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現在，麻省理工學院(MIT)的研究人員跟一個由工業界和學術界的科學傢組成的跨學科團隊合作開發瞭一種管理這種人為地震活動的方法，並證明瞭該技術成功地減少瞭活躍油田發生的地震數量。
他們於2021年7月28日發表在《自然》上的研究結果可能有助於緩解石油和天然氣行業引發的地震--不僅是因為註入跟石油一起產生的廢水，還因為水力壓裂產生的廢水。該團隊的方法還可以幫助防止其他人類活動引起的地震，如蓄水層和蓄水層的填充以及深層地質構造中二氧化碳的封存。
這項研究的論文首席作者Bradford Hager指出：“地震引發的問題遠遠超出瞭開采石油的范圍。如果我們要安全地向地下註入二氧化碳，這對社會來說是一個必須面對的巨大問題。我們證明瞭這類研究是必要的。”
這項研究的共同作者還包括MIT土木與環境工程教授Ruben Juanes以及來自加州大學河濱分校、德克薩斯大學奧斯汀分校、哈佛大學和意大利跨國石油和天然氣公司Eni的合作者們。
安全註入
自然和人為誘發的地震都發生在地質斷層上也就是地殼中兩塊巖石之間的裂縫。在穩定時期，斷層兩側的巖石被周圍巖石所產生的壓力所固定。但當突然以高速率註入大量流體時就會破壞斷層的流體應力平衡。在某些情況下，這種突然的註入會潤滑斷層進而導致兩側的巖石滑動並引發地震。
這種流體註入最常見的來源是石油和天然氣工業對隨石油而來的廢水的處理。油田運營商通過註入井將這些水在高壓下連續泵回地下。
Hager指出：“石油產生瞭大量的水，這些水被註入地下 進而導致瞭多次地震。所以，一段時間以來，俄克拉荷馬州的產油區發生的3級地震比加利福尼亞還要多，因為所有這些污水被註入。”
近年來，意大利南部也出現瞭類似的問題，Eni油田的註入井引發瞭微地震，而該地區此前曾發生過大型自然地震。為瞭尋找解決問題的方法，該公司向Hager和Juanes尋求咨詢，他們都是地震活動和地下流動方面的領先專傢。
Juanes說道：“這對我們來說是一個獲得高質量地下地震數據以及學習如何安全地進行這些註入的機會。”
地震藍圖
該小組利用瞭該石油公司在Val D'agri油田多年來積累的詳細信息。Val D'agri油田位於意大利南部，處於一個構造活躍的盆地。這些數據包括該地區可追溯到17世紀的地震記錄、巖石和斷層的結構及對應於每口井不同註入速率的地下狀態。
研究人員將這些數據集成到一個耦合的地下流動和地質力學模型中，該模型可以預測地下結構的應力和應變如何隨著孔隙流體如註水的體積變化而演變。他們將這個模型跟地震力學模型聯系起來從而將地應力和流體壓力的變化轉化為引發地震的可能性。然後，他們量化瞭跟不同的註水速率相關的地震速率並確定瞭不太可能引發大地震的情景。
當他們使用1993年至2016年的數據運行模型時，對地震活動的預測跟這一時期的地震記錄相吻合，這使得他們的方法得到驗證。然後，他們將模型向前運行，一直到2025年，以此來預測該地區對三種不同註入速度的地震反應：每天註入2000立方米、2500立方米和3000立方米。模擬結果表明，如果運營商保持每天2000立方米的註入量（相當於一個小型公共消防栓的流量）就可以避免大地震。
在2017年1月至2019年6月的30個月期間，Eni油田運營商在該油田的單口註水井中實施瞭團隊推薦的註水井速率。在這段時間裡，該團隊隻觀察到一些微小的地震事件，當作業者的註入速度超過推薦的註入速度時這些地震事件恰好發生在很短的時間內。
Hager說道：“在這兩年半的時間裡，該地區的地震活動非常低，大概發生瞭4次0.5級的地震，而在2006年至2016年期間，發生瞭數百次高達3級的地震。”
結果表明，作業者可以根據地下地質情況以調整註入速率來成功地管理地震。Juanes表示，隻要有一個地區地下的詳細信息，該小組的建模方法就有可能有助於防止跟其他過程如水庫的建造和二氧化碳的封存有關的地震。
“我們需要付出很多努力去瞭解地質背景，”Juanes指出，如果在枯竭的油田上進行碳封存，“這樣的儲層可能會有這種類型的歷史、地震信息和地質解釋，你可以用它們來建立碳封存的類似模型。我們展示瞭至少在操作環境下管理地震活動是可能的。並且我們為如何做到這一點提供瞭藍圖。”
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