Djupet på bergskiktet som fungerar som deponeringsplats för avloppsvatten som produceras under okonventionell oljeutvinning spelar en betydande roll för huruvida detta slutförvar utlöser jordbävningar i USA, enligt en ny studie som tar en bred titt på frågan.
Forskningen publicerad i Seismologiska forskningsbrev granskat data om bortskaffande av avloppsvatten för oljeanläggningar i Oklahoma, östra Montana, västra North Dakota, Texas och New Mexico.
Seismicitetsnivåerna är högre i Oklahoma jämfört med de andra staterna delvis eftersom avloppsvatten injiceras djupare i marken i Oklahoma, närmare den underliggande källarstenen, enligt studieförfattaren Bridget Scanlon från University of Texas i Austin och hennes kollegor.
Den ackumulerade volymen avloppsvatten som injiceras i jorden i Oklahoma är också högre än i de andra oljeproducerande områdena, och kan också kopplas till ökad seismicitet i staten, forskarna avslutade.
Resultaten skiljer sig från en tidigare studie baserad på data i mitten av kontinenten, som inte hittade någon signifikant korrelation mellan den totala avloppsvattenvolymen, eller mellan injektionsdjupet, och ökad seismicitet. Den nya studien innehåller ytterligare 3,5 års data om injektionsvolym och seismicitet i Oklahoma, dock, och använder också en ny karta över källardjup, sa Scanlon.
Okonventionell amerikansk oljeproduktion, som utvinner olja från skiffer och täta bergarter med hjälp av hydraulisk sprickbildning och horisontella brunnar, har kopplats till en ökning av mänskligt inducerade jordbävningar över mitten av USA:s kontinent i nästan ett decennium. Den främsta drivkraften bakom denna ökning av seismiciteten är insprutningen av avloppsvatten som produceras genom utvinning, vilket ökar poretrycket i bergarter och kan påverka spänningen längs fel i berglagren som valts för bortskaffande.
"Tätheten" hos de oljeproducerande bergskikten på dessa platser innebär att avloppsvatten inte kan injiceras tillbaka i samma lager, så företag har istället hittat "lösare, "mer permeabla berglager för att borra slutförvarsbrunnar.
Studien av Scanlon och kollegor undersökte avloppsvatteninjektionshastigheter, kumulativa regionala injektionsvolymer och injektionsnärhet till källarsten för täta oljespel i Oklahoma, Bakken-pjäsen (Montana och North Dakota), Eagle Ford-pjäsen (Texas) och Permian-pjäsen (Texas och New Mexico).
Många av avloppsvattenbrunnarna i Oklahoma borras i ett stenlager som kallas Arbuckle Formation, som ligger intill källaren och är mycket djupare än bergskikten som används för bortskaffande i Bakken, Eagle Ford och Permian spelar.
Brunnar som borras i Arbuckle dränerar vatten till formationen utan behov av tryck vid brunnshuvudet, och bergzonen är mycket permeabel, vilket gör det till en tilltalande bortskaffningsplats, sa Kyle Murray, en medförfattare till studien från Oklahoma Geological Survey. Arbuckle har också extraktionsbrunnar bara "i några få små områden, så bortskaffande minskar inte producerande brunnar."
Lättheten att använda Arbuckle som en deponeringsplats kan vara en anledning till att oljeproducenter har valt djupare slutförvaringsplatser i Oklahoma jämfört med de andra regionerna, "men att borra grundare brunnar och deponera i grundare zoner i andra pjäser kan vara relaterade till ekonomin. Djupare brunnar är mycket dyrare och inte alltid framgångsrika, " han lade till.
Murray sa att oljefältsoperatörer i dessa andra regioner också kan känna till studierna som kopplar ökningen av seismiciteten i Oklahoma till injektionsnärhet till källarberg, får dem att undvika djupförvaring på sina platser.
Forskarna noterade att deras fynd överensstämmer med den minskade seismiciteten som dokumenterats i Oklahoma efter direktiv från Oklahoma Corporation Commission 2014 och 2016 för att minska injektionshastigheter och regionala injektionsvolymer, samt att plugga avfallsbrunnar som borrats i källaren. Dessa direktiv har lett till en minskning av antalet jordbävningar med storleksordningen 3,0 eller större i staten med 70 procent 2017, i förhållande till 2015.
Det finns avvägningar mellan att injicera avloppsvatten i grunda kontra djupa berglager, konstaterar forskarna. Grundare brunnar, som ofta kostar två till tre gånger mindre än djupare brunnar och tycks utlösa lägre nivåer av seismicitet, kan förorena akviferer med saltvatten eller störa oljeproduktionsbrunnar.
Scanlon och kollegor säger att ett sätt att minska mängden total avloppsvatteninjektion kan vara att återanvända avloppsvattnet för hydraulisk sprickbildning. "Värdet av att återanvända producerat vatten för hydraulisk sprickning liknar att återinjicera producerat vatten för vattenöversvämning i konventionella oljereservoarer, att upprätthålla trycket, ", sa Scanlon. "Att återanvända producerat vatten för hydraulisk sprickbildning skulle minska problem med vattenförsörjning och vattenförbrukning i samband med det, och skulle också minska bortskaffande av avloppsvatten och relaterad potentiell seismicitet."
Denna strategi kan fungera bäst på platser där avloppsvattnet som produceras är ungefär lika mycket som de mängder som behövs för hydraulisk sprickbildning, dock. I Oklahoma, till exempel, hydraulisk spräckning skulle förbruka endast 10 procent av mängden producerat avloppsvatten.
