【《胜利油田地表沉降及分析案例》4900字】

PAGE59胜利油田地表沉降及分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u29052胜利油田地表沉降及分析案例 1262021.1研究区域与数据源 147351.1.1研究区概况 1154221.1.2数据源介绍 323461.2时序InSAR沉降监测 615031.2.12007年2月-2010年9月 6244541.2.22016年9月-2019年9月 8134861.3精度验证 10231771.4沉降分析 11220011.5小结 111.1研究区域与数据源1.1.1研究区概况东营市位于山东省北部黄河三角洲地区，黄河在东营市境内流入渤海。东营市地势低平，坡降低，自然比约为1/8000~1/12000，地理位置为36°55′N-38°10′N，118°07′E-119°10′E。东、北临渤海，西与滨州市毗邻，南与淄博市、潍坊市接壤。南北最大纵距123公里，东西最大横距74公里，土地总面积8243平方公里。研究区的地理位置见图4-1黑色方框，覆盖面积约为900平方千米；图4-1红色方框则为本文的重点研究区域-位于现河采油厂的史南油田。图4-1研究区地理位置现河采油厂成立于1986年1月28日，是胜利油田分公司所属的从事石油天然气勘探开发的二级单位。现河采油厂是胜利油田的南大门，油区向南呈放射状分布，油区工作面积大，横跨二区二县（广饶、博兴县和东营、垦利区），采油厂中心位于山东省东营市西城区境内，管理着仙河庄、郝家、史南、王家岗、牛庄、乐安等6个油田，如图2所示[84]。图4-2东营市地面沉降与油气开采图史南油田为20世纪70年代末开发的断块油田，隶属于现河采油厂，位于东营凹陷中央隆起带西倾部位，是一个北东至南西向的鼻状构造[85-86]，断块含油面积大，储集物性好，其中沙河街组二段是油田的主力含油层系。该地区油藏主要受储层横向尖灭线控制，具有埋藏深（在3100～3400m左右），厚度横向变化大，油层具有低孔、低渗、高压、油质好、丰度高等特点。经过查询资料可知，该地区地质储量为2.473×104t，含油面积为18.7km2，地层岩性细，孔隙度20%左右，渗透率10×10'μm²，泥质含量中等，成岩作用属晚成岩A期；史南油田目前综合含水率达91%，产液量达5500m3/d,是开发初期的1.7倍，年生产原油量达到200万吨，是胜利油田增储上产的重要阵地之一[87]。1.1.2数据源介绍1.ENVISATASAR数据2002年3月1日，欧洲空间局（ESA）发射了ENVISAT卫星，该卫星拥有10种探测设备，轨道与太阳同步，高度为800公里，轨道倾角为98°。在ENVISAT-1卫星上载有多个传感器，分别对陆地、海洋、大气进行观测，其中最主要的就是名为ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)的合成孔径雷达传感器。ENVISAT-1卫星的ASAR传感器工作在C波段，波长为5.6厘米。ASAR有五种工作模式，其中Image模式最常在雷达遥感中被使用，成像宽度为100km(最大值)，下行数据率为100Mbit/s,极化方式为VV或HH,分辨率为30m,入射角为15-45°。不幸的是，在2012年4月8日之后，这颗卫星与地球失去了联系。表4-1为本文获取的Envisat卫星从2007年到2010年覆盖研究区的22景SAR影像基本信息。表1.1EnvisatASAR影像获取时间及基线信息IDDateOrbitTrackSwath12007/02/0125737132D22007/04/1226739132D32008/03/2731749132D42008/09/1834254132D52008/10/2334755132D62008/11/2735256132D72009/01/0135757132D82009/03/1236759132D92009/04/1637260132D102009/05/2137761132D112009/06/2538262132D122009/07/3038763132D132009/09/0339264132D142009/10/0839765132D152009/11/1240266132D162010/01/2141268132D172010/04/0142270132D182010/05/0642771132D192010/06/1043272132D202010/07/1543773132D212010/08/1944274132D222010/09/2344775132D2.Sentinel-1B卫星数据Sentinel-1（Sentinel-1）是欧洲的雷达遥感卫星。它由两颗卫星Sentinel-1A和Sentinel-1B组成，携带一个C波段合成孔径雷达，处于太阳同步轨道，轨道高度为693km，轨道倾角为98.18°。Sentinel-1A和Sentinel-1B卫星以180°的相位差在同一轨道飞行。Sentinel-1A卫星于2014年4月3日发射升空，重访时间为12天。Sentinel-1B于2016年4月25日发射升空，其轨道与Sentinel-1A位于同一轨道平面的另一端。两颗卫星同时工作，重访时间缩短到6天，使观测效率翻了一番，拥有了更高的重访频率，更好的覆盖范围以及更好的时效性和可靠性。本文采用2016年9月至2019年9月的84景C波段Sentinel-1B降轨数据对研究区域进行沉降监测，Sentinel-1B数据的空间分辨率为距离向：2.330米，方位向：13.951米。本文选定2018年5月9日的影像作为主影像，设定的时空基线阈值分别为48天和186米，干涉像对时空连接如图4-3所示。表1.2中显示了2016年至2019年覆盖研究区的84景Sentinel-1A影像的具体参数。表1.2Sentinel-1B影像获取时间及基线信息IDDatePassIDDatePass12016/09/28D432018/04/03D22016/10/10D442018/04/15D32016/11/03D452018/04/27D42016/11/27D462018/05/09D52016/12/21D472018/05/21D62017/01/02D482018/06/02D72017/01/14D492018/06/14D82017/01/26D502018/06/26D92017/02/07D512018/07/08D102017/02/19D522018/07/20D112017/03/03D532018/08/01D122017/03/15D542018/08/13D132017/03/27D552018/08/25D142017/04/08D562018/10/12D152017/05/02D572018/10/24D162017/05/14D582018/11/05D172017/05/26D592018/11/17D182017/06/07D602018/11/29D192017/06/19D612018/12/11D202017/07/01D622018/12/23D212017/07/13D632019/01/04D222017/07/25D642019/01/16D232017/08/06D652019/01/28D242017/08/18D662019/02/09D252017/08/30D672019/02/21D262017/09/11D682019/03/05D272017/09/23D692019/03/17D282017/10/05D702019/03/29D292017/10/17D712019/04/10D302017/10/29D722019/04/22D312017/11/10D732019/05/04D322017/11/22D742019/05/16D332017/12/04D752019/05/28D342017/12/16D762019/06/09D352017/12/28D772019/06/21D362018/01/09D782019/07/03D372018/01/21D792019/07/15D382018/02/02D802019/07/27D392018/02/14D812019/08/08D402018/02/26D822019/08/20D412018/03/10D832019/09/01D422018/03/22D842019/09/25D3.DEM日本航空航天局（JAXA）于2006年1月发射了高级陆地观测卫星（ALOS），并在2011年5月之前使用了五年零四个月。ALOS卫星配备了用于立体地图绘制的全色遥感仪器（棱镜），使它能够以高分辨率的三维视图进行观察。生成的数字三维地图（ALOS-DEM）是具有三维坐标轴（地理位置和海拔高度）的数据，主要由DEM（或数字表面模型DSM）和指示地理位置的正交校正图像组成，是目前可以免费获取的覆盖范围最广、精度最高的数字高程模型之一。本实验中采用的DEM为日本航空航天局（JAXA）发布的AWSD30产品，其空间分辨率为30m，其高程精度为5m。1.2时序InSAR沉降监测黄河三角洲地区自油气资源开采以及东营建市以来，社会经济快速发展，目前已成为我国重要油气开采与加工基地。同时，黄河三角洲由于特殊的发育背景和日益频繁的人类经济活动等影响，绝大部分区域范围内都发生了不同程度的地面沉降灾害。因此，到目前为止，已经有学者将时序InSAR技术应用到该地区的地表沉降监测中。2015年，张金芝[46]验证了PS-InSAR和SBAS-InSAR技术在黄河三角洲地区的适用性，通过对比分析得出结论，SBAS-InSAR更适用于该地非城市区域的沉降监测。本文研究区为油田，并未处于密集的城市区，且由于PS-InSAR技术对数据量的要求较高（一般大于30景），而由于Envisat-ASAR数据存档较少，本研究只获取到22景SAR影像，因此本文决定利用SBAS-InSAR技术对史南油田进行沉降监测。本文分别利用2007年2月至2010年9月覆盖研究区的22景Envisat-SAR影像和2016年9月至2019年9月的84景Sentinel-1B影像获取史南油田在两个时期内的地面沉降特征，并选取典型区域进行重点分析，同时结合有关资料探讨该地区地面沉降与石油开采、地表载荷增加等存在的相关性。1.2.12007年2月-2010年9月本文对于22景C波段的ENVISATASAR影像，由于影像数据量较少，本次实验将时空基线阈值分别设为350d和120m,获取到了36个干涉对组合。基于SARscape软件，使用SBAS-InSAR技术获取了研究区2007年2月至2010年10月间的地面沉降平均速率图，如图4-4所示。由图中可知，整个研究区域内左侧有一个显著的沉降漏斗（见图4-4红色矩形框），从空间分布上讲，漏斗中心位于东营区的史口镇附近，年平均沉降速率为-19mm/yr，沉降漏斗中心沉降速率达到了-32.3mm/yr，沉降范围较大，沉降面积约为20km2，其他区域无明显沉降，与刘等[59,88]的研究结果基本一致，说明该监测结果是可靠的；研究区的沉降漏斗基本都位于油田开采范围内，说明该区域的地表沉降主要是油田开采导致的。图4-4史南油田2017-2010沉降速率图图4-4中，沉降漏斗近似于椭球形状，为了掌握该沉降漏斗的沉降过程，在沉降漏斗的长轴和短轴方向截取了两条直线AA'和BB'（见图4-4），P为两线交点。接着，从监测结果中提取了这两条线的沉降时间序列，并将其刻画出来，如图4-5所示，可以看出，从2007年1月至2010年9月，史南油田在中心位置确实存在一个漏斗位置，直线AA'在6.2Km位置达到沉降速度最大值，直线BB'在1.1Km位置达到沉降速度最大值，均超过了-20mm/yr。图4-5AA'和BB'沉降时间序列图4-6特征点沉降时间序列图为了更好掌握该沉降漏斗的地表沉降过程，在P点附近找了三个特征点（P1、P2、P3），并将其累积沉降量从沉降结果中刻画出来，如图4-6所示。三个点在2007年2月1日至2010年9月23日的时间段内，沉降速度几乎一致，累积沉降量都在120mm左右，即年平均沉降速率为32.3mm/year。1.2.22016年9月-2019年9月本文对于84景C波段的Sentinel-1B单视复数影像影像，设定的时空基线阈值分别为48d和186m，获取到了448个干涉对组合（干涉像对连接图见图4-7），并做差分干涉处理。然后基于GAMMA软件，使用SBAS-InSAR技术获取了研究区2016年2月至2019年9月的沉降速率场，如图4-8所示。从总体上看，该研究区几乎没有任何沉降，年平均沉降速率仅为0.46mm/yr。图4-7干涉像对连接图图4-8史南油田2017-2010沉降速率图图4-9特征点沉降时间序列图为了具体评价该地区的沉降特征，在P点附近选取了三个特征点（P1、P2、P3），并从监测结果中对应提取了这些点的沉降时间序列，并将其刻画出来，如图4-9所示，可以看出，史南油田在2016年9月至2019年9月期间内，沉降速度几乎一致，并且最大累积沉降量仅为12mm。通过查阅资料得知，应该与史南油田关闭了部分油井，并且注重注水开采有关，详细分析见1.4。1.3精度验证山东省地矿局鲁北地质工程勘察院（鲁北院）于2002年8月在东营地区建立了目前为止最为系统的地面沉降水准监测网[88]，该院在史口镇（本文研究区）布设了一个一等水准点Y16。图4-10为鲁北院发布的黄河三角洲水准监测结果，由图可知，Y16在2002年至2008年年间，累积沉降量约为120mm，沉降速率约为22mm/yr，与本文利用SBAS-InSAR技术获取的形变数据具有很好的一致性。图4-102002-2008年黄河三角洲水准监测结果：(a)累积沉降量，(b)沉降速率对于史南油田2016年-2019年的沉降特征，此时没有水准数据验证，但是，2020年3月，西安的地理信息工程国家重点实验室公布了其利用多维小基线集（MSBAS）技术获取到的山东半岛在2017年至2019年的地表沉降监测数据[89]，发现本文在史南油田获取的沉降速率与其公布的数据有较好的一致性。1.4沉降分析2007年至2010年，史南地区存在一个明显的沉降漏斗。原因主要有两个：（1）黄河三角洲沉降漏斗和油气田开采区有部分的空间叠合，相关性明显[88]，如图4-2。黄河三角洲地区油气资源丰富，自20世纪60年代开采以来，持续高产稳产，形成了全国第二大油田。东营区内油田存在着史南油田、东营油田等众多油田，而且这些油田的开采量具有逐年增加的趋势。长期高强度超量开采导致储油层压力下降，油气区和黏土层压缩，从而导致大面积小幅度的缓慢地面沉降，因此，油田的开采活动是造成东营市西城一线以东地面沉降的主导因素。类似的情况并不少见，美国德州东北沿海、密西西比河三角洲和意大利拉文纳沿海也都发生过由于油气田开采减压诱发的地面沉降[90-91]，另外值得注意的是，大规模油气开采引发的地面沉降量主要取决于油气藏埋深与横向长度之比[92]。（2）东营地区东营市淡水资源短缺且分布不均，黄河水同样受季节性影响，经常断流，供给不足；另外大部分地区浅层地下水矿化度较高，埋藏深的深层地下水水量有限且碱性大，含氟量高，不适宜农田灌溉，因此深层地下水需求量日益增加。与开采油田一样，地下水的开采同样使地层压力产生压缩，形成地面沉降。除此之外，位于史口镇的石油化工总厂以及胜利电厂等大型工厂同样存在着极大的用水需求，加剧了该地区发生地面沉降的危害。2016年至2019年，曾发生在该地区的沉降漏斗已不复存在。原因主要有两个：（1）胜利油田发展于1961年，曾经是我国第二大油田，在60年的开发建设里，为我国国民经济建设做出了重要贡献；同样，石