Как закачка воды под землю вызывает землетрясения, которые невозможно предугадать

Добыча нефти и природного газа из плотных осадочных пород требует применения специальных методов воздействия на пласт. Наиболее распространенным из них стал гидравлический разрыв пласта (ГРП), или фрекинг. Технология заключается в том, что в глубокую скважину под высоким давлением закачивают миллионы литров смеси воды, песка и химических реагентов. Эта смесь создает в породе сеть искусственных трещин, по которым газ или нефть могут свободно поступать к скважине.

Однако закачка огромных объемов жидкости на глубину в несколько километров меняет естественное распределение сил в земной коре. Жидкость проникает в уже существующие геологические разломы, снижает силу трения между блоками пород и провоцирует их смещение. Это явление называют наведенной, или техногенной, сейсмичностью.

Главная проблема для инженеров и сейсмологов заключается в непредсказуемости таких событий. В одних случаях крупному землетрясению предшествует серия мелких толчков — форшоков, которые дают службам мониторинга время среагировать и остановить работы. В других случаях подземный сдвиг магнитудой 3 или выше происходит внезапно, в условиях полной сейсмической тишины.

Международная группа исследователей проанализировала десятилетний массив геологических данных и опубликовала в журнале Science статью, в которой объяснила физические причины этой разницы.

Технология гидроразрыва и возникновение сейсмических волн

Чтобы понять, как гидроразрыв провоцирует землетрясения, необходимо рассмотреть механику взаимодействия жидкости и твердой породы.

В естественном состоянии геологический разлом удерживается в неподвижности за счет колоссального давления вышележащих слоев земли. Трение между двумя соприкасающимися плоскостями разлома не дает им сдвинуться относительно друг друга, даже если тектонические силы пытаются сместить один блок относительно другого.

Когда в пласт под давлением подается технологический раствор, он заполняет микроскопические поры и пустоты в породе. В результате возрастает так называемое поровое давление — давление жидкости внутри самой породы. Это давление действует во все стороны и буквально отталкивает берега разлома друг от друга.

Сила нормального сжатия между блоками уменьшается, а вместе с ней падает и сила трения. Если накопленные в этом месте тектонические напряжения превышают оставшуюся силу трения, происходит сдвиг: блоки породы быстро смещаются относительно друг друга, высвобождая энергию в виде сейсмических волн, которые достигают поверхности.

Десятилетний архив наблюдений в Западной Канаде

До сих пор оставалось неясным, почему перед одними крупными сдвигами порода издает множество слабых предварительных толчков, а перед другими сохраняет абсолютное спокойствие. Существовала гипотеза, что все зависит исключительно от интенсивности работ: чем быстрее и больше жидкости нагнетается под землю, тем больше мелких трещин образуется перед главным ударом.

Для проверки этой теории ученые изучили сейсмическую историю Западной Канады с 2014 по 2024 год. Этот регион представляет собой один из центров добычи нетрадиционных углеводородов и одновременно оборудован плотной сетью сейсмографических станций.

Исследователи выполнили следующую работу:

• Сформировали базу данных, включающую около 70 000 сейсмических событий различной силы.
• Выделили 77 землетрясений с локальной магнитудой 3,0 и более, причиной которых доказанно стал гидравлический разрыв пласта.
• Сопоставили каждое событие с поминутными технологическими отчетами о работе насосных станций (объем закачанной воды, давление, темп закачки).
• Изучили данные спутниковых радаров, измеряющих смещение поверхности земли с точностью до нескольких миллиметров.
• Наложили эти данные на детальные трехмерные геологические карты разломов региона.

Результаты анализа: статистика форшоков

Анализ показал, что предварительные толчки действительно характерны для большинства техногенных землетрясений, но их проявление крайне неоднородно.

В 71 случае из 77 главному сейсмическому удару предшествовали мелкие толчки, зафиксированные в радиусе пяти километров и в пределах пяти суток до основного события. Таким образом, форшоковая активность наблюдалась более чем в 92% случаев.

Однако количественный разброс оказался огромным:

1. В самом активном случае перед главным ударом приборы зарегистрировали более 700 предварительных микроземлетрясений.
2. В большинстве случаев количество форшоков исчислялось десятками или единицами.
3. В 6 случаях землетрясения магнитудой 3,0 и выше произошли без единого предварительного толчка в течение пяти дней в радиусе пяти километров.

Когда исследователи попытались связать эти различия с параметрами работы насосов, выяснилось, что скорость нагнетания раствора и его суммарный объем не определяют число форшоков напрямую. Высокое давление и большие объемы закачки необходимы для того, чтобы сдвинуть пласты, но они не объясняют, почему один разлом генерирует сотни слабых толчков, а другой разрушается сразу.

Роль локального строения разломов

Главная причина разницы в поведении пород кроется в их исходном геологическом и механическом состоянии. Исследователи разделили изученные участки на две категории: чувствительные зоны и механически прочные зоны.

Чувствительные зоны. На этих участках разломы уже находились в напряженном состоянии, близком к пределу прочности, еще до начала бурения. Кроме того, порода в таких зонах неоднородна и состоит из множества мелких контактных точек с разным уровнем сцепления.

Когда в такой разлом попадает жидкость, первыми начинают скользить наименее прочные участки. Каждый локальный сдвиг порождает отдельный микротолчок — форшок. Поскольку таких точек много, приборы фиксируют длительную серию слабых сейсмических сигналов, пока напряжение постепенно передается на всю плоскость разлома, приводя к финальному землетрясению.

Прочные и монолитные зоны. На других участках разломы обладают высокой механической прочностью и равномерным сцеплением блоков по всей площади контакта. Порода способна выдерживать высокое поровое давление жидкости без образования мелких локальных трещин.

Напряжение в таких структурах накапливается непрерывно и беззвучно. Микротолчки не возникают, потому что отдельные части разлома не могут сдвинуться независимо от остальных. Когда поровое давление преодолевает предел прочности всей структуры целиком, происходит мгновенный срыв по всей площади разлома. В результате землетрясение происходит сразу с высокой магнитудой, без каких-либо предупредительных сигналов на сейсмографах.

Три физических механизма подготовки землетрясения

Объединив данные сейсмологии и спутниковой геодезии, ученые установили, что закачка жидкости может приводить к крупному сейсмическому событию тремя различными путями.

1. Асейсмическое скольжение в зоне будущего разрыва

Жидкость снижает трение между породами, вызывая их очень медленное и плавное смещение. Скорость этого процесса настолько мала, что упругие сейсмические волны не возникают, и стандартные сейсмографы не фиксируют никаких сигналов. Однако спутниковые радары показывают, что поверхность земли над скважиной начинает медленно деформироваться.

Это медленное движение постепенно разрушает микроскопические неровности на плоскости разлома, уменьшая общую площадь сцепления пород. Когда площадь контакта сокращается до критического минимума, оставшаяся часть разлома теряет устойчивость и смещается с высокой скоростью, создавая обычное землетрясение.

2. Перенос механической нагрузки на заблокированный участок

В реальных геологических условиях разлом никогда не бывает однородным: одни его участки проницаемы для воды, а другие представляют собой плотные, водонепроницаемые барьеры.

Когда жидкость попадает в проницаемую часть разлома, там начинается описанное выше медленное бесшумное скольжение. Смещаясь, этот блок перестает удерживать свою долю тектонической нагрузки и передает ее на соседний, сухой и прочно заклиненный участок.

Напряжение на этом локальном барьере резко возрастает. Поскольку сам барьер прочен и не содержит жидкости, он не генерирует форшоков, а накапливает механическую энергию до тех пор, пока прочность породы не будет превышена. В этот момент барьер разрушается, вызывая внезапный сейсмический толчок.

3. Каскадное разрушение через серию микротолчков

В сильно фрагментированных породах закачка жидкости приводит к возникновению множества независимых микротрещин. Каждый микротолчок вызывает локальное перераспределение напряжений в радиусе нескольких метров вокруг себя.

Если плотность таких событий достаточно высока, они начинают взаимодействовать друг с другом: сдвиг в одной точке увеличивает нагрузку на соседнюю точку, провоцируя новый толчок. В итоге формируется непрерывная цепь мелких разрушений, которая объединяет отдельные трещины в единую плоскость разрыва и завершается крупным землетрясением.

Недостатки существующих систем контроля безопасности

В настоящее время в странах, где ведется добыча методом ГРП (включая Канаду, США и Великобританию), безопасность регулируется правилами, известными как «протоколы светофора».

Эта система устанавливает прямую зависимость между действиями оператора скважины и показаниями сейсмографов:

• Зеленый уровень. Сейсмическая активность отсутствует или не превышает естественного природного фона. Закачка смеси продолжается по утвержденному плану.
• Желтый уровень. Приборы фиксируют серию слабых толчков (обычно магнитудой от 1,0 до 2,0). Это считается предупредительным сигналом. Оператор обязан снизить давление закачки, уменьшить объем подаваемой жидкости или изменить режим работы насосов.
• Красный уровень. Фиксируется толчок, превышающий установленный порог безопасности (часто это магнитуда 2,5 или 3,0 в зависимости от региона). Все работы немедленно останавливаются, скважина глушится, а давление сбрасывается.

Главный вывод нового исследования заключается в том, что «протоколы светофора» эффективны только для разломов первого типа, где землетрясению предшествует каскад форшоков. В этом случае появление микротолчков действительно позволяет вовремя включить «желтый уровень» и предотвратить более мощный сдвиг.

Если же работы ведутся вблизи прочного, заблокированного разлома, система безопасности оказывается бесполезной. Поскольку форшоков нет, датчики на протяжении всего времени показывают «зеленый уровень». Переход на «красный уровень» происходит не постепенно, а мгновенно — в момент, когда сильное землетрясение уже произошло.

Пути модернизации систем мониторинга

Авторы исследования утверждают, что оценка сейсмической опасности не может опираться только на показания стандартных сейсмографов и универсальные для всех скважин пороговые значения магнитуды.

Для предотвращения внезапных техногенных землетрясений необходим переход к комплексной модели контроля, которая включает три основных элемента:

1. Предварительное картирование механических свойств пласта. До начала работ операторы должны проводить детальные геофизические исследования, чтобы определить не только наличие разломов, но и их исходное напряженное состояние, проницаемость и механическую прочность.
2. Использование высокоточной геодезии в реальном времени. Поскольку медленные асейсмические смещения не создают звуковых волн, их невозможно зафиксировать сейсмометрами. Однако их можно обнаружить с помощью спутниковой радарной интерферометрии и наземных высокоточных GPS-станций, которые регистрируют подъем и смещение земной коры над местом закачки. Обнаружение таких деформаций должно служить прямым сигналом к снижению давления, даже если сейсмографы не фиксируют никаких толчков.
3. Физико-математическое моделирование зарождения очага. Вместо простых статистических правил необходимо использовать численные модели механики сплошных сред, которые рассчитывают, как закачка заданного объема флюида в конкретную геологическую структуру изменит напряжения на соседних заблокированных участках.

Значение для смежных отраслей

Результаты исследования выходят за рамки добычи сланцевых углеводородов. Проблема наведенной сейсмичности актуальна для целого ряда современных технологий, связанных с закачкой жидкостей и газов в глубокие геологические пласты.

В первую очередь это касается глубокой геотермальной энергетики. Для получения тепла из сухих кристаллических пород на глубине нескольких километров бурят скважины и закачивают в них воду под давлением, создавая искусственные резервуары. Этот процесс физически идентичен гидроразрыву пласта и также нередко сопровождается сейсмическими толчками, что в прошлом приводило к закрытию крупных геотермальных проектов в Европе.

Вторая область применения — технологии улавливания и захоронения углекислого газа. Чтобы снизить промышленные выбросы в атмосферу, углекислый газ сжимают до жидкого состояния и закачивают в истощенные нефтегазовые месторождения или глубокие водоносные горизонты на постоянное хранение. Внезапное сейсмическое смещение по разлому может не только вызвать сотрясение поверхности, но и разрушить герметичность покрывающих пород, что приведет к утечке захороненного газа.

Понимание того, почему одни геологические структуры смещаются плавно или с предупреждающими микротолчками, а другие накапливают напряжение для внезапного сдвига, позволяет заранее оценивать пригодность конкретных пластов для любых подземных инженерных работ.

Безопасность использования недр требует отказа от единых шаблонных правил в пользу индивидуального расчета механики каждого разлома.

Источник: Science