利用InSAR技术监测油田地表形变

石油和天然气的开采，以及采矿活动，都是造成地表形变的原因之一。这些活动通常包括抽取地下水或注入地热流体，这可能导致地面逐渐下沉(地面缓慢下沉)，使建筑物、基础设施或管道的稳定性面临滑坡或其他地质灾害的风险。监测地表形变的空间分布和时间变化对于采掘业资产的稳定性和风险预警至关重要。因此迅速识别和分析异常形变，可以帮助预警损坏、坍塌和最终危及生命事故的发生。

问题提出

地形变化是陆上油气开采行业的一个重要问题。油气的开采活动会导致地面沉降，通常具有很大的空间变化，使井眼结构稳定性受到威胁。在通常用于提高萃取效率的流体注入情况下，如果出现明显的抬升，表明该工艺效率较低。这意味着检查地表形变不仅是为了避免地质灾害和对油气基础设施造成损害的安全问题，也是为了更有效开发的商业利益。

使用传统现场勘测方法监测数百平方公里的大型油气田以获取毫米级地表形变，耗时且昂贵。GPS站点监测精度很准确，但不能提供高空间分布的测量，因为一般只有有限数量的点可以获得小部分感兴趣区域。虽然这两种方法在监测、维护和风险预警中发挥关键作用，但它们无法以合理的运营成本提供真实的地面位移时间和全空间覆盖。此外，现场勘测还伴随着许多安全问题。

 

图：使用ENVI深度学习软件从高分辨率光学卫星图像中自动检测出某地区的井场

解决方法

• 基于星载SAR干涉测量监测地表形变

卫星遥感和地理空间技术已经迅速发展，今天使用天基合成孔径雷达(SAR)为基础设施、建筑工地、矿区和油气田等领域的风险和稳定性监测提供了一种高效、准确和低成本的方法。星载差分干涉SAR (DInSAR)特别适用于测量两个时间点的突然地表形变，如地震前和地震后。当涉及到缓慢地表形变现象，如材料夯实、地面沉降或表面蠕变时，可采用先进的多时相干涉叠加技术，以获得更高的精度。

一般来说，目前应用的SAR干涉叠加技术有两种。永久散射体(PS- Persistent Scatterers)方法常用于监测人造特征较多的区域，如建筑物、桥梁、大坝等。小基线 (SBAS- Small Baselines)方法常用于监测自然特征或其他类型的非几何特征对象。先进的PS和SBAS干涉叠加技术分析时序SAR图像，以毫米灵敏度获得大面积和长时间缓慢地形运动的空间分布和时间演变。

与只能在阳光明媚的白天工作的被动光学遥感传感器不同，SAR系统是主动式传感器，使其能够昼夜收集数据，甚至穿越云层。通过SAR遥感技术的全天候特性，可以快速对重要基础设施进行地表形变监测。

图：基于SBAS得到的油田年均垂直位移速率。正值(即地表隆起呈红色)大多靠近注入流体的区域(资料来源：sarmap S.A.)。

• 利用SAR数据监测油田地面位移

最近的一项研究(Bayramov等人，2022年)详细介绍了2018-2021年在哈萨克斯坦Tengiz油田使用SAR卫星数据和技术检测石油开采引起的下沉。Tengiz油田位于里海海岸，占地面积约2500平方公里，长19公里，宽21公里，厚度达1.5公里。它是哈萨克斯坦最大和最深的油田之一，有100多口钻井。

该研究旨在评估流体抽取和注入引起的地表位移对地质灾害风险影响，同时为更有效的开采和改进储层的建模提供帮助。通过干涉SAR获得的密集且高精度的垂直和水平位移测量为常规油藏监测、表征和地质力学分析提供了所需的关键信息。

在本研究中，利用SAR干涉叠加技术中的SBAS方法，基于高分辨率SAR卫星Cosmo-SkyMed、TerraSAR-X和中分辨率Sentinel-1获得了垂直和水平地表位移的时间演化。获取了分布式目标高精度的位移信息。

该研究的作者使用ENVI SARscape软件进行分析。研究者发现Tengiz油田的最大平均垂直沉降量为−57 mm/年。观测到15口井和3个设施位于- 55.6 mm/年和- 42 mm/年之间的测量沉降范围内。

这些空间和时间位移信息可为决策者提供早期预警信号，以帮助评估重点区域的危险等级，并确定在哪些地方需要更密切的监测。然而，根据研究者的说法，目前业内还没有公开的数据或明确的标准来评估这些地表形变速率是否应被视为油田安全运行风险。

研究者认为，采油量和注入技术是影响Tengiz油田地面形变的关键因素。但由于井的分布密度在空间上与探测到的沉降热点不完全相关，作者推断观测到的沉降过程并不仅仅是石油生产活动的结果，还要考虑的第二个关键因素是与两条地震断层有关的自然构造。第三个关键因素是水流流向。下沉热点靠近里海海岸是第四个关键因素，因为土壤结构和水分含量的变化增加了下沉的趋势。研究者得出结论，观测到的地表形变的主要原因是由人为和自然因素引发的。

图：哈萨克斯坦Tengiz油田，井和断层分布 (Bayramov et al.， 2022)。

图: 井和储层深度3D模型，2018-2020年(a)垂直(抬升和下沉)位移速度和(b)水平(东西向)位移速度。 (Bayramov et al.， 2022)。

结论

SAR干涉测量为监测油气田地表形变提供了一种高效、经济的解决方案。基于SAR的干涉叠加技术，利用SAR卫星的能力来测量关注地区的地面位移演化和动态变化。该技术可以对大面积长时间的缓慢地形运动进行高分辨率、毫米级的观测，为地质灾害风险评估、改进开采和油藏动态行为建模提供关键信息。

参考文献

Bayramov, E.; Tessari, G.; Kada, M. (2022): Quantifying Two-Dimensional Surface Displacements Using High-Resolution Cosmo-SkyMed, TerraSAR-X and Medium-Resolution Sentinel-1 SAR Interferometry: Case Study for the Tengiz Oilfield. Sensors 2022, 22, 6416.
https://doi.org/10.3390/s22176416