Forscher: Veränderungen im Perm-Becken führen zu wachsenden Geogefahren

Jul 30, 2023

Eine in diesem Monat veröffentlichte neue Studie untersucht, wie die petrochemische Industrie im Perm-Becken die Landschaft deformiert hat, indem sie dazu geführt hat, dass einige Gebiete absinken, während andere Gebiete ansteigen.

Während die Veränderungen möglicherweise nicht leicht erkennbar sind, insbesondere in dünn besiedelten Gebieten wie dem Perm-Becken, können Forscher sagen, dass sie die Infrastruktur beschädigen können.

Die Studie von Forschern der Southern Methodist University wurde in der Augustausgabe des International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation veröffentlicht.

In ihrer Untersuchung versuchten die Forscher der Southern Methodist University, die Oberflächenverformung im gesamten Perm-Becken zu kartieren und den Zusammenhang zwischen Öl- und Gasaktivitäten und den Veränderungen an der Oberfläche zu quantifizieren.

Sie fanden heraus, dass der Boden im Perm-Becken im Durchschnitt jährlich um drei bis vier Zentimeter absinkt, obwohl es mehrere Gebiete mit stärkeren Absenkungsraten gibt.

Die Forscher schreiben in der Studie, dass die Zunahme der Öl- und Gasförderung in den letzten Jahrzehnten „zu der alarmierenden Zunahme von Georisiken beigetragen hat, die manchmal das lokale Ökosystem dauerhaft verändert haben, und ein wachsendes Problem für Gemeinden und politische Entscheidungsträger weltweit darstellt.“

Sie sagen, es sei wichtig, „die Dynamik von Geogefahren in verschiedenen Phasen der Produktion“ zu verstehen.

Das Perm-Becken ist ein wichtiges Untersuchungsgebiet, da dort etwa 40 Prozent der Ölförderung in den Vereinigten Staaten stattfinden.

Dr. Zhong Lu, Professor an der Southern Methodist University, der Landverformungen in der Region untersucht, sagte in einer E-Mail-Antwort auf Fragen von NM Political Report, dass die Geologie des Perm-Beckens und unter normalen Bedingungen auch die Landschaft relativ stabil seien würde nicht das sogenannte Absinken oder Absinken des Oberflächenbodens aufgrund von Änderungen in den Bedingungen unter der Oberfläche erfahren.

„Das Perm-Becken gilt zusammen mit dem Rest des US-Mittelkontinents seit langem als geologisch stabil ohne großflächige tektonische Bewegungen, Vulkanismus oder seismische Aktivitäten. Daher sind natürliche Geogefahren relativ selten“, sagte Lu.

Aber rund 100 Jahre Rohstoffindustrie im Perm-Becken haben das geändert.

Jetzt kommt es im Becken zu Dolinen, Senkungen und Hebungen als direkte Folge der Öl- und Gasaktivitäten.

Diese Veränderungen in der Landschaft erfolgen nicht in gleichmäßigem Tempo. Das bedeutet, dass sich ein ebenerdiges Grundstück so verändern kann, dass ein Bereich höher liegt als ein angrenzender Bereich. Dies kann verschiedene Auswirkungen auf Infrastruktur, Architektur und sogar Wasserquellen haben.

Der Erstautor der Studie, Vamshi Karanam, ein Doktorand an der Southern Methodist University, nannte einige Beispiele dafür, wie sich diese Veränderungen in der Landform auf den Menschen auswirken können.

Ungleichmäßige Veränderungen der Oberfläche können Pipelines beschädigen oder sogar den Fluss innerhalb dieser Pipelines stören, sagte er.

In Pecos, Texas, und anderen Gemeinden im Perm-Becken mussten Bewohner beobachten, wie ihre Häuser und Geschäfte durch die veränderten Landschaften beschädigt wurden.

Da viele der stillgelegten Ölquellen älter als 50 Jahre sind, kann es zu Rissen im Zement und zu Korrosion in den Ölleitungen kommen. Dies könne dazu führen, dass Abwasser aus einer zuvor versiegelten und isolierten Formation in das Grundwasser oder sogar an die Oberfläche gelangt, sagte er.

Karanam sagte, dass die Öl- und Gasaktivitäten auch die seismische Aktivität im Becken erhöhen und zur Bildung von Dolinen führen können.

Es ist keine neue Nachricht, dass es in den Ölfeldern des Perm-Beckens ein Erdfallproblem gibt. Im Jahr 2020 veröffentlichte Undark eine Geschichte über die Dolinen im Perm-Becken von New Mexico. Aber die Forschung, die das Team der Southern Methodist University durchführt, liefert ein besseres Verständnis dafür, wie und in welchem ​​Tempo die Öl- und Gasindustrie im Perm-Becken die Landschaft verändert.

Um die Veränderungen in der Oberfläche zu untersuchen, verwendeten die Forscher eine Fernerkundungstechnik namens Persistent Scatterer Interferometry sowie numerische Modellierung.

Das aktuelle Papier ist nicht die erste Studie, die Forscher der Southern Methodist University veröffentlicht haben, seit sie mit der Untersuchung der Verformung begonnen haben.

Die Forschung begann im Jahr 2015 nach dem Start des Satelliten Sentinel-1 der Europäischen Weltraumorganisation. Zunächst richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf ein Erdloch in Texas und versuchten, Daten von Sentinel-1 zu nutzen, um die Bodenstabilität zu untersuchen. Dies wurde später erweitert, um die Auswirkungen der Öl- und Gasaktivitäten im gesamten Perm-Becken zu untersuchen.

Die in diesem Monat veröffentlichte Studie verwendet Daten, die von Sentinel-1 von 2016 bis 2021 erfasst wurden. Mithilfe der Persistent Scatterer Interferometrie konnten die Forscher eine Zeitreihe der Verformung erstellen, die auf den Millimeter genau ist.

Sie nutzten auch Daten über die Förder- und Injektionsraten an Bohrlöchern im Perm-Becken. Diese Daten stammen von der Railroad Commission of Texas, die die dortige Öl- und Gasindustrie überwacht, und dem New Mexico Energy, Minerals and Natural Resources Department.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass es jährlich zu einer Verformung von etwa drei bis vier Zentimetern kommt und dass die Region zwei große Verformungsgebiete umfasst.

Die Forschung konzentrierte sich nicht nur auf aktive Brunnen. Lu war auch an der Dokumentation beteiligt, wie stillgelegte Brunnen, die nicht verschlossen wurden, die Bodeninstabilität beeinflussen und zu geologischen Gefahren wie Dolinen führen können.

Lu und sein Forscherteam erhielten von der NASA ein Stipendium, um die Bodenstabilität im gesamten Perm-Becken im Zusammenhang mit Öl und Gas zu untersuchen.

Karanam trat dem Team im Jahr 2021 bei, nachdem er sich an der Southern Methodist University eingeschrieben hatte. Er begann mit der Radarbildverarbeitung, um zu untersuchen, wie sich die Landoberfläche des Perm-Beckens verformt.

Diese aktuelle Studie ist nur eine in einer Reihe von Untersuchungen, die die Forscher durchführen. Diese Untersuchungen werden in den nächsten Jahren fortgesetzt.

Karanam sagte, dass die meisten der von ihnen beobachteten Deformationsmerkmale geologische und geophysikalische Erklärungen hätten. Doch eine sehr große Anhebung westlich des Delaware-Beckens – einem Unterbecken des Perm – und außerhalb der Ölfelder erregte die Aufmerksamkeit der Forscher.

Hebungen sind im Allgemeinen mit der Injektion von Flüssigkeiten in den Untergrund verbunden, sie treten jedoch in der Regel lokal auf. Das bedeutet, dass durch eine Öl- oder Injektionsbohrung verursachte Verformungen innerhalb weniger Meilen von der Bohrung selbst auftreten.

Die Hebung westlich des Delaware-Beckens erstreckt sich über eine Fläche von Tausenden Quadratkilometern und es gibt keine aktiven Injektionsbrunnen in der Nähe.

„Es ist möglich, dass die jahrelange Produktion im Delaware-Becken zu einem Massenverlust geführt hat und die Oberfläche langsam aufspringt“, vermutete er. „Dieses Phänomen ähnelt dem postglazialen Rebound-Effekt.“

Karanam bestätigte jedoch, dass für die Hypothese weitere Studien mit detaillierten geophysikalischen Modellen erforderlich seien.

Das Team der Southern Methodist University plant, seine aktuelle Forschung auf das Perm-Becken auszuweiten, um diese Frage möglicherweise in Zukunft beantworten zu können.

Karanam sagte, das Team hoffe, die Verformung im Laufe der Zeit beginnend mit den frühen 1990er Jahren mithilfe von Satellitendaten kartieren und quantifizieren zu können, wie sich der Kohlenwasserstoffbetrieb auf die Oberflächenverformung auswirkt.

„Dies kann uns helfen, die Geschichte der Verformung im Becken zu verstehen und kann auch Einblicke in die verzögerte Wirkung von Bodensenkungen liefern“, sagte er.

Die Geologie selbst verändert, wie stark die Verformung sein wird.

Wenn sich beispielsweise in der Untergrundgeologie viel Salz befindet, kann der Kontakt mit Flüssigkeiten dazu führen, dass sich das Salz auflöst, was zu einem Absinken des Bodenniveaus führen kann, sagte Lu.

Auch die Tiefe der Bohrlöcher könne sich auf die Verformung auswirken, sagte er und fügte hinzu, dass in größeren Bereichen mit tieferen Bohrlöchern eine stärkere Verformung auftreten werde.

Auch andere geologische Faktoren, etwa wie porös oder durchlässig die Gesteine ​​sind und wie der Untergrund auf Druck oder Kompression reagiert, können bestimmen, wie stark sich die Oberfläche verformt.

Auch die Art des Öl- und Gasprozesses kann einen Einfluss haben. Die Förderung kann zu einem Absinken des Bodenspiegels führen, und die Injektion kann zu einem erhöhten Bereich in der Nähe des Bohrlochs führen.

Karanam sagte, dass die Injektion von so etwas wie produziertem Wasser dem Untergrund mehr Volumen verleiht, was eine Anhebung des Landes erfordert, um dieses erhöhte Volumen aufzunehmen.

„Das injizierte Wasser kann auch das Spannungsregime im Untergrund verändern und zu Verwerfungsrutschen führen, die zu Erdbeben führen“, sagte er.

Der beste Weg, das Ausmaß der Landverformung zu verringern, besteht darin, die Förder- und Injektionsaktivitäten zu reduzieren. Karanam räumte jedoch ein, dass dies möglicherweise keine wirtschaftlich tragfähige Lösung sei.

Sowohl New Mexico als auch Texas sind stark von der Öl- und Gasindustrie abhängig, insbesondere im Perm-Becken.

Karanam sagte, eine praktikable Lösung könnte eine sorgfältige Planung des Kohlenwasserstoffbetriebs mit Schwerpunkt auf der Kontrolle der Schäden an der Geologie und der Infrastruktur sein. Mit anderen Worten: Der Schwerpunkt liegt auf geplanten Setzungen, die eine vorhersehbare und kontrollierte Senkung des Bodens ermöglichen. Er sagte, dass Bergbaubetriebe dieses Konzept häufig anwenden. In der 2019 veröffentlichten endgültigen Umweltverträglichkeitserklärung für die inzwischen stillgelegte San-Juan-Mine im Nordwesten von New Mexico werden beispielsweise Möglichkeiten zur Minimierung der mit dem Untertagebergbau verbundenen Bodensenkungen untersucht.

„Dies kann den zuständigen Behörden dabei helfen, die Auswirkungen von Bodensenkungen auf die Infrastruktur zu verringern“, sagte er.

Dazu sind eine detaillierte Kartierung von Untergrundformationen und Verwerfungsstrukturen sowie hydrogeologische Modelle erforderlich, die den Menschen helfen, zu verstehen, wie sich Flüssigkeiten in der Untergrundgeologie bewegen.

Nach der Lektüre der Studie beriet sich die Landkommissarin von New Mexico, Stephanie Garcia Richard, mit ihren Mitarbeitern über die Auswirkungen. Ihr Hauptanliegen sei die Sicherheit der Pipelines und sie sagte, dass die Ergebnisse der Studie etwas seien, das die Regulierungsbehörden bei ihren Entscheidungen berücksichtigen sollten.

„Drei bis vier Zentimeter Senkung pro Jahr fühlen sich bedeutsam an“, sagte sie und fügte hinzu, dass es „irgendwie beängstigend ist, darüber nachzudenken“, welche Auswirkungen die Öl- und Gasaktivitäten auf den Boden haben.

Sie sagte, das State Land Office gehe davon aus, dass etwa 230.000 Acres Staatsland von der Senkung betroffen seien.

„Wir wissen bereits, dass aufgrund der Salzformationen in diesem Gebiet die Gefahr von Dolinen besteht“, sagte sie.

Garcia Richard hob als Beispiel ein Erdloch hervor, das sich in Carlsbad gebildet hatte.

„Dieser Fall befindet sich nicht auf Staatsland, aber wir haben andere Fälle von Bodensenkungen, die wir im Auge behalten und überwachen“, sagte sie.

Für Garcia Richard warf die Studie weitere Fragen auf, die sie gerne beantwortet sehen würde. Sie möchte beispielsweise mehr Informationen darüber erhalten, wie sich unterschiedliche Öl- und Gasförderungstechniken auf das Ausmaß der Verformung auswirken und wie unterschiedliche Vorschriften in New Mexico und Texas die Auswirkungen der Öl- und Gasaktivitäten auf die Gebiete beeinflussen können.

Die Studie stellt einige Unterschiede zwischen den beiden Bundesstaaten fest, darunter die Tatsache, dass der Großteil der Injektionen in Texas erfolgt. Dies ist teilweise auf die staatliche Politik zurückzuführen. Garcia Richard erklärte, dass Öl- und Gasbetreiber in New Mexico nicht in der Lage seien, in flache Bohrlöcher zu pumpen. Stattdessen müssen sie in tiefe Formationen eindringen.

Aber, sagte sie, die Salzwasserinjektion sei etwas, das die Menschen im Auge behalten sollten, nicht nur, weil sie zu einer Anhebung der Oberfläche führen kann, sondern auch, weil sie mit erhöhter seismischer Aktivität in Verbindung gebracht wird.

Die Studie stellt außerdem fest, dass einige der Senkungsgebiete in New Mexico mit dem Kaliabbau zusammenhängen, was auch Garcia Richard hervorhob. Der Studie zufolge nehmen die Auswirkungen des Kalibergbaus ab. Der Kaliabbau führte zwischen 2007 und 2011 zu einer Setzungsrate von etwa 100 Zentimetern pro Jahr. Während der Zeit, in der die Forscher die Studie durchführten, verringerte sich dieser Wert auf 4 Zentimeter pro Jahr. Die Forscher führten den Rückgang der Bergbausenkungen auf ein Überangebot an Kali auf den internationalen Märkten zurück, was zu einem Rückgang der Bergbaubetriebe in New Mexico führte.

Garcia Richard äußerte außerdem Interesse daran, mehr über mögliche Veränderungen zu erfahren, die durch die Umstellung von Öl- und Gasunternehmen von Vertikalbohrungen auf Horizontalbohrungen eingetreten sein könnten.

Viele der Schritte, die zur Bewältigung der Bodensenkung unternommen werden könnten, beispielsweise die Forderung nach geplanten Bodensenkungen, liegen außerhalb der Zuständigkeit des State Land Office. Dies könnte durch einen Regelsetzungsprozess in der Oil Conservation Division oder durch Gesetzgebung auf Landesebene erfolgen.

Garcia Richard sagte jedoch, es sei wichtig, die Auswirkungen der Öl- und Gasindustrie auf Staatsgrundstücke zu berücksichtigen.

„Wir existieren, um Geld für öffentliche Schulen zu verdienen. Aber wenn die Aktivitäten, die wir auf dem Land durchführen, die New Mexikaner in Gefahr bringen, dann ist unsere Arbeit bedeutungslos“, sagte sie.