深层水力注入过程中地表自电位信号的水电耦合模拟研究

本研究针对复杂地质环境中自电位(SP)信号定量解释的难题，开发了基于改进Luco-Apsel-Chen广义反射透射法的水电耦合模拟框架。通过将Soultz-sous-Forêts地热站深部注水实验作为验证案例，研究人员成功再现了mV级SP异常的关键时空特征，首次定量揭示了注水停止后SP信号缓慢衰减的机理源于孔隙流体的持续运动。该研究建立了可转移的模拟框架，为地热、油气和地下水系统的地下流体监测提供了新工具。

在地球深部流体活动监测领域，地表自电位(SP)信号如同一个独特的窗口，能够揭示地壳中流体-电耦合过程的奥秘。然而在复杂地质环境中，这些信号的定量解释一直面临巨大挑战。传统"两步法"模拟方法虽然计算高效，但忽略了流体流动、电荷传输和机械变形之间的物理耦合，特别是在材料界面或瞬态过程中。这种简化可能限制了对SP信号时空特征的理解，而界面转换现象恰恰是表征地下非均质性的重要指标。

发表于《Geophysical Journal International》的这项研究，通过扩展改进的Luco-Apsel-Chen广义反射透射方法(LAC GRTM)，开发了一个全新的电动力学模拟框架，专门用于模拟分层地质介质中流体注入源引起的SP响应。研究团队选择法国Soultz-sous-Forêts(SSF)地热站的深部流体注入实验作为验证案例，这一实验在2000年代初注入了约23000立方米的水，产生了高达13兆帕的深部超压，记录了距离注入井数百米处达5毫伏的SP异常。

研究采用了准静态形式的Pride方程组作为控制方程，捕捉由于机械和水力扰动引起的孔隙压力P_f和电势ψ变化之间的耦合关系。关键技术创新在于将LAC GRTM框架扩展到准静态电动力学过程，通过广义反射和透射矩阵处理复杂层状结构，并采用Jordan标准形分解解决零频率下的数学退化问题。频率域解通过Hankel变换数字线性滤波器和逆傅里叶变换转换到时空域。

模型构建基于Soultz-sous-Forêts站点的实际地质结构，包括1400米沉积盖层和结晶花岗岩基底。研究人员通过最小化模拟与观测的开孔压力数据之间的差异来校准流体注入的源时间函数，获得了等效源强度P₀=7.9×10¹⁵ N·m，使模型能够高精度地再现现场观测到的压力积累和衰减过程。

分层介质中的电动力学响应

模拟结果显示，深部注水开始后，孔隙压力逐渐增加，平均速率约为1.2×10^-3帕/天。峰值压力在注水停止后不久达到，与最大注入速率时间一致。尽管持续注水，但地表附近的绝对孔隙压力幅度仍然极小，约为7.0×10^-3帕，这种强烈衰减主要归因于深部注入区与近地表接收器之间的巨大垂直距离。

相应的电势响应在所有三个监测点都显示出与孔隙压力紧密跟踪的时间模式，突出了电动力学响应与扩散压力传播的一致性。模拟的电势在淡水注入期间持续为负值，反映了饱和多孔介质中矿物表面通常相关的负zeta电位。尽管与注入井的横向距离增加，但峰值电势几乎相同，反映了电动力学源场的广泛横向范围。

套管诱导的信号放大

在未考虑套管效应的分层介质中，SP信号较弱(通常小于1毫伏)，接近现场测量的典型噪声底线。研究通过应用位置特定的放大因子来间接纳入套管效应，这些因子源自Darnet等人(2006)的先数值研究。在Ref、Site 1和Site 2分别应用11.1、7.3和5.5的乘性因子后，放大后的电势峰值分别达到8.5毫伏、5.6毫伏和4.2毫伏，与SSF站点水力刺激期间记录的SP异常范围一致。

重要的是，模拟和观测的SP信号在注水停止后都显示出比孔隙压力快速下降明显更慢的衰减。这种时间滞后表明SP响应不仅受即时压力梯度影响，还受通过可渗透多孔介质的缓慢、持续流体流动驱动的持续离子传输影响。

电动力学信号的时空演化

表面剖面和地下二维切片显示，模拟的孔隙压力场呈现以注入井为中心的横向对称模式。注水初期，压力扰动紧密限制在源深度附近，随着注水接近峰值速率，压力前沿主要在水平方向扩展，特别是在水力刺激地层内，反映了分层介质中的主要流动路径。

未考虑套管效应的电势随相应压力场扩散，但表现出更平坦的空间曲率和更低的衰减率。考虑套管效应的放大信号在Day 6达到-7.6毫伏的更高幅度，并在注水停止后仍保持在-5.1毫伏。在垂直平面中，电势呈现以注入深度为中心的偶极结构，随着距离增加而衰减，但显示出明显的不对称性。

SP响应对注入层特性的敏感性

注入层界面深度的敏感性分析显示，孔隙压力时间序列对边界位置变化影响可忽略，而SP幅度和时间演化对上下地质界面深度表现出强烈敏感性。上边界较浅时产生更大的峰值幅度和更渐进的起始，而下边界变化则呈现相反趋势。

对注入层盐度、渗透率和孔隙度的±30%变化分析表明，SP信号受这些参数强烈影响，孔隙度影响最大，其次是渗透率和盐度。盐度和渗透率增加导致SP幅度减小，而更高孔隙度增强整体信号强度和持续时间。

研究结论与意义

该研究通过建立分层电动力学模拟框架，成功再现了深部水力刺激过程中地表SP异常的关键特征。研究发现地下分层通过塑造孔隙压力扩散和引导电动力学电流横向扩展，显著影响地表SP信号的幅度和时间。尽管与注入井的距离增加，但表面SP信号的空间衰减有限，突出了电动力学信号的广泛横向耦合。

通过整合套管诱导的放大效应，模型成功再现了与现场测量一致的毫伏级SP幅度。更重要的是，模型定量捕捉了注水停止后孔隙压力衰减与SP信号衰减之间的特征时间滞后，确认了持续流体流动在维持SP响应中的关键作用。

这些发现增进了对分层地下环境中电动力学现象机理的理解，建立了可转移的模拟平台，能够增强水力刺激期间SP监测数据的解释。该框架的适应性扩展到具有分层地质结构的地热、油气和地下水系统，支持在不同地质环境中改进SP信号解释。

然而，分层模型虽然通过纳入基本地层复杂性超越了传统的半空间近似，但仍然是对天然储层中复杂裂缝网络和非均质性的简化。未来工作需要纳入更精细的地质非均质性、压力依赖的渗透率和更详细的钢套管表示，以进一步增强电动力学模拟表征裂缝储层和断层带内演化流体-力学过程的能力。