Une équipe de chercheurs en géosciences du Virginia Tech College of Science a développé une nouvelle théorie pour expliquer comment et pourquoi les séismes induits par injection continuent de se produire même lorsque les taux d'injection diminuent.

Les experts savent depuis les années 1960 que lorsque les eaux usées des champs pétrolifères sont pompées dans le sol avec des puits d'injection profonds, des tremblements de terre peuvent se produire. Durant la dernière décennie, les tremblements de terre induits par injection sont devenus des événements réguliers dans les bassins pétroliers et gaziers du monde entier, notamment dans le centre des États-Unis, et potentiellement en Chine et au Canada, également.

La production de pétrole et de gaz s'accompagne souvent d'eaux souterraines très saumâtres, également connu sous le nom de saumure de champ pétrolifère. Ces fluides peuvent être cinq à six fois plus salés que l'eau de mer, ils sont donc toxiques pour les écosystèmes terrestres et ont peu d'utilité bénéfique. Par conséquent, la saumure des champs pétrolifères est considérée comme un déchet qui est éliminé par pompage dans des formations géologiques profondes.

Lorsque les fluides sont pompés dans des puits d'injection profonds, ils modifient la pression des fluides naturels dans les formations géologiques profondes. Ces changements de pression de fluide peuvent déstabiliser les défauts, provoquant des tremblements de terre, comme l'événement dommageable de magnitude 5,8 à Pawnee, Oklahoma, en septembre 2016.

L'une des questions scientifiques les plus épineuses sur les tremblements de terre induits par injection est de savoir pourquoi ils semblent s'approfondir dans des endroits tels que l'Oklahoma et le Kansas, où les taux d'injection ont diminué en raison d'une combinaison de mesures d'atténuation des tremblements de terre et de la baisse de la production de pétrole et de gaz.

Dans une étude publiée le 5 août dans Sciences de l'énergie et de l'environnement , Ryan M. Pollyea, professeur adjoint au Département de géosciences, et une équipe d'étudiants-chercheurs a proposé une nouvelle théorie selon laquelle les eaux usées elles-mêmes jouent un rôle important dans les processus qui provoquent les tremblements de terre induits par l'injection.

"Nous savons que les tremblements de terre s'aggravent en Oklahoma, " dit Pollyea, qui dirige le Computational Geofluids Lab à Virginia Tech, "Nous essayons donc de comprendre quelles conditions rendent cela possible. Nos recherches suggèrent que cela est causé par la combinaison de la géologie, fluides naturels dans les roches du sous-sol, et les eaux usées elles-mêmes."

Bien que les chercheurs sachent depuis des décennies que les injections de fluides en profondeur peuvent déclencher des tremblements de terre, Pollyea a déclaré que les recherches précédentes manquent certains détails conséquents sur la façon dont ils se produisent. Spécifiquement, il a souligné que la saumure des champs pétrolifères a des propriétés très différentes, comme la densité et la viscosité, que l'eau pure, et ces différences affectent les processus qui font que la pression du fluide déclenche des tremblements de terre.

"L'idée de base est que la saumure des champs pétrolifères contient beaucoup de matières solides dissoutes, qui rend les eaux usées plus lourdes que les fluides naturels dans les formations géologiques profondes, " a déclaré Richard S. Jayne, un co-auteur de l'étude et ancien Ph.D. étudiant à Virginia Tech qui est maintenant hydrogéologue de recherche au Sandia National Laboratory, "ainsi les eaux usées denses coulent, augmente la pression du fluide, et provoque des tremblements de terre plus profonds que ce qui serait prédit si les fluides avaient les mêmes propriétés matérielles."

À l'aide de supercalculateurs de la division Advanced Research Computing de Virginia Tech, Pollyea et son équipe ont testé leur idée en produisant plus de 100 modèles d'évacuation des eaux usées des champs pétrolifères en utilisant diverses combinaisons de propriétés géologiques, température des eaux usées, et la densité des eaux usées. Avec cette approche informatique, l'équipe a isolé à la fois les conditions et les processus physiques qui modifient la pression des fluides dans les formations géologiques.

"Nous avons découvert qu'il y a vraiment deux processus différents qui entraînent la pression du fluide profondément dans le sous-sol, où se produisent les tremblements de terre, " dit Pollyea. " Le premier est appelé diffusion de pression, qui se produit lorsque les eaux usées sont forcées dans des formations géologiques déjà pleines d'eau. Ce procédé est connu depuis longtemps, mais le deuxième processus se produit lorsque les eaux usées à haute densité coulent et repoussent les fluides à plus faible densité."

Selon cette nouvelle théorie, la différence de densité entre les eaux usées et les fluides du sous-sol profond est beaucoup plus importante pour l'occurrence des tremblements de terre induits qu'on ne le savait auparavant. "C'est l'un des domaines qui a été négligé dans la recherche sur la sismicité induite, " a déclaré Megan Brown, professeur adjoint de géologie spécialisé dans la sismicité déclenchée par fluide à la Northern Illinois University et n'a pas participé à cette étude. "Les transitoires de pression induits par la densité sont une conséquence intuitive d'un différentiel de densité entre les fluides injectés et les fluides de formation."

Bien que la fréquence des tremblements de terre ait diminué dans le centre des États-Unis depuis les années de pointe de 2014 et 2015, cette nouvelle théorie explique non seulement pourquoi les tremblements de terre deviennent plus profonds en Oklahoma, mais cela explique aussi pourquoi plusieurs séismes de magnitude 5+ ont frappé l'Oklahoma en 2016, lorsque les taux d'injection diminuaient dans tout l'État.

"Un aspect fascinant de notre étude est que les panaches d'eaux usées qui coulent ne nécessitent pas de pompage pour migrer plus profondément sous terre, " dit Pollyea, "En réalité, ils continueront à couler sous leur propre poids pendant des décennies après la fin des injections, et notre étude montre que les eaux usées n'ont pas besoin d'être beaucoup plus lourdes pour que cela se produise."

En termes d'atténuation des tremblements de terre et de pratiques réglementaires, cette étude a des implications de grande envergure :l'équipe de recherche a souligné que des saumures à haute densité se produisent dans de nombreux bassins pétroliers et gaziers aux États-Unis. Mais ils ont également fait valoir que l'utilisation de cette étude dans la pratique nécessite beaucoup plus d'informations sur les fluides. "Cette étude met l'accent sur le besoin de données spécifiques au site et d'un échantillonnage accru, " dit Brown, car "les différences de densité en tant que facteur déterminant des transitoires de pression en champ proche peuvent également conduire à des actions d'atténuation avant l'injection".

Pollyea a déclaré que son équipe de recherche continue de travailler sur sa nouvelle théorie des processus hydrogéologiques à l'origine des tremblements de terre induits. « Nous sommes vraiment intéressés de savoir comment nos idées sur la chimie des fluides affectent les opérations d'injection à l'échelle régionale dans des endroits comme l'Oklahoma et le Texas, " dit Pollyea. " Et l'un de nos récents M.S. diplômés, Graydon Konzen (co-auteur de l'étude), a réalisé de nouveaux travaux passionnants dans ce domaine. »