В недавно опубликованной статье геофизики Технологического института Вирджинии обнаружили, что неглубокая закачка сточных вод, а не глубокая закачка сточных вод, может вызвать масштабные глубокие землетрясения на нетрадиционных месторождениях нефти и газа.
Рассол является токсичным побочным продуктом сточных вод при добыче нефти и газа. Бурильщики избавляются от большого количества рассола, вводя его в подземные пласты, где его введение может вызвать землетрясения, по словам Гуан Чжай, научного сотрудника с докторской степенью в Департаменте наук о Земле, входящего в состав Технического колледжа науки Вирджинии, и приглашенного ассистента. научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли.
Выводы опубликованы в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences от 10 мая. К Чжаю в статье присоединились Манучехр Ширзаи, адъюнкт-профессор геонаук в Технологическом институте Вирджинии, и Майкл Манга, профессор и заведующий кафедрой наук о Земле и планетах Беркли. В исследовании, финансируемом Министерством энергетики США, команда сосредоточила внимание на бассейне Делавэр в западном Техасе, одном из самых продуктивных и нетрадиционных месторождений углеводородов в Соединенных Штатах.
С 2010 года в бассейне произошло значительное увеличение неглубокого закачивания сточных вод и широко распространенная глубокая сейсмичность, включая недавнее событие магнитудой 5,0 возле Ментона, штат Техас. Большинство землетрясений были относительно небольшими, но некоторые из них были сильными и широко ощущались.
«Довольно интересно, что закачка над толстым сланцевым коллектором с низкой проницаемостью может вызвать землетрясение в глубоком фундаменте, несмотря на минимальное гидравлическое соединение», - сказал Чжай.«Мы обнаружили, что так называемые пороупругие напряжения могут активировать разломы фундамента, возникающие в результате нагнетания жидкости, вызывающей деформацию горных пород».
Пороупругость - это результирующее взаимодействие между потоком жидкости и деформациями твердых тел внутри пористой формации, в данном случае песчаника. «Это открытие имеет важное значение, поскольку оно выдвигает на первый план пороупругие напряжения как основную причину землетрясений в бассейне», - сказал Ширзаи, который также является аффилированным преподавателем Центра глобальных изменений Технологического института Вирджинии.
Тем не менее, прогнозирование сейсмической активности от закачки сточных вод проблематично, потому что оно включает в себя множество переменных, одной из которых является глубина закачки, сказал Чжай. Хотя хорошо известно, что увеличение давления флюида из-за глубокой закачки является основной причиной недавнего повышения сейсмичности в центральной и восточной части Соединенных Штатов, все еще остается открытым вопрос о том, как именно неглубокие закачки вызывают землетрясения.
Во время исследования команда изучила, как различное количество закачиваемого рассола возмущает напряжения земной коры глубоко под бассейном Делавэр и как эти возмущения приводят к землетрясениям по данному разлому. Чжай добавил: «Жидкости, такие как рассол и естественные подземные воды, могут храниться и перемещаться через пористые породы».
Трио использовало аналитику данных и компьютерное моделирование, чтобы имитировать большой объем добычи жидкости из сланцевых резервуаров из более чем 1500 сланцевых добывающих скважин в период с 1993 по 2020 год, при этом 400 скважин закачивали рассол в формации песчаника с 2010 по 2020 год. По словам Ширзаи, чтобы сделать сценарий реалистичным, в модель были включены механические свойства горных пород в бассейне Делавэр.
Команда обнаружила, что землетрясения во всем бассейне в основном происходят там, где увеличивается глубинное напряжение из-за неглубокой инъекции. Это означает, что существует причинно-следственная связь между глубокими землетрясениями и неглубоким закачиванием флюида посредством переноса упругих напряжений.
«Изменение глубинного напряжения чувствительно к свойствам неглубокого водоносного горизонта, особенно к коэффициенту гидравлической диффузии, который описывает легкость потока жидкости в пористой среде», - сказал Манга. «Один вопрос, который нужно задать, заключается в том, почему в некоторых районах, где много неглубоких инъекций, отсутствует сейсмичность. Наш подход предлагает способ исследования других важных факторов, которые контролируют индуцированные землетрясения».
В дополнение к человеческому вмешательству сами тектонические условия также помогают предопределить магнитуду и вероятность землетрясения, сказал Ширзаи. Это исследование и будущая работа обеспечат жизнеспособный способ оценки индуцированных сейсмических опасностей, сочетая природные и человеческие факторы. Конечная цель: свести к минимуму опасность сброса сточных вод при добыче природного газа до тех пор, пока технологии использования возобновляемых источников энергии не станут доступными для всех.
«Поскольку будущие потребности в энергии растут во всем мире, обращение с огромным количеством совместно образующихся сточных вод остается сложной задачей, и безопасная неглубокая закачка для утилизации более рентабельна, чем глубокая закачка или очистка воды», - сказал Чжай.«Мы надеемся, что механизм, который мы обнаружили в этом исследовании, поможет людям переосмыслить причины искусственных землетрясений, что в конечном итоге поможет лучше понять их и смягчить связанные с ними опасности».