I pozzi perforati nella formazione Arbuckle dell'Oklahoma iniettano acque reflue (1) che poi si disperdono attraverso la roccia. Mentre si diffonde, le acque reflue possono innescare terremoti nelle zone di faglia (2), ma la loro dimensione dipende dalla quantità iniettata e dalle proprietà della roccia. Il nuovo modello può prevedere le probabilità di terremoto in base alla quantità di acque reflue iniettate. Credito:Guang Zhai, Manoochehr Shirzaei/ASU
Un sottoprodotto della produzione di petrolio e gas è una grande quantità di acque reflue tossiche chiamate salamoia. I perforatori di pozzi smaltiscono la salamoia iniettandola in formazioni rocciose profonde, dove la sua iniezione può causare terremoti. La maggior parte dei terremoti è relativamente piccola, ma alcuni di loro sono stati grandi e dannosi.
Tuttavia, prevedere la quantità di attività sismica dall'iniezione di acque reflue è difficile perché coinvolge numerose variabili. Questi includono la quantità di salamoia iniettata, quanto facilmente la salamoia può muoversi attraverso la roccia, la presenza di faglie geologiche esistenti, e le sollecitazioni regionali su questi difetti.
Ora un team di geoscienziati guidati dalla Arizona State University, lavorando nell'ambito di una sovvenzione del Dipartimento dell'Energia, ha sviluppato un metodo per prevedere l'attività sismica dallo smaltimento delle acque reflue. L'area di studio del team è in Oklahoma, uno stato in cui è stata svolta molta attività di fracking con molte iniezioni di acque reflue, e dove ci sono stati diversi terremoti indotti che hanno prodotto danni.
Il documento del team che riporta le loro scoperte è apparso nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze il 29 luglio, 2019.
"Globale, i rischi sismici aumentano con l'attività sismica di fondo, e che deriva da cambiamenti nello stress crostale, "dice Guang Zhai, uno scienziato ricercatore post-dottorato presso la School of Earth and Space Exploration dell'ASU e un ricercatore assistente in visita presso l'Università della California, Berkeley. "Il nostro obiettivo è stato quello di modellare la fisica di tali cambiamenti che risultano dall'iniezione di acque reflue".
Zhai è l'autore principale del documento, e gli altri scienziati sono Manoochehr Shirzaei, professore associato presso la Scuola, più Michael Manga, dell'Università di Berkeley, e Xiaowei Chen, dell'Università dell'Oklahoma.
"L'attività sismica è aumentata vertiginosamente in un'area per diversi anni dopo che l'iniezione di acque reflue è stata notevolmente ridotta, " dice Shirzaei. "Questo ci ha detto che i metodi di previsione esistenti erano inadeguati".
Il modello mostra le curve di probabilità dei terremoti per l'Oklahoma centrale in aumento fino al 2015 a causa dell'iniezione di salamoia. Dopo che l'iniezione è stata ridotta e si presume che termini nel 2017, la salamoia continua a diffondersi nella roccia, e le curve si ritirano ai livelli di fondo. Il nuovo modello consente agli operatori di calcolare la probabilità di terremoto per vari scenari di iniezione, massimizzare l'iniezione riducendo al minimo i rischi. Attestazione:Guang Zhai/ASU
Ritorno alle basi
Per affrontare il problema, la sua squadra è tornata alle origini, osservando come quantità variabili di salamoia iniettata hanno perturbato gli stress crostali e come questi portano a terremoti su una determinata faglia.
"I fluidi come la salamoia (e le acque sotterranee naturali) possono essere sia immagazzinati che muoversi attraverso rocce porose, " dice Zhai.
La chiave era costruire un modello basato sulla fisica che combinasse la capacità della roccia di trasportare la salamoia iniettata, e la risposta elastica della roccia alla pressione del fluido. Spiega Shirzaei, "Il nostro modello include i record raccolti negli ultimi 23 anni di salamoia iniettata in più di 700 pozzi dell'Oklahoma nella formazione di Arbuckle".
Aggiunge che per rendere realistico lo scenario, il modello include anche le proprietà meccaniche delle rocce in Oklahoma. Il risultato è stato che il modello ha previsto con successo i cambiamenti nello stress crostale che derivano dall'iniezione di salamoia.
Per il passaggio finale, Shirzaei dice, "Abbiamo utilizzato un modello fisico ben consolidato di come iniziano i terremoti in modo da poter mettere in relazione le perturbazioni da stress con il numero e le dimensioni dei terremoti".
Il team ha scoperto che la struttura basata sulla fisica fa un buon lavoro nel riprodurre la distribuzione dei terremoti effettivi in base alla frequenza, grandezza, E tempo.
"Una scoperta interessante, "dice Zhai, "era che un piccolo cambiamento nella risposta elastica delle rocce ai cambiamenti nella pressione del fluido può amplificare il numero di terremoti di diverse volte. È un fattore molto sensibile".
La produzione di petrolio e gas richiede lo smaltimento delle acque reflue, che viene iniettato in formazioni rocciose molto sotterranee attraverso pozzi come questo. Per ridurre al minimo i rischi sismici derivanti da questo processo, un team guidato dall'ASU ha creato un nuovo modello per prevedere la sismicità indotta dall'iniezione di acque reflue. Credito:KFOR-TV, Oklahoma City
Rendere la produzione più sicura
Mentre l'iniezione di acque reflue può causare terremoti, tutte le principali produzioni di petrolio e gas creano una grande quantità di acque reflue che devono essere smaltite, e l'iniezione è il metodo utilizzato dall'industria.
"Quindi, per renderlo più sicuro in futuro, "dice Shirzaei, "Il nostro approccio offre un modo per prevedere i terremoti causati dall'iniezione. Ciò fornisce all'industria uno strumento per gestire l'iniezione di salamoia dopo le operazioni di fracking".
Conoscendo bene il volume di salamoia da iniettare e l'ubicazione dello smaltimento, le autorità possono stimare la probabilità che si verifichi un terremoto di una data entità. Tali probabilità possono essere utilizzate per la valutazione del rischio sismico a breve termine.
In alternativa, la squadra dice data la probabilità che si verifichi un terremoto di una certa entità, gli operatori di petrolio e gas possono gestire il volume di salamoia iniettato per mantenere la probabilità di grandi terremoti al di sotto di un valore prescelto.
Il risultato finale, dice Zhai, "è che questo processo consentirà una pratica più sicura, a vantaggio sia del pubblico in generale che dell'industria energetica".
