Een bijproduct van de olie- en gasproductie is een grote hoeveelheid giftig afvalwater, pekel genaamd. Boormachines verwijderen pekel door het in diepe rotsformaties te injecteren, waar de injectie aardbevingen kan veroorzaken. De meeste aardbevingen zijn relatief klein, maar sommige waren groot en schadelijk.

Toch is het moeilijk om de hoeveelheid seismische activiteit van afvalwaterinjectie te voorspellen omdat er veel variabelen bij betrokken zijn. Deze omvatten de hoeveelheid geïnjecteerde pekel, hoe gemakkelijk pekel door de rots kan bewegen, de aanwezigheid van bestaande geologische fouten, en de regionale benadrukt op die fouten.

Nu is een team van geowetenschappers onder leiding van de Arizona State University, werken onder een Department of Energy subsidie, heeft een methode ontwikkeld om seismische activiteit van afvalwaterafvoer te voorspellen. Het studiegebied van het team is in Oklahoma, een staat waar veel fracking-activiteit is uitgevoerd met veel afvalwaterinjectie, en waar er verschillende geïnduceerde aardbevingen zijn geweest die schade hebben veroorzaakt.

De paper van het team waarin hun bevindingen werden gerapporteerd, verscheen in de Proceedings van de National Academy of Sciences op 29 juli, 2019.

"Algemeen, aardbevingsgevaren nemen toe met seismische activiteit op de achtergrond, en dat is het gevolg van veranderingen in de aardkorstspanning, " zegt Guang Zhai, een postdoctoraal onderzoeker in ASU's School of Earth and Space Exploration en een bezoekende assistent-onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Berkeley. "Onze focus lag op het modelleren van de fysica van dergelijke veranderingen die het gevolg zijn van afvalwaterinjectie."

Zhai is hoofdauteur van het artikel, en de andere wetenschappers zijn Manoochehr Shirzaei, universitair hoofddocent aan de School, plus Michael Manga, van UC Berkeley, en Xiaowei Chen, van de Universiteit van Oklahoma.

"Seismische activiteit steeg in één gebied gedurende meerdere jaren nadat de afvalwaterinjectie sterk was verminderd, ", zegt Shirzaei. "Dat vertelde ons dat de bestaande voorspellingsmethoden ontoereikend waren."

Terug naar de basis

Om het probleem aan te pakken, zijn team ging terug naar de basis, kijken naar hoe variërende hoeveelheden geïnjecteerde pekel de aardkorstspanningen verstoorden en hoe deze tot aardbevingen bij een bepaalde fout leidden.

"Vloeistoffen zoals pekel (en natuurlijk grondwater) kunnen zowel worden opgeslagen als bewegen door rotsen die poreus zijn, ' zegt Zhai.

De sleutel was het bouwen van een op fysica gebaseerd model dat het vermogen van de rots om geïnjecteerde pekel te transporteren, combineerde, en de elastische reactie van de rots op vloeistofdruk. legt Shirzaei uit, "Ons model omvat de records die zijn verzameld voor de afgelopen 23 jaar van pekel die is geïnjecteerd in meer dan 700 Oklahoma-putten in de Arbuckle-formatie."

Hij voegt eraan toe dat om het scenario realistisch te maken, het model omvat ook de mechanische eigenschappen van de rotsen in Oklahoma. Het resultaat was dat het model met succes veranderingen voorspelde in de korstspanning die voortkomt uit pekelinjectie.

Voor de laatste stap, Shirzaei zegt, "We gebruikten een beproefd fysiek model van hoe aardbevingen beginnen, zodat we stressverstoringen konden relateren aan het aantal en de grootte van aardbevingen."

Het team ontdekte dat het op fysica gebaseerde raamwerk de verdeling van werkelijke aardbevingen naar frequentie goed reproduceert, grootte, en tijd.

"Een interessante vondst, " zegt Zhai, "was dat een kleine verandering in de elastische reactie van de rotsen op veranderingen in vloeistofdruk het aantal aardbevingen meerdere malen kan vergroten. Het is een zeer gevoelige factor."

Productie veiliger maken

Hoewel afvalwaterinjectie aardbevingen kan veroorzaken, alle grote olie- en gasproductie creëert een grote hoeveelheid afvalwater dat moet worden verwijderd, en injectie is de methode die de industrie gebruikt.

"Dus om dit in de toekomst veiliger te maken, " zegt Shirzaei, "Onze aanpak biedt een manier om door injectie veroorzaakte aardbevingen te voorspellen. Dit biedt de industrie een hulpmiddel voor het beheren van de injectie van pekel na fracking-operaties."

Het volume van de te injecteren pekel en de locatie van de bergingsput kennen, autoriteiten kunnen inschatten hoe groot de kans is dat een aardbeving van een bepaalde omvang het gevolg is. Dergelijke kansen kunnen worden gebruikt voor de beoordeling van het gevaar voor aardbevingen op korte termijn.

Alternatief, het team zegt, gezien de kans dat een aardbeving van een bepaalde omvang zal plaatsvinden, olie- en gasbedrijven kunnen het geïnjecteerde pekelvolume beheren om de kans op grote aardbevingen onder een gekozen waarde te houden.

Het eindresultaat, zegt Zhai, "is dat dit proces een veiligere praktijk mogelijk zal maken, waar zowel het grote publiek als de energiesector van profiteren."