好的，我将严格按照您的要求，作为一位学术专家和评审专家，对这篇论文进行解读和分析。 中文标题 枯竭油气藏型地下储气库中的意外断层活化：运行压力带宽的定义

《Frontiers in Earth Science》：Unexpected fault reactivation during underground gas storage in depleted reservoirs: defining operational pressure bandwidths

　　

摘要专业翻译 引言： 地下储气库以及新兴的CO2、H2和N2地下储存应用日益依赖于枯竭的、含断层的油气藏。在此类环境中，即使储层压力保持在初始值以下且处于一次开采期间曾经历的压力范围内，压力恢复和循环作业也可能使断层接近活化状态。本研究调查了先前断层滑动引起的应力重分布如何在随后的压力恢复和储存作业过程中影响断层临界性。 方法： 研究人员采用了一个三维水力-力学建模框架，其中包含沿断层的显式摩擦接触。孔隙压力历史由油藏尺度的流动模拟获得，并引入到一个准静态的地质力学模型中，该模型考虑了库仑摩擦（Coulomb friction）和滑动弱化（slip weakening）。该方法被应用于一个概念性的含断层储层，该储层代表了荷兰上赤底统（Upper Rotliegend）储气库场址的特征。通过逐一筛选分析，确定了控制断层临界性的参数，包括断块错距、断层倾角、断层强度、储层刚度、断块间的压力不平衡以及初始应力状态。随后，针对CH4、CO2、H2和N2储存定义了物理上合理的组合情景。 结果： 模拟表明，一次开采期间的滑动会产生永久的应力重分布。因此，随后的压力恢复或循环作业会沿着不同的应力路径重新加载断层系统，从而在未超过历史最高压力的情况下增加了断层临界性。组合情景表明，低断层摩擦、断块错距以及一次开采期间的先前活化是导致储存期间断层临界性重现的最重要因素。基于这些结果，推导出了压力带宽标准（pressure-bandwidth criteria），以降低在枯竭、分隔化的气藏中出现模拟断层活化的可能性。 讨论： 结果表明，在评估用于天然气或CO2、H2和N2储存的枯竭油藏的地质力学完整性时，应考虑历史上的断层活化及其相关的应力重分布。即使在压力低于先前经历的水平时，断层活化在压力恢复或循环作业期间可能变得更加可能。所提出的压力带宽标准为储存作业提供了一个实用的筛选框架。然而，由于该模型是准静态的，这些标准应被解释为对断层活化潜力的界限，而不是对地震破裂或微震活动的直接预测。

论文解读文章

研究背景与科学问题

随着全球能源转型和碳中和目标的推进，地下空间的多功能利用变得愈发重要。除了传统的季节性天然气储存（UGS）外，枯竭油气藏也被视为储存CO₂、H₂和N₂等气体的理想场所。这些储层通常经历过长期的开采历史，并被大量先存断层切割。一个普遍认知是，只要注入压力不超过原始储层压力（P_i），就能保证地质力学安全。然而，在荷兰的多个上赤底统（Upper Rotliegend）储气库（如Norg、Grijpskerk和Bergermeer）的实际运营中，观测到了一些“意外”的诱发地震事件。这些事件发生在压力恢复或循环注采阶段，其储层压力不仅低于P_i，甚至处于一次开采期间曾经历过的压力范围之内。这表明，单纯以压力绝对值作为安全阈值是不充分的。因此，亟需理解在枯竭储层中，为何在压力未超历史极值时仍会发生断层活化，并据此制定更可靠的运行压力准则。

研究方法概述

为解决上述问题，研究人员建立了一套单向耦合的水力-力学（hydro-mechanical）建模流程。首先，使用油藏数值模拟软件（OPM Flow用于CH₄，Eclipse用于H₂、CO₂和N₂）计算随时间变化的孔隙压力场。然后，将此压力场映射到一个包含显式摩擦接触界面的三维有限元（FE）地质力学模型中。该模型采用准静态求解，并应用库仑摩擦定律（Coulomb friction law）和滑动弱化（slip weakening）本构关系来描述断层行为。研究基于一个概念性的、但在地质上具有代表性的上赤底统（Upper Rotliegend）型储层模型，该模型包含两个被断层分隔的断块，旨在捕捉此类储层的关键结构特征。

研究结果与分析

5.1 压力历史与参考活化机制

研究人员首先通过参考案例（CH₄储存）阐明了“意外”活化的基本机制。在一次开采（PP）阶段，储层压实导致边界断层（F1, F2, F4, F5）上的剪应力增加，使其发生厘米量级的滑动。这种滑动导致了永久性的应力重分布。在后续的垫底气注入（CGI）和储气库循环（UGS）阶段，储层膨胀使得断层顶底部的剪切载荷方向反转。因此，断层系统并未沿一次开采时的弹性卸载路径返回，而是沿着一条新的应力路径再次趋近于临界状态。这解释了为什么在压力远低于P_i时，断层仍可能再次活化。

5.2 第一阶段筛选：控制因素

研究人员通过单参数敏感性分析，识别了控制不同断层活化的关键因素：

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  边界断层（如F2）： 其临界性主要受低断层强度、滑动弱化效应、较小的水平主应力、相对较软的储层刚度以及较大的压力变化幅度促进。其中，滑动弱化导致的强摩擦系数降低、断块间不均匀的压力变化以及近正常固结的应力状态是最敏感的参数。
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  中央分隔断层（如F3）： 其活化主要受控于结构性不对称，即断块错距（compartment offset）和非垂直的断层倾角。只有在这种几何非对称条件下，压力变化才能在F3上产生显著的剪应力。

5.3 第二阶段：组合情景与压力带宽标准

在第一阶段基础上，研究人员将最敏感且物理上合理的参数组合起来，模拟了CH₄、CO₂、H₂和N₂四种储存情景。结果显示，低断层摩擦、断块错距和一次开采期间的预先活化是导致储存期间断层临界性重现的最重要因素。基于这些模拟结果，研究人员推导出了压力带宽标准（pressure-bandwidth criteria）。该标准旨在定义一个安全的运行压力范围，以最大程度地降低在枯竭、分隔化气藏中出现断层活化的风险。需要注意的是，这些标准是基于准静态模型得出的，应被视为对断层活化潜力的保守界限，而非对地震事件的直接预测。

讨论与结论总结

讨论部分指出，研究结果强调了在评估枯竭油藏的地质力学完整性时，必须考虑历史上断层活化及其引发的应力重分布这一关键因素。即使运行压力低于历史最高水平，断层在压力恢复或循环作业期间也可能变得更易活化。因此，传统的以单一压力阈值为基准的安全评价方法存在不足。

研究结论可概括为：通过三维水力-力学耦合模拟，研究揭示了枯竭储层中“意外”断层活化的力学本质——一次开采导致的永久应力重分布改变了后续压力加载的应力路径。研究识别出低断层摩擦、断块错距和历史活化是三个最关键的风险因素。最终，研究提出了实用的压力带宽标准（pressure-bandwidth criteria），为枯竭油气藏型储气库的安全运营提供了一个全新的、基于物理机制的筛选框架。