Бассейн Делавэр, расположенный в Западном Техасе и на юго-востоке Нью-Мексико, занимает около 26 тысяч квадратных километров и представляет собой часть более крупного Пермского бассейна, который, в свою очередь, входит в состав обширной Средне-континентальной нефтегазоносной провинции, сложенной различными пластами и содержащей нефть нескольких типов. Делавэр — это осадочный бассейн со сложной стратиграфией и длительной геологической историей: он формировался на протяжении всей палеозойской эры и включает как морские, так и терригенные отложения от кембрийских до верхнепермских включительно. Его нефтяные запасы сосредоточены в плотных песчаниках и трещиноватых глинистых сланцах на глубине от двух до пяти километров.

Разработка бассейна началась в 1920-х годах и активно велась в течение полувека, затем нефтеотдача месторождений Делавэра и всего Пермского бассейна упала. Возобновление добычи в начале XXI века было связано с широким внедрением технологий горизонтального бурения и кластерного многостадийного гидроразрыва пласта. В результате за период с 2005 по 2019 год количество скважин, нацеленных на песчаники Боун Спринг — наиболее продуктивной формации Делавэра — увеличилось с 436 до 4338, а средняя суточная добыча сырой нефти на скважину в первые шесть месяцев эксплуатации выросла с 670 до 770 баррелей.

Но активизация нефтедобычи привела к резкому росту числа техногенных землетрясений. Применение технологии гидроразрыва может повлечь за собой рост сейсмической активности, однако с гораздо большей вероятностью это происходит из-за утилизации попутно добываемых пластовых вод, так как их нагнетание значительно изменяет напряженно-деформированное состояние горных пород. Для отложений бассейна Делавэр характерно высокое содержание эвапоритов — минералов, образовавшихся при выпадении из пересыщенных рассолов, — и пластовая вода несет много солей. Многие скважины производят на каждый баррель нефти 5–10 баррелей соленой воды, непригодной для повторного использования при гидроразрыве и подлежащей утилизации. С 2017 года в пределах бассейна зарегистрировано 446 сейсмических событий с магнитудой 2.0 и выше, а 26 марта 2020 года случилось рекордное землетрясение магнитудой 5.0. Считалось, что они возникают из-за повышения гидравлического давления в порах горных пород при диффузии отработанной воды в поглощающем пласте.

Механизм возникновения сейсмических возмущений в бассейне Делавэр исследовали Гуан Чжай (Guang Zhai) из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги. Ученые обратили внимание на несоответствие между локализацией очагов землетрясений и глубиной закачки утилизируемой воды. Большая часть сейсмических событий произошла на глубинах пять километров и более, то есть ниже разрабатываемого нефтеносного горизонта. Но на нефтепромыслах бассейна Делавэр вода, отделяемая от пластового флюида, закачивается в горизонт, сложенный плотными низкопористыми песчаниками и залегающий на небольшой глубине (как правило, она не превышает двух километров). За последние 10 лет лишь в девяти случаях из 478 воду закачивали на глубину ниже 4,5 километров.

Исследователи промоделировали распространение напряженности в водопоглощающем горизонте и в подстилающих его пластах и установили, что в условиях бассейна Делавэр сейсмичность нельзя в полной мере объяснить проникновением воды на большие глубины. Плотный песчаник, в который нагнетают воду, обладает слишком низкой проницаемостью. Поэтому ведущая роль в механизме возникновения землетрясений принадлежит, по мнению ученых, пороупругим процессам, то есть деформациям пористой среды (горной породы) под гидравлической нагрузкой.

Упругие деформации низкопористой породы приводят к возрастанию механического напряжения. Оно распространяется вертикально вниз, в глубокие пласты через сланцевый нефтеносный горизонт, в котором в результате гидроразрыва образовалась система связных трещин. При этом зоны напряженности переносятся в менее трещиноватый подстилающий пласт и образуют здесь очаги землетрясений. Как отмечают авторы исследования, подобного эффекта можно было бы избежать, закачивая воду в субстрат с более высокой пористостью.

Результаты моделирования, проведенного американскими учеными, помогают прояснить вопрос о том, как особенности строения нефтеносного бассейна влияют на происхождение и характер техногенной сейсмичности. В случае бассейна Делавэр они показывают, что неглубокая утилизация сточных пластовых вод может индуцировать сейсмическую активность на относительно большой глубине.

Фото: Guang Zhai et al. / Proceedings of the National Academy of Science, 2021