Håndtering af jordskælv udløst af olieproduktion:Forskere demonstrerer en mere sikker metode til bortskaffelse af spildevand

Når mennesker pumper store mængder væske ned i jorden, de kan udløse potentielt skadelige jordskælv, afhængig af den underliggende geologi. Dette har været tilfældet i visse olie- og gasproducerende regioner, hvor spildevand, ofte blandet med olie, bortskaffes ved at injicere det tilbage i jorden - en proces, der har udløst betydelige seismiske begivenheder i de seneste år.

Nu MIT forskere, arbejder med et tværfagligt team af forskere fra industrien og den akademiske verden, har udviklet en metode til at styre sådan menneskeinduceret seismicitet, og har demonstreret, at teknikken med succes reducerede antallet af jordskælv, der forekommer i et aktivt oliefelt.

Deres resultater, optræder i dag i Natur , kunne hjælpe med at afbøde jordskælv forårsaget af olie- og gasindustrien, ikke kun fra injektion af spildevand produceret med olie, men også det, der produceres fra hydraulisk frakturering, eller "fracking". Holdets tilgang kunne også hjælpe med at forhindre jordskælv fra andre menneskelige aktiviteter, såsom fyldning af vandreservoirer og grundvandsmagasiner, og binding af kuldioxid i dybe geologiske formationer.

"Udløst seismicitet er et problem, der rækker langt ud over at producere olie, " siger studielederforfatter Bradford Hager, Cecil og Ida Green professor i geovidenskab ved MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Dette er et enormt problem for samfundet, som skal konfronteres, hvis vi sikkert skal injicere kuldioxid i undergrunden. Vi demonstrerede den type undersøgelse, der vil være nødvendig for at gøre dette."

Studiets medforfattere inkluderer Ruben Juanes, professor i civil- og miljøteknik ved MIT, og samarbejdspartnere fra University of California ved Riverside, University of Texas i Austin, Harvard Universitet, og Eni, et multinationalt olie- og gasselskab med base i Italien.

Sikre injektioner

Både naturlige og menneskeskabte jordskælv forekommer langs geologiske forkastninger, eller brud mellem to stenblokke i jordskorpen. I stabile perioder, klipperne på hver side af en forkastning holdes på plads af det tryk, der genereres af omgivende klipper. Men når en stor mængde væske pludselig injiceres med høje hastigheder, det kan forstyrre en fejls væskespændingsbalance. I nogle tilfælde, denne pludselige indsprøjtning kan smøre en fejl og få sten på begge sider til at glide og udløse et jordskælv.

Den mest almindelige kilde til sådanne væskeinjektioner er fra olie- og gasindustriens bortskaffelse af spildevand, der føres op sammen med olie. Feltoperatører bortskaffer dette vand gennem injektionsbrønde, der kontinuerligt pumper vandet tilbage i jorden ved højt tryk.

"Der produceres meget vand med olien, og at vand sprøjtes ned i jorden, som har forårsaget et stort antal jordskælv, "Hager noter." Så, for en stund, olieproducerende regioner i Oklahoma havde flere jordskælv med en styrke på 3 end Californien, på grund af alt dette spildevand, der blev sprøjtet ind."

I de seneste år, et lignende problem opstod i det sydlige Italien, hvor injektionsbrønde på oliefelter drevet af Eni udløste mikroseismer i et område, hvor der tidligere var opstået store naturligt forekommende jordskælv. Virksomheden, leder efter måder at løse problemet på, søgte konsultation hos Hager og Juanes, både førende eksperter i seismicitet og underjordiske strømme.

"Dette var en mulighed for os at få adgang til højkvalitets seismiske data om undergrunden, og lær hvordan du udfører disse injektioner sikkert, " siger Juanes.

Seismisk plan

Teamet gjorde brug af detaljerede oplysninger, akkumuleret af olieselskabet gennem mange års drift i Val D'Agri -oliefeltet, en region i det sydlige Italien, der ligger i et tektonisk aktivt bassin. Dataene omfattede oplysninger om regionens jordskælvsrekord, går tilbage til 1600-tallet, samt strukturen af ​​klipper og forkastninger, og tilstanden af ​​undergrunden svarende til de forskellige injektionshastigheder af hver brønd.

Forskerne integrerede disse data i en koblet underjordisk strømning og geomekanisk model, som forudsiger, hvordan spændingerne og belastningerne af underjordiske strukturer udvikler sig som volumen af ​​porevæske, såsom fra injektion af vand, ændringer. De koblede denne model til en jordskælvsmekanikmodel for at oversætte ændringerne i underjordisk stress og væsketryk til en sandsynlighed for at udløse jordskælv. De kvantificerede derefter hastigheden af ​​jordskælv forbundet med forskellige hastigheder for vandindsprøjtning, og identificerede scenarier, der sandsynligvis ikke ville udløse store jordskælv.

Da de kørte modellerne ved hjælp af data fra 1993 til 2016, forudsigelserne af seismisk aktivitet matchede med jordskælvsrekorden i denne periode, validere deres tilgang. De kørte derefter modellerne frem i tiden, gennem år 2025, at forudsige regionens seismiske respons på tre forskellige injektionshastigheder:2, 000, 2, 500, og 3, 000 kubikmeter om dagen. Simuleringerne viste, at store jordskælv kunne undgås, hvis operatørerne holdt injektionshastigheden på 2, 000 kubikmeter om dagen - en strømningshastighed, der kan sammenlignes med en lille offentlig brandhane.

Eni-feltoperatører implementerede holdets anbefalede rate ved oliefeltets enkeltvandinjektion over en 30-måneders periode mellem januar 2017 og juni 2019. I denne tid, holdet observerede kun nogle få små seismiske hændelser, hvilket faldt sammen med korte perioder, hvor operatørerne gik over den anbefalede injektionshastighed.

"Seismiciteten i regionen har været meget lav i disse to og et halvt år, med omkring fire jordskælv med en styrke på 0,5, i modsætning til hundredvis af jordskælv, op til 3 størrelsesorden, der skete mellem 2006 og 2016, " siger Hager.

Resultaterne viser, at operatører med succes kan håndtere jordskælv ved at justere injektionshastigheder, baseret på den underliggende geologi. Juanes siger, at holdets modelleringstilgang kan hjælpe med at forhindre jordskælv relateret til andre processer, såsom bygning af vandreservoirer og binding af kuldioxid - så længe der er detaljerede oplysninger om en regions undergrund.

"Der skal bruges en stor indsats for at forstå de geologiske omgivelser, " siger Juanes, hvem bemærker det, hvis kulstofbinding blev udført på udtømte oliefelter, "sådanne reservoirer kunne have denne type historie, seismisk information, og geologisk fortolkning, som du kunne bruge til at bygge lignende modeller for kulstofbinding. Vi viser, at det i det mindste er muligt at håndtere seismicitet i operationelle omgivelser. Og vi tilbyder en plan for, hvordan man gør det. "

Denne forskning blev støttet, delvis, af Eni.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.