Sejsmiczność indukowana ponownie kojarzona głównie z szybami spustowymi

Artykuł autorstwa Justin L. Rubinstein, William L. Ellsworth, Arthur McCarr i Harley M. Ben opublikowany w październiku 2014 roku nie dotyczy bespośrednio produkcji gazu łupkowego, ale raczej sejsmiczności powstałej w związku z odprowadzaniem wody spustowej powstałej podczas wytwarzania metanu z pokładów węgla.  Jest to jednak nadal przedmiotem naszego zainteresowania ponieważ pochodzenie wody ściekowej nie ma specjalnego znaczenia w rozważaniach na temat sejsmiczności związanej z szybami spustowymi.

Szyby spustowe stały się przedmiotem wzmożonego zainteresowania w rozważaniach na temat ryzyka sejsmicznego od czasu doniesień w 1966 roku dotyczących wydarzeń w Arsenale Gór Skalistych, w Denver w stanie Kolorado, oraz od kiedy eksperymenty na polu naftowym w Rangley w Kolorado wykazały wyraźną korelację ze wskaźnikami dotyczącymi odprowadzanej wody. Inne przykłady to: Prague, w stanie Oklahoma, 2011 r., M5,7; Youngstone w stanie Kolorado, 2011 r., M4,0; Dolina Paradox w Kororado, M4,4; i Guy-Greenbeer, w stanie Arkansas, M4,7. Badania przeprowadzone w Zagłębiu Raton dostarczają dodatkowych informacji w stosunku do tych już opublikowanych w poprzednich raportach.

Węgiel wydobywany był w Zagłebiu Raton na granicy stanów Kolorado i Nowego Meksyku w USA w okresie 1862 – 2002. W okresie od 2001 roku do dnia dzisiejszego wytwarzany był metan z pokładów węgla (CBM) pochodzący głównie z pokładów formacji Raton, Vermejo i Trnidat położonych na głębokości od 200 do 800 metrów. Wytwarzaniu metanu z pokładów węgla zawsze towarzyszy produkcja dużej ilości wody (artykuł nie zawiera informacji o związku ilości gazu z ilością wody), którą należy odprowadzić. W Zagłębiu Raton tylko niewielkie ilości wody mogą zostać odprowadzone (do systemów odprowadzających) bez uprzedniego uzdatnienia. W związku z jej składem chemicznym większość wody musi być odprowadzona pod ziemią. W Zagłebiu Raton odprowadzanie wody odbywa się przy pomocy pewnej liczby szybów spustowych ( >20) do formacji Dakota, która jest konglomeratem [zlepieńcem] skał piaskowcowych położonych na głębokości od 1.250 do 2.100 metrów, odpowiednim do tego celu.  Dzięki podciśnieniu w tej formacji odprowadzenie wody mogło mieć miejsce przy wykorzystaniu siły grawitacyjnej, bez potrzeby dotatkowego ciśnienia przy głowicy szybu.

W Zagłębiu Raton występuje sejsmiczność naturalna.  Jednakże przed rokiem 2011, wiadomo było tylko o wystąpieniu jednego trzęsienia ziemi o magnitudzie >M3,8.  Z drugiej strony, w okresie kiedy woda była tam odprowadzana (od roku 2011 do dzisiaj) miało miejsce 16 zdarzeń [sejsmicznych] o magnitudzie >M3,8.  Najsilniejsze zdarzenie, które nastąpiło 23 sierpnia 2008 roku miało magnitudę wynoszącą M5,3.  Podobny wzrost występuje w wypadku zdarzeń o magnitudzie innego rzędu.  Autorzy przeprowadzają dokładną analizę związku pomiędzy odprowadzaniem wody a sejsmicznością.  Dochodzą oni do wniosku, że związek ten trudno udowodnić w przypadku pojedynczego zdarzenia.  Wymagałoby to bardziej dokładnej wiedzy o warunkach panujących w ognisku sejsmicznym takich jak: pole naprężeń, opory tarcia, wysokość ciśnień zatłaczania, częstotliwość zatłaczania oraz objętość zatłoczonej wody,  jak również wiedzy o dokładnej lokalizacji zdarzeń.  Z tej przyczyny artykuł ten koncentruje się na wykazaniu, że nastąpił wzrost liczby zdarzeń. W oparciu o szacunkową zmianę naprężenia wynoszącą 4kPa określonej przy pomocy kalkulacji modelowej autorzy wykluczają możliwość, że wzmiankowane zdarzenia mogły być wywołane przez usunięcie wody ponieważ ogólnie zakłada się, że do wywołania zdarzenia potrzeba by było przynajmniej 20 kPa.  W konsekwencji można wyraźnie założyć, że odprowadzenie wody spustowej w formacji Dakota wywołało zdarzenia sejsmiczne, które wystąpily w okresie od 2001 roku do dnia dzisiejszego.

Zgodnie z danymi zaprezentowanymi przez autorów artykułu, ilość odprowadzonej wody oraz częstotliwość wtłaczania wynoszą 2 miliony baryłek miesięcznie (1m³=6,29 baryłek).  Dane wykazują, że częstotliwość trzęsień ziemi  jest tymczasowo związana z częstotliwością wtłoczeń. Nie stwierdzono korelacji pomiędzy magnitudami a częstotliwością odprowadzania wody, ani ze skumulową objętością odprowadzanej wody.

Umiejscowienie zdarzeń jasno kojarzy zdarzenia sejsmiczne z szybami spustowymi , ale także i z systemami uskoków.  Należy tu wziąć pod uwagę fakt, że dokładność lokalizacji była początkowo bardzo niska (+-15 km) i poprawiła się dopiero kiedy wprowadzono w tym miejscu sieć lokalną.  Dla większości zdarzeń określono głębokość 4-6 km (t. zn. w skale macierzystej).  Tam gdzie nie można było określić głębokości założono głębokość 3,5 km, natomiast szyby spustowe znajdują się na głębokości mniejszej niż 2 km.  Autorzy stwierdzają, że nie ma hydraulicznego powiązania pomiędzy formacją Dakota a skałą macierzystą ponieważ pomiędzy nimi znajduje się kilka warstw ograniczających oddziaływanie hydrauliczne.  Autorzy nie widzą również powiązania uskoków, ale jest rzeczą oczywistą, że wykaz uskoków jest mało znany i że nie były dostępne dane dotyczące działalności wiertniczej firm.  Nie wyjaśniono też czy lub jak wtłoczenie wody w warstwę osadową na końcu spadu mogło wywołać zdarzenia sejsmiczne w skale macierzystej na znacznie większej głębokości bez powiązania hydraulicznego.

Wnoski:

1. Podobnie jak w przypadku eksploatacji gazu łupkowego, przy wytwarzaniu metanu z pokładów węgla odprowadzanie powstałej w procesie produkcji wody stanowi czynnik krytyczny w odniesieniu do sejsmiczności.
2. Częstotliwość trzęsień ziemi znajduje się w tymczasowej zależności z częstotliwością wtłaczania wody. 
3. Częstotliwość zdarzeń i magnituda nie zależą od skumulowanej objętości odprowadzanej wody,
4. Szyby spustowe mogą również wywołać zdarzenia sejsmiczne jeśli nie wytworzono dodatkowego ciśnienia przy wtłaczaniu.
5. W odniesieniu do mechanizmu ogniskowego, nadal nie jest jasne w jaki sposób mogą zostać wywołane zdarzenia w skale macierzystej odleglej parę kilometrów od formacji, gdzie wtłaczano wodę oraz w sytuacji, kiedy nie ma powiązań hydraulicznych.
6. W samych tylko Stanach Zjednoczonych znajduje się kilka tysięcy szybów spustowych, w których nie powstała sejsmiczność indukowana.  Dlatego nadal pozostaje bez odpowiedzi pytanie dlaczego w okresie 13 lat mogły zostać tutaj wywołane trzęsienia ziemi o maksymalnej magnitudzie 5,3 bez potrzeby odprowadzania wody w inny sposób lub innej lokalizacji.