Portrycksdiffusion genererad av koldioxid som injiceras under jorden vid en kollagringsplats i Illinois Basin är den troliga orsaken till hundratals mikrojordbävningar som ägde rum på platsen mellan 2011 och 2012, enligt en ny analys.
Modelleringsstudien publicerad i Bulletin of the Seismological Society of America indikerar att tryckdiffusion längs befintliga förkastningar in i källarberget kunde ha destabiliserat förkastningarna där mikroseismiciteten – allt från Mw -2 till 1 – inträffade, säger Ruben Juanes från MIT och kollegor.
Det finns vissa likheter mellan CO2 injektion och avloppsvatteninjektion från olje- och gasverksamhet, även om volymerna av injicerat avloppsvatten hittills globalt överstiger volymerna för injicerad CO2 . Avloppsvatteninjektion har orsakat små till medelstora jordbävningar runt om i världen, vilket gör det viktigt att studera hur CO2 injektion producerar seismicitet och om det också kan inducera större jordbävningar.
De nya rönen bekräftar vikten av att karakterisera underjordiska förkastningar på platser utvalda för CO2 sekvestrering, konstaterar forskarna.
Den första injektionsperioden vid Illinois Basin-Decatur Project (IBDP) löpte från november 2011 till november 2014, under vilken tid en miljon ton CO2 injicerades till ett djup av 2 kilometer under jorden. Forskarna fokuserade på det första året av CO2 injektion vid projektet.
IBDP-injektionsskiktet är separerat från källarberget av ett sandstenslager som inte är särskilt poröst eller permeabelt, vilket får forskare att undra hur CO2 injektion kunde ha nått källaren för att utlösa seismicitet.
Modellen som skapats av Juanes och kollegor visar att förändringar i bergets portryck från injektionen färdades längs förkastningar som kopplade samman injektionsskiktet och källaren.
"Under vätskeinjektion ökar portrycket vid injektionsbrunnen och diffunderar bort från brunnen på grund av vätskemigrering. Detta är analogt med hur temperaturen "diffunderar bort" från varma områden till kalla områden", förklarade Juanes.
"Som ett resultat av denna tryckökning kommer den effektiva belastningen på ett fel att minska, vilket resulterar i att felet destabiliseras."
Vätskeinjektion kan också expandera berg, i en mekanism som kallas porelastisk stress. Det deformerande berget kan leda till spänningsförändringar som antingen destabiliserar eller stabiliserar förkastningar. I IBDP-fallet stabiliserade den porelastiska effekten felen, fann Juanes och kollegor.
Deras analys tyder också på att felen som var värd för mikrojordbävningarna var mycket nära att misslyckas före CO2 injektion. Att karakterisera dessa små fel – var de är och hur nära de är att misslyckas – utgör en betydande utmaning för projekt för kolbindning, konstaterade Juanes.
"Den största utmaningen är att fjärranalysmetoder förlitar sig mest på utbredning av seismiska vågor genom ytan", säger Josimar Silva, första författare till studien och postdoc vid MIT under projektet. "Seismiska vågor dämpas snabbt på avstånd från källan och har därför begränsad upplösning när de når djupet av intresse."
Ett sätt att belysa mindre fel på en kollagringsplats kan vara att börja med småskalig injektion, tillade han.
"CO2 injektion på Decatur är ett bra exempel. Den första injektionsperioden, den vi analyserade i tidningen, ledde till hundratals mikrojordbävningar. Den andra injektionsperioden, som ägde rum på ett grundare djup och inte så nära den förkastade källaren, resulterade i praktiskt taget ingen seismicitet, säger Juanes.
Injektionshastigheter i CO2 projekt har varit "mycket, mycket lägre" än avloppsvatteninjektionshastigheterna under 2000- och 2010-talen, sade Juanes, vilket kan förklara varför måttlig inducerad seismicitet inte har setts vid kolbindningsprojekt.
"Men en annan förklaring är att generellt sett har bättre karakterisering under ytan gjorts för CO2 sekvestrering före injektion än under de tidiga dagarna av geologisk avloppsvattenhantering, där det var vanligt att injicera i, eller mycket nära, det förkastade källarberget", tillade han.
Mer information: Josimar A. Silva et al, Mechanisms for Microseismicity Occurrence Due to CO2 Injection at Decatur, Illinois:A Coupled Multiphase Flow and Geomechanics Perspective, Bulletin of the Seismological Society of America (2024). DOI:10.1785/0120230160
Journalinformation: Bulletin från Seismological Society of America
Tillhandahålls av Seismological Society of America
