Утилизация воды в низкопористые породы вызвала землетрясения на нефтепромыслах

Геофизики исследовали причины всплеска техногенной сейсмичности в нефтеносном бассейне Делавэр (штаты Техас и Нью-Мексико), располагающем крупными запасами сланцевой нефти. С помощью модели распределения напряженности в пластах ученые показали, что скопления отделяемой от скважинного флюида воды, несмотря на малую глубину утилизации, способны породить относительно глубокие сейсмические возмущения. Механизм распространения возмущений оказался связан с пороупругими свойствами пород бассейна Делавэр, сообщает статья в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Бассейн Делавэр, расположенный в Западном Техасе и на юго-востоке Нью-Мексико, занимает около 26 тысяч квадратных километров и представляет собой часть более крупного Пермского бассейна, который, в свою очередь, входит в состав обширной Средне-континентальной нефтегазоносной провинции, сложенной различными пластами и содержащей нефть нескольких типов. Делавэр — это осадочный бассейн со сложной стратиграфией и длительной геологической историей: он формировался на протяжении всей палеозойской эры и включает как морские, так и терригенные отложения от кембрийских до верхнепермских включительно. Его нефтяные запасы сосредоточены в плотных песчаниках и трещиноватых глинистых сланцах на глубине от двух до пяти километров.

Разработка бассейна началась в 1920-х годах и активно велась в течение полувека, затем нефтеотдача месторождений Делавэра и всего Пермского бассейна упала. Возобновление добычи в начале XXI века было связано с широким внедрением технологий горизонтального бурения и кластерного многостадийного гидроразрыва пласта. В результате за период с 2005 по 2019 год количество скважин, нацеленных на песчаники Боун Спринг — наиболее продуктивной формации Делавэра — увеличилось с 436 до 4338, а средняя суточная добыча сырой нефти на скважину в первые шесть месяцев эксплуатации выросла с 670 до 770 баррелей.

Но активизация нефтедобычи привела к резкому росту числа техногенных землетрясений. Применение технологии гидроразрыва может повлечь за собой рост сейсмической активности, однако с гораздо большей вероятностью это происходит из-за утилизации попутно добываемых пластовых вод, так как их нагнетание значительно изменяет напряженно-деформированное состояние горных пород. Для отложений бассейна Делавэр характерно высокое содержание эвапоритов — минералов, образовавшихся при выпадении из пересыщенных рассолов, — и пластовая вода несет много солей. Многие скважины производят на каждый баррель нефти 5–10 баррелей соленой воды, непригодной для повторного использования при гидроразрыве и подлежащей утилизации. С 2017 года в пределах бассейна зарегистрировано 446 сейсмических событий с магнитудой 2.0 и выше, а 26 марта 2020 года случилось рекордное землетрясение магнитудой 5.0. Считалось, что они возникают из-за повышения гидравлического давления в порах горных пород при диффузии отработанной воды в поглощающем пласте.

Механизм возникновения сейсмических возмущений в бассейне Делавэр исследовали Гуан Чжай (Guang Zhai) из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги. Ученые обратили внимание на несоответствие между локализацией очагов землетрясений и глубиной закачки утилизируемой воды. Большая часть сейсмических событий произошла на глубинах пять километров и более, то есть ниже разрабатываемого нефтеносного горизонта. Но на нефтепромыслах бассейна Делавэр вода, отделяемая от пластового флюида, закачивается в горизонт, сложенный плотными низкопористыми песчаниками и залегающий на небольшой глубине (как правило, она не превышает двух километров). За последние 10 лет лишь в девяти случаях из 478 воду закачивали на глубину ниже 4,5 километров.

Исследователи промоделировали распространение напряженности в водопоглощающем горизонте и в подстилающих его пластах и установили, что в условиях бассейна Делавэр сейсмичность нельзя в полной мере объяснить проникновением воды на большие глубины. Плотный песчаник, в который нагнетают воду, обладает слишком низкой проницаемостью. Поэтому ведущая роль в механизме возникновения землетрясений принадлежит, по мнению ученых, пороупругим процессам, то есть деформациям пористой среды (горной породы) под гидравлической нагрузкой.

Упругие деформации низкопористой породы приводят к возрастанию механического напряжения. Оно распространяется вертикально вниз, в глубокие пласты через сланцевый нефтеносный горизонт, в котором в результате гидроразрыва образовалась система связных трещин. При этом зоны напряженности переносятся в менее трещиноватый подстилающий пласт и образуют здесь очаги землетрясений. Как отмечают авторы исследования, подобного эффекта можно было бы избежать, закачивая воду в субстрат с более высокой пористостью.

Результаты моделирования, проведенного американскими учеными, помогают прояснить вопрос о том, как особенности строения нефтеносного бассейна влияют на происхождение и характер техногенной сейсмичности. В случае бассейна Делавэр они показывают, что неглубокая утилизация сточных пластовых вод может индуцировать сейсмическую активность на относительно большой глубине.

Ранее геофизики рассказали, как по колебаниям скорости сейсмических волн можно оценить величину приливных деформаций породы, а о том, как цифровые технологии помогают нефтяникам оптимизировать разведку и добычу, можно узнать из материала N + 1 «Да будет нефть!».