人类的一些活动，如：大型水库的蓄水、采矿、工程施工过程中的爆破^[1]、地下核试验、废水深井注入^[2]，以及伴随流体注入的地下资源和能源（常规石油、天然气、页岩气或地热能等）的开发等过程^[3-5]，都会诱发微地震，甚至是地面破坏性地震^[6-7]。人工活动诱发微地震或有感地震的机理已逐渐被科学界认识，目前的研究重点主要是定量化微地震发生的位置，预测诱发地震的大小和发生时间，以及发生地面破坏性地震的风险等级等，进而采取相应的措施降低破坏性地震发生的风险^[8]。

以地下资源和能源开发为例，由于地质系统的复杂性，目前缺乏准确的地震预测模型来快速标定微地震的发育位置和地震级别。微地震集中区可能会增强高级别地面有感地震发生的风险，导致当地民众不断抗议，有些工程甚至被迫宣布终止^[9]，如瑞士的Basel深部地热工程及韩国浦项市干热岩项目。因此，需要深入研究流体注入/开采活动诱发断层活化的物理机制，包括不同的断裂带（如导水断层和封闭断层）中压力的传播或阻滞规律，以及孔隙压力分布和临界受压断层之间的相关关系。从地质条件来看，断裂带的属性，如水文地质属性、岩石力学属性、围岩的岩性、断层区的结构都控制着原地压力和应力条件下断层系统中的孔隙弹性响应^[10-12]。被断层切割的断块有着各自的水文地质和力学特性，控制断块内各自的流体运移特征^[13]。低渗透性断层会阻碍流体通过断层，导致压力场在断层两侧的不同，很可能引起沿断层面的剪切破坏^[14-15]。

中国目前对流体注入/开发过程诱发微地震甚至地面有感地震方面的研究还比较少，对人为开采活动诱发地震的风险认识不深入，并且针对特定的工程区域的微地震监测工作和数据分析还不系统，这使得流体注采相关的深部资源和能源的大规模开发可能存在潜在安全风险。本文首先针对全球流体注采诱发地震的各类工程案例进行系统综述，认识人工干扰活动诱发地震的机理；进而重点围绕深部地热能开发，提出降低微地震发生风险的措施，或可为中国深部地热能的安全可持续性发展提供一些参考。

1.   全球流体注采诱发地震的典型工程案例

一些重大的地下工程都涉及到大量的流体注入或开采，包括废水深井注入、CO₂地质封存、油气开采、地热能开发、矿床开采、修建水库等，这将导致储层孔隙压力增大或减小，引起原地应力状态的调整及应变能的积累/释放，致使岩体发生不同形式的破坏，并存在诱发微地震，甚至是地面有感地震的风险（图1）。

图  1  地下储集空间中流体注入或开采诱发地震的示意图

Fig.  1  Schematic diagram of the induced seismic events caused by fluid injection or production in the underground reservoirs

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Foulger等^[15]统计分析了全球577个人类活动干扰诱发地震的工程案例，结果表明：深部流体注采活动产生的地震最大震级远低于采矿和水库；但油气开采、地热开发、废水注入等引起的最大震级在2.0～5.5之间的案例仍然很多（图2）。

图  2  诱发地震的最大震级的统计关系^[15]

Fig.  2  Statistics of the induced earthquake maximum magnitude^[15]

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表1总结了4种主要类型的地下流体注采工程在储层、注采特征、诱震位置、震级特征等方面的差异和关联情况。这些不同流体注采工程的共同特征有：注入目标层大多为沉积层；诱震频率由低到中等；诱震范围涉及注入层和上下邻近地层，且可能延伸的范围很广；诱发地震的持续时间较长，从流体注采过程到流体停注一段时间后，都有微地震甚至高级别地震事件的发生。

1.1   废水深井注入

常规油气开采及水力压裂过程产生的工业废水通常经一些深井注入到地下储层内封存起来，以避免对地面环境造成不利影响。以美国为例，大约有30 000口废水注入深井，但仅有极少的注入井诱发了地面有感地震事件，且震级小于5.0级。地震发生位置基本都位于注入井附近几平方公里范围内；由于流体注入导致的压力增大速率明显大于压力消散速率，从而导致了储层压力增大，进而引起岩层发生破坏并诱发地震^[16]。但在废水注入停止后地震仍然持续发生，并且在时间上从几个月到几年不等。位于落基山脉的Arsenal废水注入工程诱发地震的案例比较典型，发震位置距离注水井的水平距离约为10 km，有的甚至达到20 km，垂直位置约为4 km^[17-18]。Arsenal工程中Denver的一口3 638 m深的废水注入井，在1962—1966年注入废液，期间在井眼周边16 km范围内发生了710次小地震，并且在停止注入后，发生了3次5级以上的地震^[17]，地震频率与注水量密切相关 （图3）。美国堪萨斯州中南部的俄克拉荷马，因为大规模的废水深井注入，成为了一个典型的诱发地震灾害区^[19]。

图  3  Denver深井废水注入诱发地震与注入量的关系^[17]

Fig.  3  Relationship of the induced earthquake and the waste water injection amount^[17]

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综合这些废水注入工程来看，每个深井废水注入工程中诱发地震的分布特征不同，主要受储层的流体力学属性、注入速率、注入压力和流体总注入量等因素的影响^[20]。近年来，中国由于页岩气的开采也伴随着大量的深井废水注入问题，使得局部地区面临着诱发地震的高风险，如重庆荣昌的废水深井注入可能是诱发该区域频繁微地震的主因，深度位于2～4 km，诱发地震集中分布于几条隐伏断层附近的注水井周围，并向外扩展，但大于里氏3.5级的地震活动是由逆断层引起^[21-23]。

1.2   CO₂地质封存

在碳中和的国内大背景下，CO₂地质封存成为了焦点。CO₂以超临界态注入到地下储层后，在压力梯度和浮力的共同作用下，形成的CO₂羽发生侧向和垂向上的运移。但相比于CO₂羽流区，压力的扰动区通常更大。CO₂注入储层后会引起储层压力扰动，当断层的剪切应力大于剪切强度时，就会发生断层的再活动并且诱发地震^[19]，尽管大级别地面有感地震不多，但会产生一系列微地震活动。以Weyburn油田的CO₂–EOR工程为例，通过100多口注入井将CO₂储存到地下储层，CO₂的年储存量达到5.30×10⁶ t^[24-25]。微地震的监测表明，地震级数在1～3级之间的微地震主要集中在注入段储层的上覆和下伏地层中，而不是集中在注入段储层内部。岩石力学模拟的结果表明，产生微地震主要因素是由储层变形引起的应力扰动，而不是与井直接沟通的孔隙压力增大产生的。Illinois盆地中咸水层的CO₂注入工程实践表明，CO₂的注入使储层下覆基底中的许多小断层发生再活动，在22个月的注入时间段内，监测到10 123次震级在1～2级的微地震事件^[19]。当注入井相距较近时，向储集层中大规模地注入CO₂会诱发大级别的地震，如位于美国科罗拉多州的相距2 km的两口CO₂注入井，随着7.57×10⁵～9.10×10⁵ t的CO₂年注入量，诱发了里氏5.3级的地震^[26]。

1.3   油气藏开发

在经过多年的开采之后，油气藏的压力下降，油气产量相应降低，所以需要向油气藏储层中注入水、热蒸汽或CO₂等流体来维持储层的压力，从而达到提高油气采收率的目的。在常规油气开采的二采和三采过程中，流体注入诱发地面有感地震的风险很低。美国大约有80 000口提高油气采收率的注水井，仅有小部分注水井诱发了地震。对于非常规油气藏开发，以页岩气开采为例，需要依靠水力压裂制造大量裂隙，气体沿这些裂隙向生产井运移提高采收率，美国具有几十万口水压致裂注水井（包括几万口页岩气井），统计表明仅有小部分注水井在流体注入过程诱发了地震^[27]。

1.4   中深层地热能开发

全世界范围内，每年因地热田的开发而诱发的有感地震事件达数千个之多，但在大多数情况下，这些诱发的地震震级一般较低（M_L< 2），且低于社区的检测阈值^[3]。这些地热田既包括传统的中深层水热型地热，又包含深部高温热岩体（通常不含水，称为干热岩，但也有含大量流体的高温岩体，称为湿热岩），以美国Geysers水热型地热田开发为代表，最大诱发地震震级达到4.6级。根据微地震监测数据可知，微地震的产生既与热蒸汽的开采有关，也与冷水的注入相关，并且储层温度变化与诱发的有感地震关系密切^[28]。Evans等^[3]调查了欧洲40个地热流体注入诱发地震响应的工程案例，其中：25个工程中流体被注入到沉积岩中，并有7个工程发生了地面有感地震；当地热流体注入到距离断裂带较近的区域时，诱发地震的风险会提高，但不一定产生地面有感地震；8个工程案例流体是注入到断裂带内部及其附近，但仅有1例发生地面有感地震，说明触发地面有感地震的机制非常复杂。

对于干热岩开发案例，通常需要注入数千吨甚至数万吨的流体对致密的储层进行水力压裂改造，即地热增强系统（EGS）工程，伴随的孔隙压力扩散和孔隙弹性效应会对注入井附近断层构成荷载作用，触发大量微地震事件，甚至诱发高级别地震发生，如：韩国Pohang的EGS工程诱发5.5级地震，英国Rosemanowes的EGS工程诱发3.4级地震。位于瑞士Basel的干热岩开发工程，水力压裂和注水过程诱发了超过15 000次的微地震活动，并且最大震级达到3.4级，直接导致了该工程终止^[29]。法国苏尔茨干热岩发电项目作为世界上研究程度最高的干热岩热储建造示范工程，在水力压裂过程中诱发了大量的微地震事件，且地震活动受一条或多条大断层控制，最大震级达到2.9级^[30]。值得推敲的是，最大震级并不是发生在流体注入过程中，而是出现在流体停注一段时间后^[31]。澳大利亚Cooper Basin的干热岩示范工程中，干热岩的水力压裂改造导致超过45 000次微地震事件的发生，最大震级达到里氏3.7级^[31-32]；诱发的地震活跃带处于大断层发育区域，并且受局部应力场特征的影响显著。

2.   地下流体注采诱发地震机理分析

在流体注采的过程中，储层孔隙压力会相应的增大/减小，从而引起应力场的变化，造成地球深部岩体中应变能的积累/释放。超孔隙压力的存在会使作用于天然裂隙面上的有效正应力减小，从而导致岩体中发生不同形式的破坏。流体注入引起岩体的张拉破坏被称为水力压裂，研究表明，岩体发生张拉破裂的过程中，不伴随微地震的发生。流体的注入导致摩尔应力圆左移（图4），当作用于岩体断层或断裂面上的剪切应力小于其临界剪应力时，断层/断裂带保持稳定。当作用在某一断层或断裂面上的剪切应力（ $ \tau $ ）超过这一点的临界剪切应力（ ${\tau _{\rm{c}}}$ ）时，该断层或断裂面就会发生剪切破坏^[33]，从而诱发微地震事件，并伴随着断层或着裂隙中的能量向周围岩体中的转移；流体注入伴随的断层剪切滑移也被称作水力剪裂^[34-35]。

图  4  流体注入引起先存断层/断裂面发生剪切破坏的摩尔–库仑破坏准则

注：①为总应力状态；②为有效应力；③为流体注入后的有效应力　　变化。

Fig.  4  Mohr–Coulomb failure criterion of the preexisting faults or fracture planes induced by fluid injection

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利用摩尔–库伦准则描述断层面或断裂面的剪切滑移状态：

式中： $ \tau $ 为作用在断层面上的剪切应力，Pa； ${\tau _{\rm{c}}}$ 为作用在断层面上的临界剪切应力，Pa； $ \sigma $ 为作用在断层面上的正应力，Pa； $ {\sigma '} $ 为有效应力，Pa； $ P $ 为孔隙压力，Pa； $ \alpha $ 为有效应力系数； $ \;\mu $ 为断层的摩擦系数，综合不同类型的岩石摩擦试验资料可知，大部分岩石的摩擦系数为0.60～1.00，对于致密岩石，摩擦系数取值0.60～0.85^[36]，对于断层或裂隙带，取值0.30～0.60^[37]。

考虑黏聚力作用后，断层面摩尔–库仑剪切破坏准则可以写为：

式中，c为黏聚力，Pa。

引起岩体中先存断裂面发生剪切滑移时的孔隙压力称为临界孔隙压力，可以写成：

式中： $ {P_0} $ 为原始地层的孔隙压力，Pa； $ \Delta {P_{\rm{c}}} $ 为临界孔隙压力增大值，Pa，该值在流体注入之前不能被准确地确定下来； $ {P_{\rm{h}}} $ 为静水压力，Pa； $ {P_{{\rm{wp}}}} $ 为井头压力，Pa； $ {P_{{\rm{fric}}}} $ 为摩擦流动损失压力，Pa。

也可以利用基于断层横纵有效应力比 $\dfrac{{\sigma _1'}}{{\sigma _3'}}$ 的断层活化判别模型来判定断层/断裂带是否发生剪切滑移：

当最大和最小有效主应力之比小于滑移摩擦指标 ${K_\mu } $ 时，断层面稳定；反之，断层面则可能发生剪切滑移。

因此，流体注采诱发地震的发育位置和强度是由地质因素和工程条件共同决定的。其中：地质因素包括孔隙压力、地层的孔隙率和渗透性、断层属性和位置、地壳的应力条件等；主要的工程因素包括流体注入/开采速率、注采流体体积、流体注入温度、开采井距离注入点的位置、流体注入/开采持续的时间等。

3.   预测深部地热工程中诱发最大震级的方法

以深部地热田开发（包括传统水热型和特殊的干热岩型）为例，目前可用来估算地热开发诱发的最大地震震级的方法^[38]包括以下4种：

1）构造地质学法

构造地质学法中，可根据地热储层中最大的潜在活动性断层推断出最大震级^[32]。即基于震级和断层参数（如断层的长度、宽度和位移）之间的经验关系，估算出某一给定断层的最大地震震级^[39-40]。

2）确定性方法

确定性方法中，由于地热储层水力压裂产生了充填流体的裂缝，其发育和扩展过程必须考虑到裂隙的几何特征、岩石特性和原地应力条件。确定性方法中可以指定裂缝分布^[41-43]或采用动态裂隙扩展模型^[44-45]，动态裂缝扩展模型中不同水力激发方案引起的地震目录可用来对特定地热田热储改造的风险进行评价^[46-47]。

3）概率法

概率法中，发生特定地震震级的概率可通过地震震级–频率分布关系，即Gutenberg–Richter定律得到^[48]，这需要一个具有较大值域地震震级的地震目录信息。此外，Gutenberg–Richter关系的截距及局部有效的最大震级的确定，通常需要对引发地震的构造地质学和岩石力学过程进行额外的假设。为此，Shapiro等^[49]引入了构造势对Gutenberg–Richter定律进行修正，并计算了储层水力压裂特有的标量–地震指数。相同场地内不同地热井，甚至是采用不同压裂方案的同一口地热井的地震指数也可能存在较大的差异。

可将确定性方法和概率法结合起来预测诱发地震的震级，如：Hakimhashemi等^[46]采用岩石力学模型（确定性方法）和应用概率算法来评估地震灾害。与传统概率地震灾害评估方法（PSHA）相比，该方法被称作超前诱发地震灾害评估法（FISHA）。根据压裂储层中获得的综合地震目录，可计算时间相关的Gutenberg–Richter 定律中a值和b值的曲线；从而评估给定储层和选定压裂方案条件下，诱发地震事件的每小时最大发生率。

4）经验法

经验法中，人工热储改造的规模可以根据干热岩工程中诱发地震事件的震源分布范围–地震云确定^[50]。然而，当岩体处于临界应力状态时，流体注入后可能诱发最大震级的地震事件，这不能通过McGarr^[51]提出的确定性方法或使用力矩释放–岩体体积扩张假说的经验方法来获得。相反地，为解释更大的动态矩释放量，而不仅仅是预测流体注入体积（地震云），需采用剪切崩塌或混合裂缝扩展模型确定裂缝的交互过程^[42]。在这种临界应力条件下，远程触发地震影响更大^[52]。但如果没有观测到地震活动，则经验法和概率法并不适用，需要对周边地震情况进行研究。表2列举了几种典型的描述震中强度和峰值地面速度、峰值地面加速度，矩震级与震中强度、震源深度，断层滑移距离与断层长度，矩震级与断层长度关系的经验公式，可以利用这些经验公式估算地震强度。

Leonard^[55]根据地热田和构造地震中所观测到的最大震级，给出了地震参数和断层属性间的关系；Zang等^[38]列出了峰值地面速度PGV、峰值地面加速度PGA与宏观地震强度的关系（表3），并指出矩震级、断层参数（如断层位移与滑移量、断层或破裂长度）和断裂能之间的关系（图5）。将世界上典型的深部地热工程诱发的有感地震事件，以及中国近十年来破坏性的天然地震和流体注采诱发的高级别地震典型案例^[56-58]，按照发育深度投点到图5上，由图5可以看出，大多数中深部地热能开发工程可能触发微地震或小地震事件出现，也有一定的概率触发破坏性的地震事件。

图  5  世界上典型地热开发诱发地震与中国近十年破坏性天然地震发育深度及与断层属性的对应关系^[38]

　　　　　　　　　注：颜色表示断裂能等级，从左到右断裂能等级增加，初始为1，每提高一级，地震能量提高约32倍。

Fig.  5  Depth of typical geothermal energy production induced earthquakes in the world, destructive natural earthquakes in China in the last ten years, and their relationship with the fault parameters^[38]

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4.   降低深部EGS地热工程中诱发地震风险面临的挑战

全球范围地壳10 km以浅的深部高温岩体的地热资源量约为4.22×10¹⁹～4.22×10²⁰ J，是全世界化石能源的100～1 000倍，这里的高温岩体包括本文所说的干热岩和湿热岩；其有效开发极大地依赖于热储水力压裂改造，这种工程也被称为增强地热系统工程，简称EGS工程。国际上，1973年，美国最早在芬顿山开展EGS工程，到目前共有8个国家开展了33项EGS示范工程^[59]。大多数EGS工程采用常规的水力压裂手段，或辅助热压裂、酸化改造技术等^[59-60]。但即使经过EGS改造，大多数高温热储段的流量依然很低。法国Soultz作为研究最全面的EGS地热工程，压裂后的流量最大也只有30 L/s，这使得目前EGS工程发电的经济性较低。

国际上EGS工程在实施过程中遇到了各种技术难题，如卡钻、井眼垮塌、井筒结垢堵塞等^[60]，很多工程在水力压裂及后期注水开采过程中诱发了不同等级的微地震，甚至是地面破坏性地震，造成项目在民众的抗议过程中被终止，如：瑞士的Basel项目、韩国的Pohang项目等，所以降低EGS工程诱发的地震风险成为其可持续开发的关键。可利用断层和隐伏断层识别技术或微地震监测等技术降低储层改造、冷水注入、热水开采等过程诱发破坏性地震的风险，但这些技术或受限于分辨率有限，或成本高昂，其预测准确性包括断层的识别和表征、微地震事件的监测、地震发生位置的准确定位和描述、地震再发生的概率等。

4.1   断层的表征技术

断裂具有尺度和分级特征，包括：深度达岩石圈，区域延伸从数百公里到数千公里的深大断裂；也存在深度达基底，延伸长度几百公里的基底断裂；野外剖面上也存在延伸范围只有几米以下的裂缝，在显微尺度下甚至存在微米级以下的微裂纹（表4）。

在评价流体注采对某一特定区域的地震风险时^[61]，需要对潜在地震发生区域内的断层/断裂/裂缝的空间分布和属性特征等进行识别和合理表征（图6）。地震勘探技术（地震剖面和水平切片）可以有效表征大的断层或断裂区域，其潜在活化风险可通过估算原地应力，结合流–固耦合模型等进行评价。在此基础上，可在工程设计阶段采取相应的措施有效避开这些大断层或断裂带。

图  6  渤海湾盆地某裂缝型储层的不同等级断层分布与地应力关系^[61]

Fig.  6  Distribution of different scales of faults and the relationship with in-situ stress in a specific fractured reservoir of Bohaiwan Basin^[61]

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但对于小的断层或断裂带而言，受地震分辨率的限制，在流体注入之前，很难获得其相关信息（尺度、密度、方位等）。可综合利用地质图、3维地震和钻井、测井等观测数据，根据大断层的密度分布反推出可能隐蔽的小断层或小断裂带的空间分布^[62]；也可利用地震相干分析方法识别小断层或采用微地震技术监测流体在注入过程中，微地震发生区的演化与压力扩散之间的关系来推测小断层位置（图7、8），进而评价诱发高级别地震的风险^[63]。

图  7  苏尔茨EGS工程中微震事件识别水力压裂引起的破裂带的扩展和分布特征^[63]

Fig.  7  Propagation and distribution of fractured zone induced by hydraulic fracturing through the identification of micro-seismic events in Soultz EGS project^[63]

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图  8  苏尔茨EGS工程中GPK2井微震事件及解译的构造分布^[63]

Fig.  8  Microseismicity observed in GPK2 well of the Soultz EGS project and interpreted structural structures^[63]

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实践中，高质量的微地震监测成本非常高，极大地限制了其广泛应用。此外，微地震监测中需要将一系列的检波器放置在离地震事件较近的深井孔中，一方面，深井孔的布置很昂贵，且在部署的深井孔中是否会发生明显的地震活动还不明确；另一方面，微地震的信噪比通常很低，因此数据解译的结果有很大的不确定性，这也使得提高微地震信噪比的算法研究得到越来越多的关注^[64-66]。裂缝识别方面，除地震相干技术外，还包括声波全波列测井、成像测井、地层倾角测井、P波方位各向异性、多波多分量、多尺度边缘检测等。目前，常用多方位AVO方法识别大尺度裂缝的发育特征，并采用成像测井识别微小裂缝的分布特征^[67-68]。

4.2   多物理化学场耦合过程的复杂性及数值模拟的局限性

以中深部地热能开发工程为例，在地热能（主要以地热水的方式）开采之前，地下岩体处于应力平衡状态。在流体注入、循环流动及开采过程，孔隙压力发生相应改变会使得原地应力场发生调整^[69]。可以利用物理模型预测应力场的变化情况，进而判断岩体是否达到破坏极限。但物理模型中涉及多物理化学场的耦合过程，包括岩石力学（M）、流体流动（H）、化学反应（C）和热运移（T）等过程^[70]，这些都与地热能开采过程中诱发的地震事件息息相关^[41]，见图9。目前，对于水热型孔隙介质中THM耦合方面的研究较多，但是对考虑化学作用的THMC全耦合在裂隙型EGS工程中的研究还相对较少。一方面，可能是由于在研究与微地震相关的专题时，短时间尺度内化学场起到的作用不太明显；另一方面，是因为复杂裂隙介质中全耦合的数学物理表征特别困难。而化学腐蚀，尤其是土酸酸化腐蚀对干热岩孔隙结构特征的改造效果非常明显，可以作为干热岩热储改造的重要辅助手段，因此，在干热岩热储改造和地热能开发的数值模拟中需要综合考虑基于化学反应、流体流动、应力变化、温度效应的多场耦合作用。

图  9  地热开发诱发地震过程涉及的THMC耦合作用

Fig.  9  THMC coupling effect caused by the induced seismic events in the geothermal production

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数值模拟方法可以很好地反映流体注采诱发地震的发展过程。原则上，数值模拟方法可以对任意复杂地质条件下诱发地震的过程进行模拟。但是，在实际应用中所利用的地质模型往往经过了高度简化，使得模型很难真实反映地下复杂的非均质性和各向异性，以及复杂的物理化学场等。

通过对地下物理场特征的合理表征和数据校正，将会使得数值模拟模型的预测能力大大提高，但是实现精准预测还具有很大的挑战性。

流体流动过程可用物质守恒方程和连续性方程描述，对地热储层而言，流体流动既发生在岩石基质中，也发生在断层和裂隙中。水热型孔隙介质中的流体流动规律可以用达西渗流方程进行描述。对于EGS工程涉及的裂隙介质中的流体流动，需要描述流量和裂隙开度、岩体渗透率、流体黏度和压差之间的关系。通常利用立方定律来描述裂隙岩体的渗透率与开度之间相关关系，即裂隙岩体的流量与裂隙开度的立方成正比。当裂隙中的压力增大时，裂隙的开度随之增大，导致裂隙渗透率随之增大。随着持续的流体注入，裂隙保持张开的状态，渗透率保持恒定。即使在远离注入点的区域，储层的压力也会发生迅速增大，从而维持了裂隙的渗透性。但是，天然的裂隙面往往是粗糙不平的，造成各处裂隙开度不一致，因此用立方定律描述岩体的渗透率往往不符合实际，并且，裂缝岩体渗透率受到法向应力、剪切应力、剪切位移、裂缝粗糙度等的影响明显，从而降低了流体的流速^[71]。

岩石力学特性可用不同岩层的力学平衡和连续性方程进行描述。弹性性质的岩石基质力学性质的表征广泛利用胡克定律，更加复杂的岩体力学性质的表征可采用孔隙弹性模型、塑性模型和蠕变模型等，这些力学本构模型都用来描述与应力相关的变形及应变。有效应力（总应力与孔隙压力的差值）与各种破坏准则相关。流体注入导致孔隙压力增大，引起有效应力降低。孔隙介质中流体流量的增大或减小，会增大或减小孔隙压力，致使岩石基质的体积发生膨胀或收缩，从而产生额外的应力。孔隙压力会随时间逐渐发生消散，其取决于孔隙介质的渗透率和孔隙弹性刚度特性^[11]，本质上是流体流动和应力耦合的过程。另外，温度和应力场的耦合过程可用热弹性理论进行描述，并利用解析解法或数值解法^[72]进行求解。

除了水热型孔隙介质中流体运移、热运移和应力变化的耦合过程研究外，近些年许多学者也针对裂隙储层的多物理化学场耦合过程进行研究^[12,66,73]。通过水力压裂技术在岩体中产生裂隙系统，流体注入导致孔隙压力及温度场发生明显扰动，孔隙压力的增大和温度的降低都会降低有效应力，从而引起岩石的破坏。储层温度的降低会使总应力下降，导致拉张或剪切破坏。此外，在断层/断裂达到临界剪切破坏之前，增大的孔隙压力使得裂隙的开度增大^[74]；在断层破坏发生后（或引发地震事件后），地应力会发生重新调整。

4.3   人为控制因素与地震活动的对应性

流体注入/开采过程中压力、温度、体积、时间和速率的变化等都可以诱发地震，但由于地下构造环境的复杂性，地层格架表征分辨率受限，很难得到地震级别和这些因素之间的相关关系。以瑞士Basel深部地热工程为例，当井头压力达到30 MPa，注入速率达到50 L/s时，在5 km深处花岗岩体中的储层激发改造诱发了地面的有感地震（震级达到里氏2.6级），并且震级随着注入流速和井头压力的提高而增强。在注入活动停止后的2 a内，仍然继续监测到高达里氏3.2级的地震^[75]。流体注入活动停止后，可能有两种主要机制诱发地震继续发生：1）注入井停注流体后，由于压力不均衡，流体继续从注入井向外发生运移，储层中流体压力发生动态调整，直至流体运移到离注入井非常远的地方致压力均衡为止；2）与断裂速率属性相关的滞后的断裂积聚作用^[75]。这两种机制都涉及地层压力的缓慢耗散和地层温度的变化，使局部地应力发生动态调整。

5.   中国深部地热潜力与EGS工程开发前景

5.1   中国深部地热资源分布和开发潜力

中国深部地热资源量丰富，高温水热型地热资源量相当于1×10¹⁰～2×10¹⁰ t标准煤；按发电来计，30 a可开采电量相当于1.8×10⁷～2.7×10⁷ kW；干热岩型地热资源可用于地热发电和地热供暖，3～10 km的干热岩资源量约为2.52×10²⁵ J，折合为6×10¹⁴～9×10¹⁴ t标准煤；按开采量2%为计，年开采量相当于1.2×10¹³～1.8×10¹³ t标准煤^[76]。中国的地热资源分布不均匀，高温地热资源主要集中在藏南、川西、滇西，以及东南沿海等局部地区，其他大部分地区整体上是以中低温地热资源为主。羌塘盆地和贵德共和盆地为热盆，为干热岩的优质选区^[76-77]；东部的沉积盆地大多为热盆（地表热流值>65 mW/m²），包括松辽盆地、华北盆地、苏北盆地等；鄂尔多斯盆地、四川盆地和江汉盆地表现为温盆的特征（热流值介于50～65 mW/m²之间）；西部的塔里木盆地、准噶尔盆地和柴达木盆地等表现为冷盆的特点。高温地热资源的分布位置常与活动构造带关系密切，也常是地震的多发区^[78]。

5.2   中国干热岩勘查及EGS工程开发现状及前景

中国的高温岩体（包括干热岩和湿热岩）勘探开发研究起步较晚，但勘探进展较快，已经在福建漳州、广东阳江新洲、海南陵水和琼北地区、湖南汝城、松辽盆地、山东文登等地进行了勘探，并且在青海共和盆地发现中国埋藏最浅（3 705 m）、温度最高（236 ℃）的高温岩体。

中国目前已在青海共和盆地开展了高温岩体热储改造的场地试验，但还有许多关键科学和工程技术有待攻克，包括：深入阐明高温花岗岩体的破岩机理，井眼围岩系统的稳定性机理，多场耦合条件下高温岩体的变形、破裂与裂缝延伸机理等；开发安全高效的高温岩体钻完井工艺、注采井的高效连通技术、注入水的漏失控制技术，以及降低诱发地震风险的控制技术等^[79]。

可通过多种观测手段获取多尺度地球深部物理、化学信息，如：可从地震观测中获得震源参数、速度结构特征；通过应力应变观测获取研究区的应力状态和形变特征；利用电磁观测获得地球深部的3维电性结构；依靠地下流体观测推断地球深部的断裂交互空间关系；从重力观测数据中解译地球深部岩体成分、地质结构构造等信息。进而，将室内试验（如通过小尺度岩石力学和水力压裂试验等物理模拟地球深部原地温、压等条件下的温度场、流场、应力场、化学场、能量等变化）和数值模拟方法相结合，逐渐认识诱发地震的主要因素，以此获得地震发育位置及震级大小的对应关系，并采取相应措施避免因大量流体注采导致发生破坏性地震。

在注采井的高效连通控制技术研发方面，可开发复合的热储刺激技术，即冷热水交替热刺激–化学腐蚀–水力压裂技术，并充分利用微震的监测解译数据，及时调整热储刺激的方案，制造大范围的流体热交换空间，降低过早的热突破，提高采热温度和效率。

6.   结论和展望

本文总结了流体注采过程，包括废水深井注入、二氧化碳地质封存、油气田开发和地热能开发等工程诱发的微地震及地面有感地震的工程案例。对流体注采诱发地震的机理进行了阐述，并结合中国深部地热能开采潜力，对高温岩体EGS工程所面临的挑战进行分析，得出以下认识：

1）注水进行的油气二采和三采，以及废水的深井注入工程诱发地面有感地震的工程案例较少，并且地震发生的位置基本都局限在注入井附近几平方公里的范围内，停止注入后地震仍然持续发生，持续时间从几个月到几年不等。干热岩开发过程中高压注水的热储改造过程可能诱发破坏性地震的发生。

2）流体注入或开采引起微地震的机制很多，如：孔隙压力变化、岩体的冷却收缩、流体滤失造成的岩体体积减小等引起的应力变化、冷的流体注入引起的热应力变化，以及咸水或酸性流体引起的化学应力变化等。但实质上是应力场的变化及应变能的积累和释放，使岩体发生不同形式的破坏所致。

3）流体渗流和应力耦合模型的发展有利于研究流体注采诱发微地震的特征。可利用数值模拟方法探明流体注采停止后微地震继续发生的原因，但是，所利用的简化地质模型与地下复杂的物理化学场的接近程度很难判定。通过对地下物理化学场特征的概化表征和数据校正，使得将概化地质模型和本构模型应用于地震预测还存在很大的挑战。

4）流体注采工程中，一些人为控制因素包括注/采压力、注/采温度、注/采体积、注/采持续的时间和速率的变化等都影响地震发生的特征，但因为地球深部构造环境的复杂性，以及3维地质结构或地层格架表征的精度有限性，很难得到地震级别和这些因素之间的相关关系。

5）EGS工程主要借鉴传统油气开采的现有技术，但世界上很多EGS工程案例因经济性差，且存在诱发地震风险而进展缓慢。对于中国高温岩体的大规模开发，需考虑诱发地震造成的环境风险和安全风险，将风险等级降到最低。从长远布局规划来看，要攻克很多关键技术，如：深部地温预测准确性的提高技术、热储中产生复杂交错裂缝网络的技术、注采井的有效贯通、流体在人工建造热储中的优化循环、水的漏失控制技术和有效的热储管理等，以实现干热岩开发的经济性。这就需要充分借鉴欧美、日韩等国在40年探索和实践中的成功经验和失败教训，建立针对EGS工程的国际交流和合作攻关模式，在中国的EGS示范工程中夯实基础，累积技术，加速EGS工程的商业化进程。