Проблема прогнозирования реакции подземных флюидных систем на техногенное воздействие приобретает все большую значимость в связи с начавшимся во всем мире широким введением в эксплуатацию нетрадиционных месторождений нефти и газа и реализацией проектов по использованию геотермальных источников энергии. И в одном и в другом случае предполагается проведение массовых гидравлических разрывов пластов (для повышения дебитов на месторождениях углеводородов, получения перегретой воды, для увеличения приемистости закачивающих скважин). Проведение многостадийных гидроразрывов является основным методом разработки сланцевых месторождений углеводородов, а также залежей в доманиковской и баженовской свитах в России.
В последние годы повысился интерес к возможностям использования микросейсмического мониторинга для получения дополнительной информации о механических свойствах коллекторов, о сейсмодеформационных и флюидодинамических процессах, происходящих в них. Наиболее широко сейсмический мониторинг используется для оперативного определения положения трещины гидроразрыва пласта. Появились и работы, показывающие возможность использования данных микросейсмического мониторинга для оценки проницаемости пласта. В статье рассматриваются примеры возникновения сейсмичности, связанной с воздействием на подземные флюидные системы, предлагается модель возникновения сейсмических событий при закачке, приводятся примеры результатов расчетов по предложенной модели.
Негативные последствия воздействия на флюидные системы недр
Сейсмичность, индуцированная воздействием на недра, проявляется как в тектонически активных районах, так и в районах, в которых естественная сейсмичность не наблюдается. В дополнение к опубликованной ранее монографии [24] ниже представлены сведения о ряде случаев возникновения техногенной сейсмичности за последнее десятилетие. На рис. 1 приведена карта с некоторыми триггерными и индуцированными сейсмическими событиями, связанными в основном с воздействием на флюидные системы в недрах.
В статьях [18, 13] производится обзор основных механизмов возникновения индуцированной сейсмичности в центральных районах США и выделяется главный «виновник» резко возросшей с 2009 г. сейсмичности (рис. 2) – закачка больших объемов жидкости в недра; показано, что гидроразрыв пласта сам по себе не является причиной повышенной сейсмичности. Авторы работы [18] связывают это с тем, что суммарный объем воды, размер области с повышенным давлением в случае длительной закачки воды будет значительно больше, чем в случае проведения ГРП. Индуцированная сейсмичность наблюдается на расстояниях до десятка километров от закачивающей скважины и на глубинах, отличных от глубины закачки (до 5 км). Крупнейшие землетрясения, индуцированные закачкой отработанной воды в США, имели магнитуды M = 5,3 (Тринидат, Колорадо, август 2011 года) и M = 5,6 (Праг, Оклахома, ноябрь 2011 года).
Большинство скважин, используемых для утилизации отработанной воды, производят закачку не в фундамент, а в осадочные породы с высокой проницаемостью и пористостью. Распространение флюида и области повышенного давления при этом могут достигать разломных зон в фундаменте. Магнитуды наиболее интенсивных сейсмических событий часто коррелирует с суммарным объемом закачанной воды. Однако вопрос о том, является ли объем закачанной воды фактором, контролирующим максимально возможную магнитуду землетрясения, остается открытым.
Усиление сейсмичности в Оклахоме вынудило власти ввести дополнительные регуляторные меры, основанные на эмпирически полученных знаниях об отклике сейсмичности на темп и суммарный объем закачки. С 2015 года, вслед за этими мерами, количество землетрясений с стало несколько меньшим , однако суммарный сейсмический момент, накопленный за месяц, изменился незначительно.
В статье [7] описывается самое крупное и разрушительное землетрясение в Южной Корее за последние 100 лет, произошедшее 15 ноября 2017 года и имевшее магнитуду 5,4 (рис. 3). Очаг был расположен недалеко от места, где происходила закачка воды для использования геотермальной энергии: через скважину на глубину 4 км с начала 2016 года по сентябрь 2017 года были закачаны тысячи кубических метров воды. Оказалось, что непосредственно под забоем скважины в пределах 1 км находится разлом. Согласно результатам работы [8] данное землетрясение является индуцированным и самым сильным из известных землетрясений, связанных с использованием геотермальной энергии. Данное событие может навсегда изменить индустрию геотермальной энергетики.
В статье [9] авторы приводят результаты анализа сейсмичности, связанной с созданием газового хранилища в море в заливе Валенсия, Испания. Закачка газа происходила в резервуар, откуда ранее извлекали нефть, с морской платформы Кастор. Суммарный объем газа, который может храниться в резервуаре, оценивается в 1900 миллионов кубических метров. Закачка началась в сентябре 2013 года, через три дня в этом районе начали регистрироваться сейсмические события. 16 сентября закачка была остановлена, но в первую неделю октября произошли землетрясения и правительство Испании приняло решение о приостановке работы платформы. Авторы статьи [9] выделили 12 активных разломов на побережье в радиусе 120 км от платформы, скорость подвижки которых варьируется от 0,01 мм/год до 0,15 мм/год.
В статье [10] приводится детальный анализ сейсмичности, недавно наблюдавшейся в Сычуаньской впадине в Китае (2016 год). В данном районе был произведен ГРП для активизации добычи газа. Множество свидетельств, включая вид последовательности афтершоков, положение гипоцентров, фокальный механизм 13 сильнейших и численно полученные значения изменения Кулоновских напряжений, дают основания полагать, что серия землетрясений с магнитудой вплоть была индуцирована кратковременной (несколько месяцев на одной скважине) закачкой для проведения ГРП на глубине от 2,3 до 3 км.
В настоящее время для регулирования рисков возникновения заметной индуцированной сейсмичности используется «система светофора» (TLS – traffic light system) [6]. На основе предшествующей истории сейсмичности определяются пороговые уровени магнитуд событий (зеленый, желтый и красный уровни), при превышении которых должны быть приняты определенные меры. Однако данный подход не учитывает изменение параметров системы в результате закачки. В статьях предложена адаптивная «система светофора» (ATLS – adaptive traffic light system), которая позволяет более корректно учитывать текущую индуцированную сейсмичность при проведении операций закачки для коррекции пороговых значений.
Отметим, что вопрос моделирования индуцированной сейсмичности является открытым. Существует множество проблем, с которыми сталкиваются исследователи при прогнозировании возможной сейсмичности или описании произошедших событий. Тем не менее современные подходы позволяют оценивать риски возникновения сейсмичности при проведении закачки или добычи флюида и определять условия, способствующие снижению рисков.
Моделирование сейсмичности в результате закачки флюида
Упрощенно можно считать, что взаимодействие между бортами тектонических разломов определяется упругими силами и силами трения. Механистической моделью систем разломов [1] является набор блоков, соединенных упругими связями друг с другом и с некоторой плоскостью, движущейся с постоянной скоростью (рис. 4). Блоки испытывают трение со стороны неподвижной плоскости. В работах показано, что трение в тектонических разломах может быть описано при помощи уравнения типа rate-state, согласно которому величина силы трения зависит от скорости и параметра состояния контакта на разломе.
Ниже рассматривается влияние параметров закона трения на сейсмичность, индуцированную закачкой жидкости. Решается связная задача об изменении порового давления в зоне разлома и изменении состояния скольжения по разлому, находятся условия возникновения сейсмичности. Проводится моделирование сейсмичности, возникшей в результате реализации Базельского геотермального проекта.
Уравнения движения системы блоков, разделенных разломами, могут быть записаны следующим образом:
где mi, xi – масса и смещения i-го блока соответственно; Ffr i – сила трения, действующая на i-ый блок; ki – жесткость соответствующих упругих связей. Для задания силы трения используется двухпараметрическое уравнение:
Здесь τ* – часть трения, зависящая от сцепления τ0, постоянного коэффициента трения и эффективного нормального напряжения; θ1,2, 
, L1,2 – параметры модели; A и B1,2, – константы, определяющие зависимость трения от скорости и времени. В работе [8] было показано, что в случае A-B1-B2<0 наблюдается уменьшение трения при увеличении скорости перемещения блока, что приводит к сейсмогенерирующему скольжению. Наряду с этим условием должно выполняться условие k<kcr, где
В численных расчетах использовались следующие величины параметров: B1 = 3,3·104 Pa, B2 = 2,772·104 Па, L1 = 2,5·10-7м, L2 = 5,2·10-6 м, vpl = 10-9 м/с (3,2 см/год), Па/м (удельная жесткость),
Для расчета изменения давления при закачке жидкости использовалось уравнение пороупругости для цилиндрического случая:
