Моделирование поможет спрогнозировать и ослабить техногенные землетрясения от закачки воды

Геофизики показали на примере нефтяного месторождения Валь-д’Агри в Южной Италии, как техногенная триггерная сейсмичность в зонах нефтедобычи зависит от скорости закачки отработанной воды в пласт. Анализ состояния геологической среды на месторождении был проведен на основе двухступенчатого структурного моделирования, учитывающего как динамику нагнетаемой жидкости, так и геомеханические характеристики пласта. Полученные результаты позволяют не только прогнозировать техногенные землетрясения, но и управлять их силой, регулируя скорость нагнетания воды. Об этом сообщает статья, опубликованная в журнале Nature.

Нефтедобывающая деятельность, наряду с другими примерами масштабного вмешательства человека в состояние природной среды, такими как добыча твердых полезных ископаемых или гидротехнические работы, служит источником повышения антропогенной сейсмической активности и связанных с ней рисков. Техногенная сейсмичность может возникать и как реакция горного массива на вызванные деятельностью человека деформации (так называемая вынужденная, или индуцированная сейсмичность), и как результат высвобождения собственной избыточной энергии, запасенной в массиве. В этом случае техногенное воздействие лишь провоцирует скачкообразный сброс напряженного состояния геологической среды или заставляет сработать уже существующий сейсмический очаг. Такую сейсмичность называют триггерной, или инициированной. Ее опасность состоит в том, что даже незначительные воздействия могут вызвать сильное землетрясение.

Примером возникновения триггерной сейсмичности может служить крупнейшее в Западной Европе наземное нефтяное месторождение Валь-д’Агри, расположенное на юге Италии, в области Базиликата. Месторождение площадью около 300 квадратных километров было открыто в 1991 году, а с 1993 года ведется разработка его нефтяных запасов, которые оцениваются примерно в 500 миллионов баррелей, или 68 миллионов тонн. В настоящее время на Валь-д’Агри действуют 24 добывающих скважины, а средний объем добычи составляет 75000 баррелей (около 10,2 тонны) сырой нефти и четыре миллиона кубических метров газа в сутки. Из скважин Валь-д’Агри ежесуточно поступает четыре тысячи кубометров пластовой воды, из которых около двух тысяч кубометров с июня 2006 года повторно нагнетается в пласт.

Нефтегазоносный резервуар Валь-д’Агри, сложенный плотными трещиноватыми карбонатами, лежит во впадине под четвертичным осадочным бассейном, ограниченным с юго-запада и с северо-востока системами разломов в карбонатных платформах Апулии и Апеннин. Сбросовыми разломами и трещинами пронизан также и сам бассейн. Вся область Валь-д’Агри находится в регионе с повышенной сейсмичностью. Наиболее сильное исторически зафиксированное землетрясение, магнитуда которого, по оценкам, могла достигать 7,0, произошло здесь в 1857 году. Всего с 1600 года в пределах 100 километров от современной нагнетательной скважины Коста-Молина 2 (CM2) случилось 15 сейсмических событий магнитудой не менее 5,5, то есть примерно четыре землетрясения за столетие. Последнее из них было зарегистрировано в начале 1980-х годов, но начиная с июня 2006 года в районе скважины CM2 сейсмические станции стали отмечать слабую (в пределах магнитуды 2,2) активность. Ее анализ показал, что причина землетрясений кроется в триггерном эффекте от нагнетания в пласт отработанной воды. Этот эффект возникает в неизвестном ранее разломе, который получил название Коста-Молина.

Исследователи из Италии и США во главе с Брэдфордом Хагером (Bradford H. Hager) из Массачусетского технологического института провели моделирование состояния геологической среды на месторождении. Ученые использовали статистику сейсмического мониторинга в Валь-д’Агри, результаты наблюдений за состоянием поверхности с помощью GPS и данные о давлении в скважинах за период с 1993 по 2016 год, объединив их с информацией о строении месторождения и свойствах слагающих его пород. Работа проводилась в два этапа с созданием сначала региональной модели, описывающей общее геодинамическое состояние массива, а затем — локальной модели, сфокусированной на области, где производится закачка воды в пласт.

Региональная трехмерная структурная модель района месторождения охватила площадь 80 × 50 километров. Она включила данные о 22 известных крупных разломах в пределах четырех горизонтов на глубину 10 километров и о местонахождении всех активных скважин. В этой модели месторождение представлено с помощью тетраэдральной сетки. Размер ребра ее ячеек варьирует от 100 метров в области CM2 до 5000 метров у границ месторождения. Искажения элементов сетки отражают расположение разломов и поверхностей горизонтов. Граничные условия для этой модели основывались на низкой пористости пород резервуара, в котором распространение флюида происходит главным образом за счет миграции по сложной сети трещин.

На состояние пород Валь-д’Агри, обладающих низкой проницаемостью, большое влияние оказывают пороупругие процессы, то есть деформации пласта под действием гидравлической нагрузки. Они в значительной мере определяют распространение напряжений и развитие трещин. Направления горизонтальных напряжений исследователи получили из ориентации разрывов пласта, наблюдаемых в выбранных скважинах; минимальная величина этих напряжений оценивалась исходя из тестов на целостность и герметичность, а максимальная — путем инверсии данных. Общее вертикальное напряжение было рассчитано по каротажным диаграммам плотности пород. С помощью построенной таким образом региональной модели исследователи воспроизвели преобладающие тектонические напряжения в районе месторождения.

Для более детального анализа сейсмичности в районе Коста-Молина Хагер и его коллеги создали вторую — локальную — модель, которая охватывает область вокруг скважины CM2 площадью 13 × 13 километров и глубиной 15 километров. В ней сконцентрировано 17 разломов. Поведение массива пород на этой ступени моделирования ограничивалось результатами, полученными в региональной модели. Для учета влияния окружающих областей в локальную сетку ввели вспомогательные ячейки, насыщенные флюидом, и дополнительную скважину, имитирующую суммарный отток во внешние области. Локальная модель позволила ученым исследовать распределение местных напряжений в пласте и определить условия смещения по разломам.

Моделирование показало, что работа добывающих скважин вызывает снижение порового давления в пласте вокруг них и, следовательно, приводит к тому, что сопротивление смещению в породе возрастает. Вокруг нагнетательной скважины, напротив, концентрируются напряжения, и запасаемая в них энергия высвобождается при скольжении по разломам. В результате в районе закачки воды происходит периодическое слабое повышение сейсмичности. Модельное воспроизведение этого процесса продемонстрировало соответствие с полученными при мониторинге Валь-д’Агри данными. Кроме того, оно выявило четкую зависимость триггерного эффекта от скорости нагнетания воды.

Авторы работы использовали эту зависимость для прогнозирования сейсмической обстановки на месторождении до конца 2024 года. При сохранении практикуемой в настоящее время скорости закачки 2000 кубических метров в сутки заметных изменений не произойдет, и слабые возрастания сейсмической активности будут происходить около 0,73 раза в год. При увеличении скорости нагнетания до 2500 кубометров в сутки за год можно ожидать уже в среднем 2,2 пика сейсмичности, а при нагнетании 3000 кубометров в сутки — до 13, причем возрастет и магнитуда землетрясений.

Работа Хагера и его коллег показывает, что с помощью двухступенчатого моделирования можно воспроизвести поведение горных массивов и на других месторождениях при условии, если исследователи располагают большим массивом данных мониторинга. Кроме того, предложенный метод дает возможность регулировать уровень триггерной сейсмичности, снижая скорость нагнетания не только для отработанной воды при нефтедобыче, но при подземной утилизации углекислого газа и метана.

Результаты воздействия нагнетаемой в пласт жидкости могут существенно различаться в зависимости от условий. Ранее геофизики обнаружили, что подача воды под высоким давлением в глубокие скважины, которые используются в геотермальной энергетике, приводит к ослаблению техногенных землетрясений, а также рассказали, как закачка отработанных вод в породы с низкой проницаемостью привела к всплеску техногенной сейсмичности на нефтепромыслах в штате Техас.