В новом исследовании, опубликованном в номере журнала Science Advances от 19 июня, профессор Марк Зобак и аспирант Ралл Уолш показывают, что рост числа землетрясений в штате совпал с резким увеличением сброса соленых сточных вод в формацию Арбакл — 7000 человек. фута глубиной, осадочное образование под Оклахомой.Кроме того, пара показала, что основным источником сточных вод, вызывающих землетрясение, является не так называемая «обратная вода», образующаяся после операций гидроразрыва пласта.
Скорее, виновником является «пластовая вода» — солоноватая вода, которая естественным образом сосуществует с нефтью и газом на Земле. Компании отделяют добытую воду от добытой нефти и газа и, как правило, повторно закачивают ее в более глубокие сбросные скважины.
«В ходе этого исследования мы узнали, что закачка жидкости, ответственная за большинство недавних землетрясений в Оклахоме, связана с добычей и последующей закачкой огромных объемов сточных вод и не связана с гидроразрывом пласта», — сказал Зобак, специалист по Бенджамину М. . Пейдж Профессор Школы Земли, Энергетики. Науки об окружающей среде.Результаты Стэнфордского исследования стали основным фактором, способствовавшим недавнему решению Геологической службы Оклахомы (OGS) опубликовать заявление, в котором говорилось, что «весьма вероятно», что большинство недавних землетрясений в штате вызвано закачкой пластовой воды в утилизацию. скважины, которые простираются до формации Арбакл или даже за ее пределы.
Недавнее повышение сейсмичностиДо 2008 года в Оклахоме происходило одно или два землетрясения силой 4 балла за десятилетие, но только в 2014 году штат пережил 24 таких сейсмических события. Хотя землетрясения ощущаются на большей части территории штата, они не представляют большой опасности для населения, но ученые говорят, что нельзя сбрасывать со счетов возможность спровоцировать более крупные, потенциально разрушительные землетрясения.
В своем исследовании Зобак и Уолш рассмотрели три области исследования, сосредоточенные вокруг городов Чероки, Перри и Джонс в Оклахоме, которые испытали наибольшее количество землетрясений за последние годы. Во всех трех районах наблюдалось явное увеличение количества землетрясений после увеличения сброса сточных вод. В трех соседних контрольных районах, где не было большого количества сточных вод, не произошло увеличения количества землетрясений.Поскольку пара также могла просмотреть данные об общем количестве сточных вод, закачанных в скважины, а также об общем количестве гидроразрывов, происходящих в каждой исследуемой области, они смогли сделать вывод, что основная часть закачанной воды была произведена из пластовой воды. с использованием традиционных методов добычи нефти, а не во время гидроразрыва пласта.
«Мы знаем, что часть добываемой воды поступала из скважин, которые подверглись гидроразрыву, но в трех областях с наибольшей сейсмичностью более 95 процентов сброса сточных вод составляет пластовая вода, а не вода, поступающая в результате гидравлического разрыва пласта», — сказал Зобак, который также является старший научный сотрудник Стэнфордского института энергетики и директор недавно запущенной университетской инициативы по природному газу, которая направлена на обеспечение разработки и использования природного газа оптимальными с экономической, экологической и социальной точек зрения способами.Время задержки объясненоВсе три области исследования в Оклахоме, которые изучили Зобак и Уолш, показали временную задержку между пиковым объемом закачки и началом сейсмичности, а также пространственное разделение между эпицентром землетрясений и площадками нагнетательных скважин. Некоторые из землетрясений произошли через месяцы или даже годы после пика скорости закачки и в местах, которые иногда находились в милях от скважин.
Эти несоответствия ранее озадачивали ученых и даже использовались некоторыми, чтобы аргументировать связь между сбросом сточных вод и вызванными землетрясениями, но Зобак сказал, что они легко объясняются простой концептуальной моделью сейсмичности Оклахомы, разработанной его командой.Согласно этой модели, сброс сточных вод увеличивает поровое давление в формации Арбакл, зоне захоронения, которая расположена непосредственно над кристаллическим фундаментом, слоем породы, где лежат разломы землетрясения. Поровое давление — это давление флюидов в трещинах и поровых пространствах горных пород на глубине.
Земная кора содержит множество ранее существовавших разломов, некоторые из которых сегодня геологически активны. Напряжение сдвига медленно нарастает в этих разломах в течение геологического времени, пока наконец не преодолеет силу трения, которая удерживает две стороны разлома вместе. Когда это происходит, разлом скользит, и энергия выделяется в виде землетрясения.
Активные разломы в Оклахоме могут вызывать землетрясения каждые несколько тысяч лет. Однако, увеличив давление жидкости за счет сброса сточных вод в формацию Арбакл в трех областях с повышенной сейсмичностью — с примерно 20 миллионов баррелей в год в 1997 году до примерно 400 миллионов баррелей в год в 2013 году — люди значительно ускорили этот процесс. «В конечном итоге землетрясения в Оклахоме должны были произойти», — сказал Уолш. «Но, закачивая воду в разломы и создавая в них давление, мы продвинули часы и заставили их проявиться сегодня».Более того, поскольку давление закачки сточных вод распространяется по пласту Арбакл, оно может влиять на разломы, расположенные далеко от скважин, создавая наблюдаемую временную задержку. «Легко представить, что если разлом расположен не непосредственно под колодцем, а в нескольких милях от него, потребуется время, чтобы давление жидкости распространилось», — сказал Уолш.Возможные решения
Теперь, когда источник недавних землетрясений в Оклахоме известен, ученые и регулирующие органы могут работать над способами их остановить. По словам Зобака, одним из возможных решений было бы полностью прекратить закачку пластовой воды в пласт Арбакл и вместо этого закачать ее обратно в продуктивные пласты, такие как Миссисипская известь, богатый нефтью пласт известняка, из которого поступает большая часть пластовой воды в Оклахоме. в первую очередь.Некоторые компании уже закачивают воду обратно в резервуары, чтобы вытеснить оставшуюся нефть и облегчить ее извлечение.
Стэнфордское исследование показало, что этот метод, называемый увеличением нефтеотдачи, не приводит к увеличению землетрясений.Однако даже если компании решат использовать продуктивные пласты для хранения сточных вод, землетрясения не прекратятся немедленно. «Они уже закачали столько воды, что давление все еще распространяется по пласту Арбакл», — сказал Зобак. «Землетрясения не прекратятся в одночасье, но со временем они утихнут».