0 引言

新疆呼图壁地下储气库(Underground Gas Storage，简称UGS)是国内目前运行的最大储气库，生产库容达45亿m³，对天然气的季节性调峰、应急调度等具有重要作用。但在气体注、采过程中由于周期性载荷与压力的改变及流固体的耦合作用，地下储气库会出现孔隙流体压力的变化，造成储层岩石的空隙弹性变形和疲劳破坏，这不但产生应力与体积的变化，引起UGS地表盖层的“呼吸性”变形，而且有可能引起储层岩体裂纹扩张，造成断层活化并诱发地震。

呼图壁地下储气库位于准噶尔盆地南缘，距呼图壁县东约4.5km，东南距乌鲁木齐市约78km，属于枯竭油气田型储气库，主要用于满足季节调峰和战略储备的需求，原气田中部深度3585m，地层压力33.96MPa(曹锡秋，2013)。在天然气消费低峰时，该储气库利用中亚地区丰富的天然气，通过联络线将其下注入衰竭的油气田地质构造中储存，到消费高峰期采出以满足市场需求。准噶尔盆地南缘属北天山山前坳陷，为一大型持续沉积坳陷。该区经历了多期构造运动，特别是喜马拉雅造山运动时期受北天山强烈活动的影响，使其山前区强烈褶皱并伴生一系列大型逆掩断裂，造成深、浅层构造差异很大。呼图壁背斜位于南缘山前褶皱带第三排构造带的东端，主要形成于喜马拉雅造山运动时期。目的层紫泥泉子组构造形态为近EW向展布的长轴背斜，并被呼图壁断裂切割成2个断背斜。

下盘发育了呼图壁北断裂，使背斜西部呈2条断裂夹持的条带状构造(张明等，2008；曹锡秋，2013；邓起东等，1999)。历史地震分布显示，呼图壁地区现今构造活动仍比较强烈，地震活动较频繁(柏美祥，1990；曹锡秋，2013)。GPS结果显示，该地区所处的准噶尔盆地南缘全新世以来的地壳运动速率为2~5mm/a(杨少敏等，2008；Zobovich，2010；Ischuk et al，2013)。

呼图壁地下储气库位于呼图壁北断裂与呼图壁断裂带之间(图 1)，这2个断裂地处玛纳斯-呼图壁断裂东段(曲国胜等，2008)。由于规模较小，有关这2个断层活动与形变的文献较少。2013年6~7月在储气库开始注气期间，呼图壁附近即发生了多次地震，此现象与国外很多UGS诱发地震类似。因此，为了加强对储气库的安全运行监测，除了开展地震监测外，新疆地震局、中国地震局地震研究所及地壳运动监测工程研究中心联合在呼图壁地下储气库地区建立了一个以GPS、水准及重力等为观测手段的形变监测网，1期由分布呈十字交叉形的13个观测站点组成(图 1、表 1)，分别于2013年底至2015年年初开展了4期观测。1期形变监测网南北、东西长度分别为8、4km，由于兼顾交通路况及观测的初始目的，故整个观测网络并未完全覆盖储气库。为此，2015年6~7月间在原有13个站点的基础上新建了2期20个观测站点(图 1)，将形变监测网覆盖到了整个呼图壁地下储气库的盖层地区，并于2015年下半年开展了第5期观测。GPS的第5期观测于2015年11月中、下旬完成，观测期间中国地震局地震研究所在距地下储气库30km左右的呼图壁主动源野外科学观测研究站架设了一处GPS连续观测站。通过连续观测获取的区域构造和非构造形变场可以作为参考基准，为UGS盖层区域的流动GPS观测提供背景场。为了获取该区域的真实背景场，并有效剔除地下水的周期性变化等季节性效应对GPS流动观测的影响，我们计划在UGS盖层区域内另建2处GPS连续观测站(图 1)。

本文利用1期13个点位组成的形变监测网的前5期GPS观测资料，研究呼图壁地下储气库注、采过程中地表盖层的变形响应，通过获取地下储气库运行过程中地表盖层形变的三维时间序列并结合井口压力数据，区分地下储气库在不同过程的变形信号，为后续建立三维地质力学模型、开展数值模拟与分析、揭示储气库及周边断层的活化与扩展特性等研究提供基础资料。

1 GPS观测概况与数据处理

地下储气库的1个运行周期主要由注气期、平衡期和采气期等3个过程组成，通常在每年4~10月注气，11月至次年3月为采气期。注、采气间隔期，为确保储气库的安全稳定，一般暂停注、采使储气库内部保持相对稳定的动态平衡状态，此过程称为平衡期。

结合注、采运行周期，利用GPS对呼图壁地下储气库盖层形变监测网在2年内共进行了5期观测，表 2给出了5期观测的相关信息。

由图 1可见，呼图壁地下储气库的北界由呼图壁北断层、呼001断层组成，而南界则由呼图壁断层组成。储气库外侧的站点由北侧的HKPN、HKP1、HKP2和南侧的HKP5、HKP6、HKPS组成。储气库区域内的站点则由HK19、HK21、HK22、HKP7、HKPW、HKP3、HKP4等组成，其中HKP7、HKPW处于呼图壁北断层之外，但仍在储气库区域内，HKP3在呼001断层的延长线上，正好处于储气库的边界线位置。

若利用观测站点的位移变化反映UGS的“呼吸性”形变效应，需要扣除区域的构造形变及地下水、降水、地温等因素的季节性变化对观测站点造成的周期性影响，而这些往往需要连续的观测资料。然而，在前4期观测中连续观测站点尚未架设，因此需要在网形内部找到1个稳定的参考基准点作为自由网结算的起算点，以此来考察该监测网的内部形变。

1.1 基准点的选取

在建站初期的网形设计阶段对寻找稳定起算点的问题已有所考虑，除了在储气库上方区域选建了若干点位以外，还特别在构成储气库边界的3条断层南、北两侧向外延伸各选择了几个观测站点，用以考察储气库所在区域地壳构造的背景场。

储气库的南、北两侧各选择了3个点作为外部参考点位，以此作为分析储气库内部盖层区域网形变化的参考基准。这6个外部参考点分别为：呼001断层以北3点从南到北依次为HPK2、HPK1、HPKN；呼图壁断层以南3点从南到北依次为HPKS、HPK6、HPK5。利用单点精密定位技术(Point Precision Position，PPP)，得到了这6个点的位置坐标，图 2给出了6个点坐标三分量时间序列的5期观测结果。由图 2可见，储气库南、北两侧有明显的差异化构造运动趋势。相较于南侧，储气库北侧形变量更大，运动速率更快。在垂直方向上，北侧3点受季节的影响更为明显，尤其是HPKN由于受局部区域地下水的影响，垂直方向上的变化幅度最为剧烈。南侧3点在垂直方向上的变化幅度相对较小，水平方向上变化趋势更为一致，说明所处的区域运动较为稳定。从区域位置上看，北部3点位于大面积农田内，由于农作物灌溉的需要，地下水位变化较大，受此影响，其垂直变化受季节性水位变化的影响较显著。南部以工业园区为主，受地下水的影响相对较小。

基于上述分析，最终选择变化趋势稳定、距储气库最远、位于整个形变监测网最南端的HKPS点作为参考基准点。以此点的运动反映储气库所在区域的地壳构造背景场，笔者认为是可以接受的。

1.2 数据处理方法

GPS观测得到的每个点位位移变化可由下式表示

$ d = {d_{{\rm{tectonic}}}} + {d_{{\rm{ugs}}}} + {d_{\rm{w}}} + {d_{\rm{t}}} $

(1)

式中，d_tectonic为构造运动造成的位移变化；另外3项为非构造位移变化，分别为储气库注、采造成的位移量d_ugs；与降水和地下水有关的位移量d_w；与温度有关的位移量d_t。由李杰等(2016)的结果可知，地表温度造成的观测墩体积变化可忽略不计，因此位移量d_t在此亦不予考虑。曹锡秋(2013)根据地应力分析了呼图壁断层、呼图壁北断层的受力状况，并定量分析了各断层的封堵能力，认为在当前的应力状态下，组成储气库的这2个主断层是稳定的。因此，本文假定相对于储气库的注、采过程引起的形变响应，由断层引起的构造运动在各点位产生的运动差异可以忽略，即各观测点位由构造运动引起的位移变化d_tectonic可视为是一致的。通过监测网内部点位相互求差的方式，可消除构造运动造成的位移量d_tectonic。

如上所述，我们选择整个监测网最南端的HKPS为参考基准点，因此可以假设储气库注、采过程在HKPS点位产生的位移变化d_ugs为0，将其他点位的位移量与HKPS的相应观测结果求差，然后剔除水文的影响，即可获取储气库的注、采过程对整个监测网所在区域的形变量。

1.3 水文改正

水文方面对位移的影响主要来自降水和地下水位的变化。由于降水和地下水位对位移的影响主要体现在垂直方向上，因此，在水平方向上可以忽略位移量d_w的影响。李杰等(2016)分析了呼图壁地区地下水超采引起的地表沉降变化，该地区平均年沉降约为18.8mm，测区最南端HKPS点的沉降量为11.8mm/a，最北端HKPN点为16.1mm/a，测区相对最大沉降量为4.3mm/a，通过内插可计算得到其他点位相对于HKPS点的年沉降量(表 3)。

由于前3期GPS观测主要在干燥的冬季完成，农业灌溉活动较少，受地下水和降雨的影响较小，因此，对前3期的垂直形变没有进行水文改正。第3~4期观测，正好为一个完整的采、注气过程，时间跨度上正好1年，因此，对于第4期观测结果我们在各点位上分别进行了相应的水文改正。而第4~5期观测为注气过程，时间为2015年4~11月。该时间段内，呼图壁地区农业活动频繁，全年降水也多集中在此时段内，因此在其观测结果中加入了1年的水文改正量。图 3给出了各个观测点以HKPS点为参考基准点，并扣除水文影响的垂直形变结果以及3个储气库注气井井口的压力变化。我们得到的观测结果与李杰等(2016)利用水准测量得到的结果在趋势上基本一致，这也说明2种观测手段相互得到了印证。

2 地表盖层的变形响应分析

根据5期GPS观测时间和注、采气井井口的压力变化(图 3)，可得到2个完整的注、采气过程，它们分别为包括了1~3期观测、时间2013年11月~2014年3月的采气过程以及4~5期观测、时间2015年3~11月的注气过程。下面针对这2个阶段地表盖层在注、采气过程中的变形响应进行分析。

2.1 地表盖层在采气过程中的变形响应

图 4给出了地表盖层在地下储气库采气过程中的水平、垂直变形响应。由图 4可见，储气库内部的点位在水平方向上明显存在一种向某点集中塌陷的趋势，形变量随着向外距离的增加而增大，处于较外部的HK22、HKPW分别达到了5.2、4.7mm，而中心位置的HK19、HKP7分别为1.5、1.8mm。南侧3点的形变相对稳定，HPK5与HKPS几乎保持了同步运动趋势，HKP6的水平位置变化与储气库内部点位的变化趋势亦明显不同。北侧3点也表现出向储气库内集中的变化趋势，但变化量明显放大，可能与该区域多为农田，地质结构不稳定有关。垂直方向上由于处于冬季农闲期，地下水超采、降水均不活跃，因此，储气库南、北两侧的垂直形变都不大，只有HKP1点出现了明显的下沉运动，幅度达到了6.2mm。在储气库内部，最大位移发生在HK19点，正好为监测网的中心位置，抬升幅度达到4.2mm，其他点位的垂直形变均较小，变化幅度均小于2mm，且多为向上抬升趋势。

2013年11月~2014年3月，储气库正好处于采气周期，其间注、采气井井口压力由17MPa减小到14MPa，变化幅度约3MPa。由于该时段内注、采气工作主要集中在HK19、HK21、HK22等3个点附近的注、采气井，因此，本文估算了HK19、HK21、HK22附近的3口气井HUK19、HUK21、HUK22的井口压力变化，同时对观测点HK19、HK21、HK22的水平变化、垂直变化求均值后，给出了储气库每MPa气井压力变化对地表变化的影响，即水平方向为1.24mm，垂直方向为0.86mm。

2.2 地表盖层在注气过程中的变形响应

图 5给出了地表盖层在地下储气库注气过程中的水平、垂直变形响应。由图 5可见，储气库内部各点水平方向上呈现出一种发散运动的趋势，变化幅度为4.3~10.7mm。南侧3点的形变仍然相对稳定，北侧3点呈NE向运动趋势，最大位移量出现在HKPN点，为30.3mm。

由于受地下水超采的影响，储气库北侧3点HKPN、HKP1、HKP2的沉降幅度非常大，2期观测虽然均进行了水文改正，但其下沉幅度仍分别达到了61.5、39.0、27.5mm。为了不影响其它点位变化幅度的展示效果，在图 5中删去了这3个观测点的垂直变化矢量。储气库内部点位与相对稳定的储气库南侧3点相比，存在明显的向下运动，幅度为6.9~19.0mm。HK19、HK21、HK22这3点的垂直变化分别为-9.7、-6.9、-9.6mm，变化幅度较为一致。

该阶段内，注、采气井井口压力从约21MPa变化为约29MPa，变化幅度近8MPa。仿照采气过程所作的相关工作，计算了注气周期内每MPa气井压力变化造成的地表变形，即水平方向上为1.02mm，垂直方向上为-1.11mm。本文在垂直方向上给出的每MPa气井压力变化对地表变形造成的影响与李杰等(2016)利用水准资料得到的结果有较好的一致性。

综合以上储气库注、采气过程中地表盖层的形变响应可以发现，在水平方向上随着储气库的注、采运行，明显表现出一种“呼吸效应”，即采气过程中，随着气井井口压力的下降，储气库内的观测点向某一区域集中运动；在注气过程中，气井井口压力增大，储气库内的观测点向外发散运动，并且储气库内、外观测点存在明显的运动差异，我们认为地表这种水平方向上的“呼吸效应”是对储气库注、采气过程的直接响应。在垂直方向上，地表盖层的运动方向与注、采过程间表现出一种负相关的关系，即采气过程中，随着气井井口压力的减小，井口附近的观测点呈向上运动的趋势；在注气过程中，随井口压力的增大，井口附近的观测点呈向下运动的趋势。

2.3 地表盖层对1个完整的注、采周期的变形响应

第3~4期观测正好经历了1个完整的采、注气过程，通过研究这2期的位移变化量，可以得到地表盖层对1个完整注、采周期的变形响应。

这2期观测在时间上正好为1年，相关季节性效应可以有效剔除。图 6给出了地表盖层在该时段内的水平、垂直变形响应。在水平方向上，储气库内部的观测点具有一种明显的外扩发散运动趋势，与储气库外部观测点在运动方向上差异明显，变化幅度为1.0~5.1mm。储气库外部南、北两侧观测点运动方向正好相反，亦呈向外扩张的运动趋势。北侧点位相对于南侧点位在变形幅度上明显放大，笔者认为造成这种差异的原因仍与观测点所在区域的稳定性有关。在该时段内，注、采气井井口压力从2014年3月的14MPa，最大增加到2014年10月的约26MPa。进入采气阶段后，井口压力最低降至约16MPa，最后在2015年3月末开展第4期GPS观测期间回升至约21MPa(图 3)。整个注、采过程完成后，井口压力增大7MPa，因此，总体效应与注气周期类似，水平方向变形呈现发散趋势。

垂直方向上，北侧3点受地下水超采的影响存在较大的沉降运动，最大沉降量仍然发生在HKPN点上，达到了24.3mm，在此处形成了1个明显漏斗形沉降区。储气库内部东侧点位，包括HK19、HK21、HK22、HKP3、HKP4等均呈现下沉运动，幅度为3~8mm。西侧2点HKP7、HKPW则呈抬升运动趋势，幅度分别为3.2、5.9mm。深入调查后发现，原呼图壁气田开发井集中在储气库东侧(HK22附近)，富含酸敏、水敏矿物的储气层易受酸性液体、水、油等的侵蚀，相较西侧更易发生沉降现象；另外，储气库相关工程建设也主要集中在储气库东侧，人类活动频繁，这些可能是造成储气库东、西两侧垂直形变差异的原因所在。

3 结论与讨论

本文利用GPS观测分析了地表盖层在呼图壁UGS注、采气过程中的变形响应，发现由储气库注、采过程引起的地表盖层形变在水平方向上表现出明显的“呼吸效应”，即在采气周期内，随着注、采气井井口压力的减小，监测网各观测点表现出一种向内集中塌陷的运动趋势；而在注气周期内，随着注、采气井井口压力的增大，各观测点则呈现出外扩发散的运动趋势。根据3个注、采气井井口的平均压力变化和HK19、HK21、HK22等3个观测点的平均位移量，本文给出了储气库每MPa气井压力变化在注、采周期内对地表变形产生的影响，即注气周期内，水平方向上为1.02mm/MPa，垂直方向上为-1.11mm/MPa；采气周期内，水平方向上为1.24mm/MPa，垂直方向上为0.86mm/MPa。

储气库南侧点位的运动相对稳定，北侧各点由于受所在区域地下水超采的影响，一直呈现向下运动的趋势。在观测结果方面，储气库内各观测点在垂直方向上的运动趋势与水准测量的结果相符。本文进行的水文改正较为简单、粗浅，通过水准剖面测量的方式，深入研究地下水对该区域的沉降影响，精化水文改正结果，对利用GPS观测结果真实反映储气库盖层区域垂直形变有一定的意义。

本文经过分析后，合理选取整个监测网的最南端HKPS点作为参考基准点，这为剔除区域构造运动的影响提供了便利，观测结果较好地反映了储气库注、采过程对盖层地壳的形变影响。然而，HKPS点的形变被人为假定为0，与真实情形存在出入。3个连续观测站(1个在距监测网30km外，2个在监测网内部)的投入运行将为确定区域的构造形变引入直接的观测结果，同时也为今后的数据解算工作带来便利。

考察储气库运行之前的观测资料如InSAR数据、水准资料等进行相关回溯研究，了解呼图壁UGS注气前该区域的形变特征，并结合目前的相关研究可以考察储气库对当地地质构造的影响程度。在获取呼图壁UGS注气与采气过程三维形变的基础上，以该地的地震地质、地球物理及储气井的压力与气量等参数为约束，建立三维地质力学模型，开展数值模拟与分析；结合储气库周边的地震活动性、储层岩石属性及地质构造分布，研究储气库盖层岩石的变形与力学特征，探索地层压力与孔隙弹性变形的关系，揭示储气库及周边断层的活化与扩展特性，将为合理调节天然气的注入、抽取量提供风险评估与参考，也将为我国未来UGS的建设、运行及安全评估等提供重要的技术支撑。