Пхоханское землетрясение 2017 года заставило пересмотреть подходы к оценке рисков геотермальной энергетики

Рис. 1. Общая схема геотермальной станции, работающей по технологии EGS. Голубым цветом показана нагнетательная скважина, по которой на глубину под высоким давлением закачивается вода, что создает зоны трещиноватости в естественно разогретых, но до этого непроницаемых для воды породах; красным показаны горячая вода и пар, поднимающиеся по продуктивным (добывающим) скважинам. Схема с сайта thinkgeoenergy.com

При эксплуатации геотермальных электростанций важно, чтобы на «рабочей» глубине, куда закачивается вода и где она нагревается, в породах было много трещин. Для увеличения проницаемости пород воду закачивают на глубину под большим давлением. О том, что эта технология существенно повышает риск вызванных деятельностью человека землетрясений, было известно уже относительно давно, но считалось, что если отслеживать мощность толчков и уменьшать при необходимость объем и давление закачиваемой жидкости, то можно избежать неприятностей. Однако землетрясение, произошедшее в Южной Корее в ноябре 2017 года и связанное с эксплуатацией геотермальной станции в Пхохане, показало, что этого недостаточно. Тщательный анализ предшествовавших этому землетрясению событий показал, что помимо мощности относительно слабых толчков, которые практически неизбежно сопутствуют работе геотермальной станции, необходимо отслеживать их положение (и, в частности, проверять, локализуются ли они рядом с известными глубинными разломами).

В геотермальной энергетике — одном из активно развивающихся в последние годы альтернативных способов получения электроэнергии — в качестве источника энергии используется тепло недр Земли. Этот источник является практически неисчерпаемым, а геотермальные электростанции можно строить едва ли не всюду, поскольку в любой точке земной коры с глубиной растет и температура. Другое дело, что экономически рентабельно это пока только в тех районах, где геотермический градиент (прирост температуры с глубиной; в среднем это около 2,5°С на каждые 100 м) относительно высок. Такие районы, как правило, приурочены к зонам повышенной вулканической и тектонической активности, расположенным на активных континентальных окраинах и в рифтовых зонах. Если учесть еще, что геотермальные электростанции экологически гораздо безопаснее атомных и тепловых, то может показаться, что перспективы у этого способа получения электричества поистине безграничные. Но не всё так просто.

В общих чертах принцип работы геотермальных станций следующий. Носитель тепловой энергии (как правило, это просто вода), закачивается по скважинам с поверхности на глубину в зону с достаточной температурой окружающих пород. Там он нагревается и поднимается обратно на поверхность в виде нагретой жидкости или пара, где из них извлекается энергия (например, на турбинных генераторах). Чтобы вода проникла на глубину и некоторое время там находилась, глубинные слои должны обладать достаточной проницаемостью, то есть иметь большое количество открытых трещин. Учитывая, что речь идет о глубинах порядка 4–5 км, а на таких глубинах породы находятся под колоссальным давлением, необходимая проницаемость сама по себе может не возникнуть (трещины в породах, если и присутствуют, то находятся в зажатом состоянии).

Для повышения проницаемости глубинных пород и создания в них нужной трещиноватости (по сути — для создания области искусственного глубинного геотермального резервуара) в начале 1970-х годов специалистами из Лос-Аламосской национальной лаборатории была предложена технология «гидравлического стимулирования» EGS (Enhanced geothermal system, рис. 1): холодную воду под высоким давлением закачивают на глубину, где она приводит к подвижкам пород и образованию новых трещин. Это во многом похоже на технологию гидроразрыва пласта, используемую в нефтегазодобыче.

С самого начала в связи с использованием технологии EGS высказывались опасения, что нарушение целостности толщи пород на глубине может привести к тектоническим подвижкам (особенно опасным в сейсмически активных зонах) и даже к возникновению довольно крупных землетрясений. Такие землетрясения, вызванные деятельностью человека, называют индуцированными (или наведенными, см. induced seismicity). Аналогичные опасения высказываются и в отношении технологии гидроразрыва пласта, поскольку воздействие на глубинные породы там, по сути, такое же (и опасения эти отнюдь не беспочвенные: например, после активизации добычи нефти этим способом в штате Оклахома в конце 2000-х годов количество землетрясений с магнитудой 3 и больше резко увеличилось: раньше в этом регионе случалось 1–2 таких землетрясения в год, а в 2014–2017 годах фиксировались сотни ежегодно, см. 2009–19 Oklahoma earthquake swarms).

Логичной мерой казалось обязать компании, эксплуатирующие геотермальные станции с технологией EGS, регулярно осуществлять мониторинг сейсмического состояния окружающих пород. В частности, южнокорейская компания NexGeo, являющаяся оператором геотермальной станции в Пхохане, установила вокруг станции восемь сейсмографов, записывающих все индуцированные сейсмические события. Но это не помогло.

Мощное землетрясение магнитудой 5,5, произошедшее 15 ноября 2017 года, при котором пострадали 135 человек и 1700 остались без крова, было спровоцировано именно эксплуатацией геотермальной станции. Такой вывод делается в недавнем отчете Корейского геологического общества (Summary report of the Korean Government Commission on relations between the 2017 Pohang earthquake and EGS project).

В июне 2018 года в журнале Science были опубликованы сразу две статьи, в которых на основе анализа записей сейсмографов, каротажных обследований скважин, спутниковых наблюдений и моделирования тектонических напряжений также говорится о том, что землетрясение в Пхохане почти наверняка было вызвано деятельностью человека(K.-H. Kim et al., 2018. Assessing whether the 2017 M_w 5.4 Pohang earthquake in South Korea was an induced event; F. Grigoli et al., 2018. The November 2017 M_w 5.5 Pohang earthquake: A possible case of induced seismicity in South Korea).

Международная группа экспертов во главе с Ли Кан Куном (Kang-Kun Lee) из Сеульского национального университета, проанализировав приведенные в вышеупомянутых источниках данные, высказала свое мнение относительно того, почему сейсмический мониторинг, используемый в качестве главного метода контроля на станции в Пхохане, оказался неэффективным. Статья опубликована на днях в журнале Science.

Оценка сейсмических рисков проекта Пхоханской геотермальной электростанции производилась еще на стадии изысканий, когда выбиралась площадка под станцию. Бурение и геофизические исследования тогда не выявили на самом участке каких-либо крупных разломов, однако в отчетах было отмечено, что в районе присутствуют разломы, находящиеся в напряженном состоянии, которые при попадании в зону стимуляции (зону создания искусственной трещиноватости нагнетательными скважинами) могут активизироваться и вызвать умеренные или крупные землетрясения. Таким образом, еще до начала работ было ясно, что, если скважины системы EGS пересекут крупный разлом, дальнейшие работы нужно будет проводить с особой осторожностью.

Была построена станция проектной мощностью 1,2 МВт электроэнергии, и началось бурение эксплуатационных скважин. Первая нагнетательная скважина, РХ-1, не пересекла ни одного разлома, а вот вторая скважина, РХ-2, встретила плоскость разлома на глубине около 3,8 км. В записях буровиков отмечается, что на этой глубине произошла потеря бурового раствора в объеме более 160 м³, что свидетельствует о том, что закачка произошла прямо в зону разлома. Центральная часть зоны разлома сложена перетертым глинистым материалом, который послужил барьером для потока закачиваемой жидкости, и вся она ушла вдоль разлома. Удивительно, что этому факту не было уделено должного внимания, так как проведенный позднее (уже после землетрясения) анализ сейсмических данных однозначно показал, что все центры сейсмической активности, индуцированной закачками в скважину РХ-2, находятся в зоне разлома (рис. 2).

Рис. 2. Сейсмическая активность, связанная с применением технологии EGS в районе геотермальной станции Пхохан. Точками отмечены сейсмические события, связанные с закачкой воды в скважину РХ-1 (синие точки) и в скважину PX-2 (красные), полоски показывают зоны стимуляции этих скважин. Звездочкой отмечен гипоцентр землетрясения 15 ноября 2017 года. Плоскость разлома показана розовым. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

На тот момент было непонятно, как ориентирована зона разлома, а инженеры компании анализировали только мощность подвижек, исходя из существовавшего представления о том, что максимальная величина индуцированных землетрясений определяется в основном объемом закачиваемой жидкости. Поэтому в качестве главного параметра мониторинга ими было выбрано значение магнитуды индуцированных землетрясений (сначала было установлено максимально допустимое значение 2, позже эта величина была поднята до 2,5). При достижении пороговых значений инженеры планировали просто снизить объемы и скорость закачки воды в недра. При этом фактор накопления напряжений вообще не учитывался. В итоге основное землетрясение произошло почти через 2 месяца после окончания стимуляции и было непропорционально крупным, учитывая небольшие объемы впрыскиваемой жидкости.

И это не единичный случай, когда индуцированные землетрясения имели отсроченный эффект. Еще с 1960-х годов известно, что риск возникновения такого землетрясения не исчезает сразу же после остановки закачки. Индуцированное землетрясение магнитудой 4,8, которое потрясло город Денвер (штат Колорадо, США) в 1967 году, произошло более чем через год после того, как закончили закачивать в глубокую скважину отработанные растворы расположенного поблизости химического комбината (J. Healy et al., 1968. The Denver Earthquakes). В швейцарском Базеле сейсмическая активность, включая множественные землетрясения с магнитудой около 3, продолжалась в течение нескольких месяцев 2007 года уже после сброса давления в нагнетательных скважинах местной геотермальной станции (N. Deichmann et al., 2009. Earthquakes induced by the stimulation of an Enhanced Geothermal System below Basel (Switzerland)).

Однако до события в Пхохане всё еще считалось, что мощность индуцированных землетрясений можно держать под контролем, поддерживая на определенном уровне объем, давление и скорость подачи закачиваемой жидкости, а также контролируя состояние пород в местах выхода жидкости из нагнетательных скважин. Теперь же понятно, что эта так называемая «гипотеза объема» не работает, а главным фактором риска индуцированных землетрясений является не объем закачки, а тектоническое состояние разломов, находящихся в зоне действия проекта. Контролировать надо не столько мощность отдельных сейсмических событий, сколько их местоположение. Чем больше гипоцентров индуцированных землетрясений ложится в зону конкретного разлома, тем выше вероятность того, что именно по плоскости этого разлома произойдет крупное смещение. Если бы инженеры эксплуатирующей компании в Пхохане не просто контролировали пороговую мощность землетрясений, а анализировали положение их гипоцентров, катастрофы можно было избежать.

Выводы, которые делают авторы статьи, имеют важное значение не только для геотермальной энергетики, но и могут быть распространены на другие сферы деятельности человека, где есть риск возникновения индуцированной сейсмичности. Прежде всего речь идет о методах добычи углеводородов, связанных с гидроразрывом пласта; обратной закачке попутных вод, образующихся при добыче нефти и газа; проектах по закачке в недра сточных вод и жидких отходов производства. Такие же риски заложены и в активно обсуждаемой в последнее время технологии улавливания и захоронения углерода (в виде углекислого газа) в нефтяных скважинах, предлагаемой в качестве одного из методов борьбы с глобальным потеплением.

Главный вывод из этого исследования состоит в том, что методы мониторинга индуцированной сейсмичности должны быть пересмотрены. Еще до начала работ необходимо проводить анализ сейсмического фона района, подняв все имеющиеся записи. На ранних этапах основное внимание должно уделяться более тщательному выявлению разломных структур в районах планируемых работ, анализу их морфологии и напряжений, накопленных в зонах этих разломов. А во время эксплуатации объектов необходимо прежде всего контролировать частоту мелких сейсмических событий и местоположение их гипоцентров.

Источник: Kang-Kun Lee, William L. Ellsworth, Domenico Giardini, John Townend, Shemin Ge, Toshihiko Shimamoto, In-Wook Yeo, Tae-Seob Kang, Junkee Rhie, Dong-Hoon Sheen, Chandong Chang, Jeong-Ung Woo, Cornelius Langenbruch. Managing injection-induced seismic risks // Science. 2019. V. 364. P. 730–732. DOI: 10.1126/science.aax1878.

Владислав Стрекопытов