山东史南油田时序InSAR地表沉降监测与机制分析

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地面沉降是目前普遍的环境和地质灾害之一,在三角洲地区更为严峻。黄河三角洲因为具有特殊的地质环境、沉积特征和人类的高强度开发活动等,沉降机理极为复杂。胜利油田地处黄河三角洲,年平均原油产量达到两千万吨以上,是我国第二大油田,同样一直处于下沉过程中,这不仅威胁生态环境,破坏城市建设,甚至会对人民的生命和财产安全构成巨大威胁,因此对该地区进行实时的地表沉降监测是十分必要的。史南油田位于山东省东营市,年生产原油量可达百万吨,是胜利油田增储上产的重要阵地之一,同时是地表沉降灾害较严重的典型油田。InSAR技术作为一种新兴的空间对地观测技术,被广泛应用于诸多地学领域,特别是在地表沉降监测方面。于是本文以史南油田为研究对象,分别选取覆盖研究区多源SAR影像(2007年2月至2010年9月共22景Envisat ASAR影像和2016年9月至2019年9月的84景Sentinel-1B影像),利用SBAS-InSAR技术获取了研究区在两个时间段内地面沉降的时序特征及空间分布情况。监测结果表明2007年以来,史南油田地区有一个显著的沉降漏斗,平均沉降速率为-19 mm/yr,漏斗中心位置沉降速率达到了-32.3 mm/yr,沉降范围较大,沉降面积约为20 km~2,并且该区地面沉降模式主要集中在油气勘探区内;在2016年至2019年期间内,史南油田平均沉降速率仅为年平均沉降速率仅为0.46 mm/yr,原有的沉降漏斗逐渐“消失”。本文结合胜利油田开发战略以及东营市政府相关举措,对史南油田沉降漏斗全周期演变进行了分析,认为经过近十年的努力,东营市地表沉降现象得到了极大改善,城市面貌显著提升。在获取史南油田精确的地面沉降分布之后,弄清史南油田地面沉降影响因素,对油田安全生产及灾害预防与治理具有重要的意义,于是本文以人为因素和自然因素两个方面为出发点,分析了油气资源开采、地下水抽取、区域构造运动等多个因素对研究区地面沉降的影响,研究得出史南油田在2007年至2010年期间内出现大范围沉降漏斗的原因,主要是油田的持续性高强度开采导致含油储层压力降低。近年来,已有不少学者借助地球物理反演模型通过地表形变,对油田储层参数进行反演,并取得了较好地效果。然而,常用物理反演模型仍存在缺少足够旋转自由度,反演参数较少以及反演计算存在伪奇点等问题。针对此问题,本文引入了一种能够有效解决上述问题的复合位错模型(Compound Dislocation Model,以下简称为CDM),并结合遗传算法,提出了一个基于时序InSAR的油田CDM储层参数反演方法。为了验证复合位错模型(CDM)的适用性,本文以2007年2月至2010年9月利用SBAS技术获得的形变监测结果作为反演的输入量,分别CDM及常用模型引入到油田的储层参数反演中,通过反演获得最优参数值之后,然后通过正演对地表形变进行模拟;将反演得到的油层参数与实际参数进行对比、模拟形变与真实形变进行对比,判断不同模型反演结果的可靠性。通过分析可知:(1)CDM模型由于独特的模型构造,相对于常用模型,能从更多角度准确地表示油田的储层参数,更加符合地下油田储层参数与地表形变的映射关系;(2)根据模拟形变与真实形变之间残差的对比分析,可以清楚地看出在史南油田储层参数反演中,CDM模型适应性最强,明显优于常用物理反演模型。本文基于时序InSAR技术对史南油田地面沉降的发生、演化过程以及影响因素的分析对油田安全生产及灾害预防与治理提供了科学参考,有助于黄河三角洲的可持续发展。
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