فعالیتهای لرزهای زلزله
محققان روشی برای کاهش تعداد زلزلههای ناشی از رسوخ پَساب به دنبال فرآیندهای مرتبط با صنعت نفت و گاز همچون حفاری و شکستگی یافتهاند. (اعتبار این روش متعلق به دانشگاه MIT میباشد)
مدل جدید به کار گرفته شده در این زمینه منجر به کاهش زمین لرزههای ناشی از فرآیندهای مرتبط با صنعت نفت و گاز و همچنین مدیریت بهتر فعالیتهای لرزهای ناشی از جداسازی کربن شد.
بسته به زمین شناسی زیربنایی، تزریق حجم زیادی از مایعات به زمین توسط انسان میتواند منجر به تشکیل زمین لرزههای مخربی شود. این مورد به ویژه در برخی از مناطق تولیدکننده نفت و گاز که پَساب، اغلب در ترکیب با نفت، از طریق تزریق مجدد به زمین دفع میشود، وجود داشته است. این فرآیند در طی سالیان اخیر باعث وقوع فعالیتهای لرزهای قابلتوجهی شده است.
در حال حاضر محققان MIT، با همکاری یک تیم میان رشتهای از دانشمندان شاغل در صنعت و دانشگاه، راهکاری برای مدیریت چنین لرزهخیزی ناشی از فعالیتهای انسانی توسعه دادهاند و نشان دادهاند که این تکنیک تعداد زلزلههای رخداده در یک میدان نفتی فعال را با موفقیت کاهش داده است.
نتایج این تحقیقات که در 28 ژوئیه 2021 در مجله تخصصی Nature منتشر شد، توانست به کاهش زلزلههای ناشی از فعالیتهای صنعت نفت و گاز یعنی زلزلههایی که نه تنها از طریق تزریق پَساب تولید شده در صنعت نفت بلکه از شکستگی هیدرولیکی نیز ناشی میشود، کمک کند؛ رویکرد تیم تحقیقاتی همچنین توانست به جلوگیری از زلزلههای ناشی از سایر فعالیتهای انسانی مانند پر کردن مخازن آب و سفرههای زیرزمینی و جداسازی CO2 در سازندهای عمیق زمینشناسی کمک کند.
برادفورد هِگر، نویسنده ارشد این مقاله، استاد علوم زمین در دانشکده علوم حوزه زمین، جو و سیاره دانشگاه MIT اعلام کرد: «لرزهخیزی برانگیختهشده مشکلی بسیار فراتر از مزایای تولید نفت و معضلی بزرگ برای جامعه میباشد پس اگر بخواهیم به طور ایمن CO2 را به سطح زیرین تزریق کنیم، باید با این مشکل مقابله کرد. ما شیوه تحقیقاتی که برای رسیدن به این هدف لازم است را نشان دادیم.»
دیگر نویسندگان این مقاله عبارتند از:
روبن یوهانس استاد مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه MIT به همراه همکارانی دیگر از دانشگاههایی همچون دانشگاه کالیفرنیا در شهر ریورساید، دانشگاه تگزاس در شهر آستین، دانشگاه هاروارد و شرکت نفت و گاز چندملیتی اِنی واقع در ایتالیا
تزریق ایمن
تمامی زمین لرزههای طبیعی و مصنوعی در امتداد گسلهای زمین شناسی یا شکستگیهای میان دو قطعه سنگ بزرگ در پوسته زمین رخ میدهند. در دورههای پایدار، سنگهای دو طرف گسل به دلیل فشارهای ایجاد شده توسط سنگهای پیرامونی ثابت میمانند. اما زمانی که حجم زیادی از مایعات به طور ناگهانی و با سرعتهای بالا به زمین تزریق گردد، میتواند تعادل تنش سیال موجود در گسل را بر هم بزند. در برخی موارد، این تزریق ناگهانی منجر به لغزندگی یک گسل و در نتیجه سُرخوردگی سنگهای دو طرف و بروز زلزله میشود.
متداولترین منبع چنین سیالاتی حاصل از دفع پَساب صنعت نفت و گاز است که به همراه نفت استخراج میشود. کارکنان میدانی این آب را از طریق چاههای تزریقی که به طور مداوم آب را با فشار بالا به درون زمین برمی گرداند، دفع میکنند.
هاگر خاطرنشان میکند: «آب زیادی به همراه نفت تولید میشود که تزریق آن به زمین باعث ایجاد تعداد زیادی زمینلرزه شده است. به دلیل تزریق این حجم از پَساب، برای مدتی زمینلرزههای مناطق تولیدکننده نفت در اوکلاهاما 3 برابر بزرگتر زلزلههای کالیفرنیا بود.»
در سالیان اخیر، مشکل مشابهی در جنوب ایتالیا یعنی مکانی که چاههای تزریقی در میدانهای نفتی توسط شرکت Eni اداره میشد، بوجود آمد. این چاهها باعث ایجاد ریز لرزهها در منطقهای که پیشتر زمینلرزههای طبیعی بزرگی رخ داده بود، گردید. این شرکت جهت یافتن راهکارهایی برای رفع این مشکل، از دو کارشناس برجسته در زمینه لرزهخیزی و جریانهای زیرسطحی با نامهای هاگر و یوهانس مشورت گرفت.
یوهانس میگوید: «این موقعیت فرصتی بود تا به دادههای لرزهای با کیفیت بالا در مورد زیرسطح دسترسی پیدا کنیم و بیاموزیم که چگونه با آسودگی خیال این تزریقها را انجام دهیم.»
طرح لرزهای
این گروه از اطلاعات دقیق جمع آوری شده توسط شرکت نفت Eni طی سالها فعالیت در میدان نفتی Val D’Agri، منطقهای واقع در حوضه تکتونیکی فعال در جنوب ایتالیا، استفاده کرد. دادهها شامل اطلاعاتی در مورد پیشینه زلزله در منطقه از سال 1600 میلادی، ساختار سنگها و گسلها و همچنین وضعیت سطح زیرین مربوط به مقادیر مختلف تزریق هر چاه بود.
محققان با ادغام این دادهها در یک جریان زیرسطحی و مدل ژئومکانیکی، توانستند به پیشبینی چگونگی تغییر تنشها و کرنشهای سازههای زیرزمینی با تغییر حجم سیال حفرهای، مانند تزریق آب، بپردازند. در واقع آنها با اتصال این مدل به مدلی مکانیکی از زلزله، تغییرات تنش زیرزمینی و فشار سیال را به متغیری برای تشخیص احتمال ایجاد زلزله تبدیل کردند؛ در ادامه میزان زمین لرزههای مرتبط با مقادیر مختلف تزریق آب را تعیین و حالتهایی را که به احتمال بسیار کم باعث ایجاد زمین لرزههای بزرگ میشد را شناسایی کردند.
زمانی که مدلها با استفاده از دادههای جمع آوری شده از سالهای 1993 تا 2016 اجرا شد، پیشبینیهای فعالیت لرزهای با پیشینه زلزله در این دوره مطابقت داشت و رویکرد آنها را نیز تأیید میکرد. سپس با کمک این مدلها پاسخ لرزهای منطقه به سه نرخ متفاوت تزریق تا سال 2025 پیشبینی شد: 2000، 2500 و 3000 متر مکعب در روز. شبیهسازیهای بدست آمده نشان داد که اپراتورها میتوانند با ثابت نگه داشتن نرخ تزریق در مقدار 2000 متر مکعب در روز، از ایجاد زمینلرزههای بزرگ جلوگیری کنند – یعنی نرخ جریانی که با یک شیر آتش نشانی کوچک عمومی نسبتاً برابر است.
اپراتورهای میدانی شرکت Eni، نرخ توصیه شده توسط تیم تحقیقاتی را طی یک دوره 30 ماهه از ژانویه 2017 و ژوئن 2019 در چاه تک تزریق آب میدان نفتی اجرا کردند. در این مدت، تیم تحقیقاتی تنها چند رویداد لرزهای کوچک را ثبت کردند که همزمان با دورههای کوتاه زمانی بود که اپراتورها به میزان تزریق توصیه شده بیتوجهی کردند و نرخ را بالا بردند.
هاگر میگوید: «لرزه خیزی این منطقه در طول این دو سال و نیم (30 ماهه) با ایجاد حدوداً چهار زمین لرزه 0.5 ریشتری در مقابل صدها زلزله با قدرت تا 3 ریشتر که بین سالهای 2006 تا 2016 رخ داده، بسیار کم بوده است.»
نتایج بدست آمده حاکی از آن است که اپراتورها میتوانند با تنظیم نرخ تزریق براساس زمینشناسی زیربنایی، زلزلهها را با موفقیت مدیریت کنند. یوهانس میگوید: «رویکرد مدلسازی تیم ممکن است به جلوگیری از زلزلههای مرتبط با فرآیندهای دیگر، مانند ساخت مخازن آب و جداسازی CO2 تا زمانی که اطلاعات دقیقی در مورد زیرسطح یک منطقه بدست آید، کمک کند.»
یوهانس میگوید: «تلاش و کوشش زیاد لازمه درک شرایط زمینشناسی است. اگر جداسازی کربن در میادین نفتی تخلیه شده انجام گردد، میتوان از پیشینه، اطلاعات لرزهای و تفسیر زمینشناسی چنین مخازنی در راستای ساخت مدلهای مشابه برای جداسازی کربن استفاده کرد. نتایج تحقیقات نشان دهنده آن است که مدیریت لرزه خیزی در یک محیط عملیاتی امکانپذیر میباشد و ما طرحی برای چگونگی انجام آن ارائه میدهیم.»
مرجع: «رویکرد مبتنی بر فرآیند به هدف درک و مدیریت لرزهخیزی برانگیختهشده» تهیه شده توسط برادفورد اچ. هاگر، جیمز دیتریش، کلیف فرولیش، روبن یوهانس، استفانو مانتیکا، جان اچ. شاو، فرانچسکا بوتازی، فدریکا کارسانی، دیوید کاستینیرا، آلبرتو کومینلی، مارکو مدا، لورنزو اسکولاتی، استفانیا پتروسلی و آندریاس پلش، 28 ژوئیه 2021، انتشارات Nature.