Een nieuwe benadering om door de mens veroorzaakte aardbevingen te voorkomen

Wanneer mensen grote hoeveelheden vloeistof in of uit de grond pompen, kunnen ze mogelijk schadelijke aardbevingen veroorzaken, afhankelijk van de onderliggende geologie. Dit is het geval geweest in bepaalde olie- en gasproducerende regio’s, waar afvalwater, vaak vermengd met olie, wordt afgevoerd door het terug in de grond te injecteren.

Het onderzoek, dat in Nature verschijnt, zou kunnen helpen aardbevingen te verminderen die worden veroorzaakt door de olie- en gasindustrie, niet alleen door de injectie van afvalwater dat met olie wordt geproduceerd, maar ook door het afvalwater dat wordt geproduceerd door hydrofracturering of ‘fracking’. De aanpak van het team kan ook helpen aardbevingen door andere menselijke activiteiten te voorkomen, zoals het vullen van waterreservoirs en watervoerende lagen, en de opslag van koolstofdioxide in diepe geologische formaties.

"Geactiveerde seismische activiteit is een probleem dat veel verder gaat dan het produceren van olie", zegt hoofdauteur Bradford Hager van Earth Sciences. "Dit is een enorm probleem voor de samenleving dat het hoofd moet worden geboden als we koolstofdioxide veilig in de ondergrond willen injecteren. We hebben aangetoond wat voor soort onderzoek daarvoor nodig is."

De co-auteurs van de studie zijn onder meer Ruben Juanes, hoogleraar civiele en milieutechniek aan het MIT, en medewerkers van de Universiteit van Californië in Riverside, de Universiteit van Texas in Austin, Harvard University en Eni, een multinationaal olie- en gasbedrijf gevestigd in Italië.

Veilige injecties

Zowel natuurlijke als door de mens veroorzaakte aardbevingen vinden plaats langs geologische breuken, of breuken tussen twee rotsblokken in de aardkorst. In stabiele perioden worden de rotsen aan weerszijden van een breuk op hun plaats gehouden door de druk die wordt gegenereerd door omringende rotsen. Maar wanneer een grote hoeveelheid vloeistof plotseling met hoge snelheid wordt geïnjecteerd, kan dit de vloeistofspanningsbalans van een defect verstoren. In sommige gevallen kan deze plotselinge injectie een fout smeren en ervoor zorgen dat stenen aan beide kanten wegglijden en een aardbeving veroorzaken.

De meest voorkomende bron van dergelijke vloeistofinjecties is de verwijdering door de olie- en gasindustrie van afvalwater dat samen met olie wordt opgebracht. Veldoperators voeren dit water af via injectieputten die het water continu onder hoge druk terug de grond in pompen.

In de afgelopen jaren ontstond er een probleem in Zuid-Italië, waar injectieputten op olievelden die door Eni werden geëxploiteerd microaardvbevingen veroorzaakten in een gebied waar eerder grote, natuurlijke aardbevingen hadden plaatsgevonden. Het bedrijf, dat op zoek was naar manieren om het probleem aan te pakken, vroeg Hager en Juanes om advies, beide vooraanstaande experts op het gebied van seismische en ondergrondse stromen.

"Dit was een kans voor ons om toegang te krijgen tot hoogwaardige seismische gegevens over de ondergrond en om te leren hoe we deze injecties veilig kunnen doen", zegt Juanes.

Seismische blauwdruk

Het team maakte gebruik van gedetailleerde informatie die de oliemaatschappij in de loop van de jaren heeft verzameld in het Val D’Agri-olieveld, een regio in Zuid-Italië die in een tektonisch actief bekken ligt. De gegevens bevatten informatie over het aardbevingsrecord van de regio, daterend uit de jaren 1600, evenals de structuur van rotsen en fouten, en de toestand van de ondergrond die overeenkomt met de verschillende injectiesnelheden van elke put.

 De onderzoekers integreerden deze gegevens in een gekoppeld ondergronds stromings- en geomechanisch model, dat voorspelt hoe de spanningen en rekken van ondergrondse structuren evolueren naarmate het volume van porievloeistof, zoals door de injectie van water, verandert. Ze koppelden dit model aan een aardbevingsmechanicamodel om de veranderingen in ondergrondse spanning en vloeistofdruk te vertalen in een kans op het veroorzaken van aardbevingen. Vervolgens kwantificeerden ze de snelheid van aardbevingen in verband met verschillende snelheden van waterinjectie en identificeerden ze scenario’s die waarschijnlijk geen grote aardbevingen zouden veroorzaken.

Toen ze de modellen gebruikten met behulp van gegevens van 1993 tot 2016, kwamen de voorspellingen van seismische activiteit overeen met het aardbevingsrecord in deze periode, wat hun aanpak valideerde. Vervolgens lieten ze de modellen vooruitlopen in de tijd, tot het jaar 2025, om de seismische respons van de regio op drie verschillende injectiesnelheden te voorspellen: 2000, 2500 en 3000 kubieke meter per dag. De simulaties toonden aan dat grote aardbevingen konden worden vermeden als operators de injectiesnelheden op 2.000 kubieke meter per dag hielden – een stroomsnelheid die vergelijkbaar is met een kleine openbare brandkraan.

Veldoperators implementeerden de aanbevolen snelheid van het team bij de enkele waterinjectie van het olieveld gedurende een periode van 30 maanden tussen januari 2017 en juni 2019. In deze tijd observeerde het team slechts een paar kleine seismische gebeurtenissen, die samenvielen met korte perioden waarin operators boven de aanbevolen injectiesnelheid.

"De seismiciteit in de regio is in deze tweeënhalf jaar erg laag geweest, met ongeveer vier bevingen van 0,5 magnitude, in tegenstelling tot honderden bevingen, tot 3 magnitude, die plaatsvonden tussen 2006 en 2016, ‘ zegt Hager.

De resultaten tonen aan dat operators aardbevingen met succes kunnen beheersen door de injectiesnelheden aan te passen op basis van de onderliggende geologie. Juanes zegt dat de modelleringsaanpak van het team kan helpen bij het voorkomen van aardbevingen die verband houden met andere processen, zoals het bouwen van waterreservoirs en de opslag van koolstofdioxide – zolang er gedetailleerde informatie is over de ondergrond van een regio.

"Er moet veel moeite worden gedaan om de geologische omgeving te begrijpen", zegt Juanes, die opmerkt dat, als koolstofvastlegging zou worden uitgevoerd op uitgeputte olievelden, "dergelijke reservoirs dit soort geschiedenis, seismische informatie en geologische interpretatie zouden kunnen hebben die je zou kunnen gebruiken om vergelijkbare modellen voor koolstofvastlegging te bouwen. We laten zien dat het in ieder geval mogelijk is om seismische activiteit in een operationele setting te beheersen. En we bieden een blauwdruk die uitlegt hoe het te doen."