Forudsigelse af jordskælvsfarer fra spildevandsinjektion

Et biprodukt fra olie- og gasproduktion er en stor mængde giftigt spildevand kaldet saltlage. Brøndborere bortskaffer saltvand ved at sprøjte det ind i dybe klippeformationer, hvor dens indsprøjtning kan forårsage jordskælv. De fleste jordskælv er relativt små, men nogle af dem har været store og ødelæggende.

Alligevel er det vanskeligt at forudsige mængden af ​​seismisk aktivitet fra spildevandsinjektion, fordi det involverer adskillige variabler. Disse omfatter mængden af ​​injiceret saltlage, hvor let saltlage kan bevæge sig gennem klippen, tilstedeværelsen af ​​eksisterende geologiske forkastninger, og de regionale lægger vægt på disse fejl.

Nu er et team af Arizona State University-ledede geovidenskabsmænd, arbejder under et tilskud fra Energiministeriet, har udviklet en metode til at forudsige seismisk aktivitet fra spildevandsdeponering. Holdets studieområde er i Oklahoma, en tilstand, hvor der er udført meget fracking-aktivitet med meget spildevandsinjektion, og hvor der har været flere inducerede jordskælv, der har forårsaget skade.

Holdets papir, der rapporterer deres resultater, dukkede op i Proceedings of the National Academy of Sciences den 29. juli, 2019.

"Samlet set, jordskælvsfaren øges med baggrundsseismisk aktivitet, og det skyldes ændringer i skorpespændingen, " siger Guang Zhai, en postdoc forsker ved ASU's School of Earth and Space Exploration og en gæsteassistentforsker ved University of California, Berkeley. "Vores fokus har været at modellere fysikken i sådanne ændringer, der er et resultat af spildevandsinjektion."

Zhai er hovedforfatter for avisen, og de andre videnskabsmænd er Manoochehr Shirzaei, lektor på skolen, plus Michael Manga, fra UC Berkeley, og Xiaowei Chen, fra University of Oklahoma.

"Seismisk aktivitet steg i et område i flere år efter, at spildevandsinjektion var stærkt reduceret, " siger Shirzaei. "Det fortalte os, at eksisterende forudsigelsesmetoder var utilstrækkelige."

Tilbage til det basale

For at løse problemet, hans hold gik tilbage til det grundlæggende, ser på, hvordan varierende mængder af injiceret saltlage forstyrrede skorpespændingerne, og hvordan disse fører til jordskælv på en given forkastning.

"Væsker som saltlage (og naturligt grundvand) kan både lagres og bevæge sig gennem klipper, der er porøse, " siger Zhai.

Nøglen var at bygge en fysik-baseret model, der kombinerede klippens evne til at transportere injiceret saltlage, og klippens elastiske reaktion på væsketryk. Forklarer Shirzaei, "Vores model inkluderer de optegnelser, der er indsamlet for de sidste 23 år af saltlage injiceret ved mere end 700 Oklahoma-brønde i Arbuckle-formationen."

Han tilføjer, at for at gøre scenariet realistisk, modellen omfatter også de mekaniske egenskaber af klipperne i Oklahoma. Resultatet var, at modellen med succes forudsagde ændringer i skorpespændingen, der kommer fra saltvandsinjektion.

Til det sidste trin, Shirzaei siger, "Vi brugte en veletableret fysisk model af, hvordan jordskælv begynder, så vi kunne relatere stressforstyrrelser til antallet og størrelsen af ​​jordskælv."

Holdet fandt ud af, at den fysikbaserede ramme gør et godt stykke arbejde med at reproducere fordelingen af ​​faktiske jordskælv efter frekvens, størrelse, og tid.

"En interessant opdagelse, " siger Zhai, "var, at en lille ændring i klippernes elastiske reaktion på ændringer i væsketryk kan forstærke antallet af jordskælv med flere gange. Det er en meget følsom faktor."

Gør produktionen mere sikker

Mens spildevandsinjektion kan forårsage jordskælv, al større olie- og gasproduktion skaber en stor mængde spildevand, som skal bortskaffes, og injektion er den metode, industrien bruger.

"Så for at gøre dette mere sikkert i fremtiden, " siger Shirzaei, "vores tilgang tilbyder en måde at forudsige injektion-forårsagede jordskælv. Dette giver industrien et værktøj til at styre injektionen af ​​saltlage efter fracking operationer."

At kende mængden af ​​saltlage, der skal injiceres, og placeringen af ​​bortskaffelsesbrønden, myndigheder kan estimere sandsynligheden for, at der opstår et jordskælv af en given størrelse. Sådanne sandsynligheder kan bruges til kortsigtet vurdering af risikoen for jordskælv.

Alternativt holdet siger, givet sandsynligheden for, at et jordskælv af en vis størrelse vil ske, olie- og gasoperatører kan styre den indsprøjtede brinevolumen for at holde sandsynligheden for store jordskælv under en valgt værdi.

Slutresultatet, siger Zhai, "er, at denne proces vil muliggøre en mere sikker praksis, til gavn for både offentligheden og energiindustrien."