Podstawowe informacje: Sejsmiczność indukowana

Co to jest sejsmiczność indukowana?

Pojęcie sejsmiczności odnosi się do aktywności związanej z trzęsieniami ziemi na danym terenie, t.zn. do częstotliwości i rozmiarów zdarzeń sejsmicznych. Sejsmiczność indukowana, zwykle rozumiana jako mikrosejsmiczność, powstała w rezultacie działalnosci ludzkiej, takiej jak: 1) górnictwo, 2) konstrukcja dużych zbiorników retencyjnych wody z tamami, 3) wstrzykiwanie płynów w formacje skalne w celu odprowadzenia wody ściekowej, czy 4) spowodowanie przepływu płynów przy zastosowaniu szczelinowania hydraulicznego w zbiornikach geotermalnych lub zawierających węglowodory. Działalność ta powoduje wzrostciśnienia w porach skalnych oraz objętości i ciężaru w podziemnych formacjach skalnych, które mogą spowodować przekroczenie naprężeń krytycznych i nagłe uwolnienie energii, skutkujące pęknięciami i uskokowaniem skał, z jednoczesną generacją fali sejsmicznej.

Dodatkowe informacje na witrynie....

Czym różni się sejsmiczność indukowana od sejsmiczności naturalnej?

W odróżnieniu od sejsmiczności naturalnej (sejsmiczność już istniejąca w tle), sejsmiczność indukowana jest rezultatem działalności ludzkiej. Podstawowa różnica polega na tym, że większość indukowanych zdarzeń sejsmicznych ma małą magnitudę (wielkośc), co oznacza, że nie mogą być one odczuwane przez ludzi na powierzchni ziemi. Prawie we wszystkich przypadkach, maksymalne magnitudy sejsmiczności indukowanej znajdują się poniżej maksymalnej magnitudy trzęsień ziemi naturalnie pojawiających się w danym regionie.

Z punktu widzenia fizyki nie ma różnicy pomiędzy sejsmicznością indukowaną a naturalną; oba typy charakteryzuje zmiana naprężenia w punkcie wady strukturalnej albo przy pęknięciu. Często trudno jest ocenić, zwłaszcza w przypadku umiarkowanych czy dużych zdarzeń sejsmicznych, czy dane zdarzenie sejsmiczne nastąpiło z powodów naturalnych, czy było wynikiem indukcji. Przyczyną tego są istniejące pierwotnie naturalne podziemne pola naprężeń i dodatkowo, ale często o nieznanym rozmiarze, obciążenie spowodowane przez działalność człowieka. Nie ma jeszcze ogólnie akceptowanych jasnych reguł i naukowych metod umożliwiających odróżnić naturalne i indukowane trzęsienia.  

¹Bohnhoff et al. 2010, ^2.dalsze szczegóły zob. USGS website, ³USGS;  *Oparte na obserwacjach od 1900 roku;  **Oparte na obserwacjach od 1900 roku; *** Dane szacunkowe.

Obecnie dostępnych jest wiele krótkoterminowych danych na temat rozmiarów sejsmiczności indukowanej, szczelinowania hydraulicznego pod wysokim ciśnieniem, prowadzonego w warunkach geotermalnych i niekonwencjonalnej produkcji węglowodorów. Ostateczny wniosek jaki można wyciągnąć z tych raportów jest taki, że szczelinowanie hydrauliczne powoduje dużą liczbę małych zdarzeń sejsmicznych oraz, że większość z nich jest zbyt mała aby mogła być zarejestrowana nawet przez geofony na powierzchni. Rys. 1 ilustruje przykład rozłożenia zdarzeń mikrosejsmicznych powstałych w wyniku operacji szczelinowania hydraulicznego na złożu Barnett. Maksymalny zarejestrowany tam rozmiar w skali Richtera wynosił -1,6 (ujemne rozmiary sejsmiczne pojawiają się ponieważ ich obliczanie opiera się na skali logarytmicznej).

Czy można uniknąć sejsmicznośći indukowanej wstrzyknięciem płynu?

Istnieją efektywne sposoby zminimalizowania ryzyka sejsmiczności spowodowanej przez operacje wstrzyknięcia płynu, takie jak odprowadzenie wody do głębokich studni, stymulacja hydrauliczna w czasie operacji geotermalnych lub szczelinowanie hydrauliczne w rezerwuarach węglowodorów.

Geomechanical Study of Bowland Shale Seismicity (Geomechaniczne studium sejsmiczności złoża Bowland), które zawiera ocenę niezwykłej aktywności sejsmicznej w pobliżu terenu poszukiwania gazu łupkowego w hrabstwie Lancashire, w Wielkiej Brytanii, sugeruje sposoby ograniczenia rozmiaru zdarzeń sejsmicznych. Studium to zaleca raptowny wypływ płynu z powrotem po oczyszczeniu i zmniejszenie objętości wody do oczyszczania.  Oprócz tego należy przeprowadzić monitoring sejsmiczny i podjąć należyte działania gdy rozmiar zdarzeń sejsmicznych przekracza ustalony limit.

Protocol for Addressing Induced Seismicity Associated with Enhanced Geothermal Systems (EGS) (Protokól jak rozwiązać problem sejsmiczności indukowanej związanej ze wspomaganym systemem geotermalnym), opublikowany na początku roku 2012 przez Departament d.s. Energii w USA (DoE), jest przewodnikiem po najlepszej praktyce i pokazuje jak rozwiązać problem sejsmiczności indukowanej podczas krótkotrwałych wstrzykiwań wody pod wysokim ciśnieniem do zbiorników geotermalnych. Streszcza on wyniki trzech międzynarodowych spotkań warsztatowych na ten temat i oferuje dokładny opis konkretnych kroków, które należy podjąć aby zminimalizować ryzyko sejsmiczności indukowanej. Techniki stymulujące w systemach geotermalnych są podobne do operacji szczelinowania hydraulicznego w zbiornikach hydrowodorowych i dlatego kroki proponowane w protokole dostarczają cennych informacji dla oceny i opanowania sejsmiczności indukowanej na terenach objętych działalnością związaną z gazem łupkowym. 

W następstwie stwierdzenia sejsmiczności wywołanej szczelinowaniem hydraulicznym w basenie rzeki Horn na północnym-wschodzie kanadyjskiej prowincji Kolumbia Brytyjska, Kanadyjskie Stowarzyszenie Producentów Ropy Naftowej  (CAPP, 2012) również opublikowało protokół, który zaleca:

a/ oszacowanie uskoków, lineacji, już istniejącej sejsmiczności w tle oraz innych możliwych przypadków sejsmiczności indukowanej na danym terenie; b/ opracowanoe wstępnych protokołów operacyjnych, włącznie ze śledzieniem sejsmiczności lokalnej i innych odczuwalnych zdarzeń, a także, jeśli jest to możliwe, wlącznie z monitoringiem mikrosejsmiczności; oraz c/ reagowanie i wzmożenie monitoringu jeśli zostanie zauważone coś znaczącego.   

Przykład jak zredukować ryzyko zdarzeń sejsmicznych związanych ze spuszczaniem wody został opublikowany przez Ake et al. w roku 2005 (abstract). Autorzy ocenili tam związek między występowaniem trzęsień ziemi a parametrami wstrzykiwań (tempo wstrzyknięć, czas trwania pompowania i skład chemiczny wstrzykiwanego płynu) podczas długoterminowego wstrzykiwania słonej wody na dużą skalę w Paradox Valley (Dolina Paradox), Colorado, USA. Wyniki tej analizy pozwoliły na zmodyfikowanie operacji wstrzykiwania w celu zminimalizowania prawdopodobieństwa większych i niszczących trzęsień ziemi.

Jak mierzy się sejsmiczność indukowaną w procesie szczelinowania hydraulicznego?

Aktywność sejsmiczna spowodowana operacjami związanymi ze szczelinowaniem hydraulicznym jest, jak każda inna aktywność sejsmiczna, mierzona przez różne sieci sejsmometrów. Ponieważ sejsmiczność spowodowana operacjami związanymi ze szczelinowaniem hydraulicznym jest niewielkich rozmiarów, tylko sejsmometry znajdujące się w pobliżu na powierzchni ziemi lub wgłębne geofony są w stanie zarejestrować takie sygnały.

W celu rejestracji mikrosejsmiczności związanej ze szczelinowaniem hydraulicznym instaluje się sieć sejsmometrów na powierzchni ziemi w pobliżu miejsca operacji oraz, jeśli to możliwe, w otworach obserwacyjnych w pobliżu odwiertu wtryskującego. Czyni się to dlatego, że otwarcie szczelin w skale łupkowej podczas procesu szczelinowania powoduje aktywność mikrosejsmiczną, która może być namierzona i użyta do monitorowania rozprzestrzeniania się szczeliny w skale. W odróżnieniu od zwykłych (aktywnych) pomiarów sejsmicznych, podczas których fale sejsmiczne są generowane przez źródło aktywności sejsmicznej (n.p. wibrator na ciężarówce), technika zastosowana tutaj nosi nazwe Pasywnego Monitoringu Sejsmicznego, ponieważ nie używa się tu sztucznego źródła aktywności sejsmicznej.

Jakie ryzyko niesie sejsmiczność indukowana?

Kiedy płytkie zdarzenie sejsmiczne przekroczy pewną magnitudę (magnituda>około 3, zob. Tab.1), sejmiczność indukowana, podobnie jak i sejsmiczność występująca naturalnie, może stanowić zagrożenie bezpieczeństwa ludzi, środowiska lub infrastruktury n.p. budynków lub, jak w przypadku eksploatacji gazu łupkowego, sprzętu operacyjnego.

Czy sejsmiczność indukowana może przynieść korzyści?

Operatorzy zwykłe korzystają z sejsmiczności indukowanej ponieważ sejsmiczne pole falowe jest jedynym nośnikiem informacji, który pozwala na scharakteryzowanie powierzchniowego zasięgu powstałej hydroszczeliny.  Informacja ta jest ważna dla operatorów, gdyż określa część zbiornika, który został skruszony, przez co zwiększa się przepustowość i wzmacnia strumień przepływu gazu ze skały do orurowania.

Jaka jest różnica między “zdarzeniem sejsmicznym” a “trzęsieniem ziemi”?

Nie ma różnicy znaczeniowej. Oba terminy używane są w jednakowy sposób w literaturze naukowej w odniesieniu do sejmiczności indukowanej. “Zdarzenie sejsmiczne” (seismic event) jest pojęciem bardziej ogólnym, podczas gdy termin “trzęsienie ziemi” często odnosi się do zdarzeń sejsmicznych o wyższej magnitudzie, odczuwanych przez człowieka. Witryna nasza stosuje termin “zdarzenie sejsmiczne” ponieważ aktywność sejsmiczna związana ze wstrzykiwaniem płynu w objętościach stosowanych przy produkcji gazu łupkowego jest w większości przypadków rzędu mikro lub nano-sejsmicznośći. Tego rodzaju zdarzenia nie są odczuwane przez człowieka na powierzchni i nie powodują żadnych szkód.