Des puits forés dans la formation d'Arbuckle en Oklahoma injectent des eaux usées (1) qui se dispersent ensuite à travers la roche. Au fur et à mesure qu'il se répand, les eaux usées peuvent déclencher des séismes dans les zones de faille (2), mais leur taille dépend de la quantité injectée et des propriétés de la roche. Le nouveau modèle peut prédire les probabilités de séisme par la quantité d'eaux usées injectée. Crédit :Guang Zhai, Manoochehr Shirzaei/ASU
Un sous-produit de la production de pétrole et de gaz est une grande quantité d'eaux usées toxiques appelées saumure. Les foreurs éliminent la saumure en l'injectant dans des formations rocheuses profondes, où son injection peut provoquer des tremblements de terre. La plupart des tremblements de terre sont relativement petits, mais certains d'entre eux ont été importants et dommageables.
Pourtant, il est difficile de prédire la quantité d'activité sismique provenant de l'injection d'eaux usées car cela implique de nombreuses variables. Il s'agit notamment de la quantité de saumure injectée, avec quelle facilité la saumure peut se déplacer à travers la roche, la présence de failles géologiques existantes, et les contraintes régionales sur ces failles.
Maintenant, une équipe de géoscientifiques dirigée par l'Arizona State University, travaillant dans le cadre d'une subvention du ministère de l'Énergie, a développé une méthode pour prédire l'activité sismique de l'évacuation des eaux usées. La zone d'étude de l'équipe est en Oklahoma, un état où une grande activité de fracturation a été réalisée avec beaucoup d'injection d'eaux usées, et où il y a eu plusieurs tremblements de terre induits produisant des dommages.
Le document de l'équipe faisant état de ses conclusions est paru dans le Actes de l'Académie nationale des sciences le 29 juillet, 2019.
"Globalement, les risques sismiques augmentent avec l'activité sismique de fond, et qui résulte de changements dans le stress crustal, " dit Guang Zhai, chercheur postdoctoral à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU et chercheur adjoint invité à l'Université de Californie, Berkeley. "Notre objectif a été de modéliser la physique de ces changements résultant de l'injection d'eaux usées."
Zhai est l'auteur principal de l'article, et les autres scientifiques sont Manoochehr Shirzaei, professeur agrégé à l'École, plus Michael Manga, de l'Université de Berkeley, et Xiaowei Chen, de l'Université de l'Oklahoma.
« L'activité sismique a grimpé en flèche dans une zone pendant plusieurs années après que l'injection d'eaux usées a été considérablement réduite, " dit Shirzaei. " Cela nous a dit que les méthodes de prédiction existantes étaient inadéquates. "
Le modèle montre des courbes de probabilité de tremblement de terre pour le centre de l'Oklahoma augmentant jusqu'en 2015 en raison de l'injection de saumure. Une fois l'injection réduite et supposée se terminer en 2017, la saumure continue de se diffuser dans la roche, et les courbes reculent aux niveaux de fond. Le nouveau modèle permet aux opérateurs de calculer la probabilité de séisme pour divers scénarios d'injection, maximiser l'injection tout en minimisant les risques. Crédit :Guang Zhai/ASU
Retour aux sources
Pour régler le problème, son équipe est revenue à l'essentiel, en observant comment des quantités variables de saumure injectée ont perturbé les contraintes crustales et comment celles-ci conduisent à des tremblements de terre sur une faille donnée.
"Les fluides tels que la saumure (et les eaux souterraines naturelles) peuvent à la fois être stockés et se déplacer à travers des roches poreuses, " dit Zhai.
La clé était de construire un modèle basé sur la physique qui combinait la capacité de la roche à transporter la saumure injectée, et la réponse élastique de la roche à la pression du fluide. Explique Shirzaei, "Notre modèle comprend les enregistrements collectés au cours des 23 dernières années de saumure injectée dans plus de 700 puits de l'Oklahoma dans la formation Arbuckle."
Il ajoute que pour rendre le scénario réaliste, le modèle inclut également les propriétés mécaniques des roches de l'Oklahoma. Le résultat a été que le modèle a prédit avec succès les changements dans le stress crustal qui proviennent de l'injection de saumure.
Pour la dernière étape, Shirzaei dit, "Nous avons utilisé un modèle physique bien établi de la façon dont les tremblements de terre commencent afin que nous puissions relier les perturbations du stress au nombre et à la taille des tremblements de terre."
L'équipe a découvert que le cadre basé sur la physique reproduit bien la distribution des séismes réels par fréquence, ordre de grandeur, et le temps.
"Une découverte intéressante, " dit Zhai, « était-ce qu'un petit changement dans la réponse élastique des roches aux changements de pression du fluide peut amplifier plusieurs fois le nombre de tremblements de terre. C'est un facteur très sensible. »
La production de pétrole et de gaz nécessite l'élimination des eaux usées, qui est injecté dans des formations rocheuses très souterraines à travers des puits comme celui-ci. Afin de minimiser les risques sismiques de ce processus, une équipe dirigée par l'ASU a créé un nouveau modèle de prévision de la sismicité induite par l'injection d'eaux usées. Crédit :KFOR-TV, La Ville d'Oklahoma
Rendre la production plus sûre
Alors que l'injection d'eaux usées peut provoquer des tremblements de terre, toutes les grandes productions pétrolières et gazières créent une grande quantité d'eaux usées qui doivent être éliminées, et l'injection est la méthode utilisée par l'industrie.
« Donc, pour rendre cela plus sûr à l'avenir, " dit Shirzaei, « Notre approche offre un moyen de prévoir les séismes causés par l'injection. Cela fournit à l'industrie un outil pour gérer l'injection de saumure après les opérations de fracturation.
Connaissant le volume de saumure à injecter et l'emplacement du puits de stockage, les autorités peuvent estimer la probabilité qu'un tremblement de terre d'une ampleur donnée se produise. De telles probabilités peuvent être utilisées pour l'évaluation des risques sismiques à court terme.
Alternativement, l'équipe dit, étant donné la probabilité qu'un tremblement de terre d'une certaine ampleur se produise, les opérateurs pétroliers et gaziers peuvent gérer le volume de saumure injecté pour maintenir la probabilité de grands tremblements de terre en dessous d'une valeur choisie.
Le résultat final, dit Zhai, « est-ce que ce procédé permettra une pratique plus sûre, profitant à la fois au grand public et à l'industrie de l'énergie.
