PAGE59勝利油田地表沉降及分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29052勝利油田地表沉降及分析案例 1262021.1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源 147351.1.1研究區(qū)概況 1154221.1.2數(shù)據(jù)源介紹 323461.2時(shí)序InSAR沉降監(jiān)測(cè) 615031.2.12007年2月-2010年9月 6244541.2.22016年9月-2019年9月 8134861.3精度驗(yàn)證 10231771.4沉降分析 11220011.5小結(jié) 111.1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源1.1.1研究區(qū)概況東營(yíng)市位于山東省北部黃河三角洲地區(qū)，黃河在東營(yíng)市境內(nèi)流入渤海。東營(yíng)市地勢(shì)低平，坡降低，自然比約為1/8000~1/12000，地理位置為36°55′N-38°10′N，118°07′E-119°10′E。東、北臨渤海，西與濱州市毗鄰，南與淄博市、濰坊市接壤。南北最大縱距123公里，東西最大橫距74公里，土地總面積8243平方公里。研究區(qū)的地理位置見圖4-1黑色方框，覆蓋面積約為900平方千米；圖4-1紅色方框則為本文的重點(diǎn)研究區(qū)域-位于現(xiàn)河采油廠的史南油田。圖4-1研究區(qū)地理位置現(xiàn)河采油廠成立于1986年1月28日，是勝利油田分公司所屬的從事石油天然氣勘探開發(fā)的二級(jí)單位。現(xiàn)河采油廠是勝利油田的南大門，油區(qū)向南呈放射狀分布，油區(qū)工作面積大，橫跨二區(qū)二縣（廣饒、博興縣和東營(yíng)、墾利區(qū)），采油廠中心位于山東省東營(yíng)市西城區(qū)境內(nèi)，管理著仙河莊、郝家、史南、王家崗、牛莊、樂安等6個(gè)油田，如圖2所示[84]。圖4-2東營(yíng)市地面沉降與油氣開采圖史南油田為20世紀(jì)70年代末開發(fā)的斷塊油田，隸屬于現(xiàn)河采油廠，位于東營(yíng)凹陷中央隆起帶西傾部位，是一個(gè)北東至南西向的鼻狀構(gòu)造[85-86]，斷塊含油面積大，儲(chǔ)集物性好，其中沙河街組二段是油田的主力含油層系。該地區(qū)油藏主要受儲(chǔ)層橫向尖滅線控制，具有埋藏深（在3100～3400m左右），厚度橫向變化大，油層具有低孔、低滲、高壓、油質(zhì)好、豐度高等特點(diǎn)。經(jīng)過查詢資料可知，該地區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量為2.473×104t，含油面積為18.7km2，地層巖性細(xì)，孔隙度20%左右，滲透率10×10'μm2，泥質(zhì)含量中等，成巖作用屬晚成巖A期；史南油田目前綜合含水率達(dá)91%，產(chǎn)液量達(dá)5500m3/d,是開發(fā)初期的1.7倍，年生產(chǎn)原油量達(dá)到200萬(wàn)噸，是勝利油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要陣地之一[87]。1.1.2數(shù)據(jù)源介紹1.ENVISATASAR數(shù)據(jù)2002年3月1日，歐洲空間局（ESA）發(fā)射了ENVISAT衛(wèi)星，該衛(wèi)星擁有10種探測(cè)設(shè)備，軌道與太陽(yáng)同步，高度為800公里，軌道傾角為98°。在ENVISAT-1衛(wèi)星上載有多個(gè)傳感器，分別對(duì)陸地、海洋、大氣進(jìn)行觀測(cè)，其中最主要的就是名為ASAR(AdvancedSyntheticApertureRadar)的合成孔徑雷達(dá)傳感器。ENVISAT-1衛(wèi)星的ASAR傳感器工作在C波段，波長(zhǎng)為5.6厘米。ASAR有五種工作模式，其中Image模式最常在雷達(dá)遙感中被使用，成像寬度為100km(最大值)，下行數(shù)據(jù)率為100Mbit/s,極化方式為VV或HH,分辨率為30m,入射角為15-45°。不幸的是，在2012年4月8日之后，這顆衛(wèi)星與地球失去了聯(lián)系。表4-1為本文獲取的Envisat衛(wèi)星從2007年到2010年覆蓋研究區(qū)的22景SAR影像基本信息。表1.1EnvisatASAR影像獲取時(shí)間及基線信息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衛(wèi)星數(shù)據(jù)Sentinel-1（Sentinel-1）是歐洲的雷達(dá)遙感衛(wèi)星。它由兩顆衛(wèi)星Sentinel-1A和Sentinel-1B組成，攜帶一個(gè)C波段合成孔徑雷達(dá)，處于太陽(yáng)同步軌道，軌道高度為693km，軌道傾角為98.18°。Sentinel-1A和Sentinel-1B衛(wèi)星以180°的相位差在同一軌道飛行。Sentinel-1A衛(wèi)星于2014年4月3日發(fā)射升空，重訪時(shí)間為12天。Sentinel-1B于2016年4月25日發(fā)射升空，其軌道與Sentinel-1A位于同一軌道平面的另一端。兩顆衛(wèi)星同時(shí)工作，重訪時(shí)間縮短到6天，使觀測(cè)效率翻了一番，擁有了更高的重訪頻率，更好的覆蓋范圍以及更好的時(shí)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降軌數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，Sentinel-1B數(shù)據(jù)的空間分辨率為距離向：2.330米，方位向：13.951米。本文選定2018年5月9日的影像作為主影像，設(shè)定的時(shí)空基線閾值分別為48天和186米，干涉像對(duì)時(shí)空連接如圖4-3所示。表1.2中顯示了2016年至2019年覆蓋研究區(qū)的84景Sentinel-1A影像的具體參數(shù)。表1.2Sentinel-1B影像獲取時(shí)間及基線信息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月發(fā)射了高級(jí)陸地觀測(cè)衛(wèi)星（ALOS），并在2011年5月之前使用了五年零四個(gè)月。ALOS衛(wèi)星配備了用于立體地圖繪制的全色遙感儀器（棱鏡），使它能夠以高分辨率的三維視圖進(jìn)行觀察。生成的數(shù)字三維地圖（ALOS-DEM）是具有三維坐標(biāo)軸（地理位置和海拔高度）的數(shù)據(jù)，主要由DEM（或數(shù)字表面模型DSM）和指示地理位置的正交校正圖像組成，是目前可以免費(fèi)獲取的覆蓋范圍最廣、精度最高的數(shù)字高程模型之一。本實(shí)驗(yàn)中采用的DEM為日本航空航天局（JAXA）發(fā)布的AWSD30產(chǎn)品，其空間分辨率為30m，其高程精度為5m。1.2時(shí)序InSAR沉降監(jiān)測(cè)黃河三角洲地區(qū)自油氣資源開采以及東營(yíng)建市以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，目前已成為我國(guó)重要油氣開采與加工基地。同時(shí)，黃河三角洲由于特殊的發(fā)育背景和日益頻繁的人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等影響，絕大部分區(qū)域范圍內(nèi)都發(fā)生了不同程度的地面沉降災(zāi)害。因此，到目前為止，已經(jīng)有學(xué)者將時(shí)序InSAR技術(shù)應(yīng)用到該地區(qū)的地表沉降監(jiān)測(cè)中。2015年，張金芝[46]驗(yàn)證了PS-InSAR和SBAS-InSAR技術(shù)在黃河三角洲地區(qū)的適用性，通過對(duì)比分析得出結(jié)論，SBAS-InSAR更適用于該地非城市區(qū)域的沉降監(jiān)測(cè)。本文研究區(qū)為油田，并未處于密集的城市區(qū)，且由于PS-InSAR技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)量的要求較高（一般大于30景），而由于Envisat-ASAR數(shù)據(jù)存檔較少，本研究只獲取到22景SAR影像，因此本文決定利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)史南油田進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。本文分別利用2007年2月至2010年9月覆蓋研究區(qū)的22景Envisat-SAR影像和2016年9月至2019年9月的84景Sentinel-1B影像獲取史南油田在兩個(gè)時(shí)期內(nèi)的地面沉降特征，并選取典型區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析，同時(shí)結(jié)合有關(guān)資料探討該地區(qū)地面沉降與石油開采、地表載荷增加等存在的相關(guān)性。1.2.12007年2月-2010年9月本文對(duì)于22景C波段的ENVISATASAR影像，由于影像數(shù)據(jù)量較少，本次實(shí)驗(yàn)將時(shí)空基線閾值分別設(shè)為350d和120m,獲取到了36個(gè)干涉對(duì)組合。基于SARscape軟件，使用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了研究區(qū)2007年2月至2010年10月間的地面沉降平均速率圖，如圖4-4所示。由圖中可知，整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)左側(cè)有一個(gè)顯著的沉降漏斗（見圖4-4紅色矩形框），從空間分布上講，漏斗中心位于東營(yíng)區(qū)的史口鎮(zhèn)附近，年平均沉降速率為-19mm/yr，沉降漏斗中心沉降速率達(dá)到了-32.3mm/yr，沉降范圍較大，沉降面積約為20km2，其他區(qū)域無(wú)明顯沉降，與劉等[59,88]的研究結(jié)果基本一致，說明該監(jiān)測(cè)結(jié)果是可靠的；研究區(qū)的沉降漏斗基本都位于油田開采范圍內(nèi)，說明該區(qū)域的地表沉降主要是油田開采導(dǎo)致的。圖4-4史南油田2017-2010沉降速率圖圖4-4中，沉降漏斗近似于橢球形狀，為了掌握該沉降漏斗的沉降過程，在沉降漏斗的長(zhǎng)軸和短軸方向截取了兩條直線AA'和BB'（見圖4-4），P為兩線交點(diǎn)。接著，從監(jiān)測(cè)結(jié)果中提取了這兩條線的沉降時(shí)間序列，并將其刻畫出來(lái)，如圖4-5所示，可以看出，從2007年1月至2010年9月，史南油田在中心位置確實(shí)存在一個(gè)漏斗位置，直線AA'在6.2Km位置達(dá)到沉降速度最大值，直線BB'在1.1Km位置達(dá)到沉降速度最大值，均超過了-20mm/yr。圖4-5AA'和BB'沉降時(shí)間序列圖4-6特征點(diǎn)沉降時(shí)間序列圖為了更好掌握該沉降漏斗的地表沉降過程，在P點(diǎn)附近找了三個(gè)特征點(diǎn)（P1、P2、P3），并將其累積沉降量從沉降結(jié)果中刻畫出來(lái)，如圖4-6所示。三個(gè)點(diǎn)在2007年2月1日至2010年9月23日的時(shí)間段內(nèi)，沉降速度幾乎一致，累積沉降量都在120mm左右，即年平均沉降速率為32.3mm/year。1.2.22016年9月-2019年9月本文對(duì)于84景C波段的Sentinel-1B單視復(fù)數(shù)影像影像，設(shè)定的時(shí)空基線閾值分別為48d和186m，獲取到了448個(gè)干涉對(duì)組合（干涉像對(duì)連接圖見圖4-7），并做差分干涉處理。然后基于GAMMA軟件，使用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了研究區(qū)2016年2月至2019年9月的沉降速率場(chǎng)，如圖4-8所示。從總體上看，該研究區(qū)幾乎沒有任何沉降，年平均沉降速率僅為0.46mm/yr。圖4-7干涉像對(duì)連接圖圖4-8史南油田2017-2010沉降速率圖圖4-9特征點(diǎn)沉降時(shí)間序列圖為了具體評(píng)價(jià)該地區(qū)的沉降特征，在P點(diǎn)附近選取了三個(gè)特征點(diǎn)（P1、P2、P3），并從監(jiān)測(cè)結(jié)果中對(duì)應(yīng)提取了這些點(diǎn)的沉降時(shí)間序列，并將其刻畫出來(lái)，如圖4-9所示，可以看出，史南油田在2016年9月至2019年9月期間內(nèi)，沉降速度幾乎一致，并且最大累積沉降量?jī)H為12mm。通過查閱資料得知，應(yīng)該與史南油田關(guān)閉了部分油井，并且注重注水開采有關(guān)，詳細(xì)分析見1.4。1.3精度驗(yàn)證山東省地礦局魯北地質(zhì)工程勘察院（魯北院）于2002年8月在東營(yíng)地區(qū)建立了目前為止最為系統(tǒng)的地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)[88]，該院在史口鎮(zhèn)（本文研究區(qū)）布設(shè)了一個(gè)一等水準(zhǔn)點(diǎn)Y16。圖4-10為魯北院發(fā)布的黃河三角洲水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，由圖可知，Y16在2002年至2008年年間，累積沉降量約為120mm，沉降速率約為22mm/yr，與本文利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的形變數(shù)據(jù)具有很好的一致性。圖4-102002-2008年黃河三角洲水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果：(a)累積沉降量，(b)沉降速率對(duì)于史南油田2016年-2019年的沉降特征，此時(shí)沒有水準(zhǔn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，但是，2020年3月，西安的地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室公布了其利用多維小基線集（MSBAS）技術(shù)獲取到的山東半島在2017年至2019年的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[89]，發(fā)現(xiàn)本文在史南油田獲取的沉降速率與其公布的數(shù)據(jù)有較好的一致性。1.4沉降分析2007年至2010年，史南地區(qū)存在一個(gè)明顯的沉降漏斗。原因主要有兩個(gè)：（1）黃河三角洲沉降漏斗和油氣田開采區(qū)有部分的空間疊合，相關(guān)性明顯[88]，如圖4-2。黃河三角洲地區(qū)油氣資源豐富，自20世紀(jì)60年代開采以來(lái)，持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，形成了全國(guó)第二大油田。東營(yíng)區(qū)內(nèi)油田存在著史南油田、東營(yíng)油田等眾多油田，而且這些油田的開采量具有逐年增加的趨勢(shì)。長(zhǎng)期高強(qiáng)度超量開采導(dǎo)致儲(chǔ)油層壓力下降，油氣區(qū)和黏土層壓縮，從而導(dǎo)致大面積小幅度的緩慢地面沉降，因此，油田的開采活動(dòng)是造成東營(yíng)市西城一線以東地面沉降的主導(dǎo)因素。類似的情況并不少見，美國(guó)德州東北沿海、密西西比河三角洲和意大利拉文納沿海也都發(fā)生過由于油氣田開采減壓誘發(fā)的地面沉降[90-91]，另外值得注意的是，大規(guī)模油氣開采引發(fā)的地面沉降量主要取決于油氣藏埋深與橫向長(zhǎng)度之比[92]。（2）東營(yíng)地區(qū)東營(yíng)市淡水資源短缺且分布不均，黃河水同樣受季節(jié)性影響，經(jīng)常斷流，供給不足；另外大部分地區(qū)淺層地下水礦化度較高，埋藏深的深層地下水水量有限且堿性大，含氟量高，不適宜農(nóng)田灌溉，因此深層地下水需求量日益增加。與開采油田一樣，地下水的開采同樣使地層壓力產(chǎn)生壓縮，形成地面沉降。除此之外，位于史口鎮(zhèn)的石油化工總廠以及勝利電廠等大型工廠同樣存在著極大的用水需求，加劇了該地區(qū)發(fā)生地面沉降的危害。2016年至2019年，曾發(fā)生在該地區(qū)的沉降漏斗已不復(fù)存在。原因主要有兩個(gè)：（1）勝利油田發(fā)展于1961年，曾經(jīng)是我國(guó)第二大油田，在60年的開發(fā)建設(shè)里，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)；同樣，石