Los pozos perforados en la formación Arbuckle de Oklahoma inyectan aguas residuales (1) que luego se dispersan a través de la roca. A medida que se propaga las aguas residuales pueden desencadenar terremotos en zonas de falla (2), pero su tamaño depende de la cantidad inyectada y de las propiedades de la roca. El nuevo modelo puede predecir las probabilidades de un terremoto por la cantidad de aguas residuales inyectadas. Crédito:Guang Zhai, Manoochehr Shirzaei / ASU
Un subproducto de la producción de petróleo y gas es una gran cantidad de aguas residuales tóxicas llamadas salmuera. Los perforadores de pozos eliminan la salmuera inyectándola en formaciones rocosas profundas, donde su inyección puede provocar terremotos. La mayoría de los terremotos son relativamente pequeños, pero algunos de ellos han sido grandes y dañinos.
Sin embargo, predecir la cantidad de actividad sísmica de la inyección de aguas residuales es difícil porque involucra numerosas variables. Estos incluyen la cantidad de salmuera inyectada, la facilidad con la que la salmuera puede moverse a través de la roca, la presencia de fallas geológicas existentes, y las tensiones regionales sobre esas fallas.
Ahora, un equipo de geocientíficos dirigidos por la Universidad Estatal de Arizona, trabajando bajo una subvención del Departamento de Energía, ha desarrollado un método para predecir la actividad sísmica de la eliminación de aguas residuales. El área de estudio del equipo está en Oklahoma, un estado donde se ha llevado a cabo mucha actividad de fracturación hidráulica con mucha inyección de aguas residuales, y donde ha habido varios terremotos inducidos produciendo daños.
El documento del equipo que informa sus hallazgos apareció en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias el 29 de julio 2019.
"En general, los peligros de terremotos aumentan con la actividad sísmica de fondo, y que resulta de cambios en el estrés de la corteza, "dice Guang Zhai, un científico investigador postdoctoral en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU e investigador asistente visitante en la Universidad de California, Berkeley. "Nuestro enfoque ha sido modelar la física de tales cambios que resultan de la inyección de aguas residuales".
Zhai es el autor principal del artículo, y los otros científicos son Manoochehr Shirzaei, profesor asociado de la Escuela, más Michael Manga, de UC Berkeley, y Xiaowei Chen, de la Universidad de Oklahoma.
"La actividad sísmica se disparó en un área durante varios años después de que la inyección de aguas residuales se redujo en gran medida, ", dice Shirzaei." Eso nos dijo que los métodos de predicción existentes eran inadecuados ".
El modelo muestra que las curvas de probabilidad de terremotos para el centro de Oklahoma aumentan hasta 2015 debido a la inyección de salmuera. Después de que se reduzca la inyección y se suponga que finalizará en 2017, la salmuera continúa difundiéndose en la roca, y las curvas retroceden a niveles de fondo. El nuevo modelo permite a los operadores calcular la probabilidad de terremotos para varios escenarios de inyección, maximizando la inyección y minimizando los peligros. Crédito:Guang Zhai / ASU
Volver a lo básico
Para enfrentar el problema, su equipo volvió a lo básico, observando cómo cantidades variables de salmuera inyectada perturbaron las tensiones de la corteza y cómo estas conducen a terremotos en una falla determinada.
"Los fluidos como la salmuera (y el agua subterránea natural) pueden almacenarse y moverse a través de rocas que son porosas, "dice Zhai.
La clave fue construir un modelo basado en la física que combinara la capacidad de la roca para transportar salmuera inyectada, y la respuesta elástica de la roca a la presión del fluido. Explica Shirzaei, "Nuestro modelo incluye los registros recopilados durante los últimos 23 años de salmuera inyectada en más de 700 pozos de Oklahoma en la formación Arbuckle".
Agrega que para que el escenario sea realista, el modelo también incluye las propiedades mecánicas de las rocas en Oklahoma. El resultado fue que el modelo predijo con éxito cambios en el estrés de la corteza que provienen de la inyección de salmuera.
Para el paso final, Shirzaei dice:"Usamos un modelo físico bien establecido de cómo comienzan los terremotos para poder relacionar las perturbaciones de tensión con el número y tamaño de los terremotos".
El equipo descubrió que el marco basado en la física hace un buen trabajo al reproducir la distribución de los terremotos reales por frecuencia, magnitud, y tiempo.
"Un hallazgo interesante, "dice Zhai, "fue que un pequeño cambio en la respuesta elástica de las rocas a los cambios en la presión del fluido puede amplificar el número de terremotos varias veces. Es un factor muy sensible".
La producción de petróleo y gas requiere la eliminación de aguas residuales, que se inyecta en formaciones rocosas muy subterráneas a través de pozos como este. Para minimizar los peligros sísmicos de este proceso, un equipo dirigido por ASU ha creado un nuevo modelo para pronosticar la sismicidad inducida por la inyección de aguas residuales. Crédito:KFOR-TV, Ciudad de Oklahoma
Hacer la producción más segura
Si bien la inyección de aguas residuales puede causar terremotos, Toda la producción importante de petróleo y gas crea una gran cantidad de aguas residuales que deben eliminarse. y la inyección es el método que utiliza la industria.
"Para que esto sea más seguro en el futuro, "dice Shirzaei, "Nuestro enfoque ofrece una forma de pronosticar los terremotos causados por inyección. Esto proporciona a la industria una herramienta para administrar la inyección de salmuera después de las operaciones de fracking".
Conocer el volumen de salmuera que se inyectará y la ubicación del pozo de eliminación, las autoridades pueden estimar la probabilidad de que se produzca un terremoto de un tamaño determinado. Estas probabilidades se pueden utilizar para la evaluación de peligros sísmicos a corto plazo.
Alternativamente, el equipo dice, dada la probabilidad de que ocurra un terremoto de cierto tamaño, Los operadores de petróleo y gas pueden administrar el volumen de salmuera inyectada para mantener la probabilidad de grandes terremotos por debajo de un valor elegido.
El final resulto, dice Zhai, "es que este proceso permitirá una práctica más segura, beneficiando tanto al público en general como a la industria energética ".
