Hvad der er i spildevand fra oliefelter betyder noget for jordskælv forårsaget af injektion

Et hold af geovidenskabsforskere ved Virginia Tech College of Science har udviklet en ny teori for at forklare, hvordan og hvorfor injektionsinducerede jordskælv fortsætter med at forekomme, selv når injektionsraterne falder.

Eksperter har siden 1960'erne vidst, at når oliefelters spildevand pumpes ned i jorden med dybe injektionsbrønde, jordskælv kan forekomme. I løbet af det seneste årti, Injektionsinducerede jordskælv er blevet regelmæssige forekomster overalt i olie- og gasbassiner verden over, især i det centrale USA, og potentielt i Kina og Canada, såvel.

Olie- og gasproduktion er ofte ledsaget af meget brakvand, også kendt som oliefelt saltlage. Disse væsker kan være fem til seks gange saltere end havvand, så de er giftige for terrestriske økosystemer og har ringe gavnlig brug. Som resultat, saltlage fra oliefelter anses for at være et affaldsprodukt, der bortskaffes ved at pumpe det tilbage til dybe geologiske formationer.

Når væsker pumpes ind i dybe injektionsbrønde, de ændrer det naturligt forekommende væsketryk i dybe geologiske formationer. Disse væsketrykændringer kan destabilisere fejl, fører til jordskælv, såsom den skadelige hændelse på 5,8 i Pawnee, Oklahoma, i september 2016.

Blandt de mere irriterende videnskabelige spørgsmål om injektion-inducerede jordskælv er, hvorfor de ser ud til at blive dybere på sådanne steder som Oklahoma og Kansas, hvor injektionsraterne har været faldende på grund af en kombination af jordskælvsbegrænsende foranstaltninger og faldende olie- og gasproduktion.

I en undersøgelse offentliggjort 5. august i Energi- og miljøvidenskab , Ryan M. Pollyea, adjunkt ved Institut for Geovidenskab, og et hold af studerende forskere foreslog en ny teori om, at selve spildevandet spiller en vigtig rolle i de processer, der forårsager injektion-inducerede jordskælv.

"Vi ved, at jordskælv bliver dybere i Oklahoma, " sagde Pollyea, der leder Computational Geofluids Lab ved Virginia Tech, "så vi forsøger at finde ud af, hvilke forhold der gør dette muligt. Vores forskning tyder på, at det er forårsaget af kombinationen af ​​geologien, naturlige væsker i kælderklipperne, og selve spildevandet."

Selvom forskere i årtier har vidst, at dybe væskeinjektioner kan udløse jordskælv, Pollyea sagde, at tidligere forskning savner nogle konsekvensdetaljer om, hvordan de opstår. Specifikt, han påpegede, at saltlage fra oliefelter har meget forskellige egenskaber, som tæthed og viskositet, end rent vand, og disse forskelle påvirker de processer, der får væsketrykket til at udløse jordskælv.

"Den grundlæggende idé er, at saltlage fra oliefelter har en masse opløst fast materiale, hvilket gør spildevandet tungere end naturligt forekommende væsker i dybe geologiske formationer, " sagde Richard S. Jayne, en medforfatter til undersøgelsen og tidligere ph.d. studerende ved Virginia Tech, som nu er forskningshydrogeolog ved Sandia National Laboratory, "så det tætte spildevand synker, øger væsketrykket, og forårsager dybere jordskælv, end det ville blive forudsagt, hvis væskerne har de samme materialeegenskaber."

Brug af supercomputere hos Virginia Techs Advanced Research Computing-afdeling, Pollyea og hans team testede deres idé ved at producere mere end 100 modeller af spildevandsbortskaffelse fra oliefelter ved hjælp af forskellige kombinationer af geologiske egenskaber, spildevandstemperatur, og spildevandets tæthed. Med denne beregningsmetode, holdet isolerede både de forhold og fysiske processer, der ændrer væsketrykket i de geologiske formationer.

"Vi fandt ud af, at der virkelig er to forskellige processer, der driver væsketrykket dybt ind i kælderen, hvor jordskælv opstår, " sagde Pollyea. "Den første kaldes trykdiffusion, som opstår, når spildevand tvinges ind i geologiske formationer, der allerede er fyldt med vand. Denne proces har været kendt i lang tid, men den anden proces opstår, når spildevand med høj densitet synker og skubber væsker med lavere densitet ud af vejen."

Ifølge denne nye teori, densitetsforskellen mellem spildevand og dybe kældervæsker er meget vigtigere for induceret jordskælv end tidligere kendt. "Dette er et af de områder, der er blevet forsømt i induceret seismicitetsforskning, " sagde Megan Brown, en assisterende professor i geologi, der har specialiseret sig i væskeudløst seismicitet ved Northern Illinois University og var ikke involveret i denne undersøgelse. "Densitetsdrevne tryktransienter er en intuitiv konsekvens af en tæthedsforskel mellem injicerede væsker og formationsvæsker."

Selvom forekomsten af ​​jordskælv har været faldende i det centrale USA siden topårene 2014 og 2015, denne nye teori forklarer ikke kun, hvorfor jordskælv bliver dybere i Oklahoma, men det forklarer også, hvorfor adskillige jordskælv på størrelsesordenen 5+ ramte Oklahoma i 2016, når injektionsraterne var faldende i hele staten.

"Et fascinerende aspekt af vores undersøgelse er, at synkende spildevandsfaner ikke kræver pumpning for at migrere dybere under jorden, " sagde Pollyea, "faktisk, de vil fortsætte med at synke under deres egen vægt i årtier efter, at injektionerne er ophørt, og vores undersøgelse viser, at spildevandet ikke behøver at være meget tungere for at dette kan ske."

Med hensyn til jordskælvsbegrænsning og reguleringspraksis, denne undersøgelse har vidtrækkende implikationer:Forskerholdet påpegede, at saltlage med høj densitet forekommer i mange olie- og gasbassiner i USA. Men de argumenterede også for, at brug af denne undersøgelse i praksis kræver meget mere information om væskerne. "Denne undersøgelse understreger behovet for stedspecifikke data og øget prøveudtagning, " sagde Brown, fordi "densitetsforskelle som en drivende faktor for nærfelts tryktransienter også kan føre til præ-injektionsbegrænsende handlinger."

Pollyea sagde, at hans forskerhold fortsætter med at arbejde på deres nye teori for de hydrogeologiske processer, der forårsager inducerede jordskælv. "Vi er virkelig interesserede i at vide, hvordan vores ideer om væskekemi påvirker regionalt ekspansive injektionsoperationer i steder som Oklahoma og Texas, " sagde Pollyea. "Og en af ​​vores nylige M.S. dimittender, Graydon Konzen (en studie medforfatter), har lavet noget spændende nyt arbejde på dette område."