Побочным продуктом добычи нефти и газа является большое количество токсичных сточных вод, называемых рассолами. Бурильщики утилизируют рассол, вводя его в глубокие горные породы, где его введение может вызвать землетрясения. Большинство землетрясений относительно небольшие, но некоторые из них были сильными и разрушительными.
Тем не менее, предсказать величину сейсмической активности от закачки сточных вод сложно, поскольку она включает в себя множество переменных. К ним относятся количество закачиваемого рассола, насколько легко рассол может проходить через породу, наличие существующих геологических разломов и региональные напряжения на этих разломах.
Теперь группа геологов под руководством Аризонского государственного университета, работающая в рамках гранта Министерства энергетики, разработала метод прогнозирования сейсмической активности на основе сброса сточных вод. Область исследования группы находится в Оклахоме, штате, где было проведено много работ по гидроразрыву пласта с большим количеством закачки сточных вод, и где было несколько искусственных землетрясений, нанесших ущерб..
Документ группы, сообщающий об их выводах, появился в Proceedings of the National Academy of Sciences 29 июля 2019 года.
«В целом, опасность землетрясений увеличивается с фоновой сейсмической активностью, и это является результатом изменений в напряжении земной коры», - говорит Гуан Чжай, научный сотрудник Школы исследования Земли и космоса АГУ и приглашенный ассистент в Калифорнийский университет, Беркли. «Нашей целью было смоделировать физику таких изменений, происходящих в результате закачки сточных вод».
Чжай является ведущим автором статьи, а другими учеными являются Манучер Ширзаи, адъюнкт-профессор Школы, а также Майкл Манга из Калифорнийского университета в Беркли и Сяовей Чен из Университета Оклахомы.
«Сейсмическая активность резко возросла в одном районе в течение нескольких лет после того, как закачка сточных вод была значительно снижена», - говорит Ширзаи. «Это говорит нам о том, что существующие методы прогнозирования неадекватны».
Назад к основам
Чтобы решить эту проблему, его команда вернулась к основам, изучив, как различные количества закачиваемого рассола возмущают напряжения в земной коре и как они приводят к землетрясениям по данному разлому.
«Жидкости, такие как рассол (и естественные подземные воды), могут как храниться, так и перемещаться через пористые породы», - говорит Чжай.
Ключом было построение основанной на физике модели, которая сочетала бы способность породы переносить закачиваемый рассол и упругую реакцию породы на давление флюида. Ширзаи объясняет: «Наша модель включает записи, собранные за последние 23 года, о закачке рассола в более чем 700 скважин Оклахомы в формацию Арбакл».
Он добавляет, что для реалистичности сценария в модель также включены механические свойства горных пород в Оклахоме. В результате модель успешно предсказала изменения напряжения земной коры в результате закачки рассола.
На последнем этапе Ширзаи говорит: «Мы использовали хорошо зарекомендовавшую себя физическую модель того, как начинаются землетрясения, чтобы мы могли связать возмущения напряжения с количеством и силой землетрясений».
Команда обнаружила, что основанная на физике структура хорошо воспроизводит распределение реальных землетрясений по частоте, магнитуде и времени.
«Интересный вывод, - говорит Чжай, - заключался в том, что крошечное изменение упругой реакции горных пород на изменение давления жидкости может увеличить количество землетрясений в несколько раз. Это очень чувствительный фактор».
Обеспечение безопасности производства
В то время как закачка сточных вод может вызвать землетрясения, все крупные производства нефти и газа создают большое количество сточных вод, которые необходимо утилизировать, а закачка - это метод, используемый в промышленности.
«Поэтому, чтобы сделать это более безопасным в будущем, - говорит Ширзаи, - наш подход предлагает способ прогнозирования землетрясений, вызванных закачкой. Это дает отрасли инструмент для управления закачкой рассола после гидроразрыва пласта».
Зная объем закачиваемого соляного раствора и расположение скважины для захоронения, власти могут оценить вероятность возникновения землетрясения заданной силы. Такие вероятности можно использовать для краткосрочной оценки опасности землетрясений.
В качестве альтернативы, говорит команда, с учетом вероятности землетрясения определенной силы операторы нефтегазовой отрасли могут управлять объемом закачиваемого рассола, чтобы удерживать вероятность сильных землетрясений ниже выбранного значения.
Конечным результатом, по словам Чжай, «этот процесс позволит сделать практику более безопасной, что принесет пользу как широкой общественности, так и энергетической отрасли».