Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Zemětřesení ve službách energetiky

Seismika pomáhá těžit ropu a zemní plyn i čerpat geotermální energii
 |  10. 12. 2009
 |  Vesmír 88, 798, 2009/12

Jezdíte rádi autem? Nebo ho prostě jen potřebujete? Ať tak či onak, musíte tankovat. Fandíte alternativním zdrojům energie – co takhle zemské teplo? Ve fosilní klasice i v zelené alternativě je v pozadí vždy seismika – geofyzikální disciplína zabývající se procesy vzniku a šíření elastických vln v materiálu zemského tělesa. Tento obor se široce rozkročil mezi vědou a průmyslem. Patří do něj na jedné straně teorie rozrušování horninového prostředí v pekelných podmínkách zemětřesného ohniska a teorie šíření vln prostředím hromadícím všechny myslitelné komplikace, jako jsou viskozita, anizotropie či nehomogenita (to vše spojité i nespojité), a na straně druhé rutina seismického průzkumu při hledání ložisek nerostných surovin.

Průmyslová rutina

Seismologie pomáhá sledovat vysokotlaké injektáže v ropných, plynových a některých geotermálních vrtech. Naměřená data interpretuje způsobem běžným v zemětřesné seismologii a zpracovává je metodami, jež v průmyslu zatím nejsou běžné, avšak nabízejí nadstandardní informace.

Zásadní fyzikální parametr ovlivňující výtěžnost ložiska je propustnost sedimentární horniny, která nese ropu a zemní plyn. U ropy se navíc přívodní kanály, tvořené propojenými přirozenými trhlinami, po čase zanášejí a musí obnovovat. V ropném průmyslu se to provádí standardní procedurou – tlakovou injektáží. Speciálními „zátkami“ se uzavře vybraná část vrtu v hloubce těženého horizontu. Ta se natlakuje vodou, popřípadě vhodnější kapalinou, až dojde k rozrušení okolní horniny (k hydraulickému štěpení). Do injektážní kapaliny se často přidává i jemná granulární příměs (proppant – drobné keramické kuličky nebo jen obyčejný písek), která po odčerpání injektovací kapaliny zabrání uzavření trhlin. Takto nově vytvořené přívodní kanály obnovují žádoucí výtěžnost ropného nebo plynového ložiska.

Podobná metoda se používá při exploataci geotermální energie. Moderní systémy (Enhanced Geothermal Systems, EGS) pracují se soustavou dvou nebo více blízkých vrtů. Do jednoho se vtlačuje voda, která prochází puklinami horké horniny podzemního geotermálního výměníku. Zahřátá je posléze ze sousedních vrtů čerpána na povrch, kde se v důsledku snížení tlaku přemění na páru a pohání turbínu. Zásadním parametrem pro účinnost celého systému je opět propustnost horniny podzemního výměníku. Nástrojem jsou zase vysokotlaké injektáže.

Při rozrušování horniny injektáží vznikají slabá „zemětřesení“, jež jsou energeticky o mnoho řádů menší než zemětřesení přirozená. Ta jsou v naprosté většině střižná (jejich ohniskovým procesem je tečný skluz podél existujícího tektonického zlomu), zatímco u mikrootřesů vyvolaných vysokotlakými injektážemi může být ohniskový proces obecnější. Skluz po zlomové ploše má navíc i normálovou složku (odpovídající jeho otevření), popřípadě vzniknou nové – tahové – trhliny. Čím víc je normálového pohybu v ohniskovém procesu, tím lépe plní vzniklá trhlina účel celé injektážní procedury – zvýšit propustnost prostředí.

Texaská ropa

Při rutinním zpracování měřené seismicity, kterou vyvolávají vysokotlaké injektáže, se běžně určuje jen poloha ohnisek mikrootřesů. Pro praxi to je nesmírně cenná informace o tom, do jakých vzdáleností od vrtu byla okolní hornina rozrušena a jak rychle. Při obnově výtěžnosti ropných vrtů tlakovou injektáží však není tuto „seismologicky standardní“ proceduru snadné aplikovat. Důvodem je řídké rozložení snímačů, které bývají zpravidla umístěny v řadě nad sebou v blízkém monitorovacím vrtu. Pak musíme pro lokalizaci znát nejen časy příchodu seismických vln, ale i směry, odkud přicházejí – azimuty. Azimut je běžně stanovován z podélných (P) vln, jejichž polarizační vektor je orientován ve směru paprsku (v anizotropním prostředí to platí pouze přibližně, avšak s vyhovující přesností); ukazuje tedy přímo do ohniska otřesu. Podélné vlny však bývají slabé, často ztracené v soustavném seismickém neklidu, proto je výhodnější zpracovávat silnější střižné (S) vlny, polarizované v rovině kolmé na paprsek. Stanovení azimutu je pak složitější, novou metodu vyvinul T. Fischer s kolegy. Dokázali tak lokalizovat mnohem více indukovaných otřesů generovaných injektáží do ložiska zemního plynu v Texasu, a to navíc přesněji než s použitím podélných vln (viz obr.). Polohy hypocenter několika tisíc jevů zmapovaly vertikální trhlinu s přednostně horizontálním rozšiřováním. Srovnání rychlosti jejího rozšiřování s rychlostí injektáže vedlo k odhadu šířky trhliny asi 7–10 mm. Dále se ukázalo, že většina injektované kapaliny posloužila k žádoucí tvorbě trhliny, zatímco ztráta průsakem do horninové formace byla malá.1)

Nejen kdy a kde, ale i jak

Seismické metody aplikované v zemětřesné seismologii nedávají odpověď jen na otázky „kdy“ a „kde“ – to je ona zmíněná lokalizace, ale také objasňují, jaký byl mechanismus zemětřesení – říkají, co se v jeho ohnisku událo. Tato hladina zpracování „zemětřesných“ dat ještě není v průmyslové „mikroseismice“ běžná, ač právě tady nabízí možnost získání zajímavé a specifické informace. Zatímco v zemětřesné seismologii odpovídá mechanismus v převážné většině střižnému skluzu po zlomu a zjišťujeme jím orientaci zlomu a směr skluzu (parametry veledůležité pro tektonické interpretace), v mikroseismice může mechanismus naplno zhodnotit svůj potenciál: detekovat typ rozrušení, jinými slovy rozhodnout mezi střižným skluzem a tahovou trhlinou. Informace o takovém rozrušení horninového prostředí jsou mimořádně zajímavé při průmyslových injektážích.

Určení ohniskového mechanismu je ovšem náročnější na data než pouhá lokalizace hypocentra. Když ohnisko a seismické stanice leží v jedné rovině – což je mimo jiné i případ standardní průmyslové konfigurace monitorování injektáže z jednoho vrtu – nejde zjistit kompletní mechanismus zdroje.2)

Stanovit celý mechanismus, který by popisoval typ rozrušení i jeho orientaci, vyžaduje monitorování alespoň ze dvou vrtů. I potom je tato úloha obtížná a je třeba pečlivě vyhodnotit všechny vlivy, které snižují rozlišovací schopnost (seismický neklid na záznamech, nepřesná lokalizace hypocentra, nedostatečná znalost parametrů prostředí při konstrukci jeho odezvy – Greenovy funkce). Šílený s kolegy ukázali, že mechanismy silných otřesů doprovázejících vtlačování kapaliny do vrtu, dříve považované za čistě střižné skluzy, mají výrazně nestřižné složky a odpovídají tahovému rozrušování horniny plynového ložiska. Tento poznatek významně modifikuje dosavadní představy o mechanice pohybu injektážních roztoků při těchto častých technologických operacích v ropném průmyslu a může ovlivnit způsob jejich navrhování a provádění.3)

Ropný průmysl používá vrty, které dosahují hloubek 2–3 km a vedou do málo zpevněných sedimentárních vrstev. Naproti tomu injektáže při formování geotermálních výměníků se odbývají v krystalické hornině v hloubkách až 5 km. Vznikající seismicita je zpravidla silnější a bývá monitorována z povrchu, plošně rozloženou sítí stanic. Situace pro určování mechanismu ohniska je tedy příznivější než při monitorování z vrtů, kvalita signálu ovšem bývá následkem neklidu výrazně nižší a samotné signály jsou vinou komplikované přípovrchové stavby kůry složitější.4)

Alsaský geotermální výměník

Jeden z nejznámějších geotermálních výměníků EGS je v rýnském prolomu v alsaském Soultz-sous-Forets (viz též Vesmír 87, 790, 2008/11). Zemský tepelný tok zde dosahuje vysokých hodnot a teplota v hloubce 5 km je zhruba 200 oC. Soustava tří vrtů zasahujících do této hloubky realizuje tepelný výměník, který sytí parní turbínu o výkonu 1,5 MW. Pro žádoucí zvýšení propustnosti mezi zmíněnými vrty bylo provedeno několik tlakových injektáží, které vyvolaly rozsáhlou seismicitu. Pomocí záznamů několika desítek mikrozemětřesení z injektáže v roce 2003 byl překvapivě nalezen dominantní střižný mechanismus bez významnějších objemových změn v ohniscích otřesů,5) přičemž směry střižných trhlin a posunů souhlasily s místní tektonikou. Při této injektáži zřejmě nevzniklo mnoho tahových trhlin, ale kapalina vtlačená do horniny pomohla aktivovat existující tektonické zlomy. Snížila koeficient tření („namazala“ zlomové plochy kapalinou) či snížila normálové napětí, a tak iniciovala skluz. Pro praxi to znamená, že se injektáž víceméně minula účinkem, protože vytvořila málo tahových trhlin a příliš nepřispěla ke zvýšení propustnosti geotermálního výměníku.

Pomáhá seismika v praktickém životě?

Bez ní bychom sotva věděli, kde těžit ropu a jiné nerostné suroviny. Cílevědomým využitím metodik vyvinutých při sledování přirozených zemětřesení – tedy v základním výzkumu – však může sloužit ještě víc. V průmyslové praxi tlakových injektáží do ropných a geotermálních vrtů – velmi nákladných technologických operací – pomáhají metody zemětřesné seismologie zjišťovat mechanismy ohniska a ověřovat tím její úspěšnost – zvýšení propustnosti horniny. Zde však pomoc seismologů končí a je na specialistech průmyslového výzkumu navrhnout řešení, jak postupovat co nejlépe.

Poznámky

1) L. Eisner, T. Fischer, J. Rutledge: Determination of S-wave slowness from a linear array of borehole receivers, Geoph. J. Int. 2008, doi: 10.1111/j.1365-246X.2008.03939.x. T. Fischer, S. Hainzl, L. Eisner, S. Shapiro, J. Le Calvez: Microseismic signatures of hydraulic fracture growth in sediment formations: Observations and modeling, J. Geophys. Res. 113, 2008, B02307, doi: 10.1029/2007JB005070.

2) V. Vavryčuk: On the retrieval of moment tensors from borehole data, Geophysical Prospecting 55 (3), 381–391, 2007. Byl však navržen postup, jak v takových případech získat alespoň indikaci nestřižného posunutí v ohnisku, a ověřen na jevech zaznamenaných při injektáži v Texasu (Z. Jechumtálová, L. Eisner: Seismic source mechanism inversion from a linear array of receivers reveals non-double-couple seismic events induced by hydraulic fracturing in sedimentary formation, Tectonophysics 460, 124–133, 2008, doi: 10.1016/j.tecto.2008.07.011).

3) J. Šílený, L. Eisner, D. Hill, F. Cornet: Non-double-couple mechanisms of microearthquakes induced by hydraulic fracturing, J. Geophys. Res. 114, 2009, doi: 10.1029/2008JB005987.

4) J. Šílený: Resolution of non-double-couple-mechanisms: simulation of hypocenter mislocation and velocity structure mismodeling, Bull. Seismol. Soc. Am. 99, 2009, doi: 10.1785/0120080335.

5) J. Horálek, Z. Jechumtálová, L. Dorbath, J. Šílený: Source mechanisms of micro earthquakes induced in a fluid injection experiment at the HDR site Soultz-sous-Forets (Alsace) in 2003 and their temporal and spatial variations, Geophys. J. Int., submitted.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika, zemětřesení

O autorech

Tomáš Fischer

Jan Šílený

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné