科学家提出了预防石油天然气行业人为造成的地震的新方法

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现在，麻省理工学院(MIT)的研究人员跟一个由工业界和学术界的科学家组成的跨学科团队合作开发了一种管理这种人为地震活动的方法，并证明了该技术成功地减少了活跃油田发生的地震数量。

他们于2021年7月28日发表在《自然》上的研究结果可能有助于缓解石油和天然气行业引发的地震--不仅是因为注入跟石油一起产生的废水，还因为水力压裂产生的废水。该团队的方法还可以帮助防止其他人类活动引起的地震，如蓄水层和蓄水层的填充以及深层地质构造中二氧化碳的封存。

这项研究的论文首席作者Bradford Hager指出：“地震引发的问题远远超出了开采石油的范围。如果我们要安全地向地下注入二氧化碳，这对社会来说是一个必须面对的巨大问题。我们证明了这类研究是必要的。”

这项研究的共同作者还包括MIT土木与环境工程教授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、哈佛大学和意大利跨国石油和天然气公司Eni的合作者们。

安全注入

自然和人为诱发的地震都发生在地质断层上也就是地壳中两块岩石之间的裂缝。在稳定时期，断层两侧的岩石被周围岩石所产生的压力所固定。但当突然以高速率注入大量流体时就会破坏断层的流体应力平衡。在某些情况下，这种突然的注入会润滑断层进而导致两侧的岩石滑动并引发地震。

这种流体注入最常见的来源是石油和天然气工业对随石油而来的废水的处理。油田运营商通过注入井将这些水在高压下连续泵回地下。

Hager指出：“石油产生了大量的水，这些水被注入地下 进而导致了多次地震。所以，一段时间以来，俄克拉荷马州的产油区发生的3级地震比加利福尼亚还要多，因为所有这些污水被注入。”

近年来，意大利南部也出现了类似的问题，Eni油田的注入井引发了微地震，而该地区此前曾发生过大型自然地震。为了寻找解决问题的方法，该公司向Hager和Juanes寻求咨询，他们都是地震活动和地下流动方面的领先专家。

Juanes说道：“这对我们来说是一个获得高质量地下地震数据以及学习如何安全地进行这些注入的机会。”

地震蓝图

该小组利用了该石油公司在Val D'agri油田多年来积累的详细信息。Val D'agri油田位于意大利南部，处于一个构造活跃的盆地。这些数据包括该地区可追溯到17世纪的地震记录、岩石和断层的结构及对应于每口井不同注入速率的地下状态。

研究人员将这些数据集成到一个耦合的地下流动和地质力学模型中，该模型可以预测地下结构的应力和应变如何随着孔隙流体如注水的体积变化而演变。他们将这个模型跟地震力学模型联系起来从而将地应力和流体压力的变化转化为引发地震的可能性。然后，他们量化了跟不同的注水速率相关的地震速率并确定了不太可能引发大地震的情景。

当他们使用1993年至2016年的数据运行模型时，对地震活动的预测跟这一时期的地震记录相吻合，这使得他们的方法得到验证。然后，他们将模型向前运行，一直到2025年，以此来预测该地区对三种不同注入速度的地震反应：每天注入2000立方米、2500立方米和3000立方米。模拟结果表明，如果运营商保持每天2000立方米的注入量（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，Eni油田运营商在该油田的单口注水井中实施了团队推荐的注水井速率。在这段时间里，该团队只观察到一些微小的地震事件，当作业者的注入速度超过推荐的注入速度时这些地震事件恰好发生在很短的时间内。

Hager说道：“在这两年半的时间里，该地区的地震活动非常低，大概发生了4次0.5级的地震，而在2006年至2016年期间，发生了数百次高达3级的地震。”

结果表明，作业者可以根据地下地质情况以调整注入速率来成功地管理地震。Juanes表示，只要有一个地区地下的详细信息，该小组的建模方法就有可能有助于防止跟其他过程如水库的建造和二氧化碳的封存有关的地震。

“我们需要付出很多努力去了解地质背景，”Juanes指出，如果在枯竭的油田上进行碳封存，“这样的储层可能会有这种类型的历史、地震信息和地质解释，你可以用它们来建立碳封存的类似模型。我们展示了至少在操作环境下管理地震活动是可能的。并且我们为如何做到这一点提供了蓝图。”