En esta foto de abril de 2019, El profesor asistente Ryan Pollyea (de pie) enseña a los estudiantes universitarios sobre la permeabilidad en la sección de laboratorio de hidrología de aguas subterráneas (GEOS 4804). Crédito:Virginia Tech
Un equipo de investigadores en geociencias del Virginia Tech College of Science ha desarrollado una nueva teoría para explicar cómo y por qué los terremotos inducidos por inyección continúan ocurriendo incluso cuando las tasas de inyección disminuyen.
Los expertos saben desde la década de 1960 que cuando las aguas residuales de los campos petrolíferos se bombean al suelo con pozos de inyección profundos, pueden ocurrir terremotos. En la última década, Los terremotos inducidos por inyección se han convertido en eventos regulares en las cuencas de petróleo y gas en todo el mundo. particularmente en el centro de los Estados Unidos, y potencialmente en China y Canadá, así como.
La producción de petróleo y gas suele ir acompañada de aguas subterráneas muy salobres, también conocida como salmuera de campo petrolífero. Estos fluidos pueden ser de cinco a seis veces más salados que el agua de mar, por lo que son tóxicos para los ecosistemas terrestres y tienen poco uso beneficioso. Como resultado, La salmuera de los campos petrolíferos se considera un producto de desecho que se elimina bombeándola de nuevo a formaciones geológicas profundas.
Cuando los fluidos se bombean a pozos de inyección profundos, alteran la presión del fluido natural en formaciones geológicas profundas. Estos cambios de presión de fluido pueden desestabilizar fallas, conduciendo a terremotos, como el evento dañino de magnitud 5.8 en Pawnee, Oklahoma, en septiembre de 2016.
Entre las preguntas científicas más irritantes sobre los terremotos inducidos por inyección está por qué parecen estar profundizándose en lugares como Oklahoma y Kansas, donde las tasas de inyección han ido disminuyendo debido a una combinación de medidas de mitigación de terremotos y la disminución de la producción de petróleo y gas.
En un estudio publicado el 5 de agosto en Ciencias de la energía y el medio ambiente , Ryan M. Pollyea, profesor asistente en el Departamento de Geociencias, y un equipo de estudiantes de investigación propuso una nueva teoría de que las aguas residuales en sí juegan un papel importante en los procesos que causan los terremotos inducidos por inyección.
"Sabemos que los terremotos son cada vez más profundos en Oklahoma, "dijo Pollyea, quien dirige el Laboratorio de Geofluidos Computacionales en Virginia Tech, "así que estamos tratando de averiguar qué condiciones hacen que esto sea posible. Nuestra investigación sugiere que se debe a una combinación de la geología, fluidos naturales en las rocas del sótano, y las aguas residuales en sí ".
Aunque los investigadores han sabido durante décadas que las inyecciones de fluidos profundos pueden desencadenar terremotos, Pollyea dijo que la investigación anterior pasa por alto algunos detalles importantes sobre cómo ocurren. Específicamente, señaló que la salmuera de los campos petrolíferos tiene propiedades muy diferentes, como densidad y viscosidad, que el agua pura, y estas diferencias afectan los procesos que hacen que la presión del fluido desencadene terremotos.
"La idea básica es que la salmuera de los campos petrolíferos tiene una gran cantidad de material sólido disuelto, lo que hace que las aguas residuales sean más pesadas que los fluidos naturales en formaciones geológicas profundas, "dijo Richard S. Jayne, coautor del estudio y ex Ph.D. estudiante en Virginia Tech que ahora es un hidrogeólogo investigador en el Laboratorio Nacional Sandia, "para que las densas aguas residuales se hundan, aumenta la presión del fluido, y provoca terremotos más profundos de lo que se podría predecir si los fluidos tuvieran las mismas propiedades materiales ".
Usando supercomputadoras en la división de Computación de Investigación Avanzada de Virginia Tech, Pollyea y su equipo probaron su idea produciendo más de 100 modelos de eliminación de aguas residuales de campos petrolíferos utilizando varias combinaciones de propiedades geológicas. temperatura de las aguas residuales, y densidad de aguas residuales. Con este enfoque computacional, el equipo aisló tanto las condiciones como los procesos físicos que alteran la presión del fluido en las formaciones geológicas.
"Descubrimos que en realidad hay dos procesos diferentes que impulsan la presión del fluido profundamente en el sótano, donde ocurren los terremotos, "saidys Pollyea." La primera se llama difusión de presión, que ocurre cuando las aguas residuales son forzadas a formar formaciones geológicas que ya están llenas de agua. Este proceso se conoce desde hace mucho tiempo, pero el segundo proceso ocurre cuando las aguas residuales de alta densidad se hunden y empujan los fluidos de menor densidad fuera del camino ".
Según esta nueva teoría, la diferencia de densidad entre las aguas residuales y los fluidos profundos del sótano es mucho más importante para la ocurrencia de terremotos inducidos de lo que se sabía anteriormente. "Esta es una de las áreas que se ha descuidado en la investigación de sismicidad inducida, "dijo Megan Brown, un profesor asistente de geología que se especializa en sismicidad provocada por fluidos en la Universidad del Norte de Illinois y no participó en este estudio. "Los transitorios de presión impulsados por la densidad son una consecuencia intuitiva de un diferencial de densidad entre los fluidos inyectados y los fluidos de formación".
Aunque la ocurrencia de terremotos ha estado disminuyendo en el centro de los EE. UU. Desde los años pico de 2014 y 2015, esta nueva teoría no solo explica por qué los terremotos son cada vez más profundos en Oklahoma, pero también explica por qué varios terremotos de magnitud 5 + azotaron Oklahoma en 2016, cuando las tasas de inyección estaban disminuyendo en todo el estado.
"Un aspecto fascinante de nuestro estudio es que los penachos de aguas residuales que se hunden no requieren bombeo para migrar más profundamente bajo tierra, "dijo Pollyea, "De hecho, continuarán hundiéndose por su propio peso durante décadas después de que cesen las inyecciones, y nuestro estudio muestra que las aguas residuales no tienen que ser mucho más pesadas para que esto ocurra ".
En términos de prácticas regulatorias y de mitigación de terremotos, Este estudio tiene implicaciones de gran alcance:el equipo de investigación señaló que las salmueras de alta densidad se encuentran en muchas cuencas de petróleo y gas en los EE. UU. Pero también argumentaron que el uso de este estudio en la práctica requiere mucha más información sobre los fluidos. "Este estudio enfatiza la necesidad de datos específicos del sitio y un mayor muestreo, "dijo Brown, porque "las diferencias de densidad como factor impulsor de los transitorios de presión de campo cercano también pueden conducir a acciones de mitigación previas a la inyección".
Pollyea dijo que su equipo de investigación continúa trabajando en su nueva teoría de los procesos hidrogeológicos que causan los terremotos inducidos. "Estamos realmente interesados en saber cómo nuestras ideas sobre la química de fluidos afectan las operaciones de inyección regionalmente expansivas en lugares como Oklahoma y Texas, "dijo Pollyea." Y uno de nuestros recientes M.S. graduados, Graydon Konzen (coautor del estudio), ha realizado un trabajo nuevo e interesante en esta área ".