弗吉尼亞理工大學的一組地球科學研究人員開發(fā)了一種新理論，來解釋即使注入速度下降，注入誘發(fā)的地震如何以及為什么繼續(xù)發(fā)生。

自1960年代以來，專家就知道，當油田廢水通過深注入井泵入地下時，就會發(fā)生地震。在過去的十年中，注水誘發(fā)的地震已成為全球油氣盆地的經常性事件，特別是在美國中部，甚至在中國和加拿大。

石油和天然氣生產通常伴有高度咸淡的地下水，也稱為油田鹽水。這些液體的咸度可能比海水高五到六倍，因此它們對陸地生態(tài)系統(tǒng)有毒，幾乎沒有有益的用途。結果，油田鹽水被認為是一種廢物，可以通過將其抽回到深部地質構造中進行處置。

當將流體泵入深注入井時，它們會改變深部地質構造中自然發(fā)生的流體壓力。這些流體壓力的變化會破壞斷層的穩(wěn)定性，導致地震，例如2016年9月在俄克拉荷馬州波尼發(fā)生的5.8級破壞性地震。

在有關注射誘發(fā)地震更傷腦筋的科學問題是為什么他們似乎在這些地方的俄克拉何馬州和堪薩斯州，在那里注射率已經到組合減少由于被越來越深地震減災措施，減少石油和天然氣生產。

在8月5日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》上的一項研究中，地球科學系助理教授Ryan M. Pollyea和一組學生研究人員提出了一種新理論，即廢水本身在導致注入的過程中起著重要作用。引起的地震。

弗吉尼亞理工大學計算地球流體實驗室的負責人波利亞說：“我們知道俄克拉荷馬州的地震正在加劇。因此，我們正在試圖弄清楚什么條件使之成為可能。我們的研究表明，這是由于地震的綜合影響而造成的。地質，地下巖石中的天然流體以及廢水本身。”

盡管數(shù)十年來研究人員已經知道深部流體注入會引發(fā)地震，但Pollyea表示，先前的研究缺少有關其發(fā)生方式的一些相關細節(jié)。他特別指出，油田鹽水與純凈水相比，密度和粘度具有很大不同的特性，這些差異會影響導致流體壓力引發(fā)地震的過程。

該研究的合著者，前博士學位的Richard S. Jayne說：“基本思想是，油田鹽水具有大量溶解的固體物質，這使廢水比深部地質構造中的天然流體重。” 弗吉尼亞理工大學的學生，現(xiàn)在是桑迪亞國家實驗室的研究水文地質學家，“因此，如果流體具有相同的材料特性，稠密的廢水會下沉，增加流體壓力，并引起更深的地震。”

Pollyea和他的團隊使用弗吉尼亞理工大學高級研究計算部門的超級計算機，通過使用地質屬性，廢水溫度和廢水密度的各種組合，生產了100多個油田廢水處理模型，測試了他們的想法。通過這種計算方法，研究小組隔離了改變地質構造中流體壓力的條件和物理過程。

Pollyea說：“我們發(fā)現(xiàn)確實有兩種不同的過程將流體壓力驅入地下深層地震發(fā)生。” “第一個過程稱為壓力擴散，這是當廢水被迫進入已經充滿水的地質構造時發(fā)生的。這一過程早已為人所知，但第二個過程發(fā)生在高密度廢水下沉并推動低密度流體的過程中。擋開。”

根據(jù)這一新理論，廢水和深層地下流體之間的密度差對于誘發(fā)地震的發(fā)生比以前已知的更為重要。地質學助理教授梅根·布朗(Megan Brown)說：“這是誘發(fā)地震研究中已被忽略的領域之一。”該教授專門研究北伊利諾伊大學的流體觸發(fā)地震活動，但并未參與這項研究。“密度驅動的壓力瞬變是注入流體和地層流體之間的密度差的直觀結果。”

盡管自2014年和2015年高峰以來，美國中部地震的發(fā)生率一直在下降，但這種新理論不僅解釋了為什么俄克拉荷馬州的地震越來越深，而且還解釋了為什么2016年俄克拉荷馬州發(fā)生了5級以上的地震。全州注射率正在下降。

“我們研究的一個有趣的方面是下沉的廢水羽流不需要泵就可以遷移到更深的地下，” Pollyea說，“實際上，在停止注入后數(shù)十年內，它們將繼續(xù)以自身的重量下沉，我們的研究表明廢水不一定要重很多。”

在減震和規(guī)范實踐方面，這項研究具有深遠的意義：研究小組指出，美國許多油氣盆地中都存在高密度鹽水，但他們也認為，在實踐中使用這項研究需要更多有關流體的信息。布朗說：“這項研究強調需要針對特定??地點的數(shù)據(jù)和增加采樣，因為密度差異是近場壓力瞬變的驅動因素，也可能導致注入前的緩解措施。”

Pollyea說，他的研究小組正在繼續(xù)研究導致誘發(fā)地震的水文地質過程的新理論。Pollyea說：“我們真的很想知道我們對流體化學的看法如何影響俄克拉荷馬州和得克薩斯州的區(qū)域性擴展注入操作。” “而我們最近的一名MS畢業(yè)生，Graydon Konzen(研究合著者)在這一領域做了一些令人興奮的新工作。”