Brunnar som borrats i Oklahomas Arbuckle-formation injicerar avloppsvatten (1) som sedan sprids genom berget. När det sprider sig, avloppsvattnet kan utlösa jordbävningar i förkastningszoner (2), men deras storlek beror på mängden som injiceras och bergets egenskaper. Den nya modellen kan förutsäga skalvsannolikheter genom mängden avloppsvatten som injiceras. Kredit:Guang Zhai, Manoochehr Shirzaei/ASU
En biprodukt av olje- och gasproduktion är en stor mängd giftigt avloppsvatten som kallas saltlake. Brunnsborrare gör sig av med saltlake genom att injicera det i djupa bergformationer, där dess injicering kan orsaka jordbävningar. De flesta skalv är relativt små, men några av dem har varit stora och skadliga.
Ändå är det svårt att förutsäga mängden seismisk aktivitet från avloppsvatteninjektion eftersom det involverar många variabler. Dessa inkluderar mängden saltlake som injiceras, hur lätt saltlake kan röra sig genom berget, förekomsten av befintliga geologiska förkastningar, och den regionala betoningen på dessa fel.
Nu ett team av Arizona State University-ledda geovetare, arbetar under ett anslag från Department of Energy, har utvecklat en metod för att förutsäga seismisk aktivitet från avloppsvatten. Teamets studieområde är i Oklahoma, ett tillstånd där mycket fracking har utförts med mycket avloppsvatteninjektion, och där det har förekommit flera inducerade jordbävningar som orsakat skador.
Teamets papper som rapporterade deras resultat dök upp i Proceedings of the National Academy of Sciences den 29 juli, 2019.
"Övergripande, jordbävningsrisker ökar med bakgrundsseismisk aktivitet, och som är resultatet av förändringar i skorpspänningen, säger Guang Zhai, en postdoktor vid ASU:s School of Earth and Space Exploration och en besökande assisterande forskare vid University of California, Berkeley. "Vårt fokus har varit att modellera fysiken för sådana förändringar som är resultatet av avloppsvatteninjektion."
Zhai är huvudförfattare för tidningen, och de andra forskarna är Manoochehr Shirzaei, docent i skolan, plus Michael Manga, från UC Berkeley, och Xiaowei Chen, från University of Oklahoma.
"Seismisk aktivitet ökade i höjden i ett område i flera år efter att avloppsvatteninjektion minskade kraftigt, " säger Shirzaei. "Det sa oss att befintliga förutsägelsesmetoder var otillräckliga."
Modellen visar jordbävningssannolikhetskurvor för centrala Oklahoma som ökar till 2015 på grund av saltlösningsinjektion. Efter att injektionen minskat och antas avslutas 2017, saltlake fortsätter att diffundera i berget, och kurvorna drar sig tillbaka till bakgrundsnivåer. Den nya modellen tillåter operatörer att beräkna sannolikhet för skalv för olika injektionsscenarier, maximera injektionen samtidigt som riskerna minimeras. Kredit:Guang Zhai/ASU
Tillbaka till grunderna
För att komma till rätta med problemet, hans lag gick tillbaka till grunderna, tittar på hur varierande mängder injicerad saltlösning störde jordskorpans spänningar och hur dessa leder till jordbävningar på ett givet förkastning.
"Vätskor som saltlake (och naturligt grundvatten) kan både lagras och röra sig genom stenar som är porösa, säger Zhai.
Nyckeln var att bygga en fysikbaserad modell som kombinerade bergets förmåga att transportera injicerad saltlösning, och bergets elastiska svar på vätsketrycket. Förklarar Shirzaei, "Vår modell inkluderar de register som samlats in under de senaste 23 åren av saltlake som injicerats vid mer än 700 Oklahoma-brunnar i Arbuckle-formationen."
Han tillägger att för att göra scenariot realistiskt, modellen inkluderar även de mekaniska egenskaperna hos stenarna i Oklahoma. Resultatet var att modellen framgångsrikt förutspådde förändringar i skorpspänningen som kommer från saltlösningsinjektion.
För det sista steget, Shirzaei säger, "Vi använde en väletablerad fysisk modell av hur jordbävningar börjar så att vi kunde relatera stressstörningar till antalet och storleken på jordbävningar."
Teamet fann att det fysikbaserade ramverket gör ett bra jobb med att reproducera fördelningen av faktiska jordbävningar efter frekvens, magnitud, och tid.
"En intressant upptäckt, " säger Zhai, "var att en liten förändring i stenarnas elastiska svar på förändringar i vätsketrycket kan förstärka antalet jordbävningar med flera gånger. Det är en mycket känslig faktor."
Olje- och gasproduktion kräver bortskaffande av avloppsvatten, som injiceras i bergformationer långt under jorden genom brunnar som denna. För att minimera jordbävningsrisker från denna process, ett ASU-ledda team har skapat en ny modell för att prognostisera inducerad seismicitet från avloppsvatteninjektion. Kredit:KFOR-TV, Oklahoma City
Gör produktionen säkrare
Även om avloppsvatteninjektion kan orsaka jordbävningar, all större olje- och gasproduktion skapar en stor mängd avloppsvatten som måste bortskaffas, och injektion är den metod som industrin använder.
"Så för att göra det här säkrare i framtiden, " säger Shirzaei, "vårt tillvägagångssätt erbjuder ett sätt att förutsäga jordbävningar orsakade av injektion. Detta ger industrin ett verktyg för att hantera injektionen av saltlösning efter fracking."
Att känna till volymen av saltlake som ska injiceras och platsen för avfallsbrunnen, myndigheter kan uppskatta sannolikheten för att en jordbävning av given storlek kommer att resultera. Sådana sannolikheter kan användas för kortsiktig jordbävningsriskbedömning.
Alternativt laget säger, med tanke på sannolikheten att en jordbävning av viss storlek kommer att inträffa, olje- och gasoperatörer kan hantera den injicerade brinevolymen för att hålla sannolikheten för stora jordbävningar under ett valt värde.
Slutresultatet, säger Zhai, "är att denna process kommer att möjliggöra en säkrare praxis, gynnar både allmänheten och energibranschen."
