张艳等含水层页岩对潮汐响应渗漏模型的影响

页岩具有易碎、致密和各向异性的特性，由于其极低的孔隙度和渗透率（在10^-4到10^-3mD之间），以及与高孔高渗围岩共同作用，导致地层物性呈现各向异性和非均质性的特点。因此，含有页岩的含水层可能会呈现出独特的特征。在水文地球物理学领域，由于含有页岩的水井数量非常有限，大多数研究都没有涉及这一主题。然而，水文地质领域的许多理论解析解模型，例如气压响应渗漏模型和潮汐响应渗漏模型，都假设岩层为均匀各向同性介质，导致理论模型与实际情况存在差异，引起计算结果出现偏差。

最近，中科院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室的张艳副研究员与石油大学（华东）的符力耘教授、中国地震局地球物理研究所的祝爱玉研究员等人合作，选择了华北地台上的4口流体井进行研究（图1）。

他们的选取原则如下：1)地下水位观测质量较高且时间序列较长的井（涵盖了2008 M_W 7.9 Wenchuan 、2011 M_W 9.1 Tohoku 两次大地震）；2)井深大于400米，从而能够忽略毛细管效应且保证含水层的承压性相对较好；3)远离海边（距离海岸大于100 km），从而减少海潮对水位的影响。此外，华北克拉通构造的稳定性以及相似的地质背景也简化了不同井间潮汐响应的解释和比较。关注上述两个远场大地震，是因为之前的研究就发现它们影响了多口井的水位变化或改变了水位的潮汐响应，此前应用的潮汐响应渗漏模型分析认为这是由渗透率改变和封闭性变化导致的（Zhang et al., 2021）。该研究对流体的潮汐响应渗漏模型研究（Wang et al.,2018；Zhang et al., 2021）进行了补充和评论。

图1 测井图显示了流体井的观测含水层岩石类型的详细信息。红线和数字表示观测含水层的深度,深色表示页岩层。该研究对含水层岩性的描述非常详细，以便于计算含水层中的页岩含量（中国地震监测志，2002 2007）

对页岩含量导致的各向异性响应的影响，目前尚未得到广泛关注。研究团队针对含水层的页岩夹层，研究了其如何影响水位潮汐响应的渗漏模型。计算结果表明，即使观测含水层中有少量页岩（>= 5%），流体井也可能表现出很强的各向异性和非均质性，从而使得实地观测结果偏离了使用各向同性和均匀假设模型获得的理论解析解。一般而言，含水层岩性中的页岩含量越高，相移偏差越大（图2，图3）。本研究未考虑振幅比对渗漏等属性的影响。

图2 从现场观测水位获得的相移（黑点）与基于求解得到的参数（含水层的储水系数S，含水层的水平向导水系数T和隔水层的垂向渗透系数K'）从潮汐响应渗漏模型的解析解中推导出的相移（红点）之间的比较。上图对应M2潮汐波，下图对应O1潮汐波。由于潮汐响应渗漏模型的简化和理想假设，S、T 和 K' 的反演参数中存在被忽略的突跳点（Zhang et al.,2021），因此推导得到的相移（红点）中也有被忽视的突跳点

* HZ井O1波的相移偏差偏大是由于反演的相移过于平坦（图2-下-红点）），归因于不受约束的解析解（Zhang et al.,2021）。HZ井的垂向渗漏参数K′接近于0 （对应值为10^-10（m/s）），参考HZ井的解析解曲线，当K′<10^-7 m/s时， K′变得“平坦”对模型参数不再敏感（Zhang et al.,2021）

图3 页岩含量与M2和O1波相移偏差的关系。一般来说，含水层中的页岩含量越高，相移的偏差越大。我们只计算相移偏差的绝对值，而不关心正负偏差

经过COMSOL数值模拟的验证（图4），进一步确认了上述结论。因此，在含有页岩的岩性水层中，采用仅考虑各向同性和均匀性的理想模型，只能得到粗略的估计结果。为了避免由于非均质性和各向异性而引起的井观测质量问题（例如含水层局部孔隙压力过高导致非稳定流等），应尽量避免在页岩层上设置流体井的观测含水层。

图4 以山西孝义井为研究代表：（上）含水层中不同页岩含量(0%; 10%; 20%; 40%)对应的M2潮汐波响应的渗漏模型的数值模拟解与解析解(Wang et al., 2018)的对比（Kz’代表隔水层的垂向渗透系数）；（下）孝义代表井的页岩含量(0%; 10%; 20%; 40%)和M2波的相移偏差（对应于上图的虚线部分：孝义井的M2波相移范围约处于-10 至 20 区间（图2）），在此区间，总体而言，页岩含量越多相移偏差也越大

研究成果发表于国际水文地质领域专业期刊Water Resources Research（Zhang Y, Fu L Y, Zhu A, et al. Anisotropy and heterogeneity induced by shale in aquifer lithology—Influence of aquifer shale on the leaky model with tidal response analysis [J]. Water Resources Research, 2023, 59: e2021WR031451. DOI: 10.1029/2021WR031451）。本工作得到了自然科学基金委基金（41874161, 42141009）和中科院青促会基金（2019069）的支持。