當人類將大量流體泵入地下時，他們可能會引發(fā)潛在的破壞性地震，具體取決于潛在的地質(zhì)情況。在某些石油和天然氣產(chǎn)區(qū)就是這種情況，在這些地區(qū)，廢水通常與石油混合，通過將其注入地下進行處理——這一過程近年來引發(fā)了大規(guī)模的地震事件。

現(xiàn)在，麻省理工學院的研究人員與來自工業(yè)界和學術(shù)界的跨學科科學家團隊合作，開發(fā)了一種管理此類人為地震活動的方法，并證明該技術(shù)成功地減少了活躍油田中發(fā)生的地震次數(shù)。

他們的結(jié)果今天發(fā)表在《自然》雜志上，可以幫助減輕石油和天然氣行業(yè)引起的地震，不僅是注入石油產(chǎn)生的廢水，還包括水力壓裂或“壓裂”產(chǎn)生的廢水。該團隊的方法還可以幫助防止其他人類活動引起的地震，例如水庫和含水層的填充，以及深層地質(zhì)層中二氧化碳的封存。

麻省理工學院地球、大氣和行星科學系地球科學系塞西爾和艾達格林教授，該研究的主要作者布拉德福德哈格說：“觸發(fā)地震活動是一個遠遠超出生產(chǎn)石油的問題。” “如果我們要安全地將二氧化碳注入地下，這對社會來說是一個必須面對的巨大問題。我們展示了這樣做所必需的研究類型。”

該研究的合著者包括麻省理工學院土木與環(huán)境工程教授 Ruben Juanes，以及來自加州大學河濱分校、德克薩斯大學奧斯汀分校、哈佛大學和位于的跨國石油和天然氣公司 Eni 的合作者.

安全注射

自然地震和人為地震都發(fā)生在地質(zhì)斷層或地殼中兩塊巖石之間的斷裂處。在穩(wěn)定時期，斷層兩側(cè)的巖石被周圍巖石產(chǎn)生的壓力固定在適當?shù)奈恢?。但是，當大量流體突然以高速率注入時，就會破壞斷層的流體應(yīng)力平衡。在某些情況下，這種突然注入可以潤滑斷層并導(dǎo)致兩側(cè)的巖石滑動并引發(fā)地震。

此類流體注入的最常見來源是石油和天然氣行業(yè)對與石油一起帶來的廢水的處理?，F(xiàn)場操作員通過注入井處理這些水，注入井在高壓下連續(xù)將水泵回地下。

“石油產(chǎn)生了大量的水，這些水被注入地下，這導(dǎo)致了大量的地震，”海格指出。“因此，有一段時間，俄克拉荷馬州的產(chǎn)油區(qū)比加利福尼亞州發(fā)生的 3 級地震更多，因為所有這些廢水都被注入。”

近年來，南部也出現(xiàn)了類似的問題，埃尼公司經(jīng)營的油田的注入井在之前曾發(fā)生過大地震的地區(qū)引發(fā)了微地震。為了尋找解決問題的方法，該公司向 Hager 和 Juanes 尋求咨詢，他們都是地震活動和地下流動方面的領(lǐng)先專家。

“這是我們獲得關(guān)于地下的高質(zhì)量地震數(shù)據(jù)的機會，并學習如何安全地進行這些注入，”Juanes 說。

地震藍圖

該團隊利用了石油公司在 Val D'Agri 油田多年運營中積累的詳細信息，該油田位于南部的一個構(gòu)造活躍盆地中。數(shù)據(jù)包括有關(guān)該地區(qū)可追溯到 1600 年代的地震記錄的信息，以及巖石和斷層的結(jié)構(gòu)，以及與每口井的不同注入率相對應(yīng)的地下狀態(tài)。

研究人員將這些數(shù)據(jù)整合到耦合的地下流動和地質(zhì)力學模型中，該模型預(yù)測地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)绾坞S著孔隙流體體積(例如注入水)的變化而演變。他們將這個模型與地震力學模型系起來，以便將地下應(yīng)力和流體壓力的變化轉(zhuǎn)化為觸發(fā)地震的可能性。然后，他們量化了與不同注水率相關(guān)的地震發(fā)生率，并確定了不太可能引發(fā)大地震的情景。

當他們使用 1993 年至 2016 年的數(shù)據(jù)運行模型時，地震活動的預(yù)測與這一時期的地震記錄相匹配，驗證了他們的方法。然后，他們及時運行模型，直到 2025 年，以預(yù)測該地區(qū)對三種不同注入率的地震響應(yīng)：每天 2,000、2,500 和 3,000 立方米。模擬結(jié)果表明，如果操作員將注入速度保持在每天 2,000 立方米——這個流量與一個小型公共消防栓相當，那么大地震就可以避免。

埃尼油田作業(yè)人員在 2017 年 1 月至 2019 年 6 月的 30 個月內(nèi)，在油田的單注水井中實施了該團隊的建議速率。在這段時間里，該團隊僅觀察到了一些微小的地震事件，恰逢作業(yè)人員的短暫時期超過了推薦的注射速度。

“在這兩年半的時間里，該地區(qū)的地震活動非常低，大約發(fā)生了 4 次 0.5 級地震，而 2006 年至 2016 年之間發(fā)生了數(shù)百次高達 3 級的地震， “海格說。

結(jié)果表明，運營商可以通過根據(jù)底層地質(zhì)調(diào)整注入率來成功管理地震。Juanes 說，該團隊的建模方法可能有助于防止與其他過程相關(guān)的地震，例如建造水庫和封存二氧化碳——只要有關(guān)于一個地區(qū)地下的詳細信息。

“需要付出很多努力來了解地質(zhì)環(huán)境，”Juanes 說，他指出，如果在枯竭油田上進行碳封存，“這些油藏可能具有這種類型的歷史、地震信息和地質(zhì)解釋， “你可以用來建立類似的碳封存模型。我們表明，至少可以在運營環(huán)境中管理地震活動。我們提供了如何做到這一點的藍圖。”

這項研究部分得到了埃尼的支持。