污水处理百科 油田废水能够预测地震?

7月初，美国弗吉尼亚理工大学的水文学家和地震学家在Nature子刊《NatureCommunications》(自然-通讯)发表了一篇文章，他们表示油田产生的高浓度废水会造成强烈的持续的地震。受影响的地区包括俄克拉荷马和堪萨斯州等。

美国近年2.5级以上的地震次数骤增 | 图源：NationalGeographic

此之前，相关学者已经知道那些泵回去地底的高浓度含盐废水会引发地震。这篇文章的重点在于，他们发现这些废水下沉深度比我们之前认为的还要深，这会提高潜在地震的强度。这是因为这些更深更重的水会造成孔隙压力（pore pressure），这些作用于岩石的力使得下面的断层更加不稳定。而且，这些废水的存留时间比科学家之前以为的还要长。这意味着即使某个油田停止了开采活动，这些液体还会流向更深处，你不知道哪天它会引发地震。

巧合的是，上月底，美国亚利桑那州立大学的地球学家就声称通过废水的产生情况预测地震的发生。在本期的《第三眼》专栏里，我们来看看他们是怎么做到的。

油田污水预测地震？

油田的油气生产会产生大量有毒废水，学术界一般称之为卤水(brine)。钻井人员处理这些废水的方式也没什么特别，就是将它们注入深层岩层。然而，这些卤水可能会导致地震，特别是页岩油开采，所幸的是大多数地震规模较小，但也不乏一些强破坏性的地震。

页岩油田开采和卤水废水产生的原理图 | 图源：usgs.gov

美国地质勘探局USGS（United States Geological Survey）的官网就对卤水注入的诱发地震做过解释（上图）。他们想借此向公众澄清若干事实：

• 强调页岩开采不是直接成因，这些废水的排放才是主要诱因。

• 不是所有废水注入都会诱发地震

• 所有油井都会产生废水

• 不同油井产生和注入的废水成分差异很大

• 地震点和废水注入点的距离可以相当远

• 不需要表面压力注入废水的井仍然可以引发地震

打入俄克拉荷马州Arbuckle的油井向地下污水，这些污水会如何诱发地底断层的地震 | 版权 Guang Zhai, Manoochehr Shirzaei/ASU

什么是油田污水

过去有人提出根据注入废水的量来预测，然而实际上这并不容易，因为当中涉及很多变量，包括注入的卤水量、卤水在岩石中移动的难易程度、现有地质断层的存在情况以及这些断层的局部应力。

亚利桑那州立大学牵头的地球学家们，却说有办法解决这个难题。在美国能源部的资助下，他们在俄克拉荷马州开展研究。因为大部分的页岩开采都集中在该州，这伴随着大量卤水的倾注，同时也已经有多起地震造成的损伤。如何对废水倾注产生的物理变化进行建模是这次研究的重点所在。

地震强度和概率模型 | 图源：ASU

上边的模型曲线显示，俄克拉荷马州中部的地震概率曲线的增长趋势持续到2015年，到了2017年当卤水倾注减少甚至是终止之后，卤水。在注入减少并假设在2017年结束之后，盐水还是继续在岩石中扩散，但曲线回落到背景水平。新模型能帮助运行人员计算各种倾注方案的地震诱发概率，从而使倾注量最大化，同时又使危害最小化。

溯本求源

为了找到问题根源，研究团队溯本求源，统计考查倾注卤水量的变化对地壳应力造成影响的关系，以及这些影响是如何导致特定断层的地震的。

个中的关键是建立一个物理模型，它能反应岩石输送卤水的能力，以及岩石对流体压力的弹性响应。他们模型的基础数据包括过去23年在俄克拉荷马州700多口井产生的卤水进入Arbuckle地层的记录。模型还考虑了俄克拉荷马州岩石的机械属性。这样模型就能预测了卤水倾注引起的地壳应力变化。最后，他们在引入一个现有的地震发生模型，这样可以将应力扰动与地震的数量和规模联系起来。

研究团队发现他们的模型能很好还原实际地震发的分布频率、震幅和时间。通过建模研究，他们还发现，岩石对流体压力变化的弹性响应的微小变化，就可以使地震的数量数倍增加。这说明了这是一个非常敏感的因素。

俄克拉荷马州的油井 | 版权: KFOR-TV, Oklahoma City

更环保的替代方案？

现在通过ASU团队的这个模型，只要知道卤水的倾注量，以及注入井的位置，相关部门就能估算特定规模的地震发生概率。这样能帮助当局做好短期地震危害评估。另一方面，钻井团队也可以根据这些估算结果，控制好开采量，将大型地震的概率控制在预设范围内。

研究团队表示，最终目的都是希望页岩开采工艺可以更安全，这样能源行业和老百姓都能受益。

没想到油田开采的废水是这么一把双刃剑，由于水平有限，如果上文有何纰漏，请多多指正。

话说虽然都是“污水”，但油田废水对小编来说已经是超纲的了。带着疑问，小编请教了一位在阿曼油田做污水处理工程的博士。他的答复让我有些惊讶，他说从未听过有因为废水倾注导致的地震，他本人也从未在阿曼经历过地震。但美国的油田开采公司也许可以去阿曼转一转，因为那里的油田会对原油采出水进行处理。方法还特别壮观，就像下图那样，规模达到175000m³/天的人工湿地。这是目前全球最大的工业用人工湿地，他们还在研发生物盐化灌溉的可能性。