管理石油生产引发的地震科学家展示更安全的废水处理方法

当人类将大量流体泵入地下时，他们可能会引发潜在的破坏性地震，具体取决于潜在的地质情况。在某些石油和天然气产区就是这种情况，在这些地区，废水通常与石油混合，通过将其注入地下进行处理——这一过程近年来引发了大规模的地震事件。

现在，麻省理工学院的研究人员与来自工业界和学术界的跨学科科学家团队合作，开发了一种管理此类人为地震活动的方法，并证明该技术成功地减少了活跃油田中发生的地震次数。

他们的结果今天发表在《自然》杂志上，可以帮助减轻石油和天然气行业引起的地震，不仅是注入石油产生的废水，还包括水力压裂或“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，例如水库和含水层的填充，以及深层地质层中二氧化碳的封存。

麻省理工学院地球、大气和行星科学系地球科学系塞西尔和艾达格林教授，该研究的主要作者布拉德福德哈格说：“触发地震活动是一个远远超出生产石油的问题。” “如果我们要安全地将二氧化碳注入地下，这对社会来说是一个必须面对的巨大问题。我们展示了这样做所必需的研究类型。”

该研究的合著者包括麻省理工学院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、哈佛大学和位于的跨国石油和天然气公司 Eni 的合作者.

安全注射

自然地震和人为地震都发生在地质断层或地壳中两块岩石之间的断裂处。在稳定时期，断层两侧的岩石被周围岩石产生的压力固定在适当的位置。但是，当大量流体突然以高速率注入时，就会破坏断层的流体应力平衡。在某些情况下，这种突然注入可以润滑断层并导致两侧的岩石滑动并引发地震。

此类流体注入的最常见来源是石油和天然气行业对与石油一起带来的废水的处理。现场操作员通过注入井处理这些水，注入井在高压下连续将水泵回地下。

“石油产生了大量的水，这些水被注入地下，这导致了大量的地震，”海格指出。“因此，有一段时间，俄克拉荷马州的产油区比加利福尼亚州发生的 3 级地震更多，因为所有这些废水都被注入。”

近年来，南部也出现了类似的问题，埃尼公司经营的油田的注入井在之前曾发生过大地震的地区引发了微地震。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。

“这是我们获得关于地下的高质量地震数据的机会，并学习如何安全地进行这些注入，”Juanes 说。

地震蓝图

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，该油田位于南部的一个构造活跃盆地中。数据包括有关该地区可追溯到 1600 年代的地震记录的信息，以及岩石和断层的结构，以及与每口井的不同注入率相对应的地下状态。

研究人员将这些数据整合到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如何随着孔隙流体体积(例如注入水)的变化而演变。他们将这个模型与地震力学模型系起来，以便将地下应力和流体压力的变化转化为触发地震的可能性。然后，他们量化了与不同注水率相关的地震发生率，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，地震活动的预测与这一时期的地震记录相匹配，验证了他们的方法。然后，他们及时运行模型，直到 2025 年，以预测该地区对三种不同注入率的地震响应：每天 2,000、2,500 和 3,000 立方米。模拟结果表明，如果操作员将注入速度保持在每天 2,000 立方米——这个流量与一个小型公共消防栓相当，那么大地震就可以避免。

埃尼油田作业人员在 2017 年 1 月至 2019 年 6 月的 30 个月内，在油田的单注水井中实施了该团队的建议速率。在这段时间里，该团队仅观察到了一些微小的地震事件，恰逢作业人员的短暂时期超过了推荐的注射速度。

“在这两年半的时间里，该地区的地震活动非常低，大约发生了 4 次 0.5 级地震，而 2006 年至 2016 年之间发生了数百次高达 3 级的地震， “海格说。

结果表明，运营商可以通过根据底层地质调整注入率来成功管理地震。Juanes 说，该团队的建模方法可能有助于防止与其他过程相关的地震，例如建造水库和封存二氧化碳——只要有关于一个地区地下的详细信息。

“需要付出很多努力来了解地质环境，”Juanes 说，他指出，如果在枯竭油田上进行碳封存，“这些油藏可能具有这种类型的历史、地震信息和地质解释， “你可以用来建立类似的碳封存模型。我们表明，至少可以在运营环境中管理地震活动。我们提供了如何做到这一点的蓝图。”

这项研究部分得到了埃尼的支持。

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