Een team van geowetenschappelijke onderzoekers van het Virginia Tech College of Science heeft een nieuwe theorie ontwikkeld om uit te leggen hoe en waarom door injectie geïnduceerde aardbevingen blijven optreden, zelfs als de injectiesnelheden afnemen.

Experts weten al sinds de jaren zestig dat wanneer afvalwater van olievelden met diepe injectieputten in de grond wordt gepompt, aardbevingen kunnen optreden. In het afgelopen decennium is door injectie veroorzaakte aardbevingen komen regelmatig voor in olie- en gasbekkens over de hele wereld, vooral in het midden van de Verenigde Staten, en mogelijk in China en Canada, ook.

Olie- en gaswinning gaat vaak gepaard met sterk brak grondwater, ook bekend als olieveldpekel. Deze vloeistoffen kunnen vijf tot zes keer zouter zijn dan zeewater, ze zijn dus giftig voor terrestrische ecosystemen en hebben weinig nut. Als resultaat, olieveldpekel wordt beschouwd als een afvalproduct dat wordt verwijderd door het terug te pompen in diepe geologische formaties.

Wanneer vloeistoffen in diepe injectieputten worden gepompt, ze veranderen de natuurlijk voorkomende vloeistofdruk in diepe geologische formaties. Deze fluïdumdrukveranderingen kunnen storingen destabiliseren, leiden tot aardbevingen, zoals de schadelijke magnitude-5.8-gebeurtenis in Pawnee, Oklahoma, in september 2016.

Een van de meer irritante wetenschappelijke vragen over door injectie veroorzaakte aardbevingen is waarom ze dieper lijken te worden in plaatsen als Oklahoma en Kansas, waar de injectiesnelheden zijn afgenomen als gevolg van een combinatie van maatregelen ter beperking van aardbevingen en een afnemende olie- en gasproductie.

In een studie gepubliceerd op 5 augustus in Energie en milieuwetenschappen , Ryan M. Pollyea, universitair docent bij de vakgroep Geowetenschappen, en een team van studentonderzoekers stelde een nieuwe theorie voor dat het afvalwater zelf een belangrijke rol speelt in de processen die injectie-geïnduceerde aardbevingen veroorzaken.

"We weten dat aardbevingen dieper worden in Oklahoma, " zei Pollyea, die het Computational Geofluids Lab van Virginia Tech leidt, "Dus we proberen erachter te komen welke omstandigheden dit mogelijk maken. Ons onderzoek suggereert dat het wordt veroorzaakt door een combinatie van de geologie, natuurlijke vloeistoffen in de keldergesteenten, en het afvalwater zelf."

Hoewel onderzoekers al tientallen jaren weten dat diepe vloeistofinjecties aardbevingen kunnen veroorzaken, Pollyea zei dat eerder onderzoek enkele consequente details mist over hoe ze zich voordoen. specifiek, hij wees erop dat pekel uit olievelden veel verschillende eigenschappen heeft, zoals dichtheid en viscositeit, dan zuiver water, en deze verschillen beïnvloeden de processen die ervoor zorgen dat vloeistofdruk aardbevingen veroorzaakt.

"Het basisidee is dat pekel uit olievelden veel opgelost vast materiaal bevat, waardoor het afvalwater zwaarder is dan natuurlijk voorkomende vloeistoffen in diepe geologische formaties, " zei Richard S. Jayne, een co-auteur van de studie en voormalig Ph.D. student aan Virginia Tech die nu onderzoekshydrogeoloog is bij Sandia National Laboratory, "zodat het dichte afvalwater zinkt, verhoogt de vloeistofdruk, en veroorzaakt diepere aardbevingen dan zou worden voorspeld als de vloeistoffen dezelfde materiaaleigenschappen hebben."

Met behulp van supercomputers bij de Advanced Research Computing-divisie van Virginia Tech, Pollyea en zijn team hebben hun idee getest door meer dan 100 modellen van afvalwaterafvoer uit olievelden te produceren met behulp van verschillende combinaties van geologische eigenschappen, afvalwater temperatuur, en afvalwaterdichtheid. Met deze computationele benadering het team isoleerde zowel de omstandigheden als de fysieke processen die de vloeistofdruk in de geologische formaties veranderen.

"We ontdekten dat er echt twee verschillende processen zijn die vloeistofdruk tot diep in de kelder drijven, waar aardbevingen plaatsvinden, " zei Pollyea. "De eerste heet drukdiffusie, die optreedt wanneer afvalwater in geologische formaties wordt gedwongen die al vol water zijn. Dit proces is al lang bekend, maar het tweede proces vindt plaats wanneer afvalwater met een hoge dichtheid zinkt en vloeistoffen met een lagere dichtheid uit de weg duwt."

Volgens deze nieuwe theorie het dichtheidsverschil tussen afvalwater en diepe keldervloeistoffen is veel belangrijker voor het optreden van geïnduceerde aardbevingen dan voorheen bekend was. "Dit is een van de gebieden die is verwaarloosd in onderzoek naar geïnduceerde seismische activiteit, " zei Megan Brown, een assistent-professor in de geologie die gespecialiseerd is in door vloeistof veroorzaakte seismische activiteit aan de Northern Illinois University en niet betrokken was bij deze studie. "Door dichtheid aangedreven druktransiënten zijn een intuïtief gevolg van een dichtheidsverschil tussen geïnjecteerde vloeistoffen en formatievloeistoffen."

Hoewel het voorkomen van aardbevingen in de centrale VS sinds de piekjaren van 2014 en 2015 is afgenomen, deze nieuwe theorie verklaart niet alleen waarom aardbevingen dieper worden in Oklahoma, maar het verklaart ook waarom verschillende aardbevingen met een kracht van 5+ op de schaal van Richter Oklahoma troffen in 2016, toen de injectiesnelheden in de hele staat afnamen.

"Een fascinerend aspect van onze studie is dat zinkende afvalwaterpluimen niet hoeven te worden gepompt om dieper onder de grond te migreren, " zei Pollyea, "in feite, ze zullen decennialang onder hun eigen gewicht blijven zinken nadat de injecties zijn gestopt, en uit ons onderzoek blijkt dat het afvalwater daarvoor niet veel zwaarder hoeft te zijn."

Op het gebied van aardbevingsbeperking en regelgevingspraktijken, deze studie heeft verstrekkende implicaties:het onderzoeksteam wees erop dat pekel met een hoge dichtheid in veel olie- en gasbassins in de VS voorkomt. Maar ze voerden ook aan dat het gebruik van deze studie in de praktijk veel meer informatie over de vloeistoffen vereist. "Deze studie benadrukt de behoefte aan locatiespecifieke gegevens en meer bemonstering, " zei Bruin, omdat "dichtheidsverschillen als drijvende factor van druktransiënten in het nabije veld ook kunnen leiden tot mitigerende acties vóór injectie."

Pollyea zei dat zijn onderzoeksteam blijft werken aan hun nieuwe theorie voor de hydrogeologische processen die veroorzaakte aardbevingen veroorzaken. "We zijn erg geïnteresseerd om te weten hoe onze ideeën over vloeistofchemie van invloed zijn op regionaal uitgebreide injectie-operaties in plaatsen zoals Oklahoma en Texas, "zei Pollyea. "En een van onze recente M.S. afgestudeerden, Graydon Konzen (een co-auteur van het onderzoek), heeft op dit gebied opwindend nieuw werk verricht."