@ 2021.08.08 , 09:14

最新地质模型可以管理石油和天然气开采引发的地震

人类若将大量的液体泵入地下,则可能会引发潜在的破坏性地震;具体取决于下面的地质情况。某些石油和天然气产区正在做这种事:把废水与石油混合,将其注入地下——不仅仅是注入石油产生的废水,还有水力压裂法 产生的废水。这一过程近年来引发了大量的地震事件。

现在,麻省理工学院的研究人员与来自工业界和学术界的科学家组成的跨学科团队合作,开发出一种方法来管理这种由人类引起的地震,并实践证明该技术成功地减少了一处活跃油田当地的地震数量。

他们的成果前段时间发表在《自然》上,可以帮助缓解石油和天然气行业引起的地震。该团队的方法还可以帮助防止其他人类活动引起的地震,如水库和含水层的填充,以及深层地质构造中二氧化碳的封存。

主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系的塞西尔和艾达-格林地球科学教授布莱德福·哈格说:"触发地震是一个远远超出石油产业的问题。这是一个重大的社会问题。"

研究的共同作者包括麻省理工学院土木与环境工程教授鲁本·胡安尼斯Ruben Juanes,以及来自加州大学河滨分校、德克萨斯大学奥斯汀分校、哈佛大学和位于意大利的跨国石油和天然气公司Eni的合作者。

安全注入

自然和人类引起的地震都是沿着地质断层发生的,或者说是地壳中两块岩石之间的裂缝。在稳定时期,断层两边的岩石被周围岩石产生的压力固定住。但是,当大量的液体突然以高速度注入时,会破坏断层的流体压力平衡。在某些情况下,这种突然注入的液体会润滑断层,导致两侧的岩石滑动并引发地震。

这种液体注入,最常见是用于处理与石油一起被带上来的地下废水。油田运营商通过注水井来处理这些水,注水井在高压下不断将水压回地下。

"有大量的水与石油一起涌出,然后这些水又被注入地下,引起了大量的地震。所以,有一段时间,俄克拉荷马州的产油区的3级地震比加州还多,就因为这些注入废水。"

近年来,意大利南部也出现了类似的问题,由Eni公司经营的油田上的注水井在一个以前曾发生过大型自然地震的地区引发了数起微震。该公司为了寻找解决这个问题的方法,向哈格和胡安尼斯咨询,他们都是地震和地下流动方面的权威专家。

胡安尼斯说:"这对我们来说是一个机会,可以获得关于地下的高质量地震数据,并学习如何安全地进行注入。”

该团队利用了石油公司在Val D'Agri油田多年运营中积累的详细信息。油田位于意大利南部的一处构造活跃的盆地中。这些数据包括地区地震记录,可追溯到16世纪,还有岩石和断层的结构,以及每口井的不同注入率所对应的地下状态。

研究人员将这些数据整合到一个耦合的地下流动和地质力学模型中,该模型预测地下结构的应力和应变是如何随着孔隙流体的体积(如注水)的变化而变化。他们将自己模型与地震力学模型整合在一起,以便将地下应力和流体压力的变化转化为引发地震的可能性。然后,他们量化了与各种注水速度相关的地震发生率。

当他们使用1993年至2016年的数据运行模型时,对地震预测结果与这一时期的地震记录相符,就此验证了他们的模型。然后,他们将把模型时间往后调,直到2025年,以预测该地区对不同注入率的地震反应。每天2000、2500和3,000立方米。模拟结果显示,如果运营商将注入率保持在每天2000立方米——相当于一个小型公共消防栓的流量,就可以避免大地震。

在2017年1月至2019年6月的30个月期间,油田运营商在油田的单一注水井实验了团队的方案。在这段时间里,该团队只观察到几起微小的地震事件。

"在这两年半的时间里,该地区的地震活动非常少,大约有4次0.5级的地震,而在2006年至2016年期间,有数百次地震,最高达3级。"

结果表明,运营商可以根据最新的地震模型管理地震事件。胡安尼斯指出,只要有一个地区的详细地质信息,该团队的建模方法就有助于防止与其他过程有关的地震,如水库的建设和二氧化碳的封存。

"需要花很多精力去了解地质环境,"他指出,"但这样的油藏恰好就有历史、地震信息和地质解释,我们完全可以用它来建立类似的碳封存模型。”

这项研究得到了Eni公司的部分支持。

https://phys.org/news/2021-07-earthquakes-triggered-oil-production-scientists.html


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