0 引言

天然气作为一种清洁能源，具有环保、经济、热效率高等特点，逐渐成为城市生活的重要能源供给。但是，天然气的开采和供给存在严重的不平衡，一般表现为冬季使用量大，夏季使用量少，因此用储备气藏来调节天然气供给，对于解决天然气供需矛盾显得尤为必要，而天然气地下储气库具有其他气体储存方法所不能比拟的优越性（杨毅，2003）。

地下储气库（Underground Gas Storage，UGS）是调节天然气季节性供需矛盾的一种比较成熟的手段。我国在2000年11月建成第一座地下储气库。天然气地下储气库主要是利用废弃的天然气田或者气藏，通过固井技术重新对废弃气田进行天然气注采，从而形成天然的“储气罐”（杨伟等，2007；苏欣等，2007）。地下储气库具有储量大、建设成本低、安全等特点，对季节性调峰、保障天然气持续供给、适应市场经济和价格体制、降低石油进口依赖、保障国民生活需求和社会稳定具有重大意义（丁国生，2010；尹虎琛等，2013）。

2000年以来，新疆的天然气产量一直保持快速增长，加之从国外采购大量天然气，因此建设大型地下储气库，调节季节性气荒尤为必要。新疆呼图壁地下储气库的建设投产发挥着“季节调峰”和“应急储备”的双重作用，同时对保障西气东输稳定供气发挥着重要作用，对带动天山北坡经济带的发展，维护新疆社会稳定和长治久安具有重要意义（刘书成等，2013）。然而，新疆地震活动活跃，因此，有必要对呼图壁储气库周边进行地震监测，以保障民生安全。文中对精密水准和重力观测数据进行分析，探讨地下储气库注气、采气与库区地表形变的关系。

1 呼图壁地下储气库库区测点布设

呼图壁地下储气库区位于新疆天山北麓、准噶尔盆地南缘（中国广播网，2011）。西边距呼图壁县城4.5 km，东边距昌吉市12 km，东南部与乌鲁木齐市相距约80 km，地理位置上处于呼图壁县二十里店镇与昌吉市榆树沟镇的交界，主要位于呼图壁县境内。呼图壁地下储气库是由废弃的枯竭油气藏改造而成的地下储气库，以注气（夏季）与采气（冬季）方式进行运转，设计运行方案显示，在2013年达到20×10⁸ m³的季节调峰能力，远景能力将达到100×10⁸ m³，是目前国内最大的地下储气库（天工，2013）。

2013年6月，呼图壁地下储气库投入使用，2013年11月，开始进行水准和重力跟踪观测。以“呼克19号”井为中心，从4个方向散开布设观测场地，观测场地南东边长2 km、北西边长2 km、北东边长4 km、南西边长4 km，每间距800—1 000 m设置一个综合观测墩。最终设计选定13个点作为形变观测点。

1.1 水准观测点布设

采用二等水准测量监控地下储气库地表沉降。测线以HK22、HKPN、HKPW、HKPS、HK19为基准点构成3个闭合环[图 1(a)]，其余测点作为过渡点连成测线。每次作业流程、限差及施测方法均严格按照精密水准测量规范执行。此外，为了提升监测效果，2015年增建21个综合观测墩，提高原有监测密度，使监测网覆盖整个呼图壁地下储气库，如图 1(b)所示。

1.2 重力观测点布设

重力观测点以十字形路线布设，同时对4个方向的4个端点进行联测（图 2），其中，南北测线横跨呼图壁北断裂与呼图壁断裂，东西测线贯穿呼图壁北断裂（李杰等，2016）。重力观测点与水准观测点共用一个综合观测墩。

2 数据来源及处理

研究表明，呼图壁地下储气库一个完整运行周期一般经历4种状态：低压平衡状态（3—4月）、加压注气状态（4—10月）、高压平衡状态（10—11月）、降压采气状态（11月—次年3月）。在研究注采气过程中地下储气库库区地表形变时，选择注采特征明显阶段进行野外水准测量与重力测量，截至2016年，已进行了9期流动水准测量和9期相对重力测量（表 1）。为后续研究打下了坚实的数据基础。

2.1 水准数据获取及处理

采用二等精密水准测量进行储气库地表形变观测，观测仪器使用Dini003型Trimble 708218、Trimble 708244电子水准仪和天宝铟瓦合金标尺。呼图壁地下储气库二等精密水准测量2组同步进行观测，测量前后均进行I角检验，确保仪器设备满足研究要求。观测过程采用后—前—前—后、前—后—后—前、奇偶交替，奇站开始、偶站结束的方式。

2013年11月开始第一期水准观测，2016年10月结束最后一期观测，期间共完成9期二等精密水准测量，测量作业规范，严格控制误差，精度得到保证，各项技术指标均高于规范要求，日出、日落和中天工作时间掌控严格。9期水准测量数据经平差处理后，所得数据精度统计结果见表 2。

在水准测量数据处理过程中，原始观测数据需进行预处理，采用专业平差软件对各期数据平差进行整体平差。将HKPS作为基准点，求得各点的相对高程，得出高程变化量，由此得到呼图壁地下储气库在观测期间的垂向变化量。

2.2 重力数据获取及处理

依据《国家重力控制测量规范》（GB/T 20256—2019），按照《储气库综合观测墩布网方案》进行联测，使用2台CG5型（G207、G511）相对重力仪进行相对重力观测。采用往返观测的方式，各测段均当天闭合（往测和返测在同一天内完成），观测精度符合规范要求。野外观测记录和数据计算使用PDA掌上电脑“重力测量电子记簿系统”程序（采用分段格值，加入零漂改正），采用PDA重力测量电子记簿系统提供格值。外业计算使用PDA重力测量电子记簿系统内含的平差计算软件，除进行与野外相同的3项（一次项、固体潮、零漂）改正外，还进行仪器高程改正及气压改正，采用中国地震局地震研究所LGADJ程序进行经典平差计算，得到最终值。9期呼图壁地下储气库流动重力观测资料中各期仪器的有关参数和精度信息见表 3。

根据相关研究成果（王迪晋等，2016），地下储气库北部的HKP3、HKP2、HKP1和HKPN等点位由于分布在农田附近，受灌溉和地下水超采影响比受地下储气库气压变化造成的影响大；而地下储气库南部HKP5、HKP6、HKPS等点位受农业灌溉等因素的影响较小，且位于储气库边缘，受储气库影响较小，故选用HKP5、HKP6、HKPS点位作为平差计算的拟稳点，对整个测网进行拟稳平差，得到库区的重力场变化等值线图（艾力夏提·玉山等，2014）。

3 地表垂直形变和重力变化分析 3.1 地表垂直形变分析

在前3次观测（2013-11、2013-12和2014-01）中，测区地下储气库点位高程变化不明显（图 3），在地面上未发现明显抬升或沉降区域，变化范围为-1.73—3.81 mm，这可能是因为初期呼图壁地下储气库试运行注采量较小，地表变化量不大。在2014年3月观测中，地下储气库测区各变形点出现大部沉降趋势，尤其是北边的HKPN点位和呼图壁断裂以南的HKP6点位变化最大，变化量达到-6.55 mm和-6.14 mm，地下储气库库区内其他变形点沉降均匀，变化量在-4.89— -0.66 mm，但沉降量明显大于前3次观测得到的变化量，可能是采气结束，地下储气库腔体出现收缩所致。2014年10月观测时，地下储气库所有点位整体抬升，且抬升量明显增大，抬升均匀，整个测区测点的变化有较好的一致性，变化量15.62—37.78 mm，变化量由测区中心向南北逐渐增大。2015年3月观测结果显示，经过5个月的采气过程，地下整个储气库出现小幅度形变，地面整体下降，下降量值在-6.28— -0.86 mm。2015年10月观测结果显示，在注气结束后地下储气库地面整体抬升，变化幅度在13.59—30.72 mm。2016年3月第8期观测是第4个采气周期即将结束时段，整个地下储气库继续出现小幅度的地表形变，地面整体下降，下降量值在-3.09— -0.08 mm。2016年10月的测量结果显示，在注气结束后地下储气库地面整体抬升，幅度在10.31—24.37 mm。通过以上几期观测发现，在储气库注气和采气的不同阶段，形成3个明显的沉降和抬升变化，同时在每个阶段各测点呈现了较为一致的高程变化特征。

使用观测数据绘制相邻周期垂直形变等值线，见图 4。由图 4可见，地下储气库区域沉降具有空间分布的一致性，也有随时间变化的非平稳性。地下储气库地面沉降的变化量大小与储气库注采气的过程有关。2013年11月—2014年1月地下储气库形变不大，储气库中心以东区域出现小幅隆起和下沉，西南区域出现微小抬升，最大抬升区域在储气库中心的HK22和南部的HKP6点位附近[图 4(a)]，最大下沉区域在储气库中心HK21点位附近[图 4(b)]。2014年3月地下储气库整体下沉，由北向南下沉幅度逐渐增大[图 4(c)]。2014年10月观测结果表明，地表发生较大幅度的形变，整个区域整体抬升，变化幅度自东向西沿构造方向逐渐增大，抬升强烈区域位于地下储气库中心以西，抬升最大值达到37.78 mm，抬升集中区位于HK22、HK21、HK19和HKPW点位附近[图 4(d)]。2015年3月出现整体下沉，下沉最大的区域位于地下储气库中心以北区域，下沉最大值6.28 mm[图 4(e)]。2015年10月观测结果表明，地下储气库整体抬升，自东向西不断增大，与2014年10月的运动方式基本一致，最大抬升量为30.72 mm[图 4(f)]。2016年3月再次出现整体下沉，下沉最大区域位于地下储气库中心及以北HKP3点位区域，下沉最大值为3.24 mm[图 4(g)]。2016年10月观测结果表明，储气库整体抬升，自东向西不断增大，与2014年10月和2015年10月的运动方式基本一致，最大抬升量为24.37 mm[图 4(h)]。

分析9期观测数据，地下储气库整体形变可分为试运行的无规律小幅变化、采气结束后的整体沉降、注气后的整体抬升，沉降和抬升变化量和注采气周期吻合度较高，且变化量随着注采气周期的增加而逐渐减小。同时，在整个变化过程中，地下储气库表现出整体的沉降或者抬升，说明地下储气库内部构造受力均匀，具有稳定性。

3.2 重力变化分析

使用2013年11月—2016年10月9期重力观测资料（图 5），分别对地下储气库采气到注气、注气到采气2个时间段内库区观测点位的重力变化进行分析。其中图 5(a)为2013年11月—2014年1月重力变化图，该时段为地下储气库试运行阶段，首次对地下储气库进行小幅度的注气和采气试验。地下储气库区域的重力值以正值变化为主，重力变化最大值出现在地下储气库北侧的HKP2点位周围。库区重力值由东南向西北沿着储气库的长轴方向逐步增大。第二阶段为2014年3—10月，是地下储气库第一次大幅度注气阶段[图 5(b)]，重力变化值相对较小，并在地下储气库库区内部的东西两侧出现不同的变化趋势，即库区东侧重力值增大，而西侧重力值减小。地下储气库库区外部的南北两侧出现正负对立的变化趋势，变化量基本相同。第三阶段为2014年10月—2015年3月，该阶段地下储气库处于第一次大幅度采气状态[图 5(c)]。除了HKP2测点以外，其他测点的重力变化较小，基本在3×10^-8 m·s^-2以内，而HKP2这一个点的重力变化量达到20×10^-8 m·s^-2。第四阶段为2015年3—10月，地下储气库再次进入注气阶段[图 5(d)]。地下储气库的重力变化以呼图壁北断裂为界，南北两侧出现不同的重力变化趋势，地下储气库内部及以南区域出现重力值正值变化，测区北侧出现重力值负值变化，变化量由北向南逐步减小。第五阶段为2015年10月—2016年3月的采气阶段[图 5(e)]，测区重力变化相对于第四阶段出现反向变化趋势，测区北侧（呼001北断裂以北）的HKPN、HKP1、HKP2点位的重力值变化量最大，变化量可达到40×10^-8 m·s^-2，地下储气库库区内的HKP7和HK22点位变化最小。第六阶段为2016年3月—10月，该阶段地下储气库处于注气状态[图 5(f)]，整个测区重力呈现负值变化，储气库库区内东部区域重力变化小于西部的重力变化，从变化量值上看，地下储气库内的重力变化不超过8×10^-8 m·s^-2。

4 水准、重力其他干扰因素分析

呼图壁地下储气库高程变化量在观测期间有近6 cm的增量（3年累积变化），实际上这种变化中包含一定成分的干扰因素。据前人研究，分析认为储气库区的形变观测主要受地质构造、降水和地下水开采等因素干扰。

4.1 天山地质构造背景的影响

呼图壁地下储气库受喜马拉雅造山带挤压运动的影响，北邻的准噶尔盆地逆冲推覆与天山抬升相互作用产生强烈褶皱并伴生一系列大型逆掩断层，呼图壁地下储气库位于北天山山前坳陷内、准噶尔盆地南缘（邓起东等，2000）。呼图壁地下储气库即位于该山前褶皱带上，地下储气库的构造活动受到北天山山前南倾高角度逆冲断层控制，而天山抬升的动力来源则是塔里木盆地顺时针旋转推挤天山和印度板块持续性向北楔形挤入欧亚大陆后引发的帕米尔高原向北运动，这造成横跨天山地壳的缩短、增厚及山体抬升（张培震等，1996）。

通过整理1970—1986年天山中段地区大面积水准观测资料得出，垂直形变速率等值线沿北天山山前奎屯—玛纳斯—呼图壁伸展，在乌鲁木齐坳陷一带基本呈EW向展布。呼图壁附近地表沉降速率达-9 mm/a，而天山山体则以5—10 mm/a的速率抬升（于建民等，1989）。

4.2 降水量和地下水超采的影响

呼图壁地下储气库位于北天山山前地带，属温带大陆性干旱、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为205.9 mm，以春、夏季降水为主，而水面蒸发量则约为1 198.3 mm，生活及农业用水基本依靠天山雪水补给（李杰等，2016），因此降水对地表沉降的影响不显著。

地下储气库区所在的呼图壁县二十里店镇，农田灌溉基本以地下水为主。地下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，在计算地下储气库注、采气过程中的地表形变时必须考虑地下水超采引发的沉降。

干扰水准和重力观测的因素除以上2种外还有其他因素，通过计算认为，其他干扰因素造成的形变量可忽略不计。库区地表形变主要是地下储气库注采气造成的。

5 结论

综上所述，得出以下结论：①呼图壁地下储气库注采气会使地表产生形变，注气造成的形变量明显大于采气造成的形变量，地表变形和重力变化与注采周期及注采量相关；②在观测期间大致经过3个沉降阶段和3个上升阶段。基本与注采周期相吻合，形变量由东向西、由北向南逐渐增大，地表形变的集中区位于井位附近区域；③重力场变化结果显示，重力变化以呼图壁北断裂为界出现明显的分区特征，这说明注入的气体集中分布在呼图壁北断裂南侧；④随着地下储气库注采气周期的增加，储气库地表形变量逐渐减小，储气库内部构造逐渐趋于稳定；⑤在未受到外力的作用下，降水、温度、地下水对该区域水准标石的影响不大，主要影响来源于点位的不稳定性。

目前只在呼图壁地下储气库进行9期水准和重力观测，在现有观测能力和工作基础上，继续深入研究呼图壁地下储气库注气和采气季节性调节与库区地表形变的关系，具有重要科学价值。因本研究使用的储气库相关数据涉密，作者在写作时做了相应处理。

感谢新疆维吾尔自治区地震局王晓强和李杰研究员提供技术指导，感谢地球物理观测中心的大力支持，感谢新疆维吾尔自治区石油管理局石新朴老师及呼图壁地下储气库工作人员的协助和支持。