0 引言

借助地下断层的空间自然展布，利用地下空腔，通过固井技术对天然气展开注、采从而进行存储和使用，是针对天然气调峰和保障供气安全而开发的一项能源储备技术。其所具有的储气量大、安全可靠、应急及时等特点，已成为很多国家战略能源储备的首选。据统计，世界范围内使用的地下天然气储气库有600多个(王亮，2013；尹虎琛等，2013)。呼图壁地下储气库区位于新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘，坐落于昌吉国家高新技术产业开发区内(佚名，2011)。昌吉高新区西距呼图壁县4.5km，东距昌吉市区12km，距乌鲁木齐市西北约80km，地理位置上处于昌吉市榆树沟镇与呼图壁县二十里店镇的交界，主要分布在呼图壁县境内。库区面积约16km²，设计总库容107亿m³，生产库容45.1亿m³。作为新疆第1个大型地下储气库，主要储存来自土库曼斯坦的天然气^①。其季节调峰和应急储备的双重功效对保障西气东输稳定供气发挥着重要作用，并且对于天山北坡经济带的发展和新疆的繁荣稳定具有重要意义。

① 中国石油新闻中心网，http://news.cnpc.com.cn/system-12/18/001463323.shtml

地下储气库气量调节由注气与采气2部分构成，在注气、采气过程中储气库内部产生巨大的压强差，这直接影响到储气库内部的压力状态并传递到地表，对地表水平及垂向变化产生影响。探究压强差与地表形变之间的关系，将对地下储气库的安全生产有着重要作用。有关地下储气库的文献多见于石油工艺、气井产量及通过空间对地观测技术获取地下储气库注、采气过程的地表形变场等方面的论述(Verdon，2013；Gemmer et al，2011；Castelletto et al，2010；Teatini et al，2011；冷曦等，2012；王嘉淮等，2012；李一峰等，2014)。而运用精密水准观测技术同步分析形变过程的研究则较为少见。为此，新疆地震局首次采用水准测量方法对呼图壁地下储气库地表形变随井口压力的变化进行了研究，随着为期2年的多期测量工作的展开，方圆十几平方千米的地下储气库的地表垂直形变被获取，为近期地下储气库的安全运行提供了基础数据和风险评估依据。

1 网形设计与数据处理 1.1 研究区与布网概况

项目初期，为更好地开展形变与注、采压力变化之间关系的研究，以储气库东侧部分地区的井位密集区域为主要研究对象，最终挑选以呼克19井为中心，测网呈十字星状朝4个方向散开。边长为南东2km、北西2km、北东4km、西南4km，每隔0.8~1km间距设置流动GPS、水准、重力综合观测墩1个，共计13个形变点。其中，南北测线横跨储气库2条边界断层，即呼图壁北断裂与呼图壁断裂。综合观测墩设计埋深1.5m，露出地表0.5m，直径0.5m，由混凝土现浇制成。同时，为更好地研究储气库区压力与形变间的关系，将其中4个综合观测墩置于采注直井旁，即HK19(呼克19井)、HK21(呼克21井)、HK22(呼克22井)、HKP4(呼克1井)等4点(图 1)。

1.2 野外观测与数据处理

垂直形变测量执行GB/T12897-2006《国家一、二等水准测量规范》(中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2006)二等水准测量规范，使用仪器为Trimble(天宝)DiNi003电子水准仪，网型设计按照相邻组网的方案对测区13个形变点构成3个闭合环进行观测(图 1)，测线总长32km。精度分析见表 1。

通过2013~2015年10月的观测，我们已获得7期13个点的野外观测数据。2015年10月全网又向西扩大，增埋20个综合观测墩(图 1中黄色五角星)，新网共由5个闭合环组成。

设立呼图壁地下储气库地表二等水准观测网的科学目的主要是研究地下储气库注、采气期间油气压力改变对地表形变的影响。由于整网主要位于储气库及其附近，垂直形变除受到储气库自身气井压力变化的影响以外，还受到天山隆升的构造背景、降水与地下水开采、外界温度变化引发的冻胀融沉等的影响。测网整体垂直动态变化情况复杂，难以选取若干相对稳定的点按拟稳平差方法开展数据分析(陶本藻，1982)。为此，我们仍采用经典测量平差，自由选择某一相对参考点进行数据处理(於宗俦等，1984)。

为了更客观合理地分析问题，我们分别选择了HKPS、HKPN、HKPW、HK19等4点作为相对基准点进行分析。选取不同的参考点作为经典平差的起算点，结果表明，以2013年11月作为起算基准，整体测区各点的最大相对变化均达到60mm左右(SN方向变化幅度最大)，最大年均垂直升降速率达30mm，由于HKPS点远离抽水井和天然气注、采井，受干扰幅度较小，为了更好地反映储气调节期间的垂直形变特征，我们选用了HKPS的经典平差结果。

为了将气井压力变化影响到的地下储气库地表形变机理清晰地展示出来，我们通过分析天山继承性构造隆升、地下水超采、温度变化等影响因素，得到储气库区随地表气井压力变化的局部垂直形变分布特征。

2 形变特征分析 2.1 环境背景的影响 2.1.1 天山隆升的构造背景影响

呼图壁地下储气库位于准噶尔盆地南缘、北天山山前坳陷内。受喜马拉雅造山运动挤压应力场活动的影响，天山隆升与北邻的准噶尔盆地逆冲推覆产生强烈褶皱并伴生一系列大型逆掩断层(邓起东等，2000)，呼图壁储气库即位于该山前褶皱带上。储气库区的构造活动受北天山山前的南倾高角度逆冲断层活动控制，而后者的动力来源则是印度板块持续性向北楔形挤入欧亚大陆后引发帕米尔高原向北运动和塔里木盆地顺时针旋转推挤天山，这造成横跨天山地壳的缩短、增厚及山体隆升(张培震等，1993、1996)。

于建民等(1989)通过整理1970~1986年天山中段地区的大面积水准资料得出，垂直形变速率等值线沿北天山山前奎屯-玛纳斯-呼图壁-乌鲁木齐坳陷一带基本呈EW向展布，在呼图壁附近沉降速率达-9mm/a，而天山山体则以5~10mm/a的速率隆升。路星(2009)利用20世纪50年代开始的大面积水准复测资料，分析了新疆地区现今地壳垂直隆升情况后认为，在北天山山前区域乌鲁木齐至呼图壁一线的沉降趋势大概分为3个阶段，1955~1995年间整体表现为下沉幅度为0~2mm/a，而北天山中部山区则以5mm/a的幅度隆升。蒋靖祥(2003)利用呼图壁跨断层定点短水准观测资料对北天山山前的霍尔果斯-吐鲁谷断裂进行分析后认为，断裂南盘抬升速率为0.07mm/a，断层呈现正断活动特征。张永岗等(2004)通过北天山山前跨断层一等流动水准对呼图壁大丰段的研究表明，20世纪90年代末以来，研究区域内断层活动依旧呈现南盘上升、北盘下降的趋势，抬升速率为0.39mm/a。

综上所述，在大的构造背景影响下，相对天山的持续性隆升，现今北天山山前构造基本以沉陷运动为主，整体沉降幅度约为-2.86mm/a。呼图壁储气库作为一个极小的构造单元，其整体沉降幅度也受这种继承性运动的控制，因此库区的整体变形约为-3mm/a。

2.1.2 降水与地下水超采的影响

北天山山前地带属于温带大陆性干旱、半干旱气候，夏季干燥炎热，冬季寒冷。呼图壁县多年年平均降水量约205.9mm，以春、夏季降水为主，而水面蒸发量则约为1198.3mm，农业及生活用水基本依靠天山雪水的融化补给。

储气库区所在的呼图壁县二十里店镇，农田水利灌溉基本以地下水为主。储气库形变综合网以HK19气井为中心，以北为大面积农田，以南为工业园区。因此，在计算储气库注、采气过程中地表形变时必须考虑到地下水超采引发的沉降因素。

地下水超采是对地下水资源过度开发利用而导致地下水位持续下降的现象，地下水的开采利用会使周边地下水分布发生改变，周边水向集中开采区流动，形成局部漏斗状下陷面，而在地表则表现为超采中心点沉降幅度最大(郑铣鑫等，2002)。这种现象会使地表沉陷而诱发地面沉降。地表沉降给社会经济发展、城市建设以及生产生活带来的危害已引起许多国家的关注。除非有外界水源补给，否则地表沉降将属于一种几乎不可逆的永久性环境损失。据胡先林(2010)给出的数据，1996~2009年的14年间，呼图壁地下水实际超采量为38971万m³，并且主要在二十里店镇等呼图壁县城周边乡镇，多年平均下降速率为1.23m/a。由于储气库区位于呼图壁县东侧平原区域，由图 1农业机井的分布可以看出，地下水开采对整体测区的测量存在一定的影响。为此，2016年5月我们针对其中的4口农业灌溉机井展开了水准测量，以调查农业用水与地表沉降间的关系。

2.2 温度的影响

储气库区出露地表的形变综合观测墩由混凝土制成，随着温度改变，观测墩会有胀缩现象。呼图壁地区2006~2016年间，地温变化范围为8~18℃，且随时间呈正弦函数变化，地温日温差变化幅度小于0.1℃；气温则在-20~+30℃间呈周期性变化，最大日温差变化约10℃(数据来源于中国国家气象数据网)。

呼图壁地区从每年3月观测时的平均温度-2 ℃到10月的平均温度10℃，温度变化仅为12℃。混凝土的热膨胀系数为(8~12)×10^-6/℃，按出露地表的墩体高0.5m、底面积半径0.25m计算得到的线性膨胀约为0.06mm，因此，体积的变化可忽略不计。地温对其变化的影响亦可不计。

综上，影响呼图壁储气库地表沉降的继承性因素主要为地下水超采引发的地表沉降及天山持续性隆升与山盆结合地带的沉降。前述得到的垂直向变化均为绝对高程变化，对于储气库区域内的各点来说，相对变化应该仅有地下水超采引发的地表沉降。

2.3 集采气压力变化的影响

由HKPS点的第1期观测数据作为基准得出的动态高差时间变化序列(图 2)可以看出，除第1、2、3次观测的时间间隔较短，分别为2013年11、12月以及2014年1月以外，其余4次均在注、采压力变化的峰谷值期间开展观测。

由于前3期观测时间接近且均在冬季，因此，从观测结果上看，前3期观测高差变化均在“0”基准线附近振荡，参考点位的变化保持在mm量级范围。该时间段室外温度基本保持在0℃以下并处于农休时节，无农田灌溉及地下水超采情况，且储气库处于平稳采气期，3个月内的采气压力变化为3~4MPa，综合观测墩亦在建墩沉降稳定过渡期内，从各点的变化来看，整个库区基本变形量不大，SN向最大变化约为3mm。

图 3为集采气压力在第4、5、6各阶段变化期间储气库区各形变点垂直向矢量变化。第4期(2014年3月)至第5期(2014年10月)，伴随着储气库由采气向集气的转变，油井气压相对变化增大约16MPa，垂直形变范围为+5~-30mm。显然在该观测时间段内，库区整体变形受储气库区井口压力变化的影响而发生显著变化。

以库区南端HKPS点作为参考基准，北面最远的HKPN点相对变化幅度最大，接近37mm，由北至中心点，HKP1、HKP2、HKP3等均有超过10~20mm的下降变化，其中远离参考点的HKP1变化幅度达23mm；由东至中心点，HK21、HK22各点也有10~18mm的沉降变化；以西各点小幅反向抬升；以南各点由于接近HKPS点，也显示出小幅变化。测区在井口压力的影响下表现出西南隆升、东北下降的趋势。

储气库形变监测网主要分布于库区东侧，受16MPa的井口压力增加的影响，西部各点抬升运动明显高于东部。因此，相对东部沉降而言，西部均为隆升。对于变化最大的HKPN点来说，由于该点远离储气库中心位置，且位于大片农田之内，因此该点与以南的HKP3之间的各点，由于3~10月的农田灌溉、地下水超采等引发的地表沉降严重影响了北部地区的垂直活动，故HKPN等点的大幅运动应该是地下水超采引起的沉降。

第5期(2014年10月)至第6期(2015年3月)，储气库井口压力变化为-8MPa，属于采气阶段，库区整体地表压力变小。同样以HKPS作为参考基准，以西的2点均有1.0~2.0mm的小幅上升，而其余各点则基本维持在5mm的隆升运动，说明冬季受井口压力的影响，储气库东部靠近中心位置的区域集中下降，半年幅度约为5mm。此时变形基本可以认定为受储气库区10月从集气量最大向采气量最大的动态转化过程的影响。这段时间处于冬季寒冷阶段，农业用水停止，地下水超采变为地下水补给，所有远离库区的各点垂直向量值均有小幅升高。由图 3(b)可见，当井口压力变小时，区域整体变形都有小幅抬升，这反映出东西狭长的储气库其东侧整体形变特征是以北东区域为最大变化区。

第6期(2015年3月)至第7期(2015年10月)，各点数值变化与第4阶段的变化趋势和幅度基本一致，垂直变化表现为线性平行关系(图 2)，即各点在相应时间段内观测的垂直变化基本保持一致，且继续保持原有沉降或隆升趋势。如果这一发现能够被未来的持续观测数据证实，那么我们则能拟合出一条储气库区垂直形变随时间、气压的变化曲线，进而可对未来储气库区的安全运维发挥重要的保障作用。图 3(c)表明，除了在夏季以外，其他季节由于地下水农田灌溉，会使得测区最北部依旧保持了最大沉降形变趋势。在12MPa的压力影响下，储气库依旧表现为形变量由东向西逐渐增加，隆升幅度为8~12mm。

在第4阶段(2014年3~10月)，气井最大注、采压力变化为16MPa，围绕气井周围的各点隆升幅度为8~18mm；在第5阶段(2014年10月~2015年3月)，气井最大注、采压力变化为-8MPa，气井周围各点沉降量约为5mm。而第6阶段(2015年3~10月)，气井最大注、采压力变化为12MPa，气井周围各点隆升变化为8~12mm。由此可知，随着气井注、采压力的变化，储气库内部各点的隆升、沉降幅度约有0.625~1.125mm/MPa的单位变化量。

为了检验储气库气井压力变化与沉降量之间关系的准确性，我们利用弹性力学本构方程进行了验证。储气库在集采气过程中引发的地表隆升、沉降过程实际上就是在储层岩石圈内部压力变化引发的弹性变形基础上的扩容和膨胀，这在附近地表便会表现为缓慢的地表抬升和沉降。通过地表测量可知，呼图壁储气库集采气期间的变形符合弹性变形。在均匀且各向同性的假定条件下，利用服从虎克定律的弹性体本构关系中的应变与位移的几何方程和应变与应力物理方程，根据石油部门提供的该地区平均地层弹性模量为46MPa、泊松比为0.33，我们进行了验证计算，通过模拟值与实测值的对比(图 4)，验证了我们的每MPa压力变化得到的沉降幅度的可靠性。

3 讨论与结论

在2年的观测时段内，呼图壁地下储气库地表垂直形变的最大变化幅度约为60mm，该变化除了受气井压力随季节变化的影响以外，还受其他环境因素的干扰。

天山继承性构造隆升对呼图壁地区垂直形变的影响表现为：受塔里木块体顺时针旋转推挤作用的影响，天山以北的准噶尔地块俯冲于天山山体下部，造成天山隆升，盆地沉降，在呼图壁一带产生-2.86mm/a的垂直变形。这种沉降变形对于利用InSAR技术来研究储气库区域的地表垂直变形有很好的指示意义，但无法分辨研究区域内不同地区的沉降量。

影响储气库绝对高程变化的主要因素来自地下水超采。但依托实地调查结果发现，研究区北部为大面积农田，夏季农业耕种阶段受地下水超采的影响较严重，在局部地区较易形成漏斗状沉降。即在农田机井抽水中心地带沉降最为严重，而远离中心的地方则呈衰减状态。因此，考虑储气库地表沉降时，地下水超采是不可忽视的主要影响源。随着目前的农业机井抽水与沉降调查工作的开展，我们将会得到储气库地下水超采引发的地表形变的具体模型。

年变温差引起的混凝土墩标的膨胀影响，通过计算发现可忽略不计。

库区随气井注、采压力变化而产生的垂直形变表现为，库区形变主要来源于气井在不同阶段的集采气压力的影响，且基本遵循围绕库区几何中心做隆升-沉降运动。极值区位于库区中心，并向四周随着与中心距离的增加呈负相关的变化趋势，且存在0.625~1.125mm/MPa的单位垂直形变量。

目前开展的观测工作对于影响库区地表形变的关键因素——冻胀融沉效应还不能展开详细论述，我们相信随着数据的积累，并结合考虑气象温度与冻土深度的变化，将可进一步研究冻胀融沉最大隆升变形幅度与区域温度变化之间的关系。