Чем опасна сланцевая нефте- и газодобыча для экологии

Влияние добычи традиционным способом на природу давно изучено, но ГРП таит в себе еще много опасного.

С завоеванием рынка сланцевой нефтью и сланцевым газом метод горизонтального бурения возникает вопрос влияния данного метода добычи на окружающую среду. Об этом говорится в тезисах доклада С.А. Пунановой (Институт проблем нефти и газа РАН) и Д. Нукенова (ТОО «Kaz-Waterhunters», г. Актау, Казахстан) к конференции «Горизонтальные скважины и ГРП в повышении эффективности разработки нефтяных месторождений», прошедшей в ходе Татарстанского нефтегазохимического форума. Информ-Девон приводит этот материал с сокращениями.
Башкортостан и Татарстан проявляют рационалистический подход к разработке месторождений углеводородов. В этих регионах широко внедряются проекты с использованием горизонтальных скважин, доля которых в Волго-Уральском НГБ весьма высока. Это отмечалось на конференции EAGE «Горизонтальные скважины 2017. Проблемы и перспективы» (Казань, 15–19 мая 2017 года).

НЕФТЯНЫЕ ЗАПАСЫ США УВЕЛИЧИЛИСЬ НА 90% ЗА 6 ЛЕТ

В современных рыночных условиях горизонтальное бурение позволяет минимизировать риски отсутствия притока, увеличить степень вскрытия коллектора и дебиты по скважинам, повысить рентабельность проектов, сказал председатель оргкомитета EAGE, руководитель направления по геологии и разработке ООО «Газпромнефть-Ангара» Владимир Воробьев.
Разработка сланцевых залежей за последние годы полностью переориентировала международный нефтяной рынок. Совершив сланцевую «революцию» в начале 2010-х годов, американские производители стали одними из ключевых поставщиков сырья в мире, нарастив с середины 2016 производство на 10% до 9,3 миллиона баррелей в сутки на сегодня. Это недалеко от уровней Саудовской Аравии и России. Больших успехов удалось добиться с применением именно горизонтального и кустового бурения.

Промышленная добыча газа из сланцев началась в 1980-х годах. На северо-востоке Техаса были пробурены неглубокие вертикальные скважины (150–750 м). Газ из сланцев (плеев) формации Барнетт начали извлекать при помощи гидравлической стимуляции. Дебиты скважин составляли около 3 тыс. кубометров в сутки, и запасы на скважину оценивались в среднем 7 млн куб.м. Постепенно совершенствовалась технология добычи, и к 2000 она уже составила 13 млрд куб.м.
В 2002 г. начался новый технологический этап – бурение горизонтальных скважин с многостадийным ГРП (Hydraulic fracturing) и закачкой проппантов. Добыча стала расти и уже в 2005 г. составила 23 млрд куб.м. Сланцевые формации расположены главным образом в пределах осадочных бассейнов как платформенного (Пермский, Мичиганский, Иллинойс и др.), так и внутрискладчатого (Грин Ривер, Уинта, Парадокс и др.) типов.

Компания WPX Energy из Оклахомы занимается бурением в разных бассейнах Америки: на сланцы формаций Баккен (Северная Дакота) и Барнетт (глинистые сланцы каменноугольного возраста) Пермского бассейна (западный Техас и восточный Нью-Мексико). Руководитель компании Rick Moncrief, который является пионером горизонтального бурения в Баккене, сравнивает эти сланцевые формации. Он считает, что существуют высокие перспективы и в Баккене, и в Пермском бассейне, несмотря на то, что в 2016 г. продукция Баккена упала. В то время как экономически Пермский бассейн в настоящее время выглядит более привлекательно, Rick Moncrief оценивает положительно перспективы его компании в обоих бассейнах, где средние затраты на скважину были снижены до $5–5,5 миллионов в середине 2016 года. Сегодня WPXEnergy является «новым игроком» Пермского бассейна благодаря приобретению в 2015-м году лицензионных участков на площади Дэлавар. Также WPXEnergy имеет площади в Уиллистонском бассейне (Северная Дакота) и бассейне Сан Хуан (Нью-Мексико).

В первом квартале 2016 года WPXEnergy установила новый пик добычи нефти со средним показателем в 41500 баррелей в день и планирует вложить $350–450 млн в 2016 году. Больше половины этих средств предназначено для Пермского участка Дэлавар. Многие руководители крупных корпораций отмечают, что улучшение технологий горизонтального бурения приводит к уменьшению затрат, выдвигая лозунг – «меньше денег, но больше нефти».
Усовершенствование технологий ГРП с многочисленными входными отверстиями (перфорациями) снижает затраты и увеличивает производительность, считает JimVolker, исполнительный директор Whiting Petroleum Corporation, базирующейся в Денвере. Сто входных отверстий на протяжении 3048 метров ветви, 2,7 тысяч тонн песка и 200 тыс. баррелей воды позволяют Whiting Petroleum достигать производительности в 900 тысяч баррелей на скважину. По словам Gerbert Schoonman, вице президента компании Hess Corporation, его компании удалось снизить время бурения скважины с 45 до 16 дней, тем самым снизив затраты на каждую с 34 млн до $5,1 млн.
Don Hrap, президент компании Conoco Phillips подчеркивает, что из-за новой технологии нефтяные запасы США увеличились на 90% за последние 6 лет, а запасы натурального газа на 125% за последние 20 лет. «В настоящий момент Северная Америка имеет достаточно природного газа на следующие 100 лет», – сказал Don Hrap.

Большое значение имеет применение новейших технологий. Компании используют волоконную оптику и волоконные катушки для диагностики производительности каждой перфорации. Температуру, акустику и некоторые другие параметры оценивают для их повторного использования. Новая волоконно-оптическая система мониторинга, совместно разработанная Shell и Baker Hughes, позволяет проводить мониторинг распределения напряжений и деформаций в скважинах, использующих противопесочные фильтры. Эта система может фиксировать даже незначительные изменения в обсадных трубах и креплениях скважин в реальном времени.

КОЛОССАЛЬНЫЙ ВРЕД ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Негативное влияние сланцевого бурения наносит колоссальный вред окружающей среде, считают ученые. При бурении горизонтальных скважин и использовании ГРП растет сейсмоактивность в связи с изменением структуры недр, загрязняются грунтовые воды, поверхностные воды и почвы, в атмосферу выбрасывается метан.
Технология требует огромных запасов воды. Для одного ГРП используется от 5000 до 20000 т смеси воды, песка и химикатов, а таких ГРП производится в год десятки на одной скважине. Вблизи месторождений скапливаются большие объемы отработанной загрязненной химическими веществами воды, которая неизбежно попадет в почву. Добыча сланцевого газа приводит к загрязнению грунтовых вод толуолом, бензолом, диметилбензолом, этилбензолом, мышьяком и другими опасными веществами. В частности, в сентябре 2014 г. в водозаборной скважине сланцевого месторождения Barnett shale, одного из самых крупных газовых хранилищ Техаса, было обнаружено небезопасное количество мышьяка. Для одной операции ГРП используется до 500 наименований химикатов общим объем от 80 до 300 т. Высока вероятность и загрязнения радиоактивными веществами, которые будут выноситься на поверхность в результате добычи газа.

При довольно подробном освещении всех плюсов и минусов горизонтального бурения сланцевых плеев и, в частности, негативных экологических последствий применения ГРП, практически не затрагивается проблема микроэлементного (МЭ) состава как самих сланцев, так и сланцевой нефти. Однако при разработке и добыче нефтегазовых ресурсов сланцевых формаций необходимо учитывать большие содержания металлов и неметаллов, концентрирующихся в них. Причем значительное количество элементов относится к категории потенциально токсичных опасных для среды обитания.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И РАДИАЦИЯ
В целом сложилась парадоксальная ситуация. На фоне сравнительно высокой изученности свойств и последствий воздействий углеводородов на окружающую среду практически без исследований остались многие токсоопасные МЭ, присутствующие в УВ сырье. Но около 15–20% добываемого УВ сырья уже содержат в своем составе токсические микроэлементы в количествах, превышающих их безопасный уровень, и объемы его добычи с годами возрастают. Наиболее миграционно-подвижные и летучие из них ртуть, кадмий, мышьяк и др.
В числе прочно химически связанных в комплексных металлоорганических соединениях в углеводородах – медь, никель, цинк и др. Они биологически инертны в природной нефти и битумах, но опасны в микродисперсном состоянии после техногенного, особенно высокотемпературного воздействия на сырье. Актиноиды, вне зависимости от прочности связи с молекулярными структурами УВ, входят в класс активно опасных в любом состоянии. Поэтому содержания таких высокотоксичных и летучих элементов, как молибден, селен и др. необходимо оценивать на предварительных этапах разработки любых месторождений, в том числе и сланцевых.

Тепловое воздействие на пласт, увеличение давлений, закачка химических реагентов при ГРП при большом количестве перфораций на протяжении длинного горизонтального участка может привести к высвобождению элементов и их выбросу в окружающую среду. Так, известно, что теплохимические методы, например, метод внутрипластового горения при выработке запасов ванадиеносных нафтидов, неприемлемы в виду значительных потерь металлов в пласте, а также из-за возможного попадания ванадия и никеля в вышезалегающие водоносные горизонты, используемые для водоснабжения населения. Подобное уже зафиксировано на участке внутрипластового горения месторождения Каражанбас в Казахстане.
В горючих сланцах Байхожинского месторождения в Казахстане отмечаются также высокие содержания рения – редкоземельного металла, широко применяемого в катализаторах и тугоплавких сплавах.

В последние годы особое внимание уделяется оценке объемов экологически опасного загрязнения окружающей среды ртутью и ее соединениями, образующимися в результате добычи различных видов углеводородного сырья и его переработки. Наибольшее число подобных исследований выполнено в США. Даже по самой низкой оценке среднего содержания Hg в нефти при расчете на минеральное вещество она во много раз выше, чем в осадочных породах и земной коре. Ртуть присутствует в нефти в виде обладающих высокой летучестью капель металлической ртути. В нефти обнаружена также самородная ртуть и ее амальгамы.

Естественная радиоактивность горючих сланцев обусловлена содержанием в них естественных радионуклидов (ЕРН): урана, тория, изотопа 40К и продуктов радиоактивного распада Th, U, в первую очередь радия и газообразного радона. Из всех ЕРН горючих и черных сланцев наибольшая информация имеется по урану, который заметно накапливается в них. Его среднее содержание в черных сланцах 8–13 грамм на тонну. При переработке сланцев могут образовываться продукты с повышенной радиоактивностью по сравнению с исходными.

Ученым стоит задуматься о тех невозвратных потерях ценных промышленно значимых металлов, которые происходят из-за отсутствия рентабельной и экономически эффективной технологии их добычи из нафтидов, а, с другой стороны, при ГРП возможно попадание потенциально токсичных элементов как из сланцев, так и из содержащихся в них углеводородов в скважинное оборудование и окружающую среду.