-16 3 090 N201～H18井场，珙县 28.20 104.70 4.8 2019-01-03 1 840 H7井场，珙县上罗镇 28.13 104.75 4.67 2017-01-28 1 800 威远县 29.52 104.83 3.4 2016 3 090 2015年开始，四川盆地昭通和长宁页岩气田地震活动明显增加（图4），且大多发生在页岩气区块内，如图4（b）所示，通过分析昭通、长宁地震活动规律发现，与美国（图2）和加拿大（图3）各地区地震情况相似，都是在采用水力压裂作业之后地震数目增加。Lei等（2017）通过分析上罗、威远页岩气开采区发生的地震，发现该地区的页岩气开采时间和地震活动之间有一定的关联性。2018年12月16日在与四川省长宁页岩气开采区相邻的宜宾市兴文县发生了ML5.7地震，2019年1月3日珙县也发生了ML5.3地震，Lei等（2019）研究发现这2次地震都位于水力压裂水平井深度，且通过传染型余震序列模型（ETAS）分析可知89%的余震为外来应力作用结果，因此认为这2个地区的诱发地震活动都是由水力压裂引起的。Meng等（2019）通过处理2015—2017年昭通、长宁地区ML>1.0地震数据，对5 345个地震重新定位，发现几乎所有地震活动与水力压裂井的距离均小于5 km，7个ML>3.0级地震深度为2.5～4.0 km，且在距水平井3 km以内，在页岩层之下，地震活动与水力压裂作业在时间和空间上具有较强的相关性。
图 4 昭通、长宁地块地震活动统计（Meng等，2019）Figure 4. Seismicity statistics in Zhaotong and Changning (from Meng et al., 2019)由美国、加拿大以及我国的诱发地震特征可知，诱发地震活动与工业活动在时间与空间上都存在较强的相关性，一般在工业活动之前，区域地震活动频度较低，工业活动开始后，区域地震活动开始明显增加，甚至一些地区的诱发地震活动会在工业活动停止后的几个月内持续发生，震源深度较浅，距离工业活动区较近。因此诱发地震时空分布特征明显，局部区域的应力场与应力临界条件的突然改变，可导致一段时间、一定区域内的诱发地震活动。
诱发地震严重影响页岩气的开发和深入发展，也会影响人类社会的正常生活，因此揭示储层水力压裂诱发地震的发震机理以及诱发地震的影响因素，才能有效避免或者减少此类诱发地震的发生，减少对当地社会的影响，同时也有利于页岩气的绿色发展。
2. 诱发地震机制及失稳准则
无论是天然地震还是诱发地震，大震级地震的发生多数与断层剪切破裂密切相关，水力压裂活动可能导致断层剪切破裂，改变原生断层的应力状态，使断层的稳定性降低，从而诱发地震活动。
2.1 诱发地震机制分析
从断层与诱发地震相对关系来讲，诱发地震的可能机制有3种（Eyre等，2019a；张捷等，2021）：①孔隙压力作用下的断层活化；②孔隙弹性效应导致的断层活化；③无震滑动引起的断层活化。
孔隙压力作用下的断层活化，即流体注入导致孔隙压力增加、有效应力减小，从而诱发地震，如图5（a）所示，这是流体压力作用的直接效应，需要注意的是，断层面孔隙压力增加诱发断层活动，需要有高渗透性通道（Raleigh等，1976），但是页岩的低渗透性抑制了孔隙压力的扩散，水力裂缝通常不会从压裂井延伸到几百米以外（Shapiro等，2009），因而这种断层激活机制要求通过直接相交点或更曲折地通过天然裂隙，在水力压裂裂缝和断层之间建立渗透通道（Azad等，2017）。
孔隙弹性效应导致的断层活化，即水力压裂与岩石基质之间的孔隙弹性耦合引起应力变化而诱发的断层活化（Bao等，2016；Deng等，2016），如图5（b）所示，在断层与钻井没有直接水力连接的情况下，孔隙压力的增加引起岩石结构的膨胀，外推周围岩石（反之亦然），扰动周围应力场，使区域应力结构发生改变（Segall等，2015），进而诱发地震活动。由于产生的应力场是通过岩石结构传递的，因此不受孔隙空间低渗透性的限制，多孔弹性耦合可用来解释距离>40 km处的诱发地震活动（Goebel等，2017）。
无震滑动引起的断层活化，即孔隙压力驱动的无震滑动诱发远处断层动态破裂，如图5（c）所示，在这种情况下，水力压裂对断层区域造成的压力会对靠近受激发带的断层系统摩擦稳定部分造成慢滑（蠕变）。随着无震滑移的累积，其逐渐加载到断层中摩擦不稳定的部分，导致动态破裂（Eyre等，2019a，2019b）。已有研究表明，注入的液体或无震性蠕变的存在可能延长诱发地震活动的持续时间，导致类似群集性行为以及增强对远程触发的敏感性（Wang等，2019）。这种机制说明孔隙压力诱发的断层滑动可能出现小地震甚至不发生地震，但孔隙压力可驱动远端断层动态剪切破裂，进而诱发大的地震事件。
2.2 断层失稳准则
流体注入会使储层中的孔隙压力发生波动，这种变化会在储层中产生新的裂缝，增强储层的可注能力，但是也会影响盖层的完整性（Rutqvist等，2008；Ferronato等，2010），同时穿过储层的原生断层可能会被活化，进而诱发地震。此外，水力压裂过程中的注液也可以通过增加剪切应力或引发拉伸破坏诱发地震活动（Shapiro等，2009；Ellsworth，2013）。当注入流体温度低于围岩温度时，热弹性变形也可能诱发地震活动（Rubinstein等，2015）。常用的莫尔-库仑破坏准则可以在宏观上解释注入式诱发地震活动。
莫尔-库仑破坏准则可以用来判断断层失稳、震后的余震分布以及岩体或断层的剪切破坏（Catalli等，2013），莫尔-库仑破坏准则表达式为：
$$ {{C}} = {\tau _0} + \mu \left( {{\sigma _n}{{ - p}}} \right) $$ (1) 式中，C为库仑破坏应力；τ0为剪切应力；µ为摩擦系数；σn为正应力；P为孔隙压力；σn−p为有效应力。
断层在失稳状态下，岩石会产生变形，使断层区域应力场发生改变，相应的库仑破坏应力C表现为正变化或负变化，库仑应力变化
$\Delta {{C}} $ 计算如下：$$ \Delta {{C}} = \Delta \tau {{ - }}\mu \Delta \left( {{\sigma _n}{{ - p}}} \right) $$ (2) 已有研究表明，库仑应力变化
$\Delta {{C}} $ 可以体现断层的稳定性以及失稳、滑动趋势（Stiros等，2009；King等，2015），当库仑应力变化为正时，相应的断裂或断层接近破坏判据，易发生脆性破坏。因此，断层面摩擦系数、剪切应力、正应力和孔隙压力都能影响诱发地震活动的发生。具体来说，水力压裂可以通过如图6、图7所示4种不同的方式诱发地震活动：
图 6 断层应力状态变化及典型的破坏机理（Li等，2019）Figure 6. The typical damage mechanisms caused by change of fault stress state (from Li et al., 2019)
图 7 由于摩擦系数降低和内聚力降低而导致的断层弱化（Yeo等，2020）Figure 7. Weakening of faults due to reduction of the coefficient of friction and reduced cohesion (from Yeo et al., 2020)（1）水力压裂过程中，裂缝扩展并连接断层时，注液会提高孔隙压力，使有效正应力降低，莫尔圆向破坏包络线靠近，孔隙压力水力连通扩散引起断层活化从而诱发地震活动（Shapiro等，2009），如图6红色线所示。
（2）水力压裂过程中，裂缝扩展但并未连接断层时，流体注入扰动了固体基体应力（剪切应力和正应力），莫尔圆半径的增大可能超过破坏准则，通过应力传递诱发地震活动（Segall等，2015）如图6蓝色线所示。
（3）注入压力超过岩石抗拉强度，导致拉伸破裂（包括开裂和闭合）（Eaton等，2014），如图6蓝色线所示。
（4）早期的地震活动使得断层的完整性受到拉伸和剪切破坏，因此断层的内聚力可能会降低，断层接触面摩擦减少，摩擦系数降低，破坏包络线改变，从而导致断层弱化，即使没有液体注入，也可能有诱发地震风险（Yeo等，2020），如图7所示。
由此可见断层滑移可能是由正应力的降低、孔隙压力的增加、摩擦系数的变化以及断层内聚力的减小或丧失引起的，诱发地震活动多由上述因素组合控制，同时也受到地质和工程因素的影响，其中地质因素包括孔隙压力、渗透性、断层属性以及地壳应力等，工程因素包括压裂液注入量、注入速率及注入压力等。
3. 诱发地震的影响因素
3.1 诱发地震与液体注入参数的关系
水力压裂可以使原有断层形成新的裂缝或扩展原有裂缝增加渗透率，从而改变原生断层的稳定状态，所以诱发地震与液体注入参数密切相关。
McGarr（1976）提出，诱发地震震群数量与注入的总体积量成正比，Shapiro等（2007，2010）采用孔隙压力消散理论进行分析，结果也表明地震震群数量与注入的总体积量成正比。Nicol等（2011）对全球注水开采为主的站点数据分析发现，诱发地震的速率和最大幅度通常随储层压力、总流体体积和注入速率的增加而增加，在注入过程中引发大于或等于给定震级地震的可能性与注入的流体总量约成正比。Schultz等（2018）探索了液体注入参数与地震活动性响应之间的关系，如图8所示，加拿大Fox Creek地区Duvernay区块诱发地震与使用较大注入量（104～105 m3）的完井作业有关，注入量较大的时期，诱发地震活动越多，且地震活动性与注入量成线性关系（Schultz等，2018）。
图 8 加拿大Fox Creek地区Duvernay组页岩气开发主要诱发地震（Schultz等，2018）Figure 8. The main induced earthquakes by shale gas development in Duvernay play, Fox Creek area of Canada (from Schultz et al., 2018)注入速率和注入压力同样会影响诱发地震活动。Tang等（2018）对呼图壁气田注采诱发地震研究发现，注入速率和井压同时突变，诱发了该气田的地震活动。张致伟等（2015）在四川自贡、长宁地区的研究发现，地震活动频次与加压注水活动有关，2009、2010年注水压力持续升高，地震活动显著。由此可知，原生断层的活化受液体总注入量的影响较大，因为在液体注入时，总注入量越大，导致注入压力越大，从而降低断层的有效应力，增大岩层的孔隙压力，最终断层不断地被激活，进而丧失稳定性导致地震活动。
3.2 诱发地震与区域应力状态的关系
Thomas对加利福尼亚州和俄克拉荷马州的注入作业及参数进行了比较，其中包括井口压力、峰值、累积速率以及注入深度等，并不能解释俄克拉荷马州地震活动性和加利福尼亚州地震活动性的差异，相同的压力扰动引起强度不同的孕震响应表明，所考虑的注入参数对所产生的地震活动只是影响因素之一（Göbel，2015）。Schultz等（2018）进一步的研究表明，地质因素在地震活动性中起着突出的作用，地质环境和区域应力状态也可能是诱发地震活动的重要影响因素。Chang等（2016）对注入诱发地震的研究指出，由液体注采的孔隙弹性响应驱动的地震活动速率的变化有时也取决于断层几何形状、生产作业和背景应力加载率。储层的季节性周期注采会使地层压力周期变化、盖层岩体变形，有可能引起小震级地震。
以H储气库为例，说明区域应力场变化对诱发地震活动的影响。H储气库位于准噶尔盆地南缘与北天山东部，该区经历了多期构造运动，特别是喜马拉雅运动期，随着西伯利亚板块与印度板块对准噶尔地块的对冲挤压，北天山活动强烈，使山前区强烈褶皱，并伴生一系列大型逆掩断裂，造成深浅层很大的构造差异，形成了盆地南缘的三排构造带（吴晓智等，2000），H储气库位于南缘山前褶皱带第三排构造带东端的玛纳斯—呼图壁背斜，西邻吐谷鲁背斜，北靠阜康凹陷，南接齐古断褶带，东至阜康断裂带（夏威峰，2015），库区储层主要发育有3条近东西向南倾的逆断裂。H储气库区域构造活动强烈，褶皱、断裂发育，使区域稳定性降低，这为地震的发生创造了前提条件，正在孕育的地震可能在很小的外力扰动下提前发生，并释放出巨大能量，因此区域孕震情况越复杂，构造运动越强烈，在外力扰动下越易诱发地震活动。
H储气库区域以逆断型和走滑型断层为主，且最大主压应力方向为NS向（谢富仁等，2004）。H油气田原始地层压力33.96 MPa，如图9所示，1999年采气之后，地层压力逐年下降，2012年枯竭时平均地层孔隙压力约14 MPa，后改建为H储气库（曹锡秋，2013）。2013年储气库运营后地层压力随着注气增加，随采气而减小，第1个注气和采气周期末地层压力分别为（20.7±3.1） MPa和（18.4±0.4） MPa，直到第3个注气周期末地层压力达到（32.5±1.2） MPa。
图 9 H储气库运营前后的孔隙压力随时间的变化及地震事件Figure 9. Variation of pore pressure with time and seismic events before and after operation of H gas storageQiao等（2018）通过GPS和InSAR地壳形变测量研究进一步说明了近场区域储层内地应力场变化的存在。王成虎等（2020）采用钻孔崩落数据和震源机制解应力反演，分析了H储气库工区应力方向，同时结合钻孔崩落数据及钻孔诱发张裂缝信息，对储层段应力量值进行了约束，并通过孔隙弹性理论对油气开采和储气库注采诱发地应力场及断层滑动趋势变化进行了分析，讨论了其与诱发地震的关系。由油气开采和储气库注采运营导致的孔隙压力及应力变化如图10所示。在H油气田开采初期，储层段最小水平主应力大于垂直主应力，处于逆冲型应力类型，随着H油气田油气开采的进行，地层孔隙压力降低，进而使水平主应力降低，而垂直主应力不变，震源机制应力反演结果表明水平最小主应力与垂直主应力相近，因而当水平最小主应力降低到低于垂直主应力后，应力结构逐步由逆冲型转换为走滑型。储气库运营以后，随着注气和采气作业，孔隙压力周期变化，最大和最小水平主应力随之周期变化。在储气库注气前，断层应力类型为走滑型，随着注气的进行，孔隙压力增加，水平主应力增加，应力类型逐步转换为逆冲型；随着采气的进行，孔隙压力降低，应力类型又恢复到走滑型；之后随着每次周期注气和采气循环，应力类型在逆冲型与走滑型间切换。
图 10 油气开采及H储气库注采诱发应力变化预测结果（王成虎等，2020）Figure 10. Predicted stress changes induced by oil and gas production and injection production in H gas storage (from Wang et al., 2020)储层注采作业会导致区域应力状态的改变，岩石会因此而产生变形，使储层的孔隙结构发生改变，进而导致区域稳定性降低，储层中将不断产生新的裂缝，增强储层的可注入能力，影响储层的完整性，同时，可能导致断层被不断激活，破坏失稳，进而产生诱发地震。因此，诱发地震活动不仅与流体注入参数（如注入量、注入速率、压力等）有关，还取决于区域断层孕震情况和应力状态等条件。
4. 讨论
基于前文的分析可以在宏观上定性解释储层水力压裂诱发地震现象，但是在一些地区，有的流体注入量很大不发生大震级地震，而有的流体注入量很小就能引发断层剪切破裂从而诱发大震级地震，将线弹性断裂力学理论与莫尔-库仑准则结合，可通过单一裂纹模型分析水力压裂诱发断层剪切破坏的典型破坏机理，但断裂力学理论与破裂准则的结合是否合理仍需进一步探索和验证。另外，高压流体作用下，断层的破裂行为、主要影响因素以及驱动机制尚不明确，同时也缺乏有力的试验验证，在机理上仍然无法解释储层压裂会诱发大震级地震以及缺乏裂纹起裂与扩展的试验研究和定量描述。
有必要开展理论与试验相结合的研究工作，利用岩石断裂试验结果对断层剪切破裂、孕育过程和地震序列等进行定性及定量分析，开展室内水力压裂试验，真实模拟页岩气开采过程中流体加载和应力边界等条件，结合CT扫描技术确定断层剪切破裂以及裂纹扩展的关键影响因素，从而促进水力裂缝与天然裂缝之间的连接，在增加页岩裂缝复杂性的同时减少诱发地震的发生，通过裂网优化达到增产效果，为我国页岩气高效开发和长期运营提供基础，同时也为页岩气开采过程中断层活化风险评估及控制方面提供理论依据。最后结合实际页岩气开采案例及诱发地震震例，从理论、试验、模拟等多方面进行分析，研究储层高压水力压裂作用下的岩石断层剪切破裂失稳行为与驱动机制，也对于探索页岩气储层压裂中的诱发地震现实机理具有重要意义。
5. 结论
本文梳理了在页岩气开采背景下，美国、加拿大和我国水力压裂技术投入使用以来诱发地震的情况，并对水力压裂诱发地震可能的机理和影响因素进行了阐述和分析，结论如下：
（1）美国、加拿大和我国自采用水力压裂技术开采页岩气以来，开采区的地震活动增强，中等以上地震明显增多，且从时间和空间上都表现出一定的相关性，因此研究认为诱发地震与水力压裂页岩气开采活动息息相关。
（2）诱发地震的机理有3种可能的情况：一是流体注入导致的孔隙压力增加而诱发地震；二是水力压裂与岩石基质之间的孔隙弹性耦合引起应力变化而诱发的断层活化；三是孔隙压力驱动的无震滑移诱发远端断层的不稳定滑动。莫尔-库仑准则可以在宏观上解释注入式诱发地震活动，断层面摩擦系数、正应力、剪切应力和孔隙压力等都能影响诱发地震活动。
（3）统计和研究结果表明，诱发地震活动不仅与流体注入参数（如注入量、注入速率、压力等）有关，还取决于区域断层孕震情况和应力状态等条件。
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图 1 可能引起地面沉降和断层活化的油气开发地下活动（Morton等，2006）
Figure 1. Oil and gas development subsurface events that may induce land subsidence and reactivate faults (from Morton et al., 2006)
图 2 美国中部与东部1973—2015年3级以上地震数目（Rubinstein等，2015）
Figure 2. Number of M≥3 earthquakes in the central and eastern United States from 1973 to 2015 (from Rubinstein et al., 2015)
图 3 Fox Creek西南地区100 km以内累计震级大于2.5级地震事件（Schultz等，2017）
Figure 3. Cumulative number of earthquakes greater than magnitude 2.5 within 100 km of the southwest of Fox Creek (from Schultz et al.,2017)
图 4 昭通、长宁地块地震活动统计（Meng等，2019）
Figure 4. Seismicity statistics in Zhaotong and Changning (from Meng et al., 2019)
图 5 诱发地震的3种主要机制（Ellsworth，2013；Eyre等，2019a）
Figure 5. Three main mechanisms of inducing earthquakes (from Ellsworth, 2013; Eyre et al., 2019a)
图 6 断层应力状态变化及典型的破坏机理（Li等，2019）
Figure 6. The typical damage mechanisms caused by change of fault stress state (from Li et al., 2019)
图 7 由于摩擦系数降低和内聚力降低而导致的断层弱化（Yeo等，2020）
Figure 7. Weakening of faults due to reduction of the coefficient of friction and reduced cohesion (from Yeo et al., 2020)
图 8 加拿大Fox Creek地区Duvernay组页岩气开发主要诱发地震（Schultz等，2018）
Figure 8. The main induced earthquakes by shale gas development in Duvernay play, Fox Creek area of Canada (from Schultz et al., 2018)
图 9 H储气库运营前后的孔隙压力随时间的变化及地震事件
Figure 9. Variation of pore pressure with time and seismic events before and after operation of H gas storage
图 10 油气开采及H储气库注采诱发应力变化预测结果（王成虎等，2020）
Figure 10. Predicted stress changes induced by oil and gas production and injection production in H gas storage (from Wang et al., 2020)
表 1 各地区最大水力压裂诱发地震事件（Atkinson等，2020）
Table 1. The largest seismic events for hydraulic fracturing by region (from Atkinson et al., 2020)
地区 最大震级/级 时间/(年-月-日) 中国，四川盆地（Lei等，2019） ML5.7 2018-12-16 加拿大，British Columbia，Fort St. John（Mahani等，2019） ML4.5 2018-11-29 美国，Texas（Fasola等，2019） M4.0 2018-05-01 加拿大，Alberta，Red Deer（Schultz等，2020） ML4.2 2019-03-04 加拿大，Alberta，Fox Creek（Eyre等，2019a，2019b） M4.1 2015-01-12 加拿大，British Columbia，Horn River（Farahbod等，2015） ML3.8 2011-05-19 美国，Ohio（Brudzinski等，2019） ML3.7 2017-06-03 美国，Oklahoma（Maxwell等，2009） ML3.6 2019-07-25 
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表 2 四川盆地页岩气开采诱发地震最大震级（Lei等，2017，2019；Meng等，2019）
Table 2. Statistics of maximum magnitude of earthquakes induced by shale gas exploitation in Sichuan Basin (from Lei et al., 2017，2019; Meng et al., 2019)
地点 纬度/（°N） 经度/（°E） MW 时间/(年-月-日) 震源深度Z/m N201～H24井场，兴文县 28.21 104.93 5.2 2018-12-16 3 090 N201～H18井场，珙县 28.20 104.70 4.8 2019-01-03 1 840 H7井场，珙县上罗镇 28.13 104.75 4.67 2017-01-28 1 800 威远县 29.52 104.83 3.4 2016 3 090
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