I en nyligen publicerad tidning, Virginia Tech geoforskare har funnit att injicering av grunt avloppsvatten – inte djupa avloppsvatteninjektioner – kan driva ut omfattande djupa jordbävningar i okonventionella olje- och gasproduktionsfält.

Saltlake är en giftig biprodukt av avloppsvatten från olje- och gasproduktion. Brunnsborrare gör sig av med stora mängder saltlösning genom att injicera det i underjordiska formationer, där dess injicering kan orsaka jordbävningar, enligt Guang Zhai, en postdoktor vid institutionen för geovetenskap, del av Virginia Tech College of Science, och en besökande assisterande forskare vid University of California, Berkeley.

Resultaten visas i 10 maj-upplagan av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences . Tillsammans med Zhai på tidningen är Manoochehr Shirzaei, en docent i geovetenskap vid Virginia Tech, och Michael Manga, en professor och ordförande för Berkeleys institution för jord- och planetvetenskap. I studien finansierad av det amerikanska energidepartementet, teamet fokuserade på Delaware Basin i västra Texas, ett av de mest produktiva och okonventionella kolvätefälten i USA.

Sedan 2010, bassängen har upplevt en betydande ökning av injicering av grunt avloppsvatten och utbredd djup seismicitet, inklusive den senaste händelsen i magnitud 5,0 nära Mentone, Texas. De flesta jordbävningarna var relativt små, men några har varit stora och känts allmänt.

"Det är ganska intressant att injektion ovanför den tjocka, övergripande lågpermeabilitet skifferreservoar kan framkalla en jordbävning i den djupa källaren, trots en minimal hydraulisk anslutning, ", sa Zhai. "Vad vi har funnit är att de så kallade porelastiska påfrestningarna kan aktivera källarfel, som härrör från vätskeinsprutningen som orsakar bergdeformation."

Poroelasticitet är den resulterande interaktionen mellan vätskeflöde och fasta deformationer i en porös formation, här sandsten. "Det här fyndet är betydelsefullt eftersom det sätter porelastiska spänningar i rampljuset som den främsta drivkraften för jordbävningar i bassängen, sa Shirzaei, som också är ansluten fakultetsmedlem i Virginia Tech Global Change Center.

Än, att förutsäga mängden seismisk aktivitet från avloppsvatteninjektion är problematiskt eftersom det involverar många variabler, en av dem är injektionsdjup, sa Zhai. Även om det är välkänt att vätsketryckökning på grund av djupinsprutning är den dominerande orsaken till den senaste tidens seismicitetsökning i centrala och östra USA, det är fortfarande tveksamt exakt hur grunda injektioner orsakar jordbävningar.

Under studien, teamet tittade på hur olika mängder injicerad saltlösning störde jordskorpans spänningar djupt under Delaware Basin och hur dessa störningar leder till jordbävningar på ett givet förkastning. Lade till Zhai, "Vätskor som saltlake och naturligt grundvatten kan både lagras och röra sig genom stenar som är porösa."

Trion använde dataanalys och datormodellering för att efterlikna den stora volymen vätskeextraktion från skifferreservoarer från mer än 1, 500 brunnar för produktion av skiffer under 1993 till 2020, med 400 brunnar som injicerar saltlake i sandstensformationer från 2010 till 2020. För att göra scenariot realistiskt, modellen inkluderade de mekaniska egenskaperna hos stenar i Delaware Basin, sa Shirzaei.

Teamet fann att jordbävningarna i bassängen huvudsakligen inträffar där den djupa stressen ökar på grund av ytlig injektion. Det betyder att det finns ett orsakssamband mellan djupa jordbävningar och yt vätskeinjektion via elastisk spänningsöverföring.

"Den djupa spänningsförändringen är känslig för grunda akviferegenskaper, speciellt den hydrauliska diffusiviteten, som beskriver hur lätt vätskeflödet är i poröst medium, ", sade Manga. "En fråga att ställa är varför vissa områden som är värd för massor av ytlig injektion saknar seismicitet. Vårt tillvägagångssätt erbjuder ett sätt att undersöka andra viktiga faktorer som kontrollerar inducerade jordbävningar."

Förutom mänskliga ingrepp, de tektoniska inställningarna själva hjälper också till att förutbestämma storleken och sannolikheten för jordbävningen, sa Shirzaei. Denna studie och framtida arbete kommer att ge ett hållbart sätt att bedöma inducerade seismiska faror, kombinera naturliga och mänskliga faktorer. Det slutgiltiga målet:att minimera riskerna från bortskaffande av avloppsvatten under naturgasproduktion tills på lång sikt, förnybar energiteknik blir tillgänglig för alla.

"När framtidens energibehov ökar globalt, att hantera den enorma mängden samproducerat avloppsvatten är fortfarande en utmaning, och säker grund injektion för bortskaffande är mer kostnadseffektiv än djupinjektion eller vattenbehandling, " sade Zhai. "Vi hoppas att mekanismen vi hittar i den här studien kan hjälpa människor att ompröva hur inducerade jordbävningar orsakas, så småningom hjälpa till med att bättre förstå dem och minska deras faror."