📝 摘要
美国中大陆地区的注入诱发地震几乎全部发生在Arbuckle群含水层（该地区主要的废水处理层）之下的结晶基底中。然而，基底的特性尚不明确。本研究利用堪萨斯州I类井的新汇编数据，提供了Arbuckle层压力的独特记录，为约束基底的大尺度储层属性（如渗透率、扩散率和单位储水系数）提供了机会。这些参数对于模拟整个Arbuckle-基底系统的流体流动和压力至关重要，也是准确评估和预测注入诱发地震所必需的。
我们基于覆盖堪萨斯州中南部（2014年以来诱发地震集中区域）400多口井的数据，建立了一个详细的、三维的Arbuckle层和基底地质模型及压力历史匹配数值模型。对319口井动态数据的模拟结果表明，高注入速率区域的Arbuckle层压力增加了1.1 MPa，而小于0.1 MPa的超压可能是引发基底地震的原因。压力历史匹配还给出了基底的孔隙度（0.3% – 7%）、渗透率（0.1 – 0.7 mD）和扩散率（0.004 – 0.07 m²/s）的可能范围。这些估算结果表明，基底的储层尺度特性因断层和裂缝的存在而增强。重要的是，本研究中确定的扩散率值低于基于堪萨斯州地震触发前沿（earthquake triggering fronts）的估算值，这表明此类基于地震活动性的技术可能存在局限性，特别是在注入与地震之间的时空模式较为复杂的地区。
🖥️ CMG软件应用情况总结
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 所用软件 | CMG IMEX（黑油模拟器）及 CMG CMOST（自动历史拟合与优化工具） |
| 模型类型 | 三维（3D）黑油模型，单孔隙度，等温，考虑含水层影响 |
| 模拟对象 | 堪萨斯州中南部Arbuckle群含水层及其下的前寒武纪结晶基底，研究废水注入引起的压力变化及其向基底的扩散 |
| 地质模型构建 | 在Schlumberger Petrel™中建立，包含12个Arbuckle层和5个基底层的三维地质模型（图S2）。模型区域大小约152 km（X）× 118 km（Y）。Arbuckle厚度范围：245-365 m，深度范围：海平面以下348-1330 m。 |
| 数据来源 | • 静态数据：486口井的Arbuckle地层顶面数据、测井曲线；4口井的岩心孔隙度数据；3口井的钻杆测试渗透率数据。 • 动态数据：49口I类井的年度关井压力测试数据（P*），319口井用于历史匹配。 |
| 网格与属性 | • 网格总数：~380,000 • 基底部分：5个垂向网格层，总厚度约6 km，单层厚度1.2 km • Arbuckle孔隙度：基于岩心数据赋值（每个网格单元0-1%到10-15%） • Arbuckle渗透率：基于钻杆测试数据（0.003-0.042 mD, 最高4 mD）及孔隙度-渗透率关系赋值 • 基底初始属性：孔隙度1%，渗透率0.0001 mD |
| 边界与初始条件 | • 初始压力：基于Arbuckle内测得的水头分布（海平面以上约300 m） • 侧向边界：无流动边界 • 含水层：模型底部使用Carter-Tracy含水层模型 |
| 历史拟合 | • 目标：匹配三口I类井（KS-01-077-002, KS-01-173-001, KS-01-173-002）的关井压力（P*）历史数据（2000-2016年） • 方法：使用CMG CMOST进行自动历史拟合，运行超2000次模拟 • 校准参数：基底渗透率（k）、基底孔隙度（porosity） • 拟合标准：最小化三口井的模拟压力与实测压力之间的误差 |
| 主要研究参数 | 基底孔隙度、基底渗透率、基底单位储水系数（Specific Storage）、基底水力扩散率（Hydraulic Diffusivity） |
文中明确指出：
“Simulations were conducted using the black- oil reservoir simulator IMEX (CMG, 2016), which was coupled with CMOST for automated history matching.” （第4页，或Supporting Information）
🧪 模拟方案与主要结果
1. 模型不确定性与历史匹配设置
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由于基底岩心/测井数据极少，采用两种地质模型类型（Type A, B）和5种孔隙度-渗透率关系（Realization 1-5），共生成10个不同的初始模型（表S12, S13）。
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使用CMOST对每个模型的基底渗透率和孔隙度进行校准（表S14）。
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其他历史匹配参数包括：Arbuckle垂直/水平渗透率比（0.1-1）、含水层大小等。
2. 历史匹配结果（图2，表S14）
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三口目标井的匹配误差在可接受范围内。井KS-01-077-002的匹配度优于另外两口井，后者因受邻近高注入速率I类井的强烈影响而匹配度稍差。
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结果表明，历史匹配确定的基底属性是区域尺度（reservoir-scale）的平均值。
3. 基底属性校准结果（图3，表S14）
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孔隙度：0.3% – 7%（平均~2%）
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渗透率：0.1 – 0.7 mD（平均~0.25 mD）
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单位储水系数：7.3×10⁻⁷ – 1.7×10⁻⁵ m⁻¹
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水力扩散率：0.004 – 0.07 m²/s（平均~0.02 m²/s）
4. 压力扩散模拟（图4）
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模拟显示，到2015年，高注入区Arbuckle压力增加峰值达1.1 MPa。
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压力向基底扩散存在时间滞后。尽管Arbuckle层压力在2015年后开始下降，但基底深部（顶面以下约1.8 km）的压力在2015-2016年仍保持约0.5 MPa。
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基底更深处（顶面以下约4.5 km）的累积压力增加< 0.1 MPa，此压力变化足以触发近临界状态的断层滑动，诱发地震。
✅ 主要结论
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基底属性量化：通过三维压力历史匹配，首次给出了堪萨斯州中南部前寒武纪结晶基底的区域尺度水文属性范围：孔隙度(0.3%-7%)，渗透率(0.1-0.7 mD)，扩散率(0.004-0.07 m²/s)。
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诱发地震机制：Arbuckle层压力增加（峰值1.1 MPa）通过断层/裂缝网络向基底深部传导，即使仅产生<0.1 MPa的超压也可能触发深部地震。压力变化率（压力梯度）可能控制地震活动速率。
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与地震学方法对比：本研究的扩散率估算值（~0.02 m²/s）远低于部分基于地震触发前沿（如Petrie et al., 2018）估算的7 m²/s，而与另一些研究（如Schoenball et al., 2018）的估算值（~0.06 m²/s）较为接近。这表明，在多井注入、压力干扰复杂的区域，基于地震迁移扩散的估算方法可能存在偏差。
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断层/裂缝的增强作用：历史匹配得到的基底渗透率（~0.1-0.7 mD）比实验室岩心测量值（通常< 0.001 mD）高2-3个数量级。这证实了在储层/区域尺度上，分布式的断层和裂缝网络显著增强了基底的流体输导能力。
🏛️ 作者及单位信息
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作者: Esmail Ansari, Tandis S. Bidgoli
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单位: 美国密苏里大学（University of Missouri），地质科学系
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期刊: Geochemistry, Geophysics, Geosystems (AGU 期刊)
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收稿日期: 2021年1月15日
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录用日期: 2021年6月29日
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在线发表: 2021年
致谢：
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感谢Computer Modeling Group (CMG) 捐赠IMEX和CMOST软件许可证。
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感谢Schlumberger捐赠Petrel™软件许可证，IHS Markit捐赠Petra™软件许可证。
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研究由美国能源部（DOE）资助（Award Number DE-FE0029474）。
💡 补充说明
这项研究是能源领域地质力学-水文耦合分析的优秀范例。其创新点在于利用环保法规强制采集的I类井压力监测数据（P*），而非依赖稀疏的岩心或测井数据，来反演深部结晶基底的水文属性。研究巧妙地将三维地质建模（Petrel）、数值模拟（CMG IMEX） 和自动历史拟合（CMG CMOST） 相结合，解决了深部数据匮乏条件下的参数估算难题。研究结果不仅为评估废水注入诱发地震风险提供了关键的基底参数，也为对比不同方法（水文模拟 vs. 地震扩散）估算扩散率的有效性提供了重要参考。