Wanneer mensen grote hoeveelheden vloeistof in de grond pompen, ze kunnen potentieel schadelijke aardbevingen veroorzaken, afhankelijk van de onderliggende geologie. Dit is het geval geweest in bepaalde olie- en gasproducerende regio's, waar afvalwater, vaak gemengd met olie, wordt verwijderd door het terug in de grond te injecteren - een proces dat de afgelopen jaren aanzienlijke seismische gebeurtenissen heeft veroorzaakt.

Nu MIT-onderzoekers, werken met een interdisciplinair team van wetenschappers uit de industrie en de academische wereld, hebben een methode ontwikkeld om dergelijke door de mens veroorzaakte seismische activiteit te beheersen, en hebben aangetoond dat de techniek met succes het aantal aardbevingen in een actief olieveld heeft verminderd.

hun resultaten, verschijnt vandaag in Natuur , aardbevingen veroorzaakt door de olie- en gasindustrie kunnen helpen verminderen, niet alleen door de injectie van afvalwater geproduceerd met olie, maar ook die geproduceerd door hydraulisch breken, of 'fracken'. De aanpak van het team kan ook helpen aardbevingen door andere menselijke activiteiten te voorkomen, zoals het vullen van waterreservoirs en aquifers, en de opslag van koolstofdioxide in diepe geologische formaties.

"Geactiveerde seismische activiteit is een probleem dat veel verder gaat dan het produceren van olie, " zegt hoofdauteur Bradford Hager, de Cecil en Ida Green hoogleraar aardwetenschappen aan het MIT's Department of Earth, Atmosferische en planetaire wetenschappen. "Dit is een enorm probleem voor de samenleving dat het hoofd moet worden geboden als we koolstofdioxide veilig in de ondergrond willen injecteren. We hebben aangetoond wat voor soort onderzoek daarvoor nodig is."

De co-auteurs van de studie zijn onder meer Ruben Juanes, hoogleraar civiele en milieutechniek aan het MIT, en medewerkers van de Universiteit van Californië in Riverside, de Universiteit van Texas in Austin, Harvard universiteit, en Eni, een multinationaal olie- en gasbedrijf gevestigd in Italië.

Veilige injecties

Zowel natuurlijke als door de mens veroorzaakte aardbevingen vinden plaats langs geologische breuken, of breuken tussen twee rotsblokken in de aardkorst. In stabiele perioden, de rotsen aan weerszijden van een breuk worden op hun plaats gehouden door de druk die wordt gegenereerd door omringende rotsen. Maar wanneer een grote hoeveelheid vloeistof plotseling met hoge snelheid wordt geïnjecteerd, het kan de vloeistofspanningsbalans van een fout verstoren. In sommige gevallen, deze plotselinge injectie kan een fout smeren en ervoor zorgen dat stenen aan beide kanten wegglijden en een aardbeving veroorzaken.

De meest voorkomende bron van dergelijke vloeistofinjecties is de verwijdering door de olie- en gasindustrie van afvalwater dat samen met olie wordt opgebracht. Veldoperators voeren dit water af via injectieputten die het water continu onder hoge druk terug de grond in pompen.

"Er wordt veel water geproduceerd met de olie, en dat water in de grond wordt geïnjecteerd, die een groot aantal aardbevingen heeft veroorzaakt, Hager merkt op. "Dus, voor een poosje, olieproducerende regio's in Oklahoma hadden meer aardbevingen van magnitude 3 dan Californië, vanwege al dat afvalwater dat werd geïnjecteerd."

In recente jaren, een soortgelijk probleem deed zich voor in Zuid-Italië, waar injectieputten op olievelden die door Eni werden geëxploiteerd microseismen veroorzaakten in een gebied waar eerder grote natuurlijke aardbevingen hadden plaatsgevonden. Het bedrijf, zoeken naar manieren om het probleem aan te pakken, overleg gezocht met Hager en Juanes, beide toonaangevende experts op het gebied van seismische en ondergrondse stromingen.

"Dit was een kans voor ons om toegang te krijgen tot hoogwaardige seismische gegevens over de ondergrond, en leer hoe u deze injecties veilig kunt doen, ' zegt Juanes.

Seismische blauwdruk

Het team maakte gebruik van gedetailleerde informatie, verzameld door de oliemaatschappij gedurende jaren van operatie in het Val D'Agri-olieveld, een regio in Zuid-Italië die in een tektonisch actief bekken ligt. De gegevens bevatten informatie over het aardbevingsrecord in de regio, daterend uit de jaren 1600, evenals de structuur van rotsen en fouten, en de toestand van de ondergrond die overeenkomt met de verschillende injectiesnelheden van elke put.

De onderzoekers integreerden deze gegevens in een gekoppeld ondergronds stromings- en geomechanisch model, die voorspelt hoe de spanningen en rekken van ondergrondse structuren evolueren als het volume van de porievloeistof, zoals door de injectie van water, veranderingen. Ze koppelden dit model aan een aardbevingsmechanicamodel om de veranderingen in ondergrondse spanning en vloeistofdruk te vertalen in een kans op het veroorzaken van aardbevingen. Vervolgens kwantificeerden ze de snelheid van aardbevingen in verband met verschillende snelheden van waterinjectie, en identificeerde scenario's die waarschijnlijk geen grote aardbevingen zouden veroorzaken.

Toen ze de modellen gebruikten met gegevens van 1993 tot en met 2016, de voorspellingen van seismische activiteit kwamen overeen met het aardbevingsrecord in deze periode, hun aanpak te valideren. Vervolgens lieten ze de modellen vooruitlopen in de tijd, tot het jaar 2025, om de seismische respons van de regio op drie verschillende injectiesnelheden te voorspellen:2, 000, 2, 500, en 3, 000 kubieke meter per dag. De simulaties toonden aan dat grote aardbevingen kunnen worden vermeden als operators de injectiesnelheden op 2, 000 kubieke meter per dag - een stroomsnelheid vergelijkbaar met een kleine openbare brandkraan.

Eni-veldoperators implementeerden de aanbevolen snelheid van het team bij de enkele waterinjectie van het olieveld gedurende een periode van 30 maanden tussen januari 2017 en juni 2019. In deze tijd, het team observeerde slechts een paar kleine seismische gebeurtenissen, die samenviel met korte perioden waarin operators boven de aanbevolen injectiesnelheid gingen.

"De seismische activiteit in de regio is in deze tweeënhalf jaar erg laag geweest, met ongeveer vier bevingen van 0,5 magnitude, in tegenstelling tot honderden aardbevingen, van maximaal 3 grootte, die tussen 2006 en 2016 plaatsvonden, "zegt Hager.

De resultaten tonen aan dat operators aardbevingen met succes kunnen beheersen door de injectiesnelheden aan te passen, gebaseerd op de onderliggende geologie. Juanes zegt dat de modelleringsaanpak van het team kan helpen aardbevingen te voorkomen die verband houden met andere processen. zoals de aanleg van waterreservoirs en de opslag van kooldioxide, zolang er maar gedetailleerde informatie is over de ondergrond van een regio.

"Er moet veel moeite worden gedaan om de geologische omgeving te begrijpen, " zegt Juanes, wie merkt dat op, als koolstofvastlegging zou worden uitgevoerd op lege olievelden, "Zulke reservoirs kunnen dit soort geschiedenis hebben, seismische informatie, en geologische interpretatie die je zou kunnen gebruiken om vergelijkbare modellen voor koolstofvastlegging te bouwen. We laten zien dat het in ieder geval mogelijk is om seismische activiteit in een operationele setting te beheersen. En we bieden een blauwdruk voor hoe het te doen."

Dit onderzoek werd ondersteund, gedeeltelijk, door Eni.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.