الزلزالية المتحرضة (المستحثة) عن تقنيات الطاقة (الجزء الرابع)

النشاط الزلزالي المستحث في بازل، سويسرا:

تقع بازل، سويسرا في المنطقة الجنوبية الشرقية من نهر الراين العلوي، وهو حوض محاط بالفوالق وقد تم اختياره كموقع لمحطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية المخطط لها.

من المعروف أن بازل منطقة معرضة لخطر الزلازل لكنها لم تتعرض لزلزال مدمر منذ زلزال بقوة 6.2 درجة في عام 1356 والذي دمر جزءا كبيرا من المدينة.

نظرًا للوعي بالزلازل التاريخية قام مشغلو ومخططو مشروع الطاقة الحرارية الأرضية بتركيب أجهزة استشعار زلزالية على مستوى البئر والسطح والتي شكلت شبكة لرصد أي زلزال سواء كان طبيعيا أو مستحثا.

تضمنت جهود المراقبة حفر ستة آبار مراقبة يتراوح عمقها من 300 مترا إلى 2750 مترا بالإضافة إلى مجموعة سطحية من أجهزة كشف الحركة الضعيفة والقوية.

بدأ تسجيل النشاط الزلزالي في أوائل عام 2006 لتسجيل النشاط الزلزالي.

خدمت شبكة مراقبة الزلازل عدة أغراض حيث سجلوا الزلازل قبل بدء تحفيز البئر وتم استخدامها لرصد تكسير خزان الطاقة الحرارية الأرضية (الهدف من التحفيز).

أخيرا يمكنهم تقديم معلومات (الحجم والموقع) عن أي زلزال مستحث قد يحدث نتيجة للتحفيز.

تم ربط جميع محطات المراقبة بحيث يمكن تسجيل البيانات في الوقت الفعلي وتحليلها بسرعة.

بدأ حفر بئر عميقة للطاقة الحرارية الأرضية بالقرب من مركز مدينة بازل الشكل(1) في مايو 2006 وتم الانتهاء منه بعد بضعة أشهر.

بدأ تحفيز البئر لإحداث كسور للتبادل الحراري مع مصدر الطاقة الحرارية الأرضية على ارتفاع 5000 مترا في 2 ديسمبر وكان مصحوبا بزيادة كبيرة في عدد الأحداث الزلزالية الصغيرة الشكل(2).

وفقًا للإجراءات تم إيقاف الحقن في ساعات الصباح الباكر من يوم 8 ديسمبر بعد حوالي 11500 متر مكعب من حقن الماء وبعد تسجيل الأحداث الزلزالية 2.6 و2.7.

خلال فترة الحقن هذه تم تسجيل أكثر من 10500 حدث زلزالي، وبينما كان البئر مغلقا استمر النشاط الزلزالي ولذلك تقرر “تصريف” الضغط (تقليل الضغط من خلال التحرير المتحكم فيه).

في 8 ديسمبر وقع زلزال بقوة 3.4 درجة في بازل وشعر به السكان المحليون بوضوح.

أعقب ذلك ثلاثة أحداث أخرى أكبر من 3.0.

تم تعليق المشروع على الفور ثم تم التخلي عنه في النهاية بعد مرور 3 سنوات تقريبا بعد إجراء مزيد من الدراسة وتقييم المخاطر بعد هذه الأحداث الزلزالية.

من المرجح أن يستمر النشاط الزلزالي المتزايد لمدة تتراوح من 7 إلى 20 عاما بناء على نماذج للزلازل المستحثة.

يبين الشكل(1) نشاط الحفر في وسط مدينة، ويببن الشكل(2) الأحداث الزلزالية وضغط رأس البئر في بازل.

إنتاج النفط والغاز التقليدي بما في ذلك الاستخلاص المعزز للنفط:

في خزان النفط أو الغاز التقليدي يتم ضغط صخور الخزان عموما فوق الضغط الهيدروستاتيكي بسبب ضغط الصخور الرسوبية عبر الزمن الجيولوجي.

إن استخدام مصطلح “الخزان” شائع ولكنه قد يكون مضللا، فالغاز أو النفط لا يوجد في بركة واحدة كبيرة في الصخور ولكن في مسام التكوين الصخري.

يقلل الضغط من مساحة المسام الموجودة بشكل طبيعي في الصخر (يقلل من المسامية) وإما يزيح سوائل المكمن (الهيدروكربونات والماء) أو يزيد الضغط في المكمن أو كليهما.

عند اختراقها بواسطة حفرة البئر بمساعدة الضخ، تتدفق السوائل الموجودة في الطبقة المضغوطة إلى السطح حتى ينخفض الضغط في الخزان إلى الضغط الهيدروستاتيكي. يؤدي انخفاض الضغط أيضا إلى خروج الغاز من السائل، تماما مثل زجاجة الصودا عند إزالة الغطاء.

يمكن أن يساعد الغاز المنبعث أيضا في دفع النفط إلى السطح حتى ينخفض الضغط إلى الظروف الهيدروستاتيكية.

تعتبر الآبار المتدفقة والمضخوخة “استردادا أوليا” من البئر ويتم استرداد حوالي 12 إلى 20 بالمائة من النفط الأصلي الموجود في المكمن بهذه الطريقة، وينتج معدل الاسترداد المنخفض نسبيا عن عدة عوامل بما في ذلك (1) انخفاض ضغط مسام الخزان الطبيعي بمرور الوقت؛ (2) المسامية والنفاذية الطبيعية للتكوين الصخري (وهو مؤشر على مدى سهولة انتقال النفط عبر التكوين إلى حفرة البئر)؛ و(3) لزوجة النفط، والتي عندما تقترن بالمسامية والنفاذية، تعد أيضا مؤشرا على سهولة انتقال النفط عبر الصخور.

تعد معدلات استرداد الغاز الطبيعي أعلى عموما من النفط (يمكن استرداد ما يصل إلى 50 إلى 80 بالمائة من خلال طرق الإنتاج الأولية) لأن الغاز يتمدد بشكل طبيعي عند تحرير الضغط وله لزوجة أقل من النفط السائل، مما يساهم في الحركة الطبيعية للغاز أعلى حفرة البئر (الراعي، 2009). عندما لا يكون الاستخلاص الأولي قابلاً للتطبيق، قد تستخدم شركات النفط مجموعة متنوعة من التقنيات لاستخراج ما تبقى من النفط والغاز، وتشمل هذه التقنيات ما يسمى بطرق الاسترداد الثانوية والثالثية؛ ويشار عموما إلى الاستخلاص الثالثي أيضا باسم الاستخلاص المعزز للنفط (EOR).

يوضح الشكل(3) الاختلافات بين طرق الاسترداد الأولية والثانوية والثالثية (يوضح تطور إنتاج النفط من الاستخلاص الأولي إلى الاستخلاص الثالث. IOR هو تحسين استخلاص النفط؛ EOR هو الاستخلاص المعزز للنفط).

إنتاج النفط والغاز الأولي:

على الرغم من أن النشاط الزلزالي المحسوس المعروف بأنه مرتبط بإنتاج النفط الأولي غير شائع مقارنة بالعدد الكبير من حقول النفط والغاز العاملة في جميع أنحاء العالم، فقد تم ربط سحب (استخراج) النفط والغاز بالأحداث الزلزالية المحسوسة في 38 موقعا على مستوى العالم، 20 منها كانوا في الولايات المتحدة، وقد شملت هذه الأحداث أحداثا وقعت في تكساس وأوكلاهوما وكاليفورنيا ولويزيانا وإلينوي ونبراسكا، وكانت غالبيتها M < 4.0، والأحداث الموثقة جيدا في حقل غاز لاك في جنوب غرب فرنسا، والأحداث الكبرى في حقل غازلي للغاز في أوزبكستان.

يمكن أن يؤدي سحب النفط أو الغاز من تحت السطح إلى انخفاض صافي في ضغط المسام في الخزان مع مرور الوقت، خاصة إذا لم يتم إعادة حقن السوائل للحفاظ على أو استعادة ظروف ضغط المسام الأصلية، ويمكن أن يسبب هذا التغيير في ضغط المسام تغيرات في حالة إجهاد الكتلة الصخرية المحيطة والفوالق القريبة مع احتمال أن تؤدي إلى أحداث زلزالية مستحثة.

الزلازل المستحثة المتعلقة باستخراج الغاز الطبيعي، حالة من حقل غازلي، أوزبكستان:

يقع حقل غازلي للغاز على بعد حوالي 800 كيلومتر شرق بحر قزوين في منطقة زلزالية بشكل عام في أوزبكستان، تم اكتشاف رواسب الغاز في عام 1956 وبدأ إنتاج الغاز في عام 1962.

يقع حقل الغاز ضمن محدب كبير (38 كيلومترا في 12 كيلومترا) فوق صخور بلورية.

تم حقن كميات كبيرة من المياه بين عامي 1962 و1976 لتعزيز الإنتاج، ولكن تم الإبلاغ عن هبوط وانخفاض ضغط الغاز على الرغم من هذا الحقن.

انخفض الضغط الأولي في حقل الغاز البالغ حوالي 70 ضغطا جويا في الستينيات إلى حوالي 30-35 ضغطا جويا بحلول عام 1976 وإلى حوالي 15 ضغطا جويا بحلول عام 1985، ويشير هذا الانخفاض في الضغط إلى إزالة صافية للكتلة، حتى مع حقن كميات كبيرة من الماء.

على الرغم من أن المشغلين الميدانيين قد بدأوا في استخدام تقنيات الاسترداد الثانوية (الغمر بالمياه)، فإن سبب الزلازل يعزى إلى انخفاض الضغط بسبب سحب السوائل.

في 8 أبريل 1976 وقع زلزال بقوة 7 درجات على بعد حوالي 20 كيلومترا شمال حدود حقل الغاز، وأعقب ذلك زلزال آخر من الدرجة M ~ 7 في 17 مايو 1976، ووقع زلزال كبير ثالث أيضا M ~ 7 في 20 مارس 1984، وكان مركز الزلازل الثلاثة جميعها على بعد 10-20 كيلومترا شمال حدود حقل الغاز، على مسافة من الشرق إلى الغرب تبلغ حوالي 50 كيلومترا، كانت الأعماق تحت المركزية المبلغ عنها لهذه الزلازل الكبيرة 10-15 كيلومترًا.

أشارت القياسات الجيوديسية إلى ارتفاع السطح بحوالي 70-80 سم شمال حقل الغاز في المواقع المركزية للزلازل الثلاثة الكبيرة ويتوافق هذا الارتفاع مع حركة الدفع على الصدوع التي تنحدر إلى الشمال ولكن يبقى بعض عدم اليقين بشأن العلاقة السببية بين استخراج الغاز ونشاط الزلزال، ولكن ملاحظات ارتفاع القشرة الأرضية وقرب هذه الزلازل الكبيرة من حقل الغاز غازلي في منطقة كانت هادئة زلزاليا سابقا تشير بقوة إلى أنها كانت ناجمة عن استخراج الهيدروكربون.

الاستخلاص الثانوي للنفط والغاز:

الاسترداد الثانوي هو عملية حقن الماء أو الغاز (المعروف باسم صيانة الضغط) في خزان البترول حيث يحل الماء أو الغاز محل الهيدروكربونات من أجل الحفاظ على ضغط المكمن؛ قد يذوب الغاز المحقون في النفط مما يقلل من لزوجته.

تقوم عمليات الاسترداد الثانوية بدفع الهيدروكربونات المحبوسة في الصخور من بئر الحقن نحو آبار الإنتاج، يمكن أن تؤدي مشاريع صيانة غمر المياه أو الضغط إلى استعادة ما يصل إلى 40 بالمائة من النفط الأولي الموجود في المكمن.

يبلغ عدد الآبار المسموح بها التي تستخدم الغمر المائي في الولايات المتحدة حوالي 108000 بئر، وفي تكساس وحدها تشير البيانات الحالية الصادرة عن لجنة السكك الحديدية في تكساس إلى أنه يسمح حاليا لأكثر من 36000 بئر باستخدام حقن المياه المالحة لأغراض الاسترداد الثانوي.

يبين الشكل(4) رسم تخطيطي يوضح طريقة الغمر المائي للاسترداد الثانوي.

يتم التحكم بشكل عام في ضغوط وأحجام الحقن في مشاريع الغمر بالمياه لتجنب زيادة ضغط المسام في الخزان أعلى من ضغط مسام الخزان الأولي، ومع ذلك يمكن أن يزيد ضغط مسام الخزان نتيجة للغمر المائي، وقد تكون الأحداث الزلزالية المستحثة في 27 موقعا على مستوى العالم (18 منها في الولايات المتحدة) ناجمة عن أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بالغمر المائي. تسبب الغمر المائي في حقل رانجيلي في كولورادو في إحداث أحداث زلزالية بمقاييس تصل إلى 3.4، وبالقرب من سنايدر تكساس حدثت أحداث زلزالية بمقاييس تصل إلى 4.6 في عام 1978 بعد بدء مشروع كبير للغمر بالمياه في حقل كوغديل.

الاستخلاص الثلاثي للنفط والغاز (الاستخلاص المعزز للنفط – EOR):

الاسترداد الثلاثي هو عملية استرداد كميات أكبر (غالبا ما تزيد عن 50 بالمائة) من النفط والغاز الأصلي الموجود في المكمن ويتم البدء فيه بشكل عام، وإن لم يكن حصريا، بعد استخدام عمليات الاسترداد الثانوية.

بالإضافة إلى الحفاظ على ضغط مسام المكمن تساعد طرق الاستخلاص المعزز للنفط على إزاحة الهيدروكربونات نحو بئر الإنتاج، يمكن تجميع هذه الطرق على نطاق واسع في ثلاث فئات رئيسية: الإزاحة الحرارية والامتزاج والحقن الكيميائي (غمر البوليمر).

تستخدم طرق الحقن الكيميائي في المقام الأول في كاليفورنيا ولكنها لا تستخدم بشكل شائع في أماكن أخرى من الولايات المتحدة ولم تتم مناقشتها بشكل أكبر.

نلاحظ أن الطرق “الأخرى” التي تشمل الأساليب الصوتية والكهرومغناطيسية لا يتم استخدامها بشكل متكرر ولا تتم مناقشتها بشكل أكبر.

تعمل التقنيات الحرارية على تغيير لزوجة النفط في المكمن عن طريق تسخينه عن طريق حقن البخار أو الهواء، يؤدي التسخين إلى تقليل لزوجة السائل ويسمح للهيدروكربونات بالتدفق بسهولة أكبر عبر الخزان باتجاه بئر الإنتاج، وتستخدم هذه الطريقة في أكثر من 40% من عمليات الاستخلاص المعزز للنفط في الولايات المتحدة، ويتم استخدامها بشكل شائع في الحقول ذات النفط عالي اللزوجة.

يتم استخدام الإزاحة غير القابلة للامتزاج عموما للزيوت ذات اللزوجة المنخفضة وتتضمن حقن غازات مثل النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون الذي يمكن أن يقلل من لزوجة النفط ويزيحه فعليا نحو آبار الإنتاج، يبين الشكل(5) تعزيز استخلاص النفط من خلال حقن ثاني أكسيد الكربون، ويستخدم ما يقرب من 60 بالمائة من مشاريع الاستخلاص المعزز للنفط في الولايات المتحدة تقنية حقن الغاز هذه.

في الولايات المتحدة تم حقن ما يزيد عن 600 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون في حوالي 13000 بئر من أجل الاستخلاص المعزز للنفط اعتبارا من عام 2007، وتشير السجلات الحالية الصادرة عن لجنة السكك الحديدية في تكساس إلى أنه يسمح بوجود أكثر من 9400 بئر في تكساس وحدها لحقن ثاني أكسيد الكربون من أجل الاستخلاص المعزز للنفط، ومن بين آلاف الآبار العديدة المستخدمة في الاستخلاص المعزز للنفط في الولايات المتحدة، لم تجد اللجنة أي حالات موثقة من الزلزالية المستحثة في الأدبيات المنشورة أو من الخبراء في المجال الذين تواصلت معهم اللجنة أثناء الدراسة.

قد يكون أحد أسباب النقص الواضح في النشاط الزلزالي المستحث باستخدام الاستخلاص المعزز للنفط هو أن عمليات الاستخلاص المعزز للنفط تحاول بشكل روتيني الحفاظ على ضغط المسام داخل الحقل عند مستويات قريبة من ضغوط مسام ما قبل الإنتاج، هذا “التوازن” في ضغط المسام يعني حدوث الحد الأدنى فقط من تغير الضغط في الخزان، مما يقلل من احتمال حدوث أحداث زلزالية؛ يتم تحقيق الحفاظ على ضغط المسام على نطاق واسع من خلال الحفاظ على التوازن بين كمية السائل الذي يتم حقنه والكمية التي يتم سحبها، ويعتبر الاستخلاص المعزز للنفط باستخدام حقن ثاني أكسيد الكربون أيضا أحد أشكال احتجاز الكربون وتخزينه (CCS)، وهي تقنية قيد التطوير على نطاق أوسع في العديد من البيئات الجيولوجية الأخرى كجزء من الجهود المبذولة لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة.

إنتاج النفط والغاز غير التقليدي بما في ذلك خزانات النفط الصخري:

تختلف نفاذية الصخور في باطن الأرض بشكل كبير، قد تحتوي تكوينات الحجر الطيني أو الحجر الغريني أو الصخر الزيتي التي تحتوي على نسبة عالية من المحتوى العضوي على كميات كبيرة من الغاز الطبيعي والنفط ولكنها ذات نفاذية منخفضة جدا، يطلق على تكوين الصخر الزيتي الذي يحتوي في الغالب على الغاز أو النفط اسم خزان الصخر الزيتي.

الصخر الزيتي الذي يتم حفره بنشاط لتطوير النفط والغاز في الولايات المتحدة هو، على سبيل المثال، تكوينات بارنيت ومارسيلوس وإيجل فورد وباكن الشكل(6)، يبين الشكل(6) موقع مناطق الاستكشاف أو الإنتاج النشط للهيدروكربونات الصخرية (النفط والغاز) في الولايات المتحدة المتجاورة. المناطق ذات اللون الوردي الفاتح هي أحواض رسوبية رئيسية، المناطق الوردية الداكنة (مثل إيجل فورد وبارنيت) تخضع للتطوير النشط وإنتاج الغاز أو النفط من الصخر الزيتي، المناطق البرتقالية هي مناطق محتملة يتم استكشافها حاليا لتطوير النفط أو الغاز المحتمل من الصخر الزيتي. قد تتداخل عدة وحدات من الصخر الزيتي ذات أعمار مختلفة مع بعضها البعض، ويتم تحديد هذه الوحدات بخطوط سميكة حمراء وزرقاء وأرجوانية تمثل وحدات الصخر الزيتي من الأحدث إلى الأقدم على التوالي.

على عكس حقول النفط والغاز التقليدية، حيث تشكلت الهيدروكربونات في صخور مصدر عالية المحتوى العضوي ثم هاجرت عبر الزمن الجيولوجي إلى صخور مسامية مثل الحجر الرملي والحجر الجيري التي تعمل كخزانات اليوم، تطورت الهيدروكربونات الموجودة في الصخر الزيتي من وبقيت لمدة معظمها محاصر في صخور المصدر الأصلية (الرواسب العضوية الدقيقة الحبيبات) بسبب نفاذية الصخور المنخفضة جدا.

يتواجد الغاز الصخري في المسامية الدقيقة في طبقات الصخر الزيتي ويتم تثبيته في مكانه من خلال مزيج من صخور الغطاء، وامتزاز الغاز على حبيبات الصخر الزيتي، وانخفاض النفاذية، هذا الأخير من هذه التأثيرات هو المسؤول الأول عن انخفاض معدلات إنتاج الصخر الزيتي المحفور قبل أن يتم تكسيره هيدروليكيا.

يؤدي التكسير الهيدروليكي إلى إنشاء مسارات إضافية بين المسام الصغيرة لتدفق الغاز إلى حفرة البئر، هذا النوع من الخزانات الهيدروكربونية، والذي يتطلب حلولا هندسية إضافية لاستخراج الهيدروكربونات، يسمى غالبا بالخزان “غير التقليدي”.

لقد أصبح استخراج الغاز والنفط من هذه المكامن غير التقليدية ممكنا من خلال التطبيق المشترك للحفر الأفقي والتكسير الهيدروليكي، والتقنيات التي طورتها صناعة النفط ومن خلال الأبحاث التي تدعمها وزارة الطاقة.

تم استخدام التكسير الهيدروليكي لأكثر من 50 عاما لتحفيز بعض الخزانات التقليدية ولكنه مطلوب للإنتاج من خزانات منخفضة النفاذية مثل الصخر الزيتي حيث طورت شركة Mitchell Energy تقنية قابلة للتطبيق تجاريا خلال الثمانينيات والتسعينيات.

حدثت طفرة كبيرة في استخدام الحفر الأفقي والتكسير الهيدروليكي في أواخر التسعينيات وما زالت مستمرة حتى يومنا هذا، تشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 60٪ من الآبار المحفورة اليوم تستخدم التكسير الهيدروليكي.

يتم حفر بئر إنتاج نموذجي في الصخر الزيتي عموديا إلى عمق مناسب ثم يتم تحويله أفقيا لتوسيع حفرة البئر من خلال تكوين الصخر الزيتي المستهدف، ويمتد الجزء الأفقي أو “الجانبي” من البئر عادة على مسافة تزيد عن ميل واحد إلى ميلين.

لتسهيل تدفق الغاز أو النفط إلى حفرة البئر، يتم زيادة النفاذية عبر خزان الصخر الزيتي عن طريق إنشاء شبكات كسر اصطناعية في الصخر الزيتي حول الجزء الأفقي من حفرة البئر من خلال عملية التكسير الهيدروليكي. يتم تحفيز الزلازل الدقيقة بشكل عام أثناء معالجة الكسر الهيدروليكي ويتم استخدام مواقع هذه الزلازل الدقيقة للمساعدة في فهم موقع الكسور التي تم إنشاؤها بشكل مصطنع ويمكن استخدامها كأدوات لقياس الضغط.

التكسير الهيدروليكي:

الكسر الهيدروليكي عبارة عن حقن متحكم به عالي الضغط للسائل والمواد الداعمة في البئر لكسر التكوين المستهدف الشكل(7).

عادة ما يكون السائل المحقون عبارة عن مزيج من الماء وكميات صغيرة من الإضافات الكيميائية التي تقلل من احتكاك تدفق الأنابيب، وتقلل من تلف تكوين الصخور، وتساعد على حمل المادة الداعمة إلى الكسور.

يتم تكسير الآبار الأفقية هيدروليكيا على مراحل ضخ متعددة، بدءا من النهاية البعيدة للبئر الأفقي وتتقدم نحو رأس البئر.

يتم عزل كل مرحلة كسر داخل البئر الأفقي بواسطة مواد تعبئة أو أكمام ميكانيكية تفتح وتغلق كل منطقة.

بعد اكتمال إجراء الكسر الهيدروليكي بالكامل يسمح للسائل المحقون بالتدفق مرة أخرى إلى البئر، تاركا الدعامة في الكسور التي تم إنشاؤها حديثا.

تختلف كمية مائع التكسير المستخدمة في مرحلة تكسير بئر أفقية واحدة اعتمادا إلى حد كبير على التكوين الجيولوجي وهي في حدود ملايين الجالونات لكل بئر.

بشكل عام تقدر أحجام المياه من 2 إلى 5.6 مليون جالون لكل بئر، يمكن تكسير الآبار الأفقية هيدروليكيا في مرحلة واحدة إلى أكثر من ثلاثين مرحلة اعتمادا على طول البئر الأفقي.

بيبن الشكل(7) رسم تخطيطي لبئر أفقي بعد معالجة الكسر الهيدروليكي على 10 مراحل حيث يظهر الجزء العلوي الأيمن منظرا مكبرا للكسور المستحثة (الصفراء) التي تم إنشاؤها أثناء معالجة الكسر الهيدروليكي وتظهر الأعماق النسبية لآبار المياه المحلية بالقرب من سطح المقياس، والتي تحمل اسم “البئر المحلية” ويختلف عمق التكوين وطول البئر الأفقي من منطقة إلى أخرى، أرقام العمق وطول البئر الموضحة هي متوسطات تقريبية لأمريكا الشمالية، يتم تكسير البئر على مراحل من نهاية البئر (المرحلة 1) إلى بداية البئر (المرحلة 10)، يتم عزل كل مرحلة كسر هيدروليكي داخل حفرة البئر، الأعماق والمسافات من 2000 إلى 10000 قدم تتوافق مع حوالي 600-3000 متر.

تختلف مسافة واتجاه الكسور الاصطناعية التي تنتشر من البئر اعتمادا على نوع معالجة الكسر الهيدروليكي والخصائص الجيولوجية بالقرب من البئر، بما في ذلك صلابة الصخور وحالة الإجهاد في التكوين.

بشكل عام تمت ملاحظة الكسور من خلال المسوحات الجيوفيزيائية مثل المسوحات الزلزالية الدقيقة ومقاييس الميل.

يمكن أن تشكل الكسور المستحثة شبكة كسر معقدة في المناطق ذات فروق الإجهاد الأفقي المنخفضة أو هندسة الكسر البسيطة في مناطق الإجهاد التفاضلي الأعلى، وعلى الرغم من أن مدى واتجاه الكسور غير معروفين بدقة، إلا أن الكسور الهيدروليكية قد تمتد في حدود مائة إلى أكثر من ألف قدم من البئر.

يميل النمو الصعودي للكسر الهيدروليكي إلى أن يكون محدودا بالطبقات الأفقية للتكوينات الصخرية والضغط الرأسي الذي تمارسه الصخور المغطاة ونادرا ما يمتد لأكثر من بضع مئات من الأقدام من حفرة البئر.

يمكن تقدير هندسة الكسور الهيدروليكية باستخدام تقنية مراقبة زلزالية خاصة تسمى رسم الخرائط “الزلزالية الدقيقة”، على الرغم من أن هذا الإجراء الجيوفيزيائي يكتمل على نسبة صغيرة فقط من الآبار المكسورة هيدروليكيا، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التكلفة.

بعد اكتمال التكسير الهيدروليكي تحدث عملية تعرف باسم “التدفق الراجع”، يتم فتح البئر ويسمح لمياه الكسر الهيدروليكي المحقونة بالتدفق مرة أخرى من التكوين إلى البئر.

بالنسبة للتكوينات الصخرية الضيقة يتم إرجاع ما بين 10 إلى 50 بالمائة من مياه الكسر الهيدروليكي، يمكن إعادة استخدام المياه المتدفقة كمياه تكسير لإجراء كسر هيدروليكي آخر أو يمكن التخلص منها في بئر حقن مياه الصرف الصحي، أو يمكن تخزينها، أو يمكن معالجتها إلى درجة نقاء تسمح بإطلاقها بشكل آمن إلى البيئة أو استخدامها لأغراض مفيدة أخرى.

لا تشكل عملية التكسير الهيدروليكي للبئر التي يتم تنفيذها حاليا لاستعادة الغاز الصخري خطرا كبيرا لإحداث أحداث زلزالية محسوسة (M > 2)، وتشير التقديرات إلى وجود أكثر من 35000 بئر لتطوير الغاز الصخري في الولايات المتحدة اليوم.

تم توثيق حالة واحدة فقط في جميع أنحاء العالم تم فيها التأكد من أن التكسير الهيدروليكي لتطوير الغاز الصخري هو سبب الأحداث الزلزالية المحسوسة، وقع هذا الحدث في بلاكبول إنجلترا في عام 2011.

تمت مناقشة ثلاثة تسلسلات أخرى محتملة للزلازل في الأدبيات التي قد تكون مرتبطة بالتكسير الهيدروليكي في أوكلاهوما، وكان واحد منها فقط يتعلق بإنتاج الغاز الصخري، في الحالة الأخيرة في عام 2011 تم الاستشهاد بالتكسير الهيدروليكي لإنتاج الغاز الصخري باعتباره السبب المحتمل للأحداث الزلزالية الناجمة وكان أكبرها 2.8 .

يشير القرب من الزلازل وتوقيتها من بئر التكسير الهيدروليكي إلى وجود رابط محتمل ولكن لم يتم إثباته بالكامل، ومع ذلك فإن جودة مواقع الأحداث لم تكن كافية لإثبات وجود علاقة سببية مباشرة لمعالجة الكسر الهيدروليكي.

زلازل محسوسة بالقرب من بلاكبول، إنجلترا، المتعلقة بالتكسير الهيدروليكي:

تسبب التكسير الهيدروليكي لبئر بريس هول-1 في منطقة بلاكبول في إنجلترا في حدوث هزة في أبريل بقدر 2.3 ومايو بقدر 1.5 سنة 2011.

شعر بزلزال أبريل في شمال إنجلترا وتم نشره على نطاق واسع في الصحافة، تم حفر البئر وتكسيره هيدروليكيا بواسطة شركة Caudrilla Resources لاستكشاف إمكانات الغاز في تكوين Bowland Shale. تم تحفيز بئر الاستكشاف Preese Hall-1 عموديا إلى عمق 9004 قدم مع خمس مراحل كسر هيدروليكي، وقع حدث بقدر 2.3 في أبريل خلال المرحلة 2 وحدث بقدر في 1.5في ماي خلال المرحلة 4، بالإضافة إلى ذلك تم اكتشاف ما يقرب من 50 حدثا أضعف بعد نشر محطات زلزالية إضافية.

بدأت شركة Caudrilla Resources دراسة موسعة للحادث بما في ذلك تركيب محطات زلزالية محمولة وتحليل زلزالي مفصل بالإضافة إلى الدراسات الجيوميكانيكية والدراسات الأساسية والتي تم نشرها للجمهور على موقعها على الإنترنت، يوضح البحث أن التكسير الهيدروليكي هو الذي تسبب في وقوع الأحداث الزلزالية، ويشير تقرير صادر في 2011 إلى أن انتشار مائع التكسير والضغط قد تم نقله لمسافة أبعد من المتوقع، تم إعادة تنشيط فالق قريب غير مستقر على ما يبدو من خلال الزيادة في ضغط السائل مما تسبب في الأحداث الزلزالية.

الحالتان المحتملتان الأخريان في أوكلاهوما اللتان تمت مناقشتهما في 1990 مدرجتان تحت عنوان “الحالات الأقل توثيقا أو المحتملة”، وارتبطت كلتا الحالتين في الوقت المناسب بالتكسير الهيدروليكي المرتبط بتحفيز حقل النفط والغاز التقليدي وليس لإنتاج الغاز الصخري.

تتعلق أقدم الحالتين بسلسلة من الزلازل التي وقعت في 23 يونيو 1978 بالقرب من التحفيز التجاري لبئر يبلغ عمقه 3050 مترا بالقرب من ويلسون أوكلاهوما، حدث سبعون هزة في 6.2 ساعة، يقع البئر على بعد كيلومتر واحد من محطة رصد الزلازل، أول معالجة للكسر الهيدروليكي على عمق 3700 مترا أعقبها بعد 20 ساعة حوالي 50 هزة حدثت خلال فترة زمنية مدتها 4 ساعات، وأربعون هزة مباشرة بعد معالجة الكسر الهيدروليكي الثاني على ارتفاع 3400 متر خلال فترة زمنية مدتها ساعتين، ولم يتم تسجيل أي هزة خلال عملية معالجة الكسر الهيدروليكي الثالثة على عمق 3000 متر.

تظهر جميع حالات أوكلاهوما مشكلة متكررة في دراسات الزلازل المستحثة وهي الأحداث الزلزالية صغيرة، والشبكات الإقليمية متناثرة، وغالبا ما تكون جودة البيانات سيئة للغاية بحيث لا يمكن تأكيد العلاقة السببية بشكل كامل مع حقن السوائل لتطوير الطاقة.

آبار الحقن المستخدمة للتخلص من المياه المصاحبة لاستخراج الطاقة:

بالإضافة إلى حقن السوائل لأنواع معينة من تطوير الطاقة، فإن حقن المياه للتخلص من المياه المتولدة نتيجة للطاقة الحرارية الأرضية والنفط وعمليات إنتاج الغاز شائعة جدا في الولايات المتحدة.

المياه التي يجب التخلص منها تأتي من الإنتاج أو من التدفق الراجع، وسنشير لاحقا إلى هذا النوع من المياه باسم “المياه العادمة”، وسنوضح لاحقا الأنواع المختلفة للمياه الناتجة عن إنتاج الطاقة والتي يتم التخلص منها والفئات المختلفة من الآبار المخصصة في الولايات المتحدة لهذا الغرض.

قدرت دراسة حديثة أجراها مختبر أرجون أن إجمالي سوائل النفط والغاز المستردة من التدفق الراجع بعد عمليات التكسير الهيدروليكي وسوائل النفايات المنتجة أثناء إنتاج النفط والغاز اليومي في الولايات المتحدة يبلغ 20.9 مليار برميل من الماء لكل يوم.

تمت إدارة غالبية هذه المياه (95 بالمائة) من خلال الحقن تحت الأرض وتم حقن أكثر من النصف (55 بالمائة) لغرض الاستخلاص المعزز، تم حقن ما يزيد قليلا عن ثلث إجمالي حجم مياه الصرف الصحي (39 بالمائة) أو 6 مليارات برميل في آبار التخلص.

يبين الجدول الشكل(8) إنتاج النفط والغاز والمياه المنتجة في الولايات المتحدة لعام 2007، حيث نلاحظ أحجام المياه المنتجة بالتزامن مع عمليات النفط والغاز لمختلف الولايات.

يمكن أيضا التخلص من أنواع أخرى من السوائل من خلال الحقن تحت الأرض (النفايات الصناعية، على سبيل المثال، الناتجة عن التصنيع غير المرتبطة بإنتاج الطاقة، وستتم مناقشة هذه الأنواع المختلفة من الحقن تحت الأرض لاحقا.

يتم التخلص من الحجم السنوي لمياه الصرف الصحي في الولايات المتحدة في عشرات الآلاف من آبار الحقن.

على سبيل المثال، في تكساس تم السماح بأكثر من 50.000 بئر حقن اعتبارا من عام 2010 (منها ما يقرب من 40 بالمائة سيكون مرتبطا بالتخلص من مياه الصرف الصحي والباقي مرتبط بالغمر بالمياه من أجل الاسترداد الثانوي) الشكل(9) والذي يبين خريطة لآبار النفط والغاز (النقاط الحمراء) وآبار التخلص من المياه المالحة (المربعات الخضراء) في تارانت والمقاطعات المحيطة بها في تكساس. تم وضع علامة على الموقع التقريبي للمطار وآبار الحقن القريبة منه.

تم تحديد الزلازل المستحثة والتي من المحتمل أن تكون مرتبطة بآبار حقن المياه من الدرجة الثانية في مواقع فردية في أركنساس وأوهايو وتكساس، يقوم باحثو هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية بالتحقيق فيما إذا كانت الزيادة الأخيرة في معدل الزلازل التي تبلغ قوتها أكبر من 3.0 في ولاية أوكلاهوما قد تعزى إلى حقن مياه الصرف الصحي.

واحدة من أفضل الحالات الموثقة للزلازل المستحثة من حقن السوائل هي في حوض بارادوكس، كولورادو، حيث تم إعادة حقن المياه المالحة من تسرب طبيعي في بئر تصريف واحد على عمق 14000 إلى 15000 قدم، منذ عام 1996 منع تدفق المحلول الملحي إلى نهر كولورادو، حتى الآن تم توثيق أكثر من 4600 حدث زلزالي مستحث بين 0.5 – 4.3 على مسافة تصل إلى 16 كيلومترا من بئر الحقن في حوض بارادوكس.

على الرغم من أن عدد الأحداث الزلزالية الناجمة مقارنة بعشرات الآلاف من آبار حقن المياه المنتجة صغير، إلا أن الأحداث نفسها يمكن أن تسبب قلقا عاما كبيرا، إن معالجة أسباب وظروف هذه الأحداث مفيد لفهم إمكانات الزلازل المستحثة لمشاريع حقن مياه الصرف الصحي المستقبلية.

هزات دالاس فورت وورث، أكتوبر 2008 – مايو 2009:

وقعت سلسلة من الهزات بقوة 2.5 إلى 3.3 في منطقة دالاس فورت وورث (DFW) في تكساس، حيث شعر السكان المحليون بالهزات وأبلغوا عنها في أكتوبر 2008 ومايو 2009.

حدد المركز الوطني لمعلومات الزلازل (NEIC) موقع الهزات في المنطقة المجاورة لمطار DFW، شهدت ولاية تكساس تاريخيا معدلا منخفضا من الهزات الطبيعية في وقت وقوع هذه الهزات، ولا يوجد في الولاية بأكملها سوى محطتين دائمتين لرصد الزلازل تديرهما NEIC.

نظرا لتغطية المحطات المتناثرة، يمكن لـ NEIC فقط تحديد موقع الأحداث في تكساس التي تزيد عن حوالي 2.5 بدقة موقع تزيد أو تقل عن 10 كيلومترات.

قام باحثون من جامعة تكساس (UT) وجامعة ساوثرن ميثوديست (SMU) بنشر شبكة مؤقتة من ست محطات لقياس الزلازل في منطقة DFW لتحديد الأحداث الزلزالية بشكل أكثر دقة، استمرت مجموعة المسح الزلزالي UT-SMU في الفترة من 9 نوفمبر 2008 إلى 2 يناير 2009 وحدد موقع 11 هزة تمتد على منطقة تتجه من الشمال إلى الجنوب بطول كيلومتر واحد على مقربة من بئر التخلص من المياه المالحة (SWD) المستخدم لحقن المياه العادمة بواسطة شركة تشيسابيك للنفط والغاز.

نشأت مياه الصرف الصحي من الآبار الموجودة بالقرب من مطار DFW المنتجة من Barnett Shale، بدأت هزات DFW الأولى بعد حوالي ستة أسابيع من بدء الحقن في بئر التخلص، إن التطابق الوثيق بين الهزات مع موقع وعمق البئر، بالإضافة إلى التوقيت الوثيق لبدء الحقن وبدء النشاط الزلزالي، يشير بقوة إلى أن الحقن كان سبب النشاط الزلزالي.

يبين الشكل(10) خريطة لمنطقة DFW توضح موقع بئر SWD وموقع الهزات.

تظهر الخريطة التكتونية للولاية التي جمعها مكتب تكساس للجيولوجيا الاقتصادية فالقا يتجه نحو الشمال الشرقي في باطن الأرض على مقربة من بئر حقن SWD. تستمر الهزات في منطقة DFW بعد أكثر من عامين من إغلاق بئر الحقن، توضح الزلازل المستمرة بعد إغلاق آبار الحقن القريبة صعوبة تقييم ما إذا كان النشاط الزلزالي مستحثا أم طبيعيا.

على غرار أحداث ما بعد الإغلاق التي وقعت فيما يتعلق بمشاريع EGS في فرنسا وسويسرا، فإن فهم سبب وحجم هذه الأحداث عبر الزمن يتطلب المزيد من البحث الذي يجمع بين الملاحظات والبيانات الميدانية وتدفق السوائل وأكواد المحاكاة الجيوميكانيكية.

يبين الشكل(11) رسم بياني يوضح العدد التراكمي للزلازل أكبر من 3.0 في منطقة أوكلاهوما الوسطى من عام 1900 إلى يومنا هذا، مما يظهر زيادة كبيرة ولكن غير مفسرة حتى الآن في النشاط الزلزالي منذ عام 2009.

تقوم آبار حقن المياه بحقن السوائل فقط، على عكس آبار الحقن الخاصة بالاستخلاص المعزز للنفط أو أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل حيث يكون السائل المحقون مكافئا تقريبا للسائل المستخرج.

إن حقن السوائل بالقرب من نظام فوالق موجه بشكل إيجابي مع الضغوط القريبة من الحرجة لديه إمكانية لتوليد أحداث زلزالية مستحثة في غياب الاستخراج القريب الذي يمكن أن يساعد في الحفاظ على ضغط الخزان.

آبار الحقن من الدرجة الثانية المستخدمة فقط لغرض التخلص من المياه عادة لا تخضع لمراجعة جيولوجية مفصلة وغالبا ما لا تتوفر البيانات لإجراء مثل هذه المراجعة، وبالتالي على الرغم من أنه يمكن قياس ضغط المائع في منطقة الحقن وضغط التكسير في منطقة الحقن بعد حفر بئر التخلص، إلا أن موقع الفوالق المحتملة لا يعرف غالبا كجزء من إجراءات تحديد موقع البئر والحفر القياسية، والأهم من ذلك، أن مجرد وجود الفالق لا يرتبط دائما بزيادة احتمالية حدوث الزلازل المستحثة. وسنناقش لاحقا الخطوات المحتملة نحو أفضل الممارسات مع أخذ هذه التحديات في الاعتبار.

الشكل(1)

الشكل(2)

الشكل(3)

الشكل(4)

الشكل(5)

الشكل(6)

الشكل(7)

الشكل(8)

الشكل(9)

الشكل(10)

الشكل(11)